1、0长沙航空职业技术学院2012 届毕业设计（论文）基于单片机的智能型金属探测器的设计学 院（部）： 航空电子电气工程系 专 业： 应用电子技术 学 生 姓 名： 梁艺钟 班 级： 电子 0901 学号 67 指导教师姓名： 谢佳君 职称 助教 最终评定成绩 2012年 5月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。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
2、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
3、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2ABSTRACTMetal detector is an instrument which use for detecting metal specially. it has been extensively used in produce ,Safety inspection, entertainment and so on. Here we designed a handheld metal detectors which based on the MCU. It can detect peopl
4、e carrying metal items such as knives,pens and even boxes of cigarettes (within the aluminum film). Portable, easy to use.It is made according to principle of electromagnetism induction. when we put an metal object around magnetic field with changing series. there will produce vortex inner metal obj
5、ect. The vortex will create magnetic field too. The new magnetic field will affect the old. The change can be convert into voltage signal for detecting by relative electrocircuit . It can also convert into frequency signal and be detected by frequency detector. Here we use the second method. The osc
6、illation circuit part is composed by Capacitance three-point oscillation circuit. The signal created by the part is magnified first and then convert into impulse signal. Then it can be processed by SCM. SCM detect its frequency ,compare with the base frequency and then determine whether to worn. We
7、add an interface to the detector. So it can communicate with other SCM system which content a lcd,a keyboard,a SCM. The SCM system can process the data more precisely and then display the result through lcd.the keyboard is used for user who want to set the detecting precision.Keywords:metaldetector;
8、the principle of electromagnetism induction;SCM;vortex;oscillation circuit34目 录1 引 言 .52 综 述 .73 方案论证 .93.1 基于单片机的金属探测器的设计方案 .93.2 MD898K金属探测器 .103.3 基于霍尔器件的数字金属探测器 .104 总体设计 .124.1 硬件电路设计 .124.2 软件结构设计 .134.2.1 前端程序结构设计 .134.2.2 外围数据处理与显示程序结构设计 .145 单元电路设计 .155.1 振荡电路设计 .155.2 放大电路和脉冲变换电路 .175.3 单片
9、机系统 .185.4 外围设置与显示系统 .196 软件模块设计 .216.1 前端软件设计 .216.2 外围数据处理与显示模块设计 .257 实现与性能分析 .2857.1 硬件电路焊接与调试 .287.1.1 振荡电路的焊接与调试 .287.1.2 放大电路与脉冲转换电路的焊接与调试 .297.1.3 单片机系统的焊接与调试 .307.1.4 外围数据处理与显示模块的焊接与调试 .317.2 软件模块的调试与集成 .337.2.1 前端金属探测模块的调试与集成 .337.2.2 外围数据处理与显示模块的调试与集成 .367.3 系统性能分析 .387.3.1 基准频率测定方法的优缺点分析
10、 .397.3.2 金属探测的精度 .39总 结 .40致 谢 .41参考文献 .42附录 .43附录一 系统实物图 .43附录二 系统总体电路图 .45附录三 防抖动键盘处理源程序 .47附录四 前端金属探测部分源程序 .53附录五 外围金属探测精度设置源程序 .65-6-1 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
11、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
12、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
13、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-7-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
14、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，监考人员在高考考又根据国务院发布，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
15、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。-8-2 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(very low frequency)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
16、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200400。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
17、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、Ran
18、ger&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-9-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
19、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
20、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。
