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基于STM 32金屬檢測和分離系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

作者:田大軍,王金枝,高華婷,等 時間:2020-03-03 來源:電子產(chǎn)品世界 收藏

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)

本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/202003/410485.htm

摘? 要:本系統(tǒng)包括器、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,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。 

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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,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。

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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。

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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。

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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。

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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。

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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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