金属探测器课程设计模板

1、课程T I 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：-40 C+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

2、.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.1988 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 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.完成期限指导教师专业负责人2014 年 8 月 14 日1 任务和要求2 总体方案设计与选择 高频振荡器探测金属 场强识别探测金属六反相器数字集成电路探测金属 3电路总原理框图设计4单元电路设计直流电源及振荡、检波电路设计方案 前置放大电路设计方案 电压

3、-电流变换电路 电流-频率变换电路 直流电源欠压报警电路 5单元电路的级联设计6设计总结参考文献附 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） ，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50CmX 50Cm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

4、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） 。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 5m

5、m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5mn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

6、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。厂0高频振汤>音频>功率*图1高频振荡器探测金属场强识别

7、探测金场强识别：利用金属物体对信号产生谐波的场强变化而使振幅之变化来识别金属物 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，作为放大电路的金属探测器，金属探测器 的原理电路图如下：探测器的扌构成了起振的状态U I I L 丄2它与反相Idei 为2 27kHz。调节电位器 微弱的振荡信号通过由反相器h 口-TC5 .

8、 . Rj ¥IB是个电容三点式1 振荡器8只高JCQ值的电其振荡频刚大，再由二极管VD0进行整流，整流后的信号由反相器''I IC又和IC-4进行放 过二极管 VDC;去:空IC-2和电阻窪扌组成的放大1000pC2 C3 C4电路处在刚 电路进行放 F最后通L1C-5和IC-6构成的音频振荡器的工作状态。作为探头的电感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

9、整电位器RP使扬声器刚六反相器数字灵敏度较高，探测距离可达5m 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示直流电源及振荡荡、八刖电流电压频率系统稳压电源采用集成三端稳压器 稳压值为-5V。采用变压器耦CW79L05组成，其输入端接电池（-12V）,输出-12V稳合正弦Mt振荡L

10、压一欠 '-TLC5组成检波电路 =原-5V图3金属探测器原理图Uh、二极管D3和电容图4示。图中CW79L05 L：和_4为绕在同一磁罐内的四组线圈。当 振荡，其输出电压幅度指数上升至三极管饱和。为防止产生振荡 数比可取。R3、C4为射极求探头电感线圈有较器的振荡频率偏置电、珞,高的1电压，可利用变压器升压来 打丁 G+D2L5探头产生电源接通后， 旦塞，须选择合适的匝h回路。为提高探测器的灵敏 实现。当无金属物体寸振荡C4L5的等效电感发生变化，谐振回路 L5C6失谐从而使负载 L4及检波电路将此信当金属物体接近探头时，能力很弱的变压器次级L3两图的I电直流生明显变化荡经取检电輕

11、号转换成直流探测信号输出。部分元件参数选择：取 L|： L2 =1: 5， L2: L3 =1: 150， L5 =， C6 =卩 F，贝U f =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Rl10k图中Ri、R6100 k QR3lk Qa FRWR2及C2构成差动积分电路，即自动回零电路,其作用是对变化缓慢的直流信号进行抑制0而对变化较快的金属探 上抑制了土壤效应。当illVI进行分电R5C2100倍放大，从而在一定程度 时间常数较小 22°2DG747号时k由 yo+ms, 2则 VOR1C1G、C2可视作开路，由于参数对称F出电压基础上

12、叠加脉动变化量 V图。5只前置放大组成 大，其影响可忽略）由经典法得图可求得t 32.5s时，输出达最大值0V。可见前置放大器可抑制大于1s的慢变干扰信号。V。Voo1OOkQ V|为脉动信号时（即在原检波输 差动积分电路（积分器负载电阻较82.5mV随时间延长,Vo逐渐减小，t is时,部分元件的选择：放大器选择 DG747型号，电容C3选择卩F,电阻 艮取 100kQ,R、艮取 1OkQ,R、R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，如图6所示。-12管5进行亍动态分析有:对晶体由前置放大弊出的直流脉动信 电流-频率变换器。图中 軽为系统工

13、作状态调节 作临界截止状态厂二极管接近于导通 二极管迅速导通，那动下一级工作。电阻 电流稍有变化，就会使二极管0入石号经本级方大。+ 一 日 v电流-频率变换电路oD以鞭动后级Rw使三极管工 三极管进入放大状态，后得得到稳定的恒流输出Ri0电位器。静态时,J调节 入脉动放大信R9取值较大（2.2MQ）使得三极管T集电极1/2DG7hl放F7RoF8电流-频率变换电路的作用发出声响。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, 采用CMO时基电路CH7555构成由输入电压控制的多谐振荡器，电路如图号转换成音频信号，驱动耳机频率就越咼。7示。-12V图中，输入信号Vi 现电流-频率转

14、换。当一 R2、G、D产生充放电*信 隔为3s的“搭-搭”声2 高，信号加大。部分元件的选择：1k Q直流电源欠压报警电路控制电容器C?的充电时间，从而决定输出无信号输入时（前级输出端二极管截止:的窄脉冲，耳机中产生一间Vi号，使变以示无D变换器输出一个间隔约豊测信号。当探测F5取 Q, F6取 20kQ, C3取LLI勺频率，实 ：），由3s到金属物体时，耳机中声响的频率增R1 取kQ,恨取耳机Q当电池电压Vt由-12V变至时，使三端稳压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图。报电流路如图率变8所示。-5V用CMO时基电路CH75$5和阻容元件组 下降至时，电

15、路起振，发出 测信号频率高，且固定不-68k QOVt成多谐振荡器，'。该振荡器的振荡频 口屮沖、3压不足报警信号此不会与探测信号相混淆R ?24k QCH7555米用-5V稳压电源供电。当CFSVt4.9 kHz,比探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

16、 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。本次课程设计要求多学科知识综合应用，锻炼了设计者的动

17、手 能力，加深了对各个学科的理解和掌握，总之，通过这次课程设计，不仅使我对所学过的知识有了一个新的认识。而且提高 了我考虑问题，分析问题的全面性以及动手操作能力。使我的综合能力有了一个很大的参考文献1 陈有卿 . 实用电子制作精选 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.东北石油大学课程设计成