智能金属探测小车

黄轶凡，陈佳辉，陈典隆、张嘉俊 (指导教师：林德耀,叶轻舟)

（福建工程学院 电子信息与电气技术国家级实验教学示范中心，福建福州，350118）

0 引言

如何利用电磁波理论和电子技术，来实现金属探测的功能，是我们需要思考的问题。本文将这两个原理相融合，成功制作了本装置。本装置稍作改造，能使得金属探测的范围更广，可以到达人力无法到达的危险地方。例如地下矿井勘探作业以及辅助排雷等工作。作者发布此技术，其目的是让更多的科技工作者，在本装置的基础上深入研究、探索，设计出更高水平的作品来造福我们的社会。

1 整体工作原理

假设地下无宝藏，小车内置的振荡电路输出的固有频率为f0，当小车行驶至某段道路时，振荡电路输出的的频率升高，表明地下有铜矿（或铜片），单片机结合事先编写的程序驱动LCD显示屏显示“铜”字样；反之，振荡电路输出的的频率降低，表明地下有铁矿（或铁片），LCD显示屏显示“铁”字样。本装置利用HT66F70A为控制核心以及外围驱动电路（电机、蜂鸣器、LCD显示屏等），实现了金属探测及相关示警功能。

2 模块工作原理

2.1 金属探测传感器模块

2.1.1 振荡检测电路

铜与铁传感器振荡检测电路如图所示，其中图1为金属探测传感器振荡检测电原理图。

图1 金属探测传感器原理图

三极管VT1为振荡管，电阻R1、R3为上偏置电阻、电阻R2为下偏置电阻，电阻R4为发射机电阻。电感L1与电容C3、C4、C5、C6构成电容三点式振荡电路，电路处于深度振荡状态，通过C7耦合输出约1.5MHz的正弦波信号。

2.1.2 整形电路

图2 整形电路

图2为整形电路，简言之，当输入为正弦波信号时，经过本电路的整形后，输出即为方波信号。

2.2 显示报警模块

2.2.1 LCD12864显示屏

（1）lcd运作原理

图3为时序图。由CS、SCLK、STD三种时序图配合工作，满足 LCD12864显示屏的正常运行。

行工作。

图3 时序图

图4为合泰单片机HT66F70A局部电原理图，当PSB脚接0时，模块将进入串行模式按时序图3所示的规则进

图4 为合泰HT66F70A单片机局部硬件图

（2）lcd硬件连接

① VSS，接地端

② VDD，电源正，接+5V

③ VO，对比度调整，一般接+5V就行了

④ D/I(CS＊)，片选，也叫使能，接+5V

⑤ R/W(SID＊)，数据输入端

⑥ E(SCLK＊)，时钟输入端 7～14：DB0 ～ DB7，并行数据总线(此处为串行，故不需要连接)

2.2.2 蜂鸣器报警

在蜂鸣器上，我们选择了无源蜂鸣器。无源蜂鸣器的优点如下：①经济，②声音频率可控，可以做出“Do-Re-Mi-Fa-Sol-La-Si”的声音。

无源蜂鸣器利用电磁感应现象，为音圈接入交变电流后形成的电磁铁与永磁铁相吸或相斥而推动振膜发声，接入直流电只能持续推动振膜而无法产生声音，只能在接通或断开时产生声音。因此需通过方波来驱动无源蜂鸣器，而通过调节矩形波的频率来调节声音。

2.3 小车系统

2.3.1 小车及电机驱动

小车电机驱动模块，采用ST公司原装全新的L298N芯片，可直接驱动两路电机，本电路直流电机采用12V供电。

2.3.2 金属探测转化为频率的检测

当小车途径金属区域时，会引起振荡线圈电感量的变化，从而引起电路输出频率的变化，所以只要检测电路的频率变化情况，就能知道深埋于地下的金属是属于何种金属。

3 频率的检测与PWM波的设置

3.1 频率的检测

我们知道频率1s内完成周期性变化的次数叫频率。所以需要两个中一个中断用于检测时间。一个用于记录时间内单片机检测到的次数。振荡检测电路的频率不宜太高，单片机的采集速率跟不上，故要降低振荡电路的频率让单片机在可计数范围内（即远低于单片机晶振频率）完成对振荡电路频率的检测。

寄存器 频率检测配置：

_tm2c0=0b00010000; //选择系统时钟

_tm2c1=0b01000000; //设置上升沿触发中断

_tm2rp=0x00; //使计数器能达到最大值

_t2ae=1; //开启中断

_mf0e=1;

_emi=1;

_t2on=1;

频率计的中断部分只要设置一个变量c进行计数即可寄存器计时器配置

3.2 小车PWM波

图5 程序代码方框图

4 整体流程及其仿真

4.1 程序代码方框图

图5为程序代码方框图。

4.2 仿真结果

鉴于Proteus未提供包含合泰单片机芯片的仿真器件，我们用52单片机代替。在Proteus中建立52单片机的最小系统，P0.0至P0.6端口连接数码管段选端口，P2.0至P2.4端口连接位选端口，P3.5/T0端口连接旋转开关，开关各端连接用于产生不同频率矩形波的激励源，以检测不同频率的信号，模拟遇到金属时频率变化的情况。

如图6(a)、6(b)、6(c)分别是地层无金属、埋入地层为铁、埋入地层为铜的三种情况。

图6 （a） 地层无金属工作状态

图6 （b） 检测到铁时（等效电感L增大）工作情况

图6 （c） 检测到铜时（等效电感L减小）工作情况

4.3 仿真代码

5 总结

在实际调试过程中，主要的困难在于绕制探测线圈时电感量的控制及其与被测金属之间的距离的把握。若绕制出的探测线圈的电感量不合适，则使得振荡电路无法起振，被测金属离线圈过近，则金属内产生的涡流消耗了线圈中的能量而电路停振。因此当振荡电路无法工作时应考虑线圈电感量及其与被测金属的距离是否合适，并适当调整线圈的直径及匝数，使电路能输出稳定的正弦波且小车驶经被测金属上方时而不至停振。

金属占地壳的25%, 存在于基础设施，建筑，制造业和消费品等现代生活的各个方面，因此对金属的需求与经济增长密切相关。尤其像中国这样的发展中国家在建设的过程中对金属的需求也与日俱增，而本文广泛应用于矿产勘探、探测地雷、考古和寻宝的金属探测器搭载于机动灵活的小车上，使之能够在特殊情况下辅助工作人员执行探测。以此为基础，若能加装蓝牙或WIFI模块以实现远程控制、GPS模块以实现定位等更实用的功能，并改进相应的程序，将为用户带来诸多便利，令探测工作得心应手。