手持式金属探测器设计

�ele169�com|19电子电路设计与方案0引言我国人口数量庞大，公共安全问题一直是政府面临的巨大难题和挑战。在春节、国庆和各种小长假中，人们出行探亲旅游的意愿愈发强烈，但这也更加凸显了交管部门和景区入口等场所面临的巨大安检压力。近年来，我国公共安全管理水平已经得到大幅提升，进行人身安全检查是保障旅客人身安全的重要预防措施，检测手段也逐步多样化，而手式金属探测器就是应用最为广泛的安检设备之一。本文设计了一款基于线圈电磁感应原理进行金属探测的手持式金属探测器，电路采用模拟电子技术设计完成，电路体积小、易于操作使用、实用性强，对于微小金属物品的探测也十分灵敏。1探测原理金属探测器是利用线圈的电磁感应原理来探测金属的，即利用有交流电通过的线圈，产生周期性变化的磁场，周期性变化的磁场在空间产生涡旋电场，当涡旋电场遇到金属时，会在金属物体内部感生出涡电流，涡电流又会产生附加的反向磁场，并作用于原磁场，使线圈的输出电压和阻抗发生变化，从而引发探测器发出鸣叫。2电路设计与工作原理■2.1电路组成金属探测器的主要功能电路包括：电源电路、高频振荡电路、振荡检测电路和报警电路。其中，电源电路用于将一节9V电池提供的电源转换成各部分功能电路所需要的电源值；高频振荡电路的作用是将电源提供的直流电变为频率一定的交流信号，形成稳定的频率源；振荡检测电路用于检测选频放大电路工作状态的微弱变化；报警电路主要用于产生正常工作的状态指示和探测到金属后的声光报警信息。金属探测器原理框图如图1所示。■2.2电源电路考虑到该金属探测器设计为手持式，因此在供电源的选择上采用了简单、可充电的9V碱性层叠电池，该电池可满足探测器日常使用需要，又可重复充电使用，大大减少了耗材损耗，性价比较高，电源电路设计如图2所示。电路工作原理：9V电源的输出端通过保护二极管D7连接选择开关，通过向上或向下滑动开关触头，选择当前报警模式，如声光报警或振动报警，而无论在哪种报警模式下，由保护稳压管D7输出的9V电源同步为探测器正常工作指示灯和集成稳压器7805进行供电。其中，状态指示电路由9V电源与限流电阻R11和绿色发光二极管D1串联构成，用于探测器在正常开机状态下的状态指示；7805与电容C8、C5主要用于DC-DC变换，得到稳定的5V电压输出，是较为典型的电源电路。电源电路整体设计简单实用，仅一粒电池搭配几个元器件就可满足各电路设计中对9V、5V两种不同电源的设计使用需要。■2.3高频振荡电路高频振荡电路是在射频放大电路中引入正反馈网络和手持式金属探测器设计胡洁微，周宦银，吕子勇，胥飞燕，谢艳辉（陆军防化学院，北京，102205）摘要：本文利用线圈的电磁感应原理设计了一款金属探测器，对探测器的主要功能电路进行了设计和工作原理分析，采用虚拟仿真和实际搭建电路两种方式对主要功能电路进行了验证。探测器采用模拟电子技术设计完成，电路结构紧凑、体积小、易于操作使用，对于微小金属物品的探测灵敏度也十分理想。关键词：金属探测器；高频振荡；振荡检测图1金属探测电路原理框图C8C5GND5VR11R22100D1GREENBTP1充电器接口D7蜂鸣器报警电路电源振动报警电路电源S1Vin1GND2Vout3U178059V图2电源电路20|电子制作2019年10月电子电路设计与方案频率选择网络来形成振荡电路的。电路由5V电源，双极型晶体管Q1，电阻器R1、R2、R3，电容器C1、C2、C3、C4以及由漆包铜线绕制的金属线圈L1组成，振荡电路输出信号由三极管集电极输出，电路如图3所示。Q1S8085C6C1R3R2R1C3C4C2AB5VC振荡电路输出信号GNDL1线圈图3高频振荡电路该电路为LC正弦波振荡电路，通过调节电感L1、电容C1、C2、C3，可以在集电极的输出端产生几赫兹到几十兆赫兹的正弦交流电，其中电容C2、C3与电阻R1构成正反馈电路，反馈电压在电容C3两端；三极管Q1构成共基极放大电路，C4作为交流接地电容。通电时，在电路中激起的微小扰动信号反馈到C3两端，通过设置合适的静态工作点，可使三极管在上电初始阶段工作于放大状态，扰动电压经过三极管放大后再输出到集电极c，因为集电极与基极同相位是正反馈，所以信号不断放大，当到达一定值时，三极管Q1截止，C4开始充电，感应线圈中有电流流过，C2再次开始充电，C3上的电压通过并联的电阻R1放电，e极的电压开始下降，降到三极管正偏，C4上的电压上升时，三极管再次导通，C2上的电压下降，C3上的电压上升，三极管再次截止，如此循环，使振荡持续下去。■2.4振荡检测电路振荡检测电路由电阻R12、R13、R14，电容C7，二极管D3、D4构成的整流滤波电路，由电容C11，电阻R15、R17和电位器RW构成的振幅转换电路，由电阻R19、R20、R21，电容C10、C12、C13，二极管D5、D6及单电源供电的双集成运放AD261组成的钳位电路与电压比较电路组成。其中，AD261是双运放运算放大器，内部包括有两个独立的、高增益、带内部频率补偿的运算放大器，其①脚为电源，④脚接地，①、②、③管脚分别为运算放大器一的输出端、反相输入端和同相输入端，⑤、⑥、⑦管脚分别为运算放大器二的输出端、反相输入端和同相输入端，电路如图4所示。振荡电路输出一定频率和幅度的正弦交流信号，经过整流滤波电路在D点输出一定幅度的直流信号，该直流信号进入由电容C11、电阻R15、R17和电位器RW构成的振幅转换电路，将输入信号的幅度拉低在0V左右，设定该值为VE，通过甄别振幅转换电路后VE值的微小变化，来触发比较器的状态发生翻转。若电路不报警，则VE0，该值引入电压比较器的反相输入端⑥脚，与同相输入端⑤脚比较后，⑦脚输出低电平，并使二极管D6导通，D6导通后⑦脚最终钳位在-500mV左右，二极管D5截止，-500mV电位传递到同相输入端③脚，则①脚比较结果输出低电平，无法触发声光报警电路，电路不报警。若电路报警，则VE将降低到0V以下，即VE0，该值引入电压比较器的反相输入端⑥脚，与同相输入端⑤脚比较后，⑦脚输出高电平，使二极管D6截止，经过电阻R19、二极管D5导通，③脚最终被钳位到D5的导通压降300mV左右，因此，电压比较器的①脚将输出高电平，产C7R14R12R13D3D4C13C12200uFR21R20D6D5C11R19R17C10运放1管脚输出端1122334455667788U3LM358振荡电路输出信号R15RW10KGNDGNDGNDGNDGNDD109V图4振荡检测电路�ele169�com|21电子电路设计与方案生报警信号。■2.5报警电路报警电路主要用于检测到金属物质时产生红色光报警信息和鸣叫或振动声报警信息。声报警电路主要由选择开关S、保护二极管D9、D10、电阻R4、蜂鸣器、偏心电机及开关三极管Q2构成；光报警电路由9V电源、限流电阻R9、R10、开关三极管Q3和红色发光二极管D2组成，电路如图5所示。触发电路报警的信号由振荡检测电路中的集成运放①脚产生。R4D94148D114148偏心电机Q2S8085Q3S8085R101MR5R91.5K+91管脚输入端+9D2RED图5声光报警电路当集成运放①管脚输出低电平时，电路不报警，此时三极管Q2、Q3均处于截止状态，声报警电路没有形成通路，无论蜂鸣器和偏心电机均不响，且低电平信号无法使发光二极管D2导通，所以红色二极管不点亮，只有正常工作的绿色指示灯D1点亮；当集成运放①管脚输出高电平时，电路报警，此时三极管均处于导通状态，则蜂鸣器响或偏心电机振动，且由于发光二极管三极管Q3导通，因此，正常工作的绿色指示灯D1被三极管的集-射极短路、不亮，红色发光二极管D2因为①脚输出的高电平信号而正向导通、被点亮。3结束语为验证金属探测器电路设计的正确性，本设计中采用虚拟仿真和实际搭建电路两种方式对主要功能电路进行了验证，虚拟仿真软件采用Multisim10。其中，对图3中的高频振荡电路和图4中的振荡检测电路采用了借助虚拟仿真的手段对电路的主要器件参数进行了设定，并验证了电路原理功能的正确性；对图2中的电源电路和图5中的声光报警电路则采用了实际搭建电路和电路实测的方法进行功能验证和主要器件参数的确定。电路的PCB尺寸约为71mm×71mm，十分小巧，该设计通过设定参数，完全可以实现对微小金属的精准探测。参考文献＊[1]戚茂会，王东平，余峰，章丽丽.一种新型金属探测器的设计[J].电子测试.2012年8月，第8期，59~63.＊[2]刘慧娟，张奕黄.一种数字式金属探测器的设计[J].仪器仪表学报.2004年8月，第25卷第4期增刊，362~363.图5系统软件流程图参考文献＊[1]刘子敬.基于电容耦合的父进程心电测量系统研究[D].哈尔滨工业大学，2015.＊[2]谢顺，张一斌.基于STM32的心电采集仪设计[J].电子科技，2014,2(4).＊[3]杨攀.非接触式心电信号监测系统研究[D].浙江大学，2013.＊[4]张旭东，刘陈，崔强强等.非接触式电机的便携式心电测量系统[J].中国医疗器械杂志，2014,(3):168-170.＊[5]周平，汪丰，马腾飞，李洲铖.电容式非接触心电传感器的设计[J].仪表技术与传感器，2013,(8)：5-7.＊[6]刘火良，杨森.STM32开发实战指南[M].北京:机械工业出版社，2013.5.（上接第23页）