【正文】 .....40 前端金屬探測模塊的調(diào)試與集成 ..........................................................................40 外圍數(shù)據(jù)處理與顯示模塊的調(diào)試與集成 ..............................................................42 系統(tǒng)性能分析 ................................................................................................................44 基準頻率測定方法的優(yōu)缺點分析 ..........................................................................44 金屬探測的精度 ......................................................................................................44 金屬探測的功能測試 ..............................................................................................456 結(jié)論與展望 ...........................................................................................................................47 結(jié) 論 .............................................................................................................................47 未來工作展望 .................................................................................................................48致 謝 .......................................................................................................................................49參考文獻 ...................................................................................................................................50附 錄 .......................................................................................................................................52附錄一 系統(tǒng)實物圖 ............................................................................................................52附錄二 系統(tǒng)總體電路圖 ....................................................................................................54附錄三 防抖動鍵盤處理源程序 ........................................................................................56附錄四 前端金屬探測部分源程序 ....................................................................................59附錄五 外圍金屬探測精度設(shè)置源程序 ............................................................................6411 緒 論 研究背景與研究意義金屬探測器是一中專門用來探測金屬的儀器，除了探測有金屬外殼或金屬部件的地雷以外，還可以用來探測隱蔽在墻壁內(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。 發(fā)展過程早在20世紀40年代二戰(zhàn)期間，出于戰(zhàn)爭的需要，軍隊就使用了差拍式金屬探測器來排查地雷。世界上第一臺工業(yè)金屬探測器誕生于1960年，步入工業(yè)時代的最初的金屬探測器主要用于工礦業(yè)，是檢查礦產(chǎn)純度和提高效益的得力助手。20世紀70年代隨著航空工業(yè)的迅速發(fā)展，劫機和危險事件的發(fā)生使航空和機場安全逐漸受到重視，于是在機場眾多設(shè)備中，金屬探測門被用來充當排查違禁物品的重要角色。20世紀80年代，監(jiān)獄暴力案件呈直線上升趨勢，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，在依靠警員對囚犯加強管理的同時，金屬探測門再次成為了美國、英國、比利時等發(fā)達國家監(jiān)獄管理機構(gòu)必備的安檢設(shè)備；與此同時西方興起的“探寶熱” ，也使金屬探測器取得了長足的發(fā)展。2 研究意義“”事件發(fā)生后反恐成為國際社會的一個重要的議題。此時國際社會“安全防范”的認識也提高到了一個新的高度，受“”事件的影響各行各業(yè)加強了保安工作的部署，金屬探測器也成功滲透到公共娛樂場所等行業(yè)。于是多區(qū)位金屬探測技術(shù)孕育而生，它的誕生是金屬探測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獨立的多個磁場，再根據(jù)人體工程學(xué)把人體分為多個區(qū)段使之與人體相對應(yīng)，相應(yīng)的區(qū)段在金屬探測門上形成相對的區(qū)域，這樣金屬探測門便擁有了報警定位功能。為了防止考場作弊根據(jù)國務(wù)院發(fā)布《單位內(nèi)部治安保衛(wèi)條例》 ，監(jiān)考人員在高考考場里使用金屬探測器符合相關(guān)規(guī)定，它將作為一項常規(guī)措施載入我國考試監(jiān)考制度中 [4]。2）安全型金屬探測器隨著交通、旅游、金融和娛樂事業(yè)的發(fā)展，在機場、銀行、珠寶店和珠寶制造廠、貴金屬礦、貴金屬加工廠等，需要對過往人員進行檢測，以使貴重物品不丟失及排除危險品、槍支等 [48]。城市的發(fā)展，使得地下管線越來越多，在一些原始資料缺失的情況下，金屬探測器可以幫助我們查清其走向。而這樣的埋墻線路或管線是沒有圖紙和標識的，后期的安裝中如果電鉆打到電線和水管上時，輕者造成麻煩和損失，重者危及人的安全。一些人有探秘的夢想和熱情，在野外游玩帶有金屬探測器，即便沒有探到寶貝，也可以鍛煉身體和滿足好奇心。 研究現(xiàn)狀金屬探測器按其功能和市場應(yīng)用的不同可分為以下幾種：? 通道式金屬探測器(簡稱安檢門)；? 手持式金屬探測器 [28] [29]；? 便攜式金屬探測器；? 臺式金屬探測器；? 工業(yè)用金屬探測器；? 水下金屬探測器 [4]。? 脈沖感應(yīng)型；? VLF(very low frequency)連續(xù)波型；其中LC振蕩型主要應(yīng)用在小目標近距探測方面，已較少使用，目前廣泛應(yīng)用的金屬探測器主要是脈沖感應(yīng)型和VLF連續(xù)波型。脈沖感應(yīng)型金屬探測器檢測波形為隨時間指數(shù)衰減的波形。VLF連續(xù)波型檢測波形為有特定相位滯后的正弦波，當前有很多數(shù)字信號處理算法適用于VLF連續(xù)波型，連續(xù)波型金屬探測器具有廣闊的發(fā)展前景。鐵磁性物質(zhì)的磁導(dǎo)率很高，即μ1，如鑄鐵為200～400。部分非鐵磁性物質(zhì)＞1。當＜1的非鐵磁性物質(zhì)(如銅、銀) 接近線圈時，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。在技術(shù)進步的前提下，今日的金屬探測器有能力作比以前更多、更為復(fù)雜的工作。其中之一是金屬探測器的網(wǎng)絡(luò)化功能。所有這一切都可以遠距離進行操作。Metorex等，均投入了相當?shù)馁Y金從事這項研究、開發(fā)工作。金屬探測器可以與其他的出入控制裝置，如入口讀卡機等整合在一起。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器。在該系統(tǒng)中，金屬探測器與CATV、對講電話系統(tǒng)、出入控制以及其他安全防范手段整合在一起。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器的時候自動刷卡，不但能探測人員是否攜帶有武器，而且還能進行讀寫校驗以確定人員是否能合法進入該場所。在讀卡的基礎(chǔ)上，該系統(tǒng)可根據(jù)工作性質(zhì)、對象調(diào)節(jié)安全報警信號的閾值。MET卡也可以安裝在門框中充當跟蹤設(shè)備，用以防止貴重物品的丟失和被盜 [26]。因此在這種前提下進行數(shù)字金屬探測器的設(shè)計是順應(yīng)時代發(fā)展和需求的。 主要研究內(nèi)容及成果特色金屬探測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，該磁場能在被檢測的金屬物體內(nèi)部產(chǎn)生感生渦流 [3]。 主要研究內(nèi)容根據(jù)本課題工作的實際背景，研制出一個物美價廉的金屬檢測裝備，重點應(yīng)研究和解決以下幾個方面的問題：1）原理分析收集金屬探測器原理和產(chǎn)品的資料，進行金屬探測器資料整理和分析利用。使得系統(tǒng)的探測信號有良好的抗干擾性。4）軟件方案的設(shè)計軟件設(shè)計要求完成：測量功能、動態(tài)顯示檢測結(jié)果、數(shù)據(jù)輸出功能。 成果特色該課題的關(guān)鍵技術(shù)在于信號的檢測、傳輸和軟件的識別，以及實現(xiàn)方法的討論。6該課題涉及傳感器技術(shù)、通訊技術(shù)、單片機和C語言編程等，具有一定的綜合性和復(fù)雜性。 論文結(jié)構(gòu)安排第一章緒論討論金屬探測器的發(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。第三章硬件系統(tǒng)設(shè)計介紹硬件單元電路具體設(shè)計。第五章實現(xiàn)與性能分析介紹硬件單元電路實現(xiàn)設(shè)計系統(tǒng)軟件設(shè)計和實現(xiàn)，調(diào)試過程，以及基準頻率測定方法的優(yōu)缺點分析。72 總體設(shè)計金屬探測器是一種專門用來探測金屬的儀器，除了用于探測有金屬外殼或金屬部件的地雷之外，還可以用來探測隱蔽在墻壁內(nèi)的電線、埋在地下的水管和電纜，甚至能夠地下探寶，發(fā)現(xiàn)埋藏在地下的金屬物體。無論是靈敏度、分辨率、探測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行業(yè) [27]。r?0 0圖21 環(huán)形載流導(dǎo)線的磁場 [19]由公式（21）可知，當線圈有效探測范圍內(nèi)無金屬物時， （非金屬的相對1?r?磁導(dǎo)率） ，線圈中心磁感應(yīng)強度 B 保持不變。r?當線圈有效探測范圍內(nèi)出現(xiàn)非鐵磁性金屬物時，由于非鐵磁性金屬的相對磁導(dǎo)率，所以，磁感應(yīng)強度 B 也會隨 的減小而減小。另一方面，置于該交變磁場中的金屬導(dǎo)體內(nèi)會產(chǎn)生自行閉合的渦電流，渦流要產(chǎn)生附加的磁場$與外磁場方向相反$會削弱線圈磁場的變化。?通過以上分析可知，當有金屬物靠近通電線圈平面附近時，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)強度 B 的變化。 傳感器原理根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)原理，塊狀金屬導(dǎo)體置于變化的磁場中或在磁場中作切割磁力線運動時，導(dǎo)體內(nèi)將產(chǎn)生呈渦旋狀的感應(yīng)電流，此電流叫電渦流，以上現(xiàn)象稱為電渦流效應(yīng)。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。 電渦流式傳感器的工作原理電渦流式傳感器的原理圖如圖 22 所示。根據(jù)法拉第定律，當傳感器線圈通以正弦交變電流 I1 時，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。由上可知，線圈阻抗的變化完全取決于被測金屬導(dǎo)體的電渦流效應(yīng)。因此，傳感器線圈受電渦流影響時的等效阻抗 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——線圈與被測體的尺寸因子。通過與傳感器配用的測量電路測出阻抗 Z 的變化量，即可實現(xiàn)對該參數(shù)的測量。模型中把在被測金屬導(dǎo)體上形成的電渦流等效成一個短路環(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。圖中 R2 為電渦流短路環(huán)等效電阻，其表達式為： （23 ）inrhRl2???10 圖23 電渦流傳感器簡化模型 圖24 電渦流傳感器等效電路根據(jù)基爾霍夫第二定律，可列出如下方程：R1 +jωL1 jωL2 =1?I1?I2?I1?U式中:ω——線圈激磁電流角頻率；RL1——線圈電阻和電感；L2——短路環(huán)等效電感；R2——短路環(huán)等效電阻。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。當 x 一定時，電渦流密度 J 與半徑 r 的關(guān)系曲線如圖 25 所示。Jr 為半徑 r 處的金屬導(dǎo)體表面電渦流密度。②電渦流密度在短路環(huán)半徑 r=0 處為零。④可以用一個平均半徑為 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） 。根據(jù)線圈—導(dǎo)體系統(tǒng)的電磁作用，可以得到金屬導(dǎo)體表面的電渦流強度中:I1——線圈激勵電流；