专利名称：大距离智能金属探测器的制作方法
技术领域：
本发明属于无损电磁检测技术领域，特别涉及一种基于AVR单片机的大距离智能金属探测器。
背景技术：
金属探测器广泛应用于各个探测技术领域，根据基本原理和检测线路，其可分为差拍式、自激感应式、功率吸收式和平衡式。目前通常采用平衡式，该类金属探测器可以得到较高的灵敏度，检测精度高，还具有测量距离大的优点。采用完全模拟电路的平衡式金属探测器由模拟电路主动产生发射信号，比较电路发生调制方波，显示器为指针式毫伏表头。虽然，采用完全模拟电路的金属探测器具有线路简单、功能易实现的优点，但采用模拟电路的金属探测器存在抗干扰性差、稳定性弱、参数调整困难等诸多缺点。
国内外关于智能金属探测器的专利或专利申请，如美国专利号5786696，发明名称 METAL DETECTOR FOR IDENTIFYING TARGET ELECTRICALCHARACTERISTICS，DEPTH AND SIZE(能够探测金属物体类别及深度和大小的金属探测器)，中国专利申请号200410067572.8，名称为智能金属探测器，上述专利或专利申请的技术方案均采用高成本的DSP芯片和单片机的数字化方案来克服采用模拟电路金属探测器所存在的缺点。但上述两个技术方案均存在成本高、电路复杂的缺点。
发明内容
本发明提供一种成本低、电路简单、检测距离大的基于AVR单片机的智能金属探测器。
本发明所采取的技术方案大距离智能金属探测器，包括AVR单片机智能判定及人机对话系统(1)、发射线圈组(2)、接收线圈(3)、接收电路(4)、波型转换选频功放综合电路(5)、开关型调制有效值低通滤波综合电路(6)、电流电压转换电路(7)、参考电平保持及飘移补偿综合电路(8)、负电源稳压模块式整机电源电路(10)；AVR单片机产生方波信号经波型转换选频功放综合电路(5)处理后，由发射线圈组(2)发射建立电磁场；接收线圈(3)采集的信号经接受电路(4)调整后，由开关型调制有效值低通滤波综合电路(6)整理成可控的有效值电平，针对该有效值电平的飘移情况，通过电流电压转换电路(7)进行处理得到易识别的大电压信号；AVR单片机智能判定及人机对话系统(1)可选择不同的工作模式，并根据相应的工作模式对该大电压信号进行判断，在液晶上显示出有无金属或金属类型、大小等判断结果；参考电平保持及飘移补偿综合电路(8)为电流电压转换电路(7)提供一指定环境下的比较电平，并对仪器温度变化等因素所产生的缓慢的信号飘移进行补偿；负电源稳压模块式整机电源电路(10)提供整机工作电压。
所述的大距离智能金属探测器，还包括声响电路(9)，该声响电路(9)为一变频信号的功放电路，声音频率与电流电压转换电路(7)输出的电压值相关联。
所述的大距离智能金属探测器，发射线圈组(2)由大小不同的发射线圈组成，两发射线圈呈非对称式分布在接收线圈(3)的内外两侧，小发射线圈与接收线圈同心，大发射线圈与接收线圈偏心。
所述的大距离智能金属探测器，选用AVR ATmega系列单片机一只，该单片机内自带非易失程序及数据存储单元，具有在线编程能力，自带十位AD转换模块、两路PWM功能模块及多路IO，其极为方便地与点阵式或字符型液晶、键盘组成AVR单片机智能判定及人机对话系统(1)；单片机输出三路(A’、B’、C’)方波信号，接收两路(D’、E’)直流电平转换信号，输出一路(F’)声频变频信号，输出一路(G’)数字电平作为开关型调制有效值低通滤波综合电路(6)中的两路低通滤波信号的选通开关信号；键盘输出一路(H’)参考电平保持及飘移补偿综合电路(8)所需的复位信号。
所述的大距离智能金属探测器，单片机产生一路(A’)5～200KHz的方波由波型转换选频功放综合电路(5)转换为正弦波，经过发射线圈组(2)向外部发射，建立电磁场。
所述的大距离智能金属探测器，波型转换选频功放综合电路(5)包括互感器、三极管、磁芯电感、电阻R11、电阻R12、电容C11、电容C12，单片机产生的一路(A’)方波由该电路(5)进行选频功率放大，转换成正弦波传送至发射天线。
所述的大距离智能金属探测器，开关型调制有效值低通滤波综合电路(6)包括放大器A、B、C、D、集成电路CD4053、电阻R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7、R8、R9、R10、电容C1、C2、C3、C4、C5、C6，交流信号由电容C1引入，直流电平由D’电平信号端输出，单片机产生的两路(B’、C’)方波信号操纵电子开关的通断时序，产生的通道选择信号操纵两路积分电平的合成。
所述的大距离智能金属探测器，参考电平保持及飘移补偿综合电路(8)的单放大器、电容C21、电阻R26、R27、R22组成积分器，双比较器LM393、电阻R20、R21、R22、R23、R24、R25、二极管D1、D2组成补偿电压翻转电路，电阻R28、R29、R30、R31、R32、二极管D3、D4、D5、电容C22、RESET按键开关、负电源及场效应管组成强补偿比较电平跟随开关电路。
根据电磁场理论，两个发射线圈产生的交变磁场在接收线圈中分别产生一个同频率、反相、差幅的感应电动势，两者相消即形成接收平衡。在交变磁场中的金属由于涡流效应或磁效应将产生一个附加磁场，破坏一次场的磁力线分布，该附加磁场又称为二次场。涡流效应与电导率相关，磁效应与磁导率相关。目标金属所产生的二次场会使接收线圈中电流的大小和相位发生变化。非铁磁性金属电导率较大，它包括顺磁体和抗磁体，顺磁体如钛、锰，抗磁体如金、银，可以认为是导电不导磁的物质，主要产生涡流效应；铁磁性金属导磁率很大，如铁、镍、钴，电导率也较大，可以认为是即导电又导磁物质，主要产生磁效应，同时又有涡流效应。不同类型的金属或不同大小、形状的金属产生的二次场对一次场的影响不同。因此，可以通过对接收线圈的信号处理来判断是否存在金属或判断金属类别及同类金属的大小。
本发明的AVR单片机发出三路同频异相方波信号，第三路方波相位可智能调整，三路方波分别用于发射信号及接收信号有效值的提取。本发明通过对接收线圈的信号进行电压有效值转换，比较有无影响二次电场的有效值，电流电压转换电路可取得伏/纳伏级电压转换，根据有效值的差异智能判断是否存在金属或判断金属类别及同类金属的大小。
本发明的金属探测器有地平衡、大于、等于三种工作模式。地平衡模式平衡掉环境的二次场影响。在地平衡模式下，在无金属状态下按复位键仪器自动记忆环境影响下的状态值。当对不同二次场检测时，通过比较初始状态值判定是否存在金属及判断金属类别。大于、等于模式用于固定距离内识别同类金属大小的工作。大于、等于两种模式下按复位健仪器记忆标准金属块影响下的状态值。当对不同二次场检测时，通过比较初始状态值智能判断同类金属的大小。
本发明的金属探测器采用AVR单片机数字技术与模拟电路相结合，同时采用AVR单片机完成人机对话功能，实现智能化参数调整，并提高了金属探测器的稳定性和抗干扰性，从根本上改变了采用完全模拟电路技术方案的缺陷；本发明还具有低成本、电路简单、探测距离大的优点。
本发明的金属探测器可用于地下金属探测、地下管线探测、物理探矿，也适用于所有需要检测金属物的行业，如食品、医药、纺织、服装、玩具等，能将混入其中的金属颗粒检测出，确保食品、人身及工程作业的安全。
图1为基于AVR单片机的大距离智能金属探测器的系统框图。
图2为开关型调制有效值低通滤波综合电路。
图3为波型转换选频功放综合电路。
图4为参考电平保持及飘移补偿综合电路。
具体实施例方式
下面结合附图对本发明实施例作详细说明。
如图1所示，选用AVR ATmega系列单片机一只，单片机内自带非易失程序及数据存储单元，具有在线编程能力，自带十位A D转换模块、两路PWM功能模块及多路IO口，其极为方便地连接点阵式液晶或字符型液晶与输入键盘组成AVR单片机智能判定及人机对话系统1。AVR单片机产生A’、B’、C’三路同频异相方波，频率选定5~200KHz范围内的一固定值。A’路方波经过波型转换选频功放综合电路5转换成正弦波后，由发射线圈组2发射而建立一相对衡定的电磁场。发射线圈组2由两个大小不等的线圈组成，大小线圈呈非对称式分布于接收线圈3的内外两侧，小发射线圈与接收线圈同心，大发射线圈与接收线圈偏心。B’路方波为一与接收电磁波固定45度相移的方波，C’路方波为一与接收电磁波相位有0至180度相位差可调的方波，B’、C’两路方波进入开关型调制有效值低通滤波综合电路6来操纵调制开关的通断。接收线圈3采集的电磁波信号通过接收电路4、开关型调制有效值低通滤波综合电路6后整理成为一个可控的直流电平信号D’，直流电平信号D’再经过I/U转换电路即电流电压转换电路7转换成为偏离于中电位的与电磁场受金属影响所至变化相关的直流电压信号E’，直流电压信号E’是一个易识别的大电压信号。参考电平保持及飘移补偿综合电路8给电流电压转换电路7提供一指定环境下的比较参考电平，并对探测器温度变化等因素产生的缓慢信号飘移进行补偿。AVR单片机智能判定及人机对话系统1对D’、E’电压值进行AD转换，根据两个数值来判定有无金属、金属类型、金属大小，或在操作过程中对C’路方波选取相位调节值以使仪器适用于现场工作环境。AVR单片机智能判定及人机对话系统1为用户提供一提示明确、操作简便的液晶显示键盘操作系统，液晶显示用于显示图形、文字，从而实现智能化控制。声响电路9为一变频信号的功放电路，声音频率与电流电压转换电路7输出的电压值相关，用于当判断出现符合条件的金属时的语音提示。负电源稳压模块式整电源电路10处理九伏电池直流电源，提供整机五伏工作电压及复位开关所需的负电压。
如图2所示为波型转换选频功放综合电路5。AVR单片机产生的A’路方波由R11输入，电阻R11、R12、功率三极管、电容C11、互感器及电源VDD构成基本的三极管集电极功率放大电路，将A’路方波信号功率放大输出，电感C1、C2、电容C11构成LC选频电路，选择出同频正弦波信号，电容C12及磁心电感将功率放大后的正弦波信号输出至发射天线建立电磁场。
如图3所示为开关型调制有效值低通滤波综合电路6。由电路图可知，电容C1将经接收线圈和接收电路处理得到的交流信号耦合到两放大器A、B。A为同相信号跟随，B为异相跟随。放大器A的输出进入电子开关的X0、Y0通道。放大器B的输出进入电子开关的X1、Y1通道，由B’、C’两路方波控制电子开关的通断以获取不同大小的电平信号D’。电子开关的通道选择信号用来控制电子开关Z0的通断，以选择探测器的工作模式。当Z0断开时，为地平衡工作模式；当Z0导通时，为大于、等于工作模式。放大器C与电阻R3、R5、R6、R7及电容C2、C3构成一路有效值低通滤波电路，放大器D与电阻R4、R8、R9及电容C4、C5、C6构成另一路有效值低通滤波电路，两路有效值低通滤波电路信号可以相互合成，调制前端输入信号处理得到电平信号D’。
如图4所示为参考电平保持及飘移补偿综合电路8。单放大器与电容C21、电阻R26、R27、R22组成积分器，双比较器LM393与电阻R20、R21、R22、R23、R24、R25、二极管D1、D2组成补偿电压翻转电路，电阻R28、R29、R30、R31、R32、二极管D3、D4、D5、电容C22、RESET按键开关、负电源及场效应管组成强补偿比较电平跟随开关电路。本电路的输入为电流电压转换电路7的输出信号，该信号与本电路的输出信号相关。RESET按键开关接通，当电流电压转换电路7的输出信号相对中电位为正时，本电路输出信号电平正向上升；反之当电流电压转换电路7的输出信号相对中电位为负时，本电路输出信号电平负向下降，影响电流电压转换电路7的输出信号，使电流电压转换电路7的输出信号相对中电位下降为零电位差，此时补偿到位。RESET按键开关断开后，比较电平得已保持。由于金属探测器周围环境因素的变化，在无金属物的干扰下，电流电压转换电路7的输出信号也将出现微量的飘移，以双比较器LM393为核心组成的补偿电压翻转电路对比较电平进行了微量补偿，保持探测器的稳定性。
本发明的金属探测器在采用大小不同天线盘的配置下，制造出不同探测距离的金属探测器，即可以设计出系列产品。如以600mm×600mm×6mm钢板最大感应检测距离计，在无干扰现场环境下，可分为1.50米、3.00米、4.50米、6.00米机型。
权利要求
1.大距离智能金属探测器，包括发射线圈组(2)、接收线圈(3)、接收电路(4)，其特征在于还包括AVR单片机智能判定及人机对话系统(1)、波型转换选频功放综合电路(5)、开关型调制有效值低通滤波综合电路(6)、电流电压转换电路(7)、参考电平保持及飘移补偿综合电路(8)、负电源稳压模块式整机电源电路(10)；AVR单片机产生方波信号经波型转换选频功放综合电路(5)处理后，由发射线圈组(2)发射建立电磁场；接收线圈(3)采集的信号经接受电路(4)调整后，由开关型调制有效值低通滤波综合电路(6)整理成可控的有效值电平，针对该有效值电平的飘移情况，通过电流电压转换电路(7)进行处理得到易识别的大电压信号；AVR单片机智能判定及人机对话系统(1)根据相应的工作模式对该大电压信号进行判断，并显示判断结果；参考电平保持及飘移补偿综合电路(8)为电流电压转换电路(7)提供一指定环境下的比较电平，并对产生的缓慢的信号飘移进行补偿；负电源稳压模块式整机电源电路(10)提供整机工作电压。
2.根据权利要求1所述的大距离智能金属探测器，其特征在于还包括声响电路(9)，声响电路(9)为一变频信号的功放电路，声音频率与电流电压转换电路(7)输出的电压值相关联。
3.根据权利要求1所述的大距离智能金属探测器，其特征在于发射线圈组(2)由大小不同的发射线圈组成，两发射线圈呈非对称式分布在接收线圈(3)的内外两侧，小发射线圈与接收线圈同心，大发射线圈与接收线圈偏心。
4.根据权利要求1所述的大距离智能金属探测器，其特征在于选用AVR ATmega系列单片机一只，与点阵式或字符型液晶、键盘组成AVR单片机智能判定及人机对话系统(1)；单片机输出三路(A’、B’、C’)方波信号，接收两路(D’、E’)直流电平转换信号，输出一路(F’)声频变频信号，输出一路(G’)数字电平作为开关型调制有效值低通滤波综合电路(6)中的两路低通滤波信号的选通开关信号；键盘输出一路(H’)参考电平保持及飘移补偿综合电路(8)所需的复位信号。
5.根据权利要求1或3或4所述的大距离智能金属探测器，其特征在于单片机产生一路(A’)5～200KHz的方波由波型转换选频功放综合电路(5)转换为正弦波，经过发射线圈组(2)向外部发射，建立电磁场。
6.根据权利要求1或4所述的大距离智能金属探测器，其特征在于波型转换选频功放综合电路(5)包括互感器、三极管、磁芯电感、电阻R11、电阻R12、电容C11、电容C12，单片机产生的一路(A’)方波由该电路(5)进行选频功率放大，转换成正弦波传送至发射天线。
7.根据权利要求1或4所述的大距离智能金属探测器，其特征在于开关型调制有效值低通滤波综合电路(6)包括放大器A、B、C、D、集成电路CD4053、电阻R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7、R8、R9、R10、电容C1、C2、C3、C4、C5、C6，交流信号由电容C1引入，直流电平由D’电平信号端输出，单片机产生的两路(B’、C’)方波信号操纵电子开关的通断时序，产生的通道选择信号操纵两路积分电平的合成。
8.根据权利要求1或4所述的大距离智能金属探测器，其特征在于参考电平保持及飘移补偿综合电路(8)的单放大器、电容C21、电阻R26、R27、R22组成积分器，双比较器LM393、电阻R20、R21、R22、R23、R24、R25、二极管D1、D2组成补偿电压翻转电路，电阻R28、R29、R30、R31、R32、二极管D3、D4、D5、电容C22、RESET按键开关、负电源及场效应管组成强补偿比较电平跟随开关电路。
全文摘要
本发明涉及大距离智能金属探测器包括AVR单片机智能判定及人机对话系统(1)等，单片机产生方波经波型转换选频功放综合电路(5)后，由发射线圈组(2)建立电磁场；接收线圈(3)采集信号经接受电路(4)后，由开关型调制有效值低通滤波综合电路(6)整理成可控的有效值电平，通过IU转换电路(7)得到易识别的电压信号；系统(1)对该电压信号进行判断；参考电平保持及飘移补偿综合电路(8)为IU转换电路(7)提供比较电平，并对信号飘移进行补偿；负电源稳压模块式整机电源电路(10)提供工作电压。本发明的金属探测器实现智能化参数调整，并提高了金属探测器的稳定性和抗干扰性；还具有低成本、电路简单、探测距离大的优点。
文档编号G01V3/12GK101025442SQ20071006776
公开日2007年8月29日 申请日期2007年3月26日 优先权日2007年3月26日
发明者赵晶, 向荣忠, 孟宪峰 申请人:赵晶