基于C8051單片機的金屬探測器系統設計

陳 蕩，陳 杰，王祥力，吳 浩

（武漢工程大學 電氣信息學院，湖北 武漢 430074）

隨著微電子和計算機技術的迅速發展，傳統的金屬探測系統也向著新的方向快速更新和發展。金屬探測器在現代社會生活和工業生產中的應用越來越廣泛，從最初應用在探雷和探測地下金屬開始發展到現在的旅行安檢、食品、反恐、冶金和藥品等方面保護性檢測與質量安全檢測。在科學技術不斷進步及金屬探測器在現代社會生活和工業生產中的作用不斷凸現的時代背景下，怎么提升和完善金屬探測器的性能，已成為本領域一個亟待解決的問題[1]。

為提升和完善金屬探測器的性能，并且降低其成本，這里采用基于電渦流效應的原理對金屬進行檢測，采用平衡式線圈作為探頭進行數據采集，然后經放大器AD620進行信號放大后輸送到單片機進行數據處理，由于這里的單片機C8051F350自帶模/數（Analog/Digital）轉換即 A/D 轉換，所以不需要設計A/D轉換電路，最后將結果在顯示屏上顯示出來以及立即產生報警信號[2]。

1 系統構架

系統構架比較簡單，可以分為3個部分。第一部分是檢測模塊，由平衡線圈檢測是否有金屬的存在，檢測到金屬時，通過電磁感應的原理會產生感應電壓信號，通過放大器AD620把信號進行差分放大；第二部分是信號的處理，信號被輸送到單片機，在單片機內部進行A/D轉換及相關數據處理；第三部分是結果的顯示與報警，在顯示屏LCD1602顯示電壓值并通過蜂鳴器報警。整體框圖如圖1所示。

圖1 系統整體框圖Fig.1 Overall block diagram of system

2 硬件設計及實現

2.1 電源模塊的設計

一般一個系統存在模擬器件與數字器件，各個器件所需的電源電壓也不盡相同。本次設計中放大器、液晶顯示屏以及蜂鳴器的工作電壓都是5 V，而單片機的工作電壓是3.3 V，故需要額外的電壓轉換電路，電壓轉換芯片選用AMS1117-3.3，其中5 V電壓用VCC來表示，3.3 V電壓用VDD來表示，其電源電壓轉換的電路如圖2所示[2]。

圖2 電源電壓轉換電路圖Fig.2 Circuit diagram of power supply voltage conversion

2.2 檢測電路的實現

2.2.1 檢測電路的原理

本次設計采用平衡線圈技術對金屬進行檢測。該技術以三個同樣大小、同軸放置的線圈為探頭，待檢物料從線圈中穿過。中間為發射線圈，通有7.8 MHz正弦波電流，在周圍空間產生一個正弦交變磁場；兩側對稱放置兩個接收線圈，同時接入一個差分放大器的輸入端。當線圈中沒有金屬物體穿過時，兩側接收線圈感應電動勢等大反向，差分輸出為零。當有金屬物體穿過線圈時，處于交變磁場中的金屬物體就會感生渦流，而渦流磁場又進一步影響兩側接收線圈的感應電動勢，由于不平衡，在差分放大器中就會有相應的信號產生，平衡線圈如圖3所示[3]。

圖3 線圈探頭Fig.3 Coil probe

2.2.2 正弦波產生電路

對于發射線圈，為了產生交變的磁場，需要有正弦信號作為激勵源，高頻的最大磁感應強度低于低頻的最大磁感應強度，低頻情況下的金屬物體中產生的電渦流較大，因而本系統選擇 7.8 MHz頻率的正弦信號。在該頻段下，可以獲得良好的靈敏度特性，又不會對其它元器件的選擇產生額外的條件。由于電容三點式振蕩電路的頻率穩定性很高，工作頻率可從幾MHz到幾百MHz，而且輸出的波形好，故選用該振蕩電路。運用公式如下式算出所需參數[5]。

其中，

電容三點式振蕩電路圖如圖4所示。

2.2.3 接收端振蕩和前置放大電路的實現

當金屬物體通過交變的磁場區時，通過接收線圈的磁通量發生改變時，將產生感應電動勢，其大小與穿過回路的磁通量對時間的變化率成正比。接收線圈與電容構成接收線圈振蕩耦合電路，振蕩耦合電路主要是感應當出現金屬時，電感線圈感應磁場的變化形成振蕩電流。由于信號微弱且含有一些噪聲，所以需要經過一級前置放大電路，前置放大電路有兩個作用：一是可以對接收的信號進行濾波，從而濾掉一些噪聲；二是對接收信號進行放大，方便后面的處理。接收端振蕩和前置放大電路圖如圖5所示。

圖4 電容三點式振蕩電路Fig.4 Oscillation circuit of three point capacitance

本設計采用AD620這款放大器，它是一款高精度低功耗儀表放大器（最大工作電流僅1.3 mA），在模擬電路中得到了廣泛應用。AD620僅需要一個外部電阻來設置增益，增益變化范圍可就以從為1變換至1 000，因而作為前置放大器使用效果非常好。此外，AD620還非常適合多路復用應用，其建立時間為15 μs，能夠實現每通道一個儀表放大器的設計[2]。

圖5 接收端振蕩電路和前置放大電路Fig.5 Oscillation circuit of receiving end and preamplifier circuit

2.3 單片機數據采集與A/D轉換的實現

該系統采用的單片機是新華龍公司的C8051F350，屬于完全集成的混合信號片上系統型單片機。其具有全速、非侵入式的在系統調試接口，故該系統采用C2下載口下載程序；24位單端/差分數模轉換器 （Analog to Digital Converter）即ADC，從而不需要外部A/D轉換電路；增強型UART和SPI串行接口，4個通用的16位定時器，高精度可編程的24.5 MHz內部振蕩器，片內上電復位、VDD監視器和溫度傳感器，片內電壓比較器，17個輸入輸出端口（Input/Output）即I/O端口等功能[6]。

C8051F350內部有一個全差分位模/數轉換器 （ADC），該ADC具有在片校準功能。A/D轉換器可以使用內部的基準電壓，也可以用外部差分電壓作基準，該系統采用的是外部基準電壓。在ADC0中包含一個可以設置8種增益的可編程增益放大器，最大增益可達128倍。ADC的差分輸入與8個外部引腳及內部溫度傳感器可以由模擬多路選擇器相連接。與內部輸入緩沖器相連的變送器可以由其提供輸入阻抗。該設計由AIN0.0與放大器輸出端相連采集信號，經過一定的數據處理顯示在顯示屏上并使蜂鳴器發出聲音[2]。

2.4 硬件電路的實現

電路圖連接如圖6所示，單片機的AIN0.0與放大器相連，用于數據的采集。單片機的P1.3位連接一發光二極管用于單片機上電的指示P1.3位連接蜂鳴器用于檢測到金屬時報警，單片機P1.0～P1.2分別與LCD1602的RS、R/W、使能端E連接，用于對顯示屏的控制，單片機的P0.0～P0.7分別與LCD1602的DB0－DB7相連接，用于數據傳輸。

在圖6中，由于單片機自帶振蕩器，故不需要設計外部振蕩器的。單片機的 AGND、AV+、P2.0、RST口用于與C2仿真器的連接，下載程序到單片機進行在線調試，其中RST用作復位。對于各電阻電容值得選取如圖6所標示。

圖6 系統電路原理圖Fig.6 System circuit diagram

3 軟件實現部分

基于C8051F350單片機的測控系統實現的功能更加強大，指令系統更加簡單，軟件設計部分采用C語言編程實現，軟件開發環境采用Silicon Laboratories IDE。

3.1 主程序流程設計

主程序流程如圖7所示，當手動按下開關S1時程序開始運行，進行初始化，初始化主要包括對各寄存器的狀態進行初始化，對單片機I/O端口、內部晶振的初始化以及對液晶顯示屏進行初始化。主程序進行數據的采集、模/數轉換以及結果的顯示。單片機采用中斷方式運行，當顯示屏的信號被單片機接收到時，中斷服務程序就被執行，單片機就會對傳送過來的模擬電壓信號進行A/D轉換，并向顯示屏發送數據并顯示出來，當檢測到金屬時，蜂鳴器發生報警。

以下僅給出A/D轉換中斷服務子程序：

圖7 主程序流程圖Fig.7 Flow diagram of main program

3.2 實驗分析

在無金屬的情況下，理論上由于采用的是平衡式接受線圈，輸出的電壓值為0，考慮到會有一定的誤差，假設其輸出電壓為U0，該電壓信號U0很微弱，屬于mV級信號，U0經過放大電路放大，得到相應的0～5 V的峰值輸出電壓Ux，然后經單片機內部轉換，同時在單片機內部完成Ux與基準電壓U0的比較，兩者比較得到一個差值，然后用其差值|Ux－U0|與預設的靈敏度U作比較。若|Ux－U0|＞U，說明檢測到了金屬，單片機P1.4控制蜂鳴器發出報警信號，其電壓值同時在顯示屏顯示出來。

4 結束語

文中介紹的基于C8051單片機的智能型金屬探測器具有成本低結構簡單和可靠性高等優點適用于對郵件行李包裹及人體夾帶的傷害性金屬物品如刀具槍械武器部件彈藥和金屬包裝的炸藥等的檢測可用于機場海關車站碼頭的安全檢查中具有較好的應用前景[4]。

[1]黃勇.金屬探測器的研究與設計[D].廣東：華南理工大學，2010.

[2]陳杰，陳蕩，熊雄.C8051單片機與霍爾傳感器系統設計[J].武漢工程大學學報，2012（7）:61－65.

CHEN Jie，CHEN Dang，XIONG Xiong.Design of C8051 microcontroller and Hall Sensor System[J].Journal of Wuhan Institute of Technology，2012（7）:61－65.

[3]張忠祥.基于ATmega8515控制的金屬探測器研究[D].山東：山東大學，2009.

[4]范麗珍，李樹華.基于單片機的智能型金屬探測器的設計[J].內蒙古大學學報，2006（37）:185－189.

FAN Li-zhen，LI Shu-hua.Design of an intelligent metal detector based on AT89S52[J].Acta Scientiarum Naturalium Universitatis NeiMongol，2006（37）:185－189.

[5]劉慧娟，李志剛.一種基于電壓和頻率的金屬探測方法[J].儀器儀表學報，2006（7）:769－772.

LIU Hui-juan，LI Zhi-gang.Metal detection method based on voltage and frequency[J].Chinese JournalofScientific Instrument，2006（7）:769－772.

[6]鹿玲，袁寶山，李業德.基于C8051F350的超市電子計價秤的設計[J].山東理工大學學報，2009，23（3）:81－84.

LU Ling，YUAN Bao-shan，LI Ye-de.The design of electronic cashier scale based on C8051F350 computer[J].Journal of Shandong University Technology，2009，23（3）:81－84.