基于STM32金屬檢測和分離系統的設計與實現

田大軍 王金枝 高華婷 劉洪波

摘要：本系統包括金屬檢測器、控制電路和分離系統三部分。主要原理是有1個發射線圈，2個接收線圈，發射線圈，在通電后產生1個永久的交流電磁場，2個接收線圈互相連接，在有金屬經過2個金屬線圈時都會產生信號變化，控制器在處理并判斷該信號之后，給出金屬信號。通過繼電器控制輸出給剔除裝置，將帶有金屬雜質的物料清除出去，對提高食品的安全性及保護精密工業機器具有重要的意義。

關鍵詞：金屬檢測;交流電磁場;繼電器

0引言

隨著人們生活質量的提高，對飲食安全和藥品安全要求越來越高，相應的安全問題也就得到人們的更加重視，相應產品的金屬檢測系統設計的重要性也就日益顯現出來。

本系統設計與探討了高精度金屬檢測系統，該系統可用于塑料、食品、化工和其他行業的原料中進行金屬檢測和分離。它可以快速檢測并自動分離原材料中的鐵、銅、鋁和不銹鋼等金屬雜質，還可以安裝在注塑機和擠出機等設備上。作為金屬檢測設備，金屬檢測和分離系統廣泛用于塑料、添加劑或粉末狀材料的檢測，然后再進行下一步處理，以保護后續設備。它也可以用于細粉產品，例如奶粉和化學添加劑，進行質量測試;以及食品工業，制藥工業，藥品和膠囊等細粉產品的組合。這樣可以保證和提高設備的生產效率，相應也更能提高產品的質量，減少設備維護成本和停機造成的損失，因此具有廣闊的應用市場和社會價值。

1系統原理及結構

從結構方面看，該系統可以分成金屬檢測器、控制器以及分離系統三大部分。同軸線圈包括起振電路、發射線圈和接收線圈;控制器信主要包括信號采集和處理、模數轉換電路、電源電路及簡單的數碼管顯示電路等。分離系統包括繼電器及相應的剔除裝置。其原理是發射線圈通電后產生1個頻率為（30-600）kHz可調的高頻交流電磁場，兩個接收線圈相互連接，在有金屬經過接收線圈時，2個接收線圈接收到的電磁場信號不同，信號的相位和波幅引起信號的變化，利用檢波及放大電路、DAC數模轉換電路等，在接收處理并判斷信號后，給出金屬信號。單片機STM32F103的I/O口將得到的金屬信號通過驅動電路，來控制繼電器輸出給分離器，將含有金屬雜質的原料分離出去。

2系統的功能組成

從功能方面，該系統主要包括振蕩電路、同軸線圈、檢波與放大電路、電源電路、模數轉換電路、數碼管顯示和剔除裝置等。

金屬檢測與分離系統框圖如圖1所示。

2.1金屬檢測線圈

金屬檢測線圈結構緊湊，由1個產生交變磁場的發射線圈和2個檢測磁場感應變化的接收線圈組成。發射線圈和接收線圈是同軸固定并且沒有偏移。發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，穩定性高，整個線圈被檢測線圈包圍。如圖2所示，金屬檢測線圈、發射線圈和接收線圈的示意圖彼此完全平行，中間是發射線。高頻交流電會產生磁場，并且線圈的兩端都是接收線圈，因為2個接收線圈完全相同，間距相同，并且感測信號完全相同。當金屬雜質穿過線圈時，位于接收線圈附近的高頻磁場將被磁感應線依次切斷，相位和幅度的變化會引起信號的變化，并且接收線圈會發送該變化到差分放大電路進行處理。

理想的狀態是原料產品和檢測到的金屬雜質信號相位成90°角，這樣金屬雜質被成功檢測到，如圖3所示。但是大多數情況下檢測到的原料和金屬雜質不是理想的90°角，大多數是介于0～90°角，這樣基本都能檢測到，如圖4所示是正常狀態下的相位示意圖，還有另外一種極端情況就是原料產品和金屬雜質有著相同的相位角，這種情況下是無法檢測到金屬雜質的，這是本系統設計所存在的缺點。

2.2主控制芯片

系統以sTM32F103單片機為主控制芯片，該芯片現在是大眾化市場產品，相應的外圍電路、晶體振蕩電路、復位電路和下載口程序等技術都非常成熟，硬件設計和后期調試過程也相對簡單，且該芯片是基于要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式應用設計，完全能滿足系統可靠和穩定運行的能力。

2.3電源電路

該系統對電源的要求比較高，而且芯片供電電壓也不盡相同。本系統主要采用市電220V給系統供電，由于市電220V各個地方會有波動或者不穩定，就會給系統造成很大的干擾，影響系統的精度及造成誤判，系統中主要采用了2個AC 220V-DC 15V電壓轉換模塊及相應的濾波器和濾波電路，將電壓轉換為較為穩定的DC±15V，然后利用傳統的LM78XX系列穩壓芯片得到穩定的DC±12V和DC 5V電壓，并配有相應的指示燈。這樣得到的電壓雜波少、穩定，而且受外界電壓干擾比較少，可以滿足控制系統可靠穩定地工作。

2.4檢波與放大電路

檢波放大電路主要是運放LT1122和NPN型三極管BCP56-16T1G組成，分別將由DAC8043數模轉換的模擬信號和接收線圈接收到的信號進行濾波放大，將分析處理后金屬信號最后傳給單片機，由單片機做出判斷和處理。該處三極管BCP56-16T1G的基級是有DC±12V合成的基準電壓0V，所以容易受到外圍電路電壓的影響，故對供電電源要求比較高。

圖5是部分檢波與放大電路圖。

2.5數模轉換電路

根據系統電路的要求，系統使用DAC8043作為數模轉換電路芯片。它是8引腳PDIP封裝的高精度12位CMOS乘法DAC。DAC8043具有串行數據輸入、雙緩沖和出色的模擬性能，是電路板設計和應用的理想選擇。另外，線性度的改善及增益誤差性能的改善可以不需要調整設備，這樣就可以減少元器件的數量。另外輸入時鐘和負載DAC具有獨立的控制電路設計，使用戶可以完全控制數據負載和模擬輸出。

該電路包括1個12位串行輸入、并行輸出移位寄存器，1個12位DAC寄存器，1個12位CMOS的DAC和控制邏輯。串行數據在CLK脈沖的上升沿進入輸入寄存器。當輸入新的數據字時，DAC寄存器通過LD輸入引腳加載。DAC寄存器中的數據通過數模轉換器（DAC）轉換為輸出電流。

DAC8043具有快速接口定時功能，可減少定時設計注意事項和微處理器等待狀態。對于需要異步清零或更強大的微處理器接口邏輯的應用，DAC8043利用5V單電源供電，并采用其低功耗、高性能的解決方案。在系統中使用其單放大器電路，滿足系統設計要求。具體應用電路如圖6所示。

2.6剔除裝置

原料產品需要經過傳送帶才能通過檢測線圈內部通道，在檢測線圈檢測到金屬雜質時，單片機就會通過驅動電路控制繼電器，從而控制外部機械設備自動剔除含有金屬雜質的原料產品，這就是剔除裝置的原理。當然可以根據實際需要設計多種樣式的剔除裝置，以滿足各種類型的原料產品的需要。

2.7數碼管顯示

數碼管顯示主要是單片機驅動的2個8位數碼管，其主要作用是簡單顯示錯誤代碼以及檢測到的金屬雜質數量等信息，輔助系統調試和系統正常工作時的一些提示信息，提高系統的可視性。

3結語

金屬檢測與分離系統的設計是依據電和磁的原理對產品中的金屬雜質切割磁感線產生相位和幅度的小脈沖，進而對此小脈沖進行檢波與放大處理的過程，然后去除含有金屬雜質的原料，達到純化原料的目的，可應用于食品和藥品，以及工業塑料等場合。產品的安全性和質量將提高到一個新的水平，并有良好的市場應用。 但是，該系統仍然受到許多技術問題的困擾，例如周圍工作環境的影響，當原料和金屬雜質的相角或相角相對均勻時，會影響金屬雜質的檢測。將來，應該努力解決缺點，以進一步改善系統并提高系統的可靠性。