基于单片机的金属探测器系统设计与制作.pdf

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1、目目录录一、设计思路.11.设计的思路及采取的手段及方案.11.1 设计思路.11.2 采取的技术方案.12.工具设备要求与技术规范.12.1 工具设备要求.12.2 技术规范.1二、设计过程与说明.21.设计过程.21.1 设计前期调研.21.2 设计要求.21.3 方案设计.21.4 基于单片机的金属探测器系统硬件设计.41.5 基于单片机的金属探测器系统软件设计.42.设计过程中遇到的问题及解决方法.82.1 金属探测器不能正常的检测金属及解决方法.92.2 金属探测器开机 1-2 秒后不断报警解决方法.9三、设计成果简介.101.作品特点.101.1 技术指标.101.2 性能特点.1

2、01.3 创新之处.101.4 实用性.102.对毕业设计的归纳和总结.102.1 改进意见.103.设计成果.113.1 金属探测器系统设计图纸.113.2 金属探测器系统 pcb 图.113.3 金属探测器系统实物图.123.4 测试文件.133.5 电子元器件.133.6 部分程序代码.14五、参考文献.201一、设计思路1 1.设计的思路及采取的手段及方案设计的思路及采取的手段及方案1.11.1 设计思路设计思路通过前期对该设计的调研分析，并结合单片机设备，充分的运用所学的专业知识以及实践的技能。对设计的方案进行制定，并对每个阶段进度进行规划，通过分析该设计的工艺要求和控制流程、技术要

3、求及功能、单片机的选型、单片机外部接线图设计、电路图设计、方案的完善以及程序的优化，实现基于金属探测器系统的设计，对程序系统的故障排除获得设计的成功。1.21.2 采取的技术方案采取的技术方案方法手段：通过在互联网和图书馆查找相关资料，结合以往所学习的专业知识进行安全可靠、现实可行的设计。在对单片机系统的控制现状和控制要求了解的基础上，确定整个控制系统的控制方案。图书馆查阅单片机产品设计相关书籍，一些涉及专业知识上网查阅。系统归纳重要的资料，以便后期需要时翻阅。多学习网课期间的教学视频，利用单片机软硬件多练手，多编程。觉得正确的思路询问老师的意见并加以修改。查阅到相关的设计资料作比较并汲取其精

4、华丰富设计内容。2.2.工具设备要求与技术规范工具设备要求与技术规范2.12.1 工具设备要求工具设备要求（1）AVR 单片机开发平台；（2）Altium Designer6.9；（3）稳压电源；（4）数字万用表。2.22.2 技术规范技术规范（1）GB/T4793.1-2007 测量控制和电气设备的安全要求第 1 部分:通用要求；（2）GB/T6587-2012 电子测量仪器通用规范；（3）GB/T17626.2-2006 电磁兼容试验和测量技术静电放电抗扰度试验；（4）GB/T17626.3-2016 电磁兼容试验和测量技术射频电磁场辐射抗扰度试验。2二、设计过程与说明1.1.设计过程设计

5、过程1.11.1 设计前期调研设计前期调研金属探测器（metal detector）是一种应用广泛的探测器。主要有三大类：电磁感应型，X 射线检测型，微波检测型，是用于探测金属的电子仪器，可应用于多个领域。在军事上，金属探测器可用于探测金属地雷；在安全领域，可以探测随身携带或隐藏的武器与作案工具；在考古方面，可以探测埋藏金属物品的古墓，找到古墓中的金银财宝与首饰或其他金属制品；在工程中，可用于探测地下金属埋设物，例如管道、管线等；在矿产勘探中，可用来检测和发现自然金颗粒；工业上，可用于在线监测，如去掉棉花，煤炭，食品中的金属杂物等。1.21.2 设计要求设计要求（1）设计出稳定高效的运行系统，

6、并且有一定的抗干扰能力，能够对金属物进行探测功能，并留有扩展空间。按键设置探测金属的精度。（2）查阅 STC89C52 单片机的技术手册，熟悉单片机的编程资源。（3）Protel99 SE 绘制电路原理图。（4）编写程序设计流程图。提交程序，用 Keil 仿真调试源程序。（5）程序调试过程中采用 Proteus 软件仿真观测模拟时序，观测是否正确。（6）预期目标：对金属进行探测并在探测到金属物时发出呼叫警报。1 1.3.3 方案设计方案设计金属探测器是采用线圈的电磁感应原理来探测金属的。根据电磁感应原理，当有金属靠近通电线圈平面附近时，将发生如下现象和效应:图 2-1 线圈介质条件的变化当金属

7、物接近通电线圈时，将使通电线圈周围的磁场发生变化如图 2-1，对于半径为 R 的单匝圆形电感线圈。当其中通过交变电流tcos=IIm时，线圈周围空间产生交变磁场，根据毕奥-萨伐尔定律可计算出线圈中心轴线上一点的磁感应强度 B 为：3=dlrR4I=sindB=Bd=BR20r2xrRI322()R+x23R2222I=()wtcos2R+x23ImR2r022其中，为介质的，=r0磁导率，r为相对磁导率，0为真空磁导率。对于紧密缠绕 N 匝的线圈，线圈中心轴线上一点的磁感应强度则为：()wtcosR+x2IRN=B222/3m2r0公式可知，当线圈有效探测范围内无金属物时，1=r（非金属的相对

8、磁导率），线圈中心磁感应强度 B 保持不变，当线圈有效探测范围内出现铁磁性金属物时，r会变大，B 随r也会变大。整个探测系统以 8 位单片机 STC89C52 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。作为传感器，感应由于金属出现引起的探测线圈周围磁场的变化，提高了检测精度:处理部件则采用单片机作为检测和控制核心，对检测结果进行分析判断，有效地保证了检侧原理的实施；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。系统的组成结构如下：图 2-2 金属探测器系统框图S

9、TC89C52AD 采集模块按键模块晶振电路液晶显示模块声光报警提示模块金属探测模块复位电路41 1.4.4 基于单片基于单片机机的金属探测器系统硬件设计的金属探测器系统硬件设计1.4.11.4.1 金属探测器总原理图金属探测器总原理图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。图 2-3 金属探测器系统总原理图51.4.21.4.2 电容式三点式震荡电路设计电容式三点式震荡电路设计图 2-4 电容三点式震荡电路在工作过程中，由 555 定时器构成的多谐振荡器产生一个频率为 24KHz 的脉冲信号经过缓冲和放大之后，形成频率稳定

10、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，此时，固定在线圈 L2 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。在无金属的情况下，假设霍尔输出电压为0，该电压信号0很微弱，属 mV 即信号，0经过放大电路放大，再通过峰值检波电路，得到响应的 0V5V 的峰值输出电压U0，以满足 ADC0809 的量程，经 A/D 转换后，将U0的数字量输入到单片机储存起来。此后，以该电压信号作为基准电压，与 A/D 转换器采集到的电压信号进行比较判断。1 1.4.3.4.3 电源电路设计电源电路设计图 2-5 电源模块图61 1.

11、4.4.4.4 按键按键电路电路设计设计按键需要上拉电阻，当按键按下接地，低电平导通，CPU 读取低电平。如图 2-6 所示图 2-6 按键模块图1 1.4.5.4.5 报警电路设计报警电路设计一旦发现金属出现，则被测物理量超限由单片机 I/0 口 P20 输出信号驱动发光二极管发光报警，P15 触发无源蜂鸣器用声报警提醒检测人员注意，进行必要的定位搜身检查，报警电路如图 2-7 所示。图 2-7 报警电路图1 1.4.6.4.6 放大电路比较电路放大电路比较电路图 2-8 放大与比较电路图7这是一个金属探测器放大与比较电路，电感线圈绕成一个圈，检测有金属从线圈经过时报警，经过 OP 两级放大

12、后，金属检测口用 AD 口采集电压，没有金属时，AD 口电压为 0，当有金属经过结圈时会有一个脉冲电压，AD 检测到此电压报警。如图 2-8 所示1 1.4.7.4.7 LCD1602LCD1602 显示显示电路设计电路设计LCD1602 液晶显示器是广泛使用的一种字符型液晶显示模块。它是由字符型液晶显示屏（LCD）、控制驱动主电路 HD44780 及其扩展驱动电路 HD44100，以及少量电阻、电容元件和结构件等装配在PCB 板上而组成。如图 2-9 所示。图 2-9 LCD1602 显示图1.51.5 基于单片机的金属探测器系统软件基于单片机的金属探测器系统软件1.5.11.5.1 金属探

13、测器金属探测器系统系统总程序设计总程序设计根据设计要求并综合各方面元素，此次设计使用 STC89C52 单片机为核心的一款基于单片机的金属探测器系统设计与制作，采用 C 语言来编程。开始系统初始化，开中断，通过选通道连续采样个数采集 uo 启动 A/D 等待转换完毕读取 u1，连续采样个数到算术平均值，保存均值 ux 到数据缓，CPU输出报警信号。8图 2-10 金属探测器系统启动流程图2.2.设计设计过程过程中遇到的问题及解决方法中遇到的问题及解决方法92.12.1 金属探测器不能正常的检测金属及解决方法金属探测器不能正常的检测金属及解决方法问题：金属探测器不能正常的探测金属解决方法：调节高

14、频振荡器的增益电位器，使金属探测器能探测到金属。2.22.2 金属探测器开机金属探测器开机 1-21-2 秒后不断报警解决方法秒后不断报警解决方法问题：金属探测器开机 1-2 秒后报警或震动不停解决方法：在开机报警时调低灵敏度，至不报警为止。10三、设计成果简介1.1.作品特点作品特点1.11.1 技术指标技术指标金属探测器的工作频率、灵敏度和稳定性为主要技术指标，工作频率为 24KHz。1 1.2.2 性能特点性能特点（1）以单片机 STC89C52 作为控制核心系统提高了可靠性、灵敏度和抗干扰性。（2）可以精准探测金属，操作简单，稳定性高。1 1.3.3 创新之处创新之处（1）这个金属探测

15、器具有探测度广、定位准确、分辨力强、操作简易等特点。（2）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，大大提高了系统的精准度和缩减了探测误差值。1.41.4 实用性实用性金属探测器是一种借助于传感器检测附近金属是否存在的电子仪器，常用于寻找隐藏的物体或埋在地下的金属物内的金属夹杂物。金属检测器的最简单的形式由一个的振荡器产生-个交变电流穿过线圈产生的交变磁场。随着晶体管、传感技术、集成电路以及电脑等技术的不断发展金属探测器在设备精度、轻型化等实用性方面也有了显著的改进，同时其应用范围也有了进一步的拓展目前广泛应用于金属探矿(测)、安检、工业探测等领域。2.2.对毕业设计的归纳和总结对

16、毕业设计的归纳和总结在本次的设计作品中我觉得作为一个电子信息工程专业的学生，首要具备的品质是冷静，要冷静的寻找问题的根源，冷静的面对任何突发的情况，只有这样你才能寻找更好的方法摆脱目前的困境，解决现存的问题。其次，要有足够的耐心，在进行工程的开发，尤其是电子产品的开发时，其过程中会暴露出许许多多的问题，你必须耐心对待这些问题，找出原因最后满足项目的要求。如过没有足够的耐心和勇气遇见挫折就开始心浮气躁，不知所措。那么要想顺利完成一件工程真是难上加难。在今后我也会沉着冷静的去解决问题。2.12.1 改进意见改进意见（1）可以对金属探测器的整体设计进行优化，使线路布局更加合理，整体更加美观。（2）对

17、程序和电路进行简化，减少错误率，提高稳定性。113.3.设计成果设计成果3 3.1.1 设计图纸设计图纸图 3-1 金属探测器原理图3.23.2 金属探测器系统金属探测器系统 pcbpcb 图图图 3-2 金属探测器系统 PCB 图123.33.3 作品实物图作品实物图图 3-3 金属探测器实物图实物操作视频：https:/ 测试文件测试文件图 3-4 测试文件图3.53.5 电子元器件电子元器件表 3-5 元器件清单表注释描述数量10uF10430pFLED线圈蜂鸣器LCD1602LCD1602 插座LCD1602 引出脚直插电解电容直插瓷片电容直插瓷片电容5mm 直插发光二极管XXcmLo

18、udspeakerLCD1602 液晶显示器16P 排母16P 排针142211111程序下载接口POWERS9013S90122.2K10KHeader，3-PinDC 电源插座NPN 三极管PNP 三极管色环电阻色环电阻111112141K10KSW-PBSWITCHLM393IC 插座12MHZ导线焊锡USB 转 DC3.5mm 电源线9*15 万用板单片机插座色环电阻高精度电位计可调电阻按键 6X6X5MM自锁开关电压比较器8 脚 IC 座晶振XXcmXXcm系统供电40 脚 IC 座3121111111113 3.6.6 部分程序代码部分程序代码#include#include LC

19、D1602.h#include STCEEPROM.h#define uchar unsigned char#define uintunsigned intbit flag;/定义标志位，确定是否到了 1sunsigned long x，x1;uchar T0count;/从 T0 的计数单元中读取计数的数值uchar timecount;sbit LED=P20;/LED 引脚定义sbit Speak=P15;/蜂鸣器引脚定义sbit KEY1=P13;/按键 1sbit KEY2=P14;/按键 2void Timer(void);/延时函数void Delay_ms(uint jj)ui

20、nt ii;15while(jj-)for(ii=0;iix1)/判断，发现金属LED=0;/打开 LED 和蜂鸣器Speak=0;Delay_ms(200);LED=1;/关闭 LED 和蜂鸣器Speak=1;void t0()interrupt 1 using 0/T0 中断服务T0count+;/对 P3。4 口的脉冲进行计数void t1(void)interrupt 3 using 0/T1 中断服务TH1=(65536-3689)/256;/计数初值重装载TL1=(65536-3689)%256;timecount+;18if(timecount=2490)TR0=0;timeco

21、unt=0;flag=1;/置标志void Timer(void)TMOD=0 x15;/T0 工作为 16 位计数器（方式 1），T1 工作方式为 16 位定时器TH0=0;/计数为 65536TL0=0;/TH1=(65536-4000)/256;/定时器采用定时 4ms.初值为 4000TL1=(65536-4000)%256;TR1=1;/TR1=1，控制开关闭合，计数脉冲进入 T1 计数器，启动定时TR0=1;/TR0=1，控制开关闭合，计数脉冲进入 T1 计数器，启动计数ET0=1;/定时器 0 开中断 必须关闭！ET1=1;/定时器 1 开中断EA=1;/CPU 开中断20五、参

22、考文献1杨成慧，王书志，何佑星.一种基于 STC89C52 的金属探测器控制系统设计J.自动化与仪器仪,20182邓嘉卿，金鑫.基于单片机的金属探测器控制系统设计J.科技创新导报，20183张丽丽，杨彦伟，胡丽辉，基于 STC89C52 单片机的金属探测器 J.中国新通信，20194姜波.金属探测器系统设计J.电子测试，20185刘丹丹.光感金属探测器系统设计-辽宁省大学生创新训练项目J.电子测试，20156王孝尚.基于 STM32 的金属探测器系统设计与实现J.电子世界，20177冯燕梅.基于单片机的金属探测器系统设计J.民营科技，20178周敬.基于单片机的金属探测器系统设计J.天津科技，

23、20139肖炎根，舒望.基于实时时钟芯片设计J.电子技术，201710李宏，张家田.液晶显示器件应用技术.北京：机械工业出版社，201911刘德全.可调家用万年历的单片机原理J.宁夏师范学院报，201812姜志海、刘连鑫.单片微型计算机原理及应用.机械工业出版社，201813冯育才、雷思孝.单片机系统设计及工程应用.西安电子科技大学出版社，201914李珍、付植桐.单片机原理与应用技术.清华大学大学出版社，201815沈红卫.基于单片机的智能系统设计与实现.电子工业出版社，202016谭浩强.C 程序设计（第三版）.北京：清华大学出版社，201917王晓明.电动机的单片机控制.北京：北京航空航天大学出版社，201818赵全利，肖兴达.单片机原理及应用教程（第二版）.北京：机械工业出版社，2019