手持式多功能金属探测器设计与实现

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 前言

金属探测器因其功能和市场应用领域的不同,可分为以下几种:通道式金属探测器(又称:金属探测门;简称:安检门)、手持式金属探测器、便携式金属探测器、台式金属探测器、工业用金属探测器和水下金属探测器。本文所设计的金属探测器属于手持式金属探测器。金属探测器一般都是基于感应式的工作原理。

系统工作原理

LC振荡型金属探测器,属于主动式,通过探测金属感应电流产生的二次磁场来确定被测金属的有无。LC振荡型金属探测器的信号是频率信号,当感应到金属时,输出信号的频率会有一定的变化,通过捕捉该频率变化量可以判断此时是否有金属物体。这种类型的金属探测器应用比较广泛,也方便设计和改进。

如图1,参考通道的基准信号采用有源晶振来代替,选择32.768KHz的有源晶振进行32分频后得到1024Hz的频率,与接收通道的频率信号进行差频,将得到的频率差通过PLL进行倍频处理,就可以得到比较高的灵敏度,同时,频率信号的稳定度也比较好。

图1 采用基准频率进行差频

该系统的基本设计思路是:利用漆包线绕制成电感值为100mH的空心线圈,与外接电容组成LC谐振网络,通过集成震荡芯片MC1648产生振荡信号,空心线圈靠近金属物体时,震荡电路的震荡频率会发生改变。震荡信号与基准频率进行差频处理后,将所得到的频率信号送入由单片机和CPLD组成的测频模块进行频率测量。人机交互界面由键盘、LCD和单片机负责实现,系统可以通过键盘和LCD菜单选项进行系统功能设置、频率测量及数据存储回显等,通过对频率异常的分析,来判断是否探测到金属。

本系统主要包括感应探头(空心线圈)、震荡电路模块、基准频率模块、差频模块、测频模块、键盘控制模块、LCD显示模块和电源模块等,系统设计框图如图2所示。

图2 系统设计框图

系统硬件设计

(1)感应探头

感应探头部分是模拟电路的核心之一。探头采用直径0.2mm的漆包线绕制2500圈,该空心线圈内径9cm,外径11cm,电感值约为100mH。绕制完毕,用环丙树脂对其进行密封,并用棉布将其包裹好,尽可能的减小分布参数的影响。

感应线圈与外接电容组成LC谐振网络,通过MC1648产生相应振荡频率的信号。MC1648这款ECL(Emitter Coupled Logic)(即发射极耦合逻辑电路,也称电流开关型逻辑电路)中规模集成电路实现频率振荡功能。MC1648的最高频率可达到225MHZ。为了让MC1648的输出电平与数字电路电平相匹配,需要进行电平转换,输出接LM390,将电平上限限制在5V,下限限制在0V,与后续电路电平进行匹配。

(2)基准频率电路

基准频率电路采用有源晶振进行分频得到,此处晶振选用频率为32.768KHz的5V供电的TTL电平,经过CD4060进行32分频后得到1.024KHz的基准信号。

(3)差频电路

感应信号与基准信号进行差频处理,得到差频信号,这个功能采用如下方法实现:两路信号作为异或门的两个输入端,异或门输出是包含着两种频率成分的信号,分别为感应信号与基准信号的和频分量与差频分量,通过对输出信号进行低通滤波,即得到所需要的差频分量。

当感应探头附近没有金属物体的时候,差频信号约为10Hz左右,为了提高信号的灵敏度,将差频率信号进行倍频处理。通过将差频信号经过PLL进行100倍频后,输出信号频率在1000Hz左右变化。

(4)频率测量电路

频率测量是本系统的核心部分之一,频率测量的方法有很多:测周期法主要针对低频的,脉冲计数法则主要针对高频的。因此,这两种方法在应用的过程中都有一定的局限性。本系统采用的是等精度测频:利用AVR单片机与CPLD相结合进行频率测量,具有测频精度高、范围宽的特点,并且测量的精度与待测信号无关,只与基准频率有关。

本系统中,AVR控制CPLD对待测信号与基准信号进行计数,并读取测量数据,对数据进行处理后,通过LCD进行显示。为了使用户操作本系统时更加的方便,编写了一个简单的菜单程序,通过3×5键盘对相应的菜单项进行操作,完成相应的功能。

频率测量一般都是由计数器和定时器完成,将两个定时/计数器一个设置为定时器,另一个设置为计数器,定时时间到后产生中断,在中断服务程序中处理结果,求出频率。这种方法虽然测量范围较宽,但由于存在软件延时,尽管在高频段能达到较高的精度,而低频段的测量精度较低。所以利用单片机测频时,如果选择不好的测量方法,可能会引起很大的误差。测量频率时,如果不是真正依靠硬件控制计数或定时,而是由软件查询或中断响应后再停止计数,虽然理论上能达到很高的精度,但实际测量中由于单片机响应有一定的时间延迟,难以做到精确测量。因此,本系统拟采用等精度测频发来实现频率测量。

等精度测频工作原理:

等精度频率测量用被测信号的多周期而不是单周期作门控信号;门控信号周期数可根据被测频率的大小自动调节,使计数值N保持不变,从而实现等精度测量。

预置门控信号是宽度为T的一个脉冲,Counterl和Counter2是两个可控计数器,标准频率信号从Counter1的时钟输入端CLK输入,其频率为Fs;经整形后的被测信号从Counter2的时钟输入端CLK输入,设其实际频率为Fxe,测量频率为Fx。

当预置门控信号为高电平时,经整形后的被测信号的上沿通过D触发器的Q端同时启动计数器Counter1和Counter2。Counter1、Counter2分别对被测信号(频率为Fx)和标准频率信号(频率为Fs)同时计数。当预置门信号为低电平时,随后而至的被测信号的上沿将使这两个计数器同时关闭,时序图如图3所示。设在一次预置门时间T中对被测信号计数值为Nx;对标准频率信号的计数值为Ns,则下式成立:

图3 等精度测频时序图

Fx/Nx=Fy/Ny Fx=(Fy/Ny)*Nx
本系统利用AVR单片机与CPLD相结合来实现等精度测频,具有测频精度高,范围宽的特点,并且测量的精度与待测信号无关,只与基准频率有关。

对于本系统而言,因为周围总是有着或多或少的电磁干扰,干扰信号很容易串入导致感应信号的频率有一定的波动(频率值波动大小在1Hz以内),因此,采用等精度测频的时候,只需要精度达到1Hz即可。
如图4所示是测频电路,采用AVR与CPLD这个组合来完成等精度测频功能,因为AVR是5V提供电压的,而CPLD则采用3.3V供电,所以AVR与CPLD进行通讯的时候需要进行电平转换。信号从AVR流向CPLD时需要在信号线路中串接200欧姆的电阻进行限流,信号从CPLD流向AVR时需要经过74HC245进行电平转化,提高信号的电平阀值。

图4 测频电路

系统软件控制菜单设计

为了方便用户对仪器进行操作,需要编写一个比较友好的人机界面,通过键盘进行控制。图5所示为本系统的菜单操作流程图。

图5 菜单选项操作流程图

当系统上电后,系统显示“金属探测器”等欢迎字样,维持数秒后,系统将进入主菜单界面。主菜单包括三个子菜单选项:“初值校准”、“开始探测”和“数据回显”三个选项。

初值校准:由于本系统在不同的时间和地点进行使用的时候,感应探头与外接电容进行谐振的振荡频率是不同的,因此,每次进行开机使用的时候,都必须先进行初始值校准,找到当前情况下所感应的频率的最大值,然后以该频率值作为是否探测到金属的一个频率阈值。通过捕捉10次当前的频率值,并通过软件自动筛选出10次测量值中的最大值,用户可以根据所测量的最大频率值来进行阈值的设定。当设定完成,将返回主菜单进行其他操作。

开始探测:完成初值校准后,就可以开始进行金属探测了,当在探测的过程中,并没有发现金属的时候,界面将一直显示“正在探测”字样,当探测到金属,界面将出现“发现金属”字样,并控制蜂鸣器进行报警,用户可以对当前情况进行记录,将此时的所探测到的值保存到EEPROM中,如果探测完毕,用户可以选择“返回”回到主菜单界面。

数据回显:在主菜单中选择该菜单项,可以查询曾经保存的10次数据记录,例如:此时按数字键“0”,则可以查询到第0次数据记录的内容。查询完毕,选择返回键可回到主菜单界面。

小结

由于采用了等精度测频方案,对于1Hz精度的测频要求,系统完全可以实现。通过测试,对于一元钱硬币大小的金属,在无遮挡物的情况下,本系统可以探测的有效距离在2厘米左右;对于直径为1厘米的钢筋,在无遮挡物的情况下,有效探测距离在5厘米左右。相信经过进一步的改进和实验,该系统能够用于实际需求。

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