金属检测模块电路图和调试说明.docx

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金属检测模块电路图和调试说明

创新设计说明书

题目：

金属探测仪设计

学院：

金山学院

学号：

136712055

专业（方向）年级：

电气工程及其自动化

学生姓名：

黄伟霖

福建农林大学金山学院信息与机电工程系

2016年5月14日

1  任务和要求 ................................................... 1

 2 总体方案设计与选择 ............................................. 1

 2.1 高频振荡器探测金属............................................. 1

 2.2 场强识别探测金属 .............................................2

2.3六反相器数字集成电路探测金属.........................................2

3 电路总原理框图设计 ............................................. 3

 4 单元电路设计 ................................................... 4

 4.1 焊接好后的调试方法.............. ............................. 5

 4.2 意见问题....................................................... 5

4.3电压-电流变换电路................................................5

 4.4直流电源欠压报警电路..........................................6

5 单元电路的级联设计 .............................................6 

5.1焊接实物图......................................................7

6 设计总结......................................................... 8 

1任务和要求

（1）任务：

设计一种可准确探测小范围内是否存在金属物体的电子

（2）探测器性能要求工作温度范围：

-40℃——+50℃连续工作时间：

一组5号干电池可连续工作40h（小时）。

探测距离大于20cm（金属物体越大，测距也越大，对于1分硬币的探测距离为20cm）。

具有自动回零功能，并可抑制土壤效应。

2总体方案设计与选择

2.1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。

图1高频振荡器探测金属原理图

2.2场强识别探测金属

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。

高频振荡器振荡检测器音频振荡器功率放大器

电源图1高频振荡器探测金属原理图数字显示仪表课程设计2 

2.3六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：

金属探测器的探头是一只高Q值的电感L。

它与反相器

IC—l及电容器C2、C3、C4构成了一个电容三点式振荡器，其振荡频率约为

27kHz。

调节电位器RP可使电路处在刚刚起振的状态下。

微弱的振荡信号通过由反相器IC-2和电阻R1组成的放大电路进行放大，再由二极管VDI进行整流，整流后的信号由反相器IC-3和IC-4进行放大。

最后通过二极管VD2去控制由1C-5和

IC-6构成的音频振荡器的工作状态。

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，仔细调整位器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。

设计思路明确，结构合理，方案易于实现。

 3总电路设计原理图

路线图

Q1、L1、L2、C2、C3、R1、W组成高频振荡电路，调节电位器W，可以改变振荡级增益，使振荡器处于临界振荡状态，也就是说刚好使振荡器起振。

Q2、Q3组成检测电路，电路正常振荡时，振荡电压交流电压超过0.6V时,Q2就会在负半周导通将C4放电短路，结果导致Q3截止；当探测线圈L1靠近金属物体时，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，使Q2截止，R2给C4充电，Q3导通，推动蜂鸣器发声。

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。

4单元电路设计

其静态工作状态如下

图中R1、C1、R1、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，而对变化较快的金属探测信号进行

100倍放大，从而在一定程度上抑制了土壤效应。

当vi为缓变直流信号时，由于积分电路时间常数较小

C1、C2可视作开路，由于参数对称，则Vo=0。

当V1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ΔV1）。

R1C1、R2C2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

可求得t=32.5s时，输出达最大值|vo|=82.5mV。

随时间延长，|vo|逐渐减小，t=1s时，vo≈0V。

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C3选择0.047μF，电阻R6取100kΩ,R1、R2取10kΩ,R3、R4取1kΩ

4.1焊接好后的调试方法：

本机L1、L2采用印刷板上的铜皮导线形成电感，无需大家自己制作电感，简单，成功率极高！

电路刚用十多个元件，只要安装无误，一般都能正常工作。

安装好后接上电源，调节电位器到刚好不发声（不靠近金属的情况下），用印刷板天线靠近金属，此时应该发声，远离金属后应该停止发声，若远离不能停止发声，应该把电位器逆时针方向调一点点再试，直到符合要求为止。

4.2意见问题：

通电后长响，这是因为前面振荡级没有起振，有可能电阻、三极管等元件放错，或者线路板线圈中有匝间短路或者开路，请用放大镜仔细检查。

另外，Q2放大倍数太低不足以让Q3关断也会长响。

调试好后就可以装入外壳，装入盒子时使板尽量的贴近外壳，这样能使装入盒子后探测距离会有较大的探测距离，固定好板子后打点胶。

4.3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，如图所示

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放大后得到稳定的恒流输出，以驱动后级电流-频率变换器。

图中R为系统工作状态调节电位器。

静态时，调节R使三极管工作临界截止状态，二极管接近于导通。

一旦v输入脉动放大信号，三极管进入放大状态，二极管迅速导通，驱动下一级工作。

电阻R取值较大2.2MΩ，使得三极管T集电极电流稍有变化，就会使二极管D迅速导通。

4.4直流电源欠压报警电路

当电池电压Vt由-12V变至-6.5V时，使三端稳压器输出稳压值产生较大偏差，应更换电池，故采用一检测报警电路告之用户。

报警电路如图所示。

用CMOS时基电路和阻容元件组成多谐振荡器，采用-5V稳压电源供电。

当Vt下降至-6.5V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=4.9kHz，比探测信号频率高，且固定不变，因此不会与探测信号相混迹。

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

5.1焊接实物图

图1正面

图2背面

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提高。