一種精準(zhǔn)金屬探測(cè)裝置的設(shè)計(jì)

趙雨初，王 慧，楊 潔

（江陰職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 江陰 214400）

一、引言

在當(dāng)今社會(huì)，無(wú)損檢測(cè)技術(shù)能夠在不破壞產(chǎn)品的基礎(chǔ)上檢測(cè)工件是否存在缺陷，保證產(chǎn)品使用的安全性[1]，尤其在食品檢測(cè)以及兒童玩具安全性能指標(biāo)檢測(cè)中都發(fā)揮著重要的作用。隨著人們對(duì)生活品質(zhì)要求的提高，特別是在兒童用品方面一直存在著不完善的因素。在機(jī)器生產(chǎn)兒童玩具時(shí)難免會(huì)出現(xiàn)混入金屬雜質(zhì)，給兒童產(chǎn)品帶來(lái)嚴(yán)重的安全隱患。隨著金屬檢測(cè)技術(shù)的提高，出現(xiàn)了許多金屬探測(cè)器的廠商，但在兒童玩具加工和檢測(cè)方面仍存在不足。由于金屬檢測(cè)有著許多不同的檢測(cè)方法，但在兒童玩具的檢測(cè)中采用電渦流和電磁場(chǎng)檢測(cè)的方式居多，因?yàn)槠渚哂行∏赡陀?、靈敏度和精確度較高的特點(diǎn)。針對(duì)兒童玩具質(zhì)量的安全問(wèn)題，本文提出了一種基于Arduino研發(fā)的金屬探測(cè)器。

二、整體方案設(shè)計(jì)

本檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。采用PS17-5DN作為主要的金屬檢測(cè)傳感器，針對(duì)檢測(cè)的問(wèn)題，給出了一種脈沖渦流檢測(cè)的方法[2]。PS17-5DN作為直流三線NPN接近開(kāi)關(guān)，具有靈敏精確的特點(diǎn)。

PS17-5DN作為電感式接近開(kāi)關(guān)，利用直流三線PNP接法，當(dāng)檢測(cè)到金屬后由于內(nèi)部結(jié)構(gòu)輸出信號(hào)轉(zhuǎn)變成低電平，用傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)金屬零件數(shù)據(jù)進(jìn)行收集和儲(chǔ)存[3]，所以本設(shè)計(jì)中采用Arduino Uno控制板來(lái)接受信號(hào)改變的方式來(lái)對(duì)金屬進(jìn)行檢測(cè)的方案。使用傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)金屬零件數(shù)據(jù)進(jìn)行收集和儲(chǔ)存。

為了保證該設(shè)計(jì)在金屬檢測(cè)時(shí)系統(tǒng)的準(zhǔn)確性，因而在金屬傳感器和Arduino Uno信號(hào)輸入口之間加入光電耦合開(kāi)關(guān)。從而提高了金屬檢測(cè)的抗干擾性，加強(qiáng)整體系統(tǒng)的穩(wěn)定性。通過(guò)Arduino Uno板對(duì)輸入信號(hào)的檢測(cè)來(lái)控制THB6128步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器控制模塊，從而對(duì)X、Y軸電機(jī)進(jìn)行準(zhǔn)確控制，提高檢測(cè)的可靠性。

THB6128步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器控制模塊輸入電壓為12V，板載有78L05穩(wěn)壓塊可提供+5V電壓輸出。為了保證供電的可靠性及便捷性，本設(shè)計(jì)利用THB6128步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器控制模塊的這一特性為Arduino控制板提供+5V供電，而它采用由12V鋰電池充電頭為其供電的的方案。

圖1 檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

三、硬件設(shè)計(jì)

（一）接近開(kāi)關(guān)傳感器

PS17-5DN接近開(kāi)關(guān)是一種無(wú)需與運(yùn)動(dòng)部件進(jìn)行機(jī)械直接接觸而可以操作的位置開(kāi)關(guān)，當(dāng)金屬物體接近開(kāi)關(guān)的感應(yīng)面到距離時(shí)，不需要機(jī)械及施加任何壓力即可使開(kāi)關(guān)，從而通過(guò)輸送給單片機(jī)數(shù)字信號(hào)的改變完成指令控制。

PS17-5DN接近開(kāi)關(guān)內(nèi)部金屬檢測(cè)為電感式檢測(cè)，如圖2所示。

圖2 金屬探測(cè)原理

本設(shè)計(jì)所使用的PS17-5DN接近開(kāi)關(guān)是NPN型，外部接線圖如圖3所示，棕色線接直流12V，藍(lán)色線接地，當(dāng)檢測(cè)到金屬時(shí)黑色信號(hào)線輸出電平由“高電平”轉(zhuǎn)變?yōu)椤暗碗娖健保罱K通過(guò)光耦把電位變化輸送給單片機(jī)。

圖3 傳感器外部接線圖

（二） THB6128步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器控制模塊

THB6128步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器控制模塊（如圖4所示）。所用電機(jī)驅(qū)動(dòng)器可以驅(qū)動(dòng)2.2A電流以下混合式兩相步進(jìn)電機(jī)。THB6128步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器控制模塊功能強(qiáng)大并具有以下特點(diǎn)：支持多種細(xì)分方式，可以通過(guò)四個(gè)撥碼按鍵來(lái)控制；可以調(diào)節(jié)電流大小和衰減模式；輸出電壓范圍寬范（DC10-30V），并配有電源指示燈。

圖4 THB6128模塊外觀圖

THB6128步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊具有共陽(yáng)極和共陰極兩種接法，為方便理解和程序編寫，本設(shè)計(jì)采用共陽(yáng)極接法。脈沖控制輸入端后接高速光電耦合器，方向和使能端分別后接兩個(gè)低速光電耦合器，其信號(hào)輸入原理圖如圖5所示。

其中高速光耦與低速光耦最大的區(qū)別在存儲(chǔ)時(shí)間上，高速光耦響應(yīng)時(shí)間為納秒級(jí)別，適用于高頻脈沖信號(hào)，而低速光耦最大響應(yīng)時(shí)間為微秒級(jí)別，適用于低頻脈沖信號(hào)。

圖5 THB6128信號(hào)輸入原理圖

（三） 主控單元

本設(shè)計(jì)中主控采用Arduino Uno[4]控制板。Arduino Uno是一款基于ATmega328P的微控制器板。它有14個(gè)數(shù)字輸入/輸出引腳(其中6個(gè)可用作PWM輸出)，6個(gè)模擬輸入，16MHz晶振時(shí)鐘[5]。只需要通過(guò)USB數(shù)據(jù)線連接電腦就能供電、程序下載和數(shù)據(jù)通訊。Arduino IDE的軟件編程環(huán)境可通過(guò)串口監(jiān)視器進(jìn)行對(duì)串口實(shí)時(shí)返回?cái)?shù)據(jù)的監(jiān)視，因此通過(guò)對(duì)串口返回?cái)?shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)監(jiān)視。

（四） 金屬檢測(cè)裝置設(shè)計(jì)

金屬檢測(cè)平臺(tái)是一個(gè)300mm×300mm的二維移動(dòng)平臺(tái)。平面雙軸運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)是生產(chǎn)中比較常見(jiàn)的控制系統(tǒng)[6]，X軸和Y軸在步進(jìn)電機(jī)的帶動(dòng)下可以獨(dú)立運(yùn)動(dòng)。當(dāng)裝置檢測(cè)到金屬物體后，便進(jìn)入精確定位階段，通過(guò)對(duì)脈沖周期的計(jì)數(shù)和換算在液晶上準(zhǔn)確顯示出被檢測(cè)金屬所在位置。

本設(shè)計(jì)采用的二維金屬檢測(cè)平臺(tái)的結(jié)構(gòu)如圖6所示。主要由金屬支架、直線導(dǎo)軌、滑塊軸承、步進(jìn)電機(jī)、同步帶、亞克力底板等構(gòu)成[7]。在步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)下帶動(dòng)金屬滑塊在掃描區(qū)域規(guī)則運(yùn)動(dòng)并快速準(zhǔn)確定位被測(cè)金屬。

圖6 二維金屬檢測(cè)平臺(tái)

四、軟件設(shè)計(jì)

（一）軟件流程圖

金屬檢測(cè)裝置以開(kāi)發(fā)板為核心來(lái)控制THB6128步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器控制模塊驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)移動(dòng)并檢測(cè)定位物體。PS17-5DN接近開(kāi)關(guān)作為核心金屬檢測(cè)傳感器，用于識(shí)別并處理檢測(cè)到金屬物體后電位的變化，并通過(guò)數(shù)字輸入口送至Arduino開(kāi)發(fā)板。其程序流程圖如圖7所示。

圖7 程序流程圖

（二）金屬探測(cè)路徑規(guī)劃

本設(shè)計(jì)采用的金屬檢測(cè)平臺(tái)尺寸為300mm×300mm，考慮到檢測(cè)速度和準(zhǔn)確性故采用兩獨(dú)立自由運(yùn)動(dòng)軸按照S型循環(huán)檢測(cè)的方式。為提高檢測(cè)效率，X軸步進(jìn)電機(jī)掃描速度可通過(guò)細(xì)分調(diào)節(jié)加快，Y軸每次上升的高度應(yīng)不大于檢測(cè)金屬物體的最大直徑或金屬物件的最小寬度，故Y軸步進(jìn)電機(jī)掃描速度適當(dāng)減低來(lái)提高檢測(cè)精度。利用圖8所示的掃描方式進(jìn)行循環(huán)檢測(cè)，當(dāng)檢測(cè)到被測(cè)物體后等待進(jìn)入精確定位狀態(tài)。

圖8 檢測(cè)路徑規(guī)劃

（三） 金屬探頭的精確定位

由于PS17-5DN接近開(kāi)關(guān)掃描的有效區(qū)域?yàn)閳A形，所以取掃描區(qū)域的圓心作為檢測(cè)點(diǎn)，定位方法如圖9所示。

當(dāng)檢測(cè)到金屬物體點(diǎn)A時(shí)，暫時(shí)停頓并按照原運(yùn)動(dòng)方向繼續(xù)掃描直到碰到另一邊緣側(cè)B，線段AB即為圓的弦。再?gòu)南褹B的中點(diǎn)向下掃描直到碰到圓的下邊緣C,接著向上掃描到圓的上邊緣D,線段AB即為圓的直徑，通過(guò)兩次準(zhǔn)確定位，即可確定被測(cè)圓形的圓心O點(diǎn)。

圖9 精確定位示意圖

考慮到檢測(cè)傳感器會(huì)以四種方式掃描到被測(cè)金屬（被測(cè)物中心點(diǎn)以上的左右側(cè)以及被測(cè)物中心點(diǎn)以下的左右側(cè)），為確保掃描的準(zhǔn)確可靠性，首先讓檢測(cè)傳感器按原X軸掃描方向繼續(xù)掃描，并在開(kāi)始檢測(cè)到金屬物體邊緣A時(shí)記脈沖信號(hào)個(gè)數(shù)，當(dāng)檢測(cè)到被測(cè)金屬另一側(cè)邊緣B時(shí)停止計(jì)數(shù)。通過(guò)脈沖個(gè)數(shù)換算出弦AB的長(zhǎng)度，再命令檢測(cè)滑桿反方向運(yùn)行弦AB一半的距離，從而確定下X軸方向上的中心點(diǎn)X1。

Y軸方向中心點(diǎn)檢測(cè)與X軸相似，當(dāng)傳感器位于點(diǎn)X1位置時(shí)Y軸滑桿先向下運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)到最下端C點(diǎn)時(shí)開(kāi)始記脈沖信號(hào)個(gè)數(shù)，同時(shí)讓Y軸滑桿再向上運(yùn)動(dòng)，直至掃描到被測(cè)物體的最上端D時(shí)停止計(jì)數(shù)。通過(guò)脈沖個(gè)數(shù)換算出直徑CD的長(zhǎng)度，再命令檢測(cè)滑桿反方向向下運(yùn)行直徑CD一半的距離，從而確定下被金屬測(cè)物體的中心（X0，Y0）。

圖10分別為兩種起始檢測(cè)運(yùn)動(dòng)方向不同的兩種檢測(cè)情況。設(shè)起始點(diǎn)均為（X,Y）,被測(cè)金屬物體中心點(diǎn)為（X0,Y0）。

當(dāng)掃描情況為圖10左圖時(shí)有：

當(dāng)掃描情況為圖10右圖時(shí)有：

考慮到金屬傳感器在邊緣判斷時(shí)可能存在反應(yīng)延時(shí)或檢測(cè)不到位的情況發(fā)生，所以在程序設(shè)計(jì)時(shí)可以采用多次測(cè)量取平均值的方法來(lái)縮小實(shí)驗(yàn)誤差。

圖10 被測(cè)物體中心定位算法

（四）金屬物體定位顯示

為了建立一個(gè)方便觀察的顯示界面，對(duì)檢測(cè)到的金屬物體的中心坐標(biāo)進(jìn)行顯示，并可以利用當(dāng)前的方位數(shù)據(jù)來(lái)計(jì)算誤差值。

本設(shè)計(jì)所采用的是12864液晶顯示[8]，第一行顯示X軸的定位結(jié)果（單位mm），第二行顯示Y軸的定位結(jié)果（單位mm），第三行顯示檢測(cè)中心與實(shí)際中心誤差值（單位mm），顯示效果如圖11所示。

圖11 12864液晶顯示

五、系統(tǒng)調(diào)試

本設(shè)計(jì)所采用的二維自由移動(dòng)平臺(tái)在通電后自行復(fù)位，在判斷到啟動(dòng)按鍵按下后開(kāi)始對(duì)平臺(tái)區(qū)域面進(jìn)行掃描，當(dāng)檢測(cè)到金屬物體的大致位置后隨即進(jìn)入精確掃描，最終定位出被測(cè)金屬的中心點(diǎn)，并通過(guò)12864液晶顯示其當(dāng)前坐標(biāo)，利用Arduino系統(tǒng)對(duì)實(shí)際金屬物體坐標(biāo)與實(shí)測(cè)金屬物體坐標(biāo)進(jìn)行誤差計(jì)算并顯示。系統(tǒng)調(diào)試結(jié)果如表1所示。

表1 不同金屬被測(cè)物中心點(diǎn)定位誤差表（單位：mm）

六、結(jié)語(yǔ)

本設(shè)計(jì)采用了以PS17-5DN金屬接近開(kāi)關(guān)為核心傳感器，由于PS17-5DN金屬接近開(kāi)關(guān)具有反應(yīng)速度快、原理簡(jiǎn)單、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)的特點(diǎn)，用其對(duì)對(duì)外界環(huán)境信息的收集，從而大大減低了整個(gè)設(shè)計(jì)的成本。而采用Arduino系列單片機(jī)控制板用以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的51單片機(jī)則在編程上方便了許多。采用THB6128步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器控制模塊對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)控制，通過(guò)對(duì)出入脈沖信號(hào)的控制實(shí)現(xiàn)X軸和Y軸滑軌交替掃描。

基于Arduino研發(fā)的二維平臺(tái)金屬檢測(cè)系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)在兒童玩具生產(chǎn)過(guò)程中進(jìn)行有效檢測(cè)可能混雜在兒童玩具中的金屬，從而有效降低購(gòu)買后的風(fēng)險(xiǎn)。本設(shè)計(jì)的二維檢測(cè)平臺(tái)具有X、Y軸方向獨(dú)立可控的特點(diǎn)，通過(guò)系統(tǒng)對(duì)不同形狀的金屬物體調(diào)試結(jié)果可以看出，本次設(shè)計(jì)的二維金屬檢測(cè)系統(tǒng)可以對(duì)被測(cè)金屬進(jìn)行判別和定位，對(duì)相關(guān)兒童玩具加工企業(yè)產(chǎn)品出廠檢驗(yàn)具有一定的應(yīng)用價(jià)值。