基于STM 32金屬檢測和分離系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)
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田大軍，王金枝，高華婷，劉洪波 （濟南正平自動化設(shè)備有限公司，山東?濟南?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精密工業(yè)機器具有重要的意義。
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)計的重要性也就日益顯 現(xiàn)出來。
本系統(tǒng)設(shè)計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 和擠出機等設(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 后再進行下一步處理，以保護后續(xù)設(shè)備。它也可以用于 細粉產(chǎn)品，例如奶粉和化學添加劑，進行質(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)備維護成本和停機造成的損 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，因為2個接收線圈完全相同，間 距相同，并且感測信號完全相同。當金屬雜質(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 所存在的缺點。
2.2 主控制芯片
系統(tǒng)以STM32F103單片機為主控制芯片，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，完全能滿足系統(tǒng)可靠和穩(wěn)定運行的能力。
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行濾波放大，將分析 處理后金屬信號最后傳給單片機，由單片機做出判斷和 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 鐘和負載DAC具有獨立的控制電路設(shè)計，使用戶可以完 全控制數(shù)據(jù)負載和模擬輸出。
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脈沖的上升沿進入輸入 寄存器。當輸入新的數(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 注意事項和微處理器等待狀態(tài)。對于需要異步清零或更 強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，單片機就會通過驅(qū) 動電路控制繼電器，從而控制外部機械設(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。當然 可以根據(jù)實際需要設(shè)計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，進而對此小脈沖進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，以進一步改善系統(tǒng)并提高系統(tǒng)的可靠性。
參考文獻：
[1] 王慶林.基于平衡線圈技術(shù)的金屬探測器設(shè)計[D].濟南：山東大 學,2010.
[2] 藍天宇.基于DSP的金屬檢測系統(tǒng)設(shè)計[D].成都:西南交通大學, 2009.
[3] 徐凱.論金屬探測器的發(fā)展與市場現(xiàn)狀[J].中國安防產(chǎn)品信息, 2004(1).
[4] 沈紅衛(wèi),等.STM32單片機應(yīng)用與全案例實踐[M].北京:電子工業(yè) 出版社,2017.
[5] 王海魚.一種高靈敏度金屬探測器的研究[D].哈爾濱:哈爾濱理 工大學,2009.
[6] 張玥.基于Cortex-M3的金屬監(jiān)測系統(tǒng)[D].北京:北京郵電大學, 2013.
[7] 黃亞平.高頻電子線路[M].北京:機械工業(yè)出版社,2007.
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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