多功能金屬探測器的研究與設計

前言

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

系統工作原理

LC振蕩型金屬探測器，屬于主動(dòng)式，通過(guò)探測金屬感應電流產(chǎn)生的二次磁場(chǎng)來(lái)確定被測金屬的有無(wú)。LC振蕩型金屬探測器的信號是頻率信號，當感應到金屬時(shí)，輸出信號的頻率會(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)型的金屬探測器應用比較廣泛，也方便設計和改進(jìn)。

如圖1，參考通道的基準信號采用有源晶振來(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)，頻率信號的穩定度也比較好。

該系統的基本設計思路是：利用漆包線(xiàn)繞制成電感值為100mH的空心線(xiàn)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，空心線(xiàn)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。震蕩信號與基準頻率進(jìn)行差頻處理后，將所得到的頻率信號送入由單片機和CPLD組成的測頻模塊進(jìn)行頻率測量。人機交互界面由鍵盤(pán)、LCD和單片機負責實(shí)現，系統可以通過(guò)鍵盤(pán)和LCD菜單選項進(jìn)行系統功能設置、頻率測量及數據存儲回顯等，通過(guò)對頻率異常的分析，來(lái)判斷是否探測到金屬。

本系統主要包括感應探頭（空心線(xiàn)圈）、震蕩電路模塊、基準頻率模塊、差頻模塊、測頻模塊、鍵盤(pán)控制模塊、LCD顯示模塊和電源模塊等，系統設計框圖如圖2所示。

系統硬件設計

（1）感應探頭

感應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(xiàn)繞制2500圈，該空心線(xiàn)圈內徑9cm,外徑11cm，電感值約為100mH。繞制完畢，用環(huán)丙樹(shù)脂對其進(jìn)行密封，并用棉布將其包裹好，盡可能的減小分布參數的影響。

感應線(xiàn)圈與外接電容組成LC諧振網(wǎng)絡(luò )，通過(guò)MC1648產(chǎn)生相應振蕩頻率的信號。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）中規模集成電路實(shí)現頻率振蕩功能。MC1648的最高頻率可達到225MHZ。為了讓MC1648的輸出電平與數字電路電平相匹配，需要進(jìn)行電平轉換，輸出接LM390，將電平上限限制在5V，下限限制在0V，與后續電路電平進(jìn)行匹配。