基于STM32金屬檢測(cè)和分離系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

田大軍 王金枝 高華婷 劉洪波

摘要：本系統(tǒng)包括金屬檢測(cè)器、控制電路和分離系統(tǒng)三部分。主要原理是有1個(gè)發(fā)射線圈，2個(gè)接收線圈，發(fā)射線圈，在通電后產(chǎn)生1個(gè)永久的交流電磁場(chǎng)，2個(gè)接收線圈互相連接，在有金屬經(jīng)過2個(gè)金屬線圈時(shí)都會(huì)產(chǎn)生信號(hào)變化，控制器在處理并判斷該信號(hào)之后，給出金屬信號(hào)。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(duì)提高食品的安全性及保護(hù)精密工業(yè)機(jī)器具有重要的意義。

關(guān)鍵詞：金屬檢測(cè);交流電磁場(chǎng);繼電器

0引言

隨著人們生活質(zhì)量的提高，對(duì)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(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要性也就日益顯現(xiàn)出來。

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)與探討了高精度金屬檢測(cè)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(jìn)行金屬檢測(cè)和分離。它可以快速檢測(cè)并自動(dòng)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(jī)和擠出機(jī)等設(shè)備上。作為金屬檢測(cè)設(shè)備，金屬檢測(cè)和分離系統(tǒng)廣泛用于塑料、添加劑或粉末狀材料的檢測(cè)，然后再進(jìn)行下一步處理，以保護(hù)后續(xù)設(shè)備。它也可以用于細(xì)粉產(chǎn)品，例如奶粉和化學(xué)添加劑，進(jìn)行質(zhì)量測(cè)試;以及食品工業(yè)，制藥工業(yè)，藥品和膠囊等細(xì)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(hù)成本和停機(jī)造成的損失，因此具有廣闊的應(yīng)用市場(chǎng)和社會(huì)價(jià)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(cè)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(hào)采集和處理、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、電源電路及簡(jiǎn)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(gè)頻率為（30-600）kHz可調(diào)的高頻交流電磁場(chǎng)，兩個(gè)接收線圈相互連接，在有金屬經(jīng)過接收線圈時(shí)，2個(gè)接收線圈接收到的電磁場(chǎng)信號(hào)不同，信號(hào)的相位和波幅引起信號(hào)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(hào)后，給出金屬信號(hào)。單片機(jī)STM32F103的I/O口將得到的金屬信號(hào)通過驅(qū)動(dòng)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(cè)與分離系統(tǒng)框圖如圖1所示。

2.1金屬檢測(cè)線圈

金屬檢測(cè)線圈結(jié)構(gòu)緊湊，由1個(gè)產(chǎn)生交變磁場(chǎng)的發(fā)射線圈和2個(gè)檢測(cè)磁場(chǎng)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(gè)線圈被檢測(cè)線圈包圍。如圖2所示，金屬檢測(cè)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(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，并且線圈的兩端都是接收線圈，因?yàn)?個(gè)接收線圈完全相同，間距相同，并且感測(cè)信號(hào)完全相同。當(dāng)金屬雜質(zhì)穿過線圈時(shí)，位于接收線圈附近的高頻磁場(chǎng)將被磁感應(yīng)線依次切斷，相位和幅度的變化會(huì)引起信號(hào)的變化，并且接收線圈會(huì)發(fā)送該變化到差分放大電路進(jìn)行處理。

理想的狀態(tài)是原料產(chǎn)品和檢測(cè)到的金屬雜質(zhì)信號(hào)相位成90°角，這樣金屬雜質(zhì)被成功檢測(cè)到，如圖3所示。但是大多數(shù)情況下檢測(cè)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(cè)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(cè)到金屬雜質(zhì)的，這是本系統(tǒng)設(shè)計(jì)所存在的缺點(diǎn)。

2.2主控制芯片

系統(tǒng)以sTM32F103單片機(jī)為主控制芯片，該芯片現(xiàn)在是大眾化市場(chǎng)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(jì)和后期調(diào)試過程也相對(duì)簡(jiǎn)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(jì)，完全能滿足系統(tǒng)可靠和穩(wěn)定運(yùn)行的能力。

2.3電源電路

該系統(tǒng)對(duì)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220V給系統(tǒng)供電，由于市電220V各個(gè)地方會(huì)有波動(dòng)或者不穩(wěn)定，就會(huì)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(gè)AC 220V-DC 15V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±15V，然后利用傳統(tǒng)的LM78XX系列穩(wěn)壓芯片得到穩(wěn)定的DC±12V和DC 5V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(yùn)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(hào)和接收線圈接收到的信號(hào)進(jìn)行濾波放大，將分析處理后金屬信號(hào)最后傳給單片機(jī)，由單片機(jī)做出判斷和處理。該處三極管BCP56-16T1G的基級(jí)是有DC±12V合成的基準(zhǔn)電壓0V，所以容易受到外圍電路電壓的影響，故對(duì)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(jì)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(shí)鐘和負(fù)載DAC具有獨(dú)立的控制電路設(shè)計(jì)，使用戶可以完全控制數(shù)據(jù)負(fù)載和模擬輸出。

該電路包括1個(gè)12位串行輸入、并行輸出移位寄存器，1個(gè)12位DAC寄存器，1個(gè)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(jìn)入輸入寄存器。當(dāng)輸入新的數(shù)據(jù)字時(shí)，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(shí)功能，可減少定時(shí)設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)和微處理器等待狀態(tài)。對(duì)于需要異步清零或更強(qiáng)大的微處理器接口邏輯的應(yīng)用，DAC8043利用5V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(jì)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(cè)線圈內(nèi)部通道，在檢測(cè)線圈檢測(cè)到金屬雜質(zhì)時(shí)，單片機(jī)就會(huì)通過驅(qū)動(dòng)電路控制繼電器，從而控制外部機(jī)械設(shè)備自動(dòng)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(dāng)然可以根據(jù)實(shí)際需要設(shè)計(jì)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(jī)驅(qū)動(dòng)的2個(gè)8位數(shù)碼管，其主要作用是簡(jiǎn)單顯示錯(cuò)誤代碼以及檢測(cè)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(shí)的一些提示信息，提高系統(tǒng)的可視性。

3結(jié)語

金屬檢測(cè)與分離系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是依據(jù)電和磁的原理對(duì)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(jìn)而對(duì)此小脈沖進(jìn)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(dá)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(chǎng)合。產(chǎn)品的安全性和質(zhì)量將提高到一個(gè)新的水平，并有良好的市場(chǎng)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(dāng)原料和金屬雜質(zhì)的相角或相角相對(duì)均勻時(shí)，會(huì)影響金屬雜質(zhì)的檢測(cè)。將來，應(yīng)該努力解決缺點(diǎn)，以進(jìn)一步改善系統(tǒng)并提高系統(tǒng)的可靠性。