金属探测器课程设计模板要点

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：-40℃～+50℃2.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，1994.11[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，1995[4]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[5]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2014.8.12——2014.8.15指导教师专业负责人2014年8月14日目录1任务和要求..........................................................................................................................12总体方案设计与选择..........................................................................................................12.1高频振荡器探测金属..................................................................................................22.2场强识别探测金属......................................................................................................22.3六反相器数字集成电路探测金属..............................................................................23电路总原理框图设计..........................................................................................................44单元电路设计......................................................................................................................44.1直流电源及振荡、检波电路设计方案......................................................................44.2前置放大电路设计方案..............................................................................................54.3电压-电流变换电路.....................................................................................................64.4电流-频率变换电路.....................................................................................................74.5直流电源欠压报警电路..............................................................................................85单元电路的级联设计..........................................................................................................86设计总结..............................................................................................................................8参考文献..................................................................................................................................10附录........................................................................................................................................1电子技术课程设计（报告）11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Φ2（mm）的铁丝围成约50cm×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璃板下铁丝方框50cm×50cm1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Φ2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20电子技术课程设计（报告）22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。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。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：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GR3VSARLVT9014R55KC61000pR4200KR351KC50.01μ4700p*3C410KC3RpC2R1680KR2330KIC-6IC-5IC-3IC-4VD21N41481N4148VD10.01μLC1IC-2IC-1电子技术课程设计（报告）3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——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。电子技术课程设计（报告）43电路总原理框图设计金属探测器的原理框图如图3示。4单元电路设计4.1直流电源及振荡、检波电路设计方案系统稳压电源采用集成三端稳压器CW79L05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3D和电容5C组成检波电路，原理如图4示。图3金属探测器原理图探头振荡器检波器前置放大器电压电流变换器电流频率变换器稳压电源欠压报警=1图4直流电源及振荡、检波电路-5V-12V+C5L4C6D3L3L2C4R3C3R2L1C2+D1D2R1+C1L5探头CW79L05电子技术课程设计（报告）5图中，1L、2L、3L和4L为绕在同一磁罐内的四组线圈。当电源接通后，电路产生振荡，其输出电压幅度指数上升至三极管饱和。为防止产生振荡阻塞，须选择合适的匝数比可取。43CR、为射极偏置电路，65C、L构成探头谐振回路。为提高探测器的灵敏度，要求探头电感线圈有较高的电压，可利用变压器升压来实现。当无金属物体时振荡器的振荡频率)2/(165CLf当金属物体接近探头时，5L的等效电感发生变化，谐振回路65CL失谐从而使负载能力很弱的变压器次级3L两端的电压发生明显变化，经取样电感4L及检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21LL：=1：5，32LL：=1：150，5L=3.5mH，6C=0