一种基于单片机的金属探测器的制作方法

本实用新型涉及一种金属探测器，具体是一种基于单片机的金属探测器。

背景技术：

金属探测器是设计专门用来探测某些金属物体的高精度仪器，除了可以探测外壳是金属或内部含有金属材质的文物等相关物体之外，还可以用来检测出隐藏在墙壁里面的金属电线，或者埋在地面以下的电缆，甚至能够寻找地下宝藏的埋藏位置，将埋藏于地下的金属物体找出。在战争年代是非常重要的多功能军事工具，用于发现金属材质外壳的地雷，有效的减少士兵的伤亡情况。在20世纪70年代因为航空航天工业的发展极为迅速，由于安检体系还没完全完善，时常发生恶性持刀劫机事件和各种不确定因素导致的危险事件，使航空安检和机场安全受到政府地方的高度重视，所以在机场各种复杂的电子仪器中，金属探测器从来都是不可或缺的重要安检仪器。同时，由于金属探测器在机场安检中的成功应用，使劫机、空中犯罪率大大降低。现在还广泛应用于各种高级会议中心、商场汇展、体育赛事、春运、国考及大型娱乐场所的重要安检和制造型工厂的防偷检测。此时就对金属探测器的多功能性提出了要求，如果设计的金属检测器非常简单，那么就不能完全满足复杂情况下的安全要求，安检人员难于准确地找出违禁品藏匿位置。而现有的金属探测器普遍存在结构较为复杂，控制精准度低的缺陷，因此有待于改进。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种基于单片机的金属探测器，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：

一种基于单片机的金属探测器，包括线圈振荡电路、整形电路、单片机控制电路、按键电路、LCD显示电路和报警电路。所述线圈振荡电路的输出端连接整形电路的输入端，整形电路的输出端连接单片机控制电路，单片机控制电路输出端连接报警电路的输入端和LCD显示电路的输入端，按键电路连接单片机控制电路的输入端。

作为本实用新型的进一步技术方案：所述线圈振荡电路包括电感L1和三极管Q1，三极管Q1的发射极连接电阻R2、电容C1和电感L1，电感L1的另一端连接电容C2和电容C3，电容C3的另一端连接电阻R1和三极管Q1的基极，电阻R1的另一端连接电阻R2的另一端和电源VCC，电容C1的另一端连接电容C2的另一端和三极管Q1的集电极并接地。

作为本实用新型的进一步技术方案：所述整形电路是由LM393芯片构成的电压比较器。

作为本实用新型的进一步技术方案：所述单片机控制电路采用STC89C52单片机。

作为本实用新型的进一步技术方案：所述LCD显示电路采用LCD1602芯片，按键电路包括按键K1和按键K2。

作为本实用新型的进一步技术方案：所述报警电路包括喇叭BELL和三极管Q2，三极管Q2的集电极连接喇叭BELL，三极管Q2的发射极连接电源VCC，三极管Q2的基极连接电阻R4的一端，R4的另一端连接单片机的P2.3引脚，喇叭BELL的另一端接地。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：本实用新型金属探测器可以设定报警阈值，当探测频率超过报警阈值频率时，则单片机判断为发现金属并报警。本实用新型利用电磁感应原理，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，涡流反过来有影响原来的磁场，引发探测器报警，具有较高的探测精度。

附图说明

图1为本实用新型的整体方框图。

图2为线圈振荡电路图。

图3为整形电路图。

图4为单片机控制电路的原理图。

图5为显示电路和按键电路图。

图6为报警电路图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

请参阅图1-6，实施例1：一种基于单片机的金属探测器，原理框图如图1所示。系统由线圈振荡电路、整形电路、单片机控制电路、按键电路、LCD显示电路和报警电路组成。线圈振荡电路由电容三点式振荡电路构成，通过电容三点式振荡电路起振，在金属线圈内形成交流正弦电信号产生稳定的磁场，此时，线圈中的正弦交流信号就会送入到整形电路中，通过电压比较器将正弦信号转化为方波信号，再送入到单片机内部，计算出此时电信号的频率数值，和预先设定的报警阈值比较，调整报警阈值的大小以提高金属探测器的准确性。当有金属在金属线圈的磁场中时，金属内部产生涡流，影响原磁场的变化，线圈中正弦电流信号的频率和幅值也随之发生改变，整形之后方波的频率也随变化的正弦信号频率相同，再与之前设定的报警阈值频率比较，从而报警发现金属。

（1）线圈振荡电路；

这部分电路是金属探测器的基础结构，金属探测器的主要工作原理是：当金属物体放置于交流变化的磁场当中时，金属物体内部就会发生涡流效应，产生涡流，而涡流所产生的新磁场又会影响原磁场的场强。线圈振荡电路的首要任务就是产生交变磁场，它一般都是由LC振荡电路组成。这种微弱的电信号经比较整形和转换后送入单片机中，单片机中编写调试好的程序对信号进行分析并判断。

（2）整形电路；

振荡电路所产生的正弦波信号不能被单片机直接检测，单片机检测方波信号时才能准确计算出信号的频率，将前级电路产生的正弦波经过电压比较器与设定的电压阈值进行大小比较，得出频率相同的方波，输送到单片机内进行检测。

（3）单片机控制电路；

单片机控制电路是金属探测器的核心，对前端模块电路所产生的电信号进行处理，根据处理结果判断被测物体是否存在金属，并且决定是否报警。这一部分处理能力的强弱直接会影响到整个金属探测系统的性能指标。单片机可以将外部模块电路探测到的金属物体的信息进行合理的分析，同时也可以发送对外部模块电路的控制信号，如对金属探测器的精度或警报阈值等其他方面进行设置。

综上所述，系统采用金属探测线圈感应外部金属，将感应到的磁场强度信号通过电信号表现出来，再经过整形电路随后传到单片机内部进行处理，判断有无金属，将检测结果显示在LCD1602液晶屏上，并且判断是否报警。

实施例2：在实施例1的基础上，本设计的对各个模块做出了具体的电路设计，线圈振荡电路如图2所示：线圈振荡电路使用的是电容三点式振荡电路，并且在保证电容三点式振荡电路产生稳定振荡的前提下，振荡频率必须要小于300KHz。这样的参数设置是为了使金属探测器在进行正常工作时广播频段的电磁波对其的正常工作干扰没有影响，就需要使频率必须保持在300KHz以下。

一般是在满足基于本实用新型要求的前提下，再选择电路的各个元器件参数。因此，在谐振回路中对起振最重要的电容C1、C2和电感L1分别选择使用0.22μf、0.47μf和500μh。但是此电感值是通过计算后所得出的理论数值，在实物制作中是将漆包线缠绕20圈左右，制作成直径为5cm的金属线圈，所得的线圈电感值就会很接近500μh大小，但也存在一定范围的误差。其中共射极反馈放大电路中三极管选用放大倍数为50倍的8050，性能稳定可靠，并且功耗较低效率较高，适合用于线圈振荡电路中的放大器。经过焊接调试后，线圈振荡电路的实际频率可以达到33KHz。

电容三点式振荡电路的主要工作原理分析，如果此电路中的反馈回路处于断开状态，同时三极管的基极为正极性，从共射极放大电路的反向放大原理就可以看出，三极管的集电极端只能是负极性，并且因为线圈振荡电路中谐振回路的两个耦合电容都同时接地，另外一端串联一个金属线圈制成的电感，若两个耦合电容所带的极性互为相反，则电路中反馈端为正极性，这就已经满足相位平衡的基本条件。此电路中三极管的放大倍数相对较大而且电容C1、C2的比值小于0.5，满足了电路起振的条件从而有利于起振。由于反馈电压是从电容两端去除的，对线圈振荡电路中高次谐波的阻抗非常小，可以将多余的高次谐波基本上都滤除干净，所以输出的波形稳定且良好。

整形电路采用集成运放LM393芯片构成的电压比较器，电压比较器是对输入信号与参考电压进行比较的电路，将振荡电路产生的正弦波转换成方波，保持电信号的频率不变。电路如图3所示。从振荡电路输送过来的正弦电信号经过电压比较器进行比较运算。在输入端接入一个滑动变阻器，这时滑动变阻器上的分压值就是电压比较器的判定阈值，当输入的正弦波信号电压大于阈值电压时，输出为高电平；当输入的正弦波电压小于阈值电压时，输出为低电平，正弦波信号就被整形为矩形波信号，矩形波信号的周期和正弦波相同，所以输入正弦波的频率不会发生改变，便于单片机程序处理结果。

单片机最小系统由单片机、时钟电路和复位电路组成。单片机最小系统原理图如图4所示。单片机采用宏晶科技公司生产的STC89C52芯片，主要特征有以下几点：兼容8051单片机；内部具有8K字节程序存储空间， 512字节数据存储空间和2K字节的EEPROM存储空间； 32个通用I/O口；程序可直接通过串口（RxD/P3.0,TxD/P3.1）下载程序； 3个16位定时器/计数器（T0、T1、T2），2个外部中断（INT0、INT1），1个串行中断（TI/RI）。其中，STC89C52单片机端口使用了需要接上拉电阻的P0口，并且作为LCD 1602的数据端口，而P2.5、P2.6、P2.7作为LCD的控制端口。P2.3连接报警电路的输入端口。P1.1、P1.2作为按键电路的控制端口，P3.0、P3.1则是单片机在线编程ISP下载端口，外接一个ISP下载模块。电容C4和电阻R3构成上电自动复位电路，电容C5、C6和晶振J1构成时钟电路。

显示电路采用的液晶显示屏是LCD1602，LCD1602只能显示只符号、数字和字母，是一种点阵字符型液晶，通过电流来刺激液晶分子从而产生点、线、面，与内部背面发光管加以配合形成画面。如图5所示，LCD1602的寄存器选择端RS与单片机P2.1连接，读写控制端R/W直接接地，使能端E与单片机P2.1连接，电路的读写操作、屏幕和光标操作就可以通过对RS和R/W端进行指令编程来实现，D0-D7与单片机的P0.0-P0.7连接。此外，通过调节10K的精密可调电阻RT2从而达到改变液晶显示对比度。

如图5所示，按键电路的两个按键K1和K2一端连在一起后接地，另一端分别接入单片机P1.1、P1.2端口，分别设定报警阈值频率的加和减，加减的分辨率都是0.1KHz，单片机端口默认高电平，所以当按键按下后端口电平被拉低，按键弹起后又恢复高电平，相当于一个低电压的脉冲送入单片机内，程序设定单片机检测到低电平时报警阈值频率就会加或减0.1KHz。

报警电路主要由有源+5V的蜂鸣器、PNP三极管S8550和电阻R4组成。如图6所示。当STC89C52单片机的P2.3端口输出高电平时，三极管处于截至状态，此时三极管不导通，蜂鸣器不发声。当P2.3端口输出一个低电平时，三极管处于导通状态，蜂鸣器开始正常工作。对于本领域技术人员而言，显然本实用新型不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本实用新型的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本实用新型。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本实用新型的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本实用新型内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。