作品简介
1.1开发背景
目前，磁性铁测定主要靠化学方法进行测定，需要经历粉碎，磁铁选矿，盐酸溶矿，氯化亚锡还原，氯化高汞，硫磷混酸，二苯胺磺酸钠指示，重络酸钾滴定，多次测量求平均值等。其操作过程非常复杂，测量周期时间长，具有一定危险性，一般需要专业测定员及特定的实验环境，并不能在矿山或矿井下完成测量，测量成本比较高。为了克服现有化学方法测定的测量过程复杂，测量周期长，操作受环境影响等问题，设计了新型纯物理方法的铁磁性测量箱。
本设备是一种快速、精确的磁性铁测试仪器，有双电源供电，特别适合矿下、野外勘探和短时间内对大量样本进行准确测定，属于电子测量仪器。根据不同矿石含有的铁含量的不同，从而拥有的电感量不同，完成测量。
1.2结构说明
(1) 主控模块：本模块是比赛所提供的宏晶公司最新STC15系列IAP15F2K61S2芯片。ISP/IAP，在系统可编程/在应用可编程，无需编程器，无需仿真器。可当仿真器使用，操控极其方便，很适合初学者。
(2) 2.4无线：通过2.4G无线与上位机通信，实时返回测量数据。
(3) 按键模块：4x4薄膜矩阵按键用来控制系统运行和设置参数。
(4) LC震荡器：采用西勒振荡电路。
(5) 改进型振荡器：搭配高可靠性聚四氟乙烯电容，使1.3M频率波动限制在+-20hz。
(6) 波形整理电路：由lm393组成过零比较器初步波形整理，将小信号正弦波整形为4V的三角波。接着由高性能tlc555组成施密特触发器，将三角波整形为5V方波。交与单片机计数器0。
(7) PC上位机：在vs2010的平台上编写了串口程序，调用了基本的SerialPort类，用SerialPort类来与单片机实现通信，既可以实现上位机向单片机发送数据也可以接受由单片机发送过来的数据，并在上网机的界面上添加了人性化的颜色，让上位机使用起来更容易让人所接受。
1.3功能与使用说明
(1)功能：使用说明：PC机在VS2010的基础运行。
(2)功能：本作品可以测量铁矿石含量，并将测量结果显示在LED屏及上位机界面上。
平台选型说明
主控部分采用比赛组委会提供的宏晶公司最新STC15系列IAP15F2K61S2芯片,本单片机简单、可靠，控制功能有了很大的提高，而且成本相比于其他主控低。其实物图下图所示：
1.采用宏晶公司最新STC15系列IAP15F2K61S2芯片。ISP/IAP，在系统可编程/在应用可编程，无需编程器，无需仿真器。可当仿真器使用。
2.增强型8051CPU，1T，单时钟/机器周期，速度比普通8051快8-12倍。
3.61K字节片内片内Flash程序存储器，擦写次数10万次以上。
4.片内大容量2048字节的SRAM。
5.大容量片内EEPROM，擦写次数10万次数以上。
6.共8通道10位高速ADC，速度可达30万次/秒，3路PWM还可当3路D/A使用。
7.共3通道捕获/比较单元(CCP/PWM/PCA)。
8.内部高可靠复位，8级可选复位门槛电压，彻底省掉外部复位电路。
9.内部高精度R/C时钟，内部时钟从5MHz～35MHz可选，相当于普通8051的60MHz～420MHz。
10.两组高速异步串行通信端口(可同时使用)，可在5组管脚之间进行切换，分时复用可当5组串口使用。
11.一组高速异步串行通信端口SPI。
12.各种接口扩展齐全。
13.一根优质USB线实现系统供电、程序下载、通信功能。
设计说明
3.1设计要求
1.能够稳定测量振荡器频率。
2.能够快速测量铁矿石含铁量。
3.能够精确测量铁矿石含铁量。
4.能够通过2.4G无线将测量结果发送到电脑上。
5.可以通过矩阵键盘便捷的完成测量。
6.可以通过矩阵键盘输入5组以上不同矿石的参数，并且可以断电保存参数。
7.受环境影响小，可以在较强磁场等环境下工作。
8.可以在完成测量时，直接显示含铁量，显示矿石种类，基准频率，当前频率，当前种类等参数。
9.采用双电源控制，内置市电供电电路和移动供电电路。在有市电接入时能自动切换为市电供电同时为锂电池充电。有锂电池充电电路，能够防止过冲，同时有充电指示和饱和指示。
10.通过12864液晶模块直接显示，更加直观便捷。
3.2系统硬件电路设计
3.2.1 LED点阵电源模块
电源部分主要由开关电路、浪涌抑制电路、整流滤波电路、稳压电路、调压电路、保护电路、备用电池供电电路组成。开关电路由继电器和开关组成。浪涌抑制电路有双绕电感和0.33电容组成。整流滤波电路由5A整流堆和104,2200电容组成。(为了降低功耗没有再采用电感)，稳压电路由BUCk电路(lm2596)将输入的电压降为12V。供给12V的柯西振荡器，使其正常发波。并由7805将12V降为5V分别供给单片机等5V电路。
移动电源电路由Buck-Boost升压电路(xl6012)将3.6V的锂电池电压升为12v并自动调整电压电流，供给振荡器和其他电路。保护电路由3A自熔保险丝盒可恢复保险丝组成。
其中电源切换电路由LM393组成过零比较器，2脚反向输入端采集市电电压，经由分压电阻得到约1.5V，3脚正向采集锂电池电压，得到1V左右电压。没有市电时2脚由电阻下拉接地，为0负。比较器输出高电平，三极管关闭，继电器不动作。同理有市电时继电器吸合，接通市电，关闭锂电池供电。
3.2.2 电容三点式振荡电路电路设计
采用西勒振荡电路，因为西勒振荡器的接入系数与克拉泼振荡器的相同，由于改变频率主要通过C4完成的，C4的改变并不影响接入系数p，所以波段内输出较平稳。而且C4改变，频率变化较明显，故西勒振荡器的频率覆盖系数较大，可达1.6~1.8。
合理地选择振荡器的静态工作点，对振荡器的起振，工作的稳定性，波形质量的好坏有着密切的关系。-般小功率振荡器的静态工作点应选在远离饱和区而靠近截止区的地方。根据上述原则，一般小功率振荡器集电极电流ICQ大约在0.8-4mA之间选取，故本实验电路中：
3.2.3 BUCK降压电路与拓扑升压电路
BUCK降压电路有LM2596组成，该芯片性能稳定，功率较大。
特点：
※3.3V、5V、12V的固定电压输出和可调电压输出
※可调输出电压范围1.2V～37V±4%
※输出线性好且负载可调节
※输出电流可高达3A
※输入电压可高达40V
※采用150KHz的内部振荡频率，属于第二代开关电压调节器，功耗小、效率高
※低功耗待机模式，q的典型值为80μa
※tTL断电能力
※具有过热保护和限流保护功能
※封装形式：TO-220(T)和TO-263(S)
※外围电路简单，仅需4个外接元件，且使用容易购买的标准电感
拓扑升压电路由xl6012组成。
将锂电池的3.6V升压为12V给所有电路供电。
3.2.3上位机
上位机通过2.4G c1101将开始测量命令发送至测试仪，测量结束后测试仪通过2.4G无线将测量结果反馈回上位机界面显示。上位机界面可以同时显示多组测量数据以便对多组数据进行比较。
3.3硬件设计
1.整体电路原理图
测量方案：
测量方案：根据不同矿石含有的铁含量的不同，从而拥有的电感量不同。仪器内部有高精度LC震荡电路(震荡频率1.3MHZ)，将装有矿石粉的试管放入带屏蔽罩的电感线圈时，将会明显的改变振荡器的频率。正弦波不同的矿石改变频率的比例是一定的，所以根据频率差可以精确地测量出矿石的含铁量。测量周期极其短，可在1s内完成。
振荡器采用西勒改进型振荡器，具有较高的稳定性，在1.5MHZ的频率下，频率波动<=10HZ，因此测量精度可以达到0.1%。振荡器输出的正弦波经过过零比较器进行初步波形整理为4V的三角波，再由施密特触发器整理为5V方波。最后由stc12c5a60s2的外中断定时器检测单位时间内上升沿数量，从而计算出频率。
3.软件流程图
1.开启电源：船型开关向上开机，显示器亮。
2.关闭电源：船型开关向下，并按一下电源键(如果关机失败，在重新按一下电源键)。
3.设置参数：开机后进入设置界面，按‘*’键进入设置，选择需要修改的组数，首先看到的是“b”值，按‘*’清除所有值，并将光标移到最左边。开始输入数值，输入完成后按确定保存。
现在看到的是“k”值，按‘*’清除所有值，依次输入k的参数。(正负在键盘上。)然后按‘#’确认。
4.测量步骤：
在主界面按‘#’，选择对应的测试组。
进入基频确定界面，确保未插入试管的情况下，按‘*’刷新基频。基频刷新完成后，插入试管，按‘#’完成测试。
在结果界面上，第一行显示当前基频值，第二行显示测量的频率差值，第三行显示结果值。
按‘*’重新选择其他矿种，‘#’进行新一轮测试。(重复步骤二)
按“主界面”返回最初界面
按“参数”按键，查看当前参数，按‘#’返回结果页面。
5.注意事项：
尽量不要在潮湿环境中使用，以免影响测量精度或者损坏仪器。
试管中矿粉要装平，装实，以免造成误差。(称样量5.00g)
尽量不要用电池供电，长时间不用，每隔一两个月要冲一次电。
确保电池一直有电。
特别注意：电池损坏可能导致不能开机。
4作品特色
4.1先进性
1.本作品采用纯物理方法对铁矿石含量进行测量，一改传统的化学测量方法。无需复杂的操作过程及特定的实验环境，只需将铁矿石粉碎即可进行测量，操作简单方便，对环境适应能力强;
2. 本实用新型采用2.4G可以与上位机进行通信，方便做出矿石含铁量曲线;
3. 该仪器操作简单，一般工人即可轻松胜任;所需步骤少，只需粉碎矿石即可测量;
4. 测量时间短，1s即可完成测量;
5. 环境影响小，自身采用双电源设计，没市电的时候有内置锂电池供电，有市电的时候自动切换到市电供电，并由市电给力电池充电。可以在矿下、野外工作;
6. LCD大屏显示，无需计算、化验。结果和其他参数直接显示。
4.2实用性
该仪器操作简单，一般工人即可轻松胜任;所需步骤少，只需粉碎矿石即可测量;测量时间短，1s即可完成测量;不受环境影响，自身采用双电源设计，可以在矿下、野外工作。LCD大屏显示，无需计算，结果和其他参数直接显示;2.4G无线传输，远程即可获得矿上矿石的数据。
特别适合在各大矿场应用，可以节省大量的检测时间，能够在短时间内对大量样品进行检测。为各大公司节省大量不必要的人力物力、化学设备、测量人员。
本作品正在申请专利，拥有实验模型和以生产的工业级别产品。已在内蒙部分矿场应用，并由新时代检测公司进行销售。
4.3创新性
本实用新型铁矿石测试仪根据不同矿石含有的铁含量的不同，从而拥有的电感量不同，这种测量方案在国内属于首创。
对西勒三点式振荡器进行大量改进，使其稳定性达到商业级别。
全方面的解决了传统化学测量方法操作难度高、测量周期长、操作具有危险性、需要专业的化学实验室等弊端。
采用2.4G无线可以与上位机进行通信，方便做出矿石含铁量曲线。使工程师足不出户，即可知道整个矿山的矿场分布，种类分布，含量分布等。快速对整个矿上、矿井价值做出判定。
电源采用双电源设计，没市电的时候有内置锂电池供电，有市电的时候自动切换到市电供电，并由市电给力电池充电。双电源供电，适合矿下，野外勘探工作。
作者：内蒙古科技大学 李献晓 赵义鹏 奚亮
指导教师：郭宇 高丽丽