金属探测器课程设计

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1、金属探测器课程设计文档编制序号：KK8UY-LL9IO69-TTO6M3-MTOL89-FTT688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+50C2. 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

2、制作精选M.北京：机械工业出版社，2 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.完成期限一一指导教师 专业负责人2014年8 月14 日目录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），

3、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。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25cm）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

4、指定位置和方向自行进入探测区（铁丝框包围区域）。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，

5、定位误差应控制在 5mm 以内；完成定位时给出声光指示，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

6、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。金属物体。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

7、大电路的金属探测器，金属 探测器的原理电路图如下：1EC属探测器的探头 c3、Cfj 糾使电路处2在刚刚起振的状状8 纟t 成的放大电路进行放大， IC-3和IC-4进行放大_列值的电感 L。它与反相器IC 个电容三点式振荡器，z。_ N .振荡频率约为 弱的振荡信号通过由反相器电容器C2、 亍电位器RP IC-2和电阻R1态下。微弱的振荡u 丄再由二极管VRI进行整流，整流后的信号由反反相器 后通过二极管VD2去控制由1C-5和lC-6构成的音频振荡器的工作状1态K。作为探头的电感L在没有接近金属物体时，电路正常起 振。振荡信号控制0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

8、（电感线圈的轴向方向）丄电感L的Q值下降，电路停振，没有信号去抑制 频振荡器，所以音频振仔细调整电位器RP使扬声器刚刚不响.这时灵敏度较高，探测距离可达5mm作反驱声。使用时，接通电源后,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，但疋制作起来比较麻烦，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。4系统稳压电源采用集成三端稳压器 CW79

9、L05 组成，其输入端接电池（-12V），输出稳压值为-5V。采用变压器耦合正弦波振荡器、二极管D和电容C组成检波电路，原理如 35图 4 示。-5V-12V图中，7烈05厶、L和l为绕在同一磁罐内的四组线圈L5，-电 I振荡阻探，当3电源路产生振荡,护输出电压幅度指数上升至三极管饱和。为防止产 C八 亠 、匚构成探头谐振回电压，可利用变压器须选择合适的匝数比可4路。为提高探测器的灵敏度1,華求探头电感线圈有较 升压来实现。当无金属物体时的振荡频率C4当金属物体接近探头时，L的等效电感发生变化，谐振回路LC失谐从而556使负载能力很弱的变压器次&L直两端电源电压发生明显变化，经取样电感L及检3

10、4波电路将此信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 =uF，则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。R LQQkQ其静态工作点如下片1咛-V差动积分电路1UF图中R、及C构成t 1 - 2 2 亠、，而对变化较快的金属探 而在一定程度上抑制了土壤效应。当 v1为缓 常数较小缓慢的直流信11 tf+= R2C即自动回零电路，其作用是对变化 测信号进行100倍放大，从 渣流信号时，由于积分电路时间I1+ F10 ms, t =2R51/2DG747=220 ms11 12 RoCkC

11、、C可视作开路，由于参数对称置放大Of 0。当为脉动信号时（即在原 检波输出电压基础上叠加脉动变化量Av ）。R C、R C组成差动积分电路（积I1122分器负载电阻较大，其影响可忽略）由经典法得可求得t二32.5 s时，输出达最大值|v | = 82.5mV。随时间延长，|v |逐渐减小,OOt二1 s时，V0 V。可见前置放大器可抑制大于1s的慢变干扰信号。部分元件的选择：放大器选择DG747型号，电容C选择UF,电阻R取36 100kQ,R、R 取1 OkQ,R、R 取 lkQ。1234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，如图6 所示。对晶体管进

12、行动态分析有:Ir A“ V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恒流输出，以 后级电流-频率变换器。图中卜为系统工作状态调节电位器。静态时，调节 二极管接近于导通门驱动下一级工作。电阻R取值较驱动后级电流-频率变换器。R使三极管工作临界截止状态6w号，三极管进入放大状态讦极 大（2.2MQ）,使得三极管片 通。R T管迅速导通集/输入脉动放大信极电流稍有变化，就会彳R ”7R9极管D迅速导1/2DG748电流-频率变换电路 图6电压-电流变电流-频率变换电路的作用是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

13、，频率就越高。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。-12V,图中，输入信号v控制电容器C1C实现电流-频率转换。当I无信号输入时 ，由R、C、D产生充放电信号，使变换率，零）耳机中产生一间隔为牛的J心时，耳机中声响的频率增高,，信号加大。R 取 d, R 取 20kQ ,5部分元件的选择 取 18kQ。 1kQ的充电时间，.（前级输出端 器输出一个间 尺无探测信号。，以示甲信号的频 二极管截止，电流为 隔约3s的窄脉冲， 弓探测到金属物体 _ Q / C6取pF，C取3一从而决定输出音R6直流电源欠压报警电路当电池电压冷由-12V变至时图7使三端稳压

14、器输出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。用CMOS时基电路CH7555和阻容元件组成多谐振荡器，采用-5V稳压电源供 电。当 v 下降至时，电路起振，发出电压不足报警信号。该振荡器的振荡频率 f 4.9 kHz，比探测信号频率高，且固定不变，因此不会与探测信号相混淆。5 单元电路的级联设计将直流电源、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，采用直接耦合的方式连接，就构成了完整的 金属探测器的原理图，如附录图所示。6 设计总结通过为期一周的课程设计，我深刻体会到了自己知识的匮乏。我深深的感 觉到自

15、己知识的不足，自己原来所学的东西只是一个表面性的，理论性的，而 且是理想化的。根本不知道在现实中还存在有很多问题。真正的能将自己的所 学知识转化为实际所用才是最大的收获，也就是说真正的能够做到学为所用才 是更主要的。设计一个很简单的电路，所要考虑的问题，要比考试的时候考虑 的多的多。本次课程设计所设计的金属探测器基本符合设计要求，可以探测出 20cm 范 围内的金属物体的存在，而且对于体积较大的金属物体，探测的范围会相应的 增大，考虑到该装置使用电池供电，还设计了电源欠压提示功能，提醒用户及 时更换电池。设计电路时，要考虑到它的前因后果，用什么样的电路实现什么 什么样的功能。另外，还要考虑到电路的可行性，实用性等。本次课程设计要