电子线路课程设计报告.docx

电子线路课程设计报告金属探测器设计1 引言谈起金属探测器，人们就会联想到探雷器，工兵用它来探测掩埋的地雷。金属探测器是一种专门用来探测金属的仪器，除了用于探测有金属外壳或金属部件的地雷之外，还可以用来探测隐蔽在墙壁内的电线、埋在地下的水管和电缆，甚至能够地下探宝，发现埋藏在地下的金属物体。金属探测器还可以作为开展青少年国防教育和科普活动的用具，当然也不失为是一种有趣的娱乐玩具。2 设计内容金属会反射电磁波，不同的金属反射率不同。金属会发出某一频率的电磁波，由于金属有自感，会使这一频率发生偏移，当它再接收到有偏差的电磁波时，就把差频放大，发出信号。设计要求:1、通过课程设计了解并熟悉实物电路的设计过程及设计思路；2、通过对电路所需实现的功能进行分析，实现模块化设计，由大到小逐步进行；3、用Protel 99 SE软件绘制电路原理图，使电路结构清晰明了；4、对所设计的电路进行仿真，保证理论可用于实践，实现其探测金属的功能。具体如下：（1）根据设计题目要求，查阅相关资料，完成总体的模块化设计，应用不同的模块组合起来以实现所需的功能；（2）根据每个模块不同的功能及特性，一次分析组成每个模块所需的电路，完成单一模块内的电路设计；（3）按照功能将各个模块组合起来，并加以整合，使其实现完整的电路功能；（4）对整合后的电路进行调试，确保能够正常工作。成果简介:本设计完成的金属探测器有较高的灵敏度，用它探测大块金属时，探测碟距金属物体20cm扬声器就会发出声音，小到曲别针，甚至一枚大头针都能检测到，只是探测碟线圈必须紧靠细小金属物体。由于金属探测器利用振荡线圈的电磁感应来探测金属物体，可以透过非金属物体，比如纸张、木材、塑料、砖石、土壤、甚至水层，探测到被遮盖的的金属物体，因此具有实用性，比如在装修房屋时，用它探测到墙内的电线或钢筋，以免造成施工危险和安全隐患；又如安检用的金属探测器就是根据这个原理制成的。 21原理分析本设计的金属探测器由探测振荡、基频振荡、音频放大三个部分组成，其组成原理电路图如图1所示：探测振荡器基频振荡器音频放大器电源 图1原理框图1、探测振荡器探测金属的原理 调节晶体管VIV3的工作电流。调节微调电阻器RI的阻值，使VI和V2的集电极电流为1mA，V3的集电极电流为2mA。然后将音量电位器RP调至阻值最小的位置（音量最大状态），调节电容器C3时会发现：扬声器中会发出音频声音频率由高至低直至无声，之后又出现音频声音频率由低至高变化。重新调节C3，使之处于两次音频叫声之间的无声点上。将探测线圈L1逐渐靠近金属物体（最好是铁质物体），扬声器中发出低频率至高频率的音频叫声。 在L1未检测到金属物体时，探测振荡器的工作频率与基频振荡器的工作频率相同（均为320kHz左右），V3的发射极无音频信号输出，扬声器BL中无声音。当LI探测到地下埋藏有金属物体后，探测振荡器的工作频率将变高，V3的发射极将输出一个音频信号，该信号经IC放大之后，再经过驱动扬声器BI，就会发出音频叫声，提示使用者“已经探测到金属了”了。从而完成了探测金属的整个过程。2、基频振荡器原理基频振荡器完成检测工作状态功能，由三极管开关电路和滤波电路组成。开关电路由三极管V1、V3等组成，滤波电路由滤波电阻器R5、RP，滤波电容器C4和C5组成。当接触到金属时，V3的发射极将输出一个音频信号,在RP上得到低频信号，经过音频放大器放大，通过扬声器得到鸣音，由此完成了对振荡器工作状态的检测。3、音频功率放大电路原理本设计中采用LM386作为音频功率放大电路。它是一种音频集成功放，具有自身功耗低、电压增益可调整、电源电压范围大、外接元件少和总谐波失真小等优点，广泛应用于录音机和收音机之中。 LM386是美国国家半导体公司生产的音频功率放大 器,主要应用于低电压消费类产品。为使外围元件最少,电压增益内置为20。但在1脚和8脚之间增加一只外接电阻和电容,便可将电压增益调为任意值,直至 200。输入端以地位参考,同时输出端被自动偏置到电源电压的一半,在6V电源电压下,它的静态功耗仅为24mW,使得LM386特别适用于电池供电的场合。LM386的封装形式有塑封8引线双列直插式和贴片式。 LM386通过三极管多级功放，达到音频放大的效果。具体设计电路原理图如图2所示：图2 LM386音频放大电路原理图 根据以上原理设计电路图如图3所示：图3金属探测器电路原理图探测振荡器由晶体管VI、V2和探测线圈L1、电容器C1等组成。基频振荡器由晶体管VI、V3和电感器L2、电容器C3等组成。音频放大器由音频功率放大集成电路IC、音量电位器RP和电容器C6C8等组成。在L1未检测到金属物体时，探测振荡器的工作频率与基频振荡器的工作频率相同（320kHz左右）。V3的发射极无音频信号输出，扬声器BL中无声音。当LI探测到地下埋藏有金属物体后，探测振荡器的工作频率将变高，V3的发射极将输出一个音频信号，该信号经IC放大后，驱动扬声器BL，发出音频叫声，提示使用者“已探测到金属物体”了。22计算根据设计要求，开关闭合后，探测振荡电路和基频振荡电路开始振动，并最终达到全谐振，即 。振荡电路的起振条件为： ；平衡条件为： 。根据高频电路振荡回路知识：接通电路后，探测振荡电路中三极管的集电极与基极之间通过电阻和电容构成反馈回路，使得输出，显然，故而能够振荡，且电路工作频率不断增大。当电路工作频率增大到一定值，使得 时，三极管的集电极与基极之间截止，不再导通。反馈回路不起作用，显然此时。电路达到平衡。其中，为电路的谐振频率。为三极管的集电极与发射极之间的电容和集电极与基极之间的电容，与电容串联后的总电容，且计算知接通电路后，基频振荡电路中三极管集电极与基极之间通过电阻成反馈回路，使得输出，显然，故而能够振荡，且电路工作频率不断增大。同理，当电路工作频率增大到一定值，使得 时，三极管集电极与基极之间截止，不再导通。反馈回路不起作用，显然此时。电路达到平衡。其中，为电路的谐振频率。为三极管的集电极与发射极之间的电容和集电极与基极之间的电容，与电容串联后的总电容。根据设计原理知探测振荡电路和基频振荡电路必须达到全谐振才能保证通过、组成的滤波回路输入功率放大器电路的电流值（或电压值）符合要求。所谓全谐振是指。而通过计算知：为可调电容，调节，使得。且知，所以：且为三极管的集电极与发射极之间的电容和集电极与基极之间的电容，与电容串联后的总电容，故而： 联立两式计算得：通过两个振荡电路后，由输出进入滤波电路。其中为高频旁路，为低频通路。经可变电阻进入功率放大器后输出。当探测到地下埋藏有金属物体后，金属会反射电磁波，不同的金属反射率不同。金属会发出某一频率的电磁波，由于金属有自感，会使这一频率发生偏移，当它再接收到有偏差的电磁波时，就把差频放大，故而将随之增大，而,显然将随之增大。经功率放大器后输出后使得其输出功率能使蜂鸣器发声。3 电路调试过程根据所设计的原理图，在Protel 99 SE 中进行仿真。因为本设计是分模块化的，音频放大集成电路需要分成子图部分，先行仿真。待其仿真成功后再载入总图中。子图在仿真过程中尤其要注意各个网络端口的属性，是输入端还是输出端一定不能弄错。其结果与预想一致。其原理仿真图如图4所示：图4 LM386音频放大电路原理仿真图在载入子图时，必须注意各个网络端口一致性。其结果与预想一致。其原理仿真图如图5所示：图5金属探测器原理仿真图4 结论此次课程设计是第一次进行模块化设计，将复杂的问题简单化，最终解决复杂问题的设计。其实际制作要求不高，但对理论综合与实践联系的反应能力要求比以往要高很多。在设计之初，我们查阅了大量的资料来补充知识的不足之处，同时也借鉴一下他人成功的作品，以及市面上一些金属探测器电路的原理，以便更好的完成设计。在以前关于电路更方面的学习中，我们已经积累许多关于电子线路的基础知识。特别是本学期中关于谐振电路进一步的分析，我们才有可能实现本次课程设计关于金属探测器电路设计的完成。金属的导电性使之在高频电路中具有感性或容行。电感因靠近金属发生互感，使得电路中电感值发生改变，从而影响电路的振荡频率。两个电路的谐振频率不同时，会引起电路中电流电压的改变。这些改变并不明显，一般的测量器件无法检测到。但可以通过功率放大电路使之放大到足以影响到某些直观的改变，比如二极管发光或灯灭，以及本设计中的蜂鸣器发声。从而达到了检测金属的作用。关于电路设计部分，各元件参数的设计尤为重要。本设计中采用最常见的器件来完成电路，故而其功率不是很大，持续工作时间不是很长。主要是体现了理论与实践的可行性。在仿真过程中，很多隐性参数都是通过反复计算得来的。高频电路本身的不确定性也给计算带来许多困难。此次设计注重模块的分类和整合，在仿真过程中也体现了这一点。我们将音频集成放大电路作为一个子模块先行仿真。待其成功后，再将这个子模块载入总的电路中仿真。此外，还有一种方法是由粗到细。即先对总的各个模块组成的父图进行仿真，然后分析各个子模块。因高频电路的不稳定性以及计算过程中的误差，此次设计的金属探测器电路并不是很精确，同时由于原件较多集成化低也可能存在系统整体稳定性降低的问题等。5 本次课程设计的心得与收获再次做关于电路方面的课程设计，感觉有些不同。设计的要求高了，我们积累的东西也多了。从大一时的电路分析，大二学习模拟电子技术和数字电子技术，到这学期的高频电子线路，我们一点点深入了解电路，积累电路的知识。从最初抽象的电路原理，到今天接近生活生产实际的物品设计，我们渐渐收获着，也渐渐的脱离了理论的空架子。皆由此次课程设计，我接触到了许多平日里常见却不曾理解的电路原理，也补充了许多平日里忽略的生活知识。初见此次课程设计的题目有些为难，像保密场所无线报警器电路设计、自来水自动开闭控制器的设计、食物腐败程度测试仪、远距离红外感应探测系统、等等都是贴近我们生活却又看似很神秘复杂的东西。比如我的设计题目金属探测器设计，也让我倍感压力。通过查阅资料和学习，我掌握了该原件的性能和原理以及相应的使用方法，并且将其应用到具体的电路之中来达到自己的要求，这充分的锻炼了我的自学能力，并且学以致用。从电路设计到仿真，计算机辅助设计在实际应用和工程制图中的实用性及便捷性得以充分体现。特别是Protel 99 SE软件绘制和仿真电路原理图的时候，我更加体会到掌握计算机技能的重要性。通过对金属探测器电路的设计、仿真、制作和调试，不仅加深了我们各个学科间知识的联系和联合运用的能力，而且锻炼了我们综合利用所学到的知识来解决实际问题的能力，不再局限于一个小的范围内思考问题，能够用全局的观点来看待问题。任何看似复杂而神秘的问题其实都可以简单且易懂。首先把问题大而化之，整体分成若干个模块；再去对各个模块逐个分析，各个击破；最后将所有模块按照其内在联系整合起来，问题就解决了。这种将看似无法直接解决的问题转换为已知的问题进行解决的方法适用于许多场合。学到这种解决问题的方法，终身适用。做完此次课程设计，我也深刻体会到自己所学知识的局限性，以及运用知识的灵活性严重不足。同时，各学科和各领域之间的密切联系和相互渗透让我觉得自己所要接触的、要学的、要掌握的东西还远远不够。今后我会更加努力学习新的知识，拓宽自己的知识面，掌握更多的技能，完善自己。参考文献1. 电路第五版，邱关源，高等教育出版社2.电子技术基础 模拟部分第五版，康华光，高等教育出版社3.数字电子技术基础第四版，阎石，高等教育出版社4.高频电路原理与分析第四版，曾形雯，西安电子科技大学出版社5.新编电子线路设计使用手册6. 高等学校教学资源网7. 维库网8电子发烧友