陳 凱， 秦會(huì)斌

(杭州電子科技大學(xué) 新型電子器件與應(yīng)用研究所，浙江 杭州 310018)

0 引 言

磁性金屬檢測(cè)在現(xiàn)代社會(huì)生活中的應(yīng)用越來越廣泛，軍事上可以用于探測(cè)地雷，工業(yè)上可以用來探測(cè)地下金屬便于采礦和冶金。磁性金屬檢測(cè)系統(tǒng)在生活中扮演的角色越來越重要，與此同時(shí)其功能和穩(wěn)定性的提高與完善也越發(fā)重要。

國(guó)內(nèi)金屬探測(cè)器的研究和發(fā)展目前多集中在安檢領(lǐng)域,出現(xiàn)了多個(gè)金屬探測(cè)器生產(chǎn)廠商，但從國(guó)內(nèi)市場(chǎng)占有率看,國(guó)外品牌占有的市場(chǎng)份額中，民航市場(chǎng)一直沒有國(guó)產(chǎn)金屬探測(cè)器的出現(xiàn)[1]。其主要原因是技術(shù)不夠成熟，成本過高，實(shí)物不符合現(xiàn)實(shí)生活中的使用要求。

本文參考了當(dāng)今金屬檢測(cè)先進(jìn)技術(shù)，基于HMC1001磁傳感器研制了一種操作便捷的磁性金屬傳感器。系統(tǒng)主要包括：采集模塊、信號(hào)放大模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊、傳感器復(fù)位脈沖、STM32單片機(jī)最小系統(tǒng)。

1 磁傳感器工作原理

HMC1001內(nèi)置4個(gè)磁阻組成惠斯頓電橋，將磁場(chǎng)轉(zhuǎn)換為電壓。正常磁電阻效應(yīng)來源于磁場(chǎng)對(duì)電子的洛侖茲力,導(dǎo)致載流子運(yùn)動(dòng)發(fā)生偏轉(zhuǎn)或產(chǎn)生螺旋運(yùn)動(dòng),使電子碰撞幾率增加,電阻值增大。正常磁阻效應(yīng)包括物理磁阻效應(yīng)和幾何磁阻效應(yīng)[2]。當(dāng)外部磁場(chǎng)平行于傳感器內(nèi)部電流所形成的磁場(chǎng)時(shí)，傳感器內(nèi)部電阻值不發(fā)生變化;當(dāng)外部磁場(chǎng)與內(nèi)部磁化方向不一致時(shí)，電阻值大小發(fā)生變化[3]。

2 硬件系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

硬件的框架結(jié)構(gòu)如圖1所示，HMC1001磁阻傳感器將采集的磁場(chǎng)信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，由于傳感器能感應(yīng)的強(qiáng)度低至30 μGs，其對(duì)應(yīng)電壓為0.12 μV，對(duì)采集到的電壓進(jìn)行放大，并通過一個(gè)16位A/D采集芯片，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，用于單片機(jī)處理。當(dāng)信號(hào)高于設(shè)定閾值時(shí)，單片機(jī)控制蜂鳴器報(bào)警。

圖1 系統(tǒng)硬件框圖

2.1 放大器設(shè)計(jì)

MHC1001輸出為差模信號(hào)，在傳輸過程中易引入共模信號(hào)，使用儀表放大器AMP04消除共模信號(hào)，并進(jìn)行信號(hào)放大，其功能框圖如圖2所示。

圖2 AMP04功能框圖

在AMP04的5號(hào)引腳施加電壓可以用來校正偏移電壓，放大器的放大倍數(shù)由1號(hào)引腳和8號(hào)引腳之間的電阻值決定，其放大倍數(shù)為

G=100 kΩ/RGAN

2.2 置位/復(fù)位電路

大多數(shù)低磁傳感器在大于4Gs環(huán)境下會(huì)被干擾，為了消除這種干擾，并使輸出信號(hào)最優(yōu)化，使用磁開關(guān)技術(shù)。在HMC1001的S/R引腳施加一個(gè)電流大于4 A、脈寬大于2 μs的脈沖電流，即可降低噪聲并提高靈敏度。其復(fù)位電路如圖3所示。

圖3 置位/復(fù)位電路

S/R口的內(nèi)部電阻值只有4.5 Ω，外部電路中的引線電子和S/R引腳處的0.22 μF電容器的內(nèi)阻值可能使置位/復(fù)位電壓分壓，從而導(dǎo)致復(fù)位電流和脈寬未達(dá)到要求，因此，需要盡可能減短引線的長(zhǎng)度，并使用低阻抗的鉭電容器或者瓷片電容器。

2.3 電源模塊

系統(tǒng)中使用了3.3，5，20 V共3個(gè)電壓，輸入電壓使用4節(jié)鋰電池串聯(lián)供電。對(duì)應(yīng)3.3 V和5 V電壓，先利用TPS54331進(jìn)行降壓處理。TPS54331輸入電壓范圍為 3.5～28 V,輸出電流達(dá)到3 A,封裝形式為 SOIC8，PCB 布局方便[4]。其中5 V電壓工作電路如圖4所示。

圖4 TPS54331工作電路

置位/復(fù)位電路中需要用到16～20 V的電壓，需要對(duì)電壓進(jìn)行升壓后再對(duì)其進(jìn)行供電。MAX662a可以將5 V電壓轉(zhuǎn)換成20 V電壓給置位/復(fù)位電路供電。

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 軟件流程

軟件系統(tǒng)基于STM32處理實(shí)現(xiàn)，包括STM32對(duì)CS5509進(jìn)行串行數(shù)據(jù)采集，由于數(shù)據(jù)中包含一些誤采集信號(hào)和雜波信號(hào)，需要對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理，根據(jù)實(shí)際環(huán)境設(shè)定的閾值做出處理，軟件的流程如圖5所示。

圖5 軟件流程

3.2 數(shù)字濾波算法

數(shù)字濾波算法能夠減少外界環(huán)境對(duì)采樣數(shù)據(jù)的干擾，提高測(cè)試數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性與準(zhǔn)確性，在進(jìn)行數(shù)據(jù)處理之前，一般先對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字濾波。數(shù)字濾波是模擬濾波器的補(bǔ)充，不需要增加任何硬件設(shè)備，可以多個(gè)輸入通道共用一個(gè)數(shù)字濾波程序，并且能夠?qū)︻l率很低的信號(hào)實(shí)現(xiàn)濾波，以克服模擬濾波器的缺陷[5]。

常用的數(shù)字濾波算法有：中值濾波、算術(shù)平均值濾波、限幅濾波。但是每種算法都存在一定的缺點(diǎn)[6～8]，為此采用復(fù)合濾波算法。

復(fù)合數(shù)字濾波法更有利于去除干擾:利用限幅濾波去除過大或過小的數(shù)據(jù)；利用中值濾波法濾除由于脈沖干擾偏差的采樣值；將剩余的采樣值做算術(shù)平均。這種方法既可以去掉脈沖干擾，又可以對(duì)采樣值進(jìn)行平滑處理。在高、低速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，復(fù)合數(shù)字濾波能夠有效削弱干擾，提高數(shù)據(jù)質(zhì)量。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

利用一扇磁性金屬材料的鐵門，在傳感器的測(cè)量方向上檢測(cè)采集的電壓值。

當(dāng)磁傳感器向鐵門靠近時(shí)采集的電壓出現(xiàn)明顯下降波動(dòng)，電壓隨著距離的增加而減小，可以檢測(cè)到金屬物體。CS5509是16位A/D采樣芯片，基準(zhǔn)電壓電壓為3.3 V，因此，能采集到的最小電壓為3.3/216=50.354 μV,對(duì)于一些

小信號(hào)傳感器和單片機(jī)均無法檢測(cè)到。其對(duì)應(yīng)的最小電壓會(huì)因外界磁場(chǎng)的干擾不斷波動(dòng)，因此，無法準(zhǔn)確判定較遠(yuǎn)距離處磁性金屬。最終檢測(cè)數(shù)據(jù)如圖6所示。

圖6 檢測(cè)電壓

5 結(jié)束語

提出了基于HMC1001的鐵磁金屬檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。將電壓信號(hào)通過差分放大電路進(jìn)行放大，以獲得可以處理的電壓信號(hào)，通過對(duì)電路進(jìn)行優(yōu)化使傳感器工作更加穩(wěn)定和準(zhǔn)確。實(shí)驗(yàn)表明：基于HMC1001鐵磁金屬檢測(cè)系統(tǒng)可以準(zhǔn)確探測(cè)到一定范圍內(nèi)的磁性金屬，系統(tǒng)體積小，性能穩(wěn)定，適用于各種復(fù)雜的工作環(huán)境。

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