陳 蕩，陳 杰，王祥力，吳 浩

（武漢工程大學(xué) 電氣信息學(xué)院，湖北 武漢 430074）

隨著微電子和計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，傳統(tǒng)的金屬探測(cè)系統(tǒng)也向著新的方向快速更新和發(fā)展。金屬探測(cè)器在現(xiàn)代社會(huì)生活和工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，從最初應(yīng)用在探雷和探測(cè)地下金屬開(kāi)始發(fā)展到現(xiàn)在的旅行安檢、食品、反恐、冶金和藥品等方面保護(hù)性檢測(cè)與質(zhì)量安全檢測(cè)。在科學(xué)技術(shù)不斷進(jìn)步及金屬探測(cè)器在現(xiàn)代社會(huì)生活和工業(yè)生產(chǎn)中的作用不斷凸現(xiàn)的時(shí)代背景下，怎么提升和完善金屬探測(cè)器的性能，已成為本領(lǐng)域一個(gè)亟待解決的問(wèn)題[1]。

為提升和完善金屬探測(cè)器的性能，并且降低其成本，這里采用基于電渦流效應(yīng)的原理對(duì)金屬進(jìn)行檢測(cè)，采用平衡式線圈作為探頭進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，然后經(jīng)放大器AD620進(jìn)行信號(hào)放大后輸送到單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，由于這里的單片機(jī)C8051F350自帶模/數(shù)（Analog/Digital）轉(zhuǎn)換即 A/D 轉(zhuǎn)換，所以不需要設(shè)計(jì)A/D轉(zhuǎn)換電路，最后將結(jié)果在顯示屏上顯示出來(lái)以及立即產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)[2]。

1 系統(tǒng)構(gòu)架

系統(tǒng)構(gòu)架比較簡(jiǎn)單，可以分為3個(gè)部分。第一部分是檢測(cè)模塊，由平衡線圈檢測(cè)是否有金屬的存在，檢測(cè)到金屬時(shí)，通過(guò)電磁感應(yīng)的原理會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電壓信號(hào)，通過(guò)放大器AD620把信號(hào)進(jìn)行差分放大；第二部分是信號(hào)的處理，信號(hào)被輸送到單片機(jī)，在單片機(jī)內(nèi)部進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換及相關(guān)數(shù)據(jù)處理；第三部分是結(jié)果的顯示與報(bào)警，在顯示屏LCD1602顯示電壓值并通過(guò)蜂鳴器報(bào)警。整體框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體框圖Fig.1 Overall block diagram of system

2 硬件設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

2.1 電源模塊的設(shè)計(jì)

一般一個(gè)系統(tǒng)存在模擬器件與數(shù)字器件，各個(gè)器件所需的電源電壓也不盡相同。本次設(shè)計(jì)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(jī)的工作電壓是3.3 V，故需要額外的電壓轉(zhuǎn)換電路，電壓轉(zhuǎn)換芯片選用AMS1117-3.3，其中5 V電壓用VCC來(lái)表示，3.3 V電壓用VDD來(lái)表示，其電源電壓轉(zhuǎn)換的電路如圖2所示[2]。

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

2.2 檢測(cè)電路的實(shí)現(xiàn)

2.2.1 檢測(cè)電路的原理

本次設(shè)計(jì)采用平衡線圈技術(shù)對(duì)金屬進(jìn)行檢測(cè)。該技術(shù)以三個(gè)同樣大小、同軸放置的線圈為探頭，待檢物料從線圈中穿過(guò)。中間為發(fā)射線圈，通有7.8 MHz正弦波電流，在周?chē)臻g產(chǎn)生一個(gè)正弦交變磁場(chǎng)；兩側(cè)對(duì)稱(chēng)放置兩個(gè)接收線圈，同時(shí)接入一個(gè)差分放大器的輸入端。當(dāng)線圈中沒(méi)有金屬物體穿過(guò)時(shí)，兩側(cè)接收線圈感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)等大反向，差分輸出為零。當(dāng)有金屬物體穿過(guò)線圈時(shí)，處于交變磁場(chǎng)中的金屬物體就會(huì)感生渦流，而渦流磁場(chǎng)又進(jìn)一步影響兩側(cè)接收線圈的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，由于不平衡，在差分放大器中就會(huì)有相應(yīng)的信號(hào)產(chǎn)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(chǎn)生電路

對(duì)于發(fā)射線圈，為了產(chǎn)生交變的磁場(chǎng)，需要有正弦信號(hào)作為激勵(lì)源，高頻的最大磁感應(yīng)強(qiáng)度低于低頻的最大磁感應(yīng)強(qiáng)度，低頻情況下的金屬物體中產(chǎn)生的電渦流較大，因而本系統(tǒng)選擇 7.8 MHz頻率的正弦信號(hào)。在該頻段下，可以獲得良好的靈敏度特性，又不會(huì)對(duì)其它元器件的選擇產(chǎn)生額外的條件。由于電容三點(diǎn)式振蕩電路的頻率穩(wěn)定性很高，工作頻率可從幾MHz到幾百M(fèi)Hz，而且輸出的波形好，故選用該振蕩電路。運(yùn)用公式如下式算出所需參數(shù)[5]。

其中，

電容三點(diǎn)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(shí)現(xiàn)

當(dāng)金屬物體通過(guò)交變的磁場(chǎng)區(qū)時(shí)，通過(guò)接收線圈的磁通量發(fā)生改變時(shí)，將產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，其大小與穿過(guò)回路的磁通量對(duì)時(shí)間的變化率成正比。接收線圈與電容構(gòu)成接收線圈振蕩耦合電路，振蕩耦合電路主要是感應(yīng)當(dāng)出現(xiàn)金屬時(shí)，電感線圈感應(yīng)磁場(chǎng)的變化形成振蕩電流。由于信號(hào)微弱且含有一些噪聲，所以需要經(jīng)過(guò)一級(jí)前置放大電路，前置放大電路有兩個(gè)作用：一是可以對(duì)接收的信號(hào)進(jìn)行濾波，從而濾掉一些噪聲；二是對(duì)接收信號(hào)進(jìn)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(diǎn)式振蕩電路Fig.4 Oscillation circuit of three point capacitance

本設(shè)計(jì)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(yīng)用。AD620僅需要一個(gè)外部電阻來(lái)設(shè)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(fù)用應(yīng)用，其建立時(shí)間為15 μs，能夠?qū)崿F(xiàn)每通道一個(gè)儀表放大器的設(shè)計(jì)[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(jī)數(shù)據(jù)采集與A/D轉(zhuǎn)換的實(shí)現(xiàn)

該系統(tǒng)采用的單片機(jī)是新華龍公司的C8051F350，屬于完全集成的混合信號(hào)片上系統(tǒng)型單片機(jī)。其具有全速、非侵入式的在系統(tǒng)調(diào)試接口，故該系統(tǒng)采用C2下載口下載程序；24位單端/差分?jǐn)?shù)模轉(zhuǎn)換器 （Analog to Digital Converter）即ADC，從而不需要外部A/D轉(zhuǎn)換電路；增強(qiáng)型UART和SPI串行接口，4個(gè)通用的16位定時(shí)器，高精度可編程的24.5 MHz內(nèi)部振蕩器，片內(nèi)上電復(fù)位、VDD監(jiān)視器和溫度傳感器，片內(nèi)電壓比較器，17個(gè)輸入輸出端口（Input/Output）即I/O端口等功能[6]。

C8051F350內(nèi)部有一個(gè)全差分位模/數(shù)轉(zhuǎn)換器 （ADC），該ADC具有在片校準(zhǔn)功能。A/D轉(zhuǎn)換器可以使用內(nèi)部的基準(zhǔn)電壓，也可以用外部差分電壓作基準(zhǔn)，該系統(tǒng)采用的是外部基準(zhǔn)電壓。在ADC0中包含一個(gè)可以設(shè)置8種增益的可編程增益放大器，最大增益可達(dá)128倍。ADC的差分輸入與8個(gè)外部引腳及內(nèi)部溫度傳感器可以由模擬多路選擇器相連接。與內(nèi)部輸入緩沖器相連的變送器可以由其提供輸入阻抗。該設(shè)計(jì)由AIN0.0與放大器輸出端相連采集信號(hào)，經(jīng)過(guò)一定的數(shù)據(jù)處理顯示在顯示屏上并使蜂鳴器發(fā)出聲音[2]。

2.4 硬件電路的實(shí)現(xiàn)

電路圖連接如圖6所示，單片機(jī)的AIN0.0與放大器相連，用于數(shù)據(jù)的采集。單片機(jī)的P1.3位連接一發(fā)光二極管用于單片機(jī)上電的指示P1.3位連接蜂鳴器用于檢測(cè)到金屬時(shí)報(bào)警，單片機(jī)P1.0～P1.2分別與LCD1602的RS、R/W、使能端E連接，用于對(duì)顯示屏的控制，單片機(jī)的P0.0～P0.7分別與LCD1602的DB0－DB7相連接，用于數(shù)據(jù)傳輸。

在圖6中，由于單片機(jī)自帶振蕩器，故不需要設(shè)計(jì)外部振蕩器的。單片機(jī)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(jī)進(jìn)行在線調(diào)試，其中RST用作復(fù)位。對(duì)于各電阻電容值得選取如圖6所標(biāo)示。

圖6 系統(tǒng)電路原理圖Fig.6 System circuit diagram

3 軟件實(shí)現(xiàn)部分

基于C8051F350單片機(jī)的測(cè)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能更加強(qiáng)大，指令系統(tǒng)更加簡(jiǎn)單，軟件設(shè)計(jì)部分采用C語(yǔ)言編程實(shí)現(xiàn)，軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境采用Silicon Laboratories IDE。

3.1 主程序流程設(shè)計(jì)

主程序流程如圖7所示，當(dāng)手動(dòng)按下開(kāi)關(guān)S1時(shí)程序開(kāi)始運(yùn)行，進(jìn)行初始化，初始化主要包括對(duì)各寄存器的狀態(tài)進(jìn)行初始化，對(duì)單片機(jī)I/O端口、內(nèi)部晶振的初始化以及對(duì)液晶顯示屏進(jìn)行初始化。主程序進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集、模/數(shù)轉(zhuǎn)換以及結(jié)果的顯示。單片機(jī)采用中斷方式運(yùn)行，當(dāng)顯示屏的信號(hào)被單片機(jī)接收到時(shí)，中斷服務(wù)程序就被執(zhí)行，單片機(jī)就會(huì)對(duì)傳送過(guò)來(lái)的模擬電壓信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，并向顯示屏發(fā)送數(shù)據(jù)并顯示出來(lái)，當(dāng)檢測(cè)到金屬時(shí)，蜂鳴器發(fā)生報(bào)警。

以下僅給出A/D轉(zhuǎn)換中斷服務(wù)子程序：

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

3.2 實(shí)驗(yàn)分析

在無(wú)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(huì)有一定的誤差，假設(shè)其輸出電壓為U0，該電壓信號(hào)U0很微弱，屬于mV級(jí)信號(hào)，U0經(jīng)過(guò)放大電路放大，得到相應(yīng)的0～5 V的峰值輸出電壓Ux，然后經(jīng)單片機(jī)內(nèi)部轉(zhuǎn)換，同時(shí)在單片機(jī)內(nèi)部完成Ux與基準(zhǔn)電壓U0的比較，兩者比較得到一個(gè)差值，然后用其差值|Ux－U0|與預(yù)設(shè)的靈敏度U作比較。若|Ux－U0|＞U，說(shuō)明檢測(cè)到了金屬，單片機(jī)P1.4控制蜂鳴器發(fā)出報(bào)警信號(hào)，其電壓值同時(shí)在顯示屏顯示出來(lái)。

4 結(jié)束語(yǔ)

文中介紹的基于C8051單片機(jī)的智能型金屬探測(cè)器具有成本低結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和可靠性高等優(yōu)點(diǎn)適用于對(duì)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(cè)可用于機(jī)場(chǎng)海關(guān)車(chē)站碼頭的安全檢查中具有較好的應(yīng)用前景[4]。

[1]黃勇.金屬探測(cè)器的研究與設(shè)計(jì)[D].廣東：華南理工大學(xué)，2010.

[2]陳杰，陳蕩，熊雄.C8051單片機(jī)與霍爾傳感器系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].武漢工程大學(xué)學(xué)報(bào)，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(cè)器研究[D].山東：山東大學(xué)，2009.

[4]范麗珍，李樹(shù)華.基于單片機(jī)的智能型金屬探測(cè)器的設(shè)計(jì)[J].內(nèi)蒙古大學(xué)學(xué)報(bào)，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(cè)方法[J].儀器儀表學(xué)報(bào)，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(yè)德.基于C8051F350的超市電子計(jì)價(jià)秤的設(shè)計(jì)[J].山東理工大學(xué)學(xué)報(bào)，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.