基于单片机的金属探测器设计外文翻译资料

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基于单片机的金属探测器设计

赖俊辉，陈国荣

电子信息工程学院

重庆科技大学，中国重庆

邮箱：laijunhui128@126.com

摘要：本文开发设计了一种基于单片机MSP430控制的金属探测器，其检测器的控制核心是低功耗微处理器MSP430。检测器的金属物体探头为LDC1000电感/数字转换器评估板（AY - LDC1000）。检测器是由通过电感传感器感知或测量导体目标位置的材料以及设备组成的。液晶LCD12864将显示金属物体的坐标。步进电机将控制滑动和旋转系统。该设备易于实施，具有良好的可靠性，灵敏度和抗干扰性。检测器在金属检测领域具有非常广泛的应用前景。

关键词：MSP430; 金属探测器; LDC1000; 电感/数字转换器

Ⅰ引言

金属探测器作为一种安全检测设备已广泛应用于社会生活和工业生产的许多领域。金属探测器主要有三大类：电磁感应型，X射线检测型，微波检测型，是用于探测金属的电子仪器，可应用于多个领域。在军事上，金属探测器可用于探测金属地雷；在安全领域，可以探测随身携带或隐藏的武器与作案工具；在考古方面，可以探测埋藏金属物品的古墓，找到古墓中的金银财宝与首饰或其他金属制品；在工程中，可用于探测地下金属埋设物，例如管道、管线等；在矿产勘探中，可用来检测和发现自然金颗粒；工业上，可用于在线监测，如去掉棉花，煤炭，食品中的金属杂物等。由于功能和市场应用领域的差异，出现了不同的产品系列，金属探测器在工业生产和人身安全中起着非常重要的作用。

金属探测器采用电磁感应原理，并通过线圈使用交流电，产生快速变化的磁场。磁场可以在内部的金属物体中引起涡流。 涡流会产生一个磁场，这将影响原来的磁场，嗡嗡触发检测器。金属探测器利用电磁感应的原理，利用有交流电通过的线圈，产生迅速变化的磁场。这个磁场可以在金属物体内部能感生涡电流。涡电流又会产生磁场，倒过来影响原来的磁场，引发探测器发出鸣声。金属探测器的精确性和可靠性取决于电磁发射器频率的稳定性，一般使用从八十到八百千赫兹的工作频率。工作频率越低，对铁的检测性能越好；工作频率越高，对高碳钢的检测性能越好。检测器的灵敏度随着检测范围的增大而降低，感应信号大小取决于金属粒子尺寸和导电性能。常规仪器灵敏度，稳定性等受工作频率，线圈尺寸和匝数，外部环境等因素的影响。为了解决抗干扰能力差和误诊率高的问题，许多学者对金属探测器进行了一些改进。然而，这些仪器难以实现，其成本非常昂贵，这限制了其推广和应用。

基于金属探测器工作的基本原理，开发了一种基于单片机MSP430控制的金属探测器。该系统主要由MSP430 SCM，LDC1000电感/数字转换器评估板，步进电机组成。该系统具有良好的可靠性，灵敏度和抗干扰能力。

Ⅱ 系统设计

A 单片机设计

MSP430单片机是一款16位单片机。MSP430单片机采用简化的指令集（RISC）结构，其中1个时钟周期等于1个指令周期。指令集（RISC）结构中有大量的指令是模拟指令。许多寄存器和数据存储芯片都可以参与各种操作。这些内核指令是具有更强功能和快速运行的单循环指令。它具有0.1mu;ARAM保持模式，0.3mu;A待机模式（VLO），0.7mu;A实时时钟模式，220mu;A/ MIPS工作模式。在待机模式下不超过1mu;s超快速。它通常用于视觉外观，其使用低功耗。以MSP430单片机为核心处理器的嵌入式系统可实现检测采样波形幅度量化和数字信号处理，区分黑色和有色金属，灵敏度高。MSP430系列单片机是美国德州仪器（TI）1996年开始推向市场的一种16位超低功耗、具有精简指令集（RISC）的混合信号处理器（Mixed Signal Processor）。

MSP430单片机称之为混合信号处理器，是由于其针对实际应用需求，将多个不同功能的模拟电路、数字电路模块和微处理器集成在一个芯片上，以提供“单片机”解决方案。该系列单片机多应用于需要电池供电的便携式仪器仪表中。1996年到2000年初，先后推出了31x、32x、33x等几个系列，这些系列具有LCD驱动模块，对提高系统的集成度较有利。2000 年推出了11x/11x1系列。这个系列采用20脚封装，内存容量、片上功能和 I/O 引脚数比较少，但是价格比较低廉。2000年7月推出了F13x/F14x 系列，在2001年7月到2002年又相继推出F41x、F43x、F44x。这些全部是 Flash 型单片机。TI公司在2002年底和2003年期间又陆续推出了F15x和F16x系列的产品。 在这一新的系列中，有了两个方面的发展。一是从存储器方面来说，将 RAM 容量大大增加，如F1611的RAM容量增加到了10KB。二是从外围模块来说，增加了I2C、DMA、DAC12 和SVS等模块。其具备处理能力强，运算速度快，超低功耗片内资源丰富，方便高效的开发环境等诸多优点。

单片机是一种集成电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU、随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计数器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的微型计算机系统，在工业控制领域广泛应用。从上世纪80年代，由当时的4位、8位单片机，发展到现在的300M的高速单片机。单片机又称单片微控制器,它不是完成某一个逻辑功能的芯片,而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。相当于一个微型的计算机，和计算机相比，单片机只缺少了I/O设备。概括的讲：一块芯片就成了一台计算机。它的体积小、质量轻、价格便宜、为学习、应用和开发提供了便利条件。同时，学习使用单片机是了解计算机原理与结构的最佳选择。

B 电感/数字转换器设计

电感感测是一种遥控的、短程感测技术，此项技术能够在灰尘、污垢、油和潮湿环境中实现导体目标的低成本、高分辨率感测，这使得它在恶劣环境中非常可靠。通过使用可在印刷电路板 (PCB) 上被创建为一个感测元件的线圈，LDC1000 可实现超低成本系统解决方案。电感感测技术可对线性位置或角位置、位移、运动、压缩、振动、金属成分及其他应用进行高精度测量，广泛应用于汽车、消费类产品、计算机、工业、医疗和通信等市场领域。 与同类感测技术相比，电感感测的性能更为优异，可靠性和灵活性更高并且系统成本更低。LDC1000 是世界上第一个电感数字转换器，从而在一个低功耗、小封装尺寸解决方案内提供电感感测的优势。 此产品采用一个小外形尺寸无引线 (SON)-16 封装，并且提供了几种运行模式。 其串行外设接口 (SPI) 简化了与微控制器 (MCU) 的连接方式。

LDC1000电感/数字转换器具备以下优点：磁-自由操作，可调式感测范围（通过电圈的设计），降低系统成本，远程传感器的位置（从恶略环境的解耦LDC），高耐久性（通过接触较少的操作），环境干扰不敏感（如灰尘、水、油），电源电压模拟4.75v至5.25v，电源电压io1.8v至5.25v，电源电流（w/o lc tank）1.7毫安，rp分辨率16位，分辨率24位，频率范围5khz~5mhz。该集成电路可通过静电放电损坏，德克萨斯仪器公司建议，所有集成电

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