基于STM 32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 （濟南正平自動化設備有限公司，山東?濟南?250000）

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220 V給系統供電，由 于市電220 V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 220 V-DC 15 V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±15 V，然后利用傳統的LM78XX系列穩壓芯片得 到穩定的DC±12 V和DC 5 V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±12 V 合成的基準電壓0 V，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5 V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。

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本文來源于科技期刊《電子產品世界》2020年第03期第40頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處。