【正文】 基準(zhǔn)頻率的獲得是按照如下方法獲得的，如圖42所示。程序中所使用的頻率不論是基準(zhǔn)頻率還是新探測(cè)的頻率，都是50ms內(nèi)所獲得的脈沖數(shù)。金屬探測(cè)器中的程序分為兩個(gè)部分，前端軟件模塊和外圍數(shù)據(jù)處理與顯示模塊，前端軟件完成的是一些比較基礎(chǔ)的工作，如振蕩頻率的檢測(cè)，比較，報(bào)警等，它與底層的硬件關(guān)系比較密切所以采用匯編語言進(jìn)行編寫，而外圍數(shù)據(jù)處理與顯示模塊是進(jìn)行數(shù)據(jù)的再處理的，是更高一層的分析與判斷，它直接處理由前端模塊傳過來的數(shù)據(jù)，對(duì)其進(jìn)行處理顯示。圖36 液晶顯示器接線圖 [30]294 軟件模塊設(shè)計(jì)硬件電路要完成的任務(wù)是，產(chǎn)生振蕩，并將波形變換為能夠被單片機(jī)處理的方波，接下來進(jìn)行頻率測(cè)定、報(bào)警、通訊等都要用程序?qū)崿F(xiàn)最后燒入單片機(jī)。DM162液晶顯示模塊可以和單片機(jī)AT89C51直接接口，電路如圖36所示。置字符發(fā)生存儲(chǔ)器地址 0 0 0 1 字符發(fā)生存儲(chǔ)器地址（AGG）置數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器地址 0 0 1 顯示數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器地址（ADD）讀忙標(biāo)志或地址 0 1 計(jì)數(shù)器地址（AC）27寫數(shù)到 CGROM 或 DDRAM 1 0 要寫的數(shù)據(jù)從 CGROM 或 DDRAM 讀數(shù) 1 1 讀出的數(shù)據(jù)它的讀寫操作、屏幕和光標(biāo)的操作都是通過指令編程來實(shí)現(xiàn)的。置輸入模式 0 0 0 0 0 0 0 1 I/D S顯示開/關(guān)控制 0 0 0 0 0 0 1 D C B光標(biāo)和字符移位 0 0 0 0 0 1 S/C R/L q0010 ⑶ “ 2 B R b r r ィ ッ メ β θ0011 ⑷ 3 C S c s 」 ウ テ モ ε ∞0100 ⑸ $ 4 D T d t \ エ ト ャ μ Ω0101 ⑹ % 5 E U e u ロ オ ナ ュ Β Ο0110 ⑺ amp。這些字符有：阿拉伯?dāng)?shù)字、英文字母的大小寫、常用的符號(hào)、和日文假名等。且價(jià)格低廉可以滿足需求。再將P1的低5位置為00111，由于第2個(gè)按鈕被按下，則此時(shí)的管腳電壓為00101，所以可以判斷是第2列，到此就可以判斷是第1行第2列的按鈕被按下了 [10]。圖34 前端金屬探測(cè)部分單片機(jī)系統(tǒng) 外圍設(shè)置與顯示系統(tǒng)圖35和圖 36是外圍設(shè)置與顯示系統(tǒng)，它有三部分構(gòu)成：鍵盤輸入、液晶顯示和單片機(jī)系統(tǒng)。3）單片機(jī)單片機(jī)選用的是AT89C2051高性能CMOSE8位單片機(jī)，內(nèi)含2K的可反復(fù)檫寫的FLASH只讀存儲(chǔ)器和 128B的隨機(jī)存儲(chǔ)器 [16][24][25]。圖32 放大與脈沖轉(zhuǎn)換電路使用LS08 進(jìn)行波形變換的原理圖如圖32所示，正弦波經(jīng)過圖32的放大模塊后變?yōu)樘菪尾ǎ菪尾ń?jīng)過74LS08（與門） [14]，最后變換為標(biāo)準(zhǔn)的方波，如圖33所示。電壓跟隨器和差分運(yùn)放均選用LM358 [12]。電路的諧振頻率同時(shí)也影響著檢測(cè)金屬的精度，當(dāng)諧振頻率高時(shí)線圈產(chǎn)生磁場的變化率也就越高，根據(jù)電磁感應(yīng)原理在金屬內(nèi)部產(chǎn)生的渦流就越22大，同是渦流產(chǎn)生磁場對(duì)原磁場的影響也就越大。電容三點(diǎn)式振蕩電路的工作原理分析，假設(shè)將反饋回路斷開，同時(shí)假如晶體管的基極以( +)極性信號(hào)，則 BJT的集電極為() 極性(共射極放大電路的反向放大特性)，由于諧振回路的兩個(gè)電容的一端同時(shí)接地，另一端串一電感所以兩個(gè)電容的極性相反，即反饋端的為(+) 極性，因此滿足相位平衡條件 [15]。其中電感值只是理論計(jì)算的理想值，實(shí)，電感值接近500uf但有一定范圍的偏差。 振蕩電路設(shè)計(jì)振蕩電路部分采用的是電容三點(diǎn)式振蕩電路，設(shè)計(jì)的主旨是在保證產(chǎn)生穩(wěn)定振蕩的前提下，使頻率低于300KHz，這樣的目的是為了金屬探測(cè)器在進(jìn)行工作時(shí)不受廣播頻段的影響。外圍數(shù)據(jù)處理與顯示模塊的軟件結(jié)構(gòu)圖如圖216所示。1）前端程序結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖215 就是前端軟件的結(jié)構(gòu)圖，從圖中可以看出前端軟件的主要作用是，頻率測(cè)定、聲光報(bào)警和通訊。振蕩部分產(chǎn)生的正弦波經(jīng)放大后送入脈沖變換電路產(chǎn)生一定頻率的脈沖，然后將其送如單片機(jī)。它設(shè)計(jì)的好壞決定著系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可擴(kuò)展性。高頻振蕩 信號(hào)放大 脈沖轉(zhuǎn)換信號(hào)處理與報(bào)警電源圖211 手持?jǐn)?shù)字金屬探測(cè)器原理框圖電源高頻振蕩器振蕩檢測(cè)器音頻振蕩器功率放大器圖212 MD—898K金屬探測(cè)器原理框圖[4]18多諧振蕩器放大電路探測(cè)線圈霍爾器件放大電路峰值檢波A / D 轉(zhuǎn)換C P UA T 8 9 S 5 2顯示電源報(bào)警線圈振蕩電路控制電路圖213 基于霍爾器件的數(shù)字金屬探測(cè)器 [1] 系統(tǒng)設(shè)計(jì)總體設(shè)計(jì)將影響整個(gè)項(xiàng)目的實(shí)現(xiàn)，對(duì)整個(gè)項(xiàng)目的開發(fā)起著指導(dǎo)性的作用，因此總體設(shè)計(jì)的好壞影響深遠(yuǎn)，這里的軟硬件方案都是經(jīng)過再三的比較與分析才確定的，硬件和軟件兩個(gè)互相影響，協(xié)同工作實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的基本功能。 基于霍爾器件的數(shù)字金屬探測(cè)器圖213 是另一種數(shù)字探測(cè)器的設(shè)計(jì)方案，雖然是基于單片機(jī)的數(shù)字式金屬探測(cè)器，但是在探測(cè)原理上與本次采用的方法存在這很大的差別，它的基本思想是這樣的，在電感線圈的中心固定一霍爾器件，用于探測(cè)磁場的變化并能將信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，這樣在沒有遇見金屬物體時(shí)送入單片機(jī)的電壓是一固定值，當(dāng)遇見金屬物體時(shí)，由于電磁感應(yīng)現(xiàn)象磁場強(qiáng)度會(huì)發(fā)生變化，這時(shí)霍爾器件將此變化轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)供單片機(jī)17進(jìn)行判斷，霍爾器件產(chǎn)生的是一些連續(xù)的電壓信號(hào)，磁場是周期性變化的因此傳出的電壓信號(hào)也是周期性連續(xù)變化的，所以需要波峰檢測(cè)將其峰值檢測(cè)出來通過模數(shù)轉(zhuǎn)換變?yōu)閿?shù)據(jù)信息送入單片機(jī)?？瓷先ピ诮Y(jié)構(gòu)上和本次設(shè)計(jì)的金屬探測(cè)器很相近，實(shí)際上它們存在本質(zhì)的差別。作為整個(gè)電路的大腦，它對(duì)整個(gè)電路所產(chǎn)生的信號(hào)做最終的處理，并根據(jù)處理的結(jié)果決定是否存在金屬，是否要發(fā)出警報(bào)。這種改變經(jīng)轉(zhuǎn)換后送入單片機(jī)，單片機(jī)中有相應(yīng)的程序?qū)ζ溥M(jìn)行分析判斷。初看上去在結(jié)構(gòu)上和本次設(shè)計(jì)的金屬探測(cè)器很相近，實(shí)際上它們存在本質(zhì)的差別。 基于單片機(jī)的金屬探測(cè)器的設(shè)計(jì)方案金屬探測(cè)器的設(shè)計(jì)方案根據(jù)它的應(yīng)用的不同而不同，這里引入兩種與本次設(shè)計(jì)應(yīng)用相進(jìn)的金屬探測(cè)設(shè)計(jì)方案，拿它們與我們的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行對(duì)比，以突顯出彼此的優(yōu)缺。補(bǔ)償線圈的信號(hào)來源于我們的檢波信號(hào)的直流分量，與接收線 IN 的信號(hào)形成一個(gè)負(fù)反饋的閉環(huán)系統(tǒng)。根據(jù)以往的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)可知，電子元件有一定的使用壽命和工作范圍，當(dāng)工作環(huán)境復(fù)雜時(shí)，很容易受到外界的干擾，不能按正常特性工作。門框式金屬探測(cè)器由四部分組成:激勵(lì)電路、激勵(lì)線圈、信號(hào)測(cè)量和處理電路、指示和報(bào)警電路。當(dāng)金屬物體經(jīng)過線圈時(shí)，振14蕩器信號(hào)的振幅降低后又恢復(fù)，檢波后的直流電壓產(chǎn)生一個(gè)降低的波動(dòng)，經(jīng)微分電路微分后，將有脈沖信號(hào)輸出。其檢測(cè)電路框圖如圖 28 所示。參考振蕩器的振蕩頻率 f21L??2略大于 f1，f1 與 f2 在混頻器中混頻，可得到兩種頻率，即(f1+f2)和(f2f1)。圖26 透射式渦流厚度傳感器結(jié)構(gòu)原理圖 基本原理 差拍式檢測(cè)電路差拍式金屬探測(cè)器的方框圖如圖 27 所示，由探測(cè)振蕩器產(chǎn)生的頻率為 f1 的振蕩頻率、頻率為 f2 的參考頻率、混頻器、濾波器、放大器、輸出電路（報(bào)警或顯示）六部分組成。如果將被測(cè)金屬板放入兩線圈之間，則 L1 線圈產(chǎn)生的磁通將導(dǎo)致在金屬板中產(chǎn)生電渦流。12②當(dāng)利用電渦流式傳感器測(cè)量位移時(shí)，只有在 x/ras1(一般取 ～)的范圍才能得到較好的線性和較高的靈敏度。④可以用一個(gè)平均半徑為 ras（ras=（ri+ra）/2）的短路環(huán)來集中表示分散的電渦流（圖中陰影部分） 。Jr 為半徑 r 處的金屬導(dǎo)體表面電渦流密度。線圈的等效品質(zhì)因數(shù) Q 值為 Q= eqRL綜上所述，根據(jù)電渦流式傳感器的簡化模型和等效電路，運(yùn)用電路分析的基本方法得到的方程式，即為電渦流基本特性。模型中把在被測(cè)金屬導(dǎo)體上形成的電渦流等效成一個(gè)短路環(huán)，即假設(shè)電渦流僅分布在環(huán)體之內(nèi)，模型中 h 由以下公式求得： （22 ）210)(fuhr????式中:f—線圈激磁電流的頻率。因此，傳感器線圈受電渦流影響時(shí)的等效阻抗 Z 的函數(shù)關(guān)系式為：圖22 傳感器的原理圖 [19]Z=F（ρ，μ，r，f，x）式中:r——線圈與被測(cè)體的尺寸因子。根據(jù)法拉第定律，當(dāng)傳感器線圈通以正弦交變電流 I1 時(shí)，線圈周圍空間必然產(chǎn)生正弦交變磁場 H1，使置于此磁場中的金屬導(dǎo)體中感應(yīng)電渦流 I2，I2 又產(chǎn)生新的交變磁場 H2。按照電渦流在導(dǎo)體內(nèi)的貫穿情況，此傳感器可分為高頻反射式和低頻透射式兩類，但從基本工作原理上來說仍是相似的。?通過以上分析可知，當(dāng)有金屬物靠近通電線圈平面附近時(shí)，無論是介質(zhì)磁導(dǎo)率的變化$還是金屬的渦流效應(yīng)均能引起磁感應(yīng)強(qiáng)度 B 的變化。r?當(dāng)線圈有效探測(cè)范圍內(nèi)出現(xiàn)非鐵磁性金屬物時(shí)，由于非鐵磁性金屬的相對(duì)磁導(dǎo)率，所以，磁感應(yīng)強(qiáng)度 B 也會(huì)隨 的減小而減小。無論是靈敏度、分辨率、探測(cè)精度還是在工作性能上都得到了質(zhì)的飛躍，應(yīng)用領(lǐng)域也隨著產(chǎn)品質(zhì)量的提高延伸到多個(gè)行業(yè) [27]。第五章實(shí)現(xiàn)與性能分析介紹硬件單元電路實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，調(diào)試過程，以及基準(zhǔn)頻率測(cè)定方法的優(yōu)缺點(diǎn)分析。 論文結(jié)構(gòu)安排第一章緒論討論金屬探測(cè)器的發(fā)展歷史、應(yīng)用場所、研究現(xiàn)狀，分析課題研究內(nèi)容和成果特色。 成果特色該課題的關(guān)鍵技術(shù)在于信號(hào)的檢測(cè)、傳輸和軟件的識(shí)別，以及實(shí)現(xiàn)方法的討論。使得系統(tǒng)的探測(cè)信號(hào)有良好的抗干擾性。 主要研究內(nèi)容及成果特色金屬探測(cè)器的工作原理簡單的講就是利用電磁感應(yīng)原理，讓交流電通過電感線圈，產(chǎn)生迅速變化的磁場，該磁場能在被檢測(cè)的金屬物體內(nèi)部產(chǎn)生感生渦流 [3]。MET卡也可以安裝在門框中充當(dāng)跟蹤設(shè)備，用以防止貴重物品的丟失和被盜 [26]。CeiaUSA公司業(yè)已開發(fā)出了一種新技術(shù)，能夠在人員通過金屬探測(cè)器的時(shí)候自動(dòng)刷卡，不但能探測(cè)人員是否攜帶有武器，而且還能進(jìn)行讀寫校驗(yàn)以確定人員是否能合法進(jìn)入該場所。美國CeiaUSA公司董事長ScootDennision不久前曾經(jīng)說過，他們公司已經(jīng)開始著手為美國的幾大銀行安裝整合式金屬探測(cè)器。Metorex等，均投入了相當(dāng)?shù)馁Y金從事這項(xiàng)研究、開發(fā)工作。其中之一是金屬探測(cè)器的網(wǎng)絡(luò)化功能。當(dāng)＜1的非鐵磁性物質(zhì)(如銅、銀) 接近線圈時(shí)，線圈間介質(zhì)磁導(dǎo)率減小，接收線圈上的感生電壓值減小。鐵磁性物質(zhì)的磁導(dǎo)率很高，即μ1，如鑄鐵為200～400。脈沖感應(yīng)型金屬探測(cè)器檢測(cè)波形為隨時(shí)間指數(shù)衰減的波形。 研究現(xiàn)狀金屬探測(cè)器按其功能和市場應(yīng)用的不同可分為以下幾種：? 通道式金屬探測(cè)器(簡稱安檢門)；? 手持式金屬探測(cè)器 [28] [29]；? 便攜式金屬探測(cè)器；? 臺(tái)式金屬探測(cè)器；? 工業(yè)用金屬探測(cè)器；? 水下金屬探測(cè)器 [4]。而這樣的埋墻線路或管線是沒有圖紙和標(biāo)識(shí)的，后期的安裝中如果電鉆打到電線和水管上時(shí)，輕者造成麻煩和損失，重者危及人的安全。2）安全型金屬探測(cè)器隨著交通、旅游、金融和娛樂事業(yè)的發(fā)展，在機(jī)場、銀行、珠寶店和珠寶制造廠、貴金屬礦、貴金屬加工廠等，需要對(duì)過往人員進(jìn)行檢測(cè)，以使貴重物品不丟失及排除危險(xiǎn)品、槍支等 [48]。于是多區(qū)位金屬探測(cè)技術(shù)孕育而生，它的誕生是金屬探測(cè)器歷史上又一次變革，由原來單一的磁場分布變成了現(xiàn)在互相疊加而又相對(duì)獨(dú)立的多個(gè)磁場，再根據(jù)人體工程學(xué)把人體分為多個(gè)區(qū)段使之與人體相對(duì)應(yīng)，相應(yīng)的區(qū)段在金屬探測(cè)門上形成相對(duì)的區(qū)域，這樣金屬探測(cè)門便擁有了報(bào)警定位功能。2 研究意義“”事件發(fā)生后反恐成為國際社會(huì)的一個(gè)重要的議題。20世紀(jì)70年代隨著航空工業(yè)的迅速發(fā)展，劫機(jī)和危險(xiǎn)事件的發(fā)生使航空和機(jī)場安全逐漸受到重視，于是在機(jī)場眾多設(shè)備中，金屬探測(cè)門被用來充當(dāng)排查違禁物品的重要角色。 發(fā)展過程早在20世紀(jì)40年代二戰(zhàn)期間，出于戰(zhàn)爭的需要，軍隊(duì)就使用了差拍式金屬探測(cè)器來排查地雷。 MCU。實(shí)驗(yàn)證明原理的應(yīng)用，探測(cè)器的設(shè)計(jì)和制作是成功的，硬件線路設(shè)計(jì)和加工完好，軟件編制正確，完成了操作功能。當(dāng)遇見金屬時(shí)由于電磁感應(yīng)原理原先建立起來的振蕩將受到影響，頻率將發(fā)生變化，單片機(jī)探測(cè)到這種變化后進(jìn)行報(bào)警。采用新的原理，設(shè)計(jì)一個(gè)基于單片機(jī)的手持金屬探測(cè)器，利用其檢測(cè)人們隨身攜帶的金屬物品，如小刀、鋼筆，甚至可以檢測(cè)到香煙盒的鋁薄?？呻S身攜帶，使用方便。本文的金屬探測(cè)器設(shè)計(jì)了接口，可以和外圍的系統(tǒng)進(jìn)行通訊，實(shí)現(xiàn)了與AT89S52管理的液晶顯示及鍵盤組成的外圍數(shù)據(jù)處理與顯示模塊的通信。探測(cè)器具有穩(wěn)定可靠的性能，待制作工藝改進(jìn)后適于野外、戶內(nèi)和特殊場所的應(yīng)用，具有應(yīng)用價(jià)值、經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。 eddy current。作為探雷器由于軍事的保密需要，隨后的20年金屬探測(cè)器沒有得到大的技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用領(lǐng)域的拓展。同時(shí)，由于金屬探測(cè)門在機(jī)場安檢中嶄露頭角，大型運(yùn)動(dòng)會(huì)、展覽會(huì)及政府安全保衛(wèi)工作中開始啟用金屬探測(cè)門。爆炸案、恐怖活動(dòng)的猖獗使恐怖分子成了各國安全部門重點(diǎn)打擊的對(duì)象。高考和各種認(rèn)證考試是莊嚴(yán)和神圣的，一些犯罪分子采用高科技技術(shù)進(jìn)行舞弊，從中牟利。3）生活型金屬探測(cè)器隨著人們生活水平的提高，對(duì)于衣食住行的關(guān)注越來越多，在食品加工、食品包裝、成衣制作、紡織制品、木材加工等，需要對(duì)其加工過程或者出廠產(chǎn)品進(jìn)行檢測(cè)，是否含有細(xì)微金屬顆?；蚪饘偎樾?，是否達(dá)到國際食品技術(shù)委員會(huì)HACCP(危害分析及臨界控制點(diǎn))基本準(zhǔn)則的相應(yīng)要求，防止對(duì)人們的生命安全造成不必要的傷害 [22]。利用金屬探測(cè)器查清位置是必要的。金屬探測(cè)器是基于電磁感應(yīng)原理工作的，依工作方式主要有：? LC振蕩型三類 [23]。由于脈沖感應(yīng)型檢測(cè)波形的特殊性，