金属探测器论文初稿.docx

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金属探测器论文初稿

摘要

金属探测器是专门用来探测金属的仪器。

广泛应用于工业生产、安检、娱乐等领域。

这里我们设计的是一个基于单片机的手持金属探测器。

它可以检测到人随身携带的金属物品，如小刀、钢笔甚至可以检测到香烟盒（内部有铝薄膜）。

可随身携带，使用方便。

金属探测是根据电磁感应原理制成的，将一金属置于变化的磁场当中时，根据电磁感应原理就会在金属内部产生涡流，涡流产生的磁场反过来又影响原磁场，这种变化可以转换为电压幅值的变化，供相关电路进行检测。

它也可以表现为振荡电路频率的变化，用检测频率的办法进行检测，这里使用的是后者，振荡部分由电容三点式振荡电路组成，产生的正弦波进行放大和脉冲转换电路，再送入单片机，由单片机探测它频率的变化。

当遇见金属时由于电磁感应原理原先建立起来的振荡将受到影响，频率将发生变化，单片机探测到这种变化后进行报警。

本次金属探测器的设计还给它添加了接口可以和外围的系统进行通讯，这里实现了与液晶显示，键盘和AT89S52组成的外围数据处理与显示模块的通信，对前端探测到的数据进行再处理和分析，并将结果显示在液晶屏幕上，并可以通过键盘对前端的探测进度进行设置。

关键字：

金属探测；电磁感应原理；单片机；涡流；振荡电路

ABSTRACT

Metaldetectorisaninstrumentwhichusefordetectingmetalspecially.ithasbeenextensivelyusedinproduce,Safetyinspection,entertainmentandsoon.HerewedesignedahandheldmetaldetectorswhichbasedontheMCU.Itcandetectpeoplecarryingmetalitemssuchasknives,pensandevenboxesofcigarettes（withinthealuminumfilm）.Portable,easytouse.

Itismadeaccordingtoprincipleofelectromagnetisminduction.whenweputanmetalobjectaroundmagneticfieldwithchangingseries.therewillproducevortexinnermetalobject.Thevortexwillcreatemagneticfieldtoo.Thenewmagneticfieldwillaffecttheold.Thechangecanbeconvertintovoltagesignalfordetectingbyrelativeelectrocircuit.Itcanalsoconvertintofrequencysignalandbedetectedbyfrequencydetector.Hereweusethesecondmethod.TheoscillationcircuitpartiscomposedbyCapacitancethree-pointoscillationcircuit.Thesignalcreatedbythepartismagnifiedfirstandthenconvertintoimpulsesignal.ThenitcanbeprocessedbySCM.SCMdetectitsfrequency,comparewiththebasefrequencyandthendeterminewhethertoworn.

Weaddaninterfacetothedetector.SoitcancommunicatewithotherSCMsystemwhichcontentalcd,akeyboard,aSCM.TheSCMsystemcanprocessthedatamorepreciselyandthendisplaytheresultthroughlcd.thekeyboardisusedforuserwhowanttosetthedetectingprecision.

Keywords:

metaldetector;theprincipleofelectromagnetisminduction;SCM;vortex;oscillationcircuit

目录

1引言1

2综述3

3方案论证5

3.1基于单片机的金属探测器的设计方案5

3.2MD—898K金属探测器6

3.3基于霍尔器件的数字金属探测器6

4总体设计8

4.1硬件电路设计8

4.2软件结构设计9

4.2.1前端程序结构设计9

4.2.2外围数据处理与显示程序结构设计10

5单元电路设计11

5.1振荡电路设计11

5.2放大电路和脉冲变换电路12

5.3单片机系统14

5.4外围设置与显示系统15

6软件模块设计17

6.1前端软件设计17

6.2外围数据处理与显示模块设计20

7实现与性能分析23

7.1硬件电路焊接与调试23

7.1.1振荡电路的焊接与调试23

7.1.2放大电路与脉冲转换电路的焊接与调试24

7.1.3单片机系统的焊接与调试24

7.1.4外围数据处理与显示模块的焊接与调试25

7.2软件模块的调试与集成

7.2.1前端金属探测模块的调试与集成28

7.2.2外围数据处理与显示模块的调试与集成30

7.3系统性能分析31

7.3.1基准频率测定方法的优缺点分析32

7.3.2金属探测的精度32

总结33

致谢34

参考文献35

1引言

金属探测器是一中专门用来探测金属的仪器，除了探测有金属外壳或金属部件的地雷以外，还可以用来探测隐蔽在墙壁内部的电线、埋在地下的水管电缆，甚至能够地下探宝，发现埋藏在地下的金属物体。

目前还广泛用于各种大型会议中心、汇展场管、体育场管公检法、监狱系统及娱乐场所的安全检查和工厂企业的防偷检查，甚至用于对高考禁带物品的检查。

金属探测器按其功能和市场应用的不同可分为以下几种：

通道式金属探测器（简称安检门）、手持式金属探测器、便携式金属探测器、台式金属探测器、工业用金属探测器和水下金属探测器[4]。

世界上第一台金属探测器诞生与1960年，步入工业时代的最初的金属探测器主要用于工矿业，是检查矿产纯度和提高效益的得力助手，随着社会的发展，犯罪案件的上升，1970年金属探测器被引入一个新的应用领域——安全检查，也就是今天所使用的金属探测门的雏形，它的出现意味着人类对安全认识已步入一个新纪元。

20世纪70年代随着航空工业的迅速发展，劫机和危险事件的发生使航空和机场安全逐渐受到重视，于是在机场众多设备中，金属探测门排查违禁物品的重要角色。

同样再0世纪70年代，由于金属探测门在机场安检中崭露头角，大型运动会、展览会及政府安全保卫工作中开始启用金属探测门。

20世纪80年代，监狱暴力案件呈直线上升趋势，如何及早预防并阻止暴力案件发生成了监狱管理工作中的重中之重，在依靠警员对囚犯加强管理的同时，金属探测门再次成为了美国、英国、比利时等发达国家监狱管理机构必备的安检设备；与此同时西方兴起的“探宝热”，也使金属探测器取得了长足的发展。

进入20世纪90年代，迅速升温的电子制造业成了这个时代的宠儿，大型的电子公司为了减少产品的流失、结束员工与公司之间的尴尬局面，陆续采用了金属探测门和手持金属探测器，作为管理员工行为、减少产品流失的利刃，于是金属探测器又有了它的新作用产品防盗。

“9.11”事件发生后反恐成为国际社会的一个重要的议题。

爆炸案、恐怖活动的猖獗使恐怖分子成了各国安全部门重点打击的对象。

此时国际社会“安全防范”的认识也提高到了一个新的高度，受“9.11”事件的影响各行各业加强了保安工作的部署，金属探测器也成功渗透到公共娱乐场所等行业。

然而此时简单的通道式金属探测门已不能完全满足安检要求，安检人员需要的是一种能准确判定物品藏匿位置的安检产品。

于是多区位金属探测技术孕育而生，它的诞生是金属探测器历史上又一次变革，原来单一的磁场分布变成了现在互相叠加而又相对独立的多个磁场，在根据人体工程学把人体分为多个区段使之与人体相对应，相应的区段在金属探测门上形成相对的区域，这样金属探测门便拥有了报警定位功能。

又根据国务院发布<<单位内部治安保卫条例>>，监考人员在高考考又根据国务院发布<<单位内部治安保卫条例>>，监考人员在高考考场里使用金属探测器符合相关规定，它将作为一项常规措施载入我国考试监考制度中[4]。

金属探测器的工作原理简单的讲就是利用电磁感应原理，让交流电通过电感线圈，产生迅速变化的磁场，该磁场能在被检测的金属物体内部产生感生涡流[3]。

涡流反过来有影响原来的磁场，引发探测器发声。

金属探测器自诞生至今40多年过去了，金属探测器经历了几代金属探测的变革，从最初的信号模拟技术到连续波技术，再到今天的数字脉冲技术，金属探测器简单的磁场切割原理被引入多种技术成果中。

无论是灵敏度、分辨率、探测精度还是在工作性能上都得到了质的飞跃，应用领域也随着产品质量的提高延伸到多个行业。

2综述

金属探测器是基于电磁感应原理工作的，依工作方式主要有脉冲感应型、VLF（verylowfrequency）连续波型和LC振荡型三类。

其中LC振荡型主要应用在小目标近距探测方面，已较少使用，目前广泛应用的金属探测器主要是脉冲感应型和VLF连续波型。

脉冲感应型和连续波型金属探测器都是通过探测被测金属感应电流产生的二次磁场确定被测金属的有无及种类。

脉冲感应型金属探测器检测波形为随时间指数衰减的波形。

由于脉冲感应型检测波形的特殊性，在很大程度上限制了数字信号处理技术在脉冲感应型金属探测器中的应用。

VLF连续波型检测波形为有特定相位滞后的正弦波，当前有很多数字信号处理算法适用于VLF连续波型，连续波型金属探测器具有广阔的发展前景。

VLF连续波型金属探测器中，接收线圈上的感生电压主要受介质的磁导率影响。

铁磁性物质的磁导率很高，即μ>>1，如铸铁为200～400。

非铁磁性物质的磁导率近似等于真空中的磁导率，部分非铁磁性物质＜1，如铜、银的相对磁导率分别为0.99990、0.999974。

部分非铁磁性物质＞1，如铂的相对磁导率为1.00026。

当铁磁性物质接近线圈时，线圈间介质磁导率偏大，接收线圈上的感生电压显著增大。

当＜1的非铁磁性物质（如铜、银）接近线圈时，线圈间介质磁导率减小，接收线圈上的感生电压值减小。

当＞1的非铁磁性物质（如铂）接近线圈时，线圈间介质磁导率增加，接收线圈上的感生电压的的电压幅值微弱增加[4]。

在技术进步的前提下，今日的金属探测器有能力作比以前更多、更为复杂的工作。

整体来讲，当今的金属探测器已经出现了两种最具特色的技术功能。

其中之一是金属探测器的网络化功能。

具备了这种技术，人们可以在任何一个地方拨打该金属探测器，对仪器进行维修，分析所通过的人流量，并可根据治安的好坏或威胁的大小，调整金属探测器的工作灵敏度。

所有这一切都可以远距离进行操作。

金属探测器的另一个技术进步就是分段限时技术的出现，世界几大著名的金属探测器生产厂商，如EIPaso、CeiaUSA、Ranger&Metorex等，均投入了相当的资金从事这项研究、开发工作。

它利用探测器的侧面或另一仪表盘上的灯光来指示或显示出人体中金属物品的近似位置，可以用在诸如法庭以及其他不允许发出声音的地方，虽然关闭了探测器的音量，但它仍能显示并提醒操作人员何时何处有金属物品存在。

金属探测器可以与其他的出入控制装置，如入口读卡机等整合在一起。

银行业是该出入整合设备的最大客户。

美国CeiaUSA公司董事长ScootDennision不久前曾经说过，他们公司已经开始着手为美国的几大银行安装整合式金属探测器。

他们使用的是一种双门系统，它具备这样的功能：

在第二道门打开之前，银行或其他机构借助于该系统就能够断定正在进入的人员是否携带有枪支等物品。

在该系统中，金属探测器与CCTV、对讲电话系统、出入控制以及其他安全防范手段整合在一起。

但是该金属探测器，也可以在独立的基础上与出入控制整合在一起。

CeiaUSA公司业已开发出了一种新技术，能够在人员通过金属探测器的时候自动刷卡，不但能探测人员是否携带有武器，而且还能进行读写校验以确定人员是否能合法进入该场所。

这种名叫MET卡的产品已于去年9月在美国上市，它借助于近发无线电技术，可使工作人员腾出双手，免去了手持劳作之苦。

在读卡的基础上，该系统可根据工作性质、对象调节安全报警信号的阀值。

如果你是一个警察，依法可以持有枪支，那么该系统就会自动降低报警的灵敏度；而对下一个通过探测器的一般人来说，金属探测器将自动提高或调整报警的灵敏度。

MET卡也可以安装在门框中充当跟踪设备，用以防止贵重物品的丢失和被盗。

前面所讲的是金属探测器的最新情况，金属探测契经过40多年的发展其技术上已经发生了几次飞跃，人类已经步入到数字化时代，金属探测器也顺应这一时代的现状，无论是金属探测器的网络化还是出入整合技术，都需要强大的数字电路对信息进行分析处理，在进行传送控制。

因此在这种前提下进行数字金属探测器的设计是顺应时代发展和需求的，本次金属探测器是一种基于单片机的数字金属探测器，其对金属的判断报警都是在数字单片机内完成的，可拓展性强，在对其加入外围功能电路后也能实现网络化和和出入整合。

3方案论证

金属探测器的设计方案根据它的应用的不同而不同，这里引入两种与本次设计应用相进的金属探测设计方案，拿它们与我们的设计方案进行对比，以突显出彼此的优缺。

3.1基于单片机的金属探测器的设计方案

正如综述里所说的数字金属探测器的设计是顺应时代发展，本次设计所要完成的任务是实现一个基于单片机的手持金属探测器。

其模型如图3-1所示。

可以看出它由四部分组成：

高频振荡、信号放大、脉冲转换和信号的处理与报警，下面简单论述以下各个模块的功能。

1）高频振荡

这一部分是金属探测的基础，金属探测器的原理是：

当金属物体置于变化的磁场当中时，金属内部就会产生涡流，而涡流所产生的磁场又会影响原磁场。

高频振荡部分的任务首先就是产生变化的磁场，它往往由一LC振荡电路组成。

其次，在遇见金属后由于金属内部涡流的存在，它的磁场会影响原有磁场，使原有振荡电路的振幅和周期都发生改变。

这种改变经转换后送入单片机，单片机中有相应的程序对其进行分析判断。

2）放大电路

振荡电路所产生的正弦波信号的幅值是比较小的，因此需要放大才能进行再处理。

3）脉冲转换电路

这是本套设计方案所独有的，它是实现本次金属探测数字化的桥梁，单片机只能处理数字脉冲型号，因此振荡电路所产生的信号经放大不能直接送入单片机，这一部分只需要一个TTL门电路对放大电路输出的波形进行转换就行，简单但很重要。

4）信号处理与报警

这一部分是整个电路的大脑，所有的电路都是为它服务，这一部分也是整个探测器实现网络化或其他功能的桥梁。

作为整个电路的大脑，它对整个电路所产生的信号做最终的处理，并根据处理的结果决定是否存在金属，是否要发出警报。

这一部分处理能力的强弱影响这整个系统的性能。

作为与外部进行沟通的桥梁，它可以将金属探测的信息发送给外围模块供他们进行进一步的处理，它同时也接收外围模块传送过来的控制信号，如对金属探测的精度或其他方面进行设置。

3.2MD—898K金属探测器

图3-2[4]为MD—898K金属探测器的组成模块图，看上去在结构上和本次设计的金属探测器很相近，实际上它们存在本质的差别。

首先，两者在设计思想上完全不同，MD—898K金属探测器是模拟信号处理的模拟金属探测器，而此次要实现的金属探测器信号的处理和报警都在数字单片机内完成。

其次，在可拓展性方面MD—898K没有可拓展性而言，因为每一部分的单元电路紧密的联系在一起，即使可以扩展也要对整个电路进行从新设计，而且设计的难度相对很大，而本次设计，将频率信号转换为数字信号供数字单片机进行分析，单片机提供了很多I/O口可以很方便的和其他单片机进行通讯，加入串口通信模块后还可以直接和PC机进行通讯，借助于PC机强大存储和网络资源对数据进行再分析在处理，就可以完善金属探测的性能，并且借助于PC机的强大功能可以使探测的精度得到新的改善。

3.3基于霍尔器件的数字金属探测器

图3-3[1]是另一种数字探测器的设计方案，虽然是基于单片机的数字式金属探测器，但是在探测原理上与本次采用的方法存在这很大的差别，它的基本思想是这样的，在电感线圈的中心固定一霍尔器件，用于探测磁场的变化并能将信号转换为电压信号，这样在没有遇见金属物体时送入单片机的电压是一固定值，当遇见金属物体时，由于电磁感应现象磁场强度会发生变化，这时霍尔器件将此变化转换为电压信号供单片机进行判断，霍尔器件产生的是一些连续的电压信号，磁场是周期性变化的因此传出的电压信号也是周期性连续变化的，所以需要波峰检测将其峰值检测出来通过模数转换变为数据信息送入单片机。

因此单片机只是根据电压值的变化就能判断有无金属。

它与本次设计方案的不同在于，本次设计方案是检测振荡电路的频率变化来判断金属的有无，而图3-3所示的方案是检测磁场的变化，而且它是通过将磁信号转换为电信号，再通过波峰检测模数转换最后送入单片机，与此相比本此的设计方案就相对简单，不用霍尔器件和A/D转换这些昂贵的芯片，只需将振荡电路产生的正弦波进行放大，再用廉价的门电路对其进行脉冲转换就行。

其次，在性能上还要优于图3-3的方案，因为磁场很容易受到外界的影响而发生变化，这样产生的电压信号是很不稳定的，相比之下进行振荡频率的检测就相对稳定。

图3-1手持数字金属探测器原理框图

图3-2MD—898K金属探测器原理框图

图3-3基于霍尔器件的数字金属探测器

4总体设计

总体设计将影响整个项目的实现，对整个项目的开发起着指导性的作用，因此总体设计的好坏影响深远，这里的软硬件方案都是经过再三的比较与分析才确定的，硬件和软件两个互相影响，协同工作实现系统的基本功能。

由于硬件系统是基础，是软件系统得以运行的平台，因此将它放在前面，先依据硬件的总体设计方案，完成各个单元电路的设计与实现，接下来再根据软件模块的总体方案设计程序流程，在硬件电路的基础之上进行调试。

但在设计之初两个部分都需经过认真的分析，确定总体方案后再分阶段进行实现。

4.1硬件电路设计

硬件电路设计是进行软件设计的基础，是整个金属探测器中最位重要的部分。

它设计的好坏决定着系统的稳定性和可扩展性。

本次设计的金属探测器的框图如图4-1所示，包括五大部分：

线圈振荡、信号放大、脉冲产生、中央处理和外围设置显示模块。

图4-1手持数字金属探测器硬件设计框图

这四部分组合起来构成了一个基于单片机的开环金属探测模型。

线圈振荡电路是基础，依靠它来进行金属探测，这一部分可以产生稳定的正弦波，但在遇到金属物体时正弦波的频率和幅度会发生变化。

振荡部分产生的正弦波经放大后送入脉冲变换电路产生一定频率的脉冲，然后将其送如单片机。

因此在前端振荡电路频率变化时这种变化同时将送入单片机，单片机进行分析判断后进行报警。

外围控制模块的作用是，与前端单片机进行通讯，将获得的信息进行分析运算再进行显示并且通过键盘对前端金属探测的精度进行设置。

4.2软件结构设计

硬件完成信号的产生与处理后，接下来的工作就全部由软件部分完成，软件系统的实现才能真正体现系统的价值，软件结构设计是软件实现的起点，它对整个软件部分的实现起指导作用，同时它也罗列出系统的所有功能。

4.2.1前端程序结构设计

图4-2就是前端软件的结构图，从图中可以看出前端软件的主要作用是，频率测定、声光报警和通讯。

它是整个金属探测模块的大脑，它分析判断前面功能电路传过来的频率信号对它进行分析判断最后决定是否发出检测到金属的警报。

图4-2前端软件设计结构图

4.2.2外围数据处理与显示程序结构设计

图4-3外围数据处理与显示软件结构图

引入外围模块的目的是借助于PC机的强大资源或内置有大容量编程存储器的单片机进行数据分析与处理，从而加强和拓展金属探测器的功能。

其次，引入了另一中金属探测的模式，那就是不需要一定去在现场进行金属探测，将这个任务分给在前端进行金属探测的探测小车，探测小车将探测到的信息通过无线模块即时的反馈给后台的处理系统，而这时的分析员只需坐在PC机前就回对前端的情况了如指掌。

外围数据处理与显示模块的软件结构图如图4-3所示。

5单元电路设计

单元电路设计是在硬件总体设计的指导下完成一个个小的功能电路的设计，在将各个部分组合起来实现一个整体的功能，因此每一个功能电路设计的好坏都将影响系统的整体功能。

完成每一个功能电路的设计后，设计阶段才告以段落。

这一部分的设计直接与实现紧密联系，器件参数的确定，电路板的焊接与调试，以及到最后的性能分析，都要用到这一部分的设计结果，因此这一部分的设计最有实际价值。

5.1振荡电路设计

振荡电路部分采用的是电容三点式振荡电路，设计的主旨是在保证产生稳定振荡的前提下，使频率低于300KHz，这样的目的是为了金属探测器在进行工作时不受广播频段的影响。

这部分的电路图如图5-1所示。

电路元器件参数是在满足主旨的情况下进行选取的。

因此谐振回路中电容C1、C2和电感L的取值分别为0.22μf、0.47μf、500μh。

其中电感值只是理论计算的理想值，实际中是用半径0.31mm漆包线绕20圈直径为6cm的线圈而构成的，电感值接近500uf但有一定范围的偏差。

偶合电容选用两个10μf的独石电容，旁路电容Cb3选用47μf的铝电解电容。

共射极反馈放大电路中的晶体管选用放大倍数超过50倍的cs9014。

组装调试后振荡电路的实际频率为33KHz满足我们的要求。

电容三点式振荡电路的工作原理分析，假设将反馈回路断开，同时假如晶体管的基极以（+）极性信号，则BJT的集电极为（-）极性（共射极放大电路的反向放大特性），由于谐振回路的两个电容的一端同时接地，另一端串一电感所以两个电容的极性相反，即反馈端的为（+）极性，因此满足相位平衡条件[15]。

电路中晶体管的放大倍数比较大且C1和C2的比值小于0.5，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，因此可将高次谐波滤除，所以输出的波形好。

电容三点式振荡电路的频率为：

[15]（5-1）

使用谐振回路中的电感线圈进行金属探测，当遇见金属是电感L1的Q值将发生变化，由电容三点式振荡电路的频率计算公式可以看出，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，当谐振频率高时线圈产

图5-1电容三点式振荡电路

生磁场的变化率也就越高，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。

5.2放大电路和脉冲变换电路

放大电路和脉冲产生电路合起来产生一定频率的脉冲供单片机进行处理。

电路原理图如图5-2所示。

从振荡回路传过来的正弦波信号经过电压跟随器传送到差分放大电路针对其交流信号进行放大，放大后产生的电压信号送给TTL门电路对其进行整形以产生规则的脉冲波送入