1、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. 12.2 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 . 34 单元电路设计 . 44.1 焊接好后的调试方法 . 54.2 意见问题. 54.3 电压-电流变换电路 54.4 直 流 电 源 欠 压 报
2、警 电 路 65 单元电路的级联设计 . 6 5.1 焊接实物图 76 设计总结. 8 01 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
3、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12.2 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
4、 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
5、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ICl 及 电 容 器 C2、C 3、C 4 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
6、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 5mm20mm。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
7、，结构合理，方案易于实现。23 总电路设计原理图路线图3Q1、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
8、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 V1）。R
9、1C1、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|=82.5m V。随时间延长，|vo|逐渐减小，t=1s时，vo0V。可见前置放大器可抑制大于 1s 的慢变干扰信号。4部 分 元 件 的 选 择 ： 放 大 器 选 择 DG747 型 号 ， 电 容 C3 选 择0.047F， 电 阻 R6 取 100k,R1、R2 取 10k,R3、R 4 取 1k4.1 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
10、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
11、电路，如图所示5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 2.2M ， 使 得 三 极
12、 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
13、，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65.1 焊 接 实 物 图图 1 正 面7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
14、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。
