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基于单片机控制的金属探测器系统的设计,基于,单片机,控制,金属探测器,系统,设计
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基于单片机控制的金属探测器设计Design of Metal Detector System Based on MCU Control摘要伴随着时代的发展，安全形势日趋严峻，金属探测器的使用早已渗透到人们生活工作的各个方面，且有着向数字化发展的趋势。本文设计的就是基于单片机的手持式金属探测器。本文设计的金属探测器系统以STC89C51单片机为核心，通过电容式三点振荡电路产生正弦波，当有金属物靠近线圈时，正弦波的频率和幅度将会发生改变，后经放大比较电路转换为方波，单片机处理该信号，进行频率比较，并由液晶显示器LCD1602显示实时频率和设定频率，当实时频率超过设定频率就触发警报，设定频率可由按钮进行调控。本产品成本低廉、使用方便，能随身携带，有一定的实用价值。关键词 金属探测器；振荡电路；放大比较器；51单片机AbstractWith the development of the times, the security situation is becoming more and more serious. The use of metal detectors has penetrated into all aspects of peoples life and work, and has a trend towards digital development. This paper designs a hand-held metal detector based on single-chip computer.The metal detector system designed in this paper takes STC89C51 single chip computer as the core and generates sinusoidal wave by capacitive three-point oscillation circuit. When a metal object is near the coil, the frequency and amplitude of sinusoidal wave will change. Then the signal will be transformed into square wave by amplification and comparison circuit. The single chip computer processes the signal and makes frequency comparison. LCD 1602 displays real-time frequency and set frequency. When the real-time frequency exceeds the set frequency, the alarm is triggered, and the setting frequency can be adjusted by buttons. The product is low cost, easy to use, can be carried with it, and has a certain practical value.Keywords metal detector oscillating circuit amplifier and comparator 51 single chip microcomputerII目 录摘要IAbstractII1绪论11.1论文选题的背景和意义11.1.1论文选题的背景11.1.2论文选题的意义11.2金属探测器国外国内的发展现状21.2.1国内现状21.2.2国外现状21.3论文的主要研究内容和工作安排32金属探测器原理介绍42.1电磁感应原理42.2涡流效应52.3金属探测器分类和简介52.3.1差拍式检测电路52.3.2自激感应式检测电路62.3.3平衡式检测电路62.4金属探测器的设计思路73硬件部分设计93.1发射电路93.1.1振荡电路93.2接收控制电路113.2.1放大与比较电路113.2.2单片机处理系统的设计133.2.3报警电路153.3外围设备和显示部分163.3.1按键模块163.3.2LCD液晶显示电路164软件部分设计184.1前端软件设计184.1.1取得频率204.1.2获取基准频率204.1.3比较模块214.1.4精度设置模块214.2 外围数据处理与显示模块设计224.2.1液晶显示224.2.2键盘接收234.2.3按键处理模块235金属探测器调试与性能分析255.1硬件电路的焊接调试255.2软件部分的检测调试255.3金属探测器的系统性能测试255.3.1 基准频率的测定方法255.3.2 金属探测的精度255.3.3 金属探测器的性能测试266结论28致 谢29参考文献30 1绪论1.1论文选题的背景和意义1.1.1论文选题的背景1931年，世界上第一台金属探测器在美国加利福尼亚州帕罗奥图的费舍尔实验室中诞生了, 由费舍尔博士发明，而且首次将它向推向市场，费舍尔博士被后人尊称为“金属探测器之父”。到了1960年，金属探测器开始主要应用于工矿业，它在检查矿物纯度、提高采矿效率上有着出色表现1。后来到了70年代，人们的犯罪率逐步增加，金属探测器也伴随社会的变化开始运用于“安全检查”这个新领域，这表示了人们对它的认知上达到了一个新的高度，机场安检中首次出现了金属安全门的身影，同时期的一些大型运动会，展览会以及政府的重要部门也逐渐使用金属安全门来发现可疑人员和物品，为其安全运作提供保障2。80年代，西方突然兴起寻宝的热潮，以往的金属探测器大多过于笨重，不好携带，由此一些生产公司开始研发携带方便又易于使用的金属探测器，在这背景下手持式的金属探测器得到了发展。到了90年代，电子制造行业发展迅猛，一些大公司为了防止自己的产品被员工私自带出，会在公司的出入口安置金属探测安全门，并安排安保人员使用手持式金属探测器对员工进行检查，这时金属探测器开始担负起产品防盗的功能。在步入21世纪后，恐怖主义对国家安全的威胁越来越大，单靠金属探测安全门已经很难满足安检形势的需求，我们需要一种能够准确快速的检测出危险金属物品藏匿位置的方法。于是就出现了多区位金属探测技术，同时x光安检机开始广泛使用，很多重要场所用其对包裹内的物品进行检测识别3，受此影响，金属探测器的应用领域渐渐覆盖到了其它行业，目前具有很好的发展前景。1.1.2论文选题的意义作为一种安全检测设备，金属探测器的使用早已经渗透到我们工作生活的方方面面，特别是人员密集的设施。如机场，火车站，体育场馆，展览会和政府重要机构等，都用金属探测器对进出的人员进行检查，防止人员携带枪支，刀具，炸药等危险物品对别人造成伤害4；加工贵金属的工业部门，电子产品制造工厂也使用金属探测器对出入人员进行检测，以防止员工偷窃珍贵金属物品损害公司的利益；食品企业则用其将食品里含有的金属杂质检测出来并除去，保证顾客的健康安全5；军事上，军队普遍使用金属探测器来排除地雷和爆炸装置，以减少士兵和平民的死伤；甚至在一些重要的考试中，监考人员都用手持式金属探测器进行检查，防止考生携带手机等金属物作弊。因此可见研制出高效的探测器对工业生产以及人身安全具有重要的现实意义，特别是21世纪人们迈入了网络信息时代，金属探测器也要顺应时代的变化，不断向前发展，这里便需要一个可靠的数字电路，用它来分析处理信息，实现产品的自动化6。1.2金属探测器国外国内的发展现状1.2.1国内现状国内金属探测技术虽然起步比较晚，但随近些年安检行业的蓬勃发展，也由此出现多个金属探测器生产厂商，其中有少数的产品取得了市场认可，比如2006年我国的克金安全技术金属探测研发中心制造了世界上第一台采用金属框架的金属探测安全门，其原理是使用金属自身来干扰原先不稳定的球形磁场，使其稳定，这不仅增加了安全门的稳定性和灵敏度，还使其增加了ID地址功能，频率设定功能，灵敏度随意转换等原来不可能实现的功能。随着我国经济实力的增长，科研方面的投入也会越来越多，在金属探测器方面缩短与国外先进水平的差距还是有希望的。可是市场上主要还是使用的是国外产的金属探测器，且很多重要的安全领域，譬如民航的安检等全部使用的是国外的产品，究其原因，主要还是自身的质量不过关，国内某些金属探测器的生产商目光短浅，为了短期利益而不愿投入足够的时间和资金来研发新产品，而是仿制别人的成品，这造成国内的金属探测器总体功能上的重复，使用起来华而不实，无法满足安全检测的要求，进而导致在市场上口碑较差，社会信誉度降低。而且最近几年许多国外的厂商都打出了网络化的大旗，国内厂商没有考虑到自身实力，盲目跟随国外潮流，生产出来的大多数都没有取得市场的认可。1.2.2国外现状随着社会步入数字化时代，人们对其认知得到提升，金属探测器也在逐渐走向成熟。国外的金属探测器由于起步早，目前已有较为完善的系列产品，并且已经具备了两项最具特色的技术:网络化功能和多区位金属探测技术。网络化技术即使用人员可以借助网络，在远处随时对金属探测器进行调控，能根据外在环境因素的变化，调整金属探测器的灵敏度，这项技术如今已经被应用在很多方面。比如军事上的机器人排雷上，将金属探测器安装在机器人上，用远程遥控的方法来控制机器人到达指定地点探测地雷位置，这样就极大降低了人员伤亡的风险。而多区位金属探测技术则是被几个世界著名金属探测器生产商所重视，投入大量成本去研发，这项技术就是将单一磁场变为多个磁场，将其与人体的各个部位相对应，这样可迅速发现金属物的藏匿位置，面对严峻的安全形势这项技术很受用。国外有些公司还将金属探测技术和身份识别系统相结合起来，譬如美国CeiaUSA公司研发一款叫MET卡的产品，携带者在通过金属探测器的同时进行身份认证，金属探测技术会检测人员身上是否带有危险物品，一旦发现有危险物品，安全门会通过无线电提醒工作人员，并发出警报，这很大程度减轻了工作人员的负担7。1.3论文的主要研究内容和工作安排本文首先是对论文选题背景的介绍，对金属探测器发展的历史进程进行简单的概括，然后是写研究的意义与目的，国外国内的发展现状，接着介绍金属探测器工作的理论依据，给出设计的硬件框架图，再具体分析金属探测器的硬件设计和软件设计，最后对设计出的成品进行调整评测，并给出总结。本文的内容安排如下：第一部分是概述。讲述金属探测器的选题背景，目的和意义，国外国内金属探测器在社会生产上的发展现状，并简述本文的内容安排。第二部分是金属探测器原理介绍。先介绍设计的原理依据，电磁感应原理和涡流效应，然后介绍目前主流金属探测器的类型和本次设计金属探测器的选定。第三部分是硬件电路的设计。硬件电路包括三大部分，发射电路，接收控制电路和外围设备和显示部分。第四部分是软件部分的设计。软件部分包括两大部分，前端软件的设计和外围处理和显示模块的设计。第五部分是金属探测器的调试与性能分析。主要分为硬件电路的焊接调试，软件部分的检测调试，金属探测器的系统性能测试。第六部分是小结。主要为毕设期间完成的任务及本次毕设的成果进行总结。2金属探测器原理介绍金属探测器主要依靠电磁感应原理，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，涡流反作用于磁场8，而高频振荡线圈的振荡频率会因为线圈磁场强度的变化而产生变化，通过检测其振荡频率的改变量可以判断出是否有金属存在。2.1电磁感应原理电磁感应是指将导体放入变化磁通量中，从而产生电动势的现象，当该导体形成一个回路后，电动势会驱使电子流动，感应电流便随之产生。图2-1所示的是半径为的单匝圆形电感线圈，通电后线圈周围空间产生交变磁场，可使用毕奥-萨伐尔定律求出线圈中心轴线上一点的磁感应强度： （2-1）其中；介质的磁导率；相对磁导率； 真空磁导率。图2-1 线圈通电后周围磁场的变化由上述公式可知，没有金属物进入在线圈的有效感应范围内时，（非金属的相对磁导率），线圈中心磁感应强度保持不变。当铁磁性金属物进入线圈有效感应范围内时，由于铁磁性金属的相对磁导率 ，磁感应强度也会随的增大而增大。当非铁磁性金属物进入线圈有效探测范围内时，由于非铁磁性金属的相对磁导率 ，磁感应强度也会随的减小而减小。由此可见，不同金属的出现会使介质的磁导率发生不同的变化，从而影响线圈周围的磁感应强度9。2.2涡流效应当移动的磁场与金属导体相交，或是移动的金属导体垂直与磁场相交时，根据电磁感应原理，金属导体内都会产生一个自行循环的感应电流，即是金属的涡流效应。涡流会产生附加的磁场，且与外磁场的方向相反，会互相抵消，从而减小外磁场的变化。据此，将一交流正弦信号导入万用板上的空心线圈中，流过线圈的电流会在周围产生交变磁场，每当金属靠近线圈时，金属产生的涡流磁场会减小原线圈磁场的变化10。这个变化量与金属的导电率有关，交变电流的频率会随金属的电导率的增大而增大，同时涡流磁场的强度越大，对原磁场的抑制能力越强。结合上面分析可知，当有金属导体靠近通电线圈平面附近时，由于介质磁导率发生变化，还有金属内部产生的涡流都可以引起磁感应强度的变化。只是不同的金属，产生的现象强弱有所不同，对于那些导电不导磁的金属，主要为涡流效应，磁效应不明显；对于那些既导电又导磁的金属，不仅有涡流效应，磁效应也很强。2.3金属探测器分类和简介基于单片机的金属探测器，主要依靠电磁感应原理，目前使用最广泛的大致可以分为三类：差拍式检测电路，自激感应式检测电路，功率吸收式检测电路11。2.3.1差拍式检测电路这类电路主要用于军用探雷器，其结构简单，可做成手持式方便携带，其工作框图如下图2-2：图2-2 差拍式电路框图它的工作原理简述为：由探测振荡器和参考振荡器产生两个不同的频率，分别设它们为和，又因为，可知频率的大小是由电感和电容决定的，其中电容大小固定，而电感会随着被测金属的性质和大小发生改变12，当被测金属为有磁性的金属时，受导磁率的影响，它的电感会变大 ，变成,当被测金属为无磁性的金属时，由于涡流的损耗，它的电感会减小，变成，一般。接着和会通过混频器混频，要比稍微大一点，于是得到和两个频率，它们经过滤波器过滤出这个差频信号，将其送入放大器，放大后输出使警报器工作，2.3.2自激感应式检测电路这类主要是以LC振荡器为金属的探测电路，其工作框图如下图2-3： 图2-3 自激感应式电路框图这种检测电路普遍用于冶金和采矿业，由于工作环境中磁性矿石较多，便要求振荡器能减少强磁性矿石的影响，并能在其中准确探测出弱磁性的矿石 13。平时它的振荡器输出的是等幅的交流电压，经检波后变成固定直流电压，通过微分电路后输出脉冲信号为0，不会触发后续操作。只有当有金属靠近线圈时，振荡器的振幅会下降后恢复正常，检波检测出一个下降的波动，其进入微分电路后会有脉冲信号输出，经过放大电路放大后推动继电器动作，输出接点信号控制金属物体取出装置，并触发显示和报警。2.3.3平衡式检测电路金属探测安全门在生活工作中使用是很广泛的，它不仅可以辨别金属的性质、大小，还可以连续监测经过金属探测安全门的对象，对危险物品发出警报。这类产品主要是使用平衡式检测电路，与普通金属探测器最大的区别是它是多频率的。金属探测安全门由以下四部分组成:激励电路、激励线圈、信号收集和处理电路、显示和报警电路。根据电磁场理论，发射线圈产生的交变磁场在两个差动连接的接收线圈中分别产生一个同等频率、相反方向、同等幅度的感应电动势，它们相互抵消后会形成一个平衡状态14。平衡状态只有当含金属物品出现时才会被打破，周围磁场会发生变化产生电压差，接着由接收线圈检测出电压差，对这个电压信号分为两部分处理，先用滤波电路对高频电压信号过滤掉，再用功率放大电路对低频电压信号进行放大，最后传输给报警和显示装置。因为工作元件使用久了难免会出现老化的问题，在多变的工作环境下很容易收到外部的干扰，无法正常的工作，外部的干扰会给传感器的接收信号造成不良影响，从而影响到检波信号，这里可以设计一个平衡调整电路来解决这个问题。在平衡电路中添加一个补偿线圈，通过对自身输入信号进行补偿，来减小外界环境对输出信号的影响，理论依据是闭环负反馈控制原理。由下图2-4可知，这个负反馈闭环系统由补偿线圈信号和接收线圈信号组成，其中补偿线圈信号来自于检波电路的直流分量。图2-4平衡式检测电路框图下图2-5是接收线圈的结构示意图，它有一部分是用来调节平衡。综上加入了平衡调整电路后，可以大幅减少外来环境（电磁干扰、震动冲撞等）的干扰导致磁场的变化。图2-5接收线圈一侧结构示意图2.4金属探测器的设计思路金属探测器的功能和使用的环境是多种多样的，但对于普通的平民百姓而言，适合他们使用的金属探测器，应具有以下的特点：1、操作简单、方便。2、便于工作，随时都可使用。3、电量消耗很低，少量的电便足够长期使用。4、较高的灵敏度，可以检测出微量的金属。本文所设计的正是基于上述条件的手持式金属探测器，通过电磁感应来探测金属。该产品的硬件电路主要由三部分组成：发射电路用于发射信号，接收控制电路用于接收信号，转换后进行处理，外围设置和显示电路用于发出警报等作用。3硬件部分设计硬件部分是设计软件部分的前提，是产品的最基本组成，对金属探测器的稳定性有着很大的影响。这次所设计的探测系统是以8位单片机STC89C51作为控制核心，其硬件电路分为三个部分，一部分为发射电路，由线圈振荡电路、探测线圈组成；第二部分为控制电路，包括：LM393放大与比较电路、STC89C51单片机、LED报警电路、声音报警电路及电源电路等；第三部分为外围设备和显示电路，包括LCD液晶显示电路和按键模块。本次设计的总框图如下图3-1： 图3-1 金属探测器硬件电路总框图3.1发射电路3.1.1振荡电路振荡电路通常由电阻，电感，电容等电子元器件构成，它用于产生一种方向大小都会随周期性变化的振荡电流。如果按波形来分，可分为正弦波振荡器和非正弦波振荡器，这里选用正弦波振荡器，因为两者相比它的输出波形更加稳定，而 LC振荡电路是正弦波振荡器里最简单的一个类型。LC振荡电路是由电感和电容组成选频网络的振荡电路，运作原理是：依靠电感电容的储能特性，将电能和磁能相互转换产生峰值，取得峰值便有了振荡。但由于这个转化过程中能量是被不断损耗的，振荡信号到最后会变得很小，难以被检测到，因此实际上的LC振荡电路都需要一个放大元件，通过各种信号反馈方法让这个不断被消耗的振荡信号被反馈放大，目的是输出一个振幅和频率较为稳定的信号。通常使用的LC正弦波振荡电路有变压器反馈式LC振荡电路、电感三点式LC振荡电路和电容三点式LC振荡电路。本产品选用的是电容三点式振荡电路，如下图3-2所示：图3-2 电容三点式振荡电路振荡管为晶体三极管，这个电路不仅有较好的输出波形，极高的振荡频率，还可以通过增大回路电容的方法来提高振荡频率的稳定性，缺点是需同时调C4、C7才能调节频率，这样很不方便，但用作固定的振荡器还是较合适的。这里的元器件参数必须要符合实际使用的要求，因此谐振回路中电容C4、C7和电感L的分别为0.1、0.1、500，这里电感L并不是准确的500,而是理想情况下的数值，共射极反馈放大电路中的是晶体三极管S9013（H），它可以放大电流达144到 200倍 ，耦合电容C3为0.1，最终电路的实际振荡频率为10K，达到了本产品设计的目标。电容三点式振荡电路运行原理分析：首先将反馈回路断开，通过瞬时极性法判断正负反馈，假设晶体管的基极为正极性信号，因为共射极放大电路有反向放大特性，则晶体管的集电极为负极性信号，在谐振回路的两个电容的一端同时接地，另一端则串联一个电感L2，所以两个电容的极性相反，即反馈端的为正极性，因此满足相位平衡条件。电路中晶体管的放大倍数足够大且C4和C7的比值正好为1，都有利于起振。由于反馈电压是从电容两端去出的，对高次谐波的阻抗小，所以只要将高次谐波去掉，就能得到良好的波形。电容三点式振荡电路的频率为： （3-1）使用谐振回路中的电感线圈进行金属探测，当金属靠近电感线圈时电感L2的品质因数会发生变化（一般品质因数越高，那么电路的损耗越低，效率越高），根据前面的计算公式（3-1）可以得出，谐振频率随电感变化而改变，电感增加时谐振频率减小，电感减小时谐振频率增加，电路的谐振频率同时也影响着检测金属的精度，线圈产生磁场的变化率会随着谐振频率的增大而增大，又根据电磁感应原理在金属内部产生的涡流就越大，同是涡流产生磁场对原磁场的影响也就越大。3.2接收控制电路3.2.1放大与比较电路接收到的脉冲信号要通过放大和转换后，才能被单片机处理，所以需要一个电路专门进行脉冲信号的放大和转换，这里有两种选择：（1）普遍的是采用放大电路加上A/D转换电路。由于涡流传感器感受到的电压十分的微弱，不适合直接处理，这里需要一个放大电路对其进行放大，放大电路主要有以下三种：基本放大电路，功率放大电路和集成运算放大电路，通常采用集成运算放大电路，因为它具有可靠性高，输入电阻高，输出电阻低，体积小等优点，在此可以选用运算放大器LM324用于信号放大。又因为单片机只能处理数字信号，还要使用A/D转换电路来把模拟信号转换为数字信号，ADC0809很好的满足了这项需要（ADC0809因为内部缺少时钟电路，所以它的使用频率由外界信号提供），作为能与微处理器兼容的CMOS逻辑组件，ADC0809能够直接和单片机的接口相连接。（2）本产品则是使用电压比较器，电压比较器是运算放大器的一个特殊应用，是一个无限增大的同比例放大电路，电压比较器可以对输入信号进行鉴别和对比，它不仅可以成为模拟电路和数字电路的连接通道，还能够用于波形转换，将振荡波形转换为适合单片机处理的整形波形。在电压比较器的选择上，本产品所使用的是LM393双电压比较器，相较于集成运算放大器LM324，它更适合于用作高速开关，切换速度更快，延迟时间更小， 引脚如下图3-3：图3-3 LM393引脚图其各引脚的作用见下表3-1：表3-1 LM393引脚功能表引脚名称作用OUT A输出A-IN A反向输入A+IN A同向输入AGND接地端VCC电源电压OUT B输出B-IN B同向输出B+IN B反向输出B结合下图3-4可知，比较两个电压的大小(用输出电压的高或低电平，表示两个输入电压的大小关系)：当“+”输入端电压高于“”输入端时，电压比较器输出为高电平； 当“+”输入端电压低于“”输入端时，电压比较器输出为低电平15。图3-4放大与比较电路这两者波形相互转换过程如图3-5所示，当输出为低电平时它的输出是0，而输出为高电平时它的输出为1. 如果产生的方波不是标准的方波，角上有弧度，原因就是比较器的基准电压设置的不合理，解决方法是调整基准电压改变占空比。图3-5波形转换3.2.2单片机处理系统的设计这个系统总体由复位电路，蜂鸣器和STC89C51单片机构成，复位电路用于提供和取消复位信号，蜂鸣器用于发声，单片机是这个系统的核心，在此承担着三个主要的作用：振荡频率的测量，探测到金属后触发报警电路，使用者与探测器间的信息交流。(1)复位电路复位电路的作用是防止单片机受外界因素的影响发生工作紊乱时，能从头开始执行程序。这里的复位只需要第九个引脚上的高电平持续两个时钟周期以上便可，我们可以在按钮的两端并联一个10的电容，按下按钮使电容充电就能维持这个高电平。(2)蜂鸣器蜂鸣器是根据正负极上的高低电平来工作的，如果要使蜂鸣器发出不同的响声，可以通过改变高低电平的频率和时间来实现。(3)单片机本次设计的单片机采用的是STC89C51单片机，是高速又低功耗的新一代8051 单片机，并且有着很高的性价比16，与市面上类似的芯片相比很便宜，且下载程序时无需编程器，可通过串口直接下载用户程序，可以直接将单片机焊在PCB板上来下载程序，其具体部件和性能如下：1、精简指令集结构8051 CPU；2、4k可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器；3、时钟频率035MHz；4、32个双向I/O口；5、片上集成512 字节RAM；6、无需编程器，可通过串口直接下载用户程序，十分快捷；7、EEPROM功能，即掉电后数据不丢失；8、看门狗电路；9、内置MAX810 专用复位电路；10、有2个可编程16 位定时器；11、外部中断的低电平可触发低消耗工作方式；12、3级加密位。图3-6是STC89C51单片机的引脚图，它一共有40个引脚，片内含4kB的程序存储器，另有128B的随机存储器，按其功能，这40个引脚又可大致分为四类：电源，时钟振荡器，控制线和I/O引脚。图3-6 STC89C51单片机的引脚图引脚20和40是电源电路，VCC是芯片电源接+5V，GND是接地端；引脚18和19是接时钟振荡器，X1是晶体电路反向输入端，X2是输出端。时钟振荡器原理是：在被供电后，晶振与电容会产生一个谐振电路，将频率传输到时钟芯片内部的振荡器上，从振荡器出来的基本频率经过频率扩展后输入到各个分频器，最后得到不同频率的时钟输出。引脚9，29，30，31是控制线，RESET是复位备用电源，PSEN是外ROM读选通信号，ALE是地址锁存器，用来锁存低8位地址新门户，EA是内外ROM选择端。其余引脚都是I/O口，89C51共有4个8位双向I/O端口：P0，P1，P2，P3口，共32引脚，都能单独的用于输出或输入。1、P0口（3239）是漏极开路的8位双向I/O口，既可以用作输入或输出口，也可以作为低8位地址和8位数据的复用总线来使用，注意当作为输入和输出口时，上电复位后处于开漏模式，必须外接上拉电阻，而当地址和数据的复合总线时不需要上拉电阻。2、P1口（18）是数据总线，也是带内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1口的输出缓存器可驱动4个TTL输入，对端口写入1时，端口会由于内部上拉电阻的作用变为高电位，此时它就成了输入口，又因为内部上拉电阻，那些原来被外部信号拉低的引脚会输出电流。其中P10和P11还有别的功能特性，P10可作为定时/计数器外部输入的计数，P11可作为定时/计数器的触发输入。3、P2口（2128）也是带内部上拉电阻的8位双向I/O口，既可以用作输入或输出口，也可以作为高8位地址总线来使用，与P0口的低8位地址总线共同构成了16位的片外地址总线，当P2变为输入/输出口时，P2是一个8位准双向口。4、P3口（1017）是控制总线，也是带内部上拉电阻的8位双向I/O口，P3口的输入缓冲器可驱动4个TTL输入，对端口写入1时，端口变化基本同P1口，不同是被外部信号拉低的引脚会输入电流。其8个引脚还有一些复用功能，P30是串行输入口，P31是串行输出口，P32是外部中断0，P33是外部中断1，P34是定时器0的外部输入，P35是定时器1的外部输入，P36是外部存储器写选通，P37是外部存储器读选通。3.2.3报警电路报警电路是金属探测器不可或缺的一部分，当金属探测器探测到金属时，需要一个电路把这信号传递给使用者，而市面上的同类产品报警电路一般采用声音报警，本产品则使用蜂鸣器和LED灯分别进行声音报警和灯光报警，其电路图如下。由下图3-7可知，LED灯可以直接由单片机的I/O口驱动报警，当从P20输出低电平时，LED灯泡就会发光。R5为限流电阻，不过当限流电阻过小时，I/O口的灌电流会烧坏LED，当限流电阻过大时，LED很可能不亮，所以这里采用1的电阻。由下图3-8可知，当探测到金属时，通过端口P15输出电流控制S9012三极管的饱和与截止，而当三极管饱和时，蜂鸣器便会工作，发出警报声，但是这里和蜂鸣器串联的限流电阻也不能太大，不然蜂鸣器声音不够响亮，于是选择1的电阻。图3-7 LED报警电路图3-8 声音报警电路3.3外围设备和显示部分这部分由按键模块和LCD液晶显示两部分构成。按键模块主要是实现人对金属探测器的控制，可以凭借它对调控其探测精度；LCD液晶显示电路则承担着金属探测器对人信息的反馈，方便使用者更好的操作。3.3.1按键模块按键接地，当按下按键时，整个电路就与地线接通，同时输出一个低电平。由于单片机的端口初始值为高电平，因此电路会产生一个电势差，输出一个电信号给单片机进行处理。由下图3-9所示，通过两个S1和S2开关来控制输入信号给STC89C51单片机，设置精度加或精度减。图3-9按键模块3.3.2LCD液晶显示电路本产品采用LCD1602，LCD1602是一种工业字符型液晶，能够同时显示16x2即32个字符。其优点是功耗低、体积小、显示质量高、数字式接口（方便与单片机相连），在工业产品中应用广泛，LCD1602液晶显示的原理是利用液晶的物理特性，通过电压来改变填充在平行板间的液晶材料内部分子的排列，通过遮光和漏光来显示出图形。如下图3-10所示，LCD1602采用标准的16脚接口。图3-10 LCD1602液晶显示器的引脚图各引脚功能如下：第1引脚：VSS为电源地；第2引脚：VCC接5V电源正极；第3引脚：VEE为液晶显示偏压信号，用来调整字符显示的黑点和不显示的之间的对比度，方便使用者更清晰的读数；第4引脚：RS为数据命令选择端，给液晶发送的命令或者数据，可以用这个引脚来判断，判断标准是高低电平，高电平（1）时是数据，低电平（0）时是命令；第5引脚：R/W为读写选择端，判断标准和引脚4相同，高电平（1）时进行读操作，低电平（0）时进行写操作；第6引脚：E端为使能端,高电平（1）时读取信息，负跳变时执行指令，是其重要组成部分；第714引脚：D0D7为8位双向数据端，用于读写数据和命令；第1516引脚：空脚或背灯电源。第15引脚背光正极，第16引脚背光负极。4软件部分设计产生振荡电流，并将振荡波形转换为整形波形是硬件部分所要完成的任务，剩下的频率测定，报警和外围设备显示等功能就需要将软件程序烧录进单片机才能完成。软件设计的好坏决定了系统使用的准确性，稳定性和方便性，好的软件设计不仅仅要能满足产品的功能需求，还要满足宜读性，本次设计产品的软件部分主要由前端软件模块与外围数据处理显示模块构成。（1）前端软件模块主要负责那些较为基础的工作，且对底层的硬件的操控性比较强，运行效率的要求更高。（2）外围数据处理与显示模块主要是关于数据的再处理，需要更加细致的分析与判断，并且处理的目标代码的体积比较大。 综上可以选择模块性比较强的c语言进行编写，c语言还有便于维护，有较好的移植性等优点。4.1前端软件设计频率的测定，声光报警和通信是前端软件的主要作用，这部分就是用于判断前面接收到的频率是否需要发出警报17，其前端软件的结构图如图4-1:图4-1前端软件结构图图4-2是前端程序的主流程图，先是初始化，然后是基准频率的测定，是在判断能否取得基准频率，判断是的话就会探测当前频率，否的话就再次取得基准频率；是在得到当前频率后判断后台是否发送通讯请求，是的话就要进行精度的调整，否的话直接进行频率比较；表示得到比较的结果，是的话进入判断后台是否发送通讯请求，否的话就返回前面重新测定当前频率；最后一步接着判断后台是否发送通讯请求，是的话就会发送频率触发报警电路，否的话直接进入报警电路，就不会触发警报。图4-2前端程序的主流程图4.1.1取得频率这里的基准频率和探测的当前频率都选择50ms内取得的脉冲数，探测时间足够，符合设计要求，并由定时器T0和计数器T1来完成频率的取得。如果要在此基础上进一步提高探测精度，可以通过增加获得脉冲的时间和减小基准频率的波动范围的方法来达成要求。4.1.2获取基准频率获取的基准频率将作为判断金属有无的基准，在前端软件中有着重要作用，直接影响到了金属探测器的灵敏度和准确性。其流程图如图4-3：图4-3基准频率测定程序流程图这里的F是基准频率，而F1是新获得的当前频率，然后判断基准频率是否在当前测出的频率合理的范围内，如果是的话可以输出，否的话将基准频率定为新获得的当前频率，然后减小R0，返回到重新获取当前的频率前重复这个循环，直到最后输出基准频率。4.1.3比较模块比较模块的程序流程图如图4-4所示，是前端软件中最重要的部分，是判断是否发出警报的关键。这里的输入参数值PRISEH和PRISEL能够影响到金属探测器的精度，而精度设置模块能够控制这两个输入参数的值。图4-4 频率比较程序流程图4.1.4精度设置模块精度设计模块作用是通过改变PRISEH，PRISEL的值来改变精度，因为这两个值能影响前面的比较模块的比较结果，只需增大这两个值，便能降低精度，让其频率变化在设定的范围内，也就不会报警，此模块的程序流程图如图4-5所示：图4-5 精度设置程序流程图4.2 外围数据处理与显示模块设计这部分主要依靠大容量编程单片机来处理数据，提高金属探测器的性能，提供人与机器交流的方法，其结构图如图4-6：图4-6外围数据处理和显示模块结构4.2.1液晶显示液晶显示模块主要分为两大类函数，即指令的读写和数据的读写，只要将操作位和数据位按照时序合理的结合在一起就可以完成数据的显示，用户只需要调入封装好的显示函数： (显示单个字符)、 (显示一个字符串)、 (显示一字符数组)。4.2.2键盘接收键盘在此的作用是方便使用者设置金属探测精度与进行数据通讯时的控制，这里键盘输入时可能会出现抖动现象，极大影响了键盘接收的准确性。于是采取键位控制和键位检测的措施来应对，设置每一步骤相隔需5ms，每次键位确定需15ms，这样就保证了对使用者指令的准确接收，此模块的流程图如图4-7：图4-7键盘接收模块的程序流程图4.2.3按键处理模块键盘处理模块在当使用者按下灵敏度调节按钮后，能立即触发相关操作（根据高低电平），同时在液晶显示器上显示改变后的设定频率，其设置数据和前端单片机的通讯流程如图4-8所示：图4-8设置数据和前端单片机的通讯图5金属探测器调试与性能分析5.1硬件电路的焊接调试上面硬件部分和软件程序的设计，都是为了产品的性能和操作条件满足前面设计的要求，同时这也是最繁琐的。首先是对硬件电路的检测，在焊接的过程中很容易因为一些原因，如虚焊，LED灯引脚接反，电源线接反，器件引脚焊接错误而造成电路的短路和断路，在这种情况下盲目的通电很容易造成器件（特别是电容和LED灯）的损坏，因此在通电前必须用万用表对硬件电路的各部分进行全面细致的检测。硬件电路的调试可以分成四大部分：电容式三点振荡电路的调试，放大比较电路的调试，单片机处理系统的调试，外围设备和显示部分的调试。5.2软件部分的检测调试硬件电路检测无误后，还要对软件部分进行检测调试，这里遵循的是从小到大的顺序，先调试各个小的模块，主要是前端金属探测模块的调试和外围数据处理与显示模块的调试，使它们都能完美运行，最后是整个系统的集成检测调试。5.3金属探测器的系统性能测试只有当硬件和软件都没问题后，才能对金属探测器的整体性能进行探究，分析影响测量精度的几个因素，如何更好的提高精度，最后是进行实物的检测。5.3.1 基准频率的测定方法由上面图4-3基准频率测定流程图可知，这里的基准频率不选用固定频率，而选用系统开始运行时才测定的当前频率，属于“相对金属测量”，如果选用先前设定的固定频率，就是采用了“绝对金属测量”，“相对金属测量”是指将靠近金属后振荡电路变化的频率与固定频率进行比较，一旦超过了变化的范围就会触发警报。“相对金属测量”的优点是可以随着环境的变化改变基准频率，能够在一类相同的金属中检测出不同的金属，这是前者无法办到的。5.3.2 金属探测的精度根据金属探测器不同的应用要求，其精度要求也随之改变，而金属探测器本身的设计决定了它的精度。下面的仅仅是针对本产品的探测精度进行分析。本次设计的金属探测器受到下面的三个方面的影响：（1）振荡电路的振荡频率与幅值；（2）频率的测量；（3）频率变化范围的选定(频率超过这个范围才触发警报)。振荡电路的频率与幅值只受到振荡电路本身的设计方案影响，无法通过改变其它部分来影响它，属于不可变量，下面只对后两者可变量进行分析。频率的测量，这里需要考虑选定一个合适时间的脉冲数，这对测量的精度有很大的影响，比如选择20ms和50ms进行比较，如果有金属使振荡频率增大为30ms，那么20ms为单位就无法探测到这变化，而50ms就可完成要求，即探测的时间段越长，其精度便越高，因此选用50ms。频率变化范围的选定，只有当前频率超过基准频率的值，才会触发警报，使用者能够通过按钮增大或减小这个值来调整金属探测器的精度，变化范围越大，意味着精度越不灵敏。5.3.3 金属探测器的性能测试测试条件：环境温度20测试工具：金属探测器，5V电源，薄的棉质衣物，待检测的金属物测试目的：使用功能和探测性能测试测试步骤：1）显示器数字
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