手持式多功能金屬探測器設計與實(shí)現

前言

金屬探測器因其功能和市場(chǎng)應用領(lǐng)域的不同，可分為以下幾種：通道式金屬探測器(又稱(chēng)：金屬探測門(mén);簡(jiǎn)稱(chēng)：安檢門(mén))、手持式金屬探測器、便攜式金屬探測器、臺式金屬探測器、工業(yè)用金屬探測器和水下金屬探測器。本文所設計的金屬探測器屬于手持式金屬探測器。金屬探測器一般都是基于感應式的工作原理。

系統工作原理

LC振蕩型金屬探測器，屬于主動(dòng)式，通過(guò)探測金屬感應電流產(chǎn)生的二次磁場(chǎng)來(lái)確定被測金屬的有無(wú)。LC振蕩型金屬探測器的信號是頻率信號，當感應到金屬時(shí)，輸出信號的頻率會(huì )有一定的變化，通過(guò)捕捉該頻率變化量可以判斷此時(shí)是否有金屬物體。這種類(lèi)型的金屬探測器應用比較廣泛，也方便設計和改進(jìn)。

如圖1，參考通道的基準信號采用有源晶振來(lái)代替，選擇32.768KHz的有源晶振進(jìn)行32分頻后得到1024Hz的頻率，與接收通道的頻率信號進(jìn)行差頻，將得到的頻率差通過(guò)PLL進(jìn)行倍頻處理，就可以得到比較高的靈敏度，同時(shí)，頻率信號的穩定度也比較好。

圖1 采用基準頻率進(jìn)行差頻

該系統的基本設計思路是：利用漆包線(xiàn)繞制成電感值為100mH的空心線(xiàn)圈，與外接電容組成LC諧振網(wǎng)絡(luò )，通過(guò)集成震蕩芯片MC1648產(chǎn)生振蕩信號，空心線(xiàn)圈靠近金屬物體時(shí)，震蕩電路的震蕩頻率會(huì )發(fā)生改變。震蕩信號與基準頻率進(jìn)行差頻處理后，將所得到的頻率信號送入由單片機和CPLD組成的測頻模塊進(jìn)行頻率測量。人機交互界面由鍵盤(pán)、LCD和單片機負責實(shí)現，系統可以通過(guò)鍵盤(pán)和LCD菜單選項進(jìn)行系統功能設置、頻率測量及數據存儲回顯等，通過(guò)對頻率異常的分析，來(lái)判斷是否探測到金屬。

本系統主要包括感應探頭(空心線(xiàn)圈)、震蕩電路模塊、基準頻率模塊、差頻模塊、測頻模塊、鍵盤(pán)控制模塊、LCD顯示模塊和電源模塊等，系統設計框圖如圖2所示。

圖2 系統設計框圖

系統硬件設計

(1)感應探頭

感應探頭部分是模擬電路的核心之一。探頭采用直徑0.2mm的漆包線(xiàn)繞制2500圈，該空心線(xiàn)圈內徑9cm,外徑11cm，電感值約為100mH。繞制完畢，用環(huán)丙樹(shù)脂對其進(jìn)行密封，并用棉布將其包裹好，盡可能的減小分布參數的影響。

感應線(xiàn)圈與外接電容組成LC諧振網(wǎng)絡(luò )，通過(guò)MC1648產(chǎn)生相應振蕩頻率的信號。MC1648這款ECL(Emitter Coupled Logic)(即發(fā)射極耦合邏輯電路,也稱(chēng)電流開(kāi)關(guān)型邏輯電路)中規模集成電路實(shí)現頻率振蕩功能。MC1648的最高頻率可達到225MHZ。為了讓MC1648的輸出電平與數字電路電平相匹配，需要進(jìn)行電平轉換，輸出接LM390，將電平上限限制在5V，下限限制在0V，與后續電路電平進(jìn)行匹配。

(2)基準頻率電路

基準頻率電路采用有源晶振進(jìn)行分頻得到，此處晶振選用頻率為32.768KHz的5V供電的TTL電平，經(jīng)過(guò)CD4060進(jìn)行32分頻后得到1.024KHz的基準信號。

(3)差頻電路

感應信號與基準信號進(jìn)行差頻處理，得到差頻信號，這個(gè)功能采用如下方法實(shí)現：兩路信號作為異或門(mén)的兩個(gè)輸入端，異或門(mén)輸出是包含著(zhù)兩種頻率成分的信號，分別為感應信號與基準信號的和頻分量與差頻分量，通過(guò)對輸出信號進(jìn)行低通濾波，即得到所需要的差頻分量。

當感應探頭附近沒(méi)有金屬物體的時(shí)候，差頻信號約為10Hz左右，為了提高信號的靈敏度，將差頻率信號進(jìn)行倍頻處理。通過(guò)將差頻信號經(jīng)過(guò)PLL進(jìn)行100倍頻后，輸出信號頻率在1000Hz左右變化。

(4)頻率測量電路

頻率測量是本系統的核心部分之一，頻率測量的方法有很多：測周期法主要針對低頻的，脈沖計數法則主要針對高頻的。因此，這兩種方法在應用的過(guò)程中都有一定的局限性。本系統采用的是等精度測頻：利用AVR單片機與CPLD相結合進(jìn)行頻率測量，具有測頻精度高、范圍寬的特點(diǎn)，并且測量的精度與待測信號無(wú)關(guān)，只與基準頻率有關(guān)。

本系統中，AVR控制CPLD對待測信號與基準信號進(jìn)行計數，并讀取測量數據，對數據進(jìn)行處理后，通過(guò)LCD進(jìn)行顯示。為了使用戶(hù)操作本系統時(shí)更加的方便，編寫(xiě)了一個(gè)簡(jiǎn)單的菜單程序，通過(guò)3×5鍵盤(pán)對相應的菜單項進(jìn)行操作，完成相應的功能。

頻率測量一般都是由計數器和定時(shí)器完成，將兩個(gè)定時(shí)/計數器一個(gè)設置為定時(shí)器，另一個(gè)設置為計數器，定時(shí)時(shí)間到后產(chǎn)生中斷，在中斷服務(wù)程序中處理結果，求出頻率。這種方法雖然測量范圍較寬，但由于存在軟件延時(shí)，盡管在高頻段能達到較高的精度，而低頻段的測量精度較低。所以利用單片機測頻時(shí)，如果選擇不好的測量方法，可能會(huì )引起很大的誤差。測量頻率時(shí)，如果不是真正依靠硬件控制計數或定時(shí)，而是由軟件查詢(xún)或中斷響應后再停止計數，雖然理論上能達到很高的精度，但實(shí)際測量中由于單片機響應有一定的時(shí)間延遲，難以做到精確測量。因此，本系統擬采用等精度測頻發(fā)來(lái)實(shí)現頻率測量。

等精度測頻工作原理：

等精度頻率測量用被測信號的多周期而不是單周期作門(mén)控信號;門(mén)控信號周期數可根據被測頻率的大小自動(dòng)調節，使計數值N保持不變，從而實(shí)現等精度測量。

預置門(mén)控信號是寬度為T(mén)的一個(gè)脈沖，Counterl和Counter2是兩個(gè)可控計數器，標準頻率信號從Counter1的時(shí)鐘輸入端CLK輸入，其頻率為Fs;經(jīng)整形后的被測信號從Counter2的時(shí)鐘輸入端CLK輸入，設其實(shí)際頻率為Fxe，測量頻率為Fx。

當預置門(mén)控信號為高電平時(shí)，經(jīng)整形后的被測信號的上沿通過(guò)D觸發(fā)器的Q端同時(shí)啟動(dòng)計數器Counter1和Counter2。Counter1、Counter2分別對被測信號(頻率為Fx)和標準頻率信號(頻率為Fs)同時(shí)計數。當預置門(mén)信號為低電平時(shí)，隨后而至的被測信號的上沿將使這兩個(gè)計數器同時(shí)關(guān)閉，時(shí)序圖如圖3所示。設在一次預置門(mén)時(shí)間T中對被測信號計數值為Nx;對標準頻率信號的計數值為Ns，則下式成立：

圖3 等精度測頻時(shí)序圖

Fx/Nx=Fy/Ny Fx=(Fy/Ny)*Nx

本系統利用AVR單片機與CPLD相結合來(lái)實(shí)現等精度測頻，具有測頻精度高，范圍寬的特點(diǎn)，并且測量的精度與待測信號無(wú)關(guān)，只與基準頻率有關(guān)。

對于本系統而言，因為周?chē)偸怯兄?zhù)或多或少的電磁干擾，干擾信號很容易串入導致感應信號的頻率有一定的波動(dòng)(頻率值波動(dòng)大小在1Hz以?xún)?，因此，采用等精度測頻的時(shí)候，只需要精度達到1Hz即可。

如圖4所示是測頻電路，采用AVR與CPLD這個(gè)組合來(lái)完成等精度測頻功能，因為AVR是5V提供電壓的，而CPLD則采用3.3V供電，所以AVR與CPLD進(jìn)行通訊的時(shí)候需要進(jìn)行電平轉換。信號從AVR流向CPLD時(shí)需要在信號線(xiàn)路中串接200歐姆的電阻進(jìn)行限流，信號從CPLD流向AVR時(shí)需要經(jīng)過(guò)74HC245進(jìn)行電平轉化，提高信號的電平閥值。

圖4 測頻電路

系統軟件控制菜單設計

為了方便用戶(hù)對儀器進(jìn)行操作，需要編寫(xiě)一個(gè)比較友好的人機界面，通過(guò)鍵盤(pán)進(jìn)行控制。圖5所示為本系統的菜單操作流程圖。

圖5 菜單選項操作流程圖

當系統上電后，系統顯示“金屬探測器”等歡迎字樣，維持數秒后，系統將進(jìn)入主菜單界面。主菜單包括三個(gè)子菜單選項：“初值校準”、“開(kāi)始探測”和“數據回顯”三個(gè)選項。

初值校準：由于本系統在不同的時(shí)間和地點(diǎn)進(jìn)行使用的時(shí)候，感應探頭與外接電容進(jìn)行諧振的振蕩頻率是不同的，因此，每次進(jìn)行開(kāi)機使用的時(shí)候，都必須先進(jìn)行初始值校準，找到當前情況下所感應的頻率的最大值，然后以該頻率值作為是否探測到金屬的一個(gè)頻率閾值。通過(guò)捕捉10次當前的頻率值，并通過(guò)軟件自動(dòng)篩選出10次測量值中的最大值，用戶(hù)可以根據所測量的最大頻率值來(lái)進(jìn)行閾值的設定。當設定完成，將返回主菜單進(jìn)行其他操作。

開(kāi)始探測：完成初值校準后，就可以開(kāi)始進(jìn)行金屬探測了，當在探測的過(guò)程中，并沒(méi)有發(fā)現金屬的時(shí)候，界面將一直顯示“正在探測”字樣，當探測到金屬，界面將出現“發(fā)現金屬”字樣，并控制蜂鳴器進(jìn)行報警，用戶(hù)可以對當前情況進(jìn)行記錄，將此時(shí)的所探測到的值保存到EEPROM中，如果探測完畢，用戶(hù)可以選擇“返回”回到主菜單界面。

數據回顯：在主菜單中選擇該菜單項，可以查詢(xún)曾經(jīng)保存的10次數據記錄，例如：此時(shí)按數字鍵“0”，則可以查詢(xún)到第0次數據記錄的內容。查詢(xún)完畢，選擇返回鍵可回到主菜單界面。

小結

由于采用了等精度測頻方案，對于1Hz精度的測頻要求，系統完全可以實(shí)現。通過(guò)測試，對于一元錢(qián)硬幣大小的金屬，在無(wú)遮擋物的情況下，本系統可以探測的有效距離在2厘米左右;對于直徑為1厘米的鋼筋，在無(wú)遮擋物的情況下，有效探測距離在5厘米左右。相信經(jīng)過(guò)進(jìn)一步的改進(jìn)和實(shí)驗，該系統能夠用于實(shí)際需求。

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