基于STM32 单片机的便携式金属探测器设计

刘捷，蒋科军，郭钦轩，王梅雨

（1.江苏理工学院 汽车与交通工程学院，江苏常州，213001；2.上海天巡电子设备有限公司 技术研发部，上海，201318）

0 引言

金属探测器是一种专门用于探测金属的电子仪器，自其从20 世纪60 年代在英国诞生以来，经过数次技术革新，其探测距离、探测精度、环境适应性等性能都得到显著提升，应用场景也从最初的矿产探测逐渐拓展到食品安全检测、地下金属探测、安检、考古等诸多行业[1]。国内金属探测技术起步较晚，综合性能较国外有较大差距[2,3]，尤其是在金属类型识别功能上精度不高，灵敏度低[4]。针对该问题，本文利用STM32 单片机设计了一款便携式金属探测器，该金属探测器利用单片机强大的函数运算和数据处理能力，采用幅值检测和相位检测相结合的金属探测方法，能同时探测金属的种类与深度，实时检测能力和灵敏度都很好。

1 工作原理及设计方案

■1.1 工作原理

当前便携式金属探测器一般采用感应平衡式探测技术[5]，其原理如图1 所示。探测线圈由发射线圈与接收线圈组成[6]，发射线圈通入高频交流电流1i，产生交变的基本磁场，该交变磁场使得接收线圈中产生感应电流2i。当没有金属通过基本磁场时，感应电流i2不会发生变化；若有金属物体通过基本磁场，则在涡流效应[7]作用下，金属物体内会产生时变电流3i，时变电流3i将会产生一个附加磁场，该附加磁场又称第二磁场，第二磁场方向与基本磁场相反，将会抵消掉部分基本磁场，从而接收线圈中的感应电流2i也会随之发生变化。

图1 感应平衡式金属探测器的电磁原理图

通过检测接收线圈中的感应电流i2的幅值及相位变化，可以判断被测金属物体的属性[8]。

■1.2 金属探测器的系统方案设计

本次设计的金属探测器是一款便携式金属探测器，该探测器主要有两种探测模式：金属辨别模式与金属定位模式，其中金属辨别模式，可辨别常见金属类别并探测金属的埋藏深度；金属定位模式，可比较准确地探测这两类金属的埋藏深度。

设计的总体方案如图2 所示，其中主控芯片采用STM32 单片机，振荡电路产生正弦激励信号，信号经过滤波放大电路传递到发射线圈。当有金属物体通过基本磁场时，接收线圈接收到的电信号幅值与相位发生变化，接收信号经过滤波放大电路、同步解调电路与信号检测电路后传输给单片机，单片机对接收信号进行分析处理从而判定目标金属的类别和位置，并把检测结果通过LCD 显示屏（Liquid Crystal Display）和蜂鸣器展现出来。另外单片机还接收控制按键的信号，通过按键，可以设置探测模式、可探测金属种类、探测灵敏度。

图2 设计总体方案框图

2 金属探测器的硬件电路设计

硬件电路包含以下几个模块：信号发射模块，信号接收处理模块，信号检测模块、系统控制模块以及人机交互与报警模块。

■2.1 信号发射模块

信号发射模块使用的是RC 振荡电路（如图3 所示），产生的振荡信号为频率8.5kHz 的正弦波。该正弦波信号经过LM386 电路放大，能在发射线圈上形成较强的交变电磁场。

图3 信号发射模块

■2.2 信号接收处理模块

信号接收处理模块包括滤波放大电路和同步解调电路两部分（如图4 所示）。接收线圈、C14、C15 与R57 组成接收线圈振荡耦合电路。接收信号从振荡耦合电路进入滤波放大电路，以运算放大器OP37GS 为核心构成有源低通滤波放大电路，R55、C11、R56 和CA2 构成负反馈放大，放大倍数可以通过公式(1)计算。

图4 信号接收处理模块

式中：s=jω。

R55 与C11 并联后负反馈到运放OP37GS，具有低通滤波作用，可以滤掉高频噪声信号，低通滤波的通带截止频率可以通过公式(2)计算。

图4 中，参考信号为来自发射线圈的激励正弦信号，以LM393DR 与MC14016BDG 为核心构成了同步解调电路，对接收信号进行正交分解，分解为电抗信号与电阻信号，分别从LM393DR 的引脚OUT1 和OUT2 输出，电抗信号与电阻信号为相位差为90°的两路方波。

■2.3 信号检测模块

上文中的电抗信号和电阻信号这两路信号通过微分运放电路和运放电路（见图5），最终分解成电阻分量UR1和UR2、电抗分量UX1和UX2以及接收信号的幅值信号UPP。

图5 信号检测模块

金属辨别模式下，电阻分量UR和电抗分量UX经过以运算放大器U9-LMC6035IM 为核心的一级低通滤波放大电路，过滤部分干扰信号与噪声，并完成信号放大。同时，电阻分量UR1和电抗分量UX1经过二阶RC 滞后移相电路，并通过基于U5-LMC6035IM 构建的二级低通滤波放大电路，得到电阻分量UR2和电抗分量UX2。最终，电抗分量UX1、UX2与电阻分量UR1、UR2输入单片机。

按下精确定位按键，单片机从引脚PA5 输出高电平信号，场效应管Q9 导通，直流电源V3 通过TC4S66F 为U8-LMC6035IM 构建的低通滤波放大电路供电，金属定位模式开启。金属定位模式下，电阻分量UR和电抗分量UX进行滤波放大处理（见图5），增大信号幅值，从而增强探测器判断金属埋藏深度的准确度。最终，接收信号幅值UPP输入单片机。

■2.4 系统控制模块

系统控制模块为单片机系统，由主控制芯片、供电电路、Bootloader 启动配置电路和程序烧写电路组成。主控制芯片采用意法半导体公司生产的32 位单片机STM32L152RCT6，该单片机是一种超低功耗Flash 型32位RISC 指令集的嵌入式－控制器的集成电路[9]。

■2.5 人机交互与报警模块

人机交互模块主要包括控制按键和LCD 显示屏。根据功能要求，共设有8 个轻触式的设置按键，如图6 所示。

图6 按键电路

LCD 显示屏选择段式液晶屏，段氏液晶的像素排列和外形上很自由，且成本降低。液晶屏可显示金属探测器当前的探测模式、可探测的金属种类、探测灵敏度、电源电量、金属埋藏深度以及金属类别的特征值等信息。

报警模块可以输出音频信号给扬声器、蓝牙音频模块或是耳机，根据检测金属种类不同，音频信号的频率也不同。

3 金属探测器的软件程序设计

■3.1 控制程序流程设计

在本次的程序设计中，使用 Keil5 编译环境，用 C 语言对程序进行编写[10]。控制程序流程图如图7 所示，首先系统初始化，之后扫描按键并设定探测模式及其相关工作参数，接着探测器开始工作。单片机利用ADC（Analog-todigital converter）功能，读取接收线圈的电信号，并通过算法得到相位差与幅值，之后与各级阈值逐级对比，若不在阈值范围内则继续探测，若在阈值范围内则说明探测到金属，系统判断金属种类与金属位置，并更新LCD 显示屏，发送音频信号。

图7 控制程序流程图

根据信号相位差的大小，金属探测器将相位阈值由铁磁性金属到非磁性金属划分为12 级，前4 级为铁磁性金属，后8 级为非铁磁性金属。同时探测器还可数值显示金属种类，0-25 为铁磁性金属，25-90 为非铁磁性金属。根据接收信号幅值的大小，金属埋藏深度根据3 幅值阈值划分为4 个等级，分别表示金属距离探测线圈0-6cm、7-12cm、13-19cm、20-26cm、27+cm。

■3.2 金属辨别模式核心算法

假设发射线圈的激励正弦信号Uout为：

其中A为激励正弦信号的幅值。

当探测到金属时，接收线圈的接收信号Uin为：

其中：B为接收信号的幅值，θ是接收信号与发射信号的相位差，接收信号频率与发射信号相同[8]。θ的数值可用于区分金属种类，B的数值可用于检测对象金属的埋藏深度。

对式(4)分解可得：

其中，UR=Bsin (θ)，UX=Bcos(θ) 。

从式(5)可以看出，对接收信号进行正交分解可得到用于区分金属种类的电阻信号UR与电抗信号UX，其中电阻信号UR与电抗信号UX的相互正交，因此，接收信号可用复平面表示，其复平面的表达式为：

当金属与探测器相对运动时，接收信号中的电阻信号UR与电抗信号UX也随着时间而变化，即：

因此，由式(5)、式(7)与式(8)可得：

即先求得两时刻之间电阻信号幅度的变化值与电抗信号幅度的变化值的比值，然后求反正切值，便是相位差θ的值。

单片机信号采样一般都是以一个完整的周期波形为对象，所以把电阻信号的振幅作为电阻信号的变化值UR，即UR=URmax-URmin，UX1、UX2分别为URmax、URmin采样时的电抗信号，即：

4 样机实物测试

为了检测各模块电路是否可以实现预期功能，设计制作了小批量样机电路板实物（如图8 所示），PCB 板大小为12cm×12cm。并对样机电路板进行波形检测和功能检测。

图8 样机电路板

■4.1 波形检测结果

图9 为发射信号和滤波放大后的接收信号，这两个波形均为类正弦波频率为8.5kHz。

图9 发射信号与接收信号波形对比图

同步解调电路输出信号波形图如图10 所示，接收信号通过同步解调电路进行正交分解，分解为电抗信号与电阻信号，但因高频信号与噪音等因素，波形有些失真。

图10 同步解调电路输出信号波形对比图

图10 中的电阻信号与电抗信号经过低通滤波放大电路后，输出信号如图11 所示，由图中两路波形可见，低通滤波放大电路可以满足系统的滤波需求。

图11 低通滤波电路输出信号波形对比图

滞后移相电路的输入与输出信号波形对比图12 所示，输入信号与输出信号的相位差为180°。

图12 滞后移相电路的输入与输出信号波形对比图

■4.2 检测效果测试

为了验证金属探测器的性能，对一元硬币、五角硬币、紫铜块、铝片、锡箔纸、铁块、金共7 种不同金属物体分别进行金属辨别测试与金属定位测试，7 种金属尺寸如表1所示。

表1 测试金属规格尺寸

金属辨别测试，并将测试金属放置距离探测线圈20cm处，测试结果如表2 所示。测试结果显示，本设计能较为准确地区分判断金属种类。

表2 金属辨别测试结果（等级-数值）

金属定位测试，将测试金属依次放置距离探测线圈4cm、10cm、16cm、22cm、28cm 处，测试结果分别 如表3 所示。测试结果显示，本设计可以有效地探测金属的大致位置，但是由于金属大小与种类等因素的影响，当金属距离探测线圈26cm 以外时，探测结果会出现偏差。

表3 金属定位测试（距离等级）

5 结束语

本文提出了一种基于 STM32 单片机的便携式金属探测器设计。文中详细介绍了系统硬件结构及软件设计，采用了模块化设计思想，以 STM32 单片机作为核心器件，以信号发射模块，信号接收处理模块，信号检测模块等模块为外围部件进行信号采集与处理，将处理后的信号传给系统控制模块，并通过人机控制模块进行显示和控制，实现了探测金属种类与埋藏深度的功能。

实验结果显示，该探测器可以高效、准确地区分磁性金属或非铁磁性金属并判断金属的位置范围，并根据数值显示大致判断金属的具体种类，但当金属距离超过26cm，金属定位模式的探测结果会出现一定的偏差。该系统相较于市面上现有便携式金属探测器，在探测精度与探测范围有一定优势，同时具有体积小、方便携带、通用性强等优点，进一步优化了现有便携式金属探测器的性能。