食品流水線安全探測裝置設計

李歡

(西安科技大學高新學院 信息與科技工程學院，陜西西安，710109)

0 引言

隨著科學技術的發展和人們的生活水平不斷的提高,人們對于生活的需求也在不斷的提升。尤其食品安全這方面，如果入場食用的食物中混著金屬雜質則可能會產生非常嚴重的后果。因此，國內外對金屬探測器的研究與應用越來越受到廣泛的重視。近年來食品安全的關注度也一再提高，在食品生產加工、食品的外部包裝、衣物的生產制造、木料的加工等等都需要對其進行產安全監測,判斷其是否符合我們的實際安全需求,是否存在有威脅人體健康的物質。根據全國安全食品技術委會的規定，所有加工生產的產品必須要符合“危害分析及臨界控制點”的規定,防止因為危害物質超標而對人體的健康造成影響[1]。

近幾年以來,食品安全事故多發，因此對于食品安全檢測來說就顯得意義重大。傳統的金屬探測器經歷了多次改良發展，已經從原來最簡單的信號模擬技術一直不斷發展進步改良到了現在的連續波技術以及現代科技化十足的數字脈沖技術，能夠很好的克服檢測的局限性，并且創新性的將磁場切割這一物理原理用到了檢測裝置中來，為目前的金屬檢測器提供極為精準的探測、精細的靈敏度、高清分辨率、超強儀器性能上都有了一個顯著的提高。

金屬探測器的使用可以有效地發現并防止異物進入到生產流水線的產品之中。本文主要針對食品生產過程中的金屬異物檢測的問題進行研究，并給出相應的設計方案。

1 總體設計

1.1 設計原理

金屬檢測裝置的主要原理是采用線圈的電磁感應。對于半徑大小為R的單匝圓型線圈，當給線圈通入交流電時，線圈的周圍就會有交變磁場的產生。根據畢奧薩伐爾定律可以判斷出該線圈的軸心出磁感線的感應強大小為B為[2]：

其中μ=μ0μr，μ為介質的磁導率，μr為相對磁導率，μ0為真空磁導率。

由公式(1)假設線圈可檢測范圍之內不存在金屬材料（即物質不具有磁導率屬性，μr=1）線圈處于最中心位置的磁感應強度B大小不改變。當線圈可檢測范圍之內存在金屬物質（即具有磁導率屬性μr＞1）。其線圈周圍的感應強度大小B隨μr增大。

當線圈附近存在非磁性的金屬物質時μr＜1,由于金屬本身的磁導率改變了線圈周圍的磁場,所以使線圈周圍的磁感應強度隨隨μr降低。由此可見,使線圈磁感應發生變化是由金屬的磁導率決定的。

1.2 渦流效應

當金屬進入變化的磁場中，金屬內部會產生感生電動勢，由于金屬有內阻，所以就會有感應電流的出現，感應電流會沿著金屬內部的閉合回路流動，電流流動的情況就像旋渦，所以被稱為渦電流，簡稱渦流。

用導線繞成線圈，并給線圈通入交流電，那么線圈就產生交變磁場。將金屬放入線圈磁場中，金屬內部就會產生渦流[4]。渦流會產生磁場且與線圈產生的磁場的相位相反，會對線圈產生的磁場產生削弱作用,即會減小原磁場的頻率。渦電流的強度大小和金屬物質的電導率δ、線圈中的電流的頻率ω成正比，即渦電流越大，抑制原磁場的能力就越強[3]。

1.3 基于霍爾元件的金屬探測裝置

基于霍爾元件的金屬探測裝置由振蕩電路、探測線圈、霍爾元件、放大電路、峰值檢波電路、AD轉換、單電機系統、液晶顯示和報警電路組成。

在霍爾半導體片兩端通電流I，并在垂直方向施加磁感應強度B，在霍爾半導體的兩側會產生電動勢U。基于霍爾元件的金屬探測裝置原理圖如圖1所示。

圖1 基于霍爾元件的金屬探測裝置

1.4 設計思路

通過分析表明，在線圈可檢測的范圍內，當有金屬材料慢慢靠近時，該金屬材質的物體內部會產生渦電流，渦電流產生的磁場會對原來的磁場造成影響，并使其頻率減小。用導線繞成線圈，并給線圈通入交流電，那么線圈就會產生交變磁場。通過實驗分析表明，在線圈可檢測的范圍內，當有金屬材料慢慢靠近時，金屬材質的物體內部產生的渦電流，會對原來的磁場造成影響。本文就是利用金屬的渦流效應，尋找一種合適的部件來感應渦流導致的線圈磁場頻率的變化，且能夠對這種變化量進行接收和處理,進而利用單片機實現控制，達到檢測異物的目的[5]。結合分析，給出總體設計的幾個部分。總體設計主要包含有振蕩電路、信號處理電路、控制器、液晶顯示和報警模塊五個部分構成，功能如下：

（1）振蕩電路：產生交變磁場，作為金屬檢測傳感器。

（2）信號處理電路：將正弦波轉化為方波，使單片機能夠接收由振蕩電路產生的信號。

（3）控制器：接收信號處理電路傳來的信號，驅動按鍵和蜂鳴器，并兼顧與LCD的通信。

（4）液晶顯示：顯示實時頻率和基準頻率，方便觀測頻率的變化及調整基準頻率。

（5）報警模塊：當探測到金屬，蜂鳴器發聲報警。

2 硬件部分設計

2.1 振蕩電路的設計

檢測金屬，交變磁場是必要條件，交變磁場由振蕩電路產生。在振蕩電路的選擇上，設計選擇了電容三點式振蕩電路，這是一種LC正弦波振蕩電路。

振蕩電路主要由選頻網絡、反饋、放大電路和穩幅環節構成，而電容三點式振蕩電路使用了三極管放大電路，由于三極管的非線性特性，使得三極管本身就可以作為穩幅環節使用，因此，不需要額外加入穩幅環節。

振蕩電路的主要原理：當給電容三點式振蕩電路通電時，電路會產生一個幅值很小的輸出量，它的頻率很豐富，但因為有選頻網絡的存在，電路只會對特定單一頻率的正弦產生正反饋，在反饋的過程中，輸出信號越來越大[6]。由于三極管的非線性特性，輸出信號的幅值不會無限增大，當輸出信號達到一定數值時，三極管的放大倍數會減小，電路成為一個動態平衡的系統。此時，輸出信號經過正反饋網絡放大，其作為放大電路的輸入信號，而這個輸入信號又通過放大電路成為輸入量。電容三點式振蕩電路的組成及參數如圖2所示。振蕩電路的頻率大小約為39KHz。

圖2 電容三點式振蕩電路

該振蕩電路的起振條件為：Au F>1

2.2 控制器的選擇

控制器選擇了性能高、功率低、有抗干擾能力強的單片機STC89C52RC，還可以同時實現8051型號芯片單片機的兼容[7]。且在功能上做出了創新。在設計中控制器的作用是測量經過信號處理電路轉化的波形的頻率，對比金屬進入磁場后的頻率和沒有金屬進入磁場范圍的頻率大小，與顯示模塊通信，顯示基準頻率和實時頻率，驅動蜂鳴器[8]。

2.3 信號處理電路

電壓比較器可以完美的實現對輸入信號的分析鑒別作用。在方案設計中，利用電壓比較器只輸出高電平和低電平兩種狀態的特性，將其作為信號處理電路使用。用電壓比較器實現波形的轉換，將正弦波轉化為單片機能夠接收的脈沖波信號[9]。

通過電位器調節電壓比較器的反向輸入端的電壓，使反向輸入端電壓略小于正向輸入端輸入的正弦波電壓的最大值，就能達到將正弦波轉化為方波的目的。

圖3為Multism仿真的LM393將正弦波轉化為脈沖波的電路圖。波形轉換結果如圖4所示。

圖3 電壓比較器LM393波形轉換電路圖

圖4 電壓比較器LM393波形轉換結果

2.4 顯示及報警部分

顯示模塊采用的型號為LCD1602。該模塊能夠顯示2*16個字符，用其顯示實時頻率和基準頻率。單片機通過程序驅動LCD1602、兩個微動開關和0905有源蜂鳴器，分別完成頻率的顯示、基準頻率調整和報警[10]。

3 軟件部分設計

軟件決定了系統的精確度、穩定性、實用性和智能性。程序主要分為兩個部分，數據處理和驅動外部電路。在編寫程序的時候把各個功能都寫成模塊，方便使用而且便于修改。而金屬探測器設計的軟件部分就是由各個模塊的協同工作來實現的。軟件需要實現頻率的測定、基準頻率設置、頻率比較、報警和數據顯示。

3.1 主程序流程

主程序包含了定時計數器的初始化、LCD1602的初始化和循環。其中循環包括實時頻率檢測、按鍵調整基準頻率、控制蜂鳴器開關報警。主程序的各個部分共同完成了根據磁場頻率的變化進行金屬探測的工作。

4 結論與展望

設計制作的實物能夠實現探測金屬的功能，適合食品流水線使用，有一定的經濟價值。但本設計的穩定性還有提升空間，頻率會在0.15kHz范圍波動，并且頻率比較低，這對探測較小金屬的靈敏度有比較大的影響。另外功能上還可以擴展：還可以增加外部擴展，如增加藍牙模塊與手機連接，可以進行實時的監控及對基準頻率的調整[11]。

隨著現代的通信技術以及計算機技術的不斷發展已經變得越發成熟,使金屬探測裝置的提升空間及可靠性及發展前景也越加的廣闊。

圖5 系統主程序流程圖