基于HMC1001的铁磁金属检测系统设计

陈 凯， 秦会斌

(杭州电子科技大学 新型电子器件与应用研究所，浙江 杭州 310018)

0 引 言

磁性金属检测在现代社会生活中的应用越来越广泛，军事上可以用于探测地雷，工业上可以用来探测地下金属便于采矿和冶金。磁性金属检测系统在生活中扮演的角色越来越重要，与此同时其功能和稳定性的提高与完善也越发重要。

国内金属探测器的研究和发展目前多集中在安检领域,出现了多个金属探测器生产厂商，但从国内市场占有率看,国外品牌占有的市场份额中，民航市场一直没有国产金属探测器的出现[1]。其主要原因是技术不够成熟，成本过高，实物不符合现实生活中的使用要求。

本文参考了当今金属检测先进技术，基于HMC1001磁传感器研制了一种操作便捷的磁性金属传感器。系统主要包括：采集模块、信号放大模块、A/D转换模块、传感器复位脉冲、STM32单片机最小系统。

1 磁传感器工作原理

HMC1001内置4个磁阻组成惠斯顿电桥，将磁场转换为电压。正常磁电阻效应来源于磁场对电子的洛仑兹力,导致载流子运动发生偏转或产生螺旋运动,使电子碰撞几率增加,电阻值增大。正常磁阻效应包括物理磁阻效应和几何磁阻效应[2]。当外部磁场平行于传感器内部电流所形成的磁场时，传感器内部电阻值不发生变化;当外部磁场与内部磁化方向不一致时，电阻值大小发生变化[3]。

2 硬件系统框架结构设计

硬件的框架结构如图1所示，HMC1001磁阻传感器将采集的磁场信号转换成电压信号，由于传感器能感应的强度低至30 μGs，其对应电压为0.12 μV，对采集到的电压进行放大，并通过一个16位A/D采集芯片，将模拟信号转换为数字信号，用于单片机处理。当信号高于设定阈值时，单片机控制蜂鸣器报警。

图1 系统硬件框图

2.1 放大器设计

MHC1001输出为差模信号，在传输过程中易引入共模信号，使用仪表放大器AMP04消除共模信号，并进行信号放大，其功能框图如图2所示。

图2 AMP04功能框图

在AMP04的5号引脚施加电压可以用来校正偏移电压，放大器的放大倍数由1号引脚和8号引脚之间的电阻值决定，其放大倍数为

G=100 kΩ/RGAN

2.2 置位/复位电路

大多数低磁传感器在大于4Gs环境下会被干扰，为了消除这种干扰，并使输出信号最优化，使用磁开关技术。在HMC1001的S/R引脚施加一个电流大于4 A、脉宽大于2 μs的脉冲电流，即可降低噪声并提高灵敏度。其复位电路如图3所示。

图3 置位/复位电路

S/R口的内部电阻值只有4.5 Ω，外部电路中的引线电子和S/R引脚处的0.22 μF电容器的内阻值可能使置位/复位电压分压，从而导致复位电流和脉宽未达到要求，因此，需要尽可能减短引线的长度，并使用低阻抗的钽电容器或者瓷片电容器。

2.3 电源模块

系统中使用了3.3，5，20 V共3个电压，输入电压使用4节锂电池串联供电。对应3.3 V和5 V电压，先利用TPS54331进行降压处理。TPS54331输入电压范围为 3.5～28 V,输出电流达到3 A,封装形式为 SOIC8，PCB 布局方便[4]。其中5 V电压工作电路如图4所示。

图4 TPS54331工作电路

置位/复位电路中需要用到16～20 V的电压，需要对电压进行升压后再对其进行供电。MAX662a可以将5 V电压转换成20 V电压给置位/复位电路供电。

3 软件系统设计

3.1 软件流程

软件系统基于STM32处理实现，包括STM32对CS5509进行串行数据采集，由于数据中包含一些误采集信号和杂波信号，需要对这些数据进行滤波处理，根据实际环境设定的阈值做出处理，软件的流程如图5所示。

图5 软件流程

3.2 数字滤波算法

数字滤波算法能够减少外界环境对采样数据的干扰，提高测试数据的稳定性与准确性，在进行数据处理之前，一般先对采样数据进行数字滤波。数字滤波是模拟滤波器的补充，不需要增加任何硬件设备，可以多个输入通道共用一个数字滤波程序，并且能够对频率很低的信号实现滤波，以克服模拟滤波器的缺陷[5]。

常用的数字滤波算法有：中值滤波、算术平均值滤波、限幅滤波。但是每种算法都存在一定的缺点[6～8]，为此采用复合滤波算法。

复合数字滤波法更有利于去除干扰:利用限幅滤波去除过大或过小的数据；利用中值滤波法滤除由于脉冲干扰偏差的采样值；将剩余的采样值做算术平均。这种方法既可以去掉脉冲干扰，又可以对采样值进行平滑处理。在高、低速数据采集系统中，复合数字滤波能够有效削弱干扰，提高数据质量。

4 实验结果

利用一扇磁性金属材料的铁门，在传感器的测量方向上检测采集的电压值。

当磁传感器向铁门靠近时采集的电压出现明显下降波动，电压随着距离的增加而减小，可以检测到金属物体。CS5509是16位A/D采样芯片，基准电压电压为3.3 V，因此，能采集到的最小电压为3.3/216=50.354 μV,对于一些

小信号传感器和单片机均无法检测到。其对应的最小电压会因外界磁场的干扰不断波动，因此，无法准确判定较远距离处磁性金属。最终检测数据如图6所示。

图6 检测电压

5 结束语

提出了基于HMC1001的铁磁金属检测系统设计。将电压信号通过差分放大电路进行放大，以获得可以处理的电压信号，通过对电路进行优化使传感器工作更加稳定和准确。实验表明：基于HMC1001铁磁金属检测系统可以准确探测到一定范围内的磁性金属，系统体积小，性能稳定，适用于各种复杂的工作环境。

参考文献:

[1] 孙丽兵.智能双频金属探测器的研究[D].南昌：南昌大学,2008.

[2] 张海峰,刘晓为,王喜莲,等.磁电阻效应的原理及其应用[J].哈尔滨工业大学学报,2008,40(3):362-366.

[3] 陈国栋,王 祥,王建红,等.磁阻传感器在六臂井径测井仪中的应用[J].传感器与微系统,2016,35(7):150-153.

[4] 梁 冰.高速线阵CCD图像采集系统的设计[D].合肥：合肥工业大学,2010.

[5] 唐小伟.数据采集系统中温度数据的数字滤波算法分析[J].真空与低温,2010,16(1):47-50.

[6] 任克强,刘 晖.微机控制系统的数字滤波算法[J].现代电子技术,2003(3):15-18.

[7] 张玉珊,崔金玲.数据采集系统中的数字滤波方法研究[J].河南机电高等专科学校学报,2007,15(3):23-25.

[8] 杨 剑,刘光斌.单片机系统中应用的几种数字滤波方式[J].网络新媒体技术, 2006,27(1):114-116.