1、 摘 要 金属探测 是依 据电磁感应原理制成的， 在 变化的磁场当中 放置一 块 金属 ，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， 用检测电压的办法进行检测。它也可以表现为振荡电路频率的变化， 供相关电路 进行检测 。 手持金属探测器被设计用来探测人或物体携带的金属物。它可以探测出人所携带或包裹、行李、信件、织物等内所带武器、炸药或小块金属物品。其敏感表面的特别外观令操作简便易行。优于环形传感器式手探。超高灵敏度，特殊应用。如监狱，芯片厂，考古研究 医院等。 本文重点介绍后者 ，振荡部分由电容三端 式振荡电路组成，产生的正弦波
2、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。这种基于 AT89S52单片机控制的金属探测器重点研究了它的硬件组成、软件设计、工作原理及主要功能。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。 关键词 ： 金属探测器 ， 电磁感应 ， 单片机 ， 涡流 ， 振荡电路 ABSTRACT Metal detection is made based on the principle of electromagnetic induction, the magnetic field changes were placed in
3、 a piece of metal, according to the principle of electromagnetic induction eddy current will be generated internally in the metal , eddy current generates a magnetic field in turn affects the original magnetic field, this change can Converted to voltage amplitude changes in the way of measuring the
4、voltage detection. It can also be expressed as changes in frequency oscillator circuit for the relevant circuit for testing. Handheld metal detectors are designed to detect person or object of metal carry. It can detect people carry or package, baggage, mail, fabric with weapons, explosives interior
5、 or small piece of metal items. Its sensitive surface of the special appearance makes operation simple and convenient. Better than the annular sensor type hand out. High sensitivity, the specific application. Such as prison, chip factory, the archaeological research hospital. This article focuses on
6、 the latter, the oscillation part of the three terminal type oscillator by the capacitor circuit, the resulting sine wave pulse amplification and conversion circuits, and then into the MCU, the MCU changes the frequency of detecting it. AT89S52 Microcontroller-based metal detector focused on the com
7、position of its hardware, software design, working principle and main functions. When the metal meets the principle of electromagnetic induction when the original set up the oscillation will be affected, the frequency will change, the microcontroller to detect the alarm after the change. KEY WORDS：
8、scm, metal detectors, oscillation circuit, vortex, electromagnetic induction 1 第一章 绪论 1.1 引言 金属探测器作为一种最重要的安全检查设备，己被广泛地应用于社会生活和工业生产的诸多领域。比如在机场、大型运动会 (如奥运会 )、展览会等都用金属探测器来对过往人员进行安全检测，以排查行李、包裹及人体夹带的刀具、枪支、弹药等伤害性违禁金属物品 ;工业部门 (包括手表、眼镜、金银首饰、 电子等生产含有金属产品的工厂 )也使用金属探测器对出入人员进行检测，以防止贵重金属材料的丢失 。 又根据国务院发布，监考人员在高考考
9、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】 。 目前，就连考试也开始启用金 属探测器来防止考生利用手机等工具进行作弊。 由此可见，金属探测器对工业生产及人身安全起着重要的作用。而为了能够准确判定金 属物品藏匿 的 位置， 就需要 金属探测器具有较高的灵敏度。目前。国外虽然已有较为完 善 的系列产品，但价格及其昂贵；国内传统的金属探测器则是 利用模拟电路进行检测和控制的，其电路复杂，探测灵敏度低，且整个系统易受外界干扰。 1.2 探测器的发展状况及应用 金属探测器因其功能和市场应用领域的不同，分为以下几种：通道式金属探测器（又称：金属探测门；简称：安检门
10、）、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 。 全球第一台金属探测器诞生于 1960年，步入工业时代最初的金属探测器也主要应用于工 、 矿业，是检查矿产纯度、提高效益的得力帮手。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，也就是今天我们所使用的金属探测门雏形，它的出现意味着人类对安全的认知已步入一个新纪元。 70年代随着航空业迅速发展，劫机和危险事件的发生使航空及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扮演着排查违禁物品的重要角色。同样在 70年代，由于金属探测门在机场安检中的崭露头角，大型
11、运动会（如奥运会）展览会及政府重要部门的安全保卫工作中开始启用金属探测门作为必不可少的安检仪器。 发展到 80年代，监狱暴力案件呈直线上升趋势，如何及早有效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，形成平均每300个囚犯便使用一台金属探测门用于安检；与此同时西方兴起的“寻宝热”，也使手持式、便携式金属探测器得到长足的发展。 进入 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流失、结束员工与公司之间的尴尬局面，陆续采用金属探测门和手持式金属探测器
12、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新的角色 产品防盗。 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2 连续波技术直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。 而 9.11事件以后 ,反恐成为国际社会一个重要议题。爆炸案、恐怖活动的猖獗使恐怖分子成了各国安全部门誓要打击的对象。此时国际社会对“安全防范”的认知 也被提到一个新的高度。受 9.11事件影响，各行各业都加强了保安工作的部署，正是受此影响金
13、属探测器的应用领域也成功地渗透到其他行业。如：娱乐场所。公共娱乐场 所的治安问题历来是社会各界关注的焦点，也是治安管理工作的难点。据统计，每年娱乐场所恶性打架斗殴事件和刑事案件发案率占 60%以上，其作案凶器均是消费者随身带入娱乐场所。然而，此时简单的通道式金属探测门已不能完全满足安检的要求，安保人员需要的是一种能准确判定金属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 器发展历史上的又一次变革，原来单一的磁场分布变成了现在相互叠和相对独立的多个磁场，再根据人体工程学原理把门 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
14、拥有了报警定位功能。 金属探测器除了应用在食品、纺织、服装、矿冶、寻宝、探雷等领域，还逐步扩大到木材、药品、玩具、安检等方面。另外，还出现了 X光红外探测器系列， 能够指示在食品中金属杂质所在的位置和大小，同时应用在安检领域也提高了检测的水平。目前，研究人员正研究利用电磁波谱的另外一部分：万亿赫兹辐射或称 T射线。 T射线有可能改变诸如机场安全和医学成像等领域的现状，这样食品加工商能探测密封包装食品的含水量，以确保其新鲜度。 TeraView公司还致力于研发可置于码头的金属探测器，这种探测器可看到大衣口袋 中的剃须刀以及口袋中的塑料炸弹。 现在列举三种类型说明金属探测器发展过程中，出现的问题
15、以及改进。 1.2.1 MD 898K 金属探测器 由 MD 898K金属探测器的电路框图 1-1【 4】 可以看出，本金属探测器由高频振荡器、振荡检测器、音频振荡器和功率放大器等组成。下面简单论述以下各个模块的功能。 电 源高 频 振荡 器振 荡 检测 器音 频 振荡 器功 率 放大 器图 1-1 MD898K金属探测器原理框图 1）高频振荡器 由三极管和高频变压器等组成，是一种变压器反馈型 LC振荡器。调节高频振荡器的增益电位器，恰好使振荡 器处于临界振荡状态，也就是说刚好使振荡器起振。当探测线圈靠近金属物体时，由于电磁感应现象，会在金属导体中产生涡电流，使振荡回路中的能量损耗增大，正反馈
16、减弱，处于临界态的振荡器振荡减弱，甚至无法维持振荡所需的最低能量而停振。如果能检测出这种变化，并转换成声音信号，根据声音有无，就可以判定探测线圈下面是否有金属物体了。 2）振荡检测器 3 振荡检测器由三极管开关电路和滤波电路组成。开关电路由三极管、二极管等组成，滤波电路由滤波电阻器，三个滤波电容器组成。依据，当高频振荡器正常工作时，在负载电阻器 R4上得到低电平信号 ；停振时， R4上为高电平，由此完成了对振荡器工作状态的检测。 3）音频振荡器 音频振荡器采用互补型多谐振荡器，由三极管 VT3、 VT4，电阻器 R5、 R7、 R8和电容器 C6组成。互补型多谐振荡器采用两只不同类型的三极管，
17、其中 VT3为 NPN型三极管， VT4为 PNP型三极管，连接成互补的、能够强化正反馈的电路。 R7既是 VT3负载电阻器，又是 VT3导通时 VT4基极限流电阻器。 R5和 C6等是反馈电阻器和电容器。 R8是 VT4集电极负载电阻器，振荡脉冲信号由 VT4集电极输出。其数值大小影响振荡频率的高低。 4）功率放大 器 功率放大器由三极管 VT5、扬声器 BL等组成。从多谐振荡器输出的正脉冲音频信号经过限流电阻器 R9输入到 VT5的基极，使其导通，在 BL产生瞬时较强的电流，驱动扬声器发声。 1.2.2 基于单片机的金属探测器的设计方案 正如绪论里所说的数字金属探测器的设计是顺应时代发展，
18、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 1-2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。 高 频 振 荡 信 号 放 大 脉 冲 转 换信 号 处 理 与 报警电 源图 1-2 手持数字金属探测器原理框图 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
19、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 4 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
20、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。 图 1-2为手持式金属探测器原理图，看上去在结构上和 MD 898K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， MD898K金属探测器是模拟信号处理的模拟金属探测器，而此次要设计的金属探测器的信号处理和报警都在数字单片机内完成。其次，在可拓展性方面 MD898K没有可拓展性而言，因为每一部分的单
21、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。 1.2.3 基于霍尔器件的数字金属探测器的设计方案 如图 1-3【 1】 金属探测是依据电磁 感应原理制成的，在变化的磁场当中放置一块金属，根据电磁感应原理就会在金属内部产生涡流 【 3】 ，涡流产生的磁场反
22、过来又影响原磁场，这种变化可以转换为电压幅值的变化，用检测电压的办法进行检测。它也可以表现为振荡电路频率的变化，供相关电路进行检测。 整个探测系统以 8位单片机 AT89S52作为控制核心 ,其硬件电路分为两个部分 ,一部分为线圈振荡电路 ,包括 :多谐振荡电路、放大电路和探测线圈 ;另一部分为控制电路：UGN3503U型线性霍尔元件、可编程放大电路、峰值检波电路、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等。 多 谐振 荡 器放 大电 路探 测 线 圈霍 尔器 件放 大电 路峰 值检 波A / D 转 换C P UA T 8 9 S 5 2显 示电 源报警
23、线 圈 振 荡 电 路控 制 电 路图 1-3 基于霍尔器件的数字金属探测器 工作原理：在工作过程中，由 555定时器构成的多谐振荡器产生一个频率为 24KHz5 的 脉冲信号经过缓冲和放大之后，形成频率稳定度高、功率较大的脉冲信号输 入到探测线圈中，通电的线圈周围就会产生磁场，某金属靠近磁场 时，固定在线圈中心的霍尔元件 UGN3503U就会感应到线圈周围的磁场，并将磁场强度信号线性地转变成电压信号 。由于 UGN3503U线性霍尔元件采集到的电压信号是一个毫伏级的信号，信 号十分微弱，所以，在对其进行处理前，首先要进行放大。 通过峰值检波和后级缓冲放大电路，将采集到的微弱信号放大至 0V5
24、V的直流电平，以满足 A/D转换器 ADC0809所要求的输入电压变换范围，然后通过 A/D转换电路将检测 到的峰值转化成数字量。输入到单片机中进行处理，显示和报警。 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 1-3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 1-3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
25、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。 1.3 本文研究的主要内容 前面所讲的是金属探测器的最新情况，金属探测 器 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。 本文介绍的基于单片机的数字金属
26、探测器，采用电容三点式振荡电路产生变化的磁场，从而感应由于金属出现引起的探测线圈周围磁场的变化，产生的正选波信号 再 经放大电路和脉冲转换 电路放大转换变换为方波信号， 则采用 AT89S52 单 片机作为检测和控制核心，对检测结果进行分析判断，有效地保证了检 测 原理的实施；此外，利用软件滤波的方法代替了传统探测器复杂的模拟电路器件，大大提高了系统的可靠性、灵敏度和抗干扰性。适用于对邮件、行李、包裹及人体夹带的伤害性金属物品（如：刀具、枪械、武器部件、弹药和金属包装的炸药等）的检测，可用于海关、机场、车站、码头的安全检查。也可用于探测隐藏于墙内、护墙板内侧、空洞和土壤的上述物品和金属物。 6
27、 第二章 总体设计 总体设计对整个项目的实现非常重要，在整个项目的开发中起着指导性的作用，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仔细的比较与分析才确定 的，硬件和软件两个协同工作是系统实现的基础。由于硬件系统是基础，是软件系统得以运行的平台， 因此先设计硬件系统 ，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。 而本次设计要求： 长 410mm x 85mm、 标准 9v叠层碱性电池 、 声光同步报警 、 准确地探测到极小的金
28、属物品（ 0.1g或甚至更小）以及探测距离 大头针： 10 15mm、 50克铜线： 40 70mm、 IC芯片 ： 10 15mm、 剃须刀片： 40 55mm。 2.1 硬件电路设计 硬件电路设计 是整个金属探测器中最为 重要的部分， 是进行软件设计的基础， 它设计的好坏决定着系统的稳定性和 扩展性。本次设计的金属探测器的框图如图 2-1所示，包括四大部分：线圈振荡、信号放大、脉冲产生、中央处理（ 报警、 液晶显示 ） 。 图 2-1 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
29、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， 然后将其送入 单片机。因此在前面 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。 线圈振荡电路 放 大 电 路 脉冲变换电路 CPU AT89S52 报警 液晶显示 键盘 电源 7 2.2 软件结构设计 软件系统是整个设计的灵魂 ，它 的实现才能真正体现系统的价值 。 硬件 系统 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。 图 2-2就
30、是 软件 设计的结构图，从图中可以看出 该软件的主要作用是 频率测定、声光报警、液晶显示和键盘处理 。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 2-2 软件设计结构图 软件设计 液 晶 显 示 键 盘 接 收 按 键 处 理 精度设 置 建立连 接 软件设计 基准频率测定 精度设置频率检 测 频率比较 声 光 报 警 频率测 定 比 较 8 第三章 单元电路设计 第二 章中已经提到硬件总体设计 ，而单元电路设计就是根据硬件总体设计从而完成一个一个的功能电路设计， 再将各个部分组合起来实现一个整体的功能。这一部分的设
31、计直接与实现紧密相连 ，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，同时每一个功能电路设计的好坏都将影响系统的整体功能。 3.1 振荡电路 一个振荡器必须包括三部分：放大器、正反馈电路和选频网络。放大器能对振荡器输入端所加的输入信号予以放大 ， 使输出信号保持恒定的数值。正反馈电路保证向振荡器输入端提供的反馈信号是相位相同的，只有这样才能使振荡维持下去。 选频网络则只允许某个特定频率 f 能通过，使振荡器产生单一频率的输出。 振荡器能不能振荡起来并维持稳定的输出 是由以下两个条件决定的；一个是反馈电压和输入电压要相等，这
32、是振幅平衡条件。二是反馈电压和输入电压必须相位相同，这是相位平衡条件，也就是说必须保证是正反馈。一般情况下，振幅平衡条件往往容易做到，所以在判断一个振荡电路能否振荡，主要是看它的相位平衡条件是否成立。 正弦波是电子技术、通信和电子测量等领域中应用最广泛的波形之一。能够产生正弦波的电路称为正弦波振荡器。通常，按工作原理的不同，正弦振荡器分为反馈型和负载型两种，前者应用更为广泛。在没有外加输入信号的条件下，电路自动将直流电源提供的能量转换为具有一定频率、 一定波形和一定振幅的交变振荡信号输出。 3.1.1 振荡电路概念 和分类特点 三点式振荡电路是指电容或电感（反馈部分）的 3 个段分别接晶体管的
33、三个极，故称为三点式振荡电路。 主要分为电感三点式和电容三点式振荡电路。 1） 电感三点式振荡电路是指原边线圈的 3 个段分别接在晶体管的 3 个极。又称为电感反馈式振荡电路或哈特莱振荡电路。 其特点是： 1.易起振。 2.调节频率方便。采用可变电容可获得较宽的频率调节范围，一般用于产生几十赫兹以下的正弦波。 3.输出波形较差。 2） 电容三点式振 荡电路是指两个电容的 3 个段分别接在晶体管的 3 个极。又称为电容反馈式振荡电路或 考毕兹振荡器 振荡电路。 其特点是： 1.输出波形较好。这是由于反馈电压取自电容，而电容对于高次谐波阻抗较小。 2.振荡频率较高，一般可达 100MHz 以上。 3.调节电容可以振荡频率，但同时会影响起振条件。因此，这种电路适用于固定频率的振荡。
