011109030118金属探测器毕业设计.docx

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011109030118金属探测器毕业设计

摘要

传统的金属探测方法存在干扰能力差、容易产生误动作的缺点。

本设计是基于AT89S52单片机控制的智能型金属探测器。

该金属探测器采用LJ12A3-4-Z/BX作为传感器，来感应金属涡流效应引起的通电线圈磁场的变化，并将磁场变化转化为电压的变化，单片机测得电压值，并与设定的电压基准值相比较后，决定是否探测到金属。

在软件设计中，采用了数字滤波技术消除干扰，提高了探测器的抗干扰能力，确保了系统的准确性。

关键词：

单片机，金属探测器，电磁感应，灵敏度

ABSTRCT

TThetraditionalmetaldetectionmethodsexistinterferenceabilityispoor,easytoproducethemisoperationshortcomings.ThisdesignisbasedontheintelligentAT89S52SCMcontrolmetaldetectors.ThemetaldetectorusingLJ12A3-4-Z/BXassensorandtoinductionmetaleddycurrenteffectcausedbythemagneticfieldchanges,electricitycoilandmagneticfieldchangesintovoltagechange,SCMmeasuredvoltagevalues,andwithsettingthevoltagevalue,decidewhethercomparedtodetectmetals.Insoftwaredesign,usingadigitalfilteringtechnologyeliminateinterference,improvetheanti-interferenceabilityofaprobe,toensuretheaccuracyofthesystem.

Keywords:

microcontroller,metaldetectors,electromagneticinduction,sensitivity

第一章绪论

1．1金属探测器的历史发展与现状

70年代随着航空业迅速发展，却机各危险事件的发生使航空及机场安全逐渐受重视，于是在机场众多设备中金属探测门扮演着排查违禁物品的重要角色。

同样在70年代，由于金属探测门在机场安检中的崭露头角，大型运动会（如奥运会）展览会及政府重要部门的安全保卫工作中开始启用金属探测门作为必不可少的安检仪器。

七十年代起，随着航空业的迅速发展，航空及机场安全逐渐受到重视，为防止旅客携带武器上机，避免动机或危险事件的发生，金属探测门便成为各机场必备的安防设备，金属探测技术也得到了新的应用，并进而逐步发展至其他领域的应用。

1金属探测器的历史发展

金属探测器因其功能和市场应用领域的不同，分为以下几种：

通道式金属探测器（又称：

金属探测门；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。

全球第一台金属探测器诞生于1960年，步入工业时代最初的金属探测器也只要应用于工矿业，是检查矿产纯度、提高效益的得力帮手。

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，也就是今天我们所使用的金属探测门的雏形，它的出现意味着人类对安全的认知已步入一个新纪元。

一个产品的初选带动了一个行业的发展，于是安检这个既陌生又熟悉的行业开始进入市场，40多年过去了，金属探测器经历了几代探测技术的变革，从最初的信号模拟技术到连续波技术直到今天所使用的数字脉冲技术，金属探测器简单的磁场切割原理被引入多种科学技术成果。

无论是灵敏度、分辨率、探测精确度还是工作性能上都有了质的飞跃，应用领域也随着产品质量的提高延伸到了多个行业。

70年代随着航空业迅速发展，劫机和危险事件的发生使航空及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扮演着排查违禁物品的重要角色。

同样在70年代，由于金属探测门在机场安检中的崭露头角，大型运动会（如奥运会）展览会及政府重要部门的安全保卫工作中开始启用金属探测门作为必不可少的安检仪器。

发展到80年代，监狱暴力案件呈直线上升趋势，如何及早有效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，形成平均每300个囚犯使用一台金属探测门用于安检；遇刺同时西方兴起的“寻宝热”，也使手持式、便携式金属探测器得到长足的发展。

进入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、结束员工与公司的尴尬局面，陆续采用金属探测门和手持式

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新的角色—产品防盗。

9.11时间以后，反恐成为国际社会一个重要议题。

爆炸案、恐怖活动的猖狂使恐怖分子成了各国安全部门誓要打击的对象。

此时国际社会对“安全防范”的认知也被提到一个新的高度。

受9.11事件影响，各行各业都增加了保安工作的部署，正是受此影响金属探测器的应用领域成功地渗透到其他行业。

如：

娱乐场所。

公共娱乐场所的治安问题历来是社会各界关注的焦点。

据统计，每年娱乐场所恶性打架斗殴时间和刑事案件法案率占60%以上，其他案凶器均是消费者随身带入娱乐场所。

然而此时简单的通道式金属探测门已不能完全满足安检的要求，安保人员需要的是一种能准确判定金属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发展历史上的又一次变革，原来单一的磁场分布变成了现在相互和而又相对独立的多个磁场，再根据人体工程学原理把探测门体分为多个区域使之与人体相对应，相应的区域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。

2国内金属探测器的发展状态

随着国内安防行业的蓬勃发展，在安检领域，国内出现了多个金属探测器生产厂家，但在国内市场占有率上来看国外品牌占有80%的市场份额，民航市场也一直是国内金属探测器的禁区。

究其原因，大部分是因为产品质量部过关导致相关认证拿不到。

其实，国内金属探测器产品的研发、生产和推广，近几年已获得较大进步。

但是，犹如其他电子类产品一样，金属探测器同样出现了电路仿制、性能相同、功能繁多、华而不实的现象。

某些所谓生产厂商这种投入小、研发周期短的商业行为势必导致产品的一致性差，可靠性低一级安检产品社会信誉度降低，设备从根本上保证不了安检要求。

2002年是国产探测器洗心革面，业绩辉煌的一年，政府对安防行业的大力支持，及“十五计划”指导思想的延伸使一些生产厂商越来越注重自身产品质量的提高，无论是产品性能还是外观都越来越接近国外产品，甚至在某些功能上已超过国外产品。

在产皮开发、生产过程中考虑最多的也是如何适应国内安检市场、满足客户要求。

实现安检设备国产化，符合中国国情。

2003年的国内金属探测器市场可谓硝烟弥漫，无论是国外品牌还是国内品牌竞争异常激烈，都企图在大陆市场在多分一杯羹，重新划分现有市场格局。

于是国内品牌率先打出了电脑联网功能的招牌。

最终赢得了这场技术战。

本文介绍的基于单片机的智能型金属探测器，采用灵敏度极高的线性霍尔元件作为传感器，感应由于金属出现引起的探测线圈周围磁场的变化，提高了检测精度:

处理部件则采用AT89S52单片机作为检测和控制核心，对检测结果进行分析判断，有效地保证了检侧原理的实施；此外，利用软件滤波的方法代替了传统探测器复杂的模拟电路器件，大大提高了系统的可靠性、灵敏度和抗干扰性。

2金属探测器方案设计

2.1方案设计依据

金属探测器是采用线圈的电磁感应原理来探测金属的。

根据电磁感应原理，当有金属物靠近通电线圈平面附近时，将发生线圈介质条件的变化和涡流效应两个现象。

当有金属靠近通电线圈平面附近时，将使通电线周围的磁场发生变化。

根据电磁理论，当金属物体被置于变化的磁场中时，金属导体内就会产生自行闭合的感应电流，这就是金属的涡流效应。

涡流要产生附加的磁场，与外磁场方向相反，削弱外磁场的变化。

据此，将一交流正弦信号接入绕在骨架上的空心线圈上，流过线圈的电流会在周围产生交变磁场，当将金属靠近线圈时，金属产生的祸流磁场的去磁作用会削弱线圈磁场的变化。

金属的电导率

越大，交变电流的频率越大，则祸电流强度越大，对原磁场的抑制作用越强。

通过以上分析可知，当有金属物靠近通电线圈平面附近时，无论是介质磁导率的变化，还是金属的涡流效应均能引起磁感应强度B的变化。

对于非铁磁性的金属[包括抗磁体（如:

金、银、铜、铅、锌等）和顺磁体（如锰、铬、钦等）

，

较大，可以认为是导电不导磁的物质，主要产生涡流效应，磁效应可忽略不计；对于铁磁性金属（如：

铁、钴、镍）

很大，

也较大，可认为是既可导电又导磁的物质，主要产生磁效应，同时又有涡流效应。

本设计正是基于这样的理论，采用LJ12A3-4-Z/BX（接近开关传感器）来感应线圈的磁场变化，并把磁场信号的变化转变成电信号的变化，从而实现51单片机控制的金属探测控制。

2.2系统总体设计框图

如图2.1所示，整个探测系统以8位单片机AT89S51作为控制核心，包括：

金属传感器、AT89S51单片机、声光报警电路及电源电路等。

图4.1系统结构框图

3金属探测系统主要器件简介

3.1LJ12A3-4-Z/BX传感器

3.1.1LJ12A3-4-Z/BX简介

LJ12A3-4-Z/BX（接近开关传感器）集成电路接近开关,亦称无触点接近开关,它由振荡器和整形放大器组成振荡器起振后在开关的感应头上产生一个交变的磁场,当金属体接近感应区时，在金属体内产生了涡流,从而吸收了振荡的能量,使振荡幅度减弱以至于停振使接近开关达到反转的目的,由整形放大器换成二进制的开关电信号,从而达到检测的目的.

接近开关为高频振荡型,它以无接触、无压力、无火花，迅速地发出检测信号，用以驱动继电器或逻辑门，它具有灵敏度高，频率响应快，重复定位精度高，舜变过程短，输出功率大，抗干扰性能好，工作稳定性可靠，使用寿命长等优点，开关内充以树脂，使其全封闭，具有耐振、耐腐蚀及防水等特点。

广泛用于现代轻工、机械、冶金、交通、电力、军工、纺织、化工、矿山、科研等部门的机床和工业生产自动线上，作定位、检测、测速、记数等用，是理想的位置传感器。

本厂生产的交直流接近开关，内在功能和外壳安装尺寸，均与日、德、法、美等国同类产品相似，可直接代替进口产品。

3.1.2LJ12A3-4-Z/BX分类及特点

接近传感器可以在不与目标物实际接触的情况下检测靠近传感器的金属目标物。

根据操作原理，接近传感器大致可以分为以下三类：

利用电磁感应的高频振荡型，使用磁铁的磁力型和利用电容变化的电容型。

特点：

1）非接触检测，避免了对传感器自身和目标物的损坏。

2）无触点输出，操作寿命长。

3）即使在有水或油喷溅的苛刻环境中也能稳定检测。

4）反应速度快。

5）小型感测头，安装灵活。

接近开关是一种毋需与运动部件进行机械接触而可以操作的位置开关，当物体接近开关的感应面到动作距离时，不需要机械接触及施加任何压力即可使开关动作，从而驱动交流或直流电器或给计算机装置提供控制指令。

接近开关是种开关型传感器（即无无触点开关），它即有行程开关、微动开关的特性，同时具有传感性能，且动作可靠，性能稳定，频率响应快，应用寿命长，抗干扰能力强等、并具有防水、防震、耐腐蚀等特点。

产品有电感式、电容式、霍尔式、交、直流型。

接近开关又称无触点接近开关，是理想的电子开关量传感器。

当金属检测体接近开关的感应区域，开关就能无接触，无压力、无火花、迅速发出电气指令，准确反应出运动机构的位置和行程，即使用于一般的行程控制，其定位精度、操作频率、使用寿命、安装调整的方便性和对恶劣环境的适用能力，是一般机械式行程开关所不能相比的。

它广泛地应用于机床、冶金、化工、轻纺和印刷等行业。

在自动控制系统中可作为限位、计数、定位控制和自动保护环节。

接近开关具有使用寿命长、工作可靠、重复定位精度高、无机械磨损、无火花、无噪音、抗振能力强等特点。

因此到目前为止，接近开关的应用范围日益广泛，其自身的发展和创新的速度也是极其迅速。

主要功能：

（1）检验距离

检测电梯、升降设备的停止、起动、通过位置；检测车辆的位置，防止两物体相撞检测；检测工作机械的设定位置，移动机器或部件的极限位置；检测回转体的停止位置，阀门的开或关位置；检测气缸或液压缸内的活塞移动位置。

（2）尺寸控制

金属板冲剪的尺寸控制装置；自动选择、鉴别金属件长度；检测自动装卸时堆物高度；检测物品的长、宽、高和体积。

（3）检测物体存在有否检测生产包装线上有无产品包装箱；检测有无产品零件。

（4）转速与速度控制

控制传送带的速度；控制旋转机械的转速；与各种脉冲发生器一起控制转速和转数。

（5）计数及控制

检测生产线上流过的产品数；高速旋转轴或盘的转数计量；零部件计数。

（6）检测异常

检测瓶盖有无；产品合格与不合格判断；检测包装盒内的金属制品缺乏与否；区分金属与非金属零件；产品有无标牌检测；起重机危险区报警；安全扶梯自动启停。

（7）计量控制

产品或零件的自动计量；检测计量器、仪表的指针范围而控制数或流量；检测浮标控制测面高度，流量；检测不锈钢桶中的铁浮标；仪表量程上限或下限的控制；流量控制，水平面控制。

（8）识别对象

根据载体上的码识别是与非。

（9）信息传送

ASI（总线）连接设备上各个位置上的传感器在生产线（50-100米）中的数据往返传送等。

3.接近开关分类及结构

接近开关的作用是当某物体与接近开关接近并达到一定距离时，能发出信号。

它不需要外力施加，是一种无触点式的主令电器。

它的用途已远远超出行程开关所具备的行程控制及限位保护。

接近开关可用于高速计数、检测金属体的存在、测速、液位控制、检测零件尺寸以及用作无触点式按钮等。

就目前应用较为广泛的接近开关按工作原理可以分为以下几种类型：

高频振荡型：

用以检测各种金属体

电容型：

用以检测各种导电或不导电的液体或固体

光电型：

用以检测所有不透光物质

超声波型：

用以检测不透过超声波的物质电磁感应型：

用以检测导磁或不导磁金属

按其外型形状可分为园柱型、方型、沟型、穿孔（贯通）型和分离型。

园柱型比方型安装方便，但其检测特性相同，沟型的检测部位是在槽内侧，用于检测通过槽内的物体，贯通型在我国很少生产，而日本则应用较为普遍，可用于小螺钉或滚珠之类的小零件和浮标组装成水位检测装置等。

接近开关按供电方式可分为；直流型和交流型，按输出型式又可分为直流两线制、直流三线制、直流四线制、交流两线制和交流三线制。

（1）两线制接近开关

两线制接近开关安装简单，接线方便；应用比较广泛，但却有残余电压和漏电流大的缺点。

（2）直流三线式

直流三线式接近开关的输出型有NPN和PNP两种，70年代日本产品绝大多数是NPN输出，西欧各国NPN、PNP两种输出型都有。

PNP输出接近开关一般应用在PLC或计算机作为控制指令较多，NPN输出接近开关用于控制直流继电器较多，在实际应用中要根据控制电路的特性进行选择其输出形式。

4.接近开关的选型和检测

（1）接近开关的选型

对于不同的材质的检测体和不同的检测距离，应选用不同类型的接近开关，以使其在系统中具有高的性能价格比，为此在选型中应遵循以下原则：

1）当检测体为金属材料时，应选用高频振荡型接近开关，该类型接近开关对铁镍、A3钢类检测体检测最灵敏。

对铝、黄铜和不锈钢类检测体，其检测灵敏度就低。

2）当检测体为非金属材料时，如；木材、纸张、塑料、玻璃和水等，应选用电容型接近开关。

3）金属体和非金属要进行远距离检测和控制时，应选用光电型接近开关或超声波型接近开关。

4）对于检测体为金属时，若检测灵敏度要求不高时，可选用价格低廉的磁性接近开关或霍尔式接近开关。

（2）接近开关技术指标检测

1）动作距离测定；当动作片由正面靠近接近开关的感应面时，使接近开关动作的距离为接近开关的最大动作距离，测得的数据应在产品的参数范围内。

2）释放距离的测定；当动作片由正面离开接近开关的感应面，开关由动作转为释放时，测定动作片离开感应面的最大距离。

3）回差H的测定；最大动作距离和释放距离之差的绝对值。

4）动作频率测定；用调速电机带动胶木圆盘，在圆盘上固定若干钢片，调整开关感应面和动作片间的距离，约为开关动作距离的80%左右，转动圆盘，依次使动作片靠近接近开关，在圆盘主轴上装有测速装置，开关输出信号经整形，接至数字频率计。

此时启动电机，逐步提高转速，在转速与动作片的乘积与频率计数相等的条件下，可由频率计直接读出开关的动作频率。

5）重复精度测定；将动作片固定在量具上，由开关动作距离的120%以外，从开关感应面正面靠近开关的动作区，运动速度控制在0.1mm/s上。

当开关动作时，读出量具上的读数，然后退出动作区，使开关断开。

如此重复10次，最后计算10次测量值的最大值和最小值与10次平均值之差，差值大者为重复精度误差.

工作原理：

1、电感式接近开关工作原理

电感式传感器由三大部分组成：

振荡器、开关电路及放大输出电路。

振荡器产生一个交变磁场。

当金属目标接近这一磁场，并达到感应距离时，在金属目标内产生涡流，从而导致振荡衰减，以至停振。

振荡器振荡及停振的变化被后级放大电路处理并转换成开关信号，触发驱动控制器件，从而达到非接触式之检测目的。

2、电容式接近开关的工作原理

电容式接近开关的感应面由两个同轴金属电极构成，很象“打开的”电容器电极，该两个电极构成一个电容，串接在RC振荡回路内。

电源接通时，RC振荡器不振荡，当一目标朝着电容器的电靠近时，电容器的容量增加，振荡器开始振荡。

通过后级电路的处理，将振和振荡两种信号转换成开关信号，从而起到了检测有无物体存在的目的。

该传感器能检测金属物体，也能检测非金属物体，对金属物体可以获得最大的动作距离，对非金属物体动作距离决定于材料的介电常数，材料的介电常数越大，可获得的动作距离越大。

3、霍尔开关的工作原理

磁式开关是接近开关，它（甚至透过非黑色金属）响应于一个永久的磁场。

作用距离大于电感接近开关。

响应曲线与永久磁场的方向有关。

当一个目标（永久磁铁或外部磁场）接近时，线圈铁芯的导磁性（线圈的电感量L是由它决定的）变小，线圈的电感量也减小，Q值增加。

激励振荡器振荡，并使振荡电流增加。

当一个磁性目标靠近时，磁式传感器的电流消耗随之增加。

优点：

---传感器可以安装在金属中

附录1：

部分常用材料的值

材料

衰减系数

钢

1

不锈钢

0.85

黄铜

0.3

铜

0.4

电容式接近传感器的原理

电容式接近传感器由高频振荡器和放大器等组成，由传感器的检测面与大地间构成一个电容器，参与振荡回路工作，起始处于振荡状态。

当物体接近传感器检测面对，回路的电容量发生变化，使高频振荡器振荡。

振荡与停振这二种状态转换为电信号经放大器转化成二进制的开关信号。

3.2主控制器89C51

　　单片机也被称为微控制器（Microcontroller），是因为它最早被用在工业控制领域。

单片机由芯片内仅有CPU的专用处理器发展而来。

最早的设计理念是通过将大量外围设备和CPU集成在一个芯片中，使计算机系统更小，更容易集成进复杂的而对体积要求严格的控制设备当中。

INTEL的Z80是最早按照这种思想设计出的处理器，从此以后，单片机和专用处理器的发展便分道扬镳。

　　早期的单片机都是8位或4位的。

其中最成功的是INTEL的8031，因为简单可靠而性能不错获得了很大的好评。

此后在8031上发展出了MCS51系列单片机系统。

基于这一系统的单片机系统直到现在还在广泛使用。

随着工业控制领域要求的提高，开始出现了16位单片机，但因为性价比不理想并未得到很广泛的应用。

90年代后随着消费电子产品大发展，单片机技术得到了巨大的提高。

随着INTELi960系列特别是后来的ARM系列的广泛应用，32位单片机迅速取代16位单片机的高端地位，并且进入主流市场。

而传统的8位单片机的性能也得到了飞速提高，处理能力比起80年代提高了数百倍。

目前，高端的32位单片机主频已经超过300MHz，性能直追90年代中期的专用处理器，而普通的型号出厂价格跌落至1美元，最高端的型号也只有10美元。

当代单片机系统已经不再只在裸机环境下开发和使用，大量专用的嵌入式操作系统被广泛应用在全系列的单片机上。

而在作为掌上电脑和手机核心处理的高端单片机甚至可以直接使用专用的Windows和Linux操作系统。

AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM—FalshProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。

该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。

由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。

图3.1AT89C51/AT89C2051

3.2.189C51主要特性

·与MCS-51兼容

·4K字节可编程闪烁存储器

寿命：

1000写/擦循环

数据保留时间：

10年

·全静态工作：

0Hz-24Hz

·三级程序存储器锁定

·128*8位内部RAM

·32可编程I/O线

·两个16位定时器/计数器

·5个中断源

·可编程串行通道

·低功耗的闲置和掉电模式

·片内振荡器和时钟电路

1管脚说明：

·VCC：

供电电压。

·GND：

接地。

·P0口：

P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。

当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。

P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。

在FIASH编程时，P0口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。

·P1口：

P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。

P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。

在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。

·P2口：

P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。

并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。

这是由于内部上拉的缘故。

P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。

在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。

P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。

·P3口：

P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。

当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。

作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。

P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示：

·P3.0RXD（串行输入口）

·P3.1TXD（串行输出口）

·P3.2