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1、 信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計說明書 設(shè)計題目: 金屬探測器的設(shè)計 專 業(yè): 通 信 技 術(shù) 班 級: 通技07-1 學(xué) 號: 姓 名: 指導(dǎo)教師: 二00九 年 十二 月 十五 日 信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計任務(wù)書 學(xué) 生 姓 名 學(xué)號 班級

2、通技07-1 專業(yè) 通信技術(shù) 設(shè)計題目 金屬探測器 指導(dǎo)教師姓名 職 稱 工作單位及所從事專業(yè) 聯(lián)系方式 備 注 副教授 設(shè)計（論文）內(nèi)容： 完成電路設(shè)計方案的選擇；單元電路的設(shè)計；整機電路的原理分析；電路實物的制作（選）。 進度安排： 第1～２周：查找資料，選擇參考方案； 第３～４周：確定方案； 第5～8周：查找資料，進行單元電路的設(shè)計； 第9～12周：整機電路整機與分析； 第13～14周：整理報告，確定初稿； 第15～16周：檢查定稿； 第17～18周：答辯。 主要參考文獻、資料(寫清

3、楚參考文獻名稱、作者、出版單位)： 1．《數(shù)字電子技術(shù)從入門到精通》，劉午平主編，國防工業(yè)出版社． 2．《實用數(shù)字電路原理與設(shè)計速成》，何書森，何華斌主編，福建科學(xué)技術(shù)出版社． 3．《數(shù)字集成電路應(yīng)用精粹》，肖景和主編，人民郵電出版社． 4．《數(shù)字集成電路應(yīng)用300例》，黃繼昌，郭繼忠，張海貴等主編，人民郵電出版社． 5．《數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)》，楊頌華，馮毛官，孫萬蓉等主編，西安電子科技大學(xué)出版社． 6．《實用電路手冊》，楊寶清，宋文貴主編，機械工業(yè)出版社． 審 批 意 見 教研室負責(zé)人： 年 月 日 備注：任務(wù)書由

4、指導(dǎo)教師填寫，一式二份。其中學(xué)生一份，指導(dǎo)教師一份。 目 錄 目 錄 I 摘　要 1 第1章 緒 論 2 第2章 設(shè)計要求與設(shè)計思路 3 2.1 設(shè)計要求 3 2.2 設(shè)計思路 3 第3章 電路設(shè)計 5 3.1直流電源及振蕩、檢波電路設(shè)計 5 3.2前置放大電路的設(shè)計 6 3.3電壓-電流變換電路的設(shè)計 7 3.4電流-頻率變換電路設(shè)計 7 3.5直流欠壓報警電路 8 總 結(jié) 12 致 謝 13 參考文獻 14 附錄 整機電路圖 15 I 摘　要 隨著電子技術(shù)的進步，金屬探測器從電子管、晶體管乃至集成電路，有了更新?lián)Q代的發(fā)展，其應(yīng)用范

5、圍幾乎擴大到各個領(lǐng)域，對工業(yè)生產(chǎn)及人身安全起重要的作用。目前，金屬探測器大致分為兩種類型： 1.安裝在冶金、燒結(jié)、水泥、玻璃、造紙、化工、卷煙等工廠和礦山生產(chǎn)線的自動傳送皮帶上，用以檢測礦石、煙草等原料中混入的廢金屬，保護破碎機不受損壞，此類稱為“工業(yè)型金屬探測器”； 2.隨著交通、旅游、金融和娛樂事業(yè)的發(fā)展，在機場、銀行、珠寶店和珠寶制造廠、貴金屬礦、貴金屬加工廠等，需要對過往人員進行檢測，以使貴重物品不丟失及排除危險品槍支等，此類被稱為“安全型金屬探測器”，它們應(yīng)用廣泛，效益可觀，幾千元一臺的金屬探測器就可以保護價值數(shù)拾萬元的礦石破碎機；幾萬至幾十萬元買一套安全門式金屬探測器，可以保護

6、價值上千萬元乃至上億元的飛機及人身安全。因此對金屬探測器的研究和生產(chǎn)引起國內(nèi)外專家的高度重視，我國在冶金、食品等行業(yè)中、先后引進日本、澳大利亞等過研制的金屬探測器用于生產(chǎn)，在北京、青島等地開發(fā)出多種型號的金屬探測器，并廣泛應(yīng)用。根據(jù)生產(chǎn)需要、金屬探測器將不斷改進并有新的發(fā)展。 本設(shè)計主要從金屬探測器的電路組成入手，介紹了各部分電路的工作原理，及其整機電路的工作原理，層次結(jié)構(gòu)清晰，在內(nèi)容上適度介紹基本理論，講清概念，重點突出實用。 關(guān)鍵詞　冶金；金屬 ；探測器 第12頁 四川信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書(論文) 第1章 緒 論 金屬探測器在國防、公安、地

7、址等部門有著廣泛的應(yīng)用。常見的金屬探測器大都是利用金屬物體對電磁信號產(chǎn)生渦流效應(yīng)的原理。探測方法一般有三種。 1.頻移識別：利用金屬物體使電路電信號頻率改變來識別金屬物體的存在。 2.場強識別：利用金屬物體對信號產(chǎn)生諧波的場強變化而使振幅隨之變化來識 別金屬物體。 3.相移識別：利用金屬對信號產(chǎn)生諧波的相位變化來識別金屬物體。本探測器利用第2種識別方法進行設(shè)計。利用探頭線圈產(chǎn)生交變電磁場在被測金屬物體中感應(yīng)出渦流，渦流產(chǎn)生發(fā)作用，作用于探頭，使探頭線圈阻抗發(fā)生變化，從而使探測器的振蕩器振幅也發(fā)生變化。該振幅變化量作為探測信號，經(jīng)放大、變換后轉(zhuǎn)換成音頻信號，驅(qū)動音響電路發(fā)聲，音頻信號隨被

8、測金屬物的大小及距離的變化而變化。 第2章 設(shè)計要求與設(shè)計思路 2.1 設(shè)計要求 設(shè)計一種可探測金屬的電子裝置——金屬探測器，探測器性能要求： 1.工作溫度范圍：-40℃~+50℃ 2.連續(xù)工作時間：一組5號電池可連續(xù)工作40h。 3.探測距離大于20cm（金屬物體愈大，測距也愈大，對1腳硬幣的探測距離為20cm）。 4.具有自動回零功能，并可抑制土壤效應(yīng)。 課題驗收標準： 1.完成該課題的直流電源及振蕩、檢波電路、前置放大電路、電壓-電流變換電路、電流-頻率變換電路、直流欠壓報警電路的設(shè)計； 2.完成硬件的調(diào)試，實現(xiàn)預(yù)定功能； 3.通過驗收，提交畢業(yè)設(shè)計報告

9、2.2 設(shè)計思路 金屬探測器在國防、公安、地址等部門有著廣泛的應(yīng)用。常見的金屬探測器大都是利用金屬物體對電磁信號產(chǎn)生渦流效應(yīng)的原理。探測方法一般有三種。 1.頻移識別：利用金屬物體使電路電信號頻率改變來識別金屬物體的存在。 2.場強識別：利用金屬物體對信號產(chǎn)生諧波的場強變化而使振幅隨之變化來識別金屬物體。 3.相移識別：利用金屬對信號產(chǎn)生諧波的相位變化來識別金屬物體。 本探測器利用第2種識別方法進行設(shè)計。利用探頭線圈產(chǎn)生交變電磁場在被測金屬物體中感應(yīng)出渦流，渦流產(chǎn)生發(fā)作用，作用于探頭，使探頭線圈阻抗發(fā)生變化，從而使探測器的振蕩器振幅也發(fā)生變化。該振幅變化量作為

10、探測信號，經(jīng)放大、變換后轉(zhuǎn)換成音頻信號，驅(qū)動音響電路發(fā)聲，音頻信號隨被測金屬物的大小及距離的變化而變化。 4.本設(shè)計電路的總原理框圖如圖2-1所示 探頭 振 蕩 器 檢 波 器 前 置 放 大 器 電壓 電流 變換器 電流 頻率 變換器 穩(wěn)壓 電源 欠壓 報警 ≥1 圖2-1 設(shè)計電路的總原理框圖 第3章 電路設(shè)計 3.1直流電源及振蕩、檢波電路設(shè)計 直流電源及振蕩、檢波電路：系統(tǒng)穩(wěn)壓電源采用集成三端穩(wěn)壓器CW79L05組成，其輸入端接電池（-12V），輸出穩(wěn)壓值為-5V。 采用變壓器耦合正弦波振蕩

11、器，二極管VD3和電容C5，組成檢波電路，原理圖如圖3-1所示 圖3-1直流電源及振蕩 圖中，L1、L2、L3和L4為繞在同一磁罐內(nèi)的四組線圈，當(dāng)電源接通后，電路產(chǎn)生振蕩，其輸出電壓幅度指數(shù)上升至三極管飽和。為防止產(chǎn)生振蕩阻塞，須選擇合適的匝數(shù)比（可取L1:L2=1:5）。R3、C4為射集偏置電路，L5、L6構(gòu)成探頭諧振回路，為提高探測器的靈敏度，要求探頭電感線圈有較高的電壓，可利用變壓器升壓來實現(xiàn)，取L1:L2=1:150。當(dāng)無金屬物體時，振蕩器的振蕩頻率  （取L5=3.

12、5mH，C6=0.01μF，則f=26.9kHz）。當(dāng)金屬物體接近探頭時，L5的等效電感發(fā)生變化，諧振回路L5C6失諧，從而使負載能力很弱的變壓器次級L3兩端的電壓發(fā)生明顯變化，經(jīng)取樣電感L4及檢波電路將此信號轉(zhuǎn)換成直流探測信號輸出。 3.2前置放大電路的設(shè)計 前置放大電路：前置放大電路用差動輸入放大器組成，如圖3-2所示。 圖3-2前置放大電路 圖中R1、C1、R2及C2構(gòu)成差動積分電路，即自動回零電路，其作用是對變化緩慢的直流信號進行抑制，而對變化較快的金屬信號進行100倍放大，從而在一定程度上抑制了 土壤效應(yīng)。當(dāng)u1為緩變直流信號時，由于積分電路時間常數(shù)較?。╮1=R1C1=

13、100ms，r2=R2C2=220ms），C1、C2可視作開路，由于參數(shù)對稱，則u0=0。當(dāng)ui=為脈動信號時（即在原檢波輸出電壓基礎(chǔ)上疊加脈動變化量Δui）。R1C1、R2C2組成差動積分電路（積分器負載電阻較大，其影響可忽略），由經(jīng)典法得  可求得t=32.5s時，輸出達最大u0=92.5mV。隨時間延長，u0逐漸減小，t=1s時，u0≈0V。可見前置放大器可抑制大于1s的慢變干擾信號。 3.3電壓-電流變換電路的設(shè)計 電壓—電流變化電路：電壓—電流變換電路用運算放大器和三極管等組成電流負反饋電路，如圖3-3所示。 圖3-3電壓-電流變換電路 由前置放大器輸出的直

14、流脈動信號經(jīng)本級放大后得到穩(wěn)定的恒流輸出，以驅(qū)動后級電流—頻率變換器。圖中RP為系統(tǒng)工作狀態(tài)調(diào)節(jié)電位器。靜態(tài)時，調(diào)節(jié)RP使三極管工作于臨界截止狀態(tài)，二極管接近于導(dǎo)通。一旦ui輸入脈動放大信號，三極管進入放大（2.2MΩ）使得三極管T集電極電流稍有變化，就會使二極管VD迅速導(dǎo)通。 3.4電流-頻率變換電路設(shè)計 電流—頻率變換電路：電流—頻率變換電路的作用是將前級放大后的直流信號轉(zhuǎn)換成音頻信號，驅(qū)動耳機發(fā)出音響。金屬物體越大或者探頭離金屬物體越近，其輸出物體越大或者探頭離金屬物體越近，其輸出的信號就越強，頻率就越高。采用CMOS時基電路CH7555構(gòu)成有輸入電壓控制的多諧振蕩器，電路如

15、圖3-4所示。 圖3-4電流-頻率變換電路 圖中，輸入信號ui控制C2的充電時間，從而決定輸出音頻信號的頻率，實現(xiàn)電流—頻率轉(zhuǎn)換。當(dāng)ui無信號輸入時（前級輸出端二極管截止，電流為零），由R2、C1、VD產(chǎn)生沖放電信號，使變換器輸出一個間隔約3s的窄脈沖，耳機中產(chǎn)生一間隔為3s的“搭一搭”聲，以示無探測信號。當(dāng)探測到金屬物體時，耳機中聲響的頻率增高，信號加大。 3.5直流欠壓報警電路 直流電源欠壓報警電路：當(dāng)電池電壓VT由-12V變至-6.5V時，使三端穩(wěn)壓器輸出穩(wěn)壓值產(chǎn)生較大偏差，應(yīng)更換新電池，故采用一個檢測報警電路告知用戶。報警電路如圖3-5所示。  圖3-5直流欠

16、壓報警電路 用CMOS時基電路CH7555和阻容元件組成多諧振蕩器，采用-5V穩(wěn)壓電源供電。當(dāng)下降至-6.5V時，電路起振，發(fā)出電壓不足報警信號。該振蕩器的振蕩頻率f=4.9kHz。比探測信號頻率高，且固定不變，因此不會與探測信號相混淆。 在這次的整個設(shè)計中，單元電路均以555定時器為中心來完成各自的功能。對于555定時器，我們并不陌生，它是一種多用途的單片中規(guī)模集成電路，具有定時精度高、溫度漂移小、速度快、可直接與數(shù)字電路相連、結(jié)構(gòu)簡單、功能多、驅(qū)動電流較大等優(yōu)點。它的內(nèi)部一共集成了21個晶體管、4個二級管和16個電阻器，組成了兩個起比較作用的電壓比較器和、一個RS觸發(fā)器、一個由

17、3只5的電阻組成的分壓器和一個放電晶體管T及緩沖器G。電路的組成框圖和電路的引腳排列如圖3-6所示。 （a）電路組成框圖　　 （b）電路引腳排列 圖3-6 電路組成框圖和引腳排列 其555定時器的工作原理為：當(dāng)5腳懸空時，比較器和的比較電壓分別為2/3和1/3。 1.當(dāng)6腳的電壓大于2/3，2腳的電壓大于1/3時，比較器輸出低電平，輸出高電平，基本RS觸發(fā)器被置0，放電三極管T導(dǎo)通，輸出端OUT為低電平； 2.當(dāng)6腳的電壓小于2/3，2腳的電壓小于1/3時，比較器輸出高電平，輸出低電平，基本RS觸發(fā)器被置1，放電三極管T截至，輸出端OUT為高電平； 3.當(dāng)6腳的電壓小于2

18、/3，2腳的電壓大于1/3時，比較器輸出高電平，也輸出高電平，即基本觸發(fā)器R=1，S=1，觸發(fā)器狀態(tài)不變，電路亦保持原狀態(tài)不變。 由于閥值輸入端（TH）為高電平（＞2/3）時，定時器輸出低電平，因 此也將該端稱為高觸發(fā)端； 由于閥值輸入端（）為低電平（＜1/3）時，定時器輸出高電平，因此也將該端稱為低觸發(fā)端。 如果在電壓控制端（5腳）施加一個外加電壓（其值在0～之間），比較器的參考電壓將發(fā)生變化，電路相應(yīng)的閥值、觸發(fā)電平也將隨之變化，并進而影響電路的工作狀態(tài)。另外，為復(fù)位輸入端，當(dāng)為低電平時，不管其他端輸入端的狀態(tài)如何，輸出OUT為低電平，即的控制級別最高。正常工作時，一般應(yīng)將其接高

19、電平。 總上，列出555定時器的功能表為： 表3-1 555定時器的功能 輸入 輸出 TH OUT VT 0 0 導(dǎo)通 ＞2/3 ＞1/3 1 0 導(dǎo)通 ＜2/3 ＞1/3 1 不變 不變 ＜2/3 ＜1/3 1 1 截止 從它的工作過程可以看出，它的輸入可以不一定是邏輯電平，可以是模擬電平，因此，該集成電路兼有模擬和數(shù)字電路的特色。 總 結(jié) 這次設(shè)計的課題是“金屬探測器”。金屬探測器廣泛應(yīng)用于冶金、冶礦和機場等地方。本次設(shè)計要求工作溫度范圍-40-+50℃、探測距離要大于20cm、電路具有自動調(diào)零等功能。 金屬探測

20、器主要包括直流電源及振蕩、檢波電路、前置放大電路、電壓-電流變換電路、電流-頻率變換電路、直流欠壓報警電路。主要考察了高頻、數(shù)電等方面的知識，目的是提高我們的動手能力、設(shè)計能力和分析問題、解決問題的能力。 通過這次設(shè)計，學(xué)到了很多，對以前所學(xué)專業(yè)知識不足之處有了更深的掌握，了解了如何應(yīng)用直流電源、放大電路、報警電路，及其他一些器件組成金屬探測器，并讓我了解和掌握金屬探測器應(yīng)用設(shè)計的基本方法、設(shè)計思路、設(shè)計步驟等全過程，達到理論聯(lián)系實際，學(xué)以致用的目的，為以后在工作中的工程設(shè)計奠定了良好的基礎(chǔ)。 致 謝 本課題在選題及研究過程中得到劉老師的悉心指導(dǎo)。劉老師多次詢問研究進程，并為我指點迷津

21、，幫助我開拓研究思路，精心點撥、熱忱鼓勵。劉老師一絲不茍的作風(fēng)，嚴謹求實的態(tài)度，踏踏實實的精神，不僅授我以文，而且教我做人，雖相處時間不長，卻給以終生受益無窮之道。對劉老師的感激之情是無法用言語表達的。 感謝劉老師等對我的教育培養(yǎng)。他們細心指導(dǎo)我的學(xué)習(xí)與研究，在此，我要向諸位老師深深地鞠上一躬。 感謝學(xué)院領(lǐng)導(dǎo)給我提供了這次學(xué)習(xí)的機會最后，感謝我的同學(xué)三年來對我學(xué)習(xí)、生活的關(guān)心和幫助。 第14頁 參考文獻 [1] 馬建國.電子系統(tǒng)設(shè)計.北京：高等教育出版社，2005 [2] 高吉祥.電子技術(shù)基礎(chǔ)實驗與課題設(shè)計.北京：電子工業(yè)出版社，2005 [3] 鄭應(yīng)光.模擬電子線路(一).南

22、京：東南大學(xué)出版社，2005 [4] 邱寄帆、唐程山.數(shù)字電子技術(shù).北京：人民郵電出版社，2005 [5] 鄭應(yīng)光.模擬電子線路(二).南京：東南大學(xué)出版社，2005 附錄 整機電路圖 第15頁 四川信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 學(xué)生姓名 學(xué)號 0710207035 班級 通技07-1 專業(yè) 通信技術(shù) 設(shè)計題目 指導(dǎo)教師 平時考核評語 等級： 指導(dǎo)教師： 設(shè)計說明書（論文）考核評語 等級： 評閱教師： 答辯 評語 等級： 答辯小組代表： 總評 成績 等級： 考核小組組長： 備注 以上三項成績綜合后，平時成績占總分的40%，畢業(yè)設(shè)計說明書(論文)成績占總分的40%，答辯成績占總分的20%，按五級記分（優(yōu)、良、中、及格、不及格）。 畢業(yè)設(shè)計（論文）評語