金属探测器课程设计

金属探测器课程设计

Prepared on 24 November 2020

课程 题目 金 属 探 测 器 主要内容：

TI杯电子设计

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，

[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 —— 指导教师 专业负责人

2014年8 月14 日

目 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?50cm50cm

1 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

2 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。

图1 高频振荡器探测金属原理 场强识别探测金属 图 电源 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 音频 功率 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：

R2 RL 330K IC-3 IC-4 IC-1 IC-2 IC-5 IC-6 C金属探测器的探头是一只高L。它与反相器IC—l及电容器1 VD2 VD1 Q值的电感R5 VT C2、C3、

SA 5K 9014 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μ 1N4148 1N4148 C6 处在刚刚起振的状态下。微弱的振荡信号通过由反相器和电阻R1组成的放大电L C5 R1 R4 IC-2R3 GR 1000p μ 680K 51K 200K 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3V C2 C4 Rp 10K C3 4700p*3

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。

3 电路总原理框图设计

金属探测器的原理框图如图3示。

振检波前置电压电流电流频率4 单元电路设计 探头 荡 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

欠稳出稳压值为-5V。 >=1 D3和电容C5压采用变压器耦合正弦波振荡器、二极管组成检波电路，原理如图4压图3 金属探测器原理图 示。

-12V -5V L2 L3 L5 C6 探头 CW79L05 图中，L1、L2、L3和L4为绕在同一磁罐内的四组线圈。当电源接通后，电路产生D3 R1 L1 R2 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C1 匝数比可取。R3、C4为射极偏置电路，L5、C6构成探头谐振回路。为提高探测器的灵L4 + D1 C5 R3 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C3 C2 D2 C4 + 振荡器的振荡频率 + 当金属物体接近探头时，L5的等效电感发生变化，谐振回路L5C6失谐从而使负载图4 直流电源及振荡、检波电路 L及检波电路将此信能力很弱的变压器次级L两端的电压发生明显变化，经取样电感

34号转换成直流探测信号输出。

部分元件参数选择：取L1：L2=1：5，L2：L3=1：150，L5=，C6=μF，则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。 R6 100kΩ 其静态工作点如下 R110kΩ V1 R31kΩ C3 μF Rw1 1 - 12 VI Vo 图中R1、C1、R2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V2 R4 2 + R10kΩ 2100Ω 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C1 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C2 1kΩ R5 ?1 ?Rms,?2?Rms 1μF+1/2DG747 100k22μ1F ?10+ 1C2CΩ2 ?220Dg747 C、C可视作开路，由于参数对称，则vo?0。当v为脉动信号时（即在原检波12I图前置放大电路vI5 R1C1、R2C 输出电压基础上叠加脉动变化量?）。2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μF，电阻R6取 100kΩ,R1、R2取10kΩ,R3、R4取1kΩ。

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。

-5V 对晶体管进行动态分析有： RC1 R9 -12V VR5 D 由前置放大器输出的直流脉动信号经本级方大后得到稳定的恒流输出，以驱动后级Rw R10 1 电流-频率变换器。图中RRw为系统工作状态调节电位器。静态时，调节Rw使三极管工R6 6 + v10 作临界截止状态，二极管接近于导通。一旦输入脉动放大信号，三极管进入放大状T I- R7 VI R9取值较大（2.2MΩ），使得三极管T态，二极管迅速导通，驱动下一级工作。电阻集电极电流稍有变化，就会使二极管D迅速导通。 R1/2DG74 电流-频率变换电路 R7 R8 图6 电压-电流变换电流-频率变换电路的作用是将前级放大后的直流信号转换成音频信号，驱动耳机电路 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，频率就越高。采用CMOS时基电路CH7555构成由输入电压控制的多谐振荡器，电路如图7示。

-12V 图中，输入信号vI控制电容器C2的充电时间，从而决定输出音频信号的频率，实C2 C3 C1 现电流-频率转换。当vI无信号输入时（前级输出端二极管截止，电流为零），由μF μF + μF R2、C1、D产生充放电信号，使变换器输出一个间隔约3s的窄脉冲，耳机中产生一间2 1 5 R2 6 隔为3s的“搭-搭”声，以示无探测信号。当探测到金属物体时，耳机中声响的频率增R5 R3 CH7555 3 高，信号加大。 18kΩ D 7 8 4 Ω 10Ω 部分元件的选择：R5取Ω，R6取20kΩ，C3取μF，C2取μF，R1取1kΩ，R2取R1 VI R6 耳机 18kΩ。 1kΩ 20kΩ 直流电源欠压报警电路 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，应更换新图7 电流-频率变换电路 电池，故采用一检测报警电路告之用户。报警电路如图8所示。

-5V C 6800pF 2 1 用CMOS时基电路CH7555和阻容元件组成多谐振荡器，采用-5V稳压电源供R4 6 3 电。当vT下降至时，电路起振，发出电压不足报警信号。该振荡器的振荡频率 CH7555 R1 Ω 1kΩ 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淆。7 8 4 R2 VT 68kΩ R3 5 单元电路的级联设计 24kΩ 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

图8 电源欠压报警电器依照图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路

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。

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，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.

附 录

东北石油大学课程设计成绩评价表

课程名称 题目名称 学生姓名 序号 杨 鹏 评价项目 学号 电 子 技 术 课 程 设 计 金 属 探 测 器 指导教 姚建红 师姓名 姜建国 指 标 按期圆满的完成了规定的任务，难易程度和1 工作量、工作态度和出勤率 工作量符合教学要求，工作努力，遵守纪律，出勤率高，工作作风严谨，善于与他人合作。 课程设计选题合理，计算过程简练准确，分2 课程设计质量 析问题思路清晰，结构严谨，文理通顺，撰写规范，图表完备正确。 3 4 总分 评语： 创新 答辩 工作中有创新意识，对前人工作有一些改进或有一定应用价值。 能正确回答指导教师所提出的问题。 5 30 45 20 职称 满分 副教授 副教授 评分 指导教师： 年 月 日