基于STM32金属检测和分离系统的设计与实现

田大军 王金枝 高华婷 刘洪波

摘要：本系统包括金属检测器、控制电路和分离系统三部分。主要原理是有1个发射线圈，2个接收线圈，发射线圈，在通电后产生1个永久的交流电磁场，2个接收线圈互相连接，在有金属经过2个金属线圈时都会产生信号变化，控制器在处理并判断该信号之后，给出金属信号。通过继电器控制输出给剔除装置，将带有金属杂质的物料清除出去，对提高食品的安全性及保护精密工业机器具有重要的意义。

关键词：金属检测;交流电磁场;继电器

0引言

随着人们生活质量的提高，对饮食安全和药品安全要求越来越高，相应的安全问题也就得到人们的更加重视，相应产品的金属检测系统设计的重要性也就日益显现出来。

本系统设计与探讨了高精度金属检测系统，该系统可用于塑料、食品、化工和其他行业的原料中进行金属检测和分离。它可以快速检测并自动分离原材料中的铁、铜、铝和不锈钢等金属杂质，还可以安装在注塑机和挤出机等设备上。作为金属检测设备，金属检测和分离系统广泛用于塑料、添加剂或粉末状材料的检测，然后再进行下一步处理，以保护后续设备。它也可以用于细粉产品，例如奶粉和化学添加剂，进行质量测试;以及食品工业，制药工业，药品和胶囊等细粉产品的组合。这样可以保证和提高设备的生产效率，相应也更能提高产品的质量，减少设备维护成本和停机造成的损失，因此具有广阔的应用市场和社会价值。

1系统原理及结构

从结构方面看，该系统可以分成金属检测器、控制器以及分离系统三大部分。同轴线圈包括起振电路、发射线圈和接收线圈;控制器信主要包括信号采集和处理、模数转换电路、电源电路及简单的数码管显示电路等。分离系统包括继电器及相应的剔除装置。其原理是发射线圈通电后产生1个频率为（30-600）kHz可调的高频交流电磁场，两个接收线圈相互连接，在有金属经过接收线圈时，2个接收线圈接收到的电磁场信号不同，信号的相位和波幅引起信号的变化，利用检波及放大电路、DAC数模转换电路等，在接收处理并判断信号后，给出金属信号。单片机STM32F103的I/O口将得到的金属信号通过驱动电路，来控制继电器输出给分离器，将含有金属杂质的原料分离出去。

2系统的功能组成

从功能方面，该系统主要包括振荡电路、同轴线圈、检波与放大电路、电源电路、模数转换电路、数码管显示和剔除装置等。

金属检测与分离系统框图如图1所示。

2.1金属检测线圈

金属检测线圈结构紧凑，由1个产生交变磁场的发射线圈和2个检测磁场感应变化的接收线圈组成。发射线圈和接收线圈是同轴固定并且没有偏移。发射线圈和接收线圈均采用漆包线缠绕，外表面由尼龙材料固定，稳定性高，整个线圈被检测线圈包围。如图2所示，金属检测线圈、发射线圈和接收线圈的示意图彼此完全平行，中间是发射线。高频交流电会产生磁场，并且线圈的两端都是接收线圈，因为2个接收线圈完全相同，间距相同，并且感测信号完全相同。当金属杂质穿过线圈时，位于接收线圈附近的高频磁场将被磁感应线依次切断，相位和幅度的变化会引起信号的变化，并且接收线圈会发送该变化到差分放大电路进行处理。

理想的状态是原料产品和检测到的金属杂质信号相位成90°角，这样金属杂质被成功检测到，如图3所示。但是大多数情况下检测到的原料和金属杂质不是理想的90°角，大多数是介于0～90°角，这样基本都能检测到，如图4所示是正常状态下的相位示意图，还有另外一种极端情况就是原料产品和金属杂质有着相同的相位角，这种情况下是无法检测到金属杂质的，这是本系统设计所存在的缺点。

2.2主控制芯片

系统以sTM32F103单片机为主控制芯片，该芯片现在是大众化市场产品，相应的外围电路、晶体振荡电路、复位电路和下载口程序等技术都非常成熟，硬件设计和后期调试过程也相对简单，且该芯片是基于要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用设计，完全能满足系统可靠和稳定运行的能力。

2.3电源电路

该系统对电源的要求比较高，而且芯片供电电压也不尽相同。本系统主要采用市电220V给系统供电，由于市电220V各个地方会有波动或者不稳定，就会给系统造成很大的干扰，影响系统的精度及造成误判，系统中主要采用了2个AC 220V-DC 15V电压转换模块及相应的滤波器和滤波电路，将电压转换为较为稳定的DC±15V，然后利用传统的LM78XX系列稳压芯片得到稳定的DC±12V和DC 5V电压，并配有相应的指示灯。这样得到的电压杂波少、稳定，而且受外界电压干扰比较少，可以满足控制系统可靠稳定地工作。

2.4检波与放大电路

检波放大电路主要是运放LT1122和NPN型三极管BCP56-16T1G组成，分别将由DAC8043数模转换的模拟信号和接收线圈接收到的信号进行滤波放大，将分析处理后金属信号最后传给单片机，由单片机做出判断和处理。该处三极管BCP56-16T1G的基级是有DC±12V合成的基准电压0V，所以容易受到外围电路电压的影响，故对供电电源要求比较高。

图5是部分检波与放大电路图。

2.5数模转换电路

根据系统电路的要求，系统使用DAC8043作为数模转换电路芯片。它是8引脚PDIP封装的高精度12位CMOS乘法DAC。DAC8043具有串行数据输入、双缓冲和出色的模拟性能，是电路板设计和应用的理想选择。另外，线性度的改善及增益误差性能的改善可以不需要调整设备，这样就可以减少元器件的数量。另外输入时钟和负载DAC具有独立的控制电路设计，使用户可以完全控制数据负载和模拟输出。

该电路包括1个12位串行输入、并行输出移位寄存器，1个12位DAC寄存器，1个12位CMOS的DAC和控制逻辑。串行数据在CLK脉冲的上升沿进入输入寄存器。当输入新的数据字时，DAC寄存器通过LD输入引脚加载。DAC寄存器中的数据通过数模转换器（DAC）转换为输出电流。

DAC8043具有快速接口定时功能，可减少定时设计注意事项和微处理器等待状态。对于需要异步清零或更强大的微处理器接口逻辑的应用，DAC8043利用5V单电源供电，并采用其低功耗、高性能的解决方案。在系统中使用其单放大器电路，满足系统设计要求。具体应用电路如图6所示。

2.6剔除装置

原料产品需要经过传送带才能通过检测线圈内部通道，在检测线圈检测到金属杂质时，单片机就会通过驱动电路控制继电器，从而控制外部机械设备自动剔除含有金属杂质的原料产品，这就是剔除装置的原理。当然可以根据实际需要设计多种样式的剔除装置，以满足各种类型的原料产品的需要。

2.7数码管显示

数码管显示主要是单片机驱动的2个8位数码管，其主要作用是简单显示错误代码以及检测到的金属杂质数量等信息，辅助系统调试和系统正常工作时的一些提示信息，提高系统的可视性。

3结语

金属检测与分离系统的设计是依据电和磁的原理对产品中的金属杂质切割磁感线产生相位和幅度的小脉冲，进而对此小脉冲进行检波与放大处理的过程，然后去除含有金属杂质的原料，达到纯化原料的目的，可应用于食品和药品，以及工业塑料等场合。产品的安全性和质量将提高到一个新的水平，并有良好的市场应用。 但是，该系统仍然受到许多技术问题的困扰，例如周围工作环境的影响，當原料和金属杂质的相角或相角相对均匀时，会影响金属杂质的检测。将来，应该努力解决缺点，以进一步改善系统并提高系统的可靠性。