智能金屬探測小車

黃軼凡，陳佳輝，陳典隆、張嘉俊 (指導教師：林德耀,葉輕舟)

（福建工程學院 電子信息與電氣技術國家級實驗教學示范中心，福建福州，350118）

0 引言

如何利用電磁波理論和電子技術，來實現金屬探測的功能，是我們需要思考的問題。本文將這兩個原理相融合，成功制作了本裝置。本裝置稍作改造，能使得金屬探測的范圍更廣，可以到達人力無法到達的危險地方。例如地下礦井勘探作業以及輔助排雷等工作。作者發布此技術，其目的是讓更多的科技工作者，在本裝置的基礎上深入研究、探索，設計出更高水平的作品來造福我們的社會。

1 整體工作原理

假設地下無寶藏，小車內置的振蕩電路輸出的固有頻率為f0，當小車行駛至某段道路時，振蕩電路輸出的的頻率升高，表明地下有銅礦（或銅片），單片機結合事先編寫的程序驅動LCD顯示屏顯示“銅”字樣；反之，振蕩電路輸出的的頻率降低，表明地下有鐵礦（或鐵片），LCD顯示屏顯示“鐵”字樣。本裝置利用HT66F70A為控制核心以及外圍驅動電路（電機、蜂鳴器、LCD顯示屏等），實現了金屬探測及相關示警功能。

2 模塊工作原理

2.1 金屬探測傳感器模塊

2.1.1 振蕩檢測電路

銅與鐵傳感器振蕩檢測電路如圖所示，其中圖1為金屬探測傳感器振蕩檢測電原理圖。

圖1 金屬探測傳感器原理圖

三極管VT1為振蕩管，電阻R1、R3為上偏置電阻、電阻R2為下偏置電阻，電阻R4為發射機電阻。電感L1與電容C3、C4、C5、C6構成電容三點式振蕩電路，電路處于深度振蕩狀態，通過C7耦合輸出約1.5MHz的正弦波信號。

2.1.2 整形電路

圖2 整形電路

圖2為整形電路，簡言之，當輸入為正弦波信號時，經過本電路的整形后，輸出即為方波信號。

2.2 顯示報警模塊

2.2.1 LCD12864顯示屏

（1）lcd運作原理

圖3為時序圖。由CS、SCLK、STD三種時序圖配合工作，滿足 LCD12864顯示屏的正常運行。

行工作。

圖3 時序圖

圖4為合泰單片機HT66F70A局部電原理圖，當PSB腳接0時，模塊將進入串行模式按時序圖3所示的規則進

圖4 為合泰HT66F70A單片機局部硬件圖

（2）lcd硬件連接

① VSS，接地端

② VDD，電源正，接+5V

③ VO，對比度調整，一般接+5V就行了

④ D/I(CS＊)，片選，也叫使能，接+5V

⑤ R/W(SID＊)，數據輸入端

⑥ E(SCLK＊)，時鐘輸入端 7～14：DB0 ～ DB7，并行數據總線(此處為串行，故不需要連接)

2.2.2 蜂鳴器報警

在蜂鳴器上，我們選擇了無源蜂鳴器。無源蜂鳴器的優點如下：①經濟，②聲音頻率可控，可以做出“Do-Re-Mi-Fa-Sol-La-Si”的聲音。

無源蜂鳴器利用電磁感應現象，為音圈接入交變電流后形成的電磁鐵與永磁鐵相吸或相斥而推動振膜發聲，接入直流電只能持續推動振膜而無法產生聲音，只能在接通或斷開時產生聲音。因此需通過方波來驅動無源蜂鳴器，而通過調節矩形波的頻率來調節聲音。

2.3 小車系統

2.3.1 小車及電機驅動

小車電機驅動模塊，采用ST公司原裝全新的L298N芯片，可直接驅動兩路電機，本電路直流電機采用12V供電。

2.3.2 金屬探測轉化為頻率的檢測

當小車途徑金屬區域時，會引起振蕩線圈電感量的變化，從而引起電路輸出頻率的變化，所以只要檢測電路的頻率變化情況，就能知道深埋于地下的金屬是屬于何種金屬。

3 頻率的檢測與PWM波的設置

3.1 頻率的檢測

我們知道頻率1s內完成周期性變化的次數叫頻率。所以需要兩個中一個中斷用于檢測時間。一個用于記錄時間內單片機檢測到的次數。振蕩檢測電路的頻率不宜太高，單片機的采集速率跟不上，故要降低振蕩電路的頻率讓單片機在可計數范圍內（即遠低于單片機晶振頻率）完成對振蕩電路頻率的檢測。

寄存器 頻率檢測配置：

_tm2c0=0b00010000; //選擇系統時鐘

_tm2c1=0b01000000; //設置上升沿觸發中斷

_tm2rp=0x00; //使計數器能達到最大值

_t2ae=1; //開啟中斷

_mf0e=1;

_emi=1;

_t2on=1;

頻率計的中斷部分只要設置一個變量c進行計數即可寄存器計時器配置

3.2 小車PWM波

圖5 程序代碼方框圖

4 整體流程及其仿真

4.1 程序代碼方框圖

圖5為程序代碼方框圖。

4.2 仿真結果

鑒于Proteus未提供包含合泰單片機芯片的仿真器件，我們用52單片機代替。在Proteus中建立52單片機的最小系統，P0.0至P0.6端口連接數碼管段選端口，P2.0至P2.4端口連接位選端口，P3.5/T0端口連接旋轉開關，開關各端連接用于產生不同頻率矩形波的激勵源，以檢測不同頻率的信號，模擬遇到金屬時頻率變化的情況。

如圖6(a)、6(b)、6(c)分別是地層無金屬、埋入地層為鐵、埋入地層為銅的三種情況。

圖6 （a） 地層無金屬工作狀態

圖6 （b） 檢測到鐵時（等效電感L增大）工作情況

圖6 （c） 檢測到銅時（等效電感L減小）工作情況

4.3 仿真代碼

5 總結

在實際調試過程中，主要的困難在于繞制探測線圈時電感量的控制及其與被測金屬之間的距離的把握。若繞制出的探測線圈的電感量不合適，則使得振蕩電路無法起振，被測金屬離線圈過近，則金屬內產生的渦流消耗了線圈中的能量而電路停振。因此當振蕩電路無法工作時應考慮線圈電感量及其與被測金屬的距離是否合適，并適當調整線圈的直徑及匝數，使電路能輸出穩定的正弦波且小車駛經被測金屬上方時而不至停振。

金屬占地殼的25%, 存在于基礎設施，建筑，制造業和消費品等現代生活的各個方面，因此對金屬的需求與經濟增長密切相關。尤其像中國這樣的發展中國家在建設的過程中對金屬的需求也與日俱增，而本文廣泛應用于礦產勘探、探測地雷、考古和尋寶的金屬探測器搭載于機動靈活的小車上，使之能夠在特殊情況下輔助工作人員執行探測。以此為基礎，若能加裝藍牙或WIFI模塊以實現遠程控制、GPS模塊以實現定位等更實用的功能，并改進相應的程序，將為用戶帶來諸多便利，令探測工作得心應手。