基于单片机的金属探测器的设计大学论文Word文档格式.docx

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在工业生产部门（比如汽车、金银首饰、电子产品等工厂）同样也有使用到金属探测器对出入人员进行检查，从而可以防止贵重的金属物品流失;

甚至连考试也开始采用金属探测器检测考生是否利用手机等代金属的通信工具进行作弊。

由此可见，当今社会金属探测器对社会生活，生产，人身安全已经有了极其重要的作用。

但是要准确定位金属物品准确的所在位置，我们就对金属探测器的精度有比较高的要求。

国外已经有较成熟的产品（比如EIPaso、CeiaUSA、Ranger&

Metoerx厂家都有类似产品），但是它们的价格通常都非常昂贵;

国内也有利用模拟电路来检测和控制的比较传统一点的金属探测器，它的缺点是电路比较复杂，探测灵敏度也不高，而且整个系统不稳定很受环境因素如温度、湿度、电焊等干扰很大。

正是基于这样的原因我给大家介绍这样一个基于单片机控制的智能型金属探测器，灵敏度方面它的传感器采用了灵敏度极高的线性霍尔元件，能检测金属出现时探测线圈周围磁场的变化，这样可以大大的提高检测的精度;

数据处理方面采用的是AT89S52单片机作为控制单元，用它来处理检测结果，能有效地保证检测效果;

我们还采用了软件滤波的方法而不是已往的模拟电路滤波，这很大程度上提高了整套系统的可靠性、灵敏度和稳定性。

这样它就可以适用于检测各种邮件、包裹包括人体携带的各种金属物品，尤其适用于海关、机场、车站等公共场所进出口的安全检查。

还可以用来探测土壤中的物品（如地雷）。

1金属探测器的理论根据

1.1理论概述

金属探测器是采用的线圈的电磁感应原理来进行探测金属的。

由电磁感应原理：

当金属物体靠近通电线圈平面时，线圈介质条件会发生变化并产生涡流效应。

[1]

1.1.1介质条件变化

当有金属物体接近通电线圈的时候，通电线圈周围的磁场会发生变化，如图1.1.1-1，

图1.1.1-1

设圆形电感线圈半径为R，通过的交变电流I=Imcoswt圈时线圈周围空间会产生交变磁场，由毕奥一萨伐尔定律可以计算出线圈中心轴线上任意一点的磁感应强度：

（1.1.1-1）

上式当中，μ=μ0μr，μ代表介质的磁导率，μr代表的是相对磁导率，μ0代表真空磁导率。

[2]对于紧密缠绕的N匝线圈，线圈中心轴线某一点的磁感应强度可以算出：

（1.1.1-2）

由上式可得知，当线圈有效探测范围内没有金属物出现时，μr=1（非金属相对磁导率），线圈中心磁感应强度不会发生变化，线圈有效探测范围内如铁磁性金属出现，μr会变大，磁感应强度也会随之变大。

1.1.2涡流效应

再来说说涡流效应，根据电磁理论可以知道，当金属物体出现在变化的磁场当中，金属导体内形成自行闭合的感应电流，既涡流效应。

涡流又会产生附加的磁场与外磁场方向相反，这样就会削弱外磁场变化的速度。

正是因为这样，把交流的正弦信号输入空心线圈，交变磁场就会在线圈周围产生电流，线圈当中出现金属时，就会出现涡流磁场同时磁作用又会阻碍磁场变化。

σ越大，交变电流频率也就变得越大，涡电流强度变大，阻碍原有磁场变化。

这样我们就可以理解，金属接近通电线圈周围，介质磁导率发生变化和涡流效应同时引起磁感应强度发生改变。

对于非铁磁性金属、顺磁体μr≈1，σ较大，它是导电不导磁的，主要作用是产生涡流效应。

基于这个理论，只要找到适合的传感器以感应线圈磁场发生变化，然后把磁信号转变成电信号变化信号，再来实现单片机控制。

构建了系统硬件电路。

2硬件电路

2.1系统的组成

如2.1-1图所示，探测系统用AT89S528位单片机作控制核心，硬件电路有线圈振荡电路（多谐振荡电路、放大电路、探测线圈、控制电路）等。

具体电路原理图参看附录一。

图2.1-1系统结构框图

2.2硬件电路功能

2.2.1线圈振荡电路图

图2.2.1-1线圈振荡电路原理图

工作过程中把555定时器作多谐振荡器，以产生频率为24KHz、占空比为2/3的脉冲信号。

以下是振荡器频率计算公式：

（2.2.1-1）

如图参数的频率是24KHz，24KHz的超长波频率可以减弱土壤对电磁波的影响。

多谐振荡器输出正脉冲信号经输入到Q1基极（Q1为β≥125的9013H），这样就可以使它导通，Q1放大过后，频率稳定度高、功率较大的脉冲信号输入线圈L1线圈里面会产生较大的瞬间电流，这样线圈周围就会产生恒定的交变磁场。

在脉冲信号作用下，Q1处于开关工作状态，因为导通时间极短，故它其实是很省电的。

2.2.2数据采集分析

a）线性霍尔传感器

选用UGN3503U线性霍尔传感器，用来检测通电线圈Ll周围的磁场有没有发生变化。

UGN3503U主要功能可以将磁场强度信号线性地转化成电压信号。

功能框图输出特性如图2.2.2-1与图2.2.2-2。

[3]

图2.2.2-1UGN3503功能框图图2.2.2-2UGN350磁电转换特性曲线图

依据霍尔效应制成霍尔元件。

如图2.2.2-3:

图2.2.2-3霍尔效应原理

半导体薄片两端通以电流I再加与其表面垂直的磁场B，在薄片两侧就会出现电压，如图2-7UH,这就是所谓的霍尔效应。

它的产生是因为通电半导体片中的载流子在磁场产生的洛仑兹力，分别向片子横向两侧积聚，形成霍尔电场。

它所产生的电场力和洛仑兹力方向刚好相反阻碍载流子的堆积当霍尔电场力和洛仑兹力大小相等时，片子两侧建立起了一个稳定的电压既霍尔电压UH。

霍尔电压UH可用下式表示：

UH=RHIB/d（2.2.2-1）

式中RH---霍尔常数；

I电流；

B是磁感应强度；

d代表霍尔元件厚度

假设KH=RH/d（vAˉ¹

wbˉ¹

m²

），那么：

UH=KHIB（V）（2.2.2-2）

由此我们便可以知道电压的大小与正比控制电流I和磁感应强度B。

KH是霍尔元件灵敏度。

在外加电压源电压一定时，通过的电流是恒值，输出电压只和加在霍尔元件上的磁场大小成正比如下：

UH=KB（V）（2.2.2-3）

K=KHI是常数。

任何引起磁场强度变化的物理量也会引起霍尔输出电压发生变化。

据这个原理将霍尔元件做成各种探头固定在工作系统的适当位置，就可以检测到工作磁场，然后根据霍尔输出电压的变化提取检测到的信息，线性霍尔元件的基本根据就是这样的。

这次设计中采用线性霍尔传感器UGN3503U它将高增益线性差分放大器和射极跟随器集成在一个半导体基片上，为用户提供外电压源驱动、使用方便的磁敏传感器。

它的磁电转换特性曲线如图2-6所示，其输出电压和加在霍尔元件上的磁感强度B大小成比例。

它的灵敏度典型值为13.5mV/mT，静态输出电压为2.5V，输出电阻为0.05KΩ，采用mini-SIP封装形式。

它可以测量，10ˉ6-10T的磁场。

在测量磁场时，将元件的第一脚接在5V的电源上，再把第二脚接地，第三脚用来接高输入阻抗（>

10KΩ）电压表，在通电后，将电路放在被测磁场中，由于霍尔器件只对垂直于霍尔片表面的磁感应强度敏感，就一定要让磁力线垂直于电路的表面，没有磁场时，静态输出电压等于电源电压的一半，当外加磁场的南极靠近器件标志面，刚会导致输出电压比静态输出电压高。

b）放大和峰值检波电路分析

峰值检测电路由两级运算放大器组成，第一级运放U2B将输入信号的峰值传递到电容C6，并保持下来第二级运放U2C组成缓冲放大器，它可以氢输出与电容隔开。

为了获得优良的传输性能和保持性能，有效地利用LM324的资源，减少使用元器件的数量，还可以使成本减少。

图2.2.2-4LM324外形和LM324引脚排列

2.2.3A/D转换电路分析

这里选用经济实用的ADC0809型A/D转换器实现模数转换。

ADC0809芯片内部结构还有工作时序示如图2.2.3-3和图2.2.3-4所示。

图2.2.3-3ADC0809芯片内部结构图

图2.2.3-4ADC0809工作时序图

ADC0809A/D转换器是8位逐次逼近型的，它片内有八路模拟开关，能对八路模拟电压进行分时转换，转换速度可以达到100μs（10千次/秒）。

地址锁存允许信号ALE=1，3位地址把信号A、B、C送入地址锁存器，选择8路模拟量中的一路来作A/D变换。

图2.2.3-5A/D转换电路图

图2.2.2-674LS163引脚

2.2.4系统控制单元分析

AT89S52是一个低功耗，高性能的8位单片机，它的片内含8KBytesISP的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度,非易失性存储，兼容标准MCS-51指令系统、80C51引脚结构，芯片内还集成通用ISPFlash存储单元和8位中央处理器。

图2.2.4-1AT89S52引脚

图2.2.4-2AT89S52片内结构

2.2.5键盘控制电路

键盘是一组按键的集合，它是最常用的单片机输入设备。

操作人员可以通过键盘输入数据或命令，实现简单的人-机通信。

按键是一种常开型按钮开关。

常态时，按键的两个触点处于断开状态，按下键时他们才闭合。

键盘控制电路如图2.2.5-1所示，灵敏度是可调的，K1键作为功能键设置灵敏度△U，K2和K3分别作为加1，减1键来调节灵敏度，K4是确定键，当K4键按下时，灵敏度值确定。

图2.2.5-1键盘控制电路

2.2.6显示报警电路

AT89S52的串行口RXD和TXD为一全双工串行通信口，但在工作方式0下可作同步移位寄存器用，其数据由RXD（P3.0）端输出或输入；

而同步移位时钟由TXD（P3.1）端串行输出，在同步时钟作用下，实现由串行到并行的数据通信。

在不需要使用串行通信的场合，利用串行口加外围芯片74HC164就可构成一个或多个并行输入/输出口，用于显示器LED驱动。

单片机中通常使用7段LED构成字型“8”，另外，还有一个小数点发光二极管，以显示数字、符号及小数点。

当键盘控制部分各键按下时，LED显示相对应灵敏度数值，显示电路如图2.2.6-1。

一旦发现金属出现，则被测物理量超限由单片机I/O口P1.0输出信号驱动发光二极管发光报警，P1.6触发无源蜂鸣器用声报警提醒检测人员注意，进行必要的定位搜身检查，报警电路如图2.2.6-2所示。

图2.2.6-1显示电路

图2.2.6-2报警电路

2.2.7电源电路介绍

如图2.2.6-2电源供电是板内稳压电源和9V电池共同组成的。

电路板内是三端稳压集成电路块LM7805作板内元器件来供电的。

LM7805三端正稳压器有热过载内部过流和输出晶体管安全区保护的功能，它可以将9VDC的输入电压转换为+5V电压，这时它的最大输出电流为0.5A，保证板内AT89S52、555定时器、ADC0809等芯片和元件可靠工作。

2.3整机工作原理

工作的时候由555定时器作多谐振荡器产生一个频率为24KHz脉冲信号，再经缓冲和放大过后，形成频率稳定度比较高、功率较大过后的脉冲信号输入探测线圈里面，通电的线圈周围产生磁场，固定在线圈L1中心的霍尔元件UGN3503U就会感应到线圈周围的磁场，同时再把磁场强度信号线性地转变成电压信号。

图2.2.7-1电源电路图

3系统软件介绍

3.1软件设计思路

软件是系统的灵魂所在，本文从系统可靠性、实用性及方便灵活几个方面考虑，程序既满足设计的功能要求。

整个系统的软件包括了主程序、外部中断服务程序、数字滤波程序等若干个子程序。

软件程序是用汇编语言来编写的采用模块化设计，使程序结构清晰，这样还可以便于以后可以进一步扩展系统功能。

3.2数字滤波

金属探测器的噪声抑制能力是它的主要设计指标。

在采集电压时经常会有各种瞬时干扰，而采用硬件滤波存在硬件电路复杂这些问题，所以在设计中我采用算术平均滤波的方法。

用软件代替了硬件这就省去了复杂的硬件，这样还能够得到较好而精确的效果。

[10]

一个采样周期里，信号X的N次测量值进行算术平均就是K的输出x（k），

（3.2-1）

上式中N代表采样次数，xi代表第i次的采样的数值。

显然当N越大，信号平滑度就越高，灵敏度则会随着降低，在这次设计中要求较高的灵敏度，所以N取值最好不要太大，我们设N=6，这样设定是因为在汇编中做计算是非常麻烦的，取6个数，去掉最大值和最小值后，取平均值除4，计算机的内部计算采用的是二进制，而二进制每除以一个2，就是是向右移了一次。

[12]所以出于计算方便考虑，我就选择了6个数，在最后算除法的时候，用单片机自带的右移位功能命令移2次这样就可以了。

3.3主程序流程图如下

a）程序流程图见下页图3.3-1所示。

b）程序附录2（初始化子程序和中断服务）[13]

图3.3-1主程序流程图

3.3.1键盘控制程序设计

3.3.1.1程序流程图如图3.3.1.2-1所示。

3.3.1.2．键盘扫描控制程序清单（附录2）。

图3.3.1.2-1键盘控制流程图

3.3.2数字滤波程序设计

假设一个采样周期内，对通道0连续采样了6次，然后把最大最小值都去掉，再把剩余的数值累加求算术平均值得到本周期采样值。

存入到内部RAM以30H为首址。

其中，R2寄存器用来存放最大值，R3寄存器存用来放最小值，R4寄存器用来存放累加和，R0则存放连续采样次数。

a）程序的流程图，如图3.3.2-1。

b）数字滤波程序清单（附录2）。

图3.3.2-1数字滤波流程图

3.3.3显示与报警程序设计

a）程序流程图如图3.3.3-1所示。

b）显示报警程序（附录2）。

图3.3.3-1显示报警流程图

4主要技术指标分析

4.1主要技术指标分析

金属探测器的工作频率、灵敏度和稳定性是仪器的主要技术指标。

4.4.1工作频率

为24KHz，选择24KHz的超长波频率是为了减弱土壤对电磁波的影响。

4.4.2灵敏度分析

由公式（l.1.1-2）即：

（1.1.1-2）

可知：

（1）检测线圈的尺寸也对仪器的灵敏度有一定的影响。

探测器的灵敏度和探测线圈的尺寸大小是有关系的，尺寸大就是探测面积大，那么线圈中心磁场强度就低，在靠近线圈绕组附近磁场则强度较高，霍尔元件固定在了线圈的中心，为了确保通过的磁通量，探测线圈的尺寸不能太大，具体尺寸需要通过实验来确定。

（2）检测线圈的匝数对仪器的灵敏度也有影响。

当检测线圈尺寸是一定的时，则匝数越少它的灵敏度就越高。

但为了保证通过霍尔元件的磁通量，匝数的减少只能是有限的，也需要通过试验来确定最终的匝数。

4.4.3稳定性分析

（1）环境温度变化，仪器元件参数也会随之改变，影响仪器工作的稳定。

（2）还有应尽量减少线圈与电路之间引线长度，这样可以减少分布电容，我们采用了屏蔽线减少外界对它的干扰。

5仿真、调试结果及分析

5.1仿真、调试目的与内容

仿真调试的内容是要把程序修改正确，使编译能够通过，而且还要用Proteus仿真软件中的一些功能来查看程序所实现的功能是否能够和预期的功能相符合。

需要反复调试，直到能够实现预期结果为止。

本次设计是在仿真软件KeilC51来进行编译和调试的。

5.2仿真结果及分析

本次设计的仿真结果如下所述：

a）线性霍尔传感器调试结果及分析

外加磁场的南极靠近器件标志面时

R/mT300200100

输出电压（V）2.12.32.8

外加磁场的北极靠近器件标志面时

R/mT100200300

输出电压（V）4.34.85.1

线性霍尔传感器部分的调试结果基本是真确的，但由于外部环境的影响及硬件设备的不良等因素，调试过程中遇到了一些问题，模拟出的结果存在一定的误差，经过多次采样，我尽量使结果与理论值得差值缩小，达到了预期的结果。

b）振荡电路调试结果及分析

振荡电路输出的是一方波，可以读出占空比和输出脉冲的频率，其仿真结果如图5.2-1所示

图5.2-1多谐输出

从调试的结果中可以读出T1的值为：

0.028ms,T2的值为：

0.014ms。

输出频率等于23.573KHZ，而理论上输出脉冲的频率是24KHZ，从读出的结果可以看出与理论值有一定的误差，这是由于调试过程中如环境、仪器设备等因素造成的，虽然结果有误差，但基本上是正确的，说明多谐振荡器部分电路是正确的。

c）显示部分仿真结果及分析

显示部分显示的数据是设定的灵敏度值，当按下各键盘部分各个键时，在显示电路部分显示相对应的数据，显示结果如图5.2-2所示。

初始状态加1显示值

加15显示值减11显示值

图5.2-2显示值

经过多次试验和从显示的值可以看出仿真结果基本正确，由于绘制电路中出现了一些问题，仿真过程中出现了显示模糊、不稳定等一些问题，但最终还是得到了比较理想的显示数据。

d）蜂鸣器显示结果及分析

从P1.6口接出来的蜂鸣器电路用来发出探测到金属时的报警信号，由于电路搭接的不理想，蜂鸣器的叫声不是很理想，但结果基本上是正确的。

5.3试验总结

综上所述，在仿真调试过程中虽然遇到了一些问题，但是经过分析改正最终成功调试出了多谐振荡电路的输出、数据采集电路的输出、显示部分的显示值和蜂鸣声等结果。

但是还存在一些问题，如数码管显示器显示数字时有些闪烁不定，多谐振荡电路输出脉冲的不稳定等。

总的来说还时比较成功的。

6结论

本设计首先介绍了探测金属的理论依据，当有金属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，根据电磁感应原理来设计金属探测器。

硬件电路的设计有两部分，一部分是线圈振荡电路，包括了：

多谐振荡电路、放大电路还有探测线圈;

另一部分是控制电路，包括了：

线性霍尔元件、前置放大电路、峰值检波电路ADC0809模数转换器、AT89S52单片机、LED显示电路、声音报警电路及电源电路，这些电路将磁场强度信号变为电压信号，然后进行电压信号的拾取，放大等功能。

软件设计方面，对于系统实用性、可靠性还有方便灵活等几个方面，使程序满足设计的功能要求。

整个系统的软件包括了主程序、一个外部中断服务程序、数字滤波程序、比较判断子程序及发光报警等若干个子程序，是采用汇编语言编写的。

最后还分析了设计中的主要技术指标，包括金属探测器的工作频率（12KHZ），灵敏度（包括：

检测线圈的尺寸对仪器灵敏度的影响和匝数对灵敏度的影响）以及稳定性等技术指标。

附录1:

电路原理图

附录2:

各模块程序清单

a．初始化子程序

ADPORTEQU7FF8H

△UEQU20H

U0EQU21H

UEQU22H

ORG0000H

LJMPMAIN

OR