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東北石油大學(xué) 課 程 設(shè) 計(jì) 課 程 電子技術(shù)課程設(shè)計(jì) 題 目 金屬探測器 院 系 電氣信息工程學(xué)院自動(dòng)化系 專業(yè)班級(jí) 自動(dòng)化04-1班 學(xué)生姓名 學(xué)生學(xué)號(hào) 050601140217 指導(dǎo)教師 姚建紅 姜建國 2008年 6 月 30日 東北石油大學(xué)課程設(shè)計(jì)任務(wù)書 課程 電 子 技 術(shù) 課 程 設(shè) 計(jì) 題目 金 屬 探 測 器 專業(yè) 自 動(dòng) 化 姓名 楊 鵬 學(xué)號(hào) 050601140217 主要內(nèi)容： 根據(jù)設(shè)計(jì)要求，運(yùn)用所學(xué)的模擬電子技術(shù)及電路基礎(chǔ)等知識(shí)，自行設(shè)計(jì)一種可以準(zhǔn)確探測小范圍內(nèi)是否存在金屬物體的電子裝置，采用聲音報(bào)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(shí)間：一組5號(hào)干電池可連續(xù)工作40h（小時(shí)）。 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(dòng)回零功能，并可抑制土壤效應(yīng)。 主要參考資料： [1] 陳有卿.實(shí)用電子制作精選[M].北京：機(jī)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(bào).1995年第22期 [3] 張鳳言.電子電路基礎(chǔ)[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(xué)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(shù)應(yīng)用.1991年第9期 [6] 彭介華.電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)[M].高等教育出版社，1997. [7] 李哲英等．實(shí)用電子電路設(shè)計(jì)[M]．北京：電子工業(yè)出版社,1997. 完成期限 2008.6.30——2008.7.6 指導(dǎo)教師 專業(yè)負(fù)責(zé)人 2008年 6 月27 日 目 錄 1 任務(wù)和要求 1 2 總體方案設(shè)計(jì)與選擇 1 2.1 高頻振蕩器探測金屬 1 2.2 場強(qiáng)識(shí)別探測金屬 1 2.3 六反相器數(shù)字集成電路探測金屬 2 3 電路總原理框圖設(shè)計(jì) 2 4 單元電路設(shè)計(jì) 3 4.1 直流電源及振蕩、檢波電路設(shè)計(jì)方案 3 4.2 前置放大電路設(shè)計(jì)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(bào)警電路 6 5 單元電路的級(jí)聯(lián)設(shè)計(jì) 7 6 設(shè)計(jì)總結(jié) 7 參考文獻(xiàn) 8 附 錄 9 1 任務(wù)和要求 (1)任務(wù)：設(shè)計(jì)一種可準(zhǔn)確探測小范圍內(nèi)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(shí)間：一組5號(hào)干電池可連續(xù)工作40h（小時(shí)）。 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(dòng)回零功能，并可抑制土壤效應(yīng)。 2 總體方案設(shè)計(jì)與選擇 2.1 高頻振蕩器探測金屬 調(diào)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(dāng)探測線圈L靠近金屬物體時(shí)，由于電磁感應(yīng)現(xiàn)像，會(huì)在金屬導(dǎo)體中產(chǎn)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(zhuǎn)換成聲音信號(hào)，根據(jù)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(qiáng)識(shí)別探測金屬 場強(qiáng)識(shí)別：利用金屬物體對信號(hào)產(chǎn)生諧波的場強(qiáng)變化而使振幅之變化來識(shí)別金屬物體。 利用探頭線圈產(chǎn)生交變電磁場在被測金屬物中感應(yīng)出渦流，渦流產(chǎn)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(hào)，經(jīng)放大、變換后轉(zhuǎn)換成音頻信號(hào)，驅(qū)動(dòng)音響電路發(fā)聲，音頻信號(hào)隨被測金屬大小及距離的變化而變化。 2.3 六反相器數(shù)字集成電路探測金屬 應(yīng)用一塊cMos六反相器數(shù)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(shù)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(gòu)成了一個(gè)電容三點(diǎn)式振蕩器，其振蕩頻率約為27kHz。調(diào)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(hào)通過由反相器IC-2和電阻R1組成的放大電路進(jìn)行放大，再由二極管VDI進(jìn)行整流，整流后的信號(hào)由反相器IC-3和IC-4進(jìn)行放大。最后通過二極管VD2去控制由1C-5和IC-6構(gòu)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(shí)，電路正常起振。振蕩信號(hào)控制音頻振蕩器停止工作，揚(yáng)聲器不發(fā)聲。當(dāng)有金屬物體接近電感時(shí)(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(hào)去抑制音頻振蕩器，所以音頻振蕩器工作，驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器發(fā)聲。使用時(shí)，接通電源后，仔細(xì)調(diào)整電位器RP使揚(yáng)聲器剛剛不響．這時(shí)靈敏度較高，探測距離可達(dá)5mm——20mm。 方案一用到了高頻振蕩器，價(jià)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(shè)計(jì)的選擇。方案三設(shè)計(jì)思路明確，結(jié)構(gòu)合理，方案易于實(shí)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(shè)計(jì)合理，既具備了方案一的優(yōu)點(diǎn)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(shè)計(jì) 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(bào)警 >=1 4 單元電路設(shè)計(jì) 4.1 直流電源及振蕩、檢波電路設(shè)計(jì)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(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。為射極偏置電路，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(shí)現(xiàn)。當(dāng)無金屬物體時(shí)振蕩器的振蕩頻率 當(dāng)金屬物體接近探頭時(shí)，的等效電感發(fā)生變化，諧振回路失諧從而使負(fù)載能力很弱的變壓器次級(jí)兩端的電壓發(fā)生明顯變化，經(jīng)取樣電感及檢波電路將此信號(hào)轉(zhuǎn)換成直流探測信號(hào)輸出。 部分元件參數(shù)選擇：取=1：5，=1：150，=3.5mH，=0.01F，則=26.9kHz。 4.2 前置放大電路設(shè)計(jì)方案 前置放大電路用差動(dòng)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(diǎn)如下 圖中及構(gòu)成差動(dòng)積分電路，即自動(dòng)回零電路，其作用是對變化緩慢的直流信號(hào)進(jìn)行抑制，而對變化較快的金屬探測信號(hào)進(jìn)行100倍放大，從而在一定程度上抑制了土壤效應(yīng)。當(dāng)為緩變直流信號(hào)時(shí)，由于積分電路時(shí)間常數(shù)較小 ms,ms 可視作開路，由于參數(shù)對稱，則。當(dāng)為脈動(dòng)信號(hào)時(shí)（即在原檢波輸出電壓基礎(chǔ)上疊加脈動(dòng)變化量）。組成差動(dòng)積分電路（積分器負(fù)載電阻較大，其影響可忽略）由經(jīng)典法得 可求得s時(shí)，輸出達(dá)最大值mV。隨時(shí)間延長，逐漸減小，s時(shí)，V。可見前置放大器可抑制大于1s的慢變干擾信號(hào)。 部分元件的選擇：放大器選擇DG747型號(hào)，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(yùn)算放大器和三極管等組成電流負(fù)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(jìn)行動(dòng)態(tài)分析有： 由前置放大器輸出的直流脈動(dòng)信號(hào)經(jīng)本級(jí)方大后得到穩(wěn)定的恒流輸出，以驅(qū)動(dòng)后級(jí)電流-頻率變換器。圖中為系統(tǒng)工作狀態(tài)調(diào)節(jié)電位器。靜態(tài)時(shí)，調(diào)節(jié)使三極管工作臨界截止?fàn)顟B(tài)，二極管接近于導(dǎo)通。一旦輸入脈動(dòng)放大信號(hào)，三極管進(jìn)入放大狀態(tài)，二極管迅速導(dǎo)通，驅(qū)動(dòng)下一級(jí)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(huì)使二極管D迅速導(dǎo)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(jí)放大后的直流信號(hào)轉(zhuǎn)換成音頻信號(hào)，驅(qū)動(dòng)耳機(jī)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(hào)就越強(qiáng)，頻率就越高。采用CMOS時(shí)基電路CH7555構(gòu)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(jī) 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(hào)控制電容器的充電時(shí)間，從而決定輸出音頻信號(hào)的頻率，實(shí)現(xiàn)電流-頻率轉(zhuǎn)換。當(dāng)無信號(hào)輸入時(shí)（前級(jí)輸出端二極管截止，電流為零），由產(chǎn)生充放電信號(hào)，使變換器輸出一個(gè)間隔約3s的窄脈沖，耳機(jī)中產(chǎn)生一間隔為3s的“搭-搭”聲，以示無探測信號(hào)。當(dāng)探測到金屬物體時(shí)，耳機(jī)中聲響的頻率增高，信號(hào)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(bào)警電路 當(dāng)電池電壓由-12V變至-6.5V時(shí)，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，故采用一檢測報(bào)警電路告之用戶。報(bào)警電路如圖8所示。 圖8 電源欠壓報(bào)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(shí)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(shí)，電路起振，發(fā)出電壓不足報(bào)警信號(hào)。該振蕩器的振蕩頻率kHz，比探測信號(hào)頻率高，且固定不變，因此不會(huì)與探測信號(hào)相混淆。 5 單元電路的級(jí)聯(lián)設(shè)計(jì) 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(gòu)成了完整的金屬探測器的原理圖，如附錄圖所示。 6 設(shè)計(jì)總結(jié) 通過為期一周的課程設(shè)計(jì)，我深刻體會(huì)到了自己知識(shí)的匱乏。我深深的感覺到自己知識(shí)的不足，自己原來所學(xué)的東西只是一個(gè)表面性的，理論性的，而且是理想化的。根本不知道在現(xiàn)實(shí)中還存在有很多問題。真正的能將自己的所學(xué)知識(shí)轉(zhuǎn)化為實(shí)際所用才是最大的收獲，也就是說真正的能夠做到學(xué)為所用才是更主要的。設(shè)計(jì)一個(gè)很簡單的電路，所要考慮的問題，要比考試的時(shí)候考慮的多的多。 本次課程設(shè)計(jì)所設(shè)計(jì)的金屬探測器基本符合設(shè)計(jì)要求，可以探測出20cm范圍內(nèi)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(huì)相應(yīng)的增大，考慮到該裝置使用電池供電，還設(shè)計(jì)了電源欠壓提示功能，提醒用戶及時(shí)更換電池。設(shè)計(jì)電路時(shí)，要考慮到它的前因后果，用什么樣的電路實(shí)現(xiàn)什么什么樣的功能。另外，還要考慮到電路的可行性，實(shí)用性等。本次課程設(shè)計(jì)要求多學(xué)科知識(shí)綜合應(yīng)用，鍛煉了設(shè)計(jì)者的動(dòng)手能力，加深了對各個(gè)學(xué)科的理解和掌握， 總之，通過這次課程設(shè)計(jì)，不僅使我對所學(xué)過的知識(shí)有了一個(gè)新的認(rèn)識(shí)。而且提高了我考慮問題，分析問題的全面性以及動(dòng)手操作能力。使我的綜合能力有了一個(gè)很大的提高。 參考文獻(xiàn) [1] 陳有卿. 實(shí)用電子制作精選[M].北京：機(jī)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(bào).1995年第22期 [3] 張鳳言.電子電路基礎(chǔ)[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(xué)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(shù)應(yīng)用.1991年第9期 [6] 彭介華.電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)[M].高等教育出版社，1997. [7] 李哲英等．實(shí)用電子電路設(shè)計(jì)[M]．北京：電子工業(yè)出版社,1997. 附 錄 東北石油大學(xué)課程設(shè)計(jì)成績評價(jià)表 課程名稱 電 子 技 術(shù) 課 程 設(shè) 計(jì) 題目名稱 金 屬 探 測 器 學(xué)生姓名 楊 鵬 學(xué)號(hào) 050601140217 指導(dǎo)教 師姓名 姚建紅 姜建國 職稱 副教授 副教授 序號(hào) 評價(jià)項(xiàng)目 指 標(biāo) 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(wù)，難易程度和工作量符合教學(xué)要求，工作努力，遵守紀(jì)律，出勤率高，工作作風(fēng)嚴(yán)謹(jǐn)，善于與他人合作。 20 2 課程設(shè)計(jì)質(zhì)量 課程設(shè)計(jì)選題合理，計(jì)算過程簡練準(zhǔn)確，分析問題思路清晰，結(jié)構(gòu)嚴(yán)謹(jǐn)，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(shí)，對前人工作有一些改進(jìn)或有一定應(yīng)用價(jià)值。 5 4 答辯 能正確回答指導(dǎo)教師所提出的問題。 30 總分 評語： 指導(dǎo)教師： 年 月 日