多功能金屬探測器的研究與設計

前言

金屬探測器因其功能和市場應用領域的不同，可分為以下幾種：通道式金屬探測器（又稱：金屬探測門；簡稱：安檢門）、手持式金屬探測器、便攜式金屬探測器、臺式金屬探測器、工業(yè)用金屬探測器和水下金屬探測器。本文所設計的金屬探測器屬于手持式金屬探測器。金屬探測器一般都是基于感應式的工作原理。

系統(tǒng)工作原理

LC振蕩型金屬探測器，屬于主動式，通過探測金屬感應電流產生的二次磁場來確定被測金屬的有無。LC振蕩型金屬探測器的信號是頻率信號，當感應到金屬時，輸出信號的頻率會有一定的變化，通過捕捉該頻率變化量可以判斷此時是否有金屬物體。這種類型的金屬探測器應用比較廣泛，也方便設計和改進。

如圖1，參考通道的基準信號采用有源晶振來代替，選擇32.768KHz的有源晶振進行32分頻后得到1024Hz的頻率，與接收通道的頻率信號進行差頻，將得到的頻率差通過PLL進行倍頻處理，就可以得到比較高的靈敏度，同時，頻率信號的穩(wěn)定度也比較好。

該系統(tǒng)的基本設計思路是：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，通過集成震蕩芯片MC1648產生振蕩信號，空心線圈靠近金屬物體時，震蕩電路的震蕩頻率會發(fā)生改變。震蕩信號與基準頻率進行差頻處理后，將所得到的頻率信號送入由單片機和CPLD組成的測頻模塊進行頻率測量。人機交互界面由鍵盤、LCD和單片機負責實現(xiàn)，系統(tǒng)可以通過鍵盤和LCD菜單選項進行系統(tǒng)功能設置、頻率測量及數(shù)據(jù)存儲回顯等，通過對頻率異常的分析，來判斷是否探測到金屬。

本系統(tǒng)主要包括感應探頭（空心線圈）、震蕩電路模塊、基準頻率模塊、差頻模塊、測頻模塊、鍵盤控制模塊、LCD顯示模塊和電源模塊等，系統(tǒng)設計框圖如圖2所示。

系統(tǒng)硬件設計

（1）感應探頭

感應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，該空心線圈內徑9cm,外徑11cm，電感值約為100mH。繞制完畢，用環(huán)丙樹脂對其進行密封，并用棉布將其包裹好，盡可能的減小分布參數(shù)的影響。

感應線圈與外接電容組成LC諧振網(wǎng)絡，通過MC1648產生相應振蕩頻率的信號。MC1648這款ECL(Emitter Coupled Logic)（即發(fā)射極耦合邏輯電路,也稱電流開關型邏輯電路）中規(guī)模集成電路實現(xiàn)頻率振蕩功能。MC1648的最高頻率可達到225MHZ。為了讓MC1648的輸出電平與數(shù)字電路電平相匹配，需要進行電平轉換，輸出接LM390，將電平上限限制在5V，下限限制在0V，與后續(xù)電路電平進行匹配。