金属探测器的设计
摘 要本文介绍了以STC89C51单片机为控制的一种能够智能报警的金属探测器。本文由理论依据、方案选择、硬件构成、软件设计及主要功能等组成。该金属探测器的控制核心是STC89C51单片机，因为金属涡流效应会使导电线圈周围的磁场发生一些变化，所以采取线性霍尔元器件UGN3503U作为传感器来感应，并且将磁场变化转化成为电压变化，然后将这个电压信号进行模数转换输入到单片机与之前测到的基准电压相比较，来确定有没有探测到金属。此系统软件采取C语言来写，而且在软件设计中，采取了算术平均值滤波算法来消弭干扰，来提升探测器的抗干扰能力，确保系统的精确性。
目 录
第一章 绪论 1
1.1引言 1
1.2 主要任务 1
第二章 系统的总体设计 2
2.1理论依据 2
2.2方案论证 4
2.2.1方案一： 4
2.2.2方案二： 5
2.3整体框图 5
第三章 系统的硬件设计 6
3.1线圈振荡电路: 6
3.2控制电路 6
3.2.1线性霍尔传感器 6
3.2.2电压采样电路 9
3.2.3单片机报警部分 10
第四章 系统的软件设计 11
第五章 结论 12
结束语 13
致 谢 14
参考文献 15
附录 16
附录一 电路原理图 16
第一章 绪论
1.1引言
1960年全球第一台金属探测器诞生，经过五十多年的演变，金属探测器历经了几代金属探测技术的变革，起初的金属探测器采用的是信号模拟技术，后来采用的是连续波技术，一直到今天采用的是数字脉冲计数，金属探测器所采用的简单的磁场切割的原理已经被被引用到多种科学技术发明上面。灵敏度、探测精确度以及在工作性能上，金属探测器都有了质的飞跃，随着产品质量的提升，金属探测器的应用领域也延伸到了许多其他的行业。如今，在我们的日常生活中，他已经是一个比较成熟的常见的物品了。
由于现在的金属探测器的金属已经相当的成熟，所以想要超越它是不太可能完成的事情
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，是以本设计致力于学习以及探究金属探测器所用到的基本原理，来进一步提升自己的专业知识以及水平。
1.2 主要任务
论述电磁感应的原理，以及金属导体对线圈电感量或线圈接收信号的影响，通过实验确定线圈的参数以及所施加的信号频率。
设计出探测器的电路图，焊接调试电路板，能够探测到感应线圈附近是否有金属物体存在，并进行声光报警。
第二章 系统的总体设计
2.1理论依据
本设计中的金属探测器的理论依据是根据线圈的电磁感应原理以检测是否有金属靠近的。按照电磁感应的原理，每当有金属物体接近通了电的线圈平面附近的时候，将会发生一些现象以及效应：
1.线圈外部介质条件发生变化：如果有金属物体接近通了电的线圈的时候，会使通了电的线圈周围的磁场发生一系列的变化：
在图21磁感应强度图中，我们可以看到对于半径为R的匝数为1 的圆形的电感中，通过一个交流变化的电流I = Imcost时，线圈周围空间就会长生交流变化的磁场。
图21 磁感应强度
按照BiotSavart Law可以计算出通电线圈中心轴上一点的电磁感应强度B为：
（21）
式中，= 0 r, 是介质的磁导率（magnetic permeability），r是相对磁导率，0是真空中的磁导率。
对于紧密缠绕匝数为N的通了电的线圈，线圈中心轴上任意一点的电磁感应强度可以用下面式子表示：
（22）
由公式(21)可知，在通电线圈的有效的范围之内，没有金属物体的时候，即r=1 (相对磁导率)，线圈中心轴上的电磁感应强度B的大小维持不变，当有铁磁性金属物体出现在通电线圈的有效的探测范围内的时候，r会变大，B也会随着 r变大。
2.涡流效应：根据电磁感应理论，我们都知道，当一个金属物体放置在变化的磁场中的时候，金属导体所长生的封闭的感应电流，这是金属的涡流效应。
这个时候涡流要产生一个附加的磁场，与外部磁场的方向相反，这个附加的磁场会减弱外部磁场的变化。根据这个道理，将一个交流的正弦信号输入绕在轴线上的空心线圈上，流过线圈的电流就会在线圈的周围产生一个交流变化的磁场，当把金属接近线圈时，金属由于涡流产生的磁场的去磁作用会减弱线圈磁场变化的能力。金属的电导率越大，交流变化的电流的频率越大，则涡流电流强度就越大，对原磁场的减弱作用就越强。
通过上述分析我们可以知道，如果有金属物体接近通了电的线圈平面周围的时候，介质磁导率的变化以及金属的涡流效应都能够引发电磁感应强度B的变化。对于一些非铁磁性的金属：包括抗磁体和顺磁体，它们的相对磁导率r1，电导率较大，可以认为是导电不导磁的物体，主要产生的是涡流效应，其中的磁效应是可以忽略不计;对于铁磁性金属，它们的相对磁导率r很大，电导率也较大，可以看作是既导电又导磁的物体，这些物质主要产生的是磁效应，以此同时又会产生涡流效应。
本设计就是便是根据以上的理论依据，寻求一种合适的方案来实现上述的变化。
2.2方案论证
2.2.1方案一：
图22 方案一系统框图
如图22所示，方案一中的金属探测器的组成有探测线圈，高频振荡电路，检测振荡电路，音频振荡电路，功率放大电路以及声控报警。
在方案一中，利用电磁感应的原理,使振荡器振荡的临界状态和金属导体涡流产生的振荡电路中的能量损失增加,甚至无法维持所需要的最低能量维持振荡和停止。振荡检测器检测变化,转化为语音信号,根据有或没有声音,判断探测线圈的周围是否有金属物体存在。
在方案一中，很多部分都是模拟电路，存在很多的不稳定性。
2.2.2方案二：
图23 方案二系统框图
如图23所示, 方案二的金属探测器由单片机、霍尔传感器、振荡电路、AD转换电路等组成。
整个检测系统以单片机为控制核心,首先,磁场的变化可以转换为电压的变化,然后收集电路电压送入单片机惊醒加工,通过单片机程序设置进行报警。这个解决方案电路稳定、抗干扰强、有更好的数据处理能力、高灵活性,减少漏判、错判的可能性。
综上所述，选择方案二。
目 录
第一章 绪论 1
1.1引言 1
1.2 主要任务 1
第二章 系统的总体设计 2
2.1理论依据 2
2.2方案论证 4
2.2.1方案一： 4
2.2.2方案二： 5
2.3整体框图 5
第三章 系统的硬件设计 6
3.1线圈振荡电路: 6
3.2控制电路 6
3.2.1线性霍尔传感器 6
3.2.2电压采样电路 9
3.2.3单片机报警部分 10
第四章 系统的软件设计 11
第五章 结论 12
结束语 13
致 谢 14
参考文献 15
附录 16
附录一 电路原理图 16
第一章 绪论
1.1引言
1960年全球第一台金属探测器诞生，经过五十多年的演变，金属探测器历经了几代金属探测技术的变革，起初的金属探测器采用的是信号模拟技术，后来采用的是连续波技术，一直到今天采用的是数字脉冲计数，金属探测器所采用的简单的磁场切割的原理已经被被引用到多种科学技术发明上面。灵敏度、探测精确度以及在工作性能上，金属探测器都有了质的飞跃，随着产品质量的提升，金属探测器的应用领域也延伸到了许多其他的行业。如今，在我们的日常生活中，他已经是一个比较成熟的常见的物品了。
由于现在的金属探测器的金属已经相当的成熟，所以想要超越它是不太可能完成的事情
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072￥
，是以本设计致力于学习以及探究金属探测器所用到的基本原理，来进一步提升自己的专业知识以及水平。
1.2 主要任务
论述电磁感应的原理，以及金属导体对线圈电感量或线圈接收信号的影响，通过实验确定线圈的参数以及所施加的信号频率。
设计出探测器的电路图，焊接调试电路板，能够探测到感应线圈附近是否有金属物体存在，并进行声光报警。
第二章 系统的总体设计
2.1理论依据
本设计中的金属探测器的理论依据是根据线圈的电磁感应原理以检测是否有金属靠近的。按照电磁感应的原理，每当有金属物体接近通了电的线圈平面附近的时候，将会发生一些现象以及效应：
1.线圈外部介质条件发生变化：如果有金属物体接近通了电的线圈的时候，会使通了电的线圈周围的磁场发生一系列的变化：
在图21磁感应强度图中，我们可以看到对于半径为R的匝数为1 的圆形的电感中，通过一个交流变化的电流I = Imcost时，线圈周围空间就会长生交流变化的磁场。
图21 磁感应强度
按照BiotSavart Law可以计算出通电线圈中心轴上一点的电磁感应强度B为：
（21）
式中，= 0 r, 是介质的磁导率（magnetic permeability），r是相对磁导率，0是真空中的磁导率。
对于紧密缠绕匝数为N的通了电的线圈，线圈中心轴上任意一点的电磁感应强度可以用下面式子表示：
（22）
由公式(21)可知，在通电线圈的有效的范围之内，没有金属物体的时候，即r=1 (相对磁导率)，线圈中心轴上的电磁感应强度B的大小维持不变，当有铁磁性金属物体出现在通电线圈的有效的探测范围内的时候，r会变大，B也会随着 r变大。
2.涡流效应：根据电磁感应理论，我们都知道，当一个金属物体放置在变化的磁场中的时候，金属导体所长生的封闭的感应电流，这是金属的涡流效应。
这个时候涡流要产生一个附加的磁场，与外部磁场的方向相反，这个附加的磁场会减弱外部磁场的变化。根据这个道理，将一个交流的正弦信号输入绕在轴线上的空心线圈上，流过线圈的电流就会在线圈的周围产生一个交流变化的磁场，当把金属接近线圈时，金属由于涡流产生的磁场的去磁作用会减弱线圈磁场变化的能力。金属的电导率越大，交流变化的电流的频率越大，则涡流电流强度就越大，对原磁场的减弱作用就越强。
通过上述分析我们可以知道，如果有金属物体接近通了电的线圈平面周围的时候，介质磁导率的变化以及金属的涡流效应都能够引发电磁感应强度B的变化。对于一些非铁磁性的金属：包括抗磁体和顺磁体，它们的相对磁导率r1，电导率较大，可以认为是导电不导磁的物体，主要产生的是涡流效应，其中的磁效应是可以忽略不计;对于铁磁性金属，它们的相对磁导率r很大，电导率也较大，可以看作是既导电又导磁的物体，这些物质主要产生的是磁效应，以此同时又会产生涡流效应。
本设计就是便是根据以上的理论依据，寻求一种合适的方案来实现上述的变化。
2.2方案论证
2.2.1方案一：
图22 方案一系统框图
如图22所示，方案一中的金属探测器的组成有探测线圈，高频振荡电路，检测振荡电路，音频振荡电路，功率放大电路以及声控报警。
在方案一中，利用电磁感应的原理,使振荡器振荡的临界状态和金属导体涡流产生的振荡电路中的能量损失增加,甚至无法维持所需要的最低能量维持振荡和停止。振荡检测器检测变化,转化为语音信号,根据有或没有声音,判断探测线圈的周围是否有金属物体存在。
在方案一中，很多部分都是模拟电路，存在很多的不稳定性。
2.2.2方案二：
图23 方案二系统框图
如图23所示, 方案二的金属探测器由单片机、霍尔传感器、振荡电路、AD转换电路等组成。
整个检测系统以单片机为控制核心,首先,磁场的变化可以转换为电压的变化,然后收集电路电压送入单片机惊醒加工,通过单片机程序设置进行报警。这个解决方案电路稳定、抗干扰强、有更好的数据处理能力、高灵活性,减少漏判、错判的可能性。
综上所述，选择方案二。
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