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東北石油大學 課 程 設 計 課 程 電子技術課程設計 題 目 金屬探測器 院 系 電氣信息工程學院自動化系 專業(yè)班級 自動化04-1班 學生姓名 學生學號 050601140217 指導教師 姚建紅 姜建國 2008年 6 月 30日 東北石油大學課程設計任務書 課程 電 子 技 術 課 程 設 計 題目 金 屬 探 測 器 專業(yè) 自 動 化 姓名 楊 鵬 學號 050601140217 主要內容： 根據設計要求，運用所學的模擬電子技術及電路基礎等知識，自行設計一種可以準確探測小范圍內是否存在金屬物體的電子裝置，采用聲音報警方式提示使用者附近存在金屬物體或提示電池電力不足。 基本要求： 1. 工作溫度范圍：-40℃～+50℃ 2. 連續(xù)工作時間：一組5號干電池可連續(xù)工作40h（小時）。 3. 探測距離大于20cm（金屬物體越大，測距也越大，對1分硬幣的探測距離是20cm）。 4. 具有自動回零功能，并可抑制土壤效應。 主要參考資料： [1] 陳有卿.實用電子制作精選[M].北京：機械工業(yè)出版社，1994.11 [2] 鶴壁市金屬探測器廠撰文.金屬探測器TC系列[J].北京電子報.1995年第22期 [3] 張鳳言.電子電路基礎[M].北京：高等教育出版社，1995 [4] 電子電路百科全書編輯組. 電子電路百科全書[M].北京：科學出版社.1988 [5] 房旭民撰文.一種高靈敏度的金屬探測器[J].電子技術應用.1991年第9期 [6] 彭介華.電子技術課程設計指導[M].高等教育出版社，1997. [7] 李哲英等．實用電子電路設計[M]．北京：電子工業(yè)出版社,1997. 完成期限 2008.6.30——2008.7.6 指導教師 專業(yè)負責人 2008年 6 月27 日 目 錄 1 任務和要求 1 2 總體方案設計與選擇 1 2.1 高頻振蕩器探測金屬 1 2.2 場強識別探測金屬 1 2.3 六反相器數字集成電路探測金屬 2 3 電路總原理框圖設計 2 4 單元電路設計 3 4.1 直流電源及振蕩、檢波電路設計方案 3 4.2 前置放大電路設計方案 4 4.3 電壓-電流變換電路 5 4.4 電流-頻率變換電路 6 4.5 直流電源欠壓報警電路 6 5 單元電路的級聯(lián)設計 7 6 設計總結 7 參考文獻 8 附 錄 9 1 任務和要求 (1)任務：設計一種可準確探測小范圍內是否存在金屬物體的電子 (2)探測器性能要求 工作溫度范圍：-40℃——+50℃ 連續(xù)工作時間：一組5號干電池可連續(xù)工作40h（小時）。 探測距離大于20cm（金屬物體越大，測距也越大，對于1分硬幣的探測距離為20cm）。 具有自動回零功能，并可抑制土壤效應。 2 總體方案設計與選擇 2.1 高頻振蕩器探測金屬 調節(jié)高頻振蕩器的增益電位器，恰好使振蕩器處于臨界振蕩狀態(tài)，也就是說剛好使振蕩器起振。當探測線圈L靠近金屬物體時，由于電磁感應現(xiàn)像，會在金屬導體中產生渦電流，使振蕩回路中的能量損耗增大，正反饋減弱，處于臨界態(tài)的振蕩器振蕩減弱，甚至無法維持振蕩所需的最低能量而停振。如果能檢測出這種變化，并轉換成聲音信號，根據聲音有無，就可以判定探測線圈下面是否有金屬物體了。 高頻 振蕩器 振蕩 檢測器 音頻 振蕩器 功率 放大器 電源 圖1 高頻振蕩器探測金屬原理圖 2.2 場強識別探測金屬 場強識別：利用金屬物體對信號產生諧波的場強變化而使振幅之變化來識別金屬物體。 利用探頭線圈產生交變電磁場在被測金屬物中感應出渦流，渦流產生反作用于探頭，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，經放大、變換后轉換成音頻信號，驅動音響電路發(fā)聲，音頻信號隨被測金屬大小及距離的變化而變化。 2.3 六反相器數字集成電路探測金屬 應用一塊cMos六反相器數字集成電路，作為放大電路的金屬探測器，金屬探測器的原理電路圖如下： 圖2 六反相器數字集成電路 GR 3V SA RL VT 9014 R5 5K C6 1000p R4 200K R3 51K C5 0.01μ 4700p*3 C4 10K C3 Rp C2 R1 680K R2 330K IC-6 IC-5 IC-3 IC-4 VD2 1N4148 1N4148 VD1 0.01μ L C1 IC-2 IC-1 金屬探測器的探頭是一只高Q值的電感L。它與反相器IC—l及電容器C2、C3、C4構成了一個電容三點式振蕩器，其振蕩頻率約為27kHz。調節(jié)電位器RP可使電路處在剛剛起振的狀態(tài)下。微弱的振蕩信號通過由反相器IC-2和電阻R1組成的放大電路進行放大，再由二極管VDI進行整流，整流后的信號由反相器IC-3和IC-4進行放大。最后通過二極管VD2去控制由1C-5和IC-6構成的音頻振蕩器的工作狀態(tài)。作為探頭的電感L在沒有接近金屬物體時，電路正常起振。振蕩信號控制音頻振蕩器停止工作，揚聲器不發(fā)聲。當有金屬物體接近電感時(電感線圈的軸向方向)，電感L的Q值下降，電路停振，沒有信號去抑制音頻振蕩器，所以音頻振蕩器工作，驅動揚聲器發(fā)聲。使用時，接通電源后，仔細調整電位器RP使揚聲器剛剛不響．這時靈敏度較高，探測距離可達5mm——20mm。 方案一用到了高頻振蕩器，價格比較高，雖然探測的效果比較好，但是制作起來比較麻煩，不適合作為課程設計的選擇。方案三設計思路明確，結構合理，方案易于實現(xiàn)，但探測的距離過小，不能滿足課題要求。方案二只用到了簡單的元件并且設計合理，既具備了方案一的優(yōu)點又解決了方案三的不足。因此選用方案三作為本課題的原理方案。 3 電路總原理框圖設計 金屬探測器的原理框圖如圖3示。 圖3 金屬探測器原理圖 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 4 單元電路設計 4.1 直流電源及振蕩、檢波電路設計方案 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器、二極管和電容組成檢波電路，原理如圖4示。 圖4 直流電源及振蕩、檢波電路 -5V -12V + C5 L4 C6 D3 L3 L2 C4 R3 C3 R2 L1 C2 + D1 D2 R1 + C1 L5 探頭 CW79L05 圖中，、、和為繞在同一磁罐內的四組線圈。當電源接通后，電路產生振蕩，其輸出電壓幅度指數上升至三極管飽和。為防止產生振蕩阻塞，須選擇合適的匝數比可取。為射極偏置電路，構成探頭諧振回路。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)。當無金屬物體時振蕩器的振蕩頻率 當金屬物體接近探頭時，的等效電感發(fā)生變化，諧振回路失諧從而使負載能力很弱的變壓器次級兩端的電壓發(fā)生明顯變化，經取樣電感及檢波電路將此信號轉換成直流探測信號輸出。 部分元件參數選擇：取=1：5，=1：150，=3.5mH，=0.01F，則=26.9kHz。 4.2 前置放大電路設計方案 前置放大電路用差動輸入放大器組成，如圖5示。 Vo R6 100kΩ C3 0.047μF 12 R5 100kΩ 1/2DG747 Dg747 1 2 R31kΩ V2 R4 + 1kΩ V1 C2 22μF C1 1μF+ R210kΩ R110kΩ 100Ω Rw1 VI - + 圖5 前置放大電路 其靜態(tài)工作點如下 圖中及構成差動積分電路，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探測信號進行100倍放大，從而在一定程度上抑制了土壤效應。當為緩變直流信號時，由于積分電路時間常數較小 ms,ms 可視作開路，由于參數對稱，則。當為脈動信號時（即在原檢波輸出電壓基礎上疊加脈動變化量）。組成差動積分電路（積分器負載電阻較大，其影響可忽略）由經典法得 可求得s時，輸出達最大值mV。隨時間延長，逐漸減小，s時，V。可見前置放大器可抑制大于1s的慢變干擾信號。 部分元件的選擇：放大器選擇DG747型號，電容C3選擇0.047μF，電阻R6取 100kΩ,R1、R2取10kΩ,R3、R4取1kΩ。 4.3 電壓-電流變換電路 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6所示。 圖6 電壓-電流變換電路 10 6 7 Vo VI T D R10 R9 R8 R7 R6 R5 R4 C1 R3 R2 R1 Rw -5V -12V + - 1/2DG747 對晶體管進行動態(tài)分析有： 由前置放大器輸出的直流脈動信號經本級方大后得到穩(wěn)定的恒流輸出，以驅動后級電流-頻率變換器。圖中為系統(tǒng)工作狀態(tài)調節(jié)電位器。靜態(tài)時，調節(jié)使三極管工作臨界截止狀態(tài)，二極管接近于導通。一旦輸入脈動放大信號，三極管進入放大狀態(tài)，二極管迅速導通，驅動下一級工作。電阻取值較大（2.2MΩ），使得三極管T集電極電流稍有變化，就會使二極管D迅速導通。 4.4 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換成音頻信號，驅動耳機發(fā)出聲響。金屬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構成由輸入電壓控制的多諧振蕩器，電路如圖7示。 圖7 電流-頻率變換電路 耳機 R6 20kΩ 8.2kΩ R5 0.01μF C3 C2 0.015μF R3 10Ω D + R2 18kΩ 1kΩ R1 C1 0.33μF VI -12V 2 1 5 6 CH7555 3 7 8 4 圖中，輸入信號控制電容器的充電時間，從而決定輸出音頻信號的頻率，實現(xiàn)電流-頻率轉換。當無信號輸入時（前級輸出端二極管截止，電流為零），由產生充放電信號，使變換器輸出一個間隔約3s的窄脈沖，耳機中產生一間隔為3s的“搭-搭”聲，以示無探測信號。當探測到金屬物體時，耳機中聲響的頻率增高，信號加大。 部分元件的選擇：R5取8.2kΩ，R6取20kΩ，C3取0.01μF，C2取0.015μF，R1取1kΩ，R2取18kΩ。 4.5 直流電源欠壓報警電路 當電池電壓由-12V變至-6.5V時，使三端穩(wěn)壓器輸出穩(wěn)壓值產生較大偏差，應更換新電池，故采用一檢測報警電路告之用戶。報警電路如圖8所示。 圖8 電源欠壓報警電路 2.4kΩ R4 24kΩ 68kΩ R3 R2 1kΩ R1 VT C 6800pF -5V 2 1 6 3 CH7555 7 8 4 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kHz，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。 5 單元電路的級聯(lián)設計 將直流電源、振蕩器、檢波器、前置放大電路、電壓-電流變換器、電流-頻率變換器依照圖3所示的順序，采用直接耦合的方式連接，就構成了完整的金屬探測器的原理圖，如附錄圖所示。 6 設計總結 通過為期一周的課程設計，我深刻體會到了自己知識的匱乏。我深深的感覺到自己知識的不足，自己原來所學的東西只是一個表面性的，理論性的，而且是理想化的。根本不知道在現(xiàn)實中還存在有很多問題。真正的能將自己的所學知識轉化為實際所用才是最大的收獲，也就是說真正的能夠做到學為所用才是更主要的。設計一個很簡單的電路，所要考慮的問題，要比考試的時候考慮的多的多。 本次課程設計所設計的金屬探測器基本符合設計要求，可以探測出20cm范圍內的金屬物體的存在，而且對于體積較大的金屬物體，探測的范圍會相應的增大，考慮到該裝置使用電池供電，還設計了電源欠壓提示功能，提醒用戶及時更換電池。設計電路時，要考慮到它的前因后果，用什么樣的電路實現(xiàn)什么什么樣的功能。另外，還要考慮到電路的可行性，實用性等。本次課程設計要求多學科知識綜合應用，鍛煉了設計者的動手能力，加深了對各個學科的理解和掌握， 總之，通過這次課程設計，不僅使我對所學過的知識有了一個新的認識。而且提高了我考慮問題，分析問題的全面性以及動手操作能力。使我的綜合能力有了一個很大的提高。 參考文獻 [1] 陳有卿. 實用電子制作精選[M].北京：機械工業(yè)出版社，1994.11 [2] 鶴壁市金屬探測器廠撰文.金屬探測器TC系列[J].北京電子報.1995年第22期 [3] 張鳳言.電子電路基礎[M].北京：高等教育出版社，1995 [4] 電子電路百科全書編輯組. 電子電路百科全書[M].北京：科學出版社.1988 [5] 房旭民撰文.一種高靈敏度的金屬探測器[J].電子技術應用.1991年第9期 [6] 彭介華.電子技術課程設計指導[M].高等教育出版社，1997. [7] 李哲英等．實用電子電路設計[M]．北京：電子工業(yè)出版社,1997. 附 錄 東北石油大學課程設計成績評價表 課程名稱 電 子 技 術 課 程 設 計 題目名稱 金 屬 探 測 器 學生姓名 楊 鵬 學號 050601140217 指導教 師姓名 姚建紅 姜建國 職稱 副教授 副教授 序號 評價項目 指 標 滿分 評分 1 工作量、工作態(tài)度和出勤率 按期圓滿的完成了規(guī)定的任務，難易程度和工作量符合教學要求，工作努力，遵守紀律，出勤率高，工作作風嚴謹，善于與他人合作。 20 2 課程設計質量 課程設計選題合理，計算過程簡練準確，分析問題思路清晰，結構嚴謹，文理通順，撰寫規(guī)范，圖表完備正確。 45 3 創(chuàng)新 工作中有創(chuàng)新意識，對前人工作有一些改進或有一定應用價值。 5 4 答辯 能正確回答指導教師所提出的問題。 30 總分 評語： 指導教師： 年 月 日