多功能金属探测器的研究与设计

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。

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。

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。