金属探测器设计毕业设计论文

毕 业 设 计(论 文)

题目 金属探测器 系部 电子工程系 专业 电子信息工程技术 姓名 乔华军 学号 G1110309

教师 王克阳

2013 年 4 月 25 日

摘 要 金属探测器是专门探测金属的仪器。被广泛的应用与生产、安检、娱乐等领域。在此次的设计中，我采用的是以模拟电路为基础的金属探测器。它可以检测到人们随身携带的金属器件，如小刀，钢笔甚至带有铝箔膜的烟盒等金属器件。此金属探测器体积小，可以随身携带，甚是方便。在软件设计中，采用了滤波电路来降低技术探测器的干扰，以提高了探测器的抗干扰能力，确保了系统的准确性。

此次的金属探测器设计主要利用的的是振荡电路的振荡原理，在探头周围没有金属物体时把振荡电路调节到刚刚能维持起振的临界状态；这个震荡信号经过放大和整形，把声光报警电路处于抑制状态。如果探头附近出现金属物体，震荡电路因电磁波能量被金属消耗而停振，同时声光报警电路因失去抑制信号而发光，发生。临界状态的细微调节是决定这种简单探测器灵敏度的重要因素。对大小一角硬币的金属物体，本探测器的大约探测距离为2厘米。

关键词：金属探测器 模拟电路 准确性 检测

目 录

第一章绪论 ...................................................................................................................... 4

1.1 研究背景与研究意义 ............................................................................................... 4

1.2 金属探测器的历史发展 ........................................................................................... 4

1.3 金属探测器主要应用的场合 ................................................................................... 4

1.4研究现状 .................................................................................................................... 5

1.5 金属探测器的设计流程 ........................................................................................... 6

第二章 金属探测器的类型 ............................................................................................ 7

2.1 基于单片机基础的金属探测器 ............................................................................... 7

2.2基于振荡器基础的金属探测器 .............................................................................. 13

2.3 选择震荡电路设计的理由 ..................................................................................... 16

第三章 振荡电路的硬件设计 ...................................................................................... 17

3.1 振荡电路 ................................................................................................................. 17

3.2电容三点式振荡器 .................................................................................................. 18

3.3电感三点式振荡器 .................................................................................................. 20

第四章 仿真、调试 ...................................................................................................... 22

4.1仿真的目的 ............................................................................................................ 22

4.2 振荡电路的仿真结果 ............................................................................................. 22

4.3制作中遇到的问题 .................................................................................................. 22

总结 ................................................................................................................................ 23

致谢 ................................................................................................................................ 24

参考文献 ........................................................................................................................ 25 附件 ............................................................................................................................... 26

第一章 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。

1.2 金属探测器的历史发展

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）、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只要应用于工矿业，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的雏形，它的出现意味着人类对安全的认知已步入一个新纪元。

一个产品的初选带动了一个行业的发展，于是安检这个既陌生又熟悉的行业开始进入市场，40多年过去了，金属探测器经历了几代探测技术的变革，从最初的信号模拟技术到连续波技术直到今天所使用的数字脉冲技术，金属探测器简单的磁场切割原理被引入多种科学技术成果。无论是灵敏度、分辨率、探测精确度还是工作性能上都有了质的飞跃，应用领域也随着产品质量的提高延伸到了多个行业。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。

1.3金属探测器主要应用的场合

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、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。

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。生活型金属探测器。危害分析及临界控制点) 基本准则的相应要求，防止对人们的生命安全造成不必要的伤害。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查和销毁这些地雷，才能保证居民的生命和财产的安全。

1.4 研究现态

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；水下金属探测器。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。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(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。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，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。

1.5设计流程

（1）提出系统设计方案：收集资料，提出系统设计方案。

（2）完成硬件电路设计：掌握调频原理，熟悉相关芯片的数据手册，参考相关电路，完成硬件电路设计。

（3）电路图绘制与硬件调试：绘制原理图，并模拟整机调试。

（4）组建测试系统：模拟测试本设计所要实现的功能和技术指标。

第二章 金属探测器的类型

2.1基于单片机基础的金属探测器

图2.1就是单片机处理系统，将频率探测、报警和通讯几个模块程序组合起来烧写进去，它就会按你事先编写好的步骤进行工作。

1) 复位电路

REST 引脚一但变成两个周期以上高电平所有的I/O口都将复位到“1”状态，编程地址计数器复位到000H ，针对这一特点在按钮两端并联一10μf 的电解电容，正极接电源，这样在按钮按下又释放后由于电容的充电可以在电阻两端维持至少两个时钟周期以上的高电平。

2) 蜂鸣器

在给蜂鸣器的正极和负极分别通上高电平和低电平时蜂鸣器就会发声，因此你可以通过给蜂鸣器不同频率的电平来使它发出不同的声音。

3) 单片机

单片机选用的是AT89C2051高性能CMOSE8位单片机，内含2K 的可反复檫写的FLASH 只读存储器和128B 的随机存储器。由于本次金属探测器的设计，包括前端金属探测部分和后台数据处理和显示两个部分，因此在前断只需要一个容量不大的单片机进行振荡频率的测量、报警和通信，2K 的AT89C2051足以满足需求。2051的“1”号记数器记录由LS08发送过来的脉冲信号，联合“0”号计数器来检测振荡电路的频率。再根据频率的变化激活相应的发光二极管和峰鸣器进行报警。

图2.1前端金属探测部分单片机系统

2.11 外围设置与显示系统

图2.2就是外围设置与显示系统，它有三部分构成：键盘输入、液晶显示和单片机系统。

1) 键盘输入

键盘采用的是2×3的按键阵列，如图3所示，该阵列键盘的工作原理是，将两条行线和3条列线接入AT89S52的一组I/O双向接口(比如：P1的低5为) ，在程序中通过给行线和列线先后输入，高电平低电平、低电平和高电平来判断是哪个按钮按下。例如给P1的低5位的电平信号为11000，假如现在第2个按钮按下则此时的管脚电平信号为01000，所以判断为第一行。再将P1的低5位置为00111，由于第2个按钮被按下，则此时的管脚电压为00101，所以可以判断是第2列，到此就可以判断是第1行第2列的按钮被按下了。

2) 液晶显示

引入液晶显示的目的主要是为了显示频率值、金属类型、精度设置时的一些提示语，其次，有了显示器对键盘的调试将更加方便。液晶显示的要求比较低，1602A 内置有基本ASCII 字符的显示编码，使用起来比较方便。且价格低廉可以满足需求。

3) 单片机系统

单片机使用的是有8K 容量FLASH 的AT89S52，由于在这个模块要引进算法对数据进行再处理，在加上液晶和键盘的驱动程序，所以需要比较大的程序空间。

图2.3 阵列键盘原理图

图2.2 液晶显示器接线图

2.1.2软件模块设计

硬件电路要完成的任务是，产生振荡，并将波形变换为能够被单片机处理的方波，接下来进行频率测定、报警、通讯等都要用程序实现最后烧入单片机。以下是各功能模块的软件设计。

软件模块是整个系统的灵魂，软件部分设计的好坏直接影响到系统的精度、可用性、方便性和智能性。好的软件上在实现系统功能的前提下尽可能的友好，方便用户的使用。金属探测器中的程序分为两个部分，前端软件模块和外围数据处理与显示模块，前端软件完成的是一些比较基础的工作，如振荡频率的检测，比较，报警等，它与底层的硬件关系比较密切所以采用汇编语言进行编写，而外围数据处理与显示模块是进行数据的再处理的，是更高一层的分析与判断，它直接处理由前端模块传过来的数据，对其进行处理显示。它的程序量比较大，包括键盘的驱动和液晶的驱动，所以选择模块性比较强的c 语言进行编写，两个模块结合起来实现了一个更加方便、智能的数字金属探测器。

2.1.3 前端软件设计

前端软件负责频率的测定、频率的比较、报警以及与外围模块的通信，程序流程图如图2.4所示。

1) 频率获得

获得频率是通过定时器T0和计数器T1两个协同工作而完成的。程序中所使用的频率不论是基准频率还是新探测的频率，都是50ms 内所获得的脉冲数。这对此次设计的手持式金属探测器已经足够了，要想提高精度，一是延长获得脉冲的时间，二是减小△PRISE(它是频率波动的范围，如果超出此范围则报警) 。

2) 获取基准频率

基准频率的获得至关重要，因为它一经获得将作为判断有无金属的基准。其值的可靠性将影响整个程序的健壮性。基准频率的获得是按照如下方法获得的，如图2.5所示。

图2.4 前端金属探测主程序流程图

F_COMM：标志是否进行通讯；F_COMP：标志比较的结果；F_FR：标志基准频率是否成功获得

F_FR：标志是否已经顺利获得基准频率。F_COMM：后台是否发送通信请求。F_OK：标志通讯已建立。F1：新获取的频率。F 基准频率。

图2.5 基准频率测定程序流程图

3) 比较模块

比较模块的程序流程图如图2.6所示，比较模块比较重要，程序通过它它来判断是否要发出警报和发出什么样的警报，可以修改传入给它的参数来改变金属探测的精度。

4) 精度设置模块

精度设置模块的程序流程图如图2.6所示，精度设置是通过改变传入给比较模块的△PRISEH ，△PRISEL 的值来改变精度的，如果△PRISEH ，△PRISEL 的值设置的都比较大则对微小的频率变化系统不会发出警报。 2.2 基于振荡器的金属探测器

图2.6频率比较程序流程图

图2.7 精度设置程序流程图

2.2基于振荡电路的金属探测器

2.2.1系统组成

如图1所示，整个金属探测器由三个部分组成。第一部分是电源，是通过3v 电压来给整个电路供电；第二部分是硬件电路，这个金属探测器主要涉及到的知识点有可调强弱震荡电路，声光报警电路，震荡信号放大电路和整形控制电路；第三部分就是探头。

图1

振荡器是不需外信号激励、自身将直流电能转换为交流电能的装置。凡是可以完成这一目的的装置都可以作为振荡器。

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 f0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UF 和输入电压UI 要相等，这是振幅平衡条件。二是Uf 和Ui 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。

振荡器的用途十分广泛，它是无线电发送设备的心脏部分，也是超外差式接收机的主要部分各种电子测试仪器如信号发生器、数字式频率计等，其核心部分都离不开正弦波振荡器。功率振荡器在工业方面(例如感应加热、介质加热等) 的用途也日益广阔。

反馈振荡器原理方框图如图2.1所示。反馈型振荡器是由放大器和反馈网络组成的一 个闭合环路，放大器通常是以某种选频网络（如振荡回路）作负载，是一个调谐放大器。

图2—1

图2.1 反馈振荡器方框图 为了能产生自激振荡，必须有正反馈，即反馈到输入端的自你好与放大器输入端的信号相位相同。定义A （S ）为开环放大器的电压放大倍数：

F(S)为反馈网络的电压反馈系数：

在振荡开始时，由于激励信号较弱，输出电压的振幅Uo 则比较小，此后经过不断放大与反馈循环，输出幅度Uo 开始逐渐增大，为了维持这一过程使输出振幅不断增加，应使反馈回来的信号比输入到放大器的信号大，即振荡开始时应为增幅振荡，即：

因此此起振的振幅条件是：

起振的相位条件是：

要使振荡器起振必须同时满足起振的振幅条件和相位条件。其中起振的相位条件即为正反馈条件。

第三章 探测器电路的硬件设计

3.1振荡器

自激振荡现象：我们常见到这样情况，当有人把他所使用的话筒靠近扬声器时，会引起一种刺耳的哨叫声，该现象如图4-1所示。

图4-1 扩音系统中的电声振荡

这种现象，是由于当话筒靠近扬声器时，来自扬声器的声波激励话筒，话筒感应电压并输入放大器，然后扬声器又把放大了的声音再送回话筒，形成正反馈。如此反复循环，就形成了声电和电声的自激振荡哨叫声。 3.1.1. 振荡器的功能

无须外加输入信号的控制，将直流电能转换为具有特定的频率和一定的振幅的交流信号的能量, 这一类电路称为振荡器。 3.1.2振荡器与放大器的区别

放大器：对外加的激励信号进行不失真的放大。

振荡器：不需外加激励信号，靠电路本身产生具有一定频率、一定波形和一定幅度的交流R 信号。 3.1.3振荡器的分类

3.1.4 反馈型振荡器的基本工作原理

1. 反馈型振荡器的含义与用途 1）. 含义：

凡是从输出信号中取出一部分反馈到输入端作为输入信号，无需外部提供激励信号，能产生等幅正弦波输出称为正反馈振荡器 2）. 用途

2. 反馈型振荡器工作原理 1．相位平衡条件2．振幅平衡条件3．起振条件

F A

ϕa +ϕf =n ⨯2π

F A

（n=0,1,2,3„）

=1

>1

振荡两个条件中，关键是相位平衡条件，如果电路不能满足正反馈要求，则肯定不会振荡。至于幅值条件，可以在满足相位条件后，调节电路的参数来达到。判断相位条件，通常采用“瞬时极性法”。 3. 反馈型振荡器的组成

一个反馈型振荡器由以下几部分组成：

基本放大电路──作用是对反馈信号进行放大； 选频网络──作用是获得单一确定的振荡频率；

反馈网络──作用是将输出回路中的能量取出一部分加到基本放大器的输入端。 为了使振荡的输出稳定，在电路中，有的还含有稳幅环节。

3.2电容三点式振荡器

电感三点式振荡器也叫考毕兹振荡器：自激振荡器的一种。如图1，图中的L 、C1、C2组成谐振回路，作为晶体管放大器的负载阻抗。反馈信号从电容器C2两端取得，送回放大器的基极b 上，而且也是将LC 回路的三个端点分别与晶体管的三个电极相连，故将这种电路成为电容三点式振荡器。由串联电容与电感回路及正反馈放大器组成。因振荡回路两串联电容的三个端点与振荡管三个管脚分别相接而得名。

3.2.1电容三点式工作原理

电容三点式振荡器是自激振荡器的一种。由串联电容与电感回路及正反馈放大器组成。因振荡回路两串联电容的三个端点与振荡管三个管脚分别相接而得名。它的优点是：反馈电压取自电容2C ，而电容对晶体管非线性特性产生的

高次谐波呈现低阻抗，所有反馈电压中高次谐波分量很小，因而输出波形很好；其缺点是：反馈系数因与回路电容有关，如果用改变电容的方法来调整振荡频率，必将改变反馈系数，从而影响起振。

3.2.2电容三点式参数

电容三点式振荡器的电路原理图如图1所示

图1

由振荡器谐振频率计算公式：

LC 振荡器有基本放大器、选频网络和正反馈网络三个部分组成。为了维持震荡，放大器的环路增益应该等于1，即1 AF ，因为在谐振频率上振荡器的反馈系数为

所以维持振荡所需的电压增益应该是：

所以维持振荡所需的电压增益应该是

放大器的电压增益可通过测量峰值输出电压Vop 和输入电压Vip 来确定，即

3.3 电感三点式振荡器

3.3.1电路组成

如图1所示为电感三点式振荡电路的原理图。这种电路的LC 并联谐振电路中的电感有首端、中间抽头和尾端三个端点，分别与放大器件的集电极、发射极（地）和基极相连，反馈信号取自电感L 2上的电压，因此，习惯上将图2所示电路称为电感三点式LC 振荡电路。

3.3.2. 相位平衡条件判断

前面讨论LC 并联谐振回路时已得出结论：谐振时，回路电流远比流入或流出LC 回路的电流大得多。因此，电感中间抽头的瞬时电位一定在首、尾两端点的瞬时电位之间。若电感的中间抽头交流接地，则首端与尾端的信号电压相位相反。若电感的首端或尾端交流接地，则电感其他两个端点的信号电压相位相同。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，这是振幅平衡条件。二是和必须相位相同，这是相位平衡条件，也就是说必须保证是正反馈。

3.3.3. 幅值条件及振荡频率

至于振幅条件，则容易满足，只要适当选择BJT 的工作点和L 2/L1的比值，就可以实现起振。考虑到L 1、L 2间的互感M 后，电路的

振荡频率可近似表示为: 如图

2

f =f 0=

1

2π(L 1+L 2+2M ) C

电感三点式正弦波振荡电路不仅容易起振，而且采用可变电容器能在较宽的范围内调节振荡频率，其工作频率范围可以从数百千赫至数十兆赫，所以用在经常改变频率的场合（例如收音机、信号发生器等）。电路的缺点是，反馈电压取自L 2上，L 2对高次谐波（相对于f 0而言）阻抗较大，因而引起振荡回路输出谐波分量增大，输出波形较差。

正弦振荡器静态工作点应设计在放大区，并略偏向截止的方向，称这样工作状态为软激励状态。若静态工作点设计在接近截止区或截止区称为硬激励状态，应极力避免。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能通过，使振荡器产生单一频率的输出。