基于HMC1001的鐵磁金屬檢測系統設計

陳 凱， 秦會斌

(杭州電子科技大學 新型電子器件與應用研究所，浙江 杭州 310018)

0 引 言

磁性金屬檢測在現代社會生活中的應用越來越廣泛，軍事上可以用于探測地雷，工業上可以用來探測地下金屬便于采礦和冶金。磁性金屬檢測系統在生活中扮演的角色越來越重要，與此同時其功能和穩定性的提高與完善也越發重要。

國內金屬探測器的研究和發展目前多集中在安檢領域,出現了多個金屬探測器生產廠商，但從國內市場占有率看,國外品牌占有的市場份額中，民航市場一直沒有國產金屬探測器的出現[1]。其主要原因是技術不夠成熟，成本過高，實物不符合現實生活中的使用要求。

本文參考了當今金屬檢測先進技術，基于HMC1001磁傳感器研制了一種操作便捷的磁性金屬傳感器。系統主要包括：采集模塊、信號放大模塊、A/D轉換模塊、傳感器復位脈沖、STM32單片機最小系統。

1 磁傳感器工作原理

HMC1001內置4個磁阻組成惠斯頓電橋，將磁場轉換為電壓。正常磁電阻效應來源于磁場對電子的洛侖茲力,導致載流子運動發生偏轉或產生螺旋運動,使電子碰撞幾率增加,電阻值增大。正常磁阻效應包括物理磁阻效應和幾何磁阻效應[2]。當外部磁場平行于傳感器內部電流所形成的磁場時，傳感器內部電阻值不發生變化;當外部磁場與內部磁化方向不一致時，電阻值大小發生變化[3]。

2 硬件系統框架結構設計

硬件的框架結構如圖1所示，HMC1001磁阻傳感器將采集的磁場信號轉換成電壓信號，由于傳感器能感應的強度低至30 μGs，其對應電壓為0.12 μV，對采集到的電壓進行放大，并通過一個16位A/D采集芯片，將模擬信號轉換為數字信號，用于單片機處理。當信號高于設定閾值時，單片機控制蜂鳴器報警。

圖1 系統硬件框圖

2.1 放大器設計

MHC1001輸出為差模信號，在傳輸過程中易引入共模信號，使用儀表放大器AMP04消除共模信號，并進行信號放大，其功能框圖如圖2所示。

圖2 AMP04功能框圖

在AMP04的5號引腳施加電壓可以用來校正偏移電壓，放大器的放大倍數由1號引腳和8號引腳之間的電阻值決定，其放大倍數為

G=100 kΩ/RGAN

2.2 置位/復位電路

大多數低磁傳感器在大于4Gs環境下會被干擾，為了消除這種干擾，并使輸出信號最優化，使用磁開關技術。在HMC1001的S/R引腳施加一個電流大于4 A、脈寬大于2 μs的脈沖電流，即可降低噪聲并提高靈敏度。其復位電路如圖3所示。

圖3 置位/復位電路

S/R口的內部電阻值只有4.5 Ω，外部電路中的引線電子和S/R引腳處的0.22 μF電容器的內阻值可能使置位/復位電壓分壓，從而導致復位電流和脈寬未達到要求，因此，需要盡可能減短引線的長度，并使用低阻抗的鉭電容器或者瓷片電容器。

2.3 電源模塊

系統中使用了3.3，5，20 V共3個電壓，輸入電壓使用4節鋰電池串聯供電。對應3.3 V和5 V電壓，先利用TPS54331進行降壓處理。TPS54331輸入電壓范圍為 3.5～28 V,輸出電流達到3 A,封裝形式為 SOIC8，PCB 布局方便[4]。其中5 V電壓工作電路如圖4所示。

圖4 TPS54331工作電路

置位/復位電路中需要用到16～20 V的電壓，需要對電壓進行升壓后再對其進行供電。MAX662a可以將5 V電壓轉換成20 V電壓給置位/復位電路供電。

3 軟件系統設計

3.1 軟件流程

軟件系統基于STM32處理實現，包括STM32對CS5509進行串行數據采集，由于數據中包含一些誤采集信號和雜波信號，需要對這些數據進行濾波處理，根據實際環境設定的閾值做出處理，軟件的流程如圖5所示。

圖5 軟件流程

3.2 數字濾波算法

數字濾波算法能夠減少外界環境對采樣數據的干擾，提高測試數據的穩定性與準確性，在進行數據處理之前，一般先對采樣數據進行數字濾波。數字濾波是模擬濾波器的補充，不需要增加任何硬件設備，可以多個輸入通道共用一個數字濾波程序，并且能夠對頻率很低的信號實現濾波，以克服模擬濾波器的缺陷[5]。

常用的數字濾波算法有：中值濾波、算術平均值濾波、限幅濾波。但是每種算法都存在一定的缺點[6～8]，為此采用復合濾波算法。

復合數字濾波法更有利于去除干擾:利用限幅濾波去除過大或過小的數據；利用中值濾波法濾除由于脈沖干擾偏差的采樣值；將剩余的采樣值做算術平均。這種方法既可以去掉脈沖干擾，又可以對采樣值進行平滑處理。在高、低速數據采集系統中，復合數字濾波能夠有效削弱干擾，提高數據質量。

4 實驗結果

利用一扇磁性金屬材料的鐵門，在傳感器的測量方向上檢測采集的電壓值。

當磁傳感器向鐵門靠近時采集的電壓出現明顯下降波動，電壓隨著距離的增加而減小，可以檢測到金屬物體。CS5509是16位A/D采樣芯片，基準電壓電壓為3.3 V，因此，能采集到的最小電壓為3.3/216=50.354 μV,對于一些

小信號傳感器和單片機均無法檢測到。其對應的最小電壓會因外界磁場的干擾不斷波動，因此，無法準確判定較遠距離處磁性金屬。最終檢測數據如圖6所示。

圖6 檢測電壓

5 結束語

提出了基于HMC1001的鐵磁金屬檢測系統設計。將電壓信號通過差分放大電路進行放大，以獲得可以處理的電壓信號，通過對電路進行優化使傳感器工作更加穩定和準確。實驗表明：基于HMC1001鐵磁金屬檢測系統可以準確探測到一定范圍內的磁性金屬，系統體積小，性能穩定，適用于各種復雜的工作環境。

參考文獻:

[1] 孫麗兵.智能雙頻金屬探測器的研究[D].南昌：南昌大學,2008.

[2] 張海峰,劉曉為,王喜蓮,等.磁電阻效應的原理及其應用[J].哈爾濱工業大學學報,2008,40(3):362-366.

[3] 陳國棟,王 祥,王建紅,等.磁阻傳感器在六臂井徑測井儀中的應用[J].傳感器與微系統,2016,35(7):150-153.

[4] 梁 冰.高速線陣CCD圖像采集系統的設計[D].合肥：合肥工業大學,2010.

[5] 唐小偉.數據采集系統中溫度數據的數字濾波算法分析[J].真空與低溫,2010,16(1):47-50.

[6] 任克強,劉 暉.微機控制系統的數字濾波算法[J].現代電子技術,2003(3):15-18.

[7] 張玉珊,崔金玲.數據采集系統中的數字濾波方法研究[J].河南機電高等專科學校學報,2007,15(3):23-25.

[8] 楊 劍,劉光斌.單片機系統中應用的幾種數字濾波方式[J].網絡新媒體技術, 2006,27(1):114-116.