【正文】 ；渦流；振蕩電路ABSTRACTMetal detector is an instrument which use for detecting metal specially. it has been extensively used in produce ,Safety inspection, entertainment and so on. Here we designed a handheld metal detectors which based on the MCU. It can detect people carrying metal items such as knives,pens and even boxes of cigarettes (within the aluminum film). Portable, easy to use.It is made according to principle of electromagnetism induction. when we put an metal object around magnetic field with changing series. there will produce vortex inner metal object. The vortex will create magnetic field too. The new magnetic field will affect the old. The change can be convert into voltage signal for detecting by relative electrocircuit . It can also convert into frequency signal and be detected by frequency detector. Here we use the second method. The oscillation circuit part is posed by Capacitance threepoint oscillation circuit. The signal created by the part is magnified first and then convert into impulse signal. Then it can be processed by SCM. SCM detect its frequency ,pare with the base frequency and then determine whether to worn. We add an interface to the detector. So it can municate with other SCM system which content a lcd,a keyboard,a SCM. The SCM system can process the data more precisely and then display the result through keyboard is used for user who want to set the detecting precision.Keywords:metaldetector。SCM。oscillation circuit3目 錄1 引 言 52 綜 述 73 方案論證 9 基于單片機(jī)的金屬探測(cè)器的設(shè)計(jì)方案 9 MD—898K金屬探測(cè)器 10 基于霍爾器件的數(shù)字金屬探測(cè)器 104 總體設(shè)計(jì) 12 硬件電路設(shè)計(jì) 12 軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 13 前端程序結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 13 外圍數(shù)據(jù)處理與顯示程序結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 145 單元電路設(shè)計(jì) 15 振蕩電路設(shè)計(jì) 15 放大電路和脈沖變換電路 17 單片機(jī)系統(tǒng) 18 外圍設(shè)置與顯示系統(tǒng) 196 軟件模塊設(shè)計(jì) 21 前端軟件設(shè)計(jì) 21 外圍數(shù)據(jù)處理與顯示模塊設(shè)計(jì) 257 實(shí)現(xiàn)與性能分析 28 硬件電路焊接與調(diào)試 28 振蕩電路的焊接與調(diào)試 28 放大電路與脈沖轉(zhuǎn)換電路的焊接與調(diào)試 29 單片機(jī)系統(tǒng)的焊接與調(diào)試 30 外圍數(shù)據(jù)處理與顯示模塊的焊接與調(diào)試 31 軟件模塊的調(diào)試與集成 33 前端金屬探測(cè)模塊的調(diào)試與集成 33 外圍數(shù)據(jù)處理與顯示模塊的調(diào)試與集成 36 系統(tǒng)性能分析 38 基準(zhǔn)頻率測(cè)定方法的優(yōu)缺點(diǎn)分析 39 金屬探測(cè)的精度 39總 結(jié) 40致 謝 41參考文獻(xiàn) 42附錄 43附錄一 系統(tǒng)實(shí)物圖 43附錄二 系統(tǒng)總體電路圖 45附錄三 防抖動(dòng)鍵盤處理源程序 47附錄四 前端金屬探測(cè)部分源程序 53附錄五 外圍金屬探測(cè)精度設(shè)置源程序 6551 引 言金屬探測(cè)器是一中專門用來(lái)探測(cè)金屬的儀器，除了探測(cè)有金屬外殼或金屬部件的地雷以外，還可以用來(lái)探測(cè)隱蔽在墻壁內(nèi)部的電線、埋在地下的水管電纜，甚至能夠地下探寶，發(fā)現(xiàn)埋藏在地下的金屬物體。金屬探測(cè)器按其功能和市場(chǎng)應(yīng)用的不同可分為以下幾種：通道式金屬探測(cè)器(簡(jiǎn)稱安檢門)、手持式金屬探測(cè)器、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)器和水下金屬探測(cè)器[4]。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(chǎng)安全逐漸受到重視，于是在機(jī)場(chǎng)眾多設(shè)備中，金屬探測(cè)門排查違禁物品的重要角色。20世紀(jì)80年代，監(jiān)獄暴力案件呈直線上升趨勢(shì)，如何及早預(yù)防并阻止暴力案件發(fā)生成了監(jiān)獄管理工作中的重中之重，在依靠警員對(duì)囚犯加強(qiáng)管理的同時(shí)，金屬探測(cè)門再次成為了美國(guó)、英國(guó)、比利時(shí)等發(fā)達(dá)國(guó)家監(jiān)獄管理機(jī)構(gòu)必備的安檢設(shè)備；與此同時(shí)西方興起的“探寶熱”，也使金屬探測(cè)器取得了長(zhǎng)足的發(fā)展。“”事件發(fā)生后反恐成為國(guó)際社會(huì)的一個(gè)重要的議題。此時(shí)國(guó)際社會(huì)“安全防范”的認(rèn)識(shí)也提高到了一個(gè)新的高度，受“”事件的影響各行各業(yè)加強(qiáng)了保安工作的部署，金屬探測(cè)器也成功滲透到公共娛樂(lè)場(chǎng)所等行業(yè)。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，原來(lái)單一的磁場(chǎng)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(chǎng)，在根據(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。金屬探測(cè)器的工作原理簡(jiǎn)單的講就是利用電磁感應(yīng)原理，讓交流電通過(guò)電感線圈，產(chǎn)生迅速變化的磁場(chǎng)，該磁場(chǎng)能在被檢測(cè)的金屬物體內(nèi)部產(chǎn)生感生渦流[3]。金屬探測(cè)器自誕生至今40多年過(guò)去了，金屬探測(cè)器經(jīng)歷了幾代金屬探測(cè)的變革，從最初的信號(hào)模擬技術(shù)到連續(xù)波技術(shù)，再到今天的數(shù)字脈沖技術(shù)，金屬探測(cè)器簡(jiǎn)單的磁場(chǎng)切割原理被引入多種技術(shù)成果中。2 綜 述金屬探測(cè)器是基于電磁感應(yīng)原理工作的，依工作方式主要有脈沖感應(yīng)型、VLF(very low frequency)連續(xù)波型和LC振蕩型三類。脈沖感應(yīng)型和連續(xù)波型金屬探測(cè)器都是通過(guò)探測(cè)被測(cè)金屬感應(yīng)電流產(chǎn)生的二次磁場(chǎng)確定被測(cè)金屬的有無(wú)及種類。由于脈沖感應(yīng)型檢測(cè)波形的特殊性，在很大程度上限制了數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)在脈沖感應(yīng)型金屬探測(cè)器中的應(yīng)用。VLF連續(xù)波型金屬探測(cè)器中，接收線圈上的感生電壓主要受介質(zhì)的磁導(dǎo)率影響。非鐵磁性物質(zhì)的磁導(dǎo)率近似等于真空中的磁導(dǎo)率，部分非鐵磁性物質(zhì)＜1，如銅、。當(dāng)鐵磁性物質(zhì)接近線圈時(shí)，線圈間介質(zhì)磁導(dǎo)率偏大，接收線圈上的感生電壓顯著增大。當(dāng)＞1的非鐵磁性物質(zhì)(如鉑)接近線圈時(shí)，線圈間介質(zhì)磁導(dǎo)率增加，接收線圈上的感生電壓的的電壓幅值微弱增加[4]。整體來(lái)講，當(dāng)今的金屬探測(cè)器已經(jīng)出現(xiàn)了兩種最具特色的技術(shù)功能。具備了這種技術(shù)，人們可以在任何一個(gè)地方撥打該金屬探測(cè)器，對(duì)儀器進(jìn)行維修，分析所通過(guò)的人流量，并可根據(jù)治安的好壞或威脅的大小，調(diào)整金屬探測(cè)器的工作靈敏度。金屬探測(cè)器的另一個(gè)技術(shù)進(jìn)步就是分段限時(shí)技術(shù)的出現(xiàn)，世界幾大著名的金屬探測(cè)器生產(chǎn)廠商，如EIPaso、CeiaUSA、Rangeramp。它利用探測(cè)器的側(cè)面或另一儀表盤上的燈光來(lái)指示或顯示出人體中金屬物品的近似位置，可以用在諸如法庭以及其他不允許發(fā)出聲音的地方，雖然關(guān)閉了探測(cè)器的音量，但它仍能顯示并提醒操作人員何時(shí)何處有金屬物品存在。銀行業(yè)是該出入整合設(shè)備的最大客戶。他們使用的是一種雙門系統(tǒng)，它具備這樣的功能：在第二道門打開之前，銀行或其他機(jī)構(gòu)借助于該系統(tǒng)就能夠斷定正在進(jìn)入的人員是否攜帶有槍支等物品。但是該金屬探測(cè)器，也可以在獨(dú)立的基礎(chǔ)上與出入控制整合在一起。這種名叫MET卡的產(chǎn)品已于去年9月在美國(guó)上市，它借助于近發(fā)無(wú)線電技術(shù)，可使工作人員騰出雙手，免去了手持勞作之苦。如果你是一個(gè)警察，依法可以持有槍支，那么該系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)降低報(bào)警的靈敏度；而對(duì)下一個(gè)通過(guò)探測(cè)器的一般人來(lái)說(shuō)，金屬探測(cè)器將自動(dòng)提高或調(diào)整報(bào)警的靈敏度。前面所講的是金屬探測(cè)器的最新情況，金屬探測(cè)契經(jīng)過(guò)40多年的發(fā)展其技術(shù)上已經(jīng)發(fā)生了幾次飛躍，人類已經(jīng)步入到數(shù)字化時(shí)代，金屬探測(cè)器也順應(yīng)這一時(shí)代的現(xiàn)狀，無(wú)論是金屬探測(cè)器的網(wǎng)絡(luò)化還是出入整合技術(shù)，都需要強(qiáng)大的數(shù)字電路對(duì)信息進(jìn)行分析處理，在進(jìn)行傳送控制。3 方案論證金屬探測(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。其模型如圖31所示。1)高頻振蕩這一部分是金屬探測(cè)的基礎(chǔ)，金屬探測(cè)器的原理是：當(dāng)金屬物體置于變化的磁場(chǎng)當(dāng)中時(shí)，金屬內(nèi)部就會(huì)產(chǎn)生渦流，而渦流所產(chǎn)生的磁場(chǎng)又會(huì)影響原磁場(chǎng)。其次，在遇見(jiàn)金屬后由于金屬內(nèi)部渦流的存在，它的磁場(chǎng)會(huì)影響原有磁場(chǎng)，使原有振蕩電路的振幅和周期都發(fā)生改變。2)放大電路振蕩電路所產(chǎn)生的正弦波信號(hào)的幅值是比較小的，因此需要放大才能進(jìn)行再處理。4)信號(hào)處理與報(bào)警這一部分是整個(gè)電路的大腦，所有的電路都是為它服務(wù)，這一部分也是整個(gè)探測(cè)器實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化或其他功能的橋梁。這一部分處理能力的強(qiáng)弱影響這整個(gè)系統(tǒng)的性能。 MD—898K金屬探測(cè)器圖32為MD—898K金屬探測(cè)器的原理框圖，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。其次，在可拓展性方面MD—898K沒(méi)有可拓展性而言，因?yàn)槊恳徊糠值膯卧娐肪o密的聯(lián)系在一起，即使可以擴(kuò)展也要對(duì)整個(gè)電路進(jìn)行從新設(shè)計(jì)，而且設(shè)計(jì)的難度相對(duì)很大，而本次設(shè)計(jì)，將頻率信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)供數(shù)字單片機(jī)進(jìn)行分析，單片機(jī)提供了很多I/O口可以很方便的和其他單片機(jī)進(jìn)行通訊，加入串口通信模塊后還可以直接和PC機(jī)進(jìn)行通訊，借助于PC機(jī)強(qiáng)大存儲(chǔ)和網(wǎng)絡(luò)資源對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行再分析在處理，就可以完善金屬探測(cè)的性能，并且借助于PC機(jī)的強(qiáng)大功能可以使探測(cè)的精度得到新的改善。由于硬件系統(tǒng)是基礎(chǔ)，是軟件系統(tǒng)得以運(yùn)行的平臺(tái)，因此將它放在前面，先依據(jù)硬件的總體設(shè)計(jì)方案，完成各個(gè)單元電路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，接下來(lái)再根據(jù)軟件模塊的總體方案設(shè)計(jì)程序流程，在硬件電路的基礎(chǔ)之上進(jìn)行調(diào)試。 硬件電路設(shè)計(jì)硬件電路設(shè)計(jì)是進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，是整個(gè)金屬探測(cè)器中最位重要的部分。本次設(shè)計(jì)的金屬探測(cè)器系統(tǒng)組成框圖如圖41所示，硬件控制電路包括兩個(gè)部分，一部分線圈振蕩電路,包括:多諧振蕩電路、放大電路和探測(cè)線圈。 系統(tǒng)組成框圖1）電路具體介紹 線圈振蕩電路 線圈振蕩電路原理圖工作過(guò)程中，由555定時(shí)器構(gòu)成一個(gè)多諧振蕩器，產(chǎn)生一個(gè)頻率為24KHZ、占空比為2/3的脈沖信號(hào)。從多諧振蕩器輸出的正脈沖信號(hào)經(jīng)過(guò)電容輸入到的基極（為125的9013H),使其導(dǎo)通，經(jīng)放大之后，就形成了頻率穩(wěn)定度高、功率較大的脈沖信號(hào)輸入到人、探測(cè)線圈中，在線圈內(nèi)產(chǎn)生瞬間較強(qiáng)的電流，從而使線圈周圍產(chǎn)生恒定的交變磁場(chǎng)。 數(shù)據(jù)采集電路 數(shù)據(jù)采集電路原理圖 （1）線性霍爾傳感器（linear HallEffect Sensors）在電路設(shè)計(jì)中，選用了美國(guó)公司生產(chǎn)的UGN3503U線性霍爾傳感器，來(lái)檢測(cè)通電線圈周圍的磁場(chǎng)變化。 UGN3503的功能框圖 UGN3503U的磁電轉(zhuǎn)換特性曲線 霍爾元件是依據(jù)霍爾效應(yīng)制成的器件。這種現(xiàn)象的產(chǎn)生的洛倫茲力的作用下，分別向片子橫向兩側(cè)偏轉(zhuǎn)和積聚，因而形成一個(gè)電場(chǎng)，稱作霍爾電場(chǎng)。稱為霍爾元件的靈敏度，它與元件材料的性質(zhì)與幾何尺寸有關(guān)。因此，任何引起磁場(chǎng)強(qiáng)度變化的物理量都將引起霍爾輸出電壓的變化。（1）放大和峰值檢波電路由于UGN3503U線性霍爾元件采集到的電壓信號(hào)是一個(gè)毫伏級(jí)的信號(hào)，信號(hào)十分微弱，所以，在對(duì)其進(jìn)行處理前，首先要進(jìn)行放大。LM324是四運(yùn)放集成電路，它采用14腳雙列直插塑料封裝。如圖所示，UGN3503線性霍爾元件輸出的微弱信號(hào)經(jīng)電容耦合到前級(jí)運(yùn)算放大器U2A的相同輸入端，運(yùn)算放大器U2A把霍爾元件感應(yīng)到的電壓轉(zhuǎn)換為對(duì)地電壓。經(jīng)前級(jí)運(yùn)算放大器放大的信號(hào)經(jīng)耦合電容輸入到后級(jí)峰值檢波電路中。峰值檢波電路由兩級(jí)運(yùn)算放大器組成，第一級(jí)運(yùn)放U2B將輸入信號(hào)的峰值傳遞到電容上，并保持下來(lái)。在設(shè)計(jì)中，為了獲得優(yōu)良的保持性能和傳輸性能，同樣采用了輸入阻抗高、響應(yīng)速度較快、跟隨精度較好的運(yùn)算放大器LM324，這樣可有效地利用LM324的資源，減少使用元器件的數(shù)量，降低了成本。當(dāng)輸入電壓下降時(shí)，跟隨下降，導(dǎo)通，U2B也工作在深度負(fù)反饋狀態(tài)，深度負(fù)反饋保證了二極管、可靠截止，值得以保持。輸出反映的大小，通過(guò)峰值檢波和后級(jí)緩沖放大電路，將采集到的微弱信號(hào)放大至0V~5V的直流電平，以滿足A/D轉(zhuǎn)換器ADC0809所要求的輸入電壓變換范圍，然后通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換電路將檢測(cè)到的峰值轉(zhuǎn)化成數(shù)字量。 ADC0809的芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu) ADC0809的工作時(shí)序ADC0809是8位逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器，片內(nèi)有八路模擬開關(guān)，可對(duì)八路模擬電壓量實(shí)現(xiàn)分時(shí)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換速度為100(即10千次/秒)。本設(shè)計(jì)中只使用通道INO，所以，地址譯碼器ABC直接地址為000，采用線選法尋址。ADC0809的片內(nèi)沒(méi)有時(shí)鐘，時(shí)鐘信號(hào)