金属探测装置的设计-本科毕业设计.doc

重庆理工大学毕业设计 金属探测装置的设计
摘 要

本设计以MSP430G2553芯片为核心MCU，以电涡流式传感器模块为核心探测器[1]，以X、Y两轴向设计的丝杆导轨为行走机构，以多个步进电机作为行走机构动力源，制作了一个基于电磁感应原理来探测金属的金属探测定位器。
电涡流式传感器是一个利用电涡流效应制作的传感器。通过给传感器的线圈通入高频交流电而产生一个交变的磁场，如果将金属物放置在在变化的磁场中，那么由电磁感应理论可知金属内部会产生电涡流。电涡流产生的磁场，会影响传感器线圈内的磁场，从而影响高频电流的幅度与相位[2]。在本次使用的传感器中，涡电流会增大振荡回路中的能量损耗，然后电路的正反馈变小，同时处在临界状态的振荡器振荡减弱。当这个系统无法维持振荡所需的最低能量时，振荡电路会停振。将此信号传送至微控制器即可做出相应的动作命令。
在本课题中，系统上电后开始探测工作，双轴向丝杆行走机构随即开始活动[3]。当探测器探测到被隐藏在或混杂在非金属物体中的金属物时，步进电机将会停止转动，行走机构停止，此时，定位器用指针准确指出具体位置，并发出声音、灯光报警提示。
此设计，可应用在车站、考古现场、机场、海关、码头、银行、建筑、监狱、体育场、医院，学校等场所使用，是检查非法金属物品和精细金属物品的理想产品。

关键词：金属探测； MSP430G2553；电涡流式传感器; 电磁感应原理

Abstract

This design by MSP430G2553 chip as the core of MCU, the eddy current sensor module as the core probe, X, Y, the design of the screw in the two axis for the walking mechanism, travel mechanism with multiple step motor as power source, made a metal detection based on the principle of electromagnetic induction to detect metal locator.
The eddy current sensor is a sensor based on eddy current effect. For sensor coil passed into high frequency alternating current (ac) and produces an alternating magnetic field, if the metal is placed in the changing magnetic field, then by the electromagnetic induction theory known metal internal eddy current is produced. The eddy current magnetic field, can affect the magnetic field sensor coil, thus affect the amplitude and phase of the high frequency current. In the use of sensors, eddy current will increase the loss of energy in the oscillation circuit, and then diminish the positive feedback circuit, at the same time in the critical state of oscillator oscillation. When the system is unable to maintain the minimum energy required for oscillation, the oscillation circuit will stop. This signals to the micro controller can make the corresponding action command.
In this design, the electrical detection system after work, walking mechanism automatically. When the probe to detect hidden or mixed metal in the non-metallic objects, stepping motor will stop running and stop traveling mechanism, at this point, the accurate locating USES pointer points out that the specific location, and sound and light alarm prompt.
This design, can be used in the station, archaeological sites, airports, customs, port, bank, buildings, prisons, stadium, hospitals, schools and other places, is to check the illegal metal items and fine metal items of ideal products.

Key words: metal detector；eddy current position sensor；MSP430G2553； Principle of electromagnetic induction；

目 录
摘 要 I
Abstract II
绪 论 1
1.1 前言 1
1.2 金属探测装置概述 1
1.2.1 金属探测装置发展历史 1
1.2.2 金属探测装置的发展方向 2
1.2.3 国内金属探测装置的发展现状 3
1.3 研究金属探测装置的目的与意义 4
1 .4 本章小结 4
2 金属探测装置的方案选择与设计 5
2.1 寻迹小车探测方案 5
2.2 避障小车随机路径探测方案 5
2.3 使用二轴向导轨探测方案 6
2.4方案选定与设计 7
2.5 本章小结 8
3 硬件设计 9
3.1 微控制器介绍 9
3.2 电源模块设计与参数计算 10
3.3 步进电机参数计算及驱动设计 11
3.4 键盘模块 15
3.5 探测模块 16
3.5.1 电涡流传感器介绍 16
3.5.2 影响电涡流强度的因素分析 17
3.5.3 电涡流传感器电路模块介绍 20
3.6 声光报警模块 21
3.7 本章小结 22
4 软件编制 23
4.1 总体方案流程图 23
4.2 电机控制部分 23
4.3 键盘功能部分 25
4.4 本章小结 26
5 系统总体测试 26
5.1调试方法 27
5.2 测试仪器 27
5.3 本章小结 27
6 结论与展望 27
6.1 结论 28
6.2 未来工作展望 28
致 谢 29
参考文献 30
附 录 32
附录1 主函数程序清单 32
附录2 电机驱动程序清单 37

44

绪 论

1.1 前言
金属探测器（Mental Detector）, 顾名思义，是一类能够探测到金属导体的电子仪器。金属探测装置能够在旅客进入车站的时候对其所携带的包裹进行检测，以防金属危险物品带入其中。可以探测到埋在地下的金属管道，甚至应用在军事上探测爆炸物。还能用在建筑行业中探测墙壁中的电线电缆等金属物体。目前，金属探测器已广泛应用到运动场、展览会、车站、考古现场、机场、海关、船埠、银行、建筑现场、监狱、体育场、医院，学校等场所。总之，它已成为探测金属导体物体的重要设备[4]。
在当前社会中使用比较广泛的金属探测装置基本有三个类型：
（1）在炼钢炼铁、采煤现场、化学化工、石油提炼、装备制造、造纸工厂等工业生产流水线上，常规情况都要装一个金属探测装置。它用来从原料中检测所混杂的金属物质，以保证产品质量，保障生产过程安全性。“工业型金属探测器”就是指这类金属探测装置[5]。
（2）人们对的日常饮食与穿着方面的要求伴随着人们的生活水平日趋进步愈来愈高。在食品的加工与包装过程中，在衣物的生产过程中以及在家居产品的生产过程中，生产方有时会对其进行金属检测。“生活型金属探测器”就是应用在这些场合的金属探测装置[6]。
（3）为了维护社会的安全与秩序，在绝大多数公共场合如车站、机场、地铁，以及一些涉及到贵重物品的场所如银行、金银店、珠宝玉石厂等等需要对出入人员进行非法金属检测，以排除易爆物品、非法武器、易燃物品等危险物质。“安全型金属探测器”这种类型的金属探测装置油然而生[7]。
目前，市场上的金属探测器种类繁多，可从事的工作也多种多样，大到探测矿物的贮藏，小到药品中直径10μm以下的铜丝，都可以进行探测[8]。但仍旧没有一种可以自动去行走探测。并且在探测到金属后能够实现精准定位的金属探测装置。

1.2 金属探测装置概述
1.2.1 金属探测装置发展历史
1931年，在美国加州的格哈德菲斯而实验室中，世上首个金属探测装置由费舍尔（Gerhard R. Fisher）发明。他在取得专利后，命名其为M-Scope（即Metalloscope）。因为费舍尔申请了专利且将金属探测器推进了市场，大泛围地应用在了生产质量检测、安全刑侦检测、工业开发检测等等多个范畴。所以，当前社会各界人士都以费舍尔博士为“金属探测器之父”[9]。
人类社会中某个行业的发展往往是由某个产品的出现而带动。 在过去的80多年间，金属探测器历经了数代的探测工艺的革新。最初，金属探测器使用了信号模拟技术，后来，连续波技术被应用到了金属探测器中。再到今天，数字脉冲等技术成为了主流的探测技术。金属探测器所含的技术成分越来越多[10]。从最开始所应用简单的电磁感应原理，到如今引进了纷繁复杂的科学技术成果。其探测精确度与灵敏度还有它的工作性能，都飞跃了一个大步。许许多多的行业范畴，随着金属探测设备的质量的提高而被广泛的利用触及到。
伴随着航空业的迅速发展，空中犯罪事件频频走上各大媒体主页。例如在历史上轰动全世界的“911劫机事件”[11]，因为没有检测到不法分子所携带的枪支，所以酿成了悲惨的事故。如今的航空部门愈来愈正视机场的安检问题。于是在国内外大大小小的机场里，安检门、行李包裹安检仪充当了一个非常重要的角色。
在一些大型的集会如歌星的演唱会、艺术节目展演、收藏品展会以及一些大型的运动会如奥运会、亚运会、各类体育运动比赛现场等等，金属探测器也成为必不可少的一个“钢铁门卫”，为参加这些活动的每一个人员都添加了一份安全保障。
曾有一段时间在美国、英国、意大利等发达国家，牢狱中暴力案件显现直线上升趋向。在牢狱的日常管理工作中，首要的工作就是消减囚犯之间的武力冲突事件，因此金属探测器成为牢狱管理工作的必备仪器。有数据记录显示，牢狱中囚犯数量每多二百人，牢狱官方就要多备一台金属探测器。与此同时，那些便携的手持的金属探测器在牢狱治理工作中，发展的更加成熟了。
如今在大大小小的商场、办公楼、超市、图书馆门口也经常会看到一个个伫立的安检门，这又涉及到一个金属探测器新的应用领域——物品防盗。我们常见大型超市中，不乏昂贵的商品，同样也不乏一定数量的别有用心者。曾有新闻爆出妇女假装孕妇盗取衣服的事件等等，给商店的经营者带来了许多的烦扰。安检门出现后，极大消减了商品失窃事件的发生率。例如在一件衣物上嵌有一颗只有能被特定的安检门才能检测到的金属纽扣，如果没有通过正常方式将其取下，当这件衣服经由安检门时，安检门会检测到金属纽扣的存在并实时发出报警提示讯号，保安听闻后便可高效的防止偷窃。

1.2.2 金属探测装置的发展方向
1.远程控制发展
随着科学技术的进步，更多更复杂的工作中已经用到了金属探测装置。但最具有特色的一种技术功能，就是金属探测装置的网络化远程控制功能。拥有了这种功能，人们能够随时随地的不必在现场即可控制该金属探测装置[12]。可以实时调整金属探测装置的参数，改变调整它的灵敏度，设定它工作的方式与工作的时间段等等。这一切事情，都可以在远途控制室中完成。如果再将多台金属探测装置构建成一个网络，即可实现金属探测器的网络化发展，如在复杂的工作环境使用多台金属探测器，通过网络化控制，使多台金属探测器互相协调的去配合工作，以完成复杂繁多的工作。此发展方向顺应将来的市场的工程需求。
2.非常规形状发展
由于其用途越来越广泛，所以国际市场出现了纷繁复杂的非常规形状的金属探测器。例如罗杰曼托兰克斯开发出的一种新型金属探测器，他命名其为身体安全扫描仪（BOSS）。这种新型探测器的形状与常规类型完全不一样，它的外形更像是一把椅子。目前该产品已被部分监狱以及执法机构投入使用，用来探测囚犯身体是是否携带刀片、钥匙等尖锐危险金属物品。此类型金属探测器，显著的提升了在牢狱管理过程中金属检测的精度与准确度。因为常规的金属安检门在检测藏在体内的精细金属物时，起到的效果不是很乐观。
3.大众化发展
随着金属探测装置的越来越普及，它正在从价格高昂的大型设备这一定位，慢慢的向普通家居仪器转变。如今，已经在很多家庭可以发现，他们拥有了一台或大或小的金属探测器。例如，在寻找遗失的钥匙的时候，利用金属探测器可以得到许多帮助。这个发展趋势将会给生活带来许多的便捷[13]。
1.2.3 国内金属探测装置的发展现状
近年来，我国顺应社会发展需求，安检设备研发制造业的发展异常的蓬勃迅速。在安检设备生产行业，已有若干金属探测器生产厂家已在国内市场拥有了一些占有率。但数据显示， 国产的安检装备的市场占有率只达到了约20%，甚至在民航方面的市场上，国产的安检设备还不曾涉足而入。总的来看，根本原因出在设备的质量问题上，因此得不到官方的一些认证。固然近些年我国自主出产安检产品的研发与推行已然取得了巨大的进步，但是仍然没有挣脱“中国制造”的框架。电路上、功能上。外形上都出现了很大程度的模仿，缺乏创造性的技术，难以与市场上的国外生产的安检产品竞争。在国际市场上，也没有国产安检设备的踪迹。但随着我国经济的飞速发展，研发出世界先进水平的金属探测器指日可待，使中国的金属探测器打开国际市场这道大门。
1.3 研究金属探测装置的目的与意义
目前国内市场上拥有的金属探测器大多数检测的是大块的金属物品如刀具枪支、食品、珠宝等，而对于检测体积小的金属物的金属探测器缺寥寥无几。甚至，能够自动运行探测并且能够准确定位出金属的位置的探测器还没有出现。本设计通过调整电感传感器的参数提高精确度，并且要设计配套的自动行走机构，能够让探测系统自行去寻找微小金属物，并且要准确的指出那些隐藏在其他材料后面的金属物的位置然后发出报警。
本设计可以实现不用人们手动去操作移动金属探测器即可自动找到一块材料里面的金属。这个功能将极大的节省人力支出，减少工作的成本，对于弥补金属探测器的自动检测并实现定位这方面功能的空缺，有着较大的意义。
1 .4 本章小结
本章内容主要介绍了金属探测装置是什么，为什么要去研究金属探测装置，以及在本设计中，对传统的金属探测装置有哪些改进与提升，最终要达到一些什么目的。这对于整体的毕业设计，有着导航线的作用，在毕业设计的过程中始终保持有目标的进行。

2 金属探测装置的方案选择与设计

2.1 寻迹小车探测方案
本方案中，行走机构为一辆可循迹的小车。小车前轮为两个不相关的步进电机，不装在同一个转轴。采用左右轮分别控制的策略，可轻松实现小车的转向。后轮采用万向轮，有利于车体的旋转。为实现小车自动寻迹，在玻璃板上铺设黑色引导线（如图2-1所示），利用光电检测器检测道路上的引导线使小车准确的沿引导线行驶。为了检测到跑道上的黑线，在小车上放置四只光电检测器采用CDD光电检测器，当光电检测器检测到黑线，其信息传给微控制器作为外部中断源，产生一个中断，通过对中断的计数确定小车位置，并对行驶状态做出相应的反应。

图2-1 循迹小车路径示意图

循迹小车方案的优点：小车跟随引导线的路径的移动很快，因此扫描会很迅速，能够在很短的时间内将检测范围粗略扫描完毕[14]。
循迹小车方案的缺点：定位不精确；需要使用其他传感器，不符合题目要求；小车有一定的宽度，因此行走的路径之间会产生传感器很多扫描不到的盲区。尤其需要用指针进行定位时，如果指针没有机械臂带动，此定位达不到精度要求。

2.2 避障小车随机路径探测方案
本方案的行走装置依然为可转向的小车，把探测的范围边框设想为障碍物。将金属探测模块装在小车上后，让小车以任意不平行于边框的方向进入探测区域，之后，通过检测电涡流传感器感测到铁丝边框后得到的信号，来计算获取小车距离边框的距离，并且用LCD显示出来，当小车与障碍物的距离大于30cm时，小车会沿直线前进，当小车与障碍物的距离小于15cm时，小车以镜面反射的角度转弯以避开障碍物，在避开障碍物后，小车会沿直线前进（图2-2）。直到检测到目标金属时的传感器返回正确的信号，小车停止运动，并发出声、光提示。此时小车上携带的指针所指位置即为目标金属物的位置。

图2-2 避障小车路径示意图

避障小车方案的优点：具有很高的灵活性，路径很随意，不会有方向限制。
避障小车方案的缺点：扫描所需时间具有不确定性，可能很长也可能很短，扫描路径也会产生许多的盲区，无法保证将所有面积都扫描。

2.3 使用二轴向导轨探测方案
本方案探测策略有两种，第一种：探测滑块进入区域后，直接定位在区域的两条对角线的交点处（图2-4），先逐行扫描右半区域，如果未找到目标金属物，立即复位到交点处，开始扫描左半区域，可更快找到目标金属物。第二种：探测滑块沿着一条边的平行线进入区域，接着，X轴运动到最大距离，Y轴移动5mm，X、Y轴运动依次循环，直到把整个探测区域扫描完毕。

图2-3 二轴向导轨行走路径图
二轴向导轨方案的优点是：扫描迅速，定位精确度极高。
二轴向导轨方案的缺点是：行走机构体积略大。

2.4方案选定与设计
二轴向导轨克服了以上两种方案扫描速度慢、定位准确度低、扫描盲区较多等缺点，因此通过认真比较与总结，本设计采用第三种方案即二轴向导轨行走机构自动检测方案。
这个方案的机械行走机构是用两套滚珠丝杆二轴向叠加而成，具体见下方CAD图（图2-4），在上面的导轨上安装一个滑块，探测器装在这个滑块上。分别用两个步进电机控制两根轴的转速，即可任意调节滑块的位置，以便将探测范围内的所有面积进行无盲区扫描。探测滑块在扫描时可行走的距离可通过限定所需脉冲的数量来确定。

图 2-4 二轴向导轨

这个方案的系统结构框图如下（图2-5）：

图2-5 二轴向导轨方案系统结构框图

本方案涉及到几个模块，其中，电源模块要用到两套电源分别给探测模块与行走模块供电；系统中的电涡流传感器模块要实现对金属导体的检测，并且要准确的将信号传给微控制器；微控制器收到传感器信号后要做出决策然后控制电机驱动与报警模块工作；电机驱动要将微控制器的脉冲信号转化为电机的时序并且要给电机供电；报警模块要在检测到金属导体后根据微控制器的指令而做出报警动作。

2.5 本章小结
上一张介绍了金属探测装置的发展状况，而本章内容具体的介绍了本次设计的金属探测定位装置的各个部分的设计方案。包括金属的探测部分、对金属探测到之后的定位功能的实现部分。还具体的分析了如何实现这些功能，以及在实现的工程中会出现哪些情况等等。

3 硬件设计

3.1 微控制器介绍
单片机又称为微控制器(MCU)。这个芯片不仅能够完成某一个逻辑功能,而是在一个芯片上集成了一个计算机系统。类似于一个微型的计算机。与计算机相比，微控制器仅没有I/O设备。总的来说：一块MCU芯片就是一台计算机。它的外形小、重量轻、廉价等特点，使得对其的学习应用与开发提供了有利的条件。同时，研究使用微控制器是了解计算机功能与结构的最优途径。
微控制器的应用范围已非常广泛，如生产自控、及时工控、无线通讯、娱乐竞技、家居电器等等。甚至在市面上，只要有电子产品用到了微控制器，就会被冠以“智能”型产品的名号。对推动现代的生活节奏起到了非常大的作用。
MSP430G2553微控制器又称为混合信号处理器。是根据对实际应用的需求而设计，把若干不一样的功能的模拟电路模块与数字电路模块和微控制器集成在一块芯片上。由德州半导体公司（TI）于1996年研制出第一代芯片。到目前为止，TI公司已发布了40多款系列芯片。总的来说，有以下特点：
（1）运算能力强 MSP430G2553系列微控制器是一个16位的处理器。使用了简化的指令集（RISC）结构。有多种的的寻址方式。包括7 种源操作数寻址；4 种目的操作数寻址；简洁的 27 条内核命令和许多的模拟指令；片内数据存储器与许多的寄存器皆能进行多种运算；还有高效的查表处理指令。这些有点能够保证高效率的源程序的编制。
（2）处理速度快 在25兆赫兹晶体的驱动下MSP430G2553系列单片机可以轻松实现40ns的指令周期。数据宽度16位，指令周期40ns，以及硬件乘法器功能多。这三点配合起来，即可实现数字信号的处理算法。在同类微控制器中，性能较为优越。
（3）低能耗 MSP430G2553微控制器有超低的能耗。因为它在降低了芯片电源的电压。并且它可以灵活的控制时钟的运行。这个方面都有它的独特的地方。首先，MSP430g2系列微控制器试用1.8V-3.6V的电压作为电源电压。当MSP430G2553微控制器在1兆赫兹的时钟频率下运行时，微控制器的最低电流能够低至160μA大约。甚至在RAM保持模式下的最低功耗低至了0.1μA。
（4）片内资源丰富 MSP430G2553微控制器有着丰富的片内外设。例如有看门狗定时器（WDT）、模拟比较器A、定时器（Timer_ ）、定时器 （Timer_ ）、定时器 （Timer_ ）、乘法器、显示驱动器、10位或者12位AD转换、16位Σ-Δ ADC、DMA、 、 、 、I/O端口、基本定时器（Basic Timer）、实时时钟和USB控制器以及许多外围模块的不同搭配。其中的看门狗可以使失控的程序快速的复位。16位定时器包括Timer_A 和 Timer_B具有捕获/比较功能，大量的捕获/比较寄存器，可用于事件计数、时序发生、PWM等；模拟比较器进行模拟电压的比较，配合定时器，可设计出A/D 转换器。有的器件更具有可实现异步、同步及多址访问串行通信接口可方便的实现多机通信等应用。拥有很多的 I/O 端口。P0端口、P1端口、P2 端口都可以接收外部的上升沿与外部下降沿的中断输入。10/12位硬件 A/D 转换器有最高可达200kbps转换速率，这在同类芯片内设中，达到了先进水平。这足以满足大部分的数据采集工作。Msp430系列微控制器可以直接的驱动多达160段的液晶。芯片能够实现双通道12位A/D转换。硬件 串行总线接口实现存储器串行扩展；以及为了增加数据传输速度，而采用的DMA模块。MSP430 系列单片机的这些片内外设为系统的单片解决方案提供了极大的方便。
此外，MSP430G2553系列微控制器所包含的中断也很多，它们可以随意的嵌套。使用起来灵活方便。中断唤醒一个处于省电的低功耗状态时的微控制器系统只需5μs就可以。
（5）方便的开发平台 MSP430G2553 系列有很多类型，他们的开发手段不尽相同。 比如有OTP 型、FLASH型和ROM型三种类型的器件。其中,OTP型和ROM型的器件是先利用仿真器开发。然后再进行烧写或掩膜芯片；而 FLASH 型的芯片却在开发调试环境方面十分的方便。由于其芯片内有调试接口JTAG和能够实现上电擦写的FLASH存储器。因此使用时，要先给FLASH内下载程序，然后控制程序的运行器件就可以通过软件进行了。用JTAG 接口读芯片里面的信息，以便开发者使用调试的方法进行开发。这种方式只需要一台 PC 机和一个 JTAG 调试器，而不需要仿真器和编程器。有汇编语言和C语言两种开发语言。

3.2 电源模块设计与参数计算
开关电源给电机驱动供电 开关电源是利用现代电力电子技术，控制开关管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源。开关电源一般由脉冲宽度调制（PWM）控制IC和MOSFET构成。它以小型、轻量和高效率的特点被广泛应用几乎所有的电子设备，是当今电子信息产业飞速发展不可缺少的一种电源方式。
用LM317给微控制器供电 LM317是当今市面上使用最为普遍的电源集成电路之一。它不单单拥有固定的三端稳压电路的形式。它还具有可调输出电压的特征。LM317的稳压性能优秀，调压范围比较宽。LM317还拥有噪声较小纹波抑制比高等许多优点。总的来说，LM17也可以称为可调节正电压的稳压器。LM317能够提供超过1.5A的电流当它在输出电压范围1.2伏到37伏的时候。此稳压器非常易于使用。LM317稳压块都有一个最小稳定工作电流。这个最小的稳定电流，有资料叫它最小泄放电流，或者是最小输出电流。1.5mA是最小稳定工作电流的一般值。LM317稳压块的最小稳定工作电流会随着生产厂家不同型号不同而电流值也不同。一般会小于5mA。如果想要让LM317稳压模块正常工作，那么LM317稳压块的输出电流就需要小于其最小稳定工作电流。如果想要让LM317稳压块输出稳定的直流电压，那么LM317的输出电流就需要大于其最小稳定工作电流[15]。
利用LM317芯片制作可调电压的稳压电路，给微控制器系统提供稳定的电压，原理图如下（图3-1）。

图3-1 LM317可调稳压电路图

经过分析以上图电路后可得出以下公式：
（3.1）
由公式（3.1）的自身来看，R1、R2的电阻值可以随意定。但这个公式用来计算稳压电源的输出电压，R1与R2的阻值是不可以任意设定的。首先LM317电源模块的输出电压的变化区间是 （输出高电压的LM317电源模块如LM317HVA、LM317HVK等，其电压输出的变换区间是），所以R2与R1的比值区间仅可以是0—28.6。

3.3 步进电机参数计算及驱动设计
步进电机（Stepper motor）是一类能够将电脉冲信号转换为角位移量的执行装置。步进电机的驱动器接受到了一个脉冲信号之后，步进电机就会被驱动，会按照设定的方向旋转一个固定的角度即步距角。步进电机转子的旋转形式，是按照固有的步距角一步一步的旋转的。可以利用设定脉冲数量以控制角位移的量，以便能够实现准确定位。同时，电机转动的速度和加速度能够通过控制脉冲频率来实现。从而实现步进电机的调速与定位[16]。
前面已经提到，步进电机是一个能够将微控制器给的脉冲的数量，转化为角位移量的装置，每输入一个脉冲，步进电机就会转动一个步距角位移量。因受本次设计的双轴导轨形状限制，故电机不可在一个方向下一直转动，因此要精确的计算出每个控制动作需要给步进电机的脉冲的数量。同时在选用步进电机时，要考虑其自身重量，以及其最大静态扭矩。因此选择步进电机需要进行以下计算：
（1） 计算电机输出的总力矩M
M=Ma+Mf+Mt （3.1）
Ma=（Jm+Jt).n/T×1.02×10ˉ2  （3.2）
式中Ma ---电机启动加速力矩（N.m)  Jm、Jt---电机自身惯量与负载惯量(Kg.cm.s2)  
n---电机所需达到的转速（r/min）  
T---电机升速时间（s）  
Mf=(u.W.s)/(2πηi)×10ˉ2  （3.3）
 Mf---导轨摩擦折算至电机的转矩（N.m)  
u---摩擦系数  
η---传递效率  
Mt=(Pt.s)/(2πηi)×10ˉ2  （3.4） 
Mt---切削力折算至电机力矩（N.m)  
Pt---最大切削力（N）  
（2） 计算齿轮的减速比
根据所要求脉冲当量，齿轮减速比i计算如下:
i=(φ.S)/(360.Δ) （3.5）
φ ---步进电机的步距角（o/脉冲）
S ---丝杆螺距（mm)
Δ---(mm/脉冲）
（3）负载起动频率估算。数控系统控制电机的启动频率与负载转矩
和惯量有很大关系，其估算公式为  
fq=fq0[(1-(Mf+Mt))/Ml）÷(1+Jt/Jm)] 1/2  （3.6）
fq---带载起动频率（Hz）  
fq0---空载起动频率  
Ml---起动频率下由矩频特性决定的电机输出力矩（N.m)  若负载参数无法精确确定,则可按fq=1/2fq0进行估算.  
（4）计算工作台，丝杆以及齿轮折算至电机轴上的惯量Jt。
Jt=J1+（1/i2)[(J2+Js）+W/g（S/2π)2] （3.7）
式中Jt ---折算至电机轴上的惯量(Kg.cm.s2)
J1、J2 ---齿轮惯量(Kg.cm.s2)
Js ----丝杆惯量(Kg.cm.s2)
W---工作台重量（N）
S ---丝杆螺距（cm）
（5）运行的最高频率与升速时间的计算。由于电机的输出力矩随着频率的升高而下降，因此在最高频率 时，由矩频特性的输出力矩应能驱动负载，并留有足够的余量。  
（6）负载力矩和最大静力矩Mmax。负载力矩可按式（3.5）和式（3.6）计算，电机在最大进给速度时，由矩频特性决定的电机输出力矩要大于Mf与Mt之和，并留有余量。一般来说，Mf与Mt之和应小于（0.2 ～0.4)Mmax.
步进电机的驱动有两个方案可选取，其中，方案一：
采用L297&L298芯片的组合电路进行驱动。其中，L297单片步进电动机控制器集成电路适用于双极性两相步进电动机或单极性四相步进电动机的控制。用L297输出信号可控制L298双H桥驱动集成电路，产生步进电机所需的相序，用来驱动L298原理如下图（图3-2）。

图3-2 L297工作原理图

L298是一款单片集成的高电压、高电流、双路全桥式电机驱动，设计用于连接标准TTL逻辑电平，驱动电感负载（诸如继电器、线圈、DC和步进电机）。L298提供两个使能输入端，可以在不依赖于输入信号的情况下，使能或禁用L298器件。L298N是SGS公司的产品，比较常见的是15脚Multiwatt封装的L298N，内部同样包含4通道逻辑驱动电路。可以方便的驱动两个直流电机，或一个两相步进电机。L298N可接受标准TTL逻辑电平信号VSS，VSS可接4．5～7V电压。4脚VS接电源电压，VS电压范围VIH为＋2．5～46V。输出电流可达2．5A，可驱动电感性负载。L298低位晶体管的发射器连接到一起，而其对应的外部端口则可用来连接一个外部感应电阻。L298还提供一个额外的电压输入，所以其逻辑电路可以工作在更低的电压下[17]。
L297与L298的组合电路图见图3-3。

图3-3 L297&L298工作原理图
本方案的优点是：成本较小，只需少量的元件即可完成功能。
本方案的缺点是：驱动能力达不到实际需求。
方案二：
采用步进电机专用驱动器2H45B（图），这种驱动器双极性恒流斩波驱动灵活的输出电流设定最大128细分设定，且不影响其输出力矩。
本方案的优点是：报警信号光藕隔离输出，方便监控；过压、欠压、过流、短路、高温等会有报警，保护电机低速无爬行现象；噪音小，无共振区；通用定位孔尺寸，便于用户安装。驱动能力强。
本方案的缺点：成本较高。

图3-4 步进电机驱动器

经过比较，使用步进电机专用驱动更适合本设计的需求，因此本次设计中步进电机的驱动采用了2H45B步进电机驱动器。

3.4 键盘模块
设置四个按键key1、key2、key3、key4。key1的功能是切换运行模式（自动检测金属模式与手动控制模式）；key2的功能是按下后X轴的电机正转，放开后电机停止转动；key3的功能是按下后Y轴的电机反转，放开后电机停止转动。Key4的功能是切换key2、key3对X轴与Y轴的控制权。Y这样，先调整探测器在X轴的位置，再调整探测器在Y轴的位置。即可用键盘实现对探测器位置的任意调整。电路图如下（图3-5）：

图3-5 键盘模块电路图
3.5 探测模块
3.5.1 电涡流传感器介绍
利用线圈的自感或者互感的变化来进行测量电感值的一种传感器就称为电感式传感器。电感传感器的主要的优点就是：
（1）结构简单可靠，测量力较小，电磁吸引力的数量级为3N；
（2）灵敏度高，最高分辨率可达到0.1μm;
（3）测量精确度高，输出线性度可达到±0.1%；
（4）输出功率较大，在一定情况下可不必放大，直接接二次仪表。
电涡流传感器是电感传感器中的一种（图3-6）。由法拉第定律可以了解到，当电涡流传感器线圈中存在正弦交变电流I1时。将会有交变的磁场H1产生在线圈旁边的空间里。这使放置在磁场中的金属物块中产生了电涡流I2。I2又会产生新的交变磁场H2。由楞次定律可知，磁场H2会抑制原磁场H1。因为磁场H2的反抗作用，所以涡流会损耗一些能量，这将会导致电涡流传感器的线圈阻抗产生变化。以上现象称为电涡流效应。依据电涡流原理制成的传感器称为电涡流式传感器。电涡流传感器是一种非接触的线性化的计量工具。它能够实现静动态的、非接触式的、高分辨率的测量工作。电涡流传感器能检测出被测金属导体距探头表面的距离与位移的变化量。包括金属物与探测线圈之间静态和动态的相对位移的变化[18]。

图3-6 电涡流式传感器原理图

由于电涡流式传感器有以上特性，因此它能够应用在振动测量、轴位移测量、轴心轨迹测量、金属表面平整度测量、金属齿轮转速测量、绝缘材料的厚度测量、金属元件的合格检验等（图3-6）工作中。

图3-7 电涡流式传感器用途

3.5.2 影响电涡流强度的因素分析
电涡流传感器探头内有线圈,通过交流电流,接近被测物体时,如果被测物体是金属材质,就会在被测物体表面形成电涡流,电涡流会反作用在线圈上,对线圈的阻抗产生影响,通过测量这个阻抗变化,可以测量探头到被测物体的距离.所以,可以想象,被测物体的材质会影响精度.
以德国米伊公司的eddyNCDT系列为例,可以测铁磁性材料。同时它也可以去测量没有铁磁性的材料.最好的被测材料是非铁磁性的。因为铁磁性材料会伴生附生磁场,干扰探头内的线圈阻抗,因而会影响精度。加入是弱铁磁性的被测材料,精度必然会降低。那么就需要根据实际材料校对。从而获得更好的精度。但是相对的会缩小量程[20]。还有，被测物体的倾斜角度和面积也有影响。电涡流传感器的模型简化为图3-8。

图3-8 电涡流传感器模