金屬探測器課程設(shè)計(jì)模板要點(diǎn)

1、課程 TI杯電子設(shè)計(jì) 題目 金 屬 探 測 器 主要內(nèi)容：根據(jù)設(shè)計(jì)要求，運(yùn)用所學(xué)的模擬電子技術(shù)及電路基礎(chǔ)等知識，自行設(shè)計(jì)一種可以準(zhǔn)確探測小范圍內(nèi)是否存在金屬物體的電子裝置，采用聲音報(bào)警方式提示使用者附近存在金屬物體或提示電池電力不足?；疽螅?. 工作溫度范圍：-40+502. 連續(xù)工作時(shí)間：一組5號干電池可連續(xù)工作40h（小時(shí)）。3. 探測距離大于20cm（金屬物體越大，測距也越大，對1分硬幣的探測距離是20cm）。4. 具有自動(dòng)回零功能，并可抑制土壤效應(yīng)。主要參考資料：1 陳有卿.實(shí)用電子制作精選M.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1994.112 鶴壁市金屬探測器廠撰文.金屬探測器TC系列J.北

2、京電子報(bào).1995年第22期3 張鳳言.電子電路基礎(chǔ)M.北京：高等教育出版社，19954 電子電路百科全書編輯組. 電子電路百科全書M.北京：科學(xué)出版社.19885 房旭民撰文.一種高靈敏度的金屬探測器J.電子技術(shù)應(yīng)用.1991年第9期6 彭介華.電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)M.高等教育出版社，1997.7 李哲英等實(shí)用電子電路設(shè)計(jì)M北京：電子工業(yè)出版社,1997.完成期限 2014.8.122014.8.15 指導(dǎo)教師 專業(yè)負(fù)責(zé)人 2014年8 月14 日目 錄1 任務(wù)和要求12 總體方案設(shè)計(jì)與選擇12.1 高頻振蕩器探測金屬12.2 場強(qiáng)識別探測金屬12.3 六反相器數(shù)字集成電路探測金屬23 電路

3、總原理框圖設(shè)計(jì)24 單元電路設(shè)計(jì)34.1 直流電源及振蕩、檢波電路設(shè)計(jì)方案34.2 前置放大電路設(shè)計(jì)方案44.3 電壓-電流變換電路54.4 電流-頻率變換電路64.5 直流電源欠壓報(bào)警電路65 單元電路的級聯(lián)設(shè)計(jì)76 設(shè)計(jì)總結(jié)7參考文獻(xiàn)8附 錄91 任務(wù)和要求 1.任務(wù) 設(shè)計(jì)并制作一個(gè)可自主移動(dòng)的金屬物體探測定位器（以下簡稱探測器），可探測置于玻璃板下的金屬物體并給出定位指示。該探測器需采用TI公司LDC1000電感/數(shù)字轉(zhuǎn)換器評估板（AY-LDC1000）作為金屬物體探頭，探頭上應(yīng)有定位指針，以給出明顯定位指示。探頭可在水平放置的玻璃板上移動(dòng)。用直徑2（mm）的鐵絲圍成約50cm×

4、;50cm的正方形閉合框作為探測區(qū)邊界置于玻璃板下，示意圖見圖1。無色透明普通玻璃板或有機(jī)玻璃板金屬物體玻璃板下探頭進(jìn)入?yún)^(qū)玻璃板下鐵絲方框50cm×50cm1 金屬物體探測環(huán)境示意圖圖2.要求 （1） 在探測區(qū)域內(nèi)某處（距探測邊界5cm）玻璃下放置一枚直徑約19mm的鍍鎳鋼芯1角硬幣（第五套人民幣的1角硬幣）。探頭能從“探頭進(jìn)入?yún)^(qū)”一側(cè)任意指定位置和方向自行進(jìn)入探測區(qū)（鐵絲框包圍區(qū)域）。通過探測，定位指針應(yīng)指在硬幣邊沿之內(nèi)，探測定位速度越快越好，且探測定位總時(shí)間應(yīng)不超過2分鐘。完成定位時(shí)給出聲光指示，此后探頭不得再移動(dòng)。（30分）（2） 將1角硬幣更換成直徑約25mm的鍍鎳鋼芯1元硬

5、幣（第五套人民幣1元硬幣），重復(fù)要求（1）的探測過程。定位完成后，定位指針與硬幣圓心之間的定位誤差應(yīng)控制在5mm以；探測定位速度越快越好，探測定位總時(shí)間不應(yīng)超過2分鐘。完成定位時(shí)給出聲光指示，此后探頭不得再移動(dòng)。（30分）（3） 將硬幣改為自制圓鐵環(huán)（用2鐵絲繞制），鐵環(huán)外直徑4cm。重復(fù)要求（1）的探測過程，應(yīng)使定位指針盡可能指向鐵環(huán)圓心，定位誤差應(yīng)控制在5mm以內(nèi)；完成定位時(shí)給出聲光指示，此后探頭不得再移動(dòng)，探測定位總時(shí)間應(yīng)不超過3分鐘。（30分）（4） 其他自主發(fā)揮功能。（10分）（5） 設(shè)計(jì)報(bào)告。（20分）項(xiàng)目主要內(nèi)容分?jǐn)?shù)系統(tǒng)方案系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、方案比較與選擇4理論分析與計(jì)算探測器組成方案與

6、工作原理分析、檢測與控制算法6電路與程序設(shè)計(jì)電路設(shè)計(jì)，程序結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)5測試方案與測試結(jié)果測試結(jié)果及分析3設(shè)計(jì)報(bào)告結(jié)構(gòu)及規(guī)范性摘要，設(shè)計(jì)報(bào)告正文的結(jié)構(gòu)，公式、圖表的規(guī)范性2總分202 總體方案設(shè)計(jì)與選擇2.1 高頻振蕩器探測金屬調(diào)節(jié)高頻振蕩器的增益電位器，恰好使振蕩器處于臨界振蕩狀態(tài)，也就是說剛好使振蕩器起振。當(dāng)探測線圈L靠近金屬物體時(shí)，由于電磁感應(yīng)現(xiàn)像，會在金屬導(dǎo)體中產(chǎn)生渦電流，使振蕩回路中的能量損耗增大，正反饋減弱，處于臨界態(tài)的振蕩器振蕩減弱，甚至無法維持振蕩所需的最低能量而停振。如果能檢測出這種變化，并轉(zhuǎn)換成聲音信號，根據(jù)聲音有無，就可以判定探測線圈下面是否有金屬物體了。高頻 振蕩器振蕩

7、檢測器音頻 振蕩器功率 放大器電源圖1 高頻振蕩器探測金屬原理圖2.2 場強(qiáng)識別探測金屬場強(qiáng)識別：利用金屬物體對信號產(chǎn)生諧波的場強(qiáng)變化而使振幅之變化來識別金屬物體。利用探頭線圈產(chǎn)生交變電磁場在被測金屬物中感應(yīng)出渦流，渦流產(chǎn)生反作用于探頭，使探頭線圈阻抗發(fā)生變化，從而使探測器的振蕩器振幅也發(fā)生變化。該振幅變化量作為探測信號，經(jīng)放大、變換后轉(zhuǎn)換成音頻信號，驅(qū)動(dòng)音響電路發(fā)聲，音頻信號隨被測金屬大小及距離的變化而變化。2.3 六反相器數(shù)字集成電路探測金屬應(yīng)用一塊cMos六反相器數(shù)字集成電路，作為放大電路的金屬探測器，金屬探測器的原理電路圖如下：圖2 六反相器數(shù)字集成電路 GR3VSARLVT9014R

8、5 5KC6 1000pR4 200KR351KC50.014700p*3C410KC3RpC2R1 680KR2 330KIC-6IC-5IC-3IC-4VD21N41481N4148VD10.01LC1IC-2IC-1金屬探測器的探頭是一只高Q值的電感L。它與反相器ICl及電容器C2、C3、C4構(gòu)成了一個(gè)電容三點(diǎn)式振蕩器，其振蕩頻率約為27kHz。調(diào)節(jié)電位器RP可使電路處在剛剛起振的狀態(tài)下。微弱的振蕩信號通過由反相器IC-2和電阻R1組成的放大電路進(jìn)行放大，再由二極管VDI進(jìn)行整流，整流后的信號由反相器IC-3和IC-4進(jìn)行放大。最后通過二極管VD2去控制由1C-5和IC-6構(gòu)成的音頻振蕩

9、器的工作狀態(tài)。作為探頭的電感L在沒有接近金屬物體時(shí)，電路正常起振。振蕩信號控制音頻振蕩器停止工作，揚(yáng)聲器不發(fā)聲。當(dāng)有金屬物體接近電感時(shí)(電感線圈的軸向方向)，電感L的Q值下降，電路停振，沒有信號去抑制音頻振蕩器，所以音頻振蕩器工作，驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器發(fā)聲。使用時(shí)，接通電源后，仔細(xì)調(diào)整電位器RP使揚(yáng)聲器剛剛不響這時(shí)靈敏度較高，探測距離可達(dá)5mm20mm。方案一用到了高頻振蕩器，價(jià)格比較高，雖然探測的效果比較好，但是制作起來比較麻煩，不適合作為課程設(shè)計(jì)的選擇。方案三設(shè)計(jì)思路明確，結(jié)構(gòu)合理，方案易于實(shí)現(xiàn)，但探測的距離過小，不能滿足課題要求。方案二只用到了簡單的元件并且設(shè)計(jì)合理，既具備了方案一的優(yōu)點(diǎn)又解決了方

10、案三的不足。因此選用方案三作為本課題的原理方案。3 電路總原理框圖設(shè)計(jì)金屬探測器的原理框圖如圖3示。圖3 金屬探測器原理圖探頭振蕩器檢波器前置放大器電壓電流變換器電流頻率變換器穩(wěn)壓電源欠壓報(bào)警>=14 單元電路設(shè)計(jì)4.1 直流電源及振蕩、檢波電路設(shè)計(jì)方案系統(tǒng)穩(wěn)壓電源采用集成三端穩(wěn)壓器CW79L05組成，其輸入端接電池（-12V），輸出穩(wěn)壓值為-5V。采用變壓器耦合正弦波振蕩器、二極管和電容組成檢波電路，原理如圖4示。圖4 直流電源及振蕩、檢波電路-5V-12V+C5L4C6D3L3L2C4R3C3R2L1C2+D1D2R1+C1L5探頭CW79L05圖中，、和為繞在同一磁罐內(nèi)的四組線圈。

11、當(dāng)電源接通后，電路產(chǎn)生振蕩，其輸出電壓幅度指數(shù)上升至三極管飽和。為防止產(chǎn)生振蕩阻塞，須選擇合適的匝數(shù)比可取。為射極偏置電路，構(gòu)成探頭諧振回路。為提高探測器的靈敏度，要求探頭電感線圈有較高的電壓，可利用變壓器升壓來實(shí)現(xiàn)。當(dāng)無金屬物體時(shí)振蕩器的振蕩頻率當(dāng)金屬物體接近探頭時(shí)，的等效電感發(fā)生變化，諧振回路失諧從而使負(fù)載能力很弱的變壓器次級兩端的電壓發(fā)生明顯變化，經(jīng)取樣電感及檢波電路將此信號轉(zhuǎn)換成直流探測信號輸出。部分元件參數(shù)選擇：取=1：5，=1：150，=3.5mH，=0.01µF，則=26.9kHz。4.2 前置放大電路設(shè)計(jì)方案前置放大電路用差動(dòng)輸入放大器組成，如圖5示。VoR6 100

12、kC3 0.047F12R5100k1/2DG747Dg74712R31kV2R4+1kV1C222FC11F+R210kR110k100Rw1VI-+圖5 前置放大電路 其靜態(tài)工作點(diǎn)如下圖中及構(gòu)成差動(dòng)積分電路，即自動(dòng)回零電路，其作用是對變化緩慢的直流信號進(jìn)行抑制，而對變化較快的金屬探測信號進(jìn)行100倍放大，從而在一定程度上抑制了土壤效應(yīng)。當(dāng)為緩變直流信號時(shí)，由于積分電路時(shí)間常數(shù)較小ms,ms可視作開路，由于參數(shù)對稱，則。當(dāng)為脈動(dòng)信號時(shí)（即在原檢波輸出電壓基礎(chǔ)上疊加脈動(dòng)變化量）。組成差動(dòng)積分電路（積分器負(fù)載電阻較大，其影響可忽略）由經(jīng)典法得可求得s時(shí)，輸出達(dá)最大值mV。隨時(shí)間延長，逐漸減小，s

13、時(shí)，V?？梢娗爸梅糯笃骺梢种拼笥?s的慢變干擾信號。 部分元件的選擇：放大器選擇DG747型號，電容C3選擇0.047F，電阻R6取 100k,R1、R2取10k,R3、R4取1k。4.3 電壓-電流變換電路電壓-電流變換電路用運(yùn)算放大器和三極管等組成電流負(fù)反饋電路，如圖6所示。圖6 電壓-電流變換電路1067VoVITDR10R9R8R7R6R5R4C1R3R2R1Rw-5V-12V+-1/2DG747對晶體管進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析有： 由前置放大器輸出的直流脈動(dòng)信號經(jīng)本級方大后得到穩(wěn)定的恒流輸出，以驅(qū)動(dòng)后級電流-頻率變換器。圖中為系統(tǒng)工作狀態(tài)調(diào)節(jié)電位器。靜態(tài)時(shí)，調(diào)節(jié)使三極管工作臨界截止?fàn)顟B(tài)，二極管接

14、近于導(dǎo)通。一旦輸入脈動(dòng)放大信號，三極管進(jìn)入放大狀態(tài)，二極管迅速導(dǎo)通，驅(qū)動(dòng)下一級工作。電阻取值較大（2.2M），使得三極管T集電極電流稍有變化，就會使二極管D迅速導(dǎo)通。4.4 電流-頻率變換電路電流-頻率變換電路的作用是將前級放大后的直流信號轉(zhuǎn)換成音頻信號，驅(qū)動(dòng)耳機(jī)發(fā)出聲響。金屬物體越大或者探頭離金屬物體越近，其輸出的信號就越強(qiáng)，頻率就越高。采用CMOS時(shí)基電路CH7555構(gòu)成由輸入電壓控制的多諧振蕩器，電路如圖7示。圖7 電流-頻率變換電路耳機(jī)R620k8.2kR50.01FC3C20.015FR310D+R218k1kR1C10.33FVI-12V2 1 56 CH7555 37 8 4圖中

15、，輸入信號控制電容器的充電時(shí)間，從而決定輸出音頻信號的頻率，實(shí)現(xiàn)電流-頻率轉(zhuǎn)換。當(dāng)無信號輸入時(shí)（前級輸出端二極管截止，電流為零），由產(chǎn)生充放電信號，使變換器輸出一個(gè)間隔約3s的窄脈沖，耳機(jī)中產(chǎn)生一間隔為3s的“搭-搭”聲，以示無探測信號。當(dāng)探測到金屬物體時(shí)，耳機(jī)中聲響的頻率增高，信號加大。部分元件的選擇：R5取8.2k，R6取20k，C3取0.01F，C2取0.015F，R1取1k，R2取18k。4.5 直流電源欠壓報(bào)警電路當(dāng)電池電壓由-12V變至-6.5V時(shí)，使三端穩(wěn)壓器輸出穩(wěn)壓值產(chǎn)生較大偏差，應(yīng)更換新電池，故采用一檢測報(bào)警電路告之用戶。報(bào)警電路如圖8所示。圖8 電源欠壓報(bào)警電路2.4kR4

16、24k68kR3R21kR1VTC6800pF-5V2 1 6 3 CH75557 8 4用CMOS時(shí)基電路CH7555和阻容元件組成多諧振蕩器，采用-5V穩(wěn)壓電源供電。當(dāng)下降至-6.5V時(shí)，電路起振，發(fā)出電壓不足報(bào)警信號。該振蕩器的振蕩頻率kHz，比探測信號頻率高，且固定不變，因此不會與探測信號相混淆。5 單元電路的級聯(lián)設(shè)計(jì)將直流電源、振蕩器、檢波器、前置放大電路、電壓-電流變換器、電流-頻率變換器依照圖3所示的順序，采用直接耦合的方式連接，就構(gòu)成了完整的金屬探測器的原理圖，如附錄圖所示。6 設(shè)計(jì)總結(jié)通過為期一周的課程設(shè)計(jì)，我深刻體會到了自己知識的匱乏。我深深的感覺到自己知識的不足，自己原來

17、所學(xué)的東西只是一個(gè)表面性的，理論性的，而且是理想化的。根本不知道在現(xiàn)實(shí)中還存在有很多問題。真正的能將自己的所學(xué)知識轉(zhuǎn)化為實(shí)際所用才是最大的收獲，也就是說真正的能夠做到學(xué)為所用才是更主要的。設(shè)計(jì)一個(gè)很簡單的電路，所要考慮的問題，要比考試的時(shí)候考慮的多的多。 本次課程設(shè)計(jì)所設(shè)計(jì)的金屬探測器基本符合設(shè)計(jì)要求，可以探測出20cm范圍內(nèi)的金屬物體的存在，而且對于體積較大的金屬物體，探測的范圍會相應(yīng)的增大，考慮到該裝置使用電池供電，還設(shè)計(jì)了電源欠壓提示功能，提醒用戶及時(shí)更換電池。設(shè)計(jì)電路時(shí)，要考慮到它的前因后果，用什么樣的電路實(shí)現(xiàn)什么什么樣的功能。另外，還要考慮到電路的可行性，實(shí)用性等。本次課程設(shè)計(jì)要求多

18、學(xué)科知識綜合應(yīng)用，鍛煉了設(shè)計(jì)者的動(dòng)手能力，加深了對各個(gè)學(xué)科的理解和掌握，總之，通過這次課程設(shè)計(jì)，不僅使我對所學(xué)過的知識有了一個(gè)新的認(rèn)識。而且提高了我考慮問題，分析問題的全面性以及動(dòng)手操作能力。使我的綜合能力有了一個(gè)很大的提高。參考文獻(xiàn)1 陳有卿. 實(shí)用電子制作精選M.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1994.112 鶴壁市金屬探測器廠撰文.金屬探測器TC系列J.北京電子報(bào).1995年第22期3 張鳳言.電子電路基礎(chǔ)M.北京：高等教育出版社，19954 電子電路百科全書編輯組. 電子電路百科全書M.北京：科學(xué)出版社.19885 房旭民撰文.一種高靈敏度的金屬探測器J.電子技術(shù)應(yīng)用.1991年第9期6 彭介華.電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)M.高等教育出版社，1997.7 李哲英等實(shí)用電子電路設(shè)計(jì)M北京：電子工業(yè)出版社,1997.附 錄東北石油大學(xué)課程設(shè)計(jì)成績評價(jià)