多功能金屬探測(cè)器的研究與設(shè)計(jì)

前言

金屬探測(cè)器因其功能和市場(chǎng)應(yīng)用領(lǐng)域的不同，可分為以下幾種：通道式金屬探測(cè)器（又稱(chēng)：金屬探測(cè)門(mén)；簡(jiǎn)稱(chēng)：安檢門(mén)）、手持式金屬探測(cè)器、便攜式金屬探測(cè)器、臺(tái)式金屬探測(cè)器、工業(yè)用金屬探測(cè)器和水下金屬探測(cè)器。本文所設(shè)計(jì)的金屬探測(cè)器屬于手持式金屬探測(cè)器。金屬探測(cè)器一般都是基于感應(yīng)式的工作原理。

系統(tǒng)工作原理

LC振蕩型金屬探測(cè)器，屬于主動(dòng)式，通過(guò)探測(cè)金屬感應(yīng)電流產(chǎn)生的二次磁場(chǎng)來(lái)確定被測(cè)金屬的有無(wú)。LC振蕩型金屬探測(cè)器的信號(hào)是頻率信號(hào)，當(dāng)感應(yīng)到金屬時(shí)，輸出信號(hào)的頻率會(huì)有一定的變化，通過(guò)捕捉該頻率變化量可以判斷此時(shí)是否有金屬物體。這種類(lèi)型的金屬探測(cè)器應(yīng)用比較廣泛，也方便設(shè)計(jì)和改進(jìn)。

如圖1，參考通道的基準(zhǔn)信號(hào)采用有源晶振來(lái)代替，選擇32.768KHz的有源晶振進(jìn)行32分頻后得到1024Hz的頻率，與接收通道的頻率信號(hào)進(jìn)行差頻，將得到的頻率差通過(guò)PLL進(jìn)行倍頻處理，就可以得到比較高的靈敏度，同時(shí)，頻率信號(hào)的穩(wěn)定度也比較好。

該系統(tǒng)的基本設(shè)計(jì)思路是：利用漆包線繞制成電感值為100mH的空心線圈，與外接電容組成LC諧振網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)集成震蕩芯片MC1648產(chǎn)生振蕩信號(hào)，空心線圈靠近金屬物體時(shí)，震蕩電路的震蕩頻率會(huì)發(fā)生改變。震蕩信號(hào)與基準(zhǔn)頻率進(jìn)行差頻處理后，將所得到的頻率信號(hào)送入由單片機(jī)和CPLD組成的測(cè)頻模塊進(jìn)行頻率測(cè)量。人機(jī)交互界面由鍵盤(pán)、LCD和單片機(jī)負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)可以通過(guò)鍵盤(pán)和LCD菜單選項(xiàng)進(jìn)行系統(tǒng)功能設(shè)置、頻率測(cè)量及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)回顯等，通過(guò)對(duì)頻率異常的分析，來(lái)判斷是否探測(cè)到金屬。

本系統(tǒng)主要包括感應(yīng)探頭（空心線圈）、震蕩電路模塊、基準(zhǔn)頻率模塊、差頻模塊、測(cè)頻模塊、鍵盤(pán)控制模塊、LCD顯示模塊和電源模塊等，系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖如圖2所示。

系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

（1）感應(yīng)探頭

感應(yīng)探頭部分是模擬電路的核心之一。探頭采用直徑0.2mm的漆包線繞制2500圈，該空心線圈內(nèi)徑9cm,外徑11cm，電感值約為100mH。繞制完畢，用環(huán)丙樹(shù)脂對(duì)其進(jìn)行密封，并用棉布將其包裹好，盡可能的減小分布參數(shù)的影響。

感應(yīng)線圈與外接電容組成LC諧振網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)MC1648產(chǎn)生相應(yīng)振蕩頻率的信號(hào)。MC1648這款ECL(Emitter Coupled Logic)（即發(fā)射極耦合邏輯電路,也稱(chēng)電流開(kāi)關(guān)型邏輯電路）中規(guī)模集成電路實(shí)現(xiàn)頻率振蕩功能。MC1648的最高頻率可達(dá)到225MHZ。為了讓MC1648的輸出電平與數(shù)字電路電平相匹配，需要進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，輸出接LM390，將電平上限限制在5V，下限限制在0V，與后續(xù)電路電平進(jìn)行匹配。