【基于单片机的金属探测报警系统的设计14000字（论文）】

页1绪论金属探测系统研究背景及意义金属探测器的研究背景金属探测探测器最初诞生于1931年，在全球进入工业时代时，由于金属探测器在检测发掘金属矿物上的优势，使得它成为了当时检查矿产的纯度、提高经济效益的得力的帮手。但是随着社会的现代化的不断演进以及各式各样的犯罪案件的不断增加，并且在这类案件之中基本都拥有着一个相同的特征：均与各种金属管制刀具或枪械所相关的。这让人们意识了到检查这类金属违禁品的重要性，因此，为了迎合时代的变迁，在1960年金属探测器也逐步进入了安防领域，这也大大推动了金属探测这一技术的发展。由于金属探测器在安防领域的卓越表现，其身影也逐步进入了大众视野，开始被应用于各类大型运动会、大型考试、高铁站等人流量较高的公众场所。在2001年9月11日上午，发生的恐怖分子袭击事件给全世界的人们敲起了警钟，使反恐成为了各国着重关注的方向。“安全防范意识”也在这次事件影响下提高到了全新的高度。各行各业的安全防范工作都得到了全面的加强，在各类娱乐场所也出现了金属探测器。并且由于人们对安防的要求的逐步提高，金属探测器所以发挥的作用就显得愈发重要，这就金属探测器不仅仅要能检测出金属，还必须得及时发出警报同时判断出违禁物品所处于的位置，因此在这种迫切的需求下，通道式金属探测门便应运而生了，它的出现是金属探测器大大推动了安防事业的发展，为公众的安全提供了极大的保障。至今为止，金属探测器已经诞生并发展了90多年了，它的发展经历了数代技术的变革与升级，但其最本质的电磁感应原理和磁场切割原理却是永远蕴含其中。在其他技术的支撑与融合下，金属探测器的灵敏度、分辨率以及各方面的工作性能等都得到了极大的提升，且产品影响力蔓延至其他多个行业之中。

金属探测器的研究意义随着人类社会的进步与发展，金属矿物开始被人们应用于各个领域，但金属矿物的探寻一直是一个困难问题，为解决此类问题金属探测器便应运而生。在如今电子技术的迅猛发展的时代下，其设计制作方法数不胜数，因此本次设计的主控芯片将采用单片机，单片机的高速处理可以使繁琐的电路系统变得简单明了，系功能更加丰富[1]，让金属探测报警系统功能更加完善。现如今，金属探测器已经广泛引用于各个领域了，在军事上，金属探测器可以用于探测掩埋于地下的金属地雷；在工程上，可以用于探测寻找地下的金属埋设物等；在安防领域，它可以探测随身携带的金属管制道具等，来保证场所的安全[2]。但是目前广泛使用的金属探测报警系统大部分功能单一，可靠性不强，采用纯硬件制作时存在电路设计困难，系统稳定性不易控制等问题，而且高度集成的探测仪又存在购买困难，成本高，体积过于笨重等问题，对于使用者来说存在使用上的不便。因此，目前最实用的方法便是采用软硬结合，用数字电路加模拟电路的方法，可使设计过程简单化，也可降低制作成本，功能更加丰富[3]。本设计采用模数混合的方式，能充分发挥模数电各自的优点，用51系列单片机作为整个系统的主处理器，对数据进行处理和对各部分系统进行控制调度。整个设备比较小巧，具有可调的探测精度设计，以及能在液晶显示屏上显示线圈的探测频率的变化，使用简单方便，方便探测人员进行观测与记录。

金属探测器国内外研究现状及发展趋势国内外研究现状现如今随着金属探测器在各个领域的广泛使用，它在经济领域所带来的效益也越来越明显，其所运用和存在的场景也越来越多：用于采矿的金属探测器看可以更加精确的找到掩藏于地下的矿物、一部金属探测门可以使相关的场所安全性得到更稳定的保障。因此，各大金属探测器生产厂商为追求更大经济价值均投入大量财力物力致力于研究精度更高、性能更加稳定优越的金属探测器，为金属探测器的大力发展打下坚实的基础。由于历史原因，国外的金属探测技术起步相对于国内起步较早许多，而且相关技术也更加成熟，所以早期国内所使用的金属探测器基本上是国外的产品，但近年来国内安防行业的迅猛发展，因此在安检领域，多个金属探测器生产厂家如雨后春笋般在国内出现了,但在国内市场的占有率上来看国外品牌仍然占有着80%的市场份额。探究其原因，还是因为在当时国内技术生产力落后，无法突破技术研究瓶颈，制造生产出来的产品存在着各种各样的令人诟病的纰漏和毛病，主要体现在探测的灵敏度不足，容易造成漏报；在探测的过程中产品容易受到其他电子产品或者外部干扰磁场的影响，从而导致误报。这些问题都会对购买者在生产生活上的使用造成一定的困扰，从而导致评价下降，进而不愿再次使用国内产品。但是自从进入二十一世纪以来，我国生产以及技术力的提升，国内生产上的产品质量相比于以前已经有了很大的提升，但是，由于经济实力的欠缺以及对研发的不重视，生产厂商的对产品的投入较小、使得整个研发周期短的各种商业行为导致最终成品的各项性能都较差，可靠性也相对较低，这样生产出来的安检产品会让其社会信誉度降低，使设备从根本上保证不了各类安检场所所需的安检要求，也难以扭转市场占有率低的情况。反观国外，由于外国资本的原始积累较早，相比于国内先开始了工业革命，技术生产力发展迅速，并且拥有较为积极的生产研究环境，同时也注重科学技术的发展和研究，也出现了一大批伟大的物理学家和数学家，这也为后来各领域技术的迅猛发展打下了坚实的基础。因此，在金属探测器诞生之后，国外公司借助其良好的历史背景和学术积累在短期内对金属探测器进行了升级和优化，并迅速占领了全球大部分市场[4]。

未来发展趋势现如今，普通的金属探测装置已经无法满足人们对生活工作的要求，造成这一现象的原因不仅仅是由于金属探测装置本身存在着的一些短板等，还与人们对探测的要求的逐步提高有着密切关系。例如我们都知道金属探测器一般只能探测到是否存在金属，但没有办法确认出是哪一类金属物品，在未来的发展与需求上是希望能够有一套完善的算法能够分析并得出金属的类别的，此外，现在市场上的贩卖的便捷式的金属探测器也仅仅具有简单声光报警，并不具有显示相关数据的功能，而且也缺乏与远程终端通信的能力[5]。此外，当设备具备远程通信能力后，可以让其搭载在智能遥控小车上，其可以去探寻人类不方便抵达的地区或者高危地区，以此来提高使用者自生的安全，这在军事上也有很大的应用前景，比如代替步兵进行排雷等操作。本次的设计同样是采用简洁方便快捷的理念所设计的，力求以最大限度的提高检测的效率及安防的速度。从总体来说，目前我国的金属探测行业领域才刚刚迎来了春天，借着现今国内科学技术的迅速发展和对科研的大力投资，同时吸收国外先进的技术和解决方案，逐步形成属于自己的一套完善生产研究体系，力争在本世纪中叶在市场份额和技术上完成反超。针对本次设计，同时结合当前国内外研究现状以及相关论文介绍，采取模数混合的设计方案是最容易达到预期设计目标的。单片机是目前国内外使用频率最高的控制芯片，能在完成指令的同时使系统拥有较好的稳定性；同时为了保证各个模块拥有稳定的工作电压，需采用电源模块来稳定各个工作电压；结合相关文献可知，要取得较稳定的谐振电压和频率，可使用电容三点式电路和电压比较器，即线圈振荡电路和数据分析电路的核心部分；如今WiFi技术日趋成熟，以及大量文献的支撑，因此采用WiFi作为无线通信部分能最大限度减小后续软件的设计复杂度，实现稳定高速度的无线通讯。

2金属探测系统的基本理论2.1电磁感应原理变化的磁场产生电场，变化的电场产生磁场。上述这句话便可很好的形容电磁感应的基本原理和本质。这一规律也普遍存在于生活各处：当一个运动的线圈回路在磁场中发生运动，并且线圈回路的磁通量发生了改变，就会在线圈回路在产生一股电流，这产生的电流便是感应电流。即如图2.1所示，当运动的磁铁缓慢靠近线圈时，我们可以发现与线圈相接的电流表发生了偏转，即说明此时整个线圈回路中产生了电流。图2.1磁体相对线圈运动产生电流然而在导体内如果存在着电流，那必然也有着与之相关的电动势（即存在电压差），上诉已经提到产生的电流称之为感应电流，则该电动势称为感应电动势，著名的物理学家法拉第曾这样描述解释过感应电动势：在任意的闭合回路中的产生的感应电动势ℇ与单位时间内整个回路的磁通量变化∆Φm成反比，即与磁通Φm随时间的变化率dΦmdt成反比ℇ=−d这里所描述的感应电动势符合著名的右手螺旋定则，可根据该准则判断电动势和磁通的参考方向。而在金属探测器中，电磁感应现象更是必不可少，当探测线圈检测到金属时，线圈会发射的磁场，同时由于会在金属上方运动，导致金属内会感应产生相应的感应电流和电动势，金属内产生的电流也会在金属周围产生一个感生磁场，而探测线圈在这个感生磁场的作用下，其原生磁场会发生改变，进而使得其频率发生相应变动，这一变动就是金属探测器所要分解分析的目标[6]。2.2涡流效应由上述可知，当线圈感应到金属时，金属自身也会产生感应电流，通过法拉第电磁感应定律可知，这个金属导体内感应产生的电流是由线圈感应所产生，而且其电流方向遵守右手螺旋定则，并且这个感应产生的电流就如同河流中的水一样，成漩涡状，因此通常称之为涡流。图2.2涡流示意图如图2.2涡流示意图所示，某一线圈接通着顺时针方向的电流i1，通过右手螺旋定则分析可知其产生的磁场H1方向为竖直向下，当该线圈开始探测，在靠近金属物体后，在磁场H1的作用下，金属物体内部感应产生了漩涡般的逆时针的感应电流i2，由右手螺旋定则可知，该感应电流i2所产生的感应磁场H2方向为竖直向上，通过分析可发现，产生的感应电流i2与原线圈的电流i1方向相反，而且其感应磁场H2的方向也正好于原磁场H1的方向相反，即感生磁场H2会削弱原磁场H1的大小，进而改变线圈中电压、电流、电阻抗等电参数发生改变。此外，线圈的有效阻抗不仅仅会受到外部感生磁场的影响，还与其本身的电磁率μ、电导率σ、线圈参数r、t、X、激励电流I、交变频率w等各方面因素所影响[7]，由公式可将其关系表示如下：Z=F(μ,σ,r,t,X,I,w利用上述的涡流效应即可设计出能够检测金属的探测器来，即设计一个流通着固定频率交变电流的金属线圈，利用其产生的交变磁场去探寻隐秘的金属物品，当遇到金属物品时，该物品内部会产生交变的涡流，进而产生交变的电流和感应磁场反作用于原生磁场，通过分析这一变化，进而提示使用者发现目标物品。这一理论也将被应用于本次设计电路中的探测部分之中。

2.3金属探测中的无线通信系统2.3.1基于WiFi的控制与终端的通信系统目前国内外经常使用的无线模块有蓝牙、zigbee和WiFi，由于WiFi模块具有更远的传输距离和更快的传输速度，更实用于突发报警的状况，为了实现对安全状况的远程监测，实现发生安全问题时的快速调度，在系统检测到金属后，需要将报警信息通过无线通信模块传输至远程终端进行显示，实现远程通信[8]。在多方面因素的考量之下，该部分系统决定使用ESP8266WiFi通信模块，该模块自身比较小巧，功耗也相对较低，符合本次设计的理念，此外，它在无线通信方面还具有着丢包率低、时延小等特点。在使用过程中它还具有多种工作模式，我们可以根据使用场所和情况的不同，变更模块的工作方式。本模块同时支持HTTP、MQTT、TCP/IP、UDP等通信协议，可通过运输层、应用层传输通信信息，进行数据交换[9]。本部分电路主要完成单片机控制芯片与远程终端之间进行数据传输，要实现该部分功能，需要对模块进行相应的AT指令进行初始化以及调试好与终端之间的无线连接和服务器。在本次设计中是通过在软件设计中通过单片机的串口对模块进行指令控制进而传输数据的。其中使用到的部分常用AT指令如表2.1所示。表2.1部分常用AT指令集AT测试指令AT+RST重启模块AT+CWMODE=<mode>设置模块的应用模式（mode=1，2，3）AT+CIFSR查看本模块的IP地址AT+CIPSTART建立TCP服务器连接AT+UART设置串口配置AT+RESTORE恢复出厂设置

2.4金属探测的基本技术类型随着时代的发展和科学技术的进步，金属探测的方法和技术也发展迅速，由最初的模拟式电路过渡到数字电路，其架构由笨重繁琐的到简单便捷。各项功能也越来越完善，应用场景也越来越多。目前市面上常见的金属探测器的类型大多为基于差拍式原理、自感应式和耗能式三类。下面对三类探测方式进行简要介绍。2.4.1差拍式金属探测器差拍式金属探测器结构框图如图2.3所示：图2.3差拍式金属探测器结构框图探测振荡器的振荡频率为f1f1从式(2-3)看出，当整个系统的各项参数都已经定下来之后，其振荡频率f1只与电感量L和电容C相关。参考振荡器的振荡频率f2固定不变(f2略大于f1)，f1和f2混频后得到两种频率(f1+f2)和(f2-f1)。当金属通过探测线圈时，f12.4.2自感应式金属探测器自感应式的金属探测器基本上采用的是LC振荡器作为整个系统的探测部分，整个系统电路的结构如图2.4所示：图2.4自感应式金属探测器结构示意图系统在正常工作，其探测线圈未检测到金属物品时，振荡器自身会输出相同幅度的交变电压，通过检波电路后便会变为恒定的直流电压，由于输入信号为恒定的，在通过微分器后输出为零。然而当线圈探测到金属物品时，从上诉原理可知，探测线圈自身磁场会被削弱，因此振荡器的输出振幅会发生下降然后恢复正常，但是这在微分器的作用下，该变化会被反映为一个脉冲信号从微分器输出，此脉冲信号经放大器放大后输出到输出电路进行后续的处理[12]。2.4.3耗能式金属探测器耗能式金属探测器在安全检测中起着重要的作用，它与一般金属探测器有所不同，它会产生不同的磁场来进行多频刺激，可以检测出金属的性质和尺寸大小，并始终监控着监测对象，对预定的金属物体发出预警，常见的门框式金属探测器属于这种类型的金属探测器。耗能式金属探测器的组成架构通常是由四个部分组成：感应电路、电压线圈、测量和信号处理电路、峰值和报警电路。其主要原理是将所需检测分析的物体对应激励频率的同相或异相分量与报警物体对应的给定量逐个做比较，如果两者一致，则系统会发生报警[2]。

3硬件电路设计在确认好整个系统所需完成的目标后，开始设计确认整个硬件电路的逻辑框架，根据硬件设计的框架，按模块化的思想逐步完成整个系统，系统结构框图如图3.1所示。图3.1系统结构框图3.1线圈振荡电路线圈振荡电路是整个金属探测报警系统的“眼睛”，其设计合理性和性能关乎整个系统的好坏，针对于本次设计，采用电容三点式振荡电路作为该部分的核心电路，其产生的频率源信号稳定而且小于300KHz，能有效避免其他广播信号对于该系统的干扰。3.1.1振荡电路的工作原理在学习生活中常见的振荡电路为正弦波振荡电路，其电路结构主要有RC振荡电路和LC波振荡电路。振荡电路的形式框图如图3.2所示。图3.2正弦波振荡器形式框图从上面图中结构分析可以看出，主要由三部分组成：求和器、基本放大电路、反馈网络，振荡电路其作用就相当于放大电路+选频电路，能够产生自己所需要的正弦波并将其放大输出。对图（a）中信号分析可知道，输入信号Xi与上一时刻信号Xo−1的反馈信号求和后在一起输入到放大电路中得到输出信号Xo，与此同时Xo的信号也会输入到反馈网络中与下一时刻信号相加进入放大电路，循环往复便形成振荡。对图（b）进行分析可知，假若输入端输入的信号在经过基本放大电路和反馈网络组成的回路后的反馈信号与原输入信号之间相位和大小均相等的情况下，即Xf=AF式(3-1)即是正弦波振荡电路持续振荡的条件。除此之外，要使得整个系统能够自行起振，还需要满足AF>1，此时系统在接通电源，即使输入端没有输入信号，系统本身也能自行开始振荡，而随着振荡的幅值越来越大，达到一定的门限时，系统电路会通过稳幅电路自动调整回路的状态，让AF=1，之后系统便会进入到平衡状态，输出幅值恒定的振荡波[13]图3.3LC并联谐振回路由图可知，该电路的等效阻抗为Z=1通常情况下R<<ωLZ≈LC并联谐振电路的谐振频率为ω0在电路谐振时，整个回路的等效阻抗达到最大值Z，而且此时的Z为纯电阻，数学形式如式(3-5)。Z0由(3-2)可计算出整个回路的频率响应，通过频率响应绘制出整个回路的幅频特性曲线和相频特性曲线如图3.4所示，通过分析其特性曲线我们发现，在其幅频特性中，当2∆ω/ω0=0时，整个谐振回路的特性阻抗达到最大，而对于相频特性而言，此时特性阻抗为纯电阻，整个回路处于谐振状态；当角频率ω偏离中间坐标轴时，等效阻抗逐渐变小，随着2图3.4LC并联谐振回路的幅频(a)和相频(b)响应3.1.2电容三点式振荡电路电容三点式电路又称电容反馈式电路，顾名思义，该电路主要是由一个电感L和两个电容C1、C2构成振荡回路，彼此连接存在着三个节点，其中之所以称之为反馈式电路，是因为最终输出的电压是经过电容上反馈输出的，其结构如图3.5所示，此外，从图中分析可以知道，在C1、C2两个电容上只通过交流信号，是没有直流信号通过的，因此需要将C1和C2两个电容中间的节点接地，对于其振幅平衡条件和起振条件，只需要在选取三极管时挑选β值大一点的管子（例如10以上），并选取恰当的C2/C1比，就有利于起振，通常情况下取C2/C1=0.01~0.5，但实际情况下，由于BJT的输入电阻rbe较小，增大C2/C1的值对系统没有明显的效果，因此为方便设计使用，常取C1=C2[14]。图3.5电容三点式振荡电路对于上诉电容三点式振荡电路的振荡频率可近似表示如下：ω=f=f电容三点式振荡电路相对于其他振荡电路而言，其更容易起振，而且其输出的电压是从电容式取得，又因为电容自身的电气特性，在高次谐波通过时，阻抗相对较小，可以将高次谐波从电路中滤除从而使电路输出的振荡波形更稳定。3.2数据采集电路当线圈振荡电路检测到金属后，其振荡频率值会发生改变，这种变动（即相应的正弦波电压）通过电路传送至数据采集电路来分析处理成矩形波电压（方便于单片机进行处理），即该部分电路是对原信号进行放大和波形变化处理。考虑到本部分电路要对信号进行放大和信号变化两个处理，对于放大这一功能，选择合适的具有放大功能的芯片或放大器即可，而对于信号的比变换而言，是在正弦波和矩形波之间变化，考虑到要保证其信号频率不变，因此可让正弦波与某一设定电压门限进行比较输出，从而得到相应频率的矩形波供后续电路进行处理分析。针对这两个功能，本次设计选择LM393电压比较器和电位计来实现这两个功能。LM393的内部结构如图3.6所示，其内部结构是相当于两个运算放大器起着比较器的左右。其中，8号和4号管脚分别是芯片的电源和接地，3号与5号管脚为原始信号的输入端，2号和6号管脚为参考信号的输入端，1号和7号是比较后的信号的输出端，其原理为正向输入的电压高于负向输入电压时，比较器将输出高电平；反之则输出低电平，通过电位计可以调节参考电压，从而可以调节探测器的探测距离和灵敏度[15]。图3.6LM393内部结构该部分电路的核心原理技术便是比较器（又称施密特触发器），该触发器常用于波形变换和幅度鉴别。该电路是属于电平触发的，即使是变化缓慢的信号仍然适用。其原理如图3.7所示，当输入信号在上升过程中达到某一电压值（如2/3Vcc）时，输出电压会发生跳变，同理，当输入信号电压在下降过程中低于某一电压值（如1/3Vcc）时，输出电压发生跳变，而且信号变化前后的波形的频率是相同的，保证的频率的稳定性，其中的某一电压值称之为门限电压，可由电位计调节至合适的门限值。而且由于该电路内部的正反馈的作用，当电压的输出发生跳变的时候，其输出的电压的波形的边沿是非常陡峭的，即非常适合用于正弦波转方波的应用场景。图3.7电压比较器（施密特触发器）原理3.3接收与控制电路3.3.1单片机控制系统STC89C52系列的单片机作为一款高性能、低功耗的微型控制器。它在一块芯片上集成了多种功能部件，具有了一台微型计算机的基本结构。该单片机芯片内部架构如图3.8所示图3.8芯片内部架构图52单片机内部主要包括一个8位CPU（中央处理单元）、8KB的程序存储器、四个8位的并行I/O口、一个全双工串行口、三个16位的定时器、5个中断源、2个中断的优先级。按功能可以分为8个组成部分：微处理器（CPU）、数据存储器（RAM）、程序存储器（ROM/EPROM）、特殊功能寄存器（SRF）、并行I/O接口（P1~P3）、串行口、定时器/计数器、中断系统等[16]。各个部分是通过单片机片内的一个单一总线连接在一起来构成一个完整的单片机的，单片机的这种结构不仅减少了单片机的引脚和连线，还提高了单片机的集成度和可靠性。其引脚图如图3.9所示：图3.9STC89C52引脚图要驱动单片机系统能够正常工作，需要构造出最小系统，这就免不了在该部分电路中加上单片机的“心脏”——时钟电路，其电路结构如图3.10所示，电路构成较为简单：通过XTAL1和XTAL2两个引脚连接晶振，同时并上两个瓷片电容即可。图3.10内部时钟方式电路3.3.2按键控制按键是单片机使用过程中最为常用的输入设备，而且其操作控制方式也较为简单，可通过按键向单片机输入控制指令，单片机检测到该输入后，根据程序可以修改相应的数据、地址等，实现简单的人机交互[16]。本次设计采用了两个按键来控制金属探测器的检测精度，使用人员可通过该按键自由调节金属探测的精度与范围，其基本原理便是通过两个按键向单片机发送相应电平，当单片机检测到相应电平时，使控制精度的参数进行相应的变化即可。3.4显示与报警电路目前配合单片机所使用的显示模块常见的有液晶显示器（LCD）和数码管，二者相比，数码管在使用上存在着硬件电路设计复杂的问题，而对于液晶显示器（LCD），其不需要复杂的电路来连接，只需要优化程序设计，便能获得更加清楚的显示，更加契合本次设计的目标。此外，液晶显示器其本身质量较轻，功率损耗也小，特别适合于作为便捷式设备上的显示器使用，针对不同的应用场景，可根据显示内容的不同，选择合适尺寸和型号的LCD，而且在显示数据过程中均可利用逻辑编程的方式来控制整个LCD的显示内容及灯光变化，不仅仅可以显示数字等基础内容，还可以实现字母，字符，汉字、图案等复杂信息的显示，因此本次设计也将采用LCD来显示探测的参数[17]。LCD1602是一款在生活中最为常用的小型显示模块，其共有2行×16个字符；5×7点阵字符。共有16个管脚，14个为常用管脚，其引脚示意图如图3.11所示图3.11LCD1602引脚示意图

其部分引脚说明[16]如下表3.2所示表3.2LCD1602引脚说明除基本功能外，LCD1602还支持一系列的指令，如清屏、归位、光标移动等，其常用指令[16]如表3.3所示表3.3LCD1602指令通过上述指令集和各个引脚功能，可通过单片机编程控制显示所需要显示的文字或者字符，从而实现对探测信息的实时显示。报警部分采用的是LED加蜂鸣器构成，其电路结构如图3.12所示，当检测系统检测到金属时，通过控制系统后会发送出报警信息，该电路的作用是为了提高人机的交互性，通知使用者当前已检测到了金属物质，用单片机来控制三极管驱动蜂鸣器报警。因为单片机本身直驱能力不够，无法直接让后续电路正常工作，故采用9012三极管来起到驱动大电流的作用，当三极管的输入端为低电平时，三极管为导通状态，蜂鸣器接收到来自单片机的控制信号，开始自激振荡，通过内部芯片驱动发出报警信息。图3.12蜂鸣器报警电路3.5无线通信系统在我们的日常生活中无线通信几乎已经无处不在了，目前使用较多的无线通信方式有Zigbee、蓝牙和WiFi等。其中WiFi技术在我们的生活中最为常见，可以说是在各个场所都有WiFi的身影，而且其也是物联网的重要技术支撑之一，正好可以作为本次设计中系统控制中心与远程终端之间进行数据交互的主要桥梁，而且现如今其技术的成熟发展，可以节省系统开发成本和时间，并且可以使整个系统更加简便灵活，更利于控制管理[18]。无线通信部份采用的是ESP8266WIFI模块，该模块在3.3V直流电源下工作，而且具有功耗低、体积小，丢包现象不严重，价格便宜等优点；具有三种不同的工作模式：AP模式；STA模式和STA+AP模式，使用不同的工作模式能够适应不同的工作环境[19]。由于其工作电压与其他硬件电路工作电压有所区别，必须让其工作在3.3V电压环境下，倘若在实物焊接过程中出现差错，可能导致整个芯片被烧坏。WiFi模块的实物如图3.13所示图3.13ESP8266模块该模块具有8个引脚，本次设计主要使用到的有6个引脚，该模块的结构引脚如图3.14所示，图3.14ESP8266引脚图对于1号GND和5号VCC引脚分别为接地和电源接口，不过要注意的是该模块的电源电压为3.3V，如果接的电压高于3.3V会使得整个模块温度过高从而使得模块被烧坏，切记勿接5V电压，即在使用该模块时需要对电压进行调整，即需要电源模块的帮助；GPIO0为工作模式接口，上拉为工作模式，下拉为下载模式，可悬空；GPIO2在本次设计中不使用可悬空；RXD为串口读的接口，在电路设计时接单片机的TXD口，同理TX为串口写的接口，在电路连接中连接单片机的RXD，通过这两个接口可与单片机之间进行串口数据通信；CH_PD即是使能接口，可用作本模块的开关使用，高电平为可用，低电平为关机；RST为重置端口，一般不使用，可悬空。3.6电源电路要使得整个系统能正常工作，电源电路的存在是必不可少的，在本系统中由于有单片机系统和无线通信系统的存在，而且二者工作电压不一致，即电源电路需要给系统提供5V和3.3V的电压供给给系统使用。除此之外，为了防止上电瞬间产生的电流脉冲影响整个系统，需要在电源模块设计中添加合适的电容，用来防止电源的不稳定造成的电压波动对元器件造成损害。让整个模块的输出端的电压能够趋于稳定[13]。要达到上述目的和功能，本次设计将采用稳压模块AMS1117，该模块为一款低压线性稳压芯片（LDO），其具有多个版本，本次选用5V-3.3V版本，即保证了5V转3.3V电压的稳定性，也能够减小因稳压器和电源电路的超载所带来的影响。此外，为了保证整个系统电路的安全性及运行稳定性，避免由于人为失误造成的对器件的进一步损坏，在电源接入段设立了自锁开关来控制整个系统的电源接入。电源模块电路的整体结构原理图如图3.15所示。图3.15电源电路结构原理图

4软件设计当硬件电路完成金属检测和波形变化后，后续的信息处理均属于有软件所需处理的内容，其中包括如何对波形进行频率分析、如何控制显示与报警、如何与远程终端通信等一系列问题，如图4.1所示。图4.1软件设计逻辑框图4.1数据监测分析该部分软件主要是要完成对数据采集电路发送过来的波形进行分析，准确得到所接收到的波形的频率信息，从而通过对接收波形的频率和基准频率的比较分析来判断出是否检测到金属物品。对输入波形的频率的测定是通过单片机本身自带的定时器和计数器来共同协助所完成的，其基本原理为：计算某一固定时间内所检测到的脉冲数的个数，即可计算出其频率和周期，即频率=（脉冲个数）/（时间）。为了方便系统对频率的计算，本次设计在程序中所检测到的频率都是在1s内统计的脉冲的总个数，即1s内检测到多少次脉冲就是多少赫兹。对于如何让准确获得1s内的脉冲个数，由于12M晶振下每次中断62.5ms(1s=1000ms=62.5ms×16)，故可设置一个变量进行循环计数，即可准确定时1s，然后在这1s内通过计数器的脉冲统计来计算出其频率。因为金属探测器的检测频率较低，为了能够使系统更加稳定，我们也可以适当延长检测时间，数据监测分析部分软件设计程序流程如图4.2所示。图4.2数据监测分析部分程序流程图4.2显示与报警显示与报警部分主要是实现检测频率的显示和蜂鸣器警报以及LED灯提示几部分的功能。控制部分均由单片机来完成。主要涉及了LCD的初始化、显示、和蜂鸣器的工作方式和原理等，软件的程序流程图如图4.2所示。图4.2显示与报警程序流程框图在LCD进行显示操作之前，同样需要对LCD进行初始化设置，只有进行初始化设置后才可以对其进行数据传输，然后数据显示，其初始化包括了输入方式设置、数据显示格式设置、清屏延时等[16]，设置完成后便可根据地址在显示屏上显示相关数据。而对于声光报警部分，只由单片机的一个IO接口的电平变化来控制，该IO接口控制着三极管的导通状态，间接控制着LED和蜂鸣器。4.3终端无线通信本次设计采用的是ESP8266WiFi模块，单片机通过串口与模块进行数据通信，进而与远程终端间进行通信。因此，在使用该模块时，需要遵守该模块的通信协议，即需要对模块进行各类初始化设置。终端无线通信的软件程序流程如图4.3所示。图4.3终端无线通信的软件程序流程图使用ESP8266时需要通过AT指令对其进行配置和初始化，需要注意的是在使用AT指令时，其每一条指令后面都需要为其配上"\r\n"，同时在AT指令中要注意逗号和双引号的表达要写上“\”号在前面，这是AT指令集的使用规则所决定的，也是在编写软件时所容易忽略的。首先由于ESP8266的波特率为115200，而单片机自身的波特率是无法跑到这么高的，因此首先需要通过PC端的串口助手对模块的波特率进行下调设置，即将其波特率调整至单片机的工作波特率9600.如果不进行这一步设置，后续的各种对模块的设置是无法完成的，即无法与模块间进行通信。在上述原理中已经提到过，模块有三种工作模式，当处于STA模式时，ESP8266模块通过路由器连接互联网手机或电脑通过互联网可实现对设备的远程控制；当处于AP模式时，可实现手机或电脑直接与模块通信，实现局域网无线控制，就相当于它做路由器，散发WIFI信号；最后一种STA+AP是二者的混合模式，可以通过互联网控制可实现无缝切换，方便操作[21]。除此之外，还需要对WiFi进行配置，即设置所建立的或者所需连接的热点名称和密码，设置完成后重启模块才会生效，此后，我们才能搜索到该WiFi，但是此时终端还无法与模块进行数据通信，还需要在单片机中对模块的IP地址、端口号、TCP/IP开关、透传和多连接模式设置完毕后才算对模块完成了初始化配置，之后便可通过中断程序来进行数据的传送。4.4远程终端显示本次设计中要使远程终端达到相关功能需要进行相应的调试处理，为了在手机终端上可以接收处理所受到的监测信息，需要相应的软件APP来支撑。因此，本次采用了安卓端开源的WiFi调试助手来进行对数据的显示控制处理。而针对于PC端，采用串口调试助手来显示相关的检测数据。在对数据进行分析之前，我们需要知道并了解WiFi传输数据的通信协议，即传送的数据的格式，针对相应的格式进行数据的分析处理。在模块中接收到的信息格式样式为：+IPD,0,7:message，这是网络信息的描述字符串。这些传送的字符通常以“+IPD”作为开头，后面的参数格式在不同情况下可能会有所区别，其中紧接着的“0”代表着当前发送信息给ESP8266的客户端的ID号，该ID号是当设备与模块连接时自动分配的，以“0”开头，然后依次增加。而“7”则代表着本次接收到的信息的信息长度为多少个字节，如：message为7字节。数据格式总结如下：+IPD,<客户ID>,<信息长度>:<信息内容>。当了解了信息的传输格式，只需要在串口中断中接收解析以上的数据，对信息进行解析后就可以得出所要的信息数据。

5系统仿真及实际测试当金属探测系统的软硬件全部设计完成后，为了能够达到预期的结果，需要对系统进行相应的测试分析，把整个系统搭建起来并构造好合适的测试环境，来确保系统的稳定性和实用性。5.1系统仿真5.1.1比较放大电路仿真该部分电路的仿真测试使用的为Proteus软件，在搭建好电路原理图之后，对输入波形、阈值电压和输出波形均放置了监测点，如图5.1所示图5.1比较放大电路仿真电路图输入端电压为正弦波，模拟线圈检测到金属后的振荡波，阈值电压为R1和R3对电源电压的分压比所转换，其值U=0.45V左右。输出端经过比较放大后输出的为矩形波，示波器结果如图5.2所示。图5.2示波器波形图由波形分析仪得到的波形图如图5.3所示图5.3波形分析仪波形图从上述波形图分析可知，输入的正弦波能够很好的转换为方波，并且在频率上几乎无误差与损失，即该部分电路能够达到系统设计的要求。5.1.2控制系统测试控制系统部分测试主要是单片机系统部分和声光报警部分的测试，同样采用功能强大的Proteus来完成。该部分测试电路图如图5.4所示。图5.4控制系统部分测试电路图经过测试发现，当检测到的频率，即定时器检测到的波形的频率高于预设值时，整个系统会发生报警，显示器LCD也会显示当前的检测频率，通过按键可以控制预设门限频率值来改变探测灵敏度。因此本部分电路已达到预期功能。5.1.3无线通信调试无线通信模块的使用需要通过PC和单片机的共同调试。主要是通过AT指令来完成，在电脑端进行调试时，采用的主要指令如表5.1所示。表5.1本次调试所使用的部分AT指令当ESP8266通过TTL转USB接口连接电脑后，可以在电脑端通过串口调试助手对模块进行测试，输入相关测试指令后，其结果如图5.5所示图5.5无线通信测试结果图从测试结果图中可以看出，在对模块进行测试时可以对其模式进行调整，控制其连接所需的WiFi，并且连接TCP服务器的端口后进入透传模式传输数据，因此通过AT指令集的使用和对模块的调试，在进行互相通信时，模块端可接收到手机端发送的“终端发生测试001”，同样，手机端可接收到模块端发送的“传输测试001”，即可以实现终端间的无线通信，可达到预期结果。5.2实际测试对系统的各个部分电路硬件焊接完成，并且软件调试好之后便可以对实物进行上电测试，以验证预期功能是否实现。在给电路板接通5V电压之后，LCD显示正常、WiFi连接正常，即各部分系统正常工作，在接通电源但未检测金属到金属物品时系统工作情况如图5.6所示，LCD显示当前线圈频率以及预设频率，WiFi工作灯正常闪烁，远程终端在系统开机后显示“已连接”。图5.6接通电源后系统工作情况图当金属物品靠近检测线圈时，系统LCD显示当前检测频率，声光报警系统发声报警，提示使用者发现金属，同时远程终端接收到系统发出的报警信息，此时系统工作如图5.7所示图5.7检测到金属后后系统工作情况图经过实际测试，当线圈检测到金属后，对检测数据分析处理，控制中心通过无线传输的方式将采集的数据传送远程终端，并且会在终端和液晶显示屏显示相关参数方便记录观察，同时使报警系统发出警报，因此，经过实际测试，整个系统可以完成预期的目标。

参考文献[1]宁志刚.单片机实用系统设计—基于Proteus和KeilC51仿真平台[M].北京：科学出版社,2018,9.[2]黄勇.金属探测器的研究与设计[D].广州：华南理工大学,2010.[3]彭介华.电子技术基础课程设计[M].北京：高等教育出版社,1997.[4]常谦,李宝贵.金属探测器的现