金属探测器的制作

自动检测与过程控制 期末作业 姓姓 名名 朱胜迪 班班 级级 信息 072 学学 号号 200711513121 日日 期期 2010 6 27 一 一 作业题目作业题目 设计一个电感式接近开关的电路 当开关探头接近金属至一定距离时 开关可使一外设计一个电感式接近开关的电路 当开关探头接近金属至一定距离时 开关可使一外 部的直流负载通电工作 并在内部点亮一指示灯 探头离开一定距离后开关断开 且开 部的直流负载通电工作 并在内部点亮一指示灯 探头离开一定距离后开关断开 且开 关的动作可靠 不能有抖动 关的动作可靠 不能有抖动 注 开关最大工作电压 注 开关最大工作电压 36V36V 最大工作电流 最大工作电流 30mA30mA 二 二 题目分析及设计思路题目分析及设计思路 1 1 题目分析 题目要求设计一电感式接近开关 即开关量为电路探头是否探测题目分析 题目要求设计一电感式接近开关 即开关量为电路探头是否探测 到金属 探测到的话有电流输出 没有探测到则没有输出 到金属 探测到的话有电流输出 没有探测到则没有输出 2 2 设计思路 利用电感线圈在接近金属时会产生涡流效应导致自身电感量的改设计思路 利用电感线圈在接近金属时会产生涡流效应导致自身电感量的改 变来实现有没有金属接近这一实际动作到电路信号的变化 在对这一信号加以处理进变来实现有没有金属接近这一实际动作到电路信号的变化 在对这一信号加以处理进 而得到电流的变化从而实现设计要求 而得到电流的变化从而实现设计要求 3 3 方案设计说明 方案设计说明 系统框图 系统框图 探测线圈 电路的探测原件 自身属于探测线圈震荡电路 当有金属接近时探测线圈探测线圈 电路的探测原件 自身属于探测线圈震荡电路 当有金属接近时探测线圈 电感量发生变化 电感量发生变化 震荡电路 有两组 一组为探测线圈震荡电路 一组为基本震荡电路 基本震荡电路震荡电路 有两组 一组为探测线圈震荡电路 一组为基本震荡电路 基本震荡电路 用于与探测线圈震荡电路产生的震荡形成对比 产生差量 用于与探测线圈震荡电路产生的震荡形成对比 产生差量 整形电路 包含放大电路和整形电路 将两组震荡电路产生的震荡波形进行放大整形整形电路 包含放大电路和整形电路 将两组震荡电路产生的震荡波形进行放大整形 的处理实现一组波形变化时会与另一组震荡波形形成差量 并转换为电压信号输出到下一的处理实现一组波形变化时会与另一组震荡波形形成差量 并转换为电压信号输出到下一 级电路 级电路 输出电路 主要为放大电路 整形电路输出电压将驱动输出电路放大并输出电压来带输出电路 主要为放大电路 整形电路输出电压将驱动输出电路放大并输出电压来带 动负载工作 动负载工作 三 三 单元电路设计说明单元电路设计说明 1 1 震荡电路 震荡电路 A A 电路原理图 电路原理图 探 测 线 圈 震 荡 电 路 整 形 电 路 输 出 电 路 B B 震荡电路单元由两组震荡电路合并而成 左侧虚线框内为探测线圈震荡电路 震荡电路单元由两组震荡电路合并而成 左侧虚线框内为探测线圈震荡电路 L1L1 为探测线圈 通电情况下有金属接近为探测线圈 通电情况下有金属接近 L1L1 时其电感量会发生变化 导致震荡波形变化 时其电感量会发生变化 导致震荡波形变化 调节调节 RwRw 可进行电路工作时的校准 可进行电路工作时的校准 C2C2 可进行微调 右侧虚线框内为基准震荡电路 其可进行微调 右侧虚线框内为基准震荡电路 其 产生的震荡波形为一常量 用于与探测线圈震荡电路产生的波形进行比较 正常情况产生的震荡波形为一常量 用于与探测线圈震荡电路产生的波形进行比较 正常情况 下两者输出波形一致 下两者输出波形一致 A A 点为基准震荡电路的输出端 点为基准震荡电路的输出端 B B 点为探测线圈震荡电路的输出端 两个端口将接点为探测线圈震荡电路的输出端 两个端口将接 入电路下一级将信号进行变换处理 入电路下一级将信号进行变换处理 2 2 整形电路 整形电路 A A 电路原理图电路原理图 B B 整形电路单元由放大部分 整形部分 比较整合部分构成 左侧虚线框内为放大部 整形电路单元由放大部分 整形部分 比较整合部分构成 左侧虚线框内为放大部 分 电容 电阻和非门形成放大环节 非门通常情况下有无限放大的功能 利用电阻将输分 电容 电阻和非门形成放大环节 非门通常情况下有无限放大的功能 利用电阻将输 出以负反馈的形式接入输入端来限制其放大能力以实现有限放大 之间部分的虚线框内为出以负反馈的形式接入输入端来限制其放大能力以实现有限放大 之间部分的虚线框内为 整形部分 非门根据其输入的上下限的要求及反相的特性将震荡输出的正弦波变换为矩形整形部分 非门根据其输入的上下限的要求及反相的特性将震荡输出的正弦波变换为矩形 波 非门将会把正弦波中达到其高电平要求的波形全部转换为低电平输出 而将达到其低波 非门将会把正弦波中达到其高电平要求的波形全部转换为低电平输出 而将达到其低 电平要求的正弦波部分全部转换为高电平输出 这样就实现把正弦波转换为矩形波的功能 电平要求的正弦波部分全部转换为高电平输出 这样就实现把正弦波转换为矩形波的功能 右侧虚线框内的部分为比较整合部分 利用非门的反相功能将基准震荡电路输出的波右侧虚线框内的部分为比较整合部分 利用非门的反相功能将基准震荡电路输出的波 形进行反相变换 而原来输出基准波形和检测波形是一样的再经过一个反相一个不变的情形进行反相变换 而原来输出基准波形和检测波形是一样的再经过一个反相一个不变的情 况下将他们通过二极管况下将他们通过二极管 VDVD 叠加整合 如果两个波形都没有发生变化则叠加后因为相互反相叠加整合 如果两个波形都没有发生变化则叠加后因为相互反相 的关系导致输出相互抵消 输出为零 而当检测端的探头检测到金属后电感量发生变化导的关系导致输出相互抵消 输出为零 而当检测端的探头检测到金属后电感量发生变化导 致波形发生变化 从而使叠加后的波形不能相互抵消 使输出量不为零 即产生了差量 致波形发生变化 从而使叠加后的波形不能相互抵消 使输出量不为零 即产生了差量 这一输出量从这一输出量从 C C 点处输出用来驱动输出电路 点处输出用来驱动输出电路 3 3 输出电路 输出电路 A A 电路原理图 电路原理图 B B 驱动电压从驱动电压从 C C 处输入 当驱动电压不为零且达到场效应管的栅极导通电压时 处输入 当驱动电压不为零且达到场效应管的栅极导通电压时 VFVF 导通且实现放大输出 在导通且实现放大输出 在 D D E E 处接负载 处接负载 四 四 完整电路原理分析完整电路原理分析 1 1 电路原理图 电路原理图 2 2 电路分析 电路中电路分析 电路中 L1 R1 R2 R3 C1 C2 C3 C4L1 R1 R2 R3 C1 C2 C3 C4 和和 V1V1 构成探测线圈震荡电路 构成探测线圈震荡电路 L1L1 为探测线圈 通电后其电感量会受外界金属的影响而产生变化 电路中为探测线圈 通电后其电感量会受外界金属的影响而产生变化 电路中 L2 R2 R3 R4 C6 C7 C8 C9L2 R2 R3 R4 C6 C7 C8 C9 呵呵 V2V2 构成基准震荡电路 构成基准震荡电路 L2L2 为震荡电路震荡线圈 其电感为震荡电路震荡线圈 其电感 量固定 不受外界影响 能使电路产生固定的正弦波 电路中量固定 不受外界影响 能使电路产生固定的正弦波 电路中 R5 C10 R8 D1 D2 D3 R10R5 C10 R8 D1 D2 D3 R10 为探测线圈震荡电路的波形处理电路 先由非门构成的放大为探测线圈震荡电路的波形处理电路 先由非门构成的放大 器对器对 A A 点进来的信号进行放大 再由点进来的信号进行放大 再由 D2D2 对正弦波进行整形 将其变换为矩形波 对正弦波进行整形 将其变换为矩形波 D3D3 对对 生成的矩形波进行相位取反 从生成的矩形波进行相位取反 从 B B 点进入的信号处理同点进入的信号处理同 A A 点的信号 只是少了相位取点的信号 只是少了相位取 反 再将两路波形叠加后从反 再将两路波形叠加后从 DVDV 处输出 处输出 DV1DV1 及以后的电路构成了负载的驱动电路 主及以后的电路构成了负载的驱动电路 主 要通过要通过 VFVF 的放大作用对电压进行放大来带动负载 的放大作用对电压进行放大来带动负载 在探测端部受金属影响的情况下 两组震荡电路输出的波形为相位频率均相同的在探测端部受金属影响的情况下 两组震荡电路输出的波形为相位频率均相同的 正弦波 波形信号经放大处理后再一路取反 一路不取反的情况下形成相位相反 频正弦波 波形信号经放大处理后再一路取反 一路不取反的情况下形成相位相反 频 率相同的两路矩形波 将这两路波形进行叠加后波形相互抵消使得输出为零发光二极率相同的两路矩形波 将这两路波形进行叠加后波形相互抵消使得输出为零发光二极 管不亮 因此管不亮 因此 VFVF 的栅级因为没有加压而使的栅级因为没有加压而使 FVFV 不能导通 也就不能带动负载 而当探不能导通 也就不能带动负载 而当探 测线圈受到金属影响时就回导致电感量发生变化使得波形频率也产生变化 因此再两测线圈受到金属影响时就回导致电感量发生变化使得波形频率也产生变化 因此再两 路波形叠加后输出不为零发光二极管发光 因而路波形叠加后输出不为零发光二极管发光 因而 VFVF 栅极被加上电压 栅极被加上电压 VFVF 导通 并将电导通 并将电 压放大 带动负载工作 电路实现功能 压放大 带动负载工作 电路实现功能 3 3 原件选择原件选择 参考电感式金属探测器电路参考电感式金属探测器电路 RwRw 选用小型实心电位器或密封式可变电阻器 选用小型实心电位器或密封式可变电阻器 C1C1 C3C3 C10C10 C11C11 和和 C13C13 均选用高频瓷介电容器 均选用高频瓷介电容器 C4C4 C6C6 C9C9 和和 C12C12 选用独石电选用独石电 容器或涤纶电容器 容器或涤纶电容器 C2C2 选用瓷介可变电容器 选用瓷介可变电容器 VDVD 选用选用 1N41481N4148 型硅开关二极管 型硅开关二极管 VSVS 选用稳压值为选用稳压值为 4 54 5 5 1V5 1V 结电容为 结电容为 50PF50PF 的稳压二极管 的稳压二极管 V1V1 和和 V2V2 均选用均选用 5901859018 型硅型硅 NPNNPN 型晶体管 型晶体管 VFVF 选用选用 V20AV20A 型场效应晶体管 型场效应晶体管 非门可选两块非门可选两块 74027402 集成电路来实现功能 集成电路来实现功能 74027402 管脚排列如下 管脚排列如下 A A B B C C D D 为输入端口 为输入端口 Y Y 为输出端口 为输出端口 GNDGND 为接地为接地 VCCVCC 为接电源正极 为接电源正极 L1L1 用用 0 27mm 0 27mm 的漆包线在的漆包线在 25mm 25mm 的塑料环上绕的塑料环上绕 9090 110110 匝 线圈外部包上铝箔 铝匝 线圈外部包上铝箔 铝 箔宜留有开口 并用屏蔽线将铝箔与地之间连接好 箔宜留有开口 并用屏蔽线将铝箔与地之间连接好 L2L2 选用固定电感器 例如选用固定电感器 例如 TDKTDK 色码色码 电感 电感 五 五 使用方法使用方法 接上负载闭合开关接上负载闭合开关 S S 将探头远离金属物品 观察发光二极管是否会发光 若发光再 将探头远离金属物品 观察发光二极管是否会发光 若发光再 说明电路没有校正好 调节说明电路没有校正好 调节 RwRw 直到发光二极管熄灭 将探头接近金属 观察探头离金属距直到发光二极管熄灭 将探头接近金属 观察探头离金属距 离为多少时发光二极管会亮 若探头离金属很近发光管也不亮则在此时调节离为多少时发光二极管会亮 若探头离金属很近发光管也不亮则在此时调节 RWRW 因为此时 因为此时 叠加后的波形输出不为零 但是还是太小了 通过调节叠加后的波形输出不为零 但是还是太小了 通过调节 RWRW 适量的改变探头一边的震荡波形适量的改变探头一边的震荡波形 使得叠加后的波形输出电压够驱动二极管发光 够驱动场效应管导通 然后再逐渐将探头使得叠加后的波形输出电压够驱动二极管发光 够驱动场效应管导通 然后再逐渐将探头 远离金属物品 观察在多少距离时发光管熄灭 在根据需求的距离通过上述方法来调节电远离金属物品 观察在多少距离时发光管熄灭 在根据需求的距离通过上述方法来调节电 路 使其实现功能 因为发光管的导通电压在至少要路 使其实现功能 因为发光管的导通电压在至少要 1 5V1 5V 而栅极电压也要达到而栅极电压也要达到 2 5V2 5V 才能才能 使场效应管导通 因此电路工作时并非两路波形完全抵消才不会驱动