1、2014 年全国大学生电子设计竞赛陕西赛区设计报告作品编号： （由组委会填写）剪切线 作品编号： （由组委会填写）学校编号 组（队）编号 选题编号参赛队编号（参赛学校填写） 3 8 0 2 B说 明1. 为保证本次竞赛评选的公平、公正，将对竞赛设计报告采用二次编码；2. 本页作为竞赛设计报告的封面和设计报告一同装订；3. “作品编号”由组委会统一编制，参赛学校请勿填写；4. “参赛队编号”由参赛学校编写，其中“学校编号”应按照巡视员提供的组委会印制编号填写， “组（队）编号”由参赛学校根据本校参赛队数按顺序编排，“选题编号”由参赛队员根据所选试题编号填写，例如：“0105B”或“3367F”
2、。5. 本页允许各参赛学校复印。11、设计任务.22、系统方案的设计与论证.22.1 系统总体框架22.2 方案论证与比较.23、系统的硬件设计与实现33.1 系统的总体设计33.2 理论分析与计算.43.3 软件设计.54、测试结果与误差分析65、 结论、心得体会.76、附录：原理图81摘 要金属探测器是专门用来探测金属的仪器。广泛应用于工业生产、安检、娱乐等领域。这里我们设计的是一个基于单片机 MSP430F5529 自主定位探测器， 利用智能小车横向扇形扫描，检测到地面上的金属元素并对其所在位置给出指示（探头指针指向该金属所在位置） ，如若发现附近有金属物体存在该探测器回发出声音警报和
3、LED 灯发亮提示，同时 LED12864 给出明显指示定位。实现金属探测器功能。单片机原理的测得值与设定的电压基准值相比较后，决定是否探测到金属。定位准确。关键词：金属探测器，LDC1000，LED12864，MSP430F5529 21、 设计任务设计并制作一个可自主移动的金属物体探测定位器（以下简称探测器） ，可探测置于玻璃板下的金属物体并给出定位指示。该探测器需采用 TI 公司LDC1000 电感/数字转换器评估板（AY-LDC1000）作为金属物体探头，探头上应有定位指针，以给出明显定位指示。探头可在水平放置的玻璃板上移动。检测时间和误差尽可能小。2、系统方案的设计与论证2.1 系统
4、总体框架整个系统分为单片机系统模块、LDC1000 探头模块、电机驱动模块、电源模块、液晶显示模块。各模块的系统框图如图 1 所示图 1 系统框图2.2 方案论证与比较(1)控制模块传统的 51 单片机广为应用，具有使用简便、价格便宜等优点，但是其运算能力较低，速度较慢，功能相对单一，难以实现较复杂的任务要求。MSP430G2553是最新一代的具有集成 USB 的超低功耗单片机，可以应用于能量收集、无线电机驱动MSP430F5529 单片机液晶显示声光提示LDC1000 探头扫描载体电源模块电机驱动3传感以及自动抄表等场合，是最低工作功耗的单片机之一。MSP430F5529 开发板(MSP-E
5、XP430F5529)是 MSP430F5529 单片机的开发平台，由电源选择开关、RF 射频接口、microSD Card 插槽、MSP430F5529 芯片及引出引脚、USB 接口、JTAG 仿真接口、齿轮电位计、电容触摸按键、LED、按钮、EZ-FET 内置仿真器、102x64 点阵 LCD 和三坐标轴加速度计组成(2)电机驱动模块方案。(2)扫描载体方案一：采用导轨进行扫描定位 气垫导轨是常用的一种实验仪器，它是利用气泵使带孔的导轨与滑块之间形成气垫，使滑块悬浮在导轨上，滑块在导轨上的运动可视为没有摩擦。直线导轨又称线轨、滑轨、线性导轨、线性滑轨，用于直线往复运动场合，拥有比直线轴承更
6、高的额定负载，同时可以承担一定的扭矩，可在高负载的情况下实现高精度的直线运动.直线运动导轨的作用是用来支撑和引导运动部件，按给定的方向做往复直线运动。方案二：采用智能小车扇形扫描 电机驱动模块：使用直流电机，加上适当的减速比的减速器。直流电机具有良好的调速性能，控制起来也比较简单。直流电机只要通上直流电源就可连续不断的转动，调节电压的大笑就可以改变电机的速度。直流电机的驱动电路实际上是一个功率放大器。常用的驱动方式是 PWM 方式。即脉冲宽度调制方式。此外，只能小车在社会应该扩展性更强。基于上述理论和实际应用情况，我们选择方案二。3、系统的硬件设计与实现3.1 系统的总体设计根据前面的分析，设
7、计出本系统的总体架构如图 2 所示。4图 2. 系统架构框图3.2 理论分析与计算金属探测 LDC1000 是根据电磁感应原理制成的，将一金属置于变化的磁场当中时，根据电磁感应原理就会在金属内部产生涡流，涡流产生的磁场反过来又影响原磁场，这种变化可以转换为电压幅值的变化，供相关电路进行检测，LDC1000 并不是直接检测串联的电阻，而是检测等效并联电阻。通过改变硬币和线圈之间的距离得到不同的值，对前端探测到的数据进行再处理和分析，若发现附近有金属物体存在该探测器回发出声音警报和发亮提示。(1)LDC1000 测试探头LDC1000 可以同时测量阻抗和频率。LDC1000 是通过调节振荡器的幅度
8、同时检测 LC 的谐振损耗来实现这个测量的。通过检测注入到 LC 谐振单元的能量，可以计算出 RP。在 LDC1000 中 RP 值被转化为数字量，数值跟 RP 的值成反比。LDC1000 可以检测到 LC 的谐振频率。谐振频率用于计算 LC 中的 L 值。频率值也有 LDC1000 转换为数字量。谐振 LC 中的 C 是已知的（电板上焊接） ，所以根据谐振频率就能计算出 L 值。根据衰减振荡的曲线可以计算出 RP。(2)直流电机驱动电路竞赛之初我们采用 L298N 作为电机驱动，但经过的调试以后发现 L298N的驱动能力不足且内阻较大，PID 调速很不稳定，因而采用了大电流低内阻的电调模块实
9、现电机驱动，经过调试获得了良好的速度特性。5电机驱动电调实物图如图 5 所示。图 5 电机驱动电调实物图3.3 软件设计金属探测器是采用线圈的电磁感应原理来探测金属的。根据电磁感应原理，当有金属靠近通电线圈平面附近时，将发生如下现象和效应：线圈介质条件变化。当有金属物靠近通电线圈平面附近时，无论是介质磁导率的变化还是金属的涡流效应均能引起磁感强度 B 的变化。对于非磁性的金属可认为是导电不导磁的物质，主要产生涡流效应，磁效应忽略不计；对于磁铁性金属，可认为既可导电又导磁的物质，主要产生磁效应，同时又有涡流效应。CCS 是 TI 公司开发的一款具有环境配置、源文件编辑、程序调试、跟踪和分析等功能
10、的集成开发环境，能够帮助用户在软件环境下完成编辑、编译、链接、调试和数据分析等工作。利用 CCS 调试工程程序。当配置正确后启动调试器进行调试。观察变量变化的值。最后当检测到金属物体后得到幅值和等效电阻 RP的变化范围。实现声光报警以及 LED12864 的显示。搜索扫描模式：开始LED12864 显示未检测到金属6图 6 正常检测系统软件流程4、 测试结果与误差分析在系统各部分硬件搭建完毕，软件调试结束后，我们对系统进行了实际测试。分别对五毛、一元以及铁丝的幅值和等效电阻进行了测试分别如下表 1、表 2、表 3。表 1 五毛硬币幅值和等效电阻测试值五毛硬币 frequency DATA pr
11、oximtyDATA 接触 3304 31117离 5mm 3206 19604远离 3336 5346智能小车扇形扫描指针指示蜂鸣器发音LED 发光LED12864 显示检测到金属检测到金属检测完成结束7表 2 一元硬币幅值和等效电阻测试值一元硬币 frequency DATA proximtyDATA 接触 2717 27766离 5mm 3141 10612远离 3333 5333表 3 铁丝值和等效电阻测试值铁丝 frequency DATA proximtyDATA 接触 3293 15090离 5mm 3328 8358远离 3333 5357在测试过程中对硬件要求非常高，不能有接触不良的情况。而测试的结果变化波动很大，我们在计算过程中也只是进行简单的估算。5、 结论 、心得体会通过合理的系统构建和软件编程，本系统能够完成题目要求，实现金属探测准确定位。并给出定位指示。实际测试表明，所设计软件和硬件系统的金属探测器的快速精准定位显示。由于时间的原因，在设计时有部分因素未能实现，如小车扫描，定位指针,数字滤波等。86、附录：原理图MSP430F5529 单片机系统原理图：9LDC1000 原理图：
