基于STM 32金屬檢測和分離系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
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田大軍，王金枝，高華婷，劉洪波 （濟(jì)南正平自動化設(shè)備有限公司，山東?濟(jì)南?250000）
摘? 要：本系統(tǒng)包括金屬檢測器、控制電路和分離系統(tǒng)三部分。主要原理是有1個發(fā)射線圈，2個接收線圈，發(fā) 射線圈，在通電后產(chǎn)生1個永久的交流電磁場，2個接收線圈互相連接，在有金屬經(jīng)過2個金屬線圈時都會產(chǎn)生 信號變化，控制器在處理并判斷該信號之后，給出金屬信號。通過繼電器控制輸出給剔除裝置，將帶有金屬雜 質(zhì)的物料清除出去，對提高食品的安全性及保護(hù)精密工業(yè)機(jī)器具有重要的意義。
0 引言
隨著人們生活質(zhì)量的提高，對飲食安全和藥品安全 要求越來越高，相應(yīng)的安全問題也就得到人們的更加重 視，相應(yīng)產(chǎn)品的金屬檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要性也就日益顯 現(xiàn)出來。
本系統(tǒng)設(shè)計(jì)與探討了高精度金屬檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng) 可用于塑料、食品、化工和其他行業(yè)的原料中進(jìn)行金 屬檢測和分離。它可以快速檢測并自動分離原材料中的 鐵、銅、鋁和不銹鋼等金屬雜質(zhì)，還可以安裝在注塑機(jī) 和擠出機(jī)等設(shè)備上。作為金屬檢測設(shè)備，金屬檢測和分 離系統(tǒng)廣泛用于塑料、添加劑或粉末狀材料的檢測，然 后再進(jìn)行下一步處理，以保護(hù)后續(xù)設(shè)備。它也可以用于 細(xì)粉產(chǎn)品，例如奶粉和化學(xué)添加劑，進(jìn)行質(zhì)量測試；以 及食品工業(yè)，制藥工業(yè)，藥品和膠囊等細(xì)粉產(chǎn)品的組 合。這樣可以保證和提高設(shè)備的生產(chǎn)效率，相應(yīng)也更能 提高產(chǎn)品的質(zhì)量，減少設(shè)備維護(hù)成本和停機(jī)造成的損 失，因此具有廣闊的應(yīng)用市場和社會價值。
1 系統(tǒng)原理及結(jié)構(gòu)
從結(jié)構(gòu)方面看，該系統(tǒng)可以分成金屬檢測器、控制 器以及分離系統(tǒng)三大部分。同軸線圈包括起振電路、 發(fā)射線圈和接收線圈；控制器信主要包括信號采集和處 理、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、電源電路及簡單的數(shù)碼管顯示電路 等。分離系統(tǒng)包括繼電器及相應(yīng)的剔除裝置。其原理是 發(fā)射線圈通電后產(chǎn)生1個頻率為（30~600） kHz可調(diào)的 高頻交流電磁場，兩個接收線圈相互連接，在有金屬 經(jīng)過接收線圈時，2個接收線圈接收到的電磁場信號不 同，信號的相位和波幅引起信號的變化，利用檢波及放 大電路、DAC數(shù)模轉(zhuǎn)換電路等，在接收處理并判斷信 號后，給出金屬信號。單片機(jī)STM32F103的I/O口將得 到的金屬信號通過驅(qū)動電路，來控制繼電器輸出給分離 器，將含有金屬雜質(zhì)的原料分離出去。
2 系統(tǒng)的功能組成
從功能方面，該系統(tǒng)主要包括振蕩電路、同軸線圈、檢波與放大電路、電源電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、數(shù)碼 管顯示和剔除裝置等。
金屬檢測與分離系統(tǒng)框圖如圖1所示。
2.1 金屬檢測線圈
金屬檢測線圈結(jié)構(gòu)緊湊，由1個產(chǎn)生交變磁場的發(fā) 射線圈和2個檢測磁場感應(yīng)變化的接收線圈組成。發(fā)射 線圈和接收線圈是同軸固定并且沒有偏移。發(fā)射線圈和 接收線圈均采用漆包線纏繞，外表面由尼龍材料固定， 穩(wěn)定性高，整個線圈被檢測線圈包圍。如圖2所示，金 屬檢測線圈、發(fā)射線圈和接收線圈的示意圖彼此完全平 行，中間是發(fā)射線。高頻交流電會產(chǎn)生磁場，并且線圈 的兩端都是接收線圈，因?yàn)?個接收線圈完全相同，間 距相同，并且感測信號完全相同。當(dāng)金屬雜質(zhì)穿過線圈 時，位于接收線圈附近的高頻磁場將被磁感應(yīng)線依次切 斷，相位和幅度的變化會引起信號的變化，并且接收線 圈會發(fā)送該變化到差分放大電路進(jìn)行處理。
理想的狀態(tài)是原料產(chǎn)品和檢測到的金屬雜質(zhì)信號相 位成90°角，這樣金屬雜質(zhì)被成功檢測到，如圖3所示。 但是大多數(shù)情況下檢測到的原料和金屬雜質(zhì)不是理想的 90°角，大多數(shù)是介于0~90°角，這樣基本都能檢測到， 如圖4所示是正常狀態(tài)下的相位示意圖，還有另外一種 極端情況就是原料產(chǎn)品和金屬雜質(zhì)有著相同的相位角， 這種情況下是無法檢測到金屬雜質(zhì)的，這是本系統(tǒng)設(shè)計(jì) 所存在的缺點(diǎn)。
2.2 主控制芯片
系統(tǒng)以STM32F103單片機(jī)為主控制芯片，該芯片 現(xiàn)在是大眾化市場產(chǎn)品，相應(yīng)的外圍電路、晶體振蕩電 路、復(fù)位電路和下載口程序等技術(shù)都非常成熟，硬件設(shè) 計(jì)和后期調(diào)試過程也相對簡單，且該芯片是基于要求高 性能、低成本、低功耗的嵌入式應(yīng)用設(shè)計(jì)，完全能滿足系統(tǒng)可靠和穩(wěn)定運(yùn)行的能力。
2.3 電源電路
該系統(tǒng)對電源的要求比較高，而且芯片供電電壓也 不盡相同。本系統(tǒng)主要采用市電220 V給系統(tǒng)供電，由 于市電220 V各個地方會有波動或者不穩(wěn)定，就會給系 統(tǒng)造成很大的干擾，影響系統(tǒng)的精度及造成誤判，系 統(tǒng)中主要采用了2個AC 220 V-DC 15 V電壓轉(zhuǎn)換模塊及 相應(yīng)的濾波器和濾波電路，將電壓轉(zhuǎn)換為較為穩(wěn)定的 DC±15 V，然后利用傳統(tǒng)的LM78XX系列穩(wěn)壓芯片得 到穩(wěn)定的DC±12 V和DC 5 V電壓，并配有相應(yīng)的指示 燈。這樣得到的電壓雜波少、穩(wěn)定，而且受外界電壓干 擾比較少，可以滿足控制系統(tǒng)可靠穩(wěn)定地工作。
2.4 檢波與放大電路
檢波放大電路主要是運(yùn)放LT1122和NPN型三極管 BCP56-16T1G組成，分別將由DAC8043數(shù)模轉(zhuǎn)換的模 擬信號和接收線圈接收到的信號進(jìn)行濾波放大，將分析 處理后金屬信號最后傳給單片機(jī)，由單片機(jī)做出判斷和 處理。該處三極管BCP56-16T1G的基級是有DC±12 V 合成的基準(zhǔn)電壓0 V，所以容易受到外圍電路電壓的影 響，故對供電電源要求比較高。
圖5是部分檢波與放大電路圖。
2.5 數(shù)模轉(zhuǎn)換電路
根據(jù)系統(tǒng)電路的要求，系統(tǒng)使用DAC8043作為數(shù) 模轉(zhuǎn)換電路芯片。它是8引腳PDIP封裝的高精度12位 CMOS乘法DAC。DAC8043具有串行數(shù)據(jù)輸入、雙緩沖和出色的模擬性能，是電路板設(shè)計(jì)和應(yīng)用的理想選擇。 另外，線性度的改善及增益誤差性能的改善可以不需要 調(diào)整設(shè)備，這樣就可以減少元器件的數(shù)量。另外輸入時 鐘和負(fù)載DAC具有獨(dú)立的控制電路設(shè)計(jì)，使用戶可以完 全控制數(shù)據(jù)負(fù)載和模擬輸出。
該電路包括1個12位串行輸入、并行輸出移位寄 存器，1個12位DAC寄存器，1個12位CMOS的 DAC 和控制邏輯。串行數(shù)據(jù)在CLK脈沖的上升沿進(jìn)入輸入 寄存器。當(dāng)輸入新的數(shù)據(jù)字時，DAC寄存器通過LD 輸入引腳加載。
DAC寄存器中的數(shù)據(jù)通過數(shù)模轉(zhuǎn)換器 （DAC）轉(zhuǎn)換為輸出電流。 DAC8043具有快速接口定時功能，可減少定時設(shè)計(jì) 注意事項(xiàng)和微處理器等待狀態(tài)。對于需要異步清零或更 強(qiáng)大的微處理器接口邏輯的應(yīng)用，DAC8043利用5 V單 電源供電，并采用其低功耗、高性能的解決方案。在系 統(tǒng)中使用其單放大器電路，滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。具體應(yīng) 用電路如圖6所示。
2.6 剔除裝置
原料產(chǎn)品需要經(jīng)過傳送帶才能通過檢測線圈內(nèi)部通 道，在檢測線圈檢測到金屬雜質(zhì)時，單片機(jī)就會通過驅(qū) 動電路控制繼電器，從而控制外部機(jī)械設(shè)備自動剔除含 有金屬雜質(zhì)的原料產(chǎn)品，這就是剔除裝置的原理。當(dāng)然 可以根據(jù)實(shí)際需要設(shè)計(jì)多種樣式的剔除裝置，以滿足各 種類型的原料產(chǎn)品的需要。
2.7 數(shù)碼管顯示
數(shù)碼管顯示主要是單片機(jī)驅(qū)動的2個8位數(shù)碼管，其 主要作用是簡單顯示錯誤代碼以及檢測到的金屬雜質(zhì)數(shù) 量等信息，輔助系統(tǒng)調(diào)試和系統(tǒng)正常工作時的一些提示 信息，提高系統(tǒng)的可視性。
3 結(jié)語
金屬檢測與分離系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是依據(jù)電和磁的原理對 產(chǎn)品中的金屬雜質(zhì)切割磁感線產(chǎn)生相位和幅度的小脈 沖，進(jìn)而對此小脈沖進(jìn)行檢波與放大處理的過程，然后 去除含有金屬雜質(zhì)的原料，達(dá)到純化原料的目的，可應(yīng) 用于食品和藥品，以及工業(yè)塑料等場合。產(chǎn)品的安全性 和質(zhì)量將提高到一個新的水平，并有良好的市場應(yīng)用。
但是，該系統(tǒng)仍然受到許多技術(shù)問題的困擾，例如 周圍工作環(huán)境的影響，當(dāng)原料和金屬雜質(zhì)的相角或相角 相對均勻時，會影響金屬雜質(zhì)的檢測。將來，應(yīng)該努力 解決缺點(diǎn)，以進(jìn)一步改善系統(tǒng)并提高系統(tǒng)的可靠性。
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本文來源于科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2020年第03期第40頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處。
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