一种可充电、灵敏度可调节的、高灵敏度手持金属探测器

摘要

本发明公开一种可充电、灵敏度可调节的、高灵敏度手持金属探测器，金属探测器包括西勒振荡模块、二倍压整流滤波模块、灵敏度调节及直流比较器模块和锂电池，西勒振荡模块输出检测信号给二倍压整流滤波模块，二倍压整流滤波模块输出整流滤波后的信号给灵敏度调节及直流比较器模块，锂电池用于供电。本发明采用了特有的电路设计，令用户可以很轻松地大范围调节灵敏度，以适用于各种不同的使用场景。在需要高灵敏度的场合，也可以很简单地直接调节到仪器的最高灵敏度(不会产生误触发)。本发明通过采用锂电池并进行低功耗设计，内置锂电池仅需两小时便可充至满电，充满电后可连续使用超过60小时。

说明书

技术领域

本发明公开一种手持金属探测器，特别是一种可充电、灵敏度可调节的、高灵敏度手持金属探测器，属于金属探测器材技术领域。

背景技术

手持式金属探测器广泛使用在各个领域，如：在车站、机场、考场等场所的安保；在建筑施工时对墙内、地下浅层、金属给排水管道的探测；在木材、食品等加工工厂对原料及产品的金属杂质探测等。

在不同的使用领域，需要的探测灵敏度不尽相同。现有的手持式金属探测器在灵敏度调节上操作不便，尤其在一些需要很高探测灵敏度的应用场合，灵敏度过高容易导致误报，过低又难以满足需求。加之，现有的手持式金属探测器多使用9V电池供电，续航能力普遍偏低，充电不便，充电速度缓慢，且9V可充电池与不可充电池容易混淆，如用户未能分辨，对机器内的不可充电电池进行充电，有很大的安全隐患。

发明内容

针对上述提到的现有技术中的手持式金属探测器灵敏度调解不方便的缺点，本发明提供一种可充电、灵敏度可调节的、高灵敏度手持金属探测器，其采用西勒振荡电路、二倍压整流滤波电路配合灵敏度调节与电压比较器电路，可实现探测器具有高灵敏度，灵敏度可调且易调节，充电迅速，续航时间长的特点。

本发明解决其技术问题采用的技术方案是：一种可充电、灵敏度可调节的、高灵敏度手持金属探测器，金属探测器包括西勒振荡模块、二倍压整流滤波模块、灵敏度调节及直流比较器模块和锂电池，西勒振荡模块输出检测信号给二倍压整流滤波模块，二倍压整流滤波模块输出整流滤波后的信号给灵敏度调节及直流比较器模块，锂电池用于供电。

本发明解决其技术问题采用的技术方案进一步还包括：

所述的西勒振荡模块包括电感L51、电容C51、电阻R54、电阻R59、电容C58、三极管Q50、电阻R60、电容C54和电容C59，电感L51为感应线圈，电感L51和电容C51并联连接，电感L51一端与+5V电源连接，另一端与三极管Q50的集电极连接，三极管Q50的发射极通过串联的电阻R60接地，三极管Q50的集电极和基极之间连接有电阻R54，三极管Q50的基极与地之间连接有电阻R59，电容C58与电阻R59并联连接，电容C54和电容C59串联连接，电容C54一端与电感L51连接，电容C54另一端与电容C59的一端连接，电容C59的另一端接地。

所述的电感L51采用电感量为1mH的自粘线圈。

所述的二倍压整流滤波模块包括电容C52、电阻R52、电阻R55、二极管D51、二极管D53、电阻R56和电容C57，电容C52串接在西勒振荡模块输出端上，电阻R55连接在西勒振荡模块输出端与地之间，电阻R55设置在电容C52后端，二极管D53与电阻R55并联连接，二极管D53正极接地，二极管D53负极与电容C52连接，电阻R52串接在西勒振荡模块输出端上，电阻R52连接在电容C52后端，二极管D51与电阻R52并联连接，二极管D51正极与电容C52连接，二极管D51负极为二倍压整流滤波模块的输出端，电阻R56和电容C57并联连接在二倍压整流滤波模块输出端上。

所述的灵敏度调节及直流比较器模块包括放大器U51A和放大器U51B，放大器U51A和放大器U51B均与周边元件构成带低通滤波的直流比较器。

所述的放大器U51A的同相输入端通过电阻R57接地，放大器U51A的反相输入端通过串联连接的电容C53和电阻R51与二倍压整流滤波模块的输出端连接，放大器U51A的输出端和反相输入端之间连接二极管D50，二极管D50的正极与放大器U51A的反相输入端连接，二极管D50的负极与放大器U51A的输出端连接，与二极管D50并联连接有电容C50，+5V电源S5V通过依次串联连接的电阻R61、电位器RS1B和电阻R50与放大器U51A的反相输入端连接，电位器RS1B连接在电阻R61和信号地SGND之间，电位器RS1B的中间连接点与电阻R50连接。

所述的放大器U51B的同相输入端通过电阻R58接信号地，放大器U51B的反相输入端通过电阻R53与放大器U51A的输出端连接，放大器U51B的反相输入端通过电容C55，与电容C55并联连接有二极管D52，二极管D52的正极与放大器U51B的反相输入端连接，二极管D52的负极接信号地，放大器U51B的同相输入端与输出端之间连接有电容C56。

所述的灵敏度调节及直流比较器模块的输出端上连接有报警电路，报警电路采用灯光指示模块、声音指示模块以及振动指示模块中的一种或多种。

所述的灯光指示模块包括控制芯片U20、LED指示灯以及控制开关，控制芯片U20的TRIG引脚与Thre引脚短接，控制芯片U20的Thre引脚与地之间串接有电容C20，控制芯片U20的TRIG引脚与DC引脚之间串接有电阻R23，控制芯片U20的TRIG引脚与VCC引脚之间串接有电阻R22，控制芯片U20的VCC引脚与正电源连接，控制芯片U20的RST引脚通过电阻R21与正电源连接，控制芯片U20的RST引脚与地之间连接有MOS管Q21，电源输出端与地之间串联连接有稳压二极管ZD20和电阻R25，MOS管Q21的栅极连接在稳压二极管ZD20和电阻R25的公共端，LED指示灯包括红色LED指示灯和绿色LED指示灯，红色LED指示灯和绿色LED指示灯分别通过限流电阻R20与正电源连接，绿色LED指示灯通过MOS管Q20与控制芯片U20的OUT引脚连接，红色LED指示灯通过MOS管Q22接地，MOS管Q20的栅极连接在红色LED指示灯与MOS管Q22的公共端上，MOS管Q22的栅极与灵敏度调节及直流比较器模块的输出端连接。

所述的锂电池通过电源管理模块进行充电，锂电池的负极电源线串接有MOS管Q10，MOS管Q10的栅极连接在锂电池的正极上，锂电池的正极电源线上串接有电源开关RS1A，锂电池连接在DC/DC升压变换器U11上，DC/DC升压变换器U11的VIN引脚和SW引脚之间连接有电感L10，DC/DC升压变换器U11的VIN引脚、NC引脚和EN引脚均与锂电池的正极连接，DC/DC升压变换器U11的GND引脚接地，DC/DC升压变换器U11的SW引脚与GND引脚之间依次串联连接有二极管D12、电阻R12和电阻R13，DC/DC升压变换器U11的FB引脚与电阻R12和电阻R13的公共端连接DC/DC升压变换器U11输出端连接在稳压芯片U10的输入端上。

本发明的有益效果是：本发明采用了特有的电路设计，令用户可以很轻松地大范围调节灵敏度，以适用于各种不同的使用场景。在需要高灵敏度的场合，也可以很简单地直接调节到仪器的最高灵敏度(不会产生误触发)。本发明通过采用锂电池并进行低功耗设计，内置锂电池仅需两小时便可充至满电，充满电后可连续使用超过60小时。

下面将结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。

附图说明

图1为本发明电路方框图。

图2为本发明中锂电池充电电路部分电路原理图。

图3为本发明电池与电源部分电路原理图。

图4为本发明西勒振荡电路部分电路原理图。

图5为本发明二倍压整流滤波电路部分电路原理图。

图6为本发明灵敏度调节与直流比较器电路部分电路原理图。

图7为本发明灯光指示电路部分电路原理图。

图8为本发明蜂鸣器及震动马达电路部分电路原理图。

具体实施方式

本实施例为本发明优选实施方式，其他凡其原理和基本结构与本实施例相同或近似的，均在本发明保护范围之内。

请结合参看附图1至附图8，本发明主要包括西勒振荡模块、二倍压整流滤波模块、灵敏度调节及直流比较器模块和锂电池，西勒振荡模块输出检测信号给二倍压整流滤波模块，二倍压整流滤波模块输出整流滤波后的信号给灵敏度调节及直流比较器模块，锂电池用于供电。

本实施例中，西勒振荡模块采用改良的三点式电容振荡电路，主要包括电感L51、电容C51、电阻R54、电阻R59、电容C58、三极管Q50、电阻R60、电容C54和电容C59，电感L51为感应线圈，本实施例中，电感L51使用电感量为1mH的自粘线圈，电感L51和电容C51并联连接，电感L51一端与+5V电源连接，另一端与三极管Q50的集电极连接，三极管Q50的发射极通过串联的电阻R60接地，三极管Q50的集电极和基极之间连接有电阻R54，三极管Q50的基极与地之间连接有电阻R59，电容C58与电阻R59并联连接，电容C54和电容C59串联连接，电容C54一端与电感L51连接，电容C54另一端与电容C59的一端连接，电容C59的另一端接地。本实施例中，西勒振荡模块消耗电流约为0.4mA，经过电阻R14令SGND和GND间产生0.4V左右的电压差。

西勒振荡模块的振荡频率由电感L51、电容C51、电容C54和电容C59共同决定，公式为：

其中，L为L51，C为C54与C59串联后再与C51并联，公式如下：

L＝L51

本实施例中，L51＝1mH，C51＝22nF，C54＝10nF，C59＝100nF。

根据公式可求得震荡频率为28.5KHz。

西勒振荡模块正常工作且电感L51附近无其他金属时，会在sine上产生振幅约为±4.5V左右的正弦波；当电感L51附近出现金属时，由电感L51产生的交变磁场会在金属内部感应出涡流并消耗能量，令振荡电路的振幅缩小。

本实施例中，二倍压整流滤波模块包括电容C52、电阻R52、电阻R55、二极管D51、二极管D53、电阻R56和电容C57，电容C52串接在西勒振荡模块输出端(即信号线SINE)上，电阻R55连接在西勒振荡模块输出端与地之间，电阻R55设置在电容C52后端，二极管D53与电阻R55并联连接，二极管D53正极接地，二极管D53负极与电容C52连接，电阻R52串接在西勒振荡模块输出端(即信号线SINE)上，电阻R52连接在电容C52后端，二极管D51与电阻R52并联连接，二极管D51正极与电容C52连接，二极管D51负极为二倍压整流滤波模块的输出端(即信号signal_level)，电阻R56和电容C57并联连接在二倍压整流滤波模块输出端上。本实施例中，二倍压整流滤波模块将sine上的±4.5V正弦波整流并滤波成8V左右的直流电压输出到signal_level网络。本实施例中，二倍压整流滤波模块中还包含了一个由电阻R52和电容C57组成的低通滤波器，幅值为±4.5V的正弦波，经过低通滤波后signal_level上的纹波最大为5.4mV。

本实施例中，灵敏度调节及直流比较器模块包括放大器U51A和放大器U51B，放大器U51A和放大器U51B均与周边元件构成带低通滤波的直流比较器，本实施例中，放大器U51A和放大器U51B采用型号为LM358的双运算放大器，放大器U51A和放大器U51B集成在一个器件中。放大器U51A的同相输入端通过电阻R57接地(SGND)，放大器U51A的方向输入端通过串联连接的电容C53和电阻R51与二倍压整流滤波模块的输出端(即信号signal_level)连接，放大器U51A的输出端和反相输入端之间连接二极管D50，二极管D50的正极与放大器U51A的反相输入端连接，二极管D50的负极与放大器U51A的输出端连接，与二极管D50并联连接有电容C50，+5V电源S5V通过依次串联连接的电阻R61、电位器RS1B和电阻R50与放大器U51A的反相输入端连接，电位器RS1B连接在电阻R61和信号地SGND之间，电位器RS1B的中间连接点与电阻R50连接，本实施例中，+5V电源S5V与地之间连接有电容C60。

由于LM358的输入偏置电流为50nA，最大输入失调电流为50nA，放大器U51A的同相输入端电压(下表示为V_{U51A_in+})的最大电压为(50nA+50nA/2)*1K*1.05＝78.75uV。

当V_{U51A_in-}高于V_{U51A_in+}时，放大器U51A的输出端amp_out输出低电平。

当V_{U51A_in-}低于V_{U51A_in+}时，放大器U51A的输出端amp_out输出高电平。

由于有电容C53起通交隔直作用，放大器U51A的反向输入端的静态偏置点V_{U51A_IN-}取决于电阻R61和电位器RS1B产生的电压基准和放大器U51A的输入偏置电流。当将电位器RS1B旋钮调节到最高灵敏度时，电阻R50的一端会短接到信号地SGND，此时V_{U51A_IN-}＝(50nA-50nA/2)*1M*0.95＝23.75mV。

结合从电容C53耦合过来的交流波纹5.4mV和LM358的最大输入失调电压9mV，V_{U51A_IN-}–5.4mV–9mV＝9.35mV，仍然大于V_{U51A_in+}的78.75uV，并有9mV左右的安全裕量，系统不会误触发。

当电感L51靠近金属，导致西勒振荡模块振幅缩小，signal_level的电压也会随之下降，电压变化会通过电容C53耦合到V_{U51A_IN-}，如振幅缩小量大于10mV，就会令V_{U51A_IN-}<V_{U51A_in+}，比较器输出高电平，驱动后级声光报警电路产生报警。

通过调节电位器RS1B，可以令静态时V_{U51A_IN-}–V_{U51A_in+}在10mV～2.5V范围内变化，以达到大范围灵敏度调节的目的，且可以轻松地调节到最高灵敏度(仅需将旋钮拧到底)且可以保证不会因过灵敏而导致误触发。

当仪器靠近金属，然后固定不动时，电容C53会通过电阻R51和电阻R50进行放电，令V_{U51A_IN-}逐渐稳定到原设定的电位，后级恢复低电平输出。电容C53的放电时间决定了报警的持续时间，如探测到的金属物体很小，电压变化量较小，则放电时间会较短，仪器只会发出短暂的报警信号；如探测到的金属物体很大，电压变化量很大，则放电时间要较长，仪器报警信号会持续较长时间。

本实施例中，放大器U51B的同相输入端通过电阻R58接信号地(SGND)，放大器U51B的反相输入端通过电阻R53与放大器U51A的输出端连接，放大器U51B的反相输入端通过电容C55，与电容C55并联连接有二极管D52，二极管D52的正极与放大器U51B的反相输入端连接，二极管D52的负极接信号地(SGND)，放大器U51B的同相输入端与输出端之间连接有电容C56。

本实施例中，在灵敏度调节及直流比较器模块的输出端上连接有报警电路，报警电路可采用灯光指示模块、声音指示模块以及振动指示模块中的一种或多种，本实施例中，集成了3种指示模块。

灯光指示模块包括控制芯片U20、LED指示灯以及控制开关，控制芯片U20采用NE555D芯片，控制芯片U20的TRIG引脚与Thre引脚短接，控制芯片U20的Thre引脚与地之间串接有电容C20，控制芯片U20的TRIG引脚与DC引脚之间串接有电阻R23，控制芯片U20的TRIG引脚与VCC引脚之间串接有电阻R22，控制芯片U20的VCC引脚与正电源连接，控制芯片U20的RST引脚通过电阻R21与正电源连接，控制芯片U20的RST引脚与地之间连接有MOS管Q21，电源输出端与地之间串联连接有稳压二极管ZD20和电阻R25，MOS管Q21的栅极连接在稳压二极管ZD20和电阻R25的公共端，本实施例中，LED指示灯包括红色LED指示灯和绿色LED指示灯，红色LED指示灯和绿色LED指示灯分别通过限流电阻R20与正电源连接，绿色LED指示灯通过MOS管Q20与控制芯片U20的OUT引脚连接，红色LED指示灯通过MOS管Q22接地，MOS管Q20的栅极连接在红色LED指示灯与MOS管Q22的公共端上，MOS管Q22的栅极与灵敏度调节及直流比较器模块的输出端连接。

当探测到金属时，灵敏度调节及直流比较器模块的输出端amp_out为高电平，红色LED被点亮，绿色LED不亮；

当电池充电时，红色RED会被拉低，红色LED被点亮，绿色LED不亮。

当RED为高电平时，MOS管Q20导通，允许绿色LED点亮。

控制芯片U20是NE555D，通过调节周边电阻电容，可以稳定输出占空比为55％，频率3.3Hz的方波。

当电池电压(即BAT)高于3.6V时，MOS管Q21导通，将控制芯片U20置于Reset状态，控制芯片U20的OUT端持续输出低电平，绿色LED常亮，代表仪器正常工作。

当电池电压(即BAT)低于3.0V，MOS管Q21截止，控制芯片U20正常工作，绿色LED会以3.3Hz的频率闪烁，代表电池电量低。

二极管D1和二极管D13为电源隔离二极管，在充电和仪器正常工作时为灯光电路提供电源。

声音指示模块和振动指示模块为二选一模块，声音指示模块采用蜂鸣器BELL，振动指示模块采用振动电机MOTOR，蜂鸣器BELL和振动电机MOTOR分别连接在单刀双掷开关SWITCH的一个引脚上，单刀双掷开关SWITCH的公共引脚通过MOS管Q3接地，MOS管Q3的栅极与灵敏度调节及直流比较器模块的输出端连接。

本实施例中，电源模块采用锂电池，通过锂电池给其他模块供电，锂电池通过电源管理模块进行充电，电源管理模块采用型号为LTC4054的电源管理芯片，可以提供最高800mA的充电电流，对于本产品使用的1400mA锂聚合物电池，仅需两小时左右便可充至满电量。充电时，LTC4054的CHAR引脚会输出低电平，给将RED(即MOS管Q20的栅极)拉低，点亮红灯，代表电池正在充电。

本实施例中，锂电池(BAT采用3.7V锂电池)的负极电源线串接有MOS管Q10，MOS管Q10的栅极连接在锂电池的正极上，MOS管Q10采用型号为SI2302的N沟道MOS管，起电源防反接作用。锂电池的正极电源线上串接有电源开关RS1A，锂电池连接在DC/DC升压变换器U11上，DC/DC升压变换器U11的VIN引脚和SW引脚之间连接有电感L10，DC/DC升压变换器U11的VIN引脚、NC引脚和EN引脚均与锂电池的正极连接，DC/DC升压变换器U11的GND引脚接地，DC/DC升压变换器U11的SW引脚与GND引脚之间依次串联连接有二极管D12、电阻R12和电阻R13，DC/DC升压变换器U11的FB引脚与电阻R12和电阻R13的公共端连接，通过DC/DC升压变换器U11将锂电池的3.7V电压变换为6V电源提供给后级电路。本实施例中，DC/DC升压变换器U11前级的正负电源线之间连接有滤波电容C0，DC/DC升压变换器U11后级的正负电源线之间连接有滤波电容C1。DC/DC升压变换器U11输出端连接在稳压芯片U10的输入端上，DC/DC变换器U11产生的6V电源经过稳压芯片U10得到比较干净的5V电源，提供给西勒振荡电路，本实施例中，稳压芯片U10型号为XC6206P502，选用该元件重点在于超低功耗。

本发明在使用时，当探测到金属时，灵敏度调节及直流比较器模块的输出端amp_out为高电平，红色LED被点亮，同时，蜂鸣器或振动电机工作。

本发明采用了特有的电路设计，令用户可以很轻松地大范围调节灵敏度，以适用于各种不同的使用场景。在需要高灵敏度的场合，也可以很简单地直接调节到仪器的最高灵敏度(不会产生误触发)。本发明通过采用锂电池并进行低功耗设计，内置锂电池仅需两小时便可充至满电，充满电后可连续使用超过60小时。