单片机的金属探测器设计硬件部分
目 录
1 引言 1
1.1 金属探测器的研究背景及意义 1
1.2 传感器的重要性 2
1.3 设计内容与要求 2
2 探测金属的理论依据 3
2.1 金属导磁特性 3
2.2 金属导电特性 4
3 方案选择 5
3.1 电涡流传感器为主的设计方案 5
3.2 线性霍尔传感器为主的设计方案 6
3.3 工作原理简述 8
4 硬件电路的设计 9
4.1 电容三点LC式振荡电路 9
4.2 信号处理电路 10
5 系统仿真与调试 16
5.1 Proteus软件介绍 16
5.2 系统仿真 16
5.3 系统调试 19
6 系统的优缺点分析 21
6.1 优点分析 21
6.2 缺点分析 22
结 论 23
致 谢 24
参 考 文 献 25
附录 26
1 引言
1．1 金属探测器的研究背景及意义
1.1.1 金属探测器的研究背景
金属探测器诞生于20世纪60年代，伴随着社会的不断进步和发展，刑事犯罪率也跟着上升，金属探测器的功用由对矿产的纯度进行检验慢慢地被引入到安全检查范畴，金属探测器的最初形态开始萌芽，代表着人们对于安全的理解已经从一个时代更迭到另一个时代。在航空产业蓬勃发展的过程当中，金属探测器的存在避免了许多危险事件，它逐步地得到人们的正视，这也就是在机场中开始使用金属探测门来排查违禁物品的缘故。因为金属探测器在 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥3^5`1^9`1^6^0`7^2$
机场作为第一道防线，越来越频繁地被利用，运动会、博览会及政府的安全保障工作也逐渐开始使用金属探测器作为筛选金属的工具[1]。
上世纪80年代以后，在监狱暴力案件越来越频繁发生的情况下，美国、英国、比利时等发达国家对于监狱管理机构的设置发生了变化，一方面增加警员来加强管理，另一方面使用金属探测器对出入的任何物品进行搜索检查。
在上世纪90年代，电子制造业以非常迅猛的速度生长，很多专门制造电子产品的企业纷纷出现产品流失的情形。企业为了减少和避免职员与老板之间的正面冲突，企业逐渐地利用金属探测器的性能来排除危机及安全的隐患，也使产品流失的状况得到了及时控制，金属探测器的新功能由此演化而来，即产品安全。
在“九一一”事件发生后，针对反恐事件，它已被提为国际社会的一项安全议题。在爆炸案、恐怖活动日益猖獗的情况下，各国的安全部门以打击恐怖分子为重心。国际社会对“安全防备”的了解得到了深刻的提高，行业对部署安检工作的实施加强，连公共娱乐场所行业也使用金属探测器来进行人身安全检查。随着社会进步，人们对于生活的要求日益增高，不仅希望金属探测器可以检查出是否存在金属物质，而且对于判别出具体藏匿位置的要求越来越迫切。在这个阶段，通道式的金属探测器已经不能满足人们的安全需求，所以多区位探测金属的技能应运而生，它的出现使金属探测器的发展跃上了一个全新的阶段，即把原来单一的磁场变为如今可相互叠加且相对独立的多磁场，又把人体学原理使用到其中[2]。所以多区位探测器相对于人体来说，被划分为多区段与人体对应，就使金属探测器具备了定位功能和报警功能。
到目前为止，金属探测器的发展经历了许多变化，它的分辨率，灵敏度，检测精度和功能等有了质的发展；随着它质量的提高，不断地被延展到了多个行业进行应用。
1.1.2 金属探测器的研究意义
金属探测器是基于电磁感应原理制作的。若有不断变化的电流通过线圈，将会有变化的磁场产生，如果磁场的周围有金属物体在慢慢靠近，则金属能产生闭合的感应电流，即金属涡流效应。而原来的磁场会受涡流效应产生的电磁场影响，促使金属物体的存在得到探测。金属探测器可以探测具有金属外壳或带有金属部件的物体、埋于地下的水管电缆、隐埋在墙壁内部的电线，甚至还能检测深埋于地下的金属物体，进行地下寻宝。鉴于金属探测器的功能，各类大型会议、汇展场合、运动场所、娱乐场所和监狱体系的安检，甚至公司的防偷盗搜检，都在使用金属探测器来进行扫描和检测。总之，人们对金属探测器的依赖性正在逐渐增强[3,4]。
1．2 传感器的重要性
当今的时代被赋予了信息化，人们把信息资源的开发、传输与处理作为社会活动。传感器作为信息获取的主要途径和手段，它是非电源转换和相应介质输出的前提[5]。传感器为对象与测量控制系统之间的接口，将获得的信息转换为容易传输和处理的电信号。现代科技的前沿技术非传感器技术莫属，它与通讯技术和计算机技术合并起来，人们称它们为信息技术的支柱。倘若将计算机作为识别和处理信息的“大脑”，将通讯体系作为传接信息的“神经体系”，则传感器是获取信息的“感觉器官”。传感器能不能正确感觉信息，并将感觉信息转化成可用的电信号，决定了系统的测试和控制；若要系统逐渐实现自动化和智能化，那么对传感器的要求将会变得越来越高；系统的测量、控制和自动化技术等现代科学技术的不断更新，推动了信息技术的发展空间。
由于科学技术不断地发展，人们的日常生活被各种传感器补充，传感器已渗透到人们的日常生活的细节中。可以这样说，从各种复杂的工程系统到人类生活的基本必需品，都是依靠传感器技术，传感技术极大地推对了经济的发展。
1．3 设计内容与要求
1.3.1 设计内容
设计采用线性霍尔元件作为传感器，由于它的灵敏度极高，所以金属出现引起的探测线圈周围磁场的变化都能够被它感应到；采集到的信号经过信号处理电路，检测精度得到了极大地提高；在设计的电路中，系统设计的中心器件为51系列单片机，用它对检测到的电压信号进行分析和判断。若检测出金属的存在，可以进行声光报警。
1.3.2 设计要求
（1）可到图书馆和网络查阅资料，撰写开题报告并完成外文资料翻译；
（2）熟练掌握与系统设计相关的元器件，并能够对它们的功能加以应用；
（3）掌握单片机的原理与测试系统的设计方法；
（4）进行测试系统可行性研究、论证；
（5）熟练使用Protel进行原理图输入和PCB板的布线，制作出硬件电路；
（6）进行系统电路的制作；
（7）撰写毕业设计说明书。
2 探测金属的理论依据
金属探测器探测金属是否存在的原理是基于线圈的电磁感应现象,若通交流电线圈周围有金属时，将出现两个现象：一个是线圈介质条件会发生变化，另一个是涡流效应。
2．1 金属导磁特性
如图2.1所示，设一匝圆形线圈的半径为R，当在电感线圈中通交流 时，则在它的周围将会产生相同频率的交变磁场。根据毕奥--萨伐尔定律可以得出[6]，在中心轴上，任何一点的磁感应强度B的可以表示为：
(1)
P12、P13和P14分别与LCD1602的RS、R/W和E相连；
图4.7 按键电路
4.2.6 电源模块
1 引言 1
1.1 金属探测器的研究背景及意义 1
1.2 传感器的重要性 2
1.3 设计内容与要求 2
2 探测金属的理论依据 3
2.1 金属导磁特性 3
2.2 金属导电特性 4
3 方案选择 5
3.1 电涡流传感器为主的设计方案 5
3.2 线性霍尔传感器为主的设计方案 6
3.3 工作原理简述 8
4 硬件电路的设计 9
4.1 电容三点LC式振荡电路 9
4.2 信号处理电路 10
5 系统仿真与调试 16
5.1 Proteus软件介绍 16
5.2 系统仿真 16
5.3 系统调试 19
6 系统的优缺点分析 21
6.1 优点分析 21
6.2 缺点分析 22
结 论 23
致 谢 24
参 考 文 献 25
附录 26
1 引言
1．1 金属探测器的研究背景及意义
1.1.1 金属探测器的研究背景
金属探测器诞生于20世纪60年代，伴随着社会的不断进步和发展，刑事犯罪率也跟着上升，金属探测器的功用由对矿产的纯度进行检验慢慢地被引入到安全检查范畴，金属探测器的最初形态开始萌芽，代表着人们对于安全的理解已经从一个时代更迭到另一个时代。在航空产业蓬勃发展的过程当中，金属探测器的存在避免了许多危险事件，它逐步地得到人们的正视，这也就是在机场中开始使用金属探测门来排查违禁物品的缘故。因为金属探测器在 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥3^5`1^9`1^6^0`7^2$
机场作为第一道防线，越来越频繁地被利用，运动会、博览会及政府的安全保障工作也逐渐开始使用金属探测器作为筛选金属的工具[1]。
上世纪80年代以后，在监狱暴力案件越来越频繁发生的情况下，美国、英国、比利时等发达国家对于监狱管理机构的设置发生了变化，一方面增加警员来加强管理，另一方面使用金属探测器对出入的任何物品进行搜索检查。
在上世纪90年代，电子制造业以非常迅猛的速度生长，很多专门制造电子产品的企业纷纷出现产品流失的情形。企业为了减少和避免职员与老板之间的正面冲突，企业逐渐地利用金属探测器的性能来排除危机及安全的隐患，也使产品流失的状况得到了及时控制，金属探测器的新功能由此演化而来，即产品安全。
在“九一一”事件发生后，针对反恐事件，它已被提为国际社会的一项安全议题。在爆炸案、恐怖活动日益猖獗的情况下，各国的安全部门以打击恐怖分子为重心。国际社会对“安全防备”的了解得到了深刻的提高，行业对部署安检工作的实施加强，连公共娱乐场所行业也使用金属探测器来进行人身安全检查。随着社会进步，人们对于生活的要求日益增高，不仅希望金属探测器可以检查出是否存在金属物质，而且对于判别出具体藏匿位置的要求越来越迫切。在这个阶段，通道式的金属探测器已经不能满足人们的安全需求，所以多区位探测金属的技能应运而生，它的出现使金属探测器的发展跃上了一个全新的阶段，即把原来单一的磁场变为如今可相互叠加且相对独立的多磁场，又把人体学原理使用到其中[2]。所以多区位探测器相对于人体来说，被划分为多区段与人体对应，就使金属探测器具备了定位功能和报警功能。
到目前为止，金属探测器的发展经历了许多变化，它的分辨率，灵敏度，检测精度和功能等有了质的发展；随着它质量的提高，不断地被延展到了多个行业进行应用。
1.1.2 金属探测器的研究意义
金属探测器是基于电磁感应原理制作的。若有不断变化的电流通过线圈，将会有变化的磁场产生，如果磁场的周围有金属物体在慢慢靠近，则金属能产生闭合的感应电流，即金属涡流效应。而原来的磁场会受涡流效应产生的电磁场影响，促使金属物体的存在得到探测。金属探测器可以探测具有金属外壳或带有金属部件的物体、埋于地下的水管电缆、隐埋在墙壁内部的电线，甚至还能检测深埋于地下的金属物体，进行地下寻宝。鉴于金属探测器的功能，各类大型会议、汇展场合、运动场所、娱乐场所和监狱体系的安检，甚至公司的防偷盗搜检，都在使用金属探测器来进行扫描和检测。总之，人们对金属探测器的依赖性正在逐渐增强[3,4]。
1．2 传感器的重要性
当今的时代被赋予了信息化，人们把信息资源的开发、传输与处理作为社会活动。传感器作为信息获取的主要途径和手段，它是非电源转换和相应介质输出的前提[5]。传感器为对象与测量控制系统之间的接口，将获得的信息转换为容易传输和处理的电信号。现代科技的前沿技术非传感器技术莫属，它与通讯技术和计算机技术合并起来，人们称它们为信息技术的支柱。倘若将计算机作为识别和处理信息的“大脑”，将通讯体系作为传接信息的“神经体系”，则传感器是获取信息的“感觉器官”。传感器能不能正确感觉信息，并将感觉信息转化成可用的电信号，决定了系统的测试和控制；若要系统逐渐实现自动化和智能化，那么对传感器的要求将会变得越来越高；系统的测量、控制和自动化技术等现代科学技术的不断更新，推动了信息技术的发展空间。
由于科学技术不断地发展，人们的日常生活被各种传感器补充，传感器已渗透到人们的日常生活的细节中。可以这样说，从各种复杂的工程系统到人类生活的基本必需品，都是依靠传感器技术，传感技术极大地推对了经济的发展。
1．3 设计内容与要求
1.3.1 设计内容
设计采用线性霍尔元件作为传感器，由于它的灵敏度极高，所以金属出现引起的探测线圈周围磁场的变化都能够被它感应到；采集到的信号经过信号处理电路，检测精度得到了极大地提高；在设计的电路中，系统设计的中心器件为51系列单片机，用它对检测到的电压信号进行分析和判断。若检测出金属的存在，可以进行声光报警。
1.3.2 设计要求
（1）可到图书馆和网络查阅资料，撰写开题报告并完成外文资料翻译；
（2）熟练掌握与系统设计相关的元器件，并能够对它们的功能加以应用；
（3）掌握单片机的原理与测试系统的设计方法；
（4）进行测试系统可行性研究、论证；
（5）熟练使用Protel进行原理图输入和PCB板的布线，制作出硬件电路；
（6）进行系统电路的制作；
（7）撰写毕业设计说明书。
2 探测金属的理论依据
金属探测器探测金属是否存在的原理是基于线圈的电磁感应现象,若通交流电线圈周围有金属时，将出现两个现象：一个是线圈介质条件会发生变化，另一个是涡流效应。
2．1 金属导磁特性
如图2.1所示，设一匝圆形线圈的半径为R，当在电感线圈中通交流 时，则在它的周围将会产生相同频率的交变磁场。根据毕奥--萨伐尔定律可以得出[6]，在中心轴上，任何一点的磁感应强度B的可以表示为：
(1)
P12、P13和P14分别与LCD1602的RS、R/W和E相连；
图4.7 按键电路
4.2.6 电源模块
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