基于C8051单片机的金属探测器系统设计

陈 荡，陈 杰，王祥力，吴 浩

（武汉工程大学 电气信息学院，湖北 武汉 430074）

随着微电子和计算机技术的迅速发展，传统的金属探测系统也向着新的方向快速更新和发展。金属探测器在现代社会生活和工业生产中的应用越来越广泛，从最初应用在探雷和探测地下金属开始发展到现在的旅行安检、食品、反恐、冶金和药品等方面保护性检测与质量安全检测。在科学技术不断进步及金属探测器在现代社会生活和工业生产中的作用不断凸现的时代背景下，怎么提升和完善金属探测器的性能，已成为本领域一个亟待解决的问题[1]。

为提升和完善金属探测器的性能，并且降低其成本，这里采用基于电涡流效应的原理对金属进行检测，采用平衡式线圈作为探头进行数据采集，然后经放大器AD620进行信号放大后输送到单片机进行数据处理，由于这里的单片机C8051F350自带模/数（Analog/Digital）转换即 A/D 转换，所以不需要设计A/D转换电路，最后将结果在显示屏上显示出来以及立即产生报警信号[2]。

1 系统构架

系统构架比较简单，可以分为3个部分。第一部分是检测模块，由平衡线圈检测是否有金属的存在，检测到金属时，通过电磁感应的原理会产生感应电压信号，通过放大器AD620把信号进行差分放大；第二部分是信号的处理，信号被输送到单片机，在单片机内部进行A/D转换及相关数据处理；第三部分是结果的显示与报警，在显示屏LCD1602显示电压值并通过蜂鸣器报警。整体框图如图1所示。

图1 系统整体框图Fig.1 Overall block diagram of system

2 硬件设计及实现

2.1 电源模块的设计

一般一个系统存在模拟器件与数字器件，各个器件所需的电源电压也不尽相同。本次设计中放大器、液晶显示屏以及蜂鸣器的工作电压都是5 V，而单片机的工作电压是3.3 V，故需要额外的电压转换电路，电压转换芯片选用AMS1117-3.3，其中5 V电压用VCC来表示，3.3 V电压用VDD来表示，其电源电压转换的电路如图2所示[2]。

图2 电源电压转换电路图Fig.2 Circuit diagram of power supply voltage conversion

2.2 检测电路的实现

2.2.1 检测电路的原理

本次设计采用平衡线圈技术对金属进行检测。该技术以三个同样大小、同轴放置的线圈为探头，待检物料从线圈中穿过。中间为发射线圈，通有7.8 MHz正弦波电流，在周围空间产生一个正弦交变磁场；两侧对称放置两个接收线圈，同时接入一个差分放大器的输入端。当线圈中没有金属物体穿过时，两侧接收线圈感应电动势等大反向，差分输出为零。当有金属物体穿过线圈时，处于交变磁场中的金属物体就会感生涡流，而涡流磁场又进一步影响两侧接收线圈的感应电动势，由于不平衡，在差分放大器中就会有相应的信号产生，平衡线圈如图3所示[3]。

图3 线圈探头Fig.3 Coil probe

2.2.2 正弦波产生电路

对于发射线圈，为了产生交变的磁场，需要有正弦信号作为激励源，高频的最大磁感应强度低于低频的最大磁感应强度，低频情况下的金属物体中产生的电涡流较大，因而本系统选择 7.8 MHz频率的正弦信号。在该频段下，可以获得良好的灵敏度特性，又不会对其它元器件的选择产生额外的条件。由于电容三点式振荡电路的频率稳定性很高，工作频率可从几MHz到几百MHz，而且输出的波形好，故选用该振荡电路。运用公式如下式算出所需参数[5]。

其中，

电容三点式振荡电路图如图4所示。

2.2.3 接收端振荡和前置放大电路的实现

当金属物体通过交变的磁场区时，通过接收线圈的磁通量发生改变时，将产生感应电动势，其大小与穿过回路的磁通量对时间的变化率成正比。接收线圈与电容构成接收线圈振荡耦合电路，振荡耦合电路主要是感应当出现金属时，电感线圈感应磁场的变化形成振荡电流。由于信号微弱且含有一些噪声，所以需要经过一级前置放大电路，前置放大电路有两个作用：一是可以对接收的信号进行滤波，从而滤掉一些噪声；二是对接收信号进行放大，方便后面的处理。接收端振荡和前置放大电路图如图5所示。

图4 电容三点式振荡电路Fig.4 Oscillation circuit of three point capacitance

本设计采用AD620这款放大器，它是一款高精度低功耗仪表放大器（最大工作电流仅1.3 mA），在模拟电路中得到了广泛应用。AD620仅需要一个外部电阻来设置增益，增益变化范围可就以从为1变换至1 000，因而作为前置放大器使用效果非常好。此外，AD620还非常适合多路复用应用，其建立时间为15 μs，能够实现每通道一个仪表放大器的设计[2]。

图5 接收端振荡电路和前置放大电路Fig.5 Oscillation circuit of receiving end and preamplifier circuit

2.3 单片机数据采集与A/D转换的实现

该系统采用的单片机是新华龙公司的C8051F350，属于完全集成的混合信号片上系统型单片机。其具有全速、非侵入式的在系统调试接口，故该系统采用C2下载口下载程序；24位单端/差分数模转换器 （Analog to Digital Converter）即ADC，从而不需要外部A/D转换电路；增强型UART和SPI串行接口，4个通用的16位定时器，高精度可编程的24.5 MHz内部振荡器，片内上电复位、VDD监视器和温度传感器，片内电压比较器，17个输入输出端口（Input/Output）即I/O端口等功能[6]。

C8051F350内部有一个全差分位模/数转换器 （ADC），该ADC具有在片校准功能。A/D转换器可以使用内部的基准电压，也可以用外部差分电压作基准，该系统采用的是外部基准电压。在ADC0中包含一个可以设置8种增益的可编程增益放大器，最大增益可达128倍。ADC的差分输入与8个外部引脚及内部温度传感器可以由模拟多路选择器相连接。与内部输入缓冲器相连的变送器可以由其提供输入阻抗。该设计由AIN0.0与放大器输出端相连采集信号，经过一定的数据处理显示在显示屏上并使蜂鸣器发出声音[2]。

2.4 硬件电路的实现

电路图连接如图6所示，单片机的AIN0.0与放大器相连，用于数据的采集。单片机的P1.3位连接一发光二极管用于单片机上电的指示P1.3位连接蜂鸣器用于检测到金属时报警，单片机P1.0～P1.2分别与LCD1602的RS、R/W、使能端E连接，用于对显示屏的控制，单片机的P0.0～P0.7分别与LCD1602的DB0－DB7相连接，用于数据传输。

在图6中，由于单片机自带振荡器，故不需要设计外部振荡器的。单片机的 AGND、AV+、P2.0、RST口用于与C2仿真器的连接，下载程序到单片机进行在线调试，其中RST用作复位。对于各电阻电容值得选取如图6所标示。

图6 系统电路原理图Fig.6 System circuit diagram

3 软件实现部分

基于C8051F350单片机的测控系统实现的功能更加强大，指令系统更加简单，软件设计部分采用C语言编程实现，软件开发环境采用Silicon Laboratories IDE。

3.1 主程序流程设计

主程序流程如图7所示，当手动按下开关S1时程序开始运行，进行初始化，初始化主要包括对各寄存器的状态进行初始化，对单片机I/O端口、内部晶振的初始化以及对液晶显示屏进行初始化。主程序进行数据的采集、模/数转换以及结果的显示。单片机采用中断方式运行，当显示屏的信号被单片机接收到时，中断服务程序就被执行，单片机就会对传送过来的模拟电压信号进行A/D转换，并向显示屏发送数据并显示出来，当检测到金属时，蜂鸣器发生报警。

以下仅给出A/D转换中断服务子程序：

图7 主程序流程图Fig.7 Flow diagram of main program

3.2 实验分析

在无金属的情况下，理论上由于采用的是平衡式接受线圈，输出的电压值为0，考虑到会有一定的误差，假设其输出电压为U0，该电压信号U0很微弱，属于mV级信号，U0经过放大电路放大，得到相应的0～5 V的峰值输出电压Ux，然后经单片机内部转换，同时在单片机内部完成Ux与基准电压U0的比较，两者比较得到一个差值，然后用其差值|Ux－U0|与预设的灵敏度U作比较。若|Ux－U0|＞U，说明检测到了金属，单片机P1.4控制蜂鸣器发出报警信号，其电压值同时在显示屏显示出来。

4 结束语

文中介绍的基于C8051单片机的智能型金属探测器具有成本低结构简单和可靠性高等优点适用于对邮件行李包裹及人体夹带的伤害性金属物品如刀具枪械武器部件弹药和金属包装的炸药等的检测可用于机场海关车站码头的安全检查中具有较好的应用前景[4]。

[1]黄勇.金属探测器的研究与设计[D].广东：华南理工大学，2010.

[2]陈杰，陈荡，熊雄.C8051单片机与霍尔传感器系统设计[J].武汉工程大学学报，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]张忠祥.基于ATmega8515控制的金属探测器研究[D].山东：山东大学，2009.

[4]范丽珍，李树华.基于单片机的智能型金属探测器的设计[J].内蒙古大学学报，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]刘慧娟，李志刚.一种基于电压和频率的金属探测方法[J].仪器仪表学报，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，袁宝山，李业德.基于C8051F350的超市电子计价秤的设计[J].山东理工大学学报，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.