基于TM4C123G的金屬微顆粒探測系統(tǒng)研究與實現(xiàn)
作者 王明全 袁程磊 李治華 王遠航 東北大學 計算機科學與工程學院(沈陽 110819)
本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/201702/344568.htm摘要:本文介紹了一種使用TM4C123G微處理器作為主控制器,采用新型平衡線圈為傳感器探頭,實現(xiàn)檢測金屬微顆粒異物并報警的系統(tǒng)設計方案。該方案由正弦信號發(fā)生電路、差分信號處理電路、處理器電路、系統(tǒng)供電電路四部分構成。經(jīng)過實物測試,該系統(tǒng)工作穩(wěn)定、反應靈敏,是一套可靠的金屬微顆粒檢測報警裝置。
引言
金屬探測器在現(xiàn)代社會生活中的應用越來越廣泛,從最初應用在探雷和探測地下金屬開始,發(fā)展到現(xiàn)在的安保、食品、制藥等方面的檢測,其作用越來越凸顯[1]。與此同時,功能上的提高和完善也受到廣大客戶的關注。為了適應工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展要求,研制穩(wěn)定、可靠、高精度、便于操作的新型金屬檢測裝置是一項十分重要的課題[2]。針對以上背景與要求,在參考眾多學位論文[3-9]后,著手設計并實現(xiàn)了一臺金屬微顆粒檢測報警樣機。該樣機基于數(shù)字信號處理技術,采用新型“平衡線圈”作為傳感器探頭,選用TI基于Cortex-M4內(nèi)核的TM4C123GH6PM微控制器(MCU)作為核心處理器,使得樣機檢測精度高、處理速度快,且用戶界面友好。
1 系統(tǒng)整體方案
系統(tǒng)結構框圖如圖1所示。首先由MCU控制信號發(fā)生芯片AD9833生成正弦信號,再經(jīng)LM3886進行功率放大后送入發(fā)射線圈。接收線圈將接收的差分信號送入由NE5532和OPA2134構成的放大濾波電路后,經(jīng)MCU自帶的12位ADC采樣送入其內(nèi)部進行處理。若檢測到金屬,則蜂鳴器發(fā)出警告,并在液晶屏上顯示金屬顆粒尺寸的估計值。
2 新型平衡線圈
平衡線圈結構如圖2所示,上面是發(fā)射線圈,通以正弦信號;下面是兩個首尾相接的接收線圈,當發(fā)射與接收線圈之間有金屬顆粒通過時,會導致兩個接收線圈的感應電動勢不平衡,從而在兩根引線之間產(chǎn)生電動勢。通過對此電動勢的有無及大小進行檢測,就可以判斷金屬顆粒是否存在[9-10]。
發(fā)射線圈和接收線圈作為金屬探測器中最重要的傳感器單元,對加工工藝要求比較嚴格。在制作接收線圈時,要盡可能地保證線圈左右對稱,且與發(fā)射線圈平行。理想情況下,當沒有金屬顆粒通過線圈時,接收線圈輸出為0。而實際中,由于加工精度不夠或漆包線纏繞形狀不完全一致等因素,都會對平衡線圈產(chǎn)生不良影響——即便無金屬通過線圈,在接收線圈的輸出端,仍會有一電壓信號輸出,這就需要后續(xù)電路的調(diào)理。
3 信號發(fā)生芯片
AD9833是一個低功耗、頻率可編程的正弦波、三角波和方波波形發(fā)生器,廣泛應用于各種測量、激勵和時域響應領域。其輸出信號的頻率和相位可編程,很容易調(diào)整,無需外接器件。頻率寄存器為28位,如果基準頻率輸入為25MHz,信號輸出最小精度為0.1Hz。同樣,如果基準頻率輸入為1MHz,則信號輸出最小精度為0.004Hz。
4 功率放大電路
從AD9833輸出的正弦波功率太小,不足以驅(qū)動發(fā)射線圈這樣的電感元件,所以需要設計此功率放大電路,以保證有足夠大的電流。
本設計功放電路如圖3所示,采用美國NS公司推出的大功率音頻放大集成芯片LM3886,該芯片經(jīng)常用于高保真音響的后級功放,具有優(yōu)越的驅(qū)動能力。本設計中的正弦信號為16.6kHz,適合采用此音頻功放。
5 接收信號的硬件調(diào)理電路
在接收線圈的輸出端,會有一個差分信號,將此信號通過放大、濾波、降壓這一系列的硬件調(diào)理之后,就可以輸入到單片機的AD端口。
放大電路如圖4所示,需要選擇低噪聲運放作為前端放大器,本設計采用NE5532作為前級運放,具有相當好的噪聲性能,輸入噪聲電壓小,僅為5nV/Hz,增益帶寬積為10MHz,適合對16.6kHz的正弦小信號進行低噪聲放大。NE5532采用同向放大,此時的輸入阻抗比較大。
放大后需要對含有噪聲的信號進行濾波,其電路如圖5所示。Vin為從NE5532中輸出的信號,Vout為濾波輸出信號。
由于要實現(xiàn)高精度檢測,所以放大電路中的放大倍數(shù)比較大。由于線圈的加工工藝不夠精密,即便沒有金屬通過線圈時,其輸出端仍會輸出一微小的電壓信號。這個電壓信號經(jīng)過放大電路后也會被大幅度放大,這就導致濾波電路輸出端Vout的信號非常大,超過處理器的A/D采集范圍。
為解決這一問題,設計如圖6所示電路,經(jīng)過多級二極管和電阻,輸出一個只有上半周正弦波的電信號,這樣就能被處理器的A/D正確采集,從而做出分析和處理。
6 系統(tǒng)供電電路
本設計中用到多組供電電路,其中處理器和AD9833的供電電壓為+5V;LM3886功率放大電路的供電電壓為±15V;接收信號的放大濾波電路的供電電壓為±9V。需用到78和79系列電源芯片對線性電源進行降壓,以便分配給各個電路子系統(tǒng)。
7 程序設計
用Code Composer Studio(CCS)軟件設計并調(diào)試了以下程序:首先通過SPI通信控制AD9833,使其輸出一個穩(wěn)定的16.6kHz的正弦波。接著用ADC以100kHz的采樣頻率采集2000個點,每采一個值,進行一次比較,求出2000個數(shù)中的最大值。為提高可靠性,上述步驟重復16次,求出其平均值,并設定為判定閾值A。然后利用上述方法,實時采集和更新接收線圈電壓采樣最大值,同時與閾值進行比較,從而通過差值判斷是否有金屬顆粒,以及金屬顆粒的大小并發(fā)出警報。
8 結論
本文利用TM4C123G處理器結合平衡線圈,設計了一套金屬微顆粒檢測裝置,并可以實現(xiàn)報警和在液晶屏上顯示金屬顆粒大小估計值的功能。這得益于此處理器強大的運算和處理能力。新型平衡線圈的使用是本設計的一個亮點,該結構使待檢測物體的尺寸不受線圈的限制,是原來線圈的一個改進。但目前市面上并沒有平衡線圈的成品,所以本設計所用線圈是用漆包線手工纏繞制作而成,效果難免不夠理想。若由機器制作,則精度還可大幅提升。
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本文來源于《電子產(chǎn)品世界》2017年第2期第42頁,歡迎您寫論文時引用,并注明出處。
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