基于单片机的智能型金属探测器的设计毕业设计论文.docx
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基于单片机的智能型金属探测器的设计毕业设计论文
长沙航空职业技术学院
毕业设计（论文）
基于单片机的智能型金属探测器的设计
学院（部）：
航空电子电气工程系
专业：
应用电子技术
学生姓名：
班级：
指导教师姓名：
最终评定成绩
摘要
金属探测器是专门用来探测金属的仪器。
广泛应用于工业生产、安检、娱乐等领域。
这里我们设计的是一个基于单片机的手持金属探测器。
它可以检测到人随身携带的金属物品，如小刀、钢笔甚至可以检测到香烟盒（内部有铝薄膜）。
可随身携带，使用方便。
金属探测是根据电磁感应原理制成的，将一金属置于变化的磁场当中时，根据电磁感应原理就会在金属内部产生涡流，涡流产生的磁场反过来又影响原磁场，这种变化可以转换为电压幅值的变化，供相关电路进行检测。
它也可以表现为振荡电路频率的变化，用检测频率的办法进行检测，这里使用的是后者，振荡部分由电容三点式振荡电路组成，产生的正弦波进行放大和脉冲转换电路，再送入单片机，由单片机探测它频率的变化。
当遇见金属时由于电磁感应原理原先建立起来的振荡将受到影响，频率将发生变化，单片机探测到这种变化后进行报警。
本次金属探测器的设计还给它添加了接口可以和外围的系统进行通讯，这里实现了与液晶显示，键盘和AT89S52组成的外围数据处理与显示模块的通信，对前端探测到的数据进行再处理和分析，并将结果显示在液晶屏幕上，并可以通过键盘对前端的探测进度进行设置。
关键字：
金属探测；电磁感应原理；单片机；涡流；振荡电路
ABSTRACT
Metaldetectorisaninstrumentwhichusefordetectingmetalspecially.ithasbeenextensivelyusedinproduce,Safetyinspection,entertainmentandsoon.HerewedesignedahandheldmetaldetectorswhichbasedontheMCU.Itcandetectpeoplecarryingmetalitemssuchasknives,pensandevenboxesofcigarettes（withinthealuminumfilm）.Portable,easytouse.
Itismadeaccordingtoprincipleofelectromagnetisminduction.whenweputanmetalobjectaroundmagneticfieldwithchangingseries.therewillproducevortexinnermetalobject.Thevortexwillcreatemagneticfieldtoo.Thenewmagneticfieldwillaffecttheold.Thechangecanbeconvertintovoltagesignalfordetectingbyrelativeelectrocircuit.Itcanalsoconvertintofrequencysignalandbedetectedbyfrequencydetector.Hereweusethesecondmethod.TheoscillationcircuitpartiscomposedbyCapacitancethree-pointoscillationcircuit.Thesignalcreatedbythepartismagnifiedfirstandthenconvertintoimpulsesignal.ThenitcanbeprocessedbySCM.SCMdetectitsfrequency,comparewiththebasefrequencyandthendeterminewhethertoworn.
Weaddaninterfacetothedetector.SoitcancommunicatewithotherSCMsystemwhichcontentalcd,akeyboard,aSCM.TheSCMsystemcanprocessthedatamorepreciselyandthendisplaytheresultthroughlcd.thekeyboardisusedforuserwhowanttosetthedetectingprecision.
Keywords:
metaldetector;theprincipleofelectromagnetisminduction;SCM;vortex;oscillationcircuit
1引言
金属探测器是一中专门用来探测金属的仪器，除了探测有金属外壳或金属部件的地雷以外，还可以用来探测隐蔽在墙壁内部的电线、埋在地下的水管电缆，甚至能够地下探宝，发现埋藏在地下的金属物体。
目前还广泛用于各种大型会议中心、汇展场管、体育场管公检法、监狱系统及娱乐场所的安全检查和工厂企业的防偷检查，甚至用于对高考禁带物品的检查。
金属探测器按其功能和市场应用的不同可分为以下几种：
通道式金属探测器（简称安检门）、手持式金属探测器、便携式金属探测器、台式金属探测器、工业用金属探测器和水下金属探测器[4]。
世界上第一台金属探测器诞生与1960年，步入工业时代的最初的金属探测器主要用于工矿业，是检查矿产纯度和提高效益的得力助手，随着社会的发展，犯罪案件的上升，1970年金属探测器被引入一个新的应用领域——安全检查，也就是今天所使用的金属探测门的雏形，它的出现意味着人类对安全认识已步入一个新纪元。
20世纪70年代随着航空工业的迅速发展，劫机和危险事件的发生使航空和机场安全逐渐受到重视，于是在机场众多设备中，金属探测门排查违禁物品的重要角色。
同样再0世纪70年代，由于金属探测门在机场安检中崭露头角，大型运动会、展览会及政府安全保卫工作中开始启用金属探测门。
20世纪80年代，监狱暴力案件呈直线上升趋势，如何及早预防并阻止暴力案件发生成了监狱管理工作中的重中之重，在依靠警员对囚犯加强管理的同时，金属探测门再次成为了美国、英国、比利时等发达国家监狱管理机构必备的安检设备；与此同时西方兴起的“探宝热”，也使金属探测器取得了长足的发展。
进入20世纪90年代，迅速升温的电子制造业成了这个时代的宠儿，大型的电子公司为了减少产品的流失、结束员工与公司之间的尴尬局面，陆续采用了金属探测门和手持金属探测器，作为管理员工行为、减少产品流失的利刃，于是金属探测器又有了它的新作用产品防盗。
“9.11”事件发生后反恐成为国际社会的一个重要的议题。
爆炸案、恐怖活动的猖獗使恐怖分子成了各国安全部门重点打击的对象。
此时国际社会“安全防范”的认识也提高到了一个新的高度，受“9.11”事件的影响各行各业加强了保安工作的部署，金属探测器也成功渗透到公共娱乐场所等行业。
然而此时简单的通道式金属探测门已不能完全满足安检要求，安检人员需要的是一种能准确判定物品藏匿位置的安检产品。
于是多区位金属探测技术孕育而生，它的诞生是金属探测器历史上又一次变革，原来单一的磁场分布变成了现在互相叠加而又相对独立的多个磁场，在根据人体工程学把人体分为多个区段使之与人体相对应，相应的区段在金属探测门上形成相对的区域，这样金属探测门便拥有了报警定位功能。
又根据国务院发布<<单位内部治安保卫条例>>，监考人员在高考考又根据国务院发布<<单位内部治安保卫条例>>，监考人员在高考考场里使用金属探测器符合相关规定，它将作为一项常规措施载入我国考试监考制度中[4]。
金属探测器的工作原理简单的讲就是利用电磁感应原理，让交流电通过电感线圈，产生迅速变化的磁场，该磁场能在被检测的金属物体内部产生感生涡流[3]。
涡流反过来有影响原来的磁场，引发探测器发声。
金属探测器自诞生至今40多年过去了，金属探测器经历了几代金属探测的变革，从最初的信号模拟技术到连续波技术，再到今天的数字脉冲技术，金属探测器简单的磁场切割原理被引入多种技术成果中。
无论是灵敏度、分辨率、探测精度还是在工作性能上都得到了质的飞跃，应用领域也随着产品质量的提高延伸到多个行业。
2综述
金属探测器是基于电磁感应原理工作的，依工作方式主要有脉冲感应型、VLF（verylowfrequency）连续波型和LC振荡型三类。
其中LC振荡型主要应用在小目标近距探测方面，已较少使用，目前广泛应用的金属探测器主要是脉冲感应型和VLF连续波型。
脉冲感应型和连续波型金属探测器都是通过探测被测金属感应电流产生的二次磁场确定被测金属的有无及种类。
脉冲感应型金属探测器检测波形为随时间指数衰减的波形。
由于脉冲感应型检测波形的特殊性，在很大程度上限制了数字信号处理技术在脉冲感应型金属探测器中的应用。
VLF连续波型检测波形为有特定相位滞后的正弦波，当前有很多数字信号处理算法适用于VLF连续波型，连续波型金属探测器具有广阔的发展前景。
VLF连续波型金属探测器中，接收线圈上的感生电压主要受介质的磁导率影响。
铁磁性物质的磁导率很高，即μ>>1，如铸铁为200～400。
非铁磁性物质的磁导率近似等于真空中的磁导率，部分非铁磁性物质＜1，如铜、银的相对磁导率分别为0.99990、0.999974。
部分非铁磁性物质＞1，如铂的相对磁导率为1.00026。
当铁磁性物质接近线圈时，线圈间介质磁导率偏大，接收线圈上的感生电压显著增大。
当＜1的非铁磁性物质（如铜、银）接近线圈时，线圈间介质磁导率减小，接收线圈上的感生电压值减小。
当＞1的非铁磁性物质（如铂）接近线圈时，线圈间介质磁导率增加，接收线圈上的感生电压的的电压幅值微弱增加[4]。
在技术进步的前提下，今日的金属探测器有能力作比以前更多、更为复杂的工作。
整体来讲，当今的金属探测器已经出现了两种最具特色的技术功能。
其中之一是金属探测器的网络化功能。
具备了这种技术，人们可以在任何一个地方拨打该金属探测器，对仪器进行维修，分析所通过的人流量，并可根据治安的好坏或威胁的大小，调整金属探测器的工作灵敏度。
所有这一切都可以远距离进行操作。
金属探测器的另一个技术进步就是分段限时技术的出现，世界几大著名的金属探测器生产厂商，如EIPaso、CeiaUSA、Ranger&Metorex等，均投入了相当的资金从事这项研究、开发工作。
它利用探测器的侧面或另一仪表盘上的灯光来指示或显示出人体中金属物品的近似位置，可以用在诸如法庭以及其他不允许发出声音的地方，虽然关闭了探测器的音量，但它仍能显示并提醒操作人员何时何处有金属物品存在。
金属探测器可以与其他的出入控制装置，如入口读卡机等整合在一起。
银行业是该出入整合设备的最大客户。
美国CeiaUSA公司董事长ScootDennision不久前曾经说过，他们公司已经开始着手为美国的几大银行安装整合式金属探测器。
他们使用的是一种双门系统，它具备这样的功能：
在第二道门打开之前，银行或其他机构借助于该系统就能够断定正在进入的人员是否携带有枪支等物品。
在该系统中，金属探测器与CCTV、对讲电话系统、出入控制以及其他安全防范手段整合在一起。
但是该金属探测器，也可以在独立的基础上与出入控制整合在一起。
CeiaUSA公司业已开发出了一种新技术，能够在人员通过金属探测器的时候自动刷卡，不但能探测人员是否携带有武器，而且还能进行读写校验以确定人员是否能合法进入该场所。
这种名叫MET卡的产品已于去年9月在美国上市，它借助于近发无线电技术，可使工作人员腾出双手，免去了手持劳作之苦。
在读卡的基础上，该系统可根据工作性质、对象调节安全报警信号的阀值。
如果你是一个警察，依法可以持有枪支，那么该系统就会自动降低报警的灵敏度；而对下一个通过探测器的一般人来说，金属探测器将自动提高或调整报警的灵敏度。
MET卡也可以安装在门框中充当跟踪设备，用以防止贵重物品的丢失和被盗。
前面所讲的是金属探测器的最新情况，金属探测契经过40多年的发展其技术上已经发生了几次飞跃，人类已经步入到数字化时代，金属探测器也顺应这一时代的现状，无论是金属探测器的网络化还是出入整合技术，都需要强大的数字电路对信息进行分析处理，在进行传送控制。
因此在这种前提下进行数字金属探测器的设计是顺应时代发展和需求的，本次金属探测器是一种基于单片机的数字金属探测器，其对金属的判断报警都是在数字单片机内完成的，可拓展性强，在对其加入外围功能电路后也能实现网络化和和出入整合。
3方案论证
金属探测器的设计方案根据它的应用的不同而不同，这里引入两种与本次设计应用相进的金属探测设计方案，拿它们与我们的设计方案进行对比，以突显出彼此的优缺。
3.1基于单片机的金属探测器的设计方案
正如综述里所说的数字金属探测器的设计是顺应时代发展，本次设计所要完成的任务是实现一个基于单片机的手持金属探测器。
其模型如图3-1所示。
可以看出它由四部分组成：
高频振荡、信号放大、脉冲转换和信号的处理与报警，下面简单论述以下各个模块的功能。
1）高频振荡
这一部分是金属探测的基础，金属探测器的原理是：
当金属物体置于变化的磁场当中时，金属内部就会产生涡流，而涡流所产生的磁场又会影响原磁场。
高频振荡部分的任务首先就是产生变化的磁场，它往往由一LC振荡电路组成。
其次，在遇见金属后由于金属内部涡流的存在，它的磁场会影响原有磁场，使原有振荡电路的振幅和周期都发生改变。
这种改变经转换后送入单片机，单片机中有相应的程序对其进行分析判断。
2）放大电路
振荡电路所产生的正弦波信号的幅值是比较小的，因此需要放大才能进行再处理。
3）脉冲转换电路
这是本套设计方案所独有的，它是实现本次金属探测数字化的桥梁，单片机只能处理数字脉冲型号，因此振荡电路所产生的信号经放大不能直接送入单片机，这一部分只需要一个TTL门电路对放大电路输出的波形进行转换就行，简单但很重要。
4）信号处理与报警
这一部分是整个电路的大脑，所有的电路都是为它服务，这一部分也是整个探测器实现网络化或其他功能的桥梁。
作为整个电路的大脑，它对整个电路所产生的信号做最终的处理，并根据处理的结果决定是否存在金属，是否要发出警报。
这一部分处理能力的强弱影响这整个系统的性能。
作为与外部进行沟通的桥梁，它可以将金属探测的信息发送给外围模块供他们进行进一步的处理，它同时也接收外围模块传送过来的控制信号，如对金属探测的精度或其他方面进行设置。
3.2MD—898K金属探测器
图3-2为MD—898K金属探测器的原理框图，看上去在结构上和本次设计的金属探测器很相近，实际上它们存在本质的差别。
首先，两者在设计思想上完全不同，MD—898K金属探测器是模拟信号处理的模拟金属探测器，而此次要实现的金属探测器信号的处理和报警都在数字单片机内完成。
其次，在可拓展性方面MD—898K没有可拓展性而言，因为每一部分的单元电路紧密的联系在一起，即使可以扩展也要对整个电路进行从新设计，而且设计的难度相对很大，而本次设计，将频率信号转换为数字信号供数字单片机进行分析，单片机提供了很多I/O口可以很方便的和其他单片机进行通讯，加入串口通信模块后还可以直接和PC机进行通讯，借助于PC机强大存储和网络资源对数据进行再分析在处理，就可以完善金属探测的性能，并且借助于PC机的强大功能可以使探测的精度得到新的改善。
图3.1手持数字金属探测器原理框图
图3.2MD—898K金属探测器原理框图
4总体设计
总体设计将影响整个项目的实现，对整个项目的开发起着指导性的作用，因此总体设计的好坏影响深远，这里的软硬件方案都是经过再三的比较与分析才确定的，硬件和软件两个互相影响，协同工作实现系统的基本功能。
由于硬件系统是基础，是软件系统得以运行的平台，因此将它放在前面，先依据硬件的总体设计方案，完成各个单元电路的设计与实现，接下来再根据软件模块的总体方案设计程序流程，在硬件电路的基础之上进行调试。
但在设计之初两个部分都需经过认真的分析，确定总体方案后再分阶段进行实现。
4.1硬件电路设计
硬件电路设计是进行软件设计的基础，是整个金属探测器中最位重要的部分。
它设计的好坏决定着系统的稳定性和可扩展性。
本次设计的金属探测器系统组成框图如图4-1所示，硬件控制电路包括两个部分，一部分线圈振荡电路,包括:
多谐振荡电路、放大电路和探测线圈;另一部分控制电路包括:
U,GN3503型线性霍尔元件、可编程放大电路、峰值检波电路、模数转换器、AT89S52单片机、LED显示电路、声音报警电路及电源电路等。
图4.1系统组成框图
1）电路具体介绍
4.1.1线圈振荡电路
图4.1.1线圈振荡电路原理图
工作过程中，由555定时器构成一个多谐振荡器，产生一个频率为24KHZ、占空比为2/3的脉冲信号。
振荡器的频率计算公式为：
（3-1）
图示参数对应的频率为24KHZ，选择24KHZ的超长波频率是为了减弱土壤对电磁波的影响。
从多谐振荡器输出的正脉冲信号经过电容
输入到
的基极（
为
125的9013H）,使其导通，经
放大之后，就形成了频率稳定度高、功率较大的脉冲信号输入到人、探测线圈
中，在线圈内产生瞬间较强的电流，从而使线圈周围产生恒定的交变磁场。
由于在脉冲信号作用下，
处于开关工作状态，而导通时间又非常短，所以非常省电，可以利用9V电池供电。
4.1.2数据采集电路
4.1.2数据采集电路原理图
（1）线性霍尔传感器（linearHall-EffectSensors）
在电路设计中，选用了美国公司生产的UGN3503U线性霍尔传感器，来检测通电线圈
周围的磁场变化。
UGN3503U线性霍尔传感器的主要功能是可将感应到的磁场强度信号线性地转变为电压信号。
他的功能特性示于图4.1.3和4.1.4。
图4.1.3UGN3503的功能框图
图4.1.4UGN3503U的磁电转换特性曲线
霍尔元件是依据霍尔效应制成的器件。
如图4.1.5所示，在一块半导体薄片上两端通以电流I，并加以和片子表面垂直的磁场B，在薄片的横向两侧会出现一个电压，如图3.2.5中的
，这种现象就是霍尔效应。
这种现象的产生的洛伦兹力的作用下，分别向片子横向两侧偏转和积聚，因而形成一个电场，称作霍尔电场。
霍尔电场产生的电场力和洛伦兹力相反，它阻碍载流子继续堆积，知道霍尔电场力和洛伦兹力相等，这时，片子两端建立起一个稳定的电压，就是霍尔电压
，霍尔电压
可用下式表示：
=
（V）（3-2）
式中
—霍尔常数（
）；I—电流（A）；B—磁感应强度（T）；d—霍尔元件的厚度（m）
令
，则得到
（V）（3-3）
图4.1.5霍尔效应原理图
由上式可知，霍尔电压的大小正比于控制电流I和磁感应强度B。
称为霍尔元件的灵敏度，它与元件材料的性质与几何尺寸有关。
因此当外加电压电源一定时，通过的电流I为一恒定值，此时输出的电压只与加在霍尔元件上的磁场B的大小成正比，即：
（3-4）
此时K=
为常数。
因此，任何引起磁场强度变化的物理量都将引起霍尔输出电压的变化。
据此，将霍尔元件做成各种形式的探头，固定在工作系统的适当位置，用它去检测工作磁场，再根据霍尔输出电压的变化提取别检信息，这就是线性霍尔元件的基本物理依据和作用。
（1）放大和峰值检波电路
由于UGN3503U线性霍尔元件采集到的电压信号是一个毫伏级的信号，信号十分微弱，所以，在对其进行处理前，首先要进行放大。
在设计中，信号放大电路采用输入阻抗高、漂移较小、共模抑制比高的集成运算放大器LM324。
LM324是四运放集成电路，它采用14脚双列直插塑料封装。
它的内部包含四组形式完全相同的运算放大器，除电源共同，四组运放相互独立。
如图所示，UGN3503线性霍尔元件输出的微弱信号经电容耦合到前级运算放大器U2A的相同输入端，运算放大器U2A把霍尔元件感应到的电压转换为对地电压。
在电路设计中，运放LM324采用+5V单电源供电，对于不同强度的信号均可通过调节前级放大电路的反馈电位器W1来改变其放大倍数。
经前级运算放大器放大的信号经耦合电容
输入到后级峰值检波电路中。
采用阻容耦合的方法可以使前后级电路的静态工作点保持独立，隔离各级静态之间的相互影响，使得电路总温漂不会太大。
峰值检波电路由两级运算放大器组成，第一级运放U2B将输入信号的峰值传递到电容
上，并保持下来。
第二级运放U2C组成缓冲放大器，将输出与电容隔离开来。
在设计中，为了获得优良的保持性能和传输性能，同样采用了输入阻抗高、响应速度较快、跟随精度较好的运算放大器LM324，这样可有效地利用LM324的资源，减少使用元器件的数量，降低了成本。
当输入电压
上升时，
跟随上升，使二极管
、
导通，
截止，运放U2B工作在深度负反馈状态，使电容
充电，
上升。
当输入电压
下降时，
跟随下降，
导通，U2B也工作在深度负反馈状态，深度负反馈保证了二极管
、
可靠截止，
值得以保持。
当
再次上升时使
上升并使
、
导通，
截止，再次对电容
充电（
高于前次充电电压），
下降时，
、
又截止，
导通，
将峰值再次保持。
输出
反映
的大小，通过峰值检波和后级缓冲放大电路，将采集到的微弱信号放大至0V~5V的直流电平，以满足A/D转换器ADC0809所要求的输入电压变换范围，然后通过A/D转换电路将检测到的峰值转化成数字量。
（2）A/D转换电路
由于采集到的信息是连续变化的模拟量，不能被单片机直接处理，所以，必须把这些模拟量转换成数字量后才能够输入到单片机中进行处理，这里选用了经济实用的ADC0809型A/D转换器来完成模数转换。
ADC0809芯片内部结构和工作时序示于图4.1.6和图4.1.7。
图4.1.6ADC0809的芯片内部结构
图4.1.7ADC0809的工作时序
ADC0809是8位逐次逼近型A/D转换器，片内有八路模拟开关，可对八路模拟电压量实现分时转换，转换速度为100
（即10千次/秒）。
当地址锁存允许信号ALE=1时，3位地址信号A、B、C送入地址锁存器，选择8路模拟量中的一路实现A/D变换。
本设计中只使用通道INO，所以，地址译码器ABC直接地址为000，采用线选法寻址。
ADC0809片内有三态输出缓冲器，可直接与单片机的数据总线相连接，这里将它的数据输出口直接与单片机的数据总线P0口相连接，AT89S52的P0口作为数据总线，又作为低8位地址总线。
ADC0809的片内没有时钟，时钟信号必须由外部提供，这里利用AT89S52提供的地址锁存允许信号ALE经计数器74LS163构成的4分频器分频获得。
ALE引脚的频率是单片机时钟频率的1/6,单片机的时钟频率为12MHz，则ALE引脚频率约为2MHz，再经4分频后为500kHz，所以ADC0809能可靠工作。
ADC0809的模拟输入范围：
单极性0~5V,设计中采用+5V单电源供电。
放大后的电压信号送入ADC0809的模拟输入通道IN0进行A/D转换。
将P2.7（地址总线的A15）作为片选信号，由AT89S52的写信号
和P2.7控制ADC0809的地址锁存ALE和转换启动START，当ADC0809的START启动信
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