1、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 。采用新的原理， 设计一个基于单片机的手持金属探测器 ，利用其 检测人 们 随身携带的金属物品 ， 如小刀、钢笔 ， 甚至可以检测到香烟盒 的 铝薄。可随身携带，使用方便。 本文设计的 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 频率和 幅值的变化 ， 供相关电路进行检测。 由电容三点式 振荡电路 产生正弦波 ，对其 放大和 整形后 ， 送入单片机 ， 由单片机探测它频率的变化
2、。 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 文 的 金属探测器设计了接口 ， 可以和外围的系统进行通讯 ， 实现了 与 AT89S52管理的 液晶显示 及 键盘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 精度 进行设置。 本 文 完成 了系统总体框架的 设计， 完成了硬件和软件的 设计和 联合调试 。 实验证明原理的应用，探测器的设计和制作是成功的，硬件线路设计和加工完好，软件编制正确，完 成了操作功能。探测器具有稳定可
3、靠的性能，待制作工艺改进后适于野外、户内和特殊场所的应用，具有应用价值、经济效益和社会效益。 关键 词 ： 金属探测；电磁感应原理；单片机；涡流；振荡电路 ABSTRACT Metal detector is designed to detect metal devices, widely used in industrial production, security, entertainment and other fields. The hand-held metal detector is designed by a new principle, based on MCU. It can
4、 detect metal objects carried by people, such as knives, pens, even the aluminum thin in cigarette box. It is portable and easy to use. The metal detector in this paper is designed and made on the principle of electromagnetic induction. A metal be placed in the variable magnetic field, in accordance
5、 with 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, which can be converted to the frequency and amplitude changes in the relevant circuit for testing. Three-poin
6、t oscillator circuit by the capacitor generates a sine wave, through amplification and shaping, into the MCU. The MCU detects the frequency changes. When a metal object existence, the oscillation originally set up will be affected for electromagnetic induction, the frequency will change, the MCU wil
7、l alarm after detecting the change. This metal detector is designed interface, and can communicate with peripheral systems, as well as implements communication of display module and peripheral data processing composed of liquid crystal display and keyboard of AT89S52 management. It can re-process an
8、d analysis the data detected on the front end, display the results on the LCD screen, and can set the progress detected on the front by the keyboard . Based on the design principles and requirements, this article completes the design of the overall framework of the system, completes the six hardware
9、 design and general production, completes the software design and programming, achieves features of metal detector measurements, of dynamic display of test results and data Output, completes the hardware and software co-debugging and parameter measurement. This article basically achieves the expecte
10、d goals of design and production, and plans a late development. Keywords: metal detector; electromagnetic induction; MCU; eddy current; oscillation circuit I 目 录 1 绪 论 . 1 1.1 研究背景与研究意义 . 1 1.1.1 发展过程 . 1 1.1.2 研究意义 . 2 1.1.3 主要应用场所 . 2 1.2 研究现状 . 3 1.3 主要研究内容及成果特色 . 5 1.3.1 主要研究内容 . 5 1.3.2 成果特色 .
11、5 1.4 论文结构安排 . 6 2 总体设计 . 7 2.1 探测金属的理论依据 . 7 2.2 传感器原理 . 8 2.2.1 电涡流式传感器的工作原理 . 8 2.2.2 基本特性 . 9 2.2.3 电涡流形成范围 . 10 2.2.4 低频透射式涡流厚度传感器 . 12 2.3 基本原理 . 12 2.3.1 差拍式检测电路 . 12 2.3.2 自激感应式检测电路 . 13 2.3.3 耗能式 (功率吸收式 )检测电路 . 14 2.4 基于单片机的金属探测器的设计方案 . 15 2.5 同类产品比较 . 16 2.5.1 MD898K 金属探测器 . 16 2.5.2 基于霍尔器
12、件的数字金属探测器 . 16 2.6 系统设计 . 18 2.6.1 硬件电路设计 . 18 2.6.2 软件结构设计 . 19 3 硬件单元电路设计 . 21 3.1 振荡电路设计 . 21 3.2 放大电路和脉冲变换电路 . 22 II 3.3 单片机系统 . 23 3.4 外围设置与显示系统 . 24 4 软件模块设计 . 29 4.1 前端软件设计 . 29 4.2 外围数据处理与显示模块设计 . 32 5 实现与性能分析 . 35 5.1 硬件电路焊接与调试 . 35 5.1.1 振荡电路的焊接与调试 . 35 5.1.2 放大电路与脉冲转换电路的焊接与调试 . 36 5.1.3 单
13、片机系统的焊接与调试 . 37 5.1.4 外围数据处理与显示模块的焊接与调试 . 38 5.2 软件模块的调试与集成 . 40 5.2.1 前端金属探测模块的调试与集成 . 40 5.2.2 外围数据处理与显示模块的调试与集成 . 42 5.3 系统性能分析 . 44 5.3.1 基准频率测定方法的优缺点分析 . 44 5.3.2 金属探测的精度 . 44 5.3.3 金属探测的功能测试 . 45 6 结论与展望 . 47 6.1 结 论 . 47 6.2 未来工作展望 . 48 致 谢 . 49 参考文献 . 50 附 录 . 52 附录一 系统实物图 . 52 附录二 系统总体电路图 .
14、 54 附录三 防抖动键盘处理源程序 . 56 附录四 前端金属探测部分源程序 . 59 附录五 外围金属探测精度设置源程序 . 64 -1- 1 绪 论 1.1 研究背景 与研究意义 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。 1.1.1 发展过程 早在 20世纪 40年代 二战期间，出于战争的需要，
15、军队就使用了差拍式 金属 探 测 器来排查地雷。 作为探雷器 由于军事的保密需要 ，随后的 20年金 属探测器没有得到大的技术发展和应用领域的拓展。 世界上第一台 工业 金属探测器诞生 于 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 数量也在 上升，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
16、门 被用来充当 排查违禁物品的重要角色。同 时 ， 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 ，
17、 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。 -2- 1.1.2 研究意义 “ 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
18、生 ， 它的诞生是金属探测器历史上又一次变革 ， 由 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 ， 再 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。 高考和各种认证考试是庄严和神圣的，一些犯罪分子采用高科技技术进行舞弊，从中牟利。为了防止考场作弊 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。 1.1.3 主要应用场所 金属探测器大致分为 四 种类型： 1） 工业型金属探测器 安装在冶金、烧结
19、、水泥、玻璃、造纸、化工、卷烟等工厂和矿山生产线的自动传送皮带上，用以检测矿石、烟草等原料中混入的废金属，保护破碎机不受损坏 17。 2） 安全型金属探测器 随着交通、旅游、金融和娱乐事业的发展，在机场、银行、珠宝店和珠宝制造厂、贵金属矿、贵金属加工厂等，需要对过往人员进行检测，以使贵重物品不丢失及排除危险品、枪支等 48。 3） 生活型金属探测器 随着人们生活水平的提高，对于衣食住行的关注越来越多，在食品加工、食品包装、成衣制作、纺织制品 、木材加工等，需要对其加工过程或者出厂产品进行检测，是否含有细微金属颗粒或金属碎屑，是否达到国际食品技术委员会 HACCP(危害分析及临界控制点 )基本准
20、则的相应要求，防止对人们的生命安全造成不必要的伤害 22。 城市的发展，使得地下管线越来越多，在一些原始资料缺失的情况下，金属探测器可以帮助我们查清其走向。 随着人们居住条件的改善，房间装修是必修课，人们都会根据需要对原建的水电线-3- 路作修改和添加。而这样的埋墙线路或管线是没有图纸和标识的，后期的安装中如果电钻打到电线和水管上时，轻者造成麻烦和损失，重者 危及人的 安全。利用金属探测器查清位置是必要的。 一些人有探秘的梦想和热情，在野外游玩带有金属探测器，即便没有探到宝贝，也可以锻炼身体和满足好奇心。 4） 军用型金属探测器 现代局部战争中，人们埋下了上亿颗地雷，只有利用军用型金属探测器排
21、查和销毁这些地雷，才能保证居民的生命和财产的安全。 1.2 研究现状 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 28 29； 便携式金属探测器 ； 台式金属探测器 ； 工业用金属探测器 ； 水下金属探测器 4。 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 ： LC振荡型三类 23。 脉冲感应型 ； VLF(very low frequency)连续波型 ； 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
22、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 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
23、。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-4- 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 连接 该金属探测器，对仪器进行维修，
24、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
25、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 CATV、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。 并且 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
26、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 阈值 。如果 是 一 位 警察， 他 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 26。 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
27、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-5- 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出入整合。 1.3 主要研究内容及成果特色 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 报警 。 1.3.1 主要研究内容 根据本课题工作的实际背景，研制出一个物美价
28、廉的金属检测装备，重点应研究和解决以下几个方面的问题： 1）原理分析 收集 金属探测器原理 和产品的资料，进行 金属探测器 资料整理和 分析 利用。 2） 完成系统设计 根据调研结果和可行性分析设计系统总体框架， 初步设想 探测信号的产生采用 LC三点式振荡产生正弦波，经放大，滤波 ，整形 产生所需信号。使 得系统的探测信号有良好的抗干扰性。 3） 完成硬件方案的设计制作 硬件 设计 涉及 ： LC振荡器、放大器、滤波器、中断计时、 单片机电路、 输出电路（报警或显示）六部分组成。 4） 软件方案的设计 软件设计要求完成：测量功能、动态显示检测结果、数据输出功能。 5） 系统联合调试与 参数测
29、试 完成硬件和软件的联合调试，以及参数测量。 1.3.2 成果特色 该课题的关键技术在于信号 的检测、 传输 和 软件 的识别，以及 实现方法的讨论。目前这些在金属探测器领域都有值得摸索的知识点，国内在该项技术上仍是一个空白。该课题涉及传感器技术、通讯技 术、单片机和 C语言编程等，具有一定的综合性和复杂性。 本文所完成的设计将要努力实现以下特点： -6- 必须具有足够高的灵敏度，能检测出满足精度要求的金属杂质 ； 必须具有足够高的稳定度，能抵抗各种外界环境的干扰，维护方便； 快速完成检测数据采集、处理、显示、存储和标记等任务 ； 有良好的人机对话界面，可以灵活的修改参数，有记忆功能 ； 易于扩展，有较好的灵活性。 1.4 论文结构安排 第一章 绪论 讨论 金属探测器的发展历史、应用场所
