手持式多功能金屬探測(cè)器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
前言
本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/185934.htm金屬探測(cè)器因其功能和市場(chǎng)應(yīng)用領(lǐng)域的不同,可分為以下幾種:通道式金屬探測(cè)器(又稱:金屬探測(cè)門;簡(jiǎn)稱:安檢門)、手持式金屬探測(cè)器、便攜式金屬探測(cè)器、臺(tái)式金屬探測(cè)器、工業(yè)用金屬探測(cè)器和水下金屬探測(cè)器。本文所設(shè)計(jì)的金屬探測(cè)器屬于手持式金屬探測(cè)器。金屬探測(cè)器一般都是基于感應(yīng)式的工作原理。
系統(tǒng)工作原理
LC振蕩型金屬探測(cè)器,屬于主動(dòng)式,通過(guò)探測(cè)金屬感應(yīng)電流產(chǎn)生的二次磁場(chǎng)來(lái)確定被測(cè)金屬的有無(wú)。LC振蕩型金屬探測(cè)器的信號(hào)是頻率信號(hào),當(dāng)感應(yīng)到金屬時(shí),輸出信號(hào)的頻率會(huì)有一定的變化,通過(guò)捕捉該頻率變化量可以判斷此時(shí)是否有金屬物體。這種類型的金屬探測(cè)器應(yīng)用比較廣泛,也方便設(shè)計(jì)和改進(jìn)。
如圖1,參考通道的基準(zhǔn)信號(hào)采用有源晶振來(lái)代替,選擇32.768KHz的有源晶振進(jìn)行32分頻后得到1024Hz的頻率,與接收通道的頻率信號(hào)進(jìn)行差頻,將得到的頻率差通過(guò)PLL進(jìn)行倍頻處理,就可以得到比較高的靈敏度,同時(shí),頻率信號(hào)的穩(wěn)定度也比較好。
圖1 采用基準(zhǔn)頻率進(jìn)行差頻
該系統(tǒng)的基本設(shè)計(jì)思路是:利用漆包線繞制成電感值為100mH的空心線圈,與外接電容組成LC諧振網(wǎng)絡(luò),通過(guò)集成震蕩芯片MC1648產(chǎn)生振蕩信號(hào),空心線圈靠近金屬物體時(shí),震蕩電路的震蕩頻率會(huì)發(fā)生改變。震蕩信號(hào)與基準(zhǔn)頻率進(jìn)行差頻處理后,將所得到的頻率信號(hào)送入由單片機(jī)和CPLD組成的測(cè)頻模塊進(jìn)行頻率測(cè)量。人機(jī)交互界面由鍵盤、LCD和單片機(jī)負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn),系統(tǒng)可以通過(guò)鍵盤和LCD菜單選項(xiàng)進(jìn)行系統(tǒng)功能設(shè)置、頻率測(cè)量及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)回顯等,通過(guò)對(duì)頻率異常的分析,來(lái)判斷是否探測(cè)到金屬。
本系統(tǒng)主要包括感應(yīng)探頭(空心線圈)、震蕩電路模塊、基準(zhǔn)頻率模塊、差頻模塊、測(cè)頻模塊、鍵盤控制模塊、LCD顯示模塊和電源模塊等,系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖如圖2所示。
圖2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖
系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
(1)感應(yīng)探頭
感應(yīng)探頭部分是模擬電路的核心之一。探頭采用直徑0.2mm的漆包線繞制2500圈,該空心線圈內(nèi)徑9cm,外徑11cm,電感值約為100mH。繞制完畢,用環(huán)丙樹脂對(duì)其進(jìn)行密封,并用棉布將其包裹好,盡可能的減小分布參數(shù)的影響。
感應(yīng)線圈與外接電容組成LC諧振網(wǎng)絡(luò),通過(guò)MC1648產(chǎn)生相應(yīng)振蕩頻率的信號(hào)。MC1648這款ECL(Emitter Coupled Logic)(即發(fā)射極耦合邏輯電路,也稱電流開關(guān)型邏輯電路)中規(guī)模集成電路實(shí)現(xiàn)頻率振蕩功能。MC1648的最高頻率可達(dá)到225MHZ。為了讓MC1648的輸出電平與數(shù)字電路電平相匹配,需要進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換,輸出接LM390,將電平上限限制在5V,下限限制在0V,與后續(xù)電路電平進(jìn)行匹配。
(2)基準(zhǔn)頻率電路
基準(zhǔn)頻率電路采用有源晶振進(jìn)行分頻得到,此處晶振選用頻率為32.768KHz的5V供電的TTL電平,經(jīng)過(guò)CD4060進(jìn)行32分頻后得到1.024KHz的基準(zhǔn)信號(hào)。
(3)差頻電路
感應(yīng)信號(hào)與基準(zhǔn)信號(hào)進(jìn)行差頻處理,得到差頻信號(hào),這個(gè)功能采用如下方法實(shí)現(xiàn):兩路信號(hào)作為異或門的兩個(gè)輸入端,異或門輸出是包含著兩種頻率成分的信號(hào),分別為感應(yīng)信號(hào)與基準(zhǔn)信號(hào)的和頻分量與差頻分量,通過(guò)對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行低通濾波,即得到所需要的差頻分量。
當(dāng)感應(yīng)探頭附近沒有金屬物體的時(shí)候,差頻信號(hào)約為10Hz左右,為了提高信號(hào)的靈敏度,將差頻率信號(hào)進(jìn)行倍頻處理。通過(guò)將差頻信號(hào)經(jīng)過(guò)PLL進(jìn)行100倍頻后,輸出信號(hào)頻率在1000Hz左右變化。
(4)頻率測(cè)量電路
頻率測(cè)量是本系統(tǒng)的核心部分之一,頻率測(cè)量的方法有很多:測(cè)周期法主要針對(duì)低頻的,脈沖計(jì)數(shù)法則主要針對(duì)高頻的。因此,這兩種方法在應(yīng)用的過(guò)程中都有一定的局限性。本系統(tǒng)采用的是等精度測(cè)頻:利用AVR單片機(jī)與CPLD相結(jié)合進(jìn)行頻率測(cè)量,具有測(cè)頻精度高、范圍寬的特點(diǎn),并且測(cè)量的精度與待測(cè)信號(hào)無(wú)關(guān),只與基準(zhǔn)頻率有關(guān)。
本系統(tǒng)中,AVR控制CPLD對(duì)待測(cè)信號(hào)與基準(zhǔn)信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù),并讀取測(cè)量數(shù)據(jù),對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后,通過(guò)LCD進(jìn)行顯示。為了使用戶操作本系統(tǒng)時(shí)更加的方便,編寫了一個(gè)簡(jiǎn)單的菜單程序,通過(guò)3×5鍵盤對(duì)相應(yīng)的菜單項(xiàng)進(jìn)行操作,完成相應(yīng)的功能。
頻率測(cè)量一般都是由計(jì)數(shù)器和定時(shí)器完成,將兩個(gè)定時(shí)/計(jì)數(shù)器一個(gè)設(shè)置為定時(shí)器,另一個(gè)設(shè)置為計(jì)數(shù)器,定時(shí)時(shí)間到后產(chǎn)生中斷,在中斷服務(wù)程序中處理結(jié)果,求出頻率。這種方法雖然測(cè)量范圍較寬,但由于存在軟件延時(shí),盡管在高頻段能達(dá)到較高的精度,而低頻段的測(cè)量精度較低。所以利用單片機(jī)測(cè)頻時(shí),如果選擇不好的測(cè)量方法,可能會(huì)引起很大的誤差。測(cè)量頻率時(shí),如果不是真正依靠硬件控制計(jì)數(shù)或定時(shí),而是由軟件查詢或中斷響應(yīng)后再停止計(jì)數(shù),雖然理論上能達(dá)到很高的精度,但實(shí)際測(cè)量中由于單片機(jī)響應(yīng)有一定的時(shí)間延遲,難以做到精確測(cè)量。因此,本系統(tǒng)擬采用等精度測(cè)頻發(fā)來(lái)實(shí)現(xiàn)頻率測(cè)量。
等精度測(cè)頻工作原理:
等精度頻率測(cè)量用被測(cè)信號(hào)的多周期而不是單周期作門控信號(hào);門控信號(hào)周期數(shù)可根據(jù)被測(cè)頻率的大小自動(dòng)調(diào)節(jié),使計(jì)數(shù)值N保持不變,從而實(shí)現(xiàn)等精度測(cè)量。
預(yù)置門控信號(hào)是寬度為T的一個(gè)脈沖,Counterl和Counter2是兩個(gè)可控計(jì)數(shù)器,標(biāo)準(zhǔn)頻率信號(hào)從Counter1的時(shí)鐘輸入端CLK輸入,其頻率為Fs;經(jīng)整形后的被測(cè)信號(hào)從Counter2的時(shí)鐘輸入端CLK輸入,設(shè)其實(shí)際頻率為Fxe,測(cè)量頻率為Fx。
當(dāng)預(yù)置門控信號(hào)為高電平時(shí),經(jīng)整形后的被測(cè)信號(hào)的上沿通過(guò)D觸發(fā)器的Q端同時(shí)啟動(dòng)計(jì)數(shù)器Counter1和Counter2。Counter1、Counter2分別對(duì)被測(cè)信號(hào)(頻率為Fx)和標(biāo)準(zhǔn)頻率信號(hào)(頻率為Fs)同時(shí)計(jì)數(shù)。當(dāng)預(yù)置門信號(hào)為低電平時(shí),隨后而至的被測(cè)信號(hào)的上沿將使這兩個(gè)計(jì)數(shù)器同時(shí)關(guān)閉,時(shí)序圖如圖3所示。設(shè)在一次預(yù)置門時(shí)間T中對(duì)被測(cè)信號(hào)計(jì)數(shù)值為Nx;對(duì)標(biāo)準(zhǔn)頻率信號(hào)的計(jì)數(shù)值為Ns,則下式成立:
圖3 等精度測(cè)頻時(shí)序圖
Fx/Nx=Fy/Ny Fx=(Fy/Ny)*Nx
本系統(tǒng)利用AVR單片機(jī)與CPLD相結(jié)合來(lái)實(shí)現(xiàn)等精度測(cè)頻,具有測(cè)頻精度高,范圍寬的特點(diǎn),并且測(cè)量的精度與待測(cè)信號(hào)無(wú)關(guān),只與基準(zhǔn)頻率有關(guān)。
對(duì)于本系統(tǒng)而言,因?yàn)橹車偸怯兄蚨嗷蛏俚碾姶鸥蓴_,干擾信號(hào)很容易串入導(dǎo)致感應(yīng)信號(hào)的頻率有一定的波動(dòng)(頻率值波動(dòng)大小在1Hz以內(nèi)),因此,采用等精度測(cè)頻的時(shí)候,只需要精度達(dá)到1Hz即可。
如圖4所示是測(cè)頻電路,采用AVR與CPLD這個(gè)組合來(lái)完成等精度測(cè)頻功能,因?yàn)锳VR是5V提供電壓的,而CPLD則采用3.3V供電,所以AVR與CPLD進(jìn)行通訊的時(shí)候需要進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。信號(hào)從AVR流向CPLD時(shí)需要在信號(hào)線路中串接200歐姆的電阻進(jìn)行限流,信號(hào)從CPLD流向AVR時(shí)需要經(jīng)過(guò)74HC245進(jìn)行電平轉(zhuǎn)化,提高信號(hào)的電平閥值。
圖4 測(cè)頻電路
系統(tǒng)軟件控制菜單設(shè)計(jì)
為了方便用戶對(duì)儀器進(jìn)行操作,需要編寫一個(gè)比較友好的人機(jī)界面,通過(guò)鍵盤進(jìn)行控制。圖5所示為本系統(tǒng)的菜單操作流程圖。
圖5 菜單選項(xiàng)操作流程圖
當(dāng)系統(tǒng)上電后,系統(tǒng)顯示“金屬探測(cè)器”等歡迎字樣,維持?jǐn)?shù)秒后,系統(tǒng)將進(jìn)入主菜單界面。主菜單包括三個(gè)子菜單選項(xiàng):“初值校準(zhǔn)”、“開始探測(cè)”和“數(shù)據(jù)回顯”三個(gè)選項(xiàng)。
初值校準(zhǔn):由于本系統(tǒng)在不同的時(shí)間和地點(diǎn)進(jìn)行使用的時(shí)候,感應(yīng)探頭與外接電容進(jìn)行諧振的振蕩頻率是不同的,因此,每次進(jìn)行開機(jī)使用的時(shí)候,都必須先進(jìn)行初始值校準(zhǔn),找到當(dāng)前情況下所感應(yīng)的頻率的最大值,然后以該頻率值作為是否探測(cè)到金屬的一個(gè)頻率閾值。通過(guò)捕捉10次當(dāng)前的頻率值,并通過(guò)軟件自動(dòng)篩選出10次測(cè)量值中的最大值,用戶可以根據(jù)所測(cè)量的最大頻率值來(lái)進(jìn)行閾值的設(shè)定。當(dāng)設(shè)定完成,將返回主菜單進(jìn)行其他操作。
開始探測(cè):完成初值校準(zhǔn)后,就可以開始進(jìn)行金屬探測(cè)了,當(dāng)在探測(cè)的過(guò)程中,并沒有發(fā)現(xiàn)金屬的時(shí)候,界面將一直顯示“正在探測(cè)”字樣,當(dāng)探測(cè)到金屬,界面將出現(xiàn)“發(fā)現(xiàn)金屬”字樣,并控制蜂鳴器進(jìn)行報(bào)警,用戶可以對(duì)當(dāng)前情況進(jìn)行記錄,將此時(shí)的所探測(cè)到的值保存到EEPROM中,如果探測(cè)完畢,用戶可以選擇“返回”回到主菜單界面。
數(shù)據(jù)回顯:在主菜單中選擇該菜單項(xiàng),可以查詢?cè)?jīng)保存的10次數(shù)據(jù)記錄,例如:此時(shí)按數(shù)字鍵“0”,則可以查詢到第0次數(shù)據(jù)記錄的內(nèi)容。查詢完畢,選擇返回鍵可回到主菜單界面。
小結(jié)
由于采用了等精度測(cè)頻方案,對(duì)于1Hz精度的測(cè)頻要求,系統(tǒng)完全可以實(shí)現(xiàn)。通過(guò)測(cè)試,對(duì)于一元錢硬幣大小的金屬,在無(wú)遮擋物的情況下,本系統(tǒng)可以探測(cè)的有效距離在2厘米左右;對(duì)于直徑為1厘米的鋼筋,在無(wú)遮擋物的情況下,有效探測(cè)距離在5厘米左右。相信經(jīng)過(guò)進(jìn)一步的改進(jìn)和實(shí)驗(yàn),該系統(tǒng)能夠用于實(shí)際需求。
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評(píng)論