学位论文-—金属探测器设计.doc
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1、南京机电职业技术学院毕 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
2、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41.1 研究背景与研究意义41.2 金属探测器的历史发展41.3 金属探测器主要应用的场合41.4研究现状51.5 金属探测器的设计流程6第二章 金属探测器的类型72.1 基于单片机基础的金属探测器
3、72.2基于振荡器基础的金属探测器132.3 选择震荡电路设计的理由16第三章 振荡电路的硬件设计173.1 振荡电路173.2电容三点式振荡器183.3电感三点式振荡器20第四章 仿真、调试224.1仿真的目的 224.2 振荡电路的仿真结果224.3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
4、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
5、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、
6、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
7、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
8、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
9、,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(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
10、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
11、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
12、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一10f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
13、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23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
14、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
15、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
16、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
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