【《基于STC89C52单片机的金属探测器设计与实现》7000字】

基于STC89C52单片机的金属探测器设计与实现摘要金属探测器是指使用技术手段检测金属的设备，常用于安全检查、医药、军事、食品、工业等领域。金属探测器的发展为安检行业提供了手段，减少食品医药行业的次品率，在工程领域，金属探测装置可以帮助科研人员快速定位埋藏在地底的金属，用于矿业的勘探和开采、考古、管线排查等。本文使用STC89C52单片机作为核心处理器，使用圆形线圈式电磁感应传感器，使用蜂鸣器和显示器作为报警模块，开发了一款便携性较高、安装使用方便的金属探测装置。本设计使用电磁感应原理，当金属靠近线圈时，金属将产生涡流，并产生磁场，该磁场对线圈磁场产生影响，使信号频率发生改变，用户可自行设置触发频率，修改金属探测器的灵敏度和阈值。经测验，本设计使用方便，可快速对导电金属进行检测。 关键词：金属探测，单片机，STC89C52，线圈传感器目录TOC\o"1-3"\u第1章绪论 11.1选题背景及其意义 11.2研究现状 11.3研究方法的分析 21.4论文结构安排 3第2章方案设计 42.1总体设计方案 42.2主控芯片选型 42.3显示模块选型 5第3章硬件设计 63.1单片机最小系统 63.2显示器模块 73.3三点式振荡器 83.4按键模块 93.5报警模块 10第4章软件设计 114.1采集频率 114.2频率设置 12第5章系统调试和测试 135.1Protues仿真图 135.2系统的调试 135.3系统的测试 15结论 17参考文献 19附录A： 20附录B： 21第1章绪论1.1选题背景及其意义金属探测器目前最常用于安全检查，近三四十年来，恐怖袭击事件越来越受到安全部门的重视，如何防止恐怖分子携带金属尖锐物品成为安全部门的一大问题，金属探测器的问世为安保提出了解决方案，安全部门通过金属探测器测试人员是否随身携带金属物体[1,2]，在正式的考试、机场车站的安检中都会用到，除此之外，在医药、军事、工业等领域，金属探测器都有广泛的应用，如在食品医药领域，药品的制备需要金属的参与，但最终的成品不能含有金属物质，否则会对人体造成危害[3-5]；在军事领域，最早的扫雷设备就是如今金属探测器的雏形，使用一根长杆，长杆的一端使用线圈传感器，另一端连接单片机、蜂鸣器等设备，当扫到某一处具有金属时，工兵可将其作为某地是否有地雷的依据之一[6]；在考古、采矿领域，金属探测装置可以帮助科研人员快速定位埋藏在地底的金属制品[7]；在工程中，金属探测还可应用于地下管道线材的排查[8]。因此，开发一款测量灵敏、可应用于不同的生产生活场景的金属探测设备具有较大意义。1.2研究现状国外的金属探测器研究较国内起步更早，且已经广泛的应用于工业、安保等领域。1931年，GerhardR.Fishe在专利中表述了一款金属探测装置的设计，是目前可追溯的第一件金属探测装置，这种被命名为“Metalloscope”的设备就是目前的金属探测器的雏形[9]。1960年代，最早的应用于安检的金属探测器问世，其相当于放大的手持金属探测器，人从线圈中央走过，若携带金属进入，则线圈产生感应电流，触发警报，提示负责按键的人员注意。但无法定位金属的具体位置，对安检效率造成一定的影响。1980年代，随着半导体技术的日渐发展和金属检测装置应用的实际需求，金属探测器向手持式、小型性去发展，发展成了与当前相差较小的金属探测手持仪。近年来，Nakane等人开发了一款圆形的金属探测器，其为平衡线圈式，是目前主流的模型之一[10]；在尖端技术方面，目前已有使用自动跟踪算法对金属的位置进行判断，对于对灵敏度要求较高的场景具有很大研究意义；同时，目前世界著名的传感器制造商，均有其自行研发的金属探测器[11]。国内关于金属探测器的研究起步较晚，1996年，王伟综述了国内外的先进金属探测器的原理及应用场景，为我国金属探测领域的研究提供基础[12]；1997年，周学才等人针对工业、食品等应用领域，开发了一款稳定性较高，能在恶劣环境下工作的金属探测装置，为实际应用提供技术基础和数据参考[13]；2001年钟翔、胡泷等人针对在海洋、磁性土等应用场景中金属探测困难的问题，在理论上提出了双频金属探测的相关推导及研究，填补了金属探测领域的空白[14]；2006年，李树华提出了以单片机作为核心的金属探测器研究，开发较完整的金属探测器系统，并进行了理论的推导[15]；2010年，王庆林等人开发了一款可调节灵敏度的金属探测仪，基于平衡线圈技术进行实验，并在硬件上对其进行改进，设计合理[16]；曹建平等人开发了一款自动金属探测小车，该系统使用单片机作为控制器，将金属探测器与遥控小车，为军事等领域提供基础[17]；孙丽兵等人使用DSP作为处理器，开发了一款双频电涡流金属探测器[18]。在应用方面，手持式金属探测仪广泛应用于安检、食品、采矿等领域；在一些特殊的应用场景，如军事、工业等，往往需要定制一些专用的金属探测设备[19-21]。1.3研究方法的分析结合以上文献可知，目前的金属探测装置已经广泛应用于各个领域，但仍存在一些领域由于各种干扰、恶劣环境而无法使用，同时小型手持式的金属探测装置应用最为广泛，开发小型金属探测装置能拓宽应用的领域，使用单片机开发金属探测装置也将对其在不同领域与其他系统的融合方面提供帮助。因此，本文将基于单片机开发一款小型手持式的金属探测装置，保证其较强的可移植性，为后续成熟的金属探测系统在不同领域的应用提供技术基础。本文采用的传感器是圆形线圈的电磁感应传感器，该传感器是目前最常见的电磁感应传感器，也是金属检测装置主要使用的传感器之一，由于其良好的性能，在医学的植入传感器中也有应用。该传感器通过互感来判断是否有金属，往往有两个线圈，分为主线圈、子线圈，正常运行时，线圈将通入电流，当有金属通过线圈附近时，根据法拉第电磁感应原理，导体中的涡流与线圈的电流方向相反，因此原磁场被削弱，导致线圈的各种性质发生改变，以此来感应金属的出现[22,23]。本设计总体可分为硬件设计和软件设计，本文综合研究目前常见的硬件设计方案，对比了使用大量逻辑电路制造金属探测器和单片机作为金属探测器的处理器的优劣，最终决定使用单片机作为处理器，分析市面常见的单片机种类和使用方法，结合开发成本、上手难度等特性，本产品最终使用STC89C52作为金属探测器设计的处理器，在硬件的设计过程中，本设计使用覆铜板作为基础材料，保证了系统的稳定性。本文将对文献中之前学者关于金属探测器的内容进行相关的综述，对目前金属探测器的发展趋势、痛点、意义进行分析，设计一款实用、灵敏的金属探测装置。1.4论文结构安排第一章对开发金属探测设备的研究意义和背景进行讲述，对金属探测设备的历史和研究意义进行讲述，简要分析了本文的研究方法；第二章对总体方案设计和方案选择进行介绍，介绍了本文硬件的选型；第三章为硬件设计，主要讲述了单片机最小系统、LC振荡电路等的硬件设计；第四章为软件设计，论述本设计的软件设计流程及思路；第五章为系统测试和调试，讲述本文搭建完成后进行的测试。

第2章方案设计2.1总体设计方案本设备使用的主要传感器是金属线圈，显示用的元器件是LCD1602屏幕，使用互感效应判断是否有金属出现，当有金属靠近或远离线圈时，线圈的频率将发生变化，这个频率变化被线圈传感器感应并将数据传输至单片机，单片机根据传输来的信号判断其状态，若感应到金属，则使用LCD1602屏幕和蜂鸣器进行报警，提示操作人员记录。总体硬件设计结构如下图所示：电源开关电源开关电源STC89C52单片机AD采集电路显示电路报警电路线圈传感器图2.1硬件结构框图2.2主控芯片选型常见的小型电路设计的方案可分为两类，一是使用大量的逻辑电路搭建一个硬件电路进行控制，该方式适用于小型电路的搭建，对于逻辑和功能简单的电路而言，使用逻辑电路构造有助于节约成本，搭建方便，逻辑简单；二是单片机进行编程，这种方式能够实现较复杂的软件和硬件设计。对于金属探测器的设计，对比两种方式，本设计选择单片机作为控制芯片，综合比较方案一，两者成本相差不大，但使用方案一的硬件电路设计复杂度较高，使用单片机更符合近年来的需求，未来可拓展性和数据导出方便。本设计使用的单片机是目前技术较为成熟的单片机，具有低功耗、高速等性能。具有8位的CPU，能快速处理小型电路需求；具有丰富的输入输出接口，扩展性能好。相较其他类型的单片机，该单片机技术成熟、符合金属检测设备的处理需求，同时成本较低，故选择该单片机作为处理器。如下图所示是STC89C52单片机的引脚图。图2.2单片机引脚图2.3显示模块选型在设计之初，本设计拟采用两个LED数码管作为本设计的显示元件，LED灯数码管是一种常见的电路显示模块，该模块集成多个LED灯，使用不同的编程可显示不同的数字或字符。本设计拟采用数码管的“0”和“1”分别代表单片机运行的两个状态，通过数字表示目前设置的灵敏度。另一个方案是使用LCD1602液晶显示屏幕作为本设计的显示模块，LCD1602液晶显示屏幕是一种通过控制模块输入，在屏幕中显示不同的字符的显示元件，类似于老式的计算器显示屏。比较两种设计方案，本设计最终采用后者作为显示模块。LED灯数码管的显示局限性高，显示内容少，且编程能力弱，在后期功能扩展时难以胜任，相比LCD液晶显示，两者的价格相差不大，但液晶显示更符合本设计的设计需要。第3章硬件设计3.1单片机最小系统本设计的最小系统包括下载电路、电源电路、复位电路等。如下图所示为本系统的单片机最小电路原理图。图3.1最小系统在复位电路的设计中，根据STC89C52单片机RST引脚高电平复位的特性，当连续两个周期，即1ms内保持高电平，单片机将发生复位。本设计的复位电路分为两种，一是按键复位，当用户按下按键时，按键两端接通，单片机进行复位；另一种是当上电时，由于电容具有充放电的特性，RST引脚在上电的瞬间进入高电平状态，单片机进行复位。如下图所示为本文使用的复位电路。图3.2复位电路本系统的时钟信号采用外部时钟的方式产生，在单片机的XTAL1和XTAL2之间接入石英晶体构成自激振荡，外接两个电容以保证输出频率的稳定性。如下图所示是本设计的时钟电路。图3.3时钟电路3.2显示器模块本设计使用显示屏用于显示输出频率及额定频率，后续可根据频率判断不同的金属种类并进行显示。显示屏相较其他的提示、显示方式，能够更直观的显示当前的状态，方便人机交互。本设计使用LCD1602A进行显示，该显示屏为具有5*7点阵的液晶显示器，其温度范围较广，可视范围大，且内置字库，可根据需求设置每行显示的字数。本设计使用2行16字标准进行编程和显示。引脚1和引脚2是代表电源引脚，引脚3是代表控制液晶显示亮度，引脚4是代表数据/命令选择引脚，单片机对LCD1602进行控制时，通过对此引脚高电平或者低电平的控制，实现对LCD1602发送数据、命令等，当此引脚为低电平时，表示发送的是命令，当此引脚为高电平时，表示发送的是数据。引脚5是代表读/写选择引脚，与引脚4的功能相类似，单片机既可以对LCD1602发送数据、命令等，也可读取内部数据、状态等，在对LCD1602进行控制时，首先要读取液晶状态，当其处于空闲状态时，才可对其读写操作。引脚6是代表液晶使能引脚，只有已经处于使能状态时，单片机才能控制并操作。引脚7到14是代表数据引脚，单片机正是通过这8个引脚向LCD1602发送数据、命令等，引脚15是代表背光电源正极，引脚16是代表背光电源负极。如下图所示为单片机与LCD1602A的连接。图3.4LCD1602的连接3.3三点式振荡器如下图所示是一个标准的LC振荡电路，在该电路中首先将S划至1处，电源为电容进行充电，充电结束后，电容上端带有正电荷，电容下端带有负电荷；之后将S划至2处，电容开始放电，放电过程中电流从上至下流入电感，电感元件具有阻断电流的作用，因此电流又将沿着相反的方向流出；流出的电流再次给电容进行充电。电能和磁能相互转换一次的过程就称为一次振荡，振荡时间的倒数就是频率。图3.5LC振荡电路本文使用的三点式振荡器也称为柯尔皮兹振荡器，是LC振荡电路的一种改进电路，将LC电路的三个回环的端点与三极管相连接，使用电容耦合或自感耦合代替互感耦合，这样的设计能提升振荡的效率和频率，使LC电路的振荡频率提升至上百hz。由于本设计使用的三点式振荡器所产生的波形为正弦波，单片机无法进行识别，因此还需对波形进行整形。本设计使用的整形芯片为LM393，该芯片由两个精度较高的电压比较器组成，具有宽电压范围、失调电压低等特性。如下图所示为LM393引脚图。图3.6LM393引脚图如下图所示为本设计LM393以及三点式振荡电路原理图，图中的电感L、电容C5、C6共同组成了三点式振荡电路，将输出的信号接入到LM393的正输入信号，将输出管脚接入到单片机中。图3.7LM393以及三点式振荡电路原理图3.4按键模块如下图所示为本设计的按键电路，该电路的两个按键一端接地，另一端分别接至单片机的P13和P14引脚。当S2按键按下时，代表用户想要将阈值增加，P13引脚变为低电平，程序将对按键行为进行判断，防止出现误操作，在长按时以1为单位增加，在短按时以0.1为单位增加。图3.8按键电路3.5报警模块如下图所示为本设计的报警电路，本设计使用声光报警，即当测量数值超过阈值时，则出现LED灯闪烁和蜂鸣器响声。LED灯的一端接VCC电源，另一端接1K欧姆电阻再接单片机P10接口，当单片机输出为低电平时，LED灯将发光。本设计使用的蜂鸣器电路为有源蜂鸣器，当单片机P15端口输出低电平时，蜂鸣器发出响声。图3.9报警电路第4章软件设计本系统在软件设计方面可分为两类，一是对获取频率的软件设计，需要采集振荡频率，并将振荡频率与设置频率进行对比；二是对系统的额定频率进行设置。4.1采集频率本设计频率的采集是通过定时器和计数器完成的，软件接收计算1秒内的脉冲数，并进行处理即可得到频率值，这样的方式可以更加快速的判断是否有频率变化，但容易造成误差。可采取延长取均值时间等方式提高精度。系统将对采集来的频率信号进行显示，并与设置的频率进行对比，若测得的频率值高于设置的频率值，则认为有金属对线圈造成了干扰，蜂鸣器发出报警声。本设计的采集频率流程图如下图所示。图4.1采集频率流程图4.2频率设置本设计的频率设置模块较简单，主要的目的是修改触发警报的频率阈值，进而提升其灵敏度。当按下按键时，系统将计时若计时小于5毫秒，则判断为误操作，数据不变化；若计数超过5毫秒小于3秒，则频率加0.1或减0.1；若按键时间超过3秒，则以1为单位增加或减少。频率设置流程图如下图所示。图4.2频率设置流程图第5章系统调试和测试系统的测试和调试是设备开发中的重要环节，当硬件系统和软件设计完成后，需要将硬件进行焊接，并将软件烧录至单片机中。5.1Protues仿真图金属探测器的仿真设计如图5.1所示。图5.1Protues仿真图在本次仿真分析中，主要对单片机最小系统、单片机与LCD1602A的连接、三点式振荡器、按键模块和报警模块进行了仿真。在仿真过程中，使用LCD1602液晶显示器替换LED数码管参与仿真，经过仿真基本初步的验证了设计思路和程序的可行性。5.2系统的调试本设计的硬件采用PCB覆铜板进行实现，使用AltiumDesigner10软件进行绘图，本设计的电路板设计图如下图所示。图5.2PCB设计在制版完成后，需将各个元器件焊接在电路板上，在焊接之前，首先对各元器件进行测试，保证选用的芯片运行正常。如下图所示为本设计焊接后的电路板。图5.3硬件实物图软件部分的导入前，需先将软件进行编译，防止出现错误影响硬件设备的正常使用。本文使用keil软件进行编译，如下图所示是本设计的编译结果。.图5.4编译5.3系统的测试将软件烧录至硬件设备后，需对金属检测设备的功能进行测试。第一步是上电测试，上电检测是否有元器件存在过热问题，显示器测试程序是否运行正常。如下图所示为系统上电后的初始状态，设置的触发报警频率为144.7KHz，设备当前输出的频率为140.1KHz：图5.5金属探测器初始状态如下图所示为将五枚硬币放入线圈中，当前输出的频率为148.5KHz，已经高于设置的144.7KHz，蜂鸣器处于报警状态，LED灯发光报警。图5.6报警状态经测验，本设备在测试程序下运行正常。金属探测反应快速、灵敏，当设置频率高于初始频率4KHz状态下，未发现有误报的情况出现，符合金属探测器设计需求。

结论本文使用STC89C52单片机作为核心处理器，使用圆形线圈式电磁感应传感器，使用蜂鸣器和显示器作为报警模块，开发了一款便携性较高、安装使用方便的金属探测装置。本系统可实现对金属的探测，当线圈附近出现金属时，单片机将识别到频率异动，若超过阈值即可自动报警。本系统具有检测迅速、精度较高等特点，本设计提出使用单片机对截止频率进行设置，可提高系统在不同环境的应用率，通过频率设置或程序修改，可针对特定某一种金属的检测。在系统的调试过程中，我们发现了一些现存的问题，如本系统的采样时间与精准度的问题，当我们提升采样时间，误差率会减少，但发现金属的速度较慢，往往需要等待一段时间，若是减少采样时间，系统则易受到外界的干扰，有一定的误报可能，因此，如何确定采样时间、截止频率等数据值得后续的研究进行证实。除此之外，本系统的功率较小，不适用与地下金属的探测，在后续研究中，考虑改进振荡器，提升振荡频率。参考文献司德平.漫谈金属探测器[J].物理通报,2006(04):54-56.金江涛,张文文.金属检测器在速冻禽肉制品中的应用[J].肉类研究,2011,25(03):46-48.刘保彬,戴文进,高云华.一种新型食品工业金属探测器的研制[J].仪表技术,2009(06):39-4