基于单片机的金属探测器的设计

【摘要】该金属探测器是以单片机为核心，通过霍尔传感器测量线圈磁场的变化间接测量电压的变化，和基准电压值相比较，来判断是否探测到金属。

【关键词】单片机；霍尔传感器；金属探测器

1.引言

金属探测器是一种专门用来探测金属的仪器，用于探测地雷，隐蔽的电缆、水管，甚至能够地下探宝，发现埋藏在地下的金属物体。机场和车站的安检。考场防作弊之金属探测等。

金属探测器是采用的线圈的电磁感应原理来进行探测金属的。由电磁感应原理：当金属物体靠近通电线圈平面时，线圈介质条件会发生变化并产生涡流效应。

2.电路总体框图

探测系统以8位单片机AT89S52作为控制核心，其硬件电路分为两个部分，一部分为线圈振荡电路，包括：多谐振荡电路、放大电路和探测线圈；另一部分为控制电路。系统组成框图如图1所示：

3.系统硬件设计

3.1 线圈振荡电路

由555定时器构成的多谐振荡器产生一个频率为24KHz的脉冲信号经过缓冲和放大之后，形成频率稳定度高、功率较大的脉冲信号输入到探测线圈中，通电的线圈周围就会产生磁场，此时，固定在线圈L1中心的霍尔元件UGN3503U就会感应到线圈周围的磁场，并将磁场强度信号线性地转变成电压信号。线圈振荡电路如图2所示：

3.2 数据采集电路

线性霍尔传感器UGN3503U--以电涡流传感器为传感元件，将金属接近传感器的距离转化为电感；金属物体使通电线圈周围磁场发生变化，霍尔元件磁场的变化转变成电压信号。

3.3 放大和峰值检波电路

放大和峰值检波电路：由前置放大电路和峰值检波电路组成。

3.3.1 前置放大电路

霍尔传感器采集到是毫伏级的微弱的电压信号，需用LM324运算放大器进行放大。

LM324特点：输入阻抗高、漂移较小、共模抑制比高，集成运放。具有优良的保持性能和传输性能。

如图3所示：用函数信号发生器模拟霍尔传感器毫伏级信号，C6C7是耦合电容，反馈电位器RP1调节前置放大级的放大倍数。

3.3.2 峰值检波电路组成

由峰值传递电路和缓冲放大电路组成。

通过峰值检波和后级缓冲放大电路，将采集到的微弱信号放大至0V～5V的直流电平，以满足A/D转换器ADC0809所要求的输入电压变换范围，然后通过A/D转换电路将检测到的峰值转化成数字量。放大和峰值检波电路如图3所示：

3.4 A/D转换电路

采集到的连续变化的模拟量经ADC0809完成模数转换。

ADC0809：是8位逐次逼近型A/D转换器，片内有八路模拟开关，可对八路模拟电压量实现分时转换，转换速度为100（即10千次/秒）。当地址锁存允许信号ALE=1时，3位地址信号A、B、C送入地址锁存器，选择8路模拟量中的一路实现A/D变换。金属探测器峰值运行图如图4所示：

如图4所示：地址译码器ABC直接地址为000，选择通道IN0；ADC0809片内有三态输出缓冲器，可直接与单片机的数据总线相连接，这里将它的数据输出口直接与单片机的数据总线P1口相连接，AT89S52的P1口作为数据总线，又作为低8位地址总线。ADC0809的片内没有时钟，时钟信号必须由外部提供，这里利用AT89S52内部的T0定时器提供，T0直接与ADC0809的CLOCK连接，省去了分频电路，充分利用单片机的功能。P2口控制数码管段码.P0口控制位码。P31接蜂鸣器，P30接LED分别负责探测到金属时声光报警。

在工作过程中，由555定时器构成的多谐振荡器产生一个频率为24KHz的脉冲信号经过缓冲和放大之后，形成频率稳定度高、功率较大的脉冲信号输入到探测线圈中，通电的线圈周围就会产生磁场，此时，固定在线圈L1中心的霍尔元件UGN3503U就会感应到线圈周围的磁场，并将磁场强度信号线性地转变成电压信号。

在无金属的情况下，假设霍尔输出电压为，该电压信号很微弱，属mV即信号，经过放大电路放大，再通过峰值检波电路，得到响应的0V～5V的峰值输出电压U0，以满足ADC0809的量程，经A/D转换后，将U0的数字量输入到单片机储存起来。此后，以该电压信号作为基准电压，与A/D转换器采集到的电压信号进行比较判断。

当探测线圈L1靠近金属物体时，由于电磁感应现象，会使探测电感值发生变化，从而使其周围的磁场发生变化，霍尔元件感应到该变化的磁场，并将其线性地转变成电压信号，该变化的电压经过放大电路、峰值检波电路后，得到响应的0V～5V的峰值输出电压Ux，然后经A/D转换后，输入到CPU，由CPU 完成Ux与基准电压U0的比较，二者比较|Ux-U0|得到一个差值，此差值与预设的灵敏度U再做比较。当然，U大小的设定决定着系统精度的高低。若|Ux-U0|>U，就确定为探测金属，CPU输出口P30输出信号驱动发光二极管发光报警，同时P31控制蜂鸣器发出声响，进行声音报警。