食品流水線安全探測裝置設(shè)計(jì)

李歡

(西安科技大學(xué)高新學(xué)院 信息與科技工程學(xué)院，陜西西安，710109)

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和人們的生活水平不斷的提高,人們對于生活的需求也在不斷的提升。尤其食品安全這方面，如果入場食用的食物中混著金屬雜質(zhì)則可能會產(chǎn)生非常嚴(yán)重的后果。因此，國內(nèi)外對金屬探測器的研究與應(yīng)用越來越受到廣泛的重視。近年來食品安全的關(guān)注度也一再提高，在食品生產(chǎn)加工、食品的外部包裝、衣物的生產(chǎn)制造、木料的加工等等都需要對其進(jìn)行產(chǎn)安全監(jiān)測,判斷其是否符合我們的實(shí)際安全需求,是否存在有威脅人體健康的物質(zhì)。根據(jù)全國安全食品技術(shù)委會的規(guī)定，所有加工生產(chǎn)的產(chǎn)品必須要符合“危害分析及臨界控制點(diǎn)”的規(guī)定,防止因?yàn)槲：ξ镔|(zhì)超標(biāo)而對人體的健康造成影響[1]。

近幾年以來,食品安全事故多發(fā)，因此對于食品安全檢測來說就顯得意義重大。傳統(tǒng)的金屬探測器經(jīng)歷了多次改良發(fā)展，已經(jīng)從原來最簡單的信號模擬技術(shù)一直不斷發(fā)展進(jìn)步改良到了現(xiàn)在的連續(xù)波技術(shù)以及現(xiàn)代科技化十足的數(shù)字脈沖技術(shù)，能夠很好的克服檢測的局限性，并且創(chuàng)新性的將磁場切割這一物理原理用到了檢測裝置中來，為目前的金屬檢測器提供極為精準(zhǔn)的探測、精細(xì)的靈敏度、高清分辨率、超強(qiáng)儀器性能上都有了一個(gè)顯著的提高。

金屬探測器的使用可以有效地發(fā)現(xiàn)并防止異物進(jìn)入到生產(chǎn)流水線的產(chǎn)品之中。本文主要針對食品生產(chǎn)過程中的金屬異物檢測的問題進(jìn)行研究，并給出相應(yīng)的設(shè)計(jì)方案。

1 總體設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)原理

金屬檢測裝置的主要原理是采用線圈的電磁感應(yīng)。對于半徑大小為R的單匝圓型線圈，當(dāng)給線圈通入交流電時(shí)，線圈的周圍就會有交變磁場的產(chǎn)生。根據(jù)畢奧薩伐爾定律可以判斷出該線圈的軸心出磁感線的感應(yīng)強(qiáng)大小為B為[2]：

其中μ=μ0μr，μ為介質(zhì)的磁導(dǎo)率，μr為相對磁導(dǎo)率，μ0為真空磁導(dǎo)率。

由公式(1)假設(shè)線圈可檢測范圍之內(nèi)不存在金屬材料（即物質(zhì)不具有磁導(dǎo)率屬性，μr=1）線圈處于最中心位置的磁感應(yīng)強(qiáng)度B大小不改變。當(dāng)線圈可檢測范圍之內(nèi)存在金屬物質(zhì)（即具有磁導(dǎo)率屬性μr＞1）。其線圈周圍的感應(yīng)強(qiáng)度大小B隨μr增大。

當(dāng)線圈附近存在非磁性的金屬物質(zhì)時(shí)μr＜1,由于金屬本身的磁導(dǎo)率改變了線圈周圍的磁場,所以使線圈周圍的磁感應(yīng)強(qiáng)度隨隨μr降低。由此可見,使線圈磁感應(yīng)發(fā)生變化是由金屬的磁導(dǎo)率決定的。

1.2 渦流效應(yīng)

當(dāng)金屬進(jìn)入變化的磁場中，金屬內(nèi)部會產(chǎn)生感生電動勢，由于金屬有內(nèi)阻，所以就會有感應(yīng)電流的出現(xiàn)，感應(yīng)電流會沿著金屬內(nèi)部的閉合回路流動，電流流動的情況就像旋渦，所以被稱為渦電流，簡稱渦流。

用導(dǎo)線繞成線圈，并給線圈通入交流電，那么線圈就產(chǎn)生交變磁場。將金屬放入線圈磁場中，金屬內(nèi)部就會產(chǎn)生渦流[4]。渦流會產(chǎn)生磁場且與線圈產(chǎn)生的磁場的相位相反，會對線圈產(chǎn)生的磁場產(chǎn)生削弱作用,即會減小原磁場的頻率。渦電流的強(qiáng)度大小和金屬物質(zhì)的電導(dǎo)率δ、線圈中的電流的頻率ω成正比，即渦電流越大，抑制原磁場的能力就越強(qiáng)[3]。

1.3 基于霍爾元件的金屬探測裝置

基于霍爾元件的金屬探測裝置由振蕩電路、探測線圈、霍爾元件、放大電路、峰值檢波電路、AD轉(zhuǎn)換、單電機(jī)系統(tǒng)、液晶顯示和報(bào)警電路組成。

在霍爾半導(dǎo)體片兩端通電流I，并在垂直方向施加磁感應(yīng)強(qiáng)度B，在霍爾半導(dǎo)體的兩側(cè)會產(chǎn)生電動勢U?；诨魻栐慕饘偬綔y裝置原理圖如圖1所示。

圖1 基于霍爾元件的金屬探測裝置

1.4 設(shè)計(jì)思路

通過分析表明，在線圈可檢測的范圍內(nèi)，當(dāng)有金屬材料慢慢靠近時(shí)，該金屬材質(zhì)的物體內(nèi)部會產(chǎn)生渦電流，渦電流產(chǎn)生的磁場會對原來的磁場造成影響，并使其頻率減小。用導(dǎo)線繞成線圈，并給線圈通入交流電，那么線圈就會產(chǎn)生交變磁場。通過實(shí)驗(yàn)分析表明，在線圈可檢測的范圍內(nèi)，當(dāng)有金屬材料慢慢靠近時(shí)，金屬材質(zhì)的物體內(nèi)部產(chǎn)生的渦電流，會對原來的磁場造成影響。本文就是利用金屬的渦流效應(yīng)，尋找一種合適的部件來感應(yīng)渦流導(dǎo)致的線圈磁場頻率的變化，且能夠?qū)@種變化量進(jìn)行接收和處理,進(jìn)而利用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)控制，達(dá)到檢測異物的目的[5]。結(jié)合分析，給出總體設(shè)計(jì)的幾個(gè)部分?？傮w設(shè)計(jì)主要包含有振蕩電路、信號處理電路、控制器、液晶顯示和報(bào)警模塊五個(gè)部分構(gòu)成，功能如下：

（1）振蕩電路：產(chǎn)生交變磁場，作為金屬檢測傳感器。

（2）信號處理電路：將正弦波轉(zhuǎn)化為方波，使單片機(jī)能夠接收由振蕩電路產(chǎn)生的信號。

（3）控制器：接收信號處理電路傳來的信號，驅(qū)動按鍵和蜂鳴器，并兼顧與LCD的通信。

（4）液晶顯示：顯示實(shí)時(shí)頻率和基準(zhǔn)頻率，方便觀測頻率的變化及調(diào)整基準(zhǔn)頻率。

（5）報(bào)警模塊：當(dāng)探測到金屬，蜂鳴器發(fā)聲報(bào)警。

2 硬件部分設(shè)計(jì)

2.1 振蕩電路的設(shè)計(jì)

檢測金屬，交變磁場是必要條件，交變磁場由振蕩電路產(chǎn)生。在振蕩電路的選擇上，設(shè)計(jì)選擇了電容三點(diǎn)式振蕩電路，這是一種LC正弦波振蕩電路。

振蕩電路主要由選頻網(wǎng)絡(luò)、反饋、放大電路和穩(wěn)幅環(huán)節(jié)構(gòu)成，而電容三點(diǎn)式振蕩電路使用了三極管放大電路，由于三極管的非線性特性，使得三極管本身就可以作為穩(wěn)幅環(huán)節(jié)使用，因此，不需要額外加入穩(wěn)幅環(huán)節(jié)。

振蕩電路的主要原理：當(dāng)給電容三點(diǎn)式振蕩電路通電時(shí)，電路會產(chǎn)生一個(gè)幅值很小的輸出量，它的頻率很豐富，但因?yàn)橛羞x頻網(wǎng)絡(luò)的存在，電路只會對特定單一頻率的正弦產(chǎn)生正反饋，在反饋的過程中，輸出信號越來越大[6]。由于三極管的非線性特性，輸出信號的幅值不會無限增大，當(dāng)輸出信號達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，三極管的放大倍數(shù)會減小，電路成為一個(gè)動態(tài)平衡的系統(tǒng)。此時(shí)，輸出信號經(jīng)過正反饋網(wǎng)絡(luò)放大，其作為放大電路的輸入信號，而這個(gè)輸入信號又通過放大電路成為輸入量。電容三點(diǎn)式振蕩電路的組成及參數(shù)如圖2所示。振蕩電路的頻率大小約為39KHz。

圖2 電容三點(diǎn)式振蕩電路

該振蕩電路的起振條件為：Au F>1

2.2 控制器的選擇

控制器選擇了性能高、功率低、有抗干擾能力強(qiáng)的單片機(jī)STC89C52RC，還可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)8051型號芯片單片機(jī)的兼容[7]。且在功能上做出了創(chuàng)新。在設(shè)計(jì)中控制器的作用是測量經(jīng)過信號處理電路轉(zhuǎn)化的波形的頻率，對比金屬進(jìn)入磁場后的頻率和沒有金屬進(jìn)入磁場范圍的頻率大小，與顯示模塊通信，顯示基準(zhǔn)頻率和實(shí)時(shí)頻率，驅(qū)動蜂鳴器[8]。

2.3 信號處理電路

電壓比較器可以完美的實(shí)現(xiàn)對輸入信號的分析鑒別作用。在方案設(shè)計(jì)中，利用電壓比較器只輸出高電平和低電平兩種狀態(tài)的特性，將其作為信號處理電路使用。用電壓比較器實(shí)現(xiàn)波形的轉(zhuǎn)換，將正弦波轉(zhuǎn)化為單片機(jī)能夠接收的脈沖波信號[9]。

通過電位器調(diào)節(jié)電壓比較器的反向輸入端的電壓，使反向輸入端電壓略小于正向輸入端輸入的正弦波電壓的最大值，就能達(dá)到將正弦波轉(zhuǎn)化為方波的目的。

圖3為Multism仿真的LM393將正弦波轉(zhuǎn)化為脈沖波的電路圖。波形轉(zhuǎn)換結(jié)果如圖4所示。

圖3 電壓比較器LM393波形轉(zhuǎn)換電路圖

圖4 電壓比較器LM393波形轉(zhuǎn)換結(jié)果

2.4 顯示及報(bào)警部分

顯示模塊采用的型號為LCD1602。該模塊能夠顯示2*16個(gè)字符，用其顯示實(shí)時(shí)頻率和基準(zhǔn)頻率。單片機(jī)通過程序驅(qū)動LCD1602、兩個(gè)微動開關(guān)和0905有源蜂鳴器，分別完成頻率的顯示、基準(zhǔn)頻率調(diào)整和報(bào)警[10]。

3 軟件部分設(shè)計(jì)

軟件決定了系統(tǒng)的精確度、穩(wěn)定性、實(shí)用性和智能性。程序主要分為兩個(gè)部分，數(shù)據(jù)處理和驅(qū)動外部電路。在編寫程序的時(shí)候把各個(gè)功能都寫成模塊，方便使用而且便于修改。而金屬探測器設(shè)計(jì)的軟件部分就是由各個(gè)模塊的協(xié)同工作來實(shí)現(xiàn)的。軟件需要實(shí)現(xiàn)頻率的測定、基準(zhǔn)頻率設(shè)置、頻率比較、報(bào)警和數(shù)據(jù)顯示。

3.1 主程序流程

主程序包含了定時(shí)計(jì)數(shù)器的初始化、LCD1602的初始化和循環(huán)。其中循環(huán)包括實(shí)時(shí)頻率檢測、按鍵調(diào)整基準(zhǔn)頻率、控制蜂鳴器開關(guān)報(bào)警。主程序的各個(gè)部分共同完成了根據(jù)磁場頻率的變化進(jìn)行金屬探測的工作。

4 結(jié)論與展望

設(shè)計(jì)制作的實(shí)物能夠?qū)崿F(xiàn)探測金屬的功能，適合食品流水線使用，有一定的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。但本設(shè)計(jì)的穩(wěn)定性還有提升空間，頻率會在0.15kHz范圍波動，并且頻率比較低，這對探測較小金屬的靈敏度有比較大的影響。另外功能上還可以擴(kuò)展：還可以增加外部擴(kuò)展，如增加藍(lán)牙模塊與手機(jī)連接，可以進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)控及對基準(zhǔn)頻率的調(diào)整[11]。

隨著現(xiàn)代的通信技術(shù)以及計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展已經(jīng)變得越發(fā)成熟,使金屬探測裝置的提升空間及可靠性及發(fā)展前景也越加的廣闊。

圖5 系統(tǒng)主程序流程圖