金属探测器课程设计

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1、金属探测器课程设计Prepared on 24 November 2020课程 TI杯电子设计题目 金属探测器主要内容：根据设计要求，运用所学的模拟电子技术及电路基础等知识，自行设计一种可以 准确探测小范围内是否存在金属物体的电子装置，采用声音报警方式提示使用者附近 存在金属物体或提示电池电力不足。基本要求：1. 工作温度范围：-40C+50C。2. 连续工作时间：一组5号干电池可连续工作40h （小时）。3. 探测距离大于20cm （金属物体越大，测距也越大，对1分硬币的探测距离 是 20cm）。4. 具有自动回零功能，并可抑制土壤效应。主要参考资料：1陈有卿.实用电子制作精选:M.北京：机

2、械工业出版社，鹤壁市金属探测器厂撰文.金属探测器TC系列J.北京电子报.1995年第22期3 张凤言.电子电路基础M.北京：高等教育出版社，19954 电子电路百科全书编辑组.电子电路百科全书M.北京：科学出版社.19885 房旭民撰文.一种高灵敏度的金属探测器J.电子技术应用.1991年第9期6 彭介华.电子技术课程设计指导M.高等教育出版社，1997.7 李哲英等.实用电子电路设计M .北京：电子工业出版社,1997.完成期限一指导教师 专业负责人2014年8月14日1任务和要求1.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

3、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。用直径2（mm）的铁丝围成约50cmx50cm的正 方形闭合框作为探测区边界置于玻璃板下，示意图见图1。无色透明普通玻璃板或有机玻璃板金属物体玻璃板下探头进入区玻璃板下铁丝方框50cm50cm1金属物体探测环境示意图图2.要求（1）在探测区域内某处（距探测边界5cm）玻璃下放置一枚直径约19mm的镀镍钢芯 1角硬币（第五套人民币的1角硬币）。探头能从探头进入区一侧任意指定位置和方向 自行进入探测区（铁丝框包围区域）

4、。通过探测，定位指针应指在硬币边沿之内，探 测定位速度越快越好，且探测定位总时间应不超过2分钟。完成定位时给出声光指示，此后探头不得再移动。（30 分）（2）将1角硬币更换成直径约25mm的镀镍钢芯1元硬币（第五套人民币1元硬 币），重复要求（1）的探测过程。定位完成后，定位指针与硬币圆心之间的定位误差 应控制在5mm以；探测定位速度越快越好，探测定位总时间不应超过2分钟。完成定 位时给出声光指示，此后探头不得再移动。（30分）（3）将硬币改为自制圆铁环（用 2铁丝绕制），铁环外直径4cm。重复要求（1）的探测过程，应使定位指针尽可能指 向铁环圆心，定位误差应控制在5mm以内；完成定位时给出声

5、光指示，此后探头不得 再移动，探测定位总时间应不超过3分钟。（30分）（4）其他自主发挥功能。（10 分）（5）设计报告。（20分）项目主要内容分数系统方案系统结构、方案比较与选择4理论分析与计算探测器组成方案与工作原理分析、检测与控制算法6电路与程序设计电路设计，程序结构与设计5测试方案与测试结果测试结果及分析3设计报告结构及规范性摘要，设计报告正文的结构，公式、图表的规范性2总分202总体方案设计与选择高频振荡器探测金属调节高频振荡器的增益电位器，恰好使振荡器处于临界振荡状态，也就是说刚好 使振荡器起振。当探测线圈L靠近金属物体时，由于电磁感应现像，会在金属导体中 产生涡电流，使振荡回路中

6、的能量损耗增大，正反馈减弱，处于临界态的振荡器振荡 减弱，甚至无法维持振荡所需的最低能量而停振。如果能检测出这种变化，并转换成 声音信号，根据声音有无，就可以判定探测线圈下面是否有金属物体了。物体。利用探头线圈产生交变电磁场在被测金属物中感应出涡流，涡流产生反作用于探 头，使探头线圈阻抗发生变化，从而使探测器的振荡器振幅也发生变化。该振幅变化 量作为探测信号，经放大、变换后转换成音频信号，驱动音响电路发声，音频信号随 被测金属大小及距离的变化而变化。六反相器数字集成电路探测金属应用一块cMos六反相器数字集成电路，作为放大电路的金属探测器，金属探测器 的原理电路图如下：R2IC-1IC-2 3

7、30KDic_3 IC-4 属探测器的探头是一只高Q值的电感1L2它与反相器ICRlUIC-5 IC-6C4构处在刚刚起六路进行放大大后通过二极管VD2C3容三点式4!p荡器，其振荡RL调-ZOC2、C3、Rpfb电路 成的放大电 和1岸3进行放为27IC-2和电阻R1组成的放大电 再由二极管vdI进行整流，整5流后的信号由反相L.2去控制由1C-5和IC-6构成的音频振荡器的工作状态。作为振的状态下。微弱C振荡信号通过10K4700p*3IC-3探头的电感L在没有接近金属物体时，电路正常起振。振荡信号控制音频振荡器停止 工作，扬声器不发声。当有金属物体接近电感时（电感线圈的轴向方向），电感L

8、的Q 值下降，电路停振，没有信号去抑制音频振荡器，所以音频振荡器工作，驱动扬声器 发声。使用时，接通电源后，仔细调整电位器RP使扬声器刚刚不响.这时灵敏度较 高，探测距离可达5mm 20mm。方案一用到了高频振荡器，价格比较高，虽然探测的效果比较好，但是制作起来 比较麻烦，不适合作为课程设计的选择。方案三设计思路明确，结构合理，方案易于 实现，但探测的距离过小，不能满足课题要求。方案二只用到了简单的元件并且设计 合理，既具备了方案一的优点又解决了方案三的不足。因此选用方案三作为本课题的 原理方案。3电路总原理框图设计金属探测器的原理框图如图3示一振 检设计探头咤置J直流电源及振荡、检波电路设计

9、方案件前电压电流频率kACW79L0组成，其输入端接电池（-12V） 欠系统稳压电源采用集成三端稳压器出稳压值为-5V。采用变压器耦合正弦波振荡器、二极管D3和电容C5组成检波地路1原壬图3金属探测器原理图=1口图4示。-12V-5VL2CW79L05图中，L、 L、 L和L为绕在同一磁罐内的四组线圈 1y2振荡，其输出电压幅度指数匝数比可取。下3、，要求探头电感线振荡器的振荡频率2三极管饱和。为防2止产L3振荡阻塞,顶选择合适的 反回路。OC4为射极偏置电路，T、C成探头圈有较高的电压,可利用变压Fl压来实现| 4高探测器的灵金属物体时当金属物体接近探头时，L的等效电感发生变化，谐振回路L5

10、C6失谐从而使负载 能力很弱的变压器次级L两端的电压发豳及振荡匕检波电路电感L及检波电路将此信34号转换成直流探测信号输出。部分元件参数选择：取L : L =1 : 5，L : L =1 : 150，L =，C =rF，则f =。122356前置放大电路设计方案前置放大电路用差动输入放大器组成，如图5示其静态工作点如下_RQVi”R、 ,.一二图中R、C、R?及C构成差动积分电路，即 的直流信号进彳行福，R1B12其作用是对变化缓慢100倍放大，从而在一定程 积分电路时间常数较小自动回零化较篇金晶判信号进 度上抑制了土壤效应。当。为缓变直流信号时，1 吧=CF =10厂 厂 可羽化 口畋 Hn

11、工会米=220mSG747C1、C2可视作开路，由于参数对曲则V。二0。当Vj为脉动信号时（即在原检波 输出电压基础上叠加脉动变化量图5）前置放大电C2组成差动积分电路（积分器负载电 阻较大，其影响可忽略）由经典法得0+ms, t可求得t = 32.5s时，输出达最大值|vj = 82.5mV。随时间延长，|vj逐渐减小，t = is 吐v。牝0V。可见前置放大器可抑制大于is的慢变干扰信号。部分元件的选择：放大器选择DG747型号，电容C3选择F电阻R6取 100kQ,R、R2 取 10kQ,R3、R4 取 1kQ。电压-电流变换电路电压-电流变换电路用运算放大器和三极管等组成电流负反馈电路

12、，如图6所示-12V-5Vo对晶体管进行动态分析有：由前置放大器输出的直流脉动信号经本级方大后得到稳定的1巨流输出，以驱动后级 电流-频率变换器。图中rR为系 作临界截止状态7二极管接近于导 态，二极管迅速导通 集电极电流稍有变化，5使电流-频率变换电路rR9统工作状态调节通+ 一旦级工彳位器。静态时，调节R”使三极管工 旦展输入脉动放产信号,T三极管进入放大状 J9取值较大（2.2MQ），使得三极管T 极管D迅速导通。1/2DG74电阻RR8电流-频率变换电路的作用图将前级放大后的直流信号转换成音频信号，驱动耳机 发出声响。金属物体越大或者探头离金属物体越近，其输出的信号就越强，频率就越 高

13、。采用CMOS时基电路CH7555构成由输入电压控制的多谐振荡器，电路如图7示。图中12输入信号七控制电容器C现电流-频率转换。当V无信号输入时（前级输出端二极管截F,I八口 -1-q35的窄F金属物体时，耳机中声响的频率增 CH7555 37 8 4的充电时间，从而决定输出音频信号的频率，实D产生充放电信|F堕变换器输监一个间漏约 当探测到隔为3s的“搭-搭”声,0以示无探测信D业 元件的选择：农取Q高，信号加大。18k部分元件的选一 18kQ1kQ直流电源欠压报警电路 号3。R610B0kQ, C3取此C2取四F,电流为零），由 永冲，耳机中产生一间f取1k 20kQRR6R2取、耳机当电

14、池电压匕由-12V变至时，图使三电流压器变换稳压值产生较大偏差，应更换新 电池，故采用一检测报警电路告之用户。报警电路如图8所示。C 6800pF用CMOS时基电路CH7555和阻容元件电。当匕下降至时，一：f 4.9血2，比探测信号频1Vt ：5单元电路的级联设3计e24kQ电路起振，发出电压: 率朦且固定不成多谐3振荡器，采用-5V稳压电源供 仲届报警信号。二变,8因此不该振荡器1的振荡频率 会与探测信号相混（）直接诵合的务式连接电就构成了完整的金属探测器的原将直流电源、振荡器、检波器、前置放大电路、电压-电流变换器、电流-频率变换 器依照图3所示的顺序，采用 理图，如附录图所示。6设计总结通过为期一周的课程设