基于STC89C52單片機(jī)的金屬探測(cè)器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)摘要金屬探測(cè)器是指使用技術(shù)手段檢測(cè)金屬的設(shè)備，常用于安全檢查、醫(yī)藥、軍事、食品、工業(yè)等領(lǐng)域。金屬探測(cè)器的發(fā)展為安檢行業(yè)提供了手段，減少食品醫(yī)藥行業(yè)的次品率，在工程領(lǐng)域，金屬探測(cè)裝置可以幫助科研人員快速定位埋藏在地底的金屬，用于礦業(yè)的勘探和開采、考古、管線排查等。本文使用STC89C52單片機(jī)作為核心處理器，使用圓形線圈式電磁感應(yīng)傳感器，使用蜂鳴器和顯示器作為報(bào)警模塊，開發(fā)了一款便攜性較高、安裝使用方便的金屬探測(cè)裝置。本設(shè)計(jì)使用電磁感應(yīng)原理，當(dāng)金屬靠近線圈時(shí)，金屬將產(chǎn)生渦流，并產(chǎn)生磁場(chǎng)，該磁場(chǎng)對(duì)線圈磁場(chǎng)產(chǎn)生影響，使信號(hào)頻率發(fā)生改變，用戶可自行設(shè)置觸發(fā)頻率，修改金屬探測(cè)器的靈敏度和閾值。經(jīng)測(cè)驗(yàn)，本設(shè)計(jì)使用方便，可快速對(duì)導(dǎo)電金屬進(jìn)行檢測(cè)。 關(guān)鍵詞：金屬探測(cè)，單片機(jī)，STC89C52，線圈傳感器目錄TOC\o"1-3"\u第1章緒論 11.1選題背景及其意義 11.2研究現(xiàn)狀 11.3研究方法的分析 21.4論文結(jié)構(gòu)安排 3第2章方案設(shè)計(jì) 42.1總體設(shè)計(jì)方案 42.2主控芯片選型 42.3顯示模塊選型 5第3章硬件設(shè)計(jì) 63.1單片機(jī)最小系統(tǒng) 63.2顯示器模塊 73.3三點(diǎn)式振蕩器 83.4按鍵模塊 93.5報(bào)警模塊 10第4章軟件設(shè)計(jì) 114.1采集頻率 114.2頻率設(shè)置 12第5章系統(tǒng)調(diào)試和測(cè)試 135.1Protues仿真圖 135.2系統(tǒng)的調(diào)試 135.3系統(tǒng)的測(cè)試 15結(jié)論 17參考文獻(xiàn) 19附錄A： 20附錄B： 21第1章緒論1.1選題背景及其意義金屬探測(cè)器目前最常用于安全檢查，近三四十年來，恐怖襲擊事件越來越受到安全部門的重視，如何防止恐怖分子攜帶金屬尖銳物品成為安全部門的一大問題，金屬探測(cè)器的問世為安保提出了解決方案，安全部門通過金屬探測(cè)器測(cè)試人員是否隨身攜帶金屬物體[1,2]，在正式的考試、機(jī)場(chǎng)車站的安檢中都會(huì)用到，除此之外，在醫(yī)藥、軍事、工業(yè)等領(lǐng)域，金屬探測(cè)器都有廣泛的應(yīng)用，如在食品醫(yī)藥領(lǐng)域，藥品的制備需要金屬的參與，但最終的成品不能含有金屬物質(zhì)，否則會(huì)對(duì)人體造成危害[3-5]；在軍事領(lǐng)域，最早的掃雷設(shè)備就是如今金屬探測(cè)器的雛形，使用一根長(zhǎng)桿，長(zhǎng)桿的一端使用線圈傳感器，另一端連接單片機(jī)、蜂鳴器等設(shè)備，當(dāng)掃到某一處具有金屬時(shí)，工兵可將其作為某地是否有地雷的依據(jù)之一[6]；在考古、采礦領(lǐng)域，金屬探測(cè)裝置可以幫助科研人員快速定位埋藏在地底的金屬制品[7]；在工程中，金屬探測(cè)還可應(yīng)用于地下管道線材的排查[8]。因此，開發(fā)一款測(cè)量靈敏、可應(yīng)用于不同的生產(chǎn)生活場(chǎng)景的金屬探測(cè)設(shè)備具有較大意義。1.2研究現(xiàn)狀國(guó)外的金屬探測(cè)器研究較國(guó)內(nèi)起步更早，且已經(jīng)廣泛的應(yīng)用于工業(yè)、安保等領(lǐng)域。1931年，GerhardR.Fishe在專利中表述了一款金屬探測(cè)裝置的設(shè)計(jì)，是目前可追溯的第一件金屬探測(cè)裝置，這種被命名為“Metalloscope”的設(shè)備就是目前的金屬探測(cè)器的雛形[9]。1960年代，最早的應(yīng)用于安檢的金屬探測(cè)器問世，其相當(dāng)于放大的手持金屬探測(cè)器，人從線圈中央走過，若攜帶金屬進(jìn)入，則線圈產(chǎn)生感應(yīng)電流，觸發(fā)警報(bào)，提示負(fù)責(zé)按鍵的人員注意。但無(wú)法定位金屬的具體位置，對(duì)安檢效率造成一定的影響。1980年代，隨著半導(dǎo)體技術(shù)的日漸發(fā)展和金屬檢測(cè)裝置應(yīng)用的實(shí)際需求，金屬探測(cè)器向手持式、小型性去發(fā)展，發(fā)展成了與當(dāng)前相差較小的金屬探測(cè)手持儀。近年來，Nakane等人開發(fā)了一款圓形的金屬探測(cè)器，其為平衡線圈式，是目前主流的模型之一[10]；在尖端技術(shù)方面，目前已有使用自動(dòng)跟蹤算法對(duì)金屬的位置進(jìn)行判斷，對(duì)于對(duì)靈敏度要求較高的場(chǎng)景具有很大研究意義；同時(shí)，目前世界著名的傳感器制造商，均有其自行研發(fā)的金屬探測(cè)器[11]。國(guó)內(nèi)關(guān)于金屬探測(cè)器的研究起步較晚，1996年，王偉綜述了國(guó)內(nèi)外的先進(jìn)金屬探測(cè)器的原理及應(yīng)用場(chǎng)景，為我國(guó)金屬探測(cè)領(lǐng)域的研究提供基礎(chǔ)[12]；1997年，周學(xué)才等人針對(duì)工業(yè)、食品等應(yīng)用領(lǐng)域，開發(fā)了一款穩(wěn)定性較高，能在惡劣環(huán)境下工作的金屬探測(cè)裝置，為實(shí)際應(yīng)用提供技術(shù)基礎(chǔ)和數(shù)據(jù)參考[13]；2001年鐘翔、胡瀧等人針對(duì)在海洋、磁性土等應(yīng)用場(chǎng)景中金屬探測(cè)困難的問題，在理論上提出了雙頻金屬探測(cè)的相關(guān)推導(dǎo)及研究，填補(bǔ)了金屬探測(cè)領(lǐng)域的空白[14]；2006年，李樹華提出了以單片機(jī)作為核心的金屬探測(cè)器研究，開發(fā)較完整的金屬探測(cè)器系統(tǒng)，并進(jìn)行了理論的推導(dǎo)[15]；2010年，王慶林等人開發(fā)了一款可調(diào)節(jié)靈敏度的金屬探測(cè)儀，基于平衡線圈技術(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并在硬件上對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)，設(shè)計(jì)合理[16]；曹建平等人開發(fā)了一款自動(dòng)金屬探測(cè)小車，該系統(tǒng)使用單片機(jī)作為控制器，將金屬探測(cè)器與遙控小車，為軍事等領(lǐng)域提供基礎(chǔ)[17]；孫麗兵等人使用DSP作為處理器，開發(fā)了一款雙頻電渦流金屬探測(cè)器[18]。在應(yīng)用方面，手持式金屬探測(cè)儀廣泛應(yīng)用于安檢、食品、采礦等領(lǐng)域；在一些特殊的應(yīng)用場(chǎng)景，如軍事、工業(yè)等，往往需要定制一些專用的金屬探測(cè)設(shè)備[19-21]。1.3研究方法的分析結(jié)合以上文獻(xiàn)可知，目前的金屬探測(cè)裝置已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，但仍存在一些領(lǐng)域由于各種干擾、惡劣環(huán)境而無(wú)法使用，同時(shí)小型手持式的金屬探測(cè)裝置應(yīng)用最為廣泛，開發(fā)小型金屬探測(cè)裝置能拓寬應(yīng)用的領(lǐng)域，使用單片機(jī)開發(fā)金屬探測(cè)裝置也將對(duì)其在不同領(lǐng)域與其他系統(tǒng)的融合方面提供幫助。因此，本文將基于單片機(jī)開發(fā)一款小型手持式的金屬探測(cè)裝置，保證其較強(qiáng)的可移植性，為后續(xù)成熟的金屬探測(cè)系統(tǒng)在不同領(lǐng)域的應(yīng)用提供技術(shù)基礎(chǔ)。本文采用的傳感器是圓形線圈的電磁感應(yīng)傳感器，該傳感器是目前最常見的電磁感應(yīng)傳感器，也是金屬檢測(cè)裝置主要使用的傳感器之一，由于其良好的性能，在醫(yī)學(xué)的植入傳感器中也有應(yīng)用。該傳感器通過互感來判斷是否有金屬，往往有兩個(gè)線圈，分為主線圈、子線圈，正常運(yùn)行時(shí)，線圈將通入電流，當(dāng)有金屬通過線圈附近時(shí)，根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)原理，導(dǎo)體中的渦流與線圈的電流方向相反，因此原磁場(chǎng)被削弱，導(dǎo)致線圈的各種性質(zhì)發(fā)生改變，以此來感應(yīng)金屬的出現(xiàn)[22,23]。本設(shè)計(jì)總體可分為硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)，本文綜合研究目前常見的硬件設(shè)計(jì)方案，對(duì)比了使用大量邏輯電路制造金屬探測(cè)器和單片機(jī)作為金屬探測(cè)器的處理器的優(yōu)劣，最終決定使用單片機(jī)作為處理器，分析市面常見的單片機(jī)種類和使用方法，結(jié)合開發(fā)成本、上手難度等特性，本產(chǎn)品最終使用STC89C52作為金屬探測(cè)器設(shè)計(jì)的處理器，在硬件的設(shè)計(jì)過程中，本設(shè)計(jì)使用覆銅板作為基礎(chǔ)材料，保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。本文將對(duì)文獻(xiàn)中之前學(xué)者關(guān)于金屬探測(cè)器的內(nèi)容進(jìn)行相關(guān)的綜述，對(duì)目前金屬探測(cè)器的發(fā)展趨勢(shì)、痛點(diǎn)、意義進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)一款實(shí)用、靈敏的金屬探測(cè)裝置。1.4論文結(jié)構(gòu)安排第一章對(duì)開發(fā)金屬探測(cè)設(shè)備的研究意義和背景進(jìn)行講述，對(duì)金屬探測(cè)設(shè)備的歷史和研究意義進(jìn)行講述，簡(jiǎn)要分析了本文的研究方法；第二章對(duì)總體方案設(shè)計(jì)和方案選擇進(jìn)行介紹，介紹了本文硬件的選型；第三章為硬件設(shè)計(jì)，主要講述了單片機(jī)最小系統(tǒng)、LC振蕩電路等的硬件設(shè)計(jì)；第四章為軟件設(shè)計(jì)，論述本設(shè)計(jì)的軟件設(shè)計(jì)流程及思路；第五章為系統(tǒng)測(cè)試和調(diào)試，講述本文搭建完成后進(jìn)行的測(cè)試。

第2章方案設(shè)計(jì)2.1總體設(shè)計(jì)方案本設(shè)備使用的主要傳感器是金屬線圈，顯示用的元器件是LCD1602屏幕，使用互感效應(yīng)判斷是否有金屬出現(xiàn)，當(dāng)有金屬靠近或遠(yuǎn)離線圈時(shí)，線圈的頻率將發(fā)生變化，這個(gè)頻率變化被線圈傳感器感應(yīng)并將數(shù)據(jù)傳輸至單片機(jī)，單片機(jī)根據(jù)傳輸來的信號(hào)判斷其狀態(tài)，若感應(yīng)到金屬，則使用LCD1602屏幕和蜂鳴器進(jìn)行報(bào)警，提示操作人員記錄?？傮w硬件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如下圖所示：電源開關(guān)電源開關(guān)電源STC89C52單片機(jī)AD采集電路顯示電路報(bào)警電路線圈傳感器圖2.1硬件結(jié)構(gòu)框圖2.2主控芯片選型常見的小型電路設(shè)計(jì)的方案可分為兩類，一是使用大量的邏輯電路搭建一個(gè)硬件電路進(jìn)行控制，該方式適用于小型電路的搭建，對(duì)于邏輯和功能簡(jiǎn)單的電路而言，使用邏輯電路構(gòu)造有助于節(jié)約成本，搭建方便，邏輯簡(jiǎn)單；二是單片機(jī)進(jìn)行編程，這種方式能夠?qū)崿F(xiàn)較復(fù)雜的軟件和硬件設(shè)計(jì)。對(duì)于金屬探測(cè)器的設(shè)計(jì)，對(duì)比兩種方式，本設(shè)計(jì)選擇單片機(jī)作為控制芯片，綜合比較方案一，兩者成本相差不大，但使用方案一的硬件電路設(shè)計(jì)復(fù)雜度較高，使用單片機(jī)更符合近年來的需求，未來可拓展性和數(shù)據(jù)導(dǎo)出方便。本設(shè)計(jì)使用的單片機(jī)是目前技術(shù)較為成熟的單片機(jī)，具有低功耗、高速等性能。具有8位的CPU，能快速處理小型電路需求；具有豐富的輸入輸出接口，擴(kuò)展性能好。相較其他類型的單片機(jī)，該單片機(jī)技術(shù)成熟、符合金屬檢測(cè)設(shè)備的處理需求，同時(shí)成本較低，故選擇該單片機(jī)作為處理器。如下圖所示是STC89C52單片機(jī)的引腳圖。圖2.2單片機(jī)引腳圖2.3顯示模塊選型在設(shè)計(jì)之初，本設(shè)計(jì)擬采用兩個(gè)LED數(shù)碼管作為本設(shè)計(jì)的顯示元件，LED燈數(shù)碼管是一種常見的電路顯示模塊，該模塊集成多個(gè)LED燈，使用不同的編程可顯示不同的數(shù)字或字符。本設(shè)計(jì)擬采用數(shù)碼管的“0”和“1”分別代表單片機(jī)運(yùn)行的兩個(gè)狀態(tài)，通過數(shù)字表示目前設(shè)置的靈敏度。另一個(gè)方案是使用LCD1602液晶顯示屏幕作為本設(shè)計(jì)的顯示模塊，LCD1602液晶顯示屏幕是一種通過控制模塊輸入，在屏幕中顯示不同的字符的顯示元件，類似于老式的計(jì)算器顯示屏。比較兩種設(shè)計(jì)方案，本設(shè)計(jì)最終采用后者作為顯示模塊。LED燈數(shù)碼管的顯示局限性高，顯示內(nèi)容少，且編程能力弱，在后期功能擴(kuò)展時(shí)難以勝任，相比LCD液晶顯示，兩者的價(jià)格相差不大，但液晶顯示更符合本設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)需要。第3章硬件設(shè)計(jì)3.1單片機(jī)最小系統(tǒng)本設(shè)計(jì)的最小系統(tǒng)包括下載電路、電源電路、復(fù)位電路等。如下圖所示為本系統(tǒng)的單片機(jī)最小電路原理圖。圖3.1最小系統(tǒng)在復(fù)位電路的設(shè)計(jì)中，根據(jù)STC89C52單片機(jī)RST引腳高電平復(fù)位的特性，當(dāng)連續(xù)兩個(gè)周期，即1ms內(nèi)保持高電平，單片機(jī)將發(fā)生復(fù)位。本設(shè)計(jì)的復(fù)位電路分為兩種，一是按鍵復(fù)位，當(dāng)用戶按下按鍵時(shí)，按鍵兩端接通，單片機(jī)進(jìn)行復(fù)位；另一種是當(dāng)上電時(shí)，由于電容具有充放電的特性，RST引腳在上電的瞬間進(jìn)入高電平狀態(tài)，單片機(jī)進(jìn)行復(fù)位。如下圖所示為本文使用的復(fù)位電路。圖3.2復(fù)位電路本系統(tǒng)的時(shí)鐘信號(hào)采用外部時(shí)鐘的方式產(chǎn)生，在單片機(jī)的XTAL1和XTAL2之間接入石英晶體構(gòu)成自激振蕩，外接兩個(gè)電容以保證輸出頻率的穩(wěn)定性。如下圖所示是本設(shè)計(jì)的時(shí)鐘電路。圖3.3時(shí)鐘電路3.2顯示器模塊本設(shè)計(jì)使用顯示屏用于顯示輸出頻率及額定頻率，后續(xù)可根據(jù)頻率判斷不同的金屬種類并進(jìn)行顯示。顯示屏相較其他的提示、顯示方式，能夠更直觀的顯示當(dāng)前的狀態(tài)，方便人機(jī)交互。本設(shè)計(jì)使用LCD1602A進(jìn)行顯示，該顯示屏為具有5*7點(diǎn)陣的液晶顯示器，其溫度范圍較廣，可視范圍大，且內(nèi)置字庫(kù)，可根據(jù)需求設(shè)置每行顯示的字?jǐn)?shù)。本設(shè)計(jì)使用2行16字標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行編程和顯示。引腳1和引腳2是代表電源引腳，引腳3是代表控制液晶顯示亮度，引腳4是代表數(shù)據(jù)/命令選擇引腳，單片機(jī)對(duì)LCD1602進(jìn)行控制時(shí)，通過對(duì)此引腳高電平或者低電平的控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)LCD1602發(fā)送數(shù)據(jù)、命令等，當(dāng)此引腳為低電平時(shí)，表示發(fā)送的是命令，當(dāng)此引腳為高電平時(shí)，表示發(fā)送的是數(shù)據(jù)。引腳5是代表讀/寫選擇引腳，與引腳4的功能相類似，單片機(jī)既可以對(duì)LCD1602發(fā)送數(shù)據(jù)、命令等，也可讀取內(nèi)部數(shù)據(jù)、狀態(tài)等，在對(duì)LCD1602進(jìn)行控制時(shí)，首先要讀取液晶狀態(tài)，當(dāng)其處于空閑狀態(tài)時(shí)，才可對(duì)其讀寫操作。引腳6是代表液晶使能引腳，只有已經(jīng)處于使能狀態(tài)時(shí)，單片機(jī)才能控制并操作。引腳7到14是代表數(shù)據(jù)引腳，單片機(jī)正是通過這8個(gè)引腳向LCD1602發(fā)送數(shù)據(jù)、命令等，引腳15是代表背光電源正極，引腳16是代表背光電源負(fù)極。如下圖所示為單片機(jī)與LCD1602A的連接。圖3.4LCD1602的連接3.3三點(diǎn)式振蕩器如下圖所示是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的LC振蕩電路，在該電路中首先將S劃至1處，電源為電容進(jìn)行充電，充電結(jié)束后，電容上端帶有正電荷，電容下端帶有負(fù)電荷；之后將S劃至2處，電容開始放電，放電過程中電流從上至下流入電感，電感元件具有阻斷電流的作用，因此電流又將沿著相反的方向流出；流出的電流再次給電容進(jìn)行充電。電能和磁能相互轉(zhuǎn)換一次的過程就稱為一次振蕩，振蕩時(shí)間的倒數(shù)就是頻率。圖3.5LC振蕩電路本文使用的三點(diǎn)式振蕩器也稱為柯爾皮茲振蕩器，是LC振蕩電路的一種改進(jìn)電路，將LC電路的三個(gè)回環(huán)的端點(diǎn)與三極管相連接，使用電容耦合或自感耦合代替互感耦合，這樣的設(shè)計(jì)能提升振蕩的效率和頻率，使LC電路的振蕩頻率提升至上百hz。由于本設(shè)計(jì)使用的三點(diǎn)式振蕩器所產(chǎn)生的波形為正弦波，單片機(jī)無(wú)法進(jìn)行識(shí)別，因此還需對(duì)波形進(jìn)行整形。本設(shè)計(jì)使用的整形芯片為L(zhǎng)M393，該芯片由兩個(gè)精度較高的電壓比較器組成，具有寬電壓范圍、失調(diào)電壓低等特性。如下圖所示為L(zhǎng)M393引腳圖。圖3.6LM393引腳圖如下圖所示為本設(shè)計(jì)LM393以及三點(diǎn)式振蕩電路原理圖，圖中的電感L、電容C5、C6共同組成了三點(diǎn)式振蕩電路，將輸出的信號(hào)接入到LM393的正輸入信號(hào)，將輸出管腳接入到單片機(jī)中。圖3.7LM393以及三點(diǎn)式振蕩電路原理圖3.4按鍵模塊如下圖所示為本設(shè)計(jì)的按鍵電路，該電路的兩個(gè)按鍵一端接地，另一端分別接至單片機(jī)的P13和P14引腳。當(dāng)S2按鍵按下時(shí)，代表用戶想要將閾值增加，P13引腳變?yōu)榈碗娖剑绦驅(qū)?duì)按鍵行為進(jìn)行判斷，防止出現(xiàn)誤操作，在長(zhǎng)按時(shí)以1為單位增加，在短按時(shí)以0.1為單位增加。圖3.8按鍵電路3.5報(bào)警模塊如下圖所示為本設(shè)計(jì)的報(bào)警電路，本設(shè)計(jì)使用聲光報(bào)警，即當(dāng)測(cè)量數(shù)值超過閾值時(shí)，則出現(xiàn)LED燈閃爍和蜂鳴器響聲。LED燈的一端接VCC電源，另一端接1K歐姆電阻再接單片機(jī)P10接口，當(dāng)單片機(jī)輸出為低電平時(shí)，LED燈將發(fā)光。本設(shè)計(jì)使用的蜂鳴器電路為有源蜂鳴器，當(dāng)單片機(jī)P15端口輸出低電平時(shí)，蜂鳴器發(fā)出響聲。圖3.9報(bào)警電路第4章軟件設(shè)計(jì)本系統(tǒng)在軟件設(shè)計(jì)方面可分為兩類，一是對(duì)獲取頻率的軟件設(shè)計(jì)，需要采集振蕩頻率，并將振蕩頻率與設(shè)置頻率進(jìn)行對(duì)比；二是對(duì)系統(tǒng)的額定頻率進(jìn)行設(shè)置。4.1采集頻率本設(shè)計(jì)頻率的采集是通過定時(shí)器和計(jì)數(shù)器完成的，軟件接收計(jì)算1秒內(nèi)的脈沖數(shù)，并進(jìn)行處理即可得到頻率值，這樣的方式可以更加快速的判斷是否有頻率變化，但容易造成誤差?？刹扇⊙娱L(zhǎng)取均值時(shí)間等方式提高精度。系統(tǒng)將對(duì)采集來的頻率信號(hào)進(jìn)行顯示，并與設(shè)置的頻率進(jìn)行對(duì)比，若測(cè)得的頻率值高于設(shè)置的頻率值，則認(rèn)為有金屬對(duì)線圈造成了干擾，蜂鳴器發(fā)出報(bào)警聲。本設(shè)計(jì)的采集頻率流程圖如下圖所示。圖4.1采集頻率流程圖4.2頻率設(shè)置本設(shè)計(jì)的頻率設(shè)置模塊較簡(jiǎn)單，主要的目的是修改觸發(fā)警報(bào)的頻率閾值，進(jìn)而提升其靈敏度。當(dāng)按下按鍵時(shí)，系統(tǒng)將計(jì)時(shí)若計(jì)時(shí)小于5毫秒，則判斷為誤操作，數(shù)據(jù)不變化；若計(jì)數(shù)超過5毫秒小于3秒，則頻率加0.1或減0.1；若按鍵時(shí)間超過3秒，則以1為單位增加或減少。頻率設(shè)置流程圖如下圖所示。圖4.2頻率設(shè)置流程圖第5章系統(tǒng)調(diào)試和測(cè)試系統(tǒng)的測(cè)試和調(diào)試是設(shè)備開發(fā)中的重要環(huán)節(jié)，當(dāng)硬件系統(tǒng)和軟件設(shè)計(jì)完成后，需要將硬件進(jìn)行焊接，并將軟件燒錄至單片機(jī)中。5.1Protues仿真圖金屬探測(cè)器的仿真設(shè)計(jì)如圖5.1所示。圖5.1Protues仿真圖在本次仿真分析中，主要對(duì)單片機(jī)最小系統(tǒng)、單片機(jī)與LCD1602A的連接、三點(diǎn)式振蕩器、按鍵模塊和報(bào)警模塊進(jìn)行了仿真。在仿真過程中，使用LCD1602液晶顯示器替換LED數(shù)碼管參與仿真，經(jīng)過仿真基本初步的驗(yàn)證了設(shè)計(jì)思路和程序的可行性。5.2系統(tǒng)的調(diào)試本設(shè)計(jì)的硬件采用PCB覆銅板進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，使用AltiumDesigner10軟件進(jìn)行繪圖，本設(shè)計(jì)的電路板設(shè)計(jì)圖如下圖所示。圖5.2PCB設(shè)計(jì)在制版完成后，需將各個(gè)元器件焊接在電路板上，在焊接之前，首先對(duì)各元器件進(jìn)行測(cè)試，保證選用的芯片運(yùn)行正常。如下圖所示為本設(shè)計(jì)焊接后的電路板。圖5.3硬件實(shí)物圖軟件部分的導(dǎo)入前，需先將軟件進(jìn)行編譯，防止出現(xiàn)錯(cuò)誤影響硬件設(shè)備的正常使用。本文使用keil軟件進(jìn)行編譯，如下圖所示是本設(shè)計(jì)的編譯結(jié)果。.圖5.4編譯5.3系統(tǒng)的測(cè)試將軟件燒錄至硬件設(shè)備后，需對(duì)金屬檢測(cè)設(shè)備的功能進(jìn)行測(cè)試。第一步是上電測(cè)試，上電檢測(cè)是否有元器件存在過熱問題，顯示器測(cè)試程序是否運(yùn)行正常。如下圖所示為系統(tǒng)上電后的初始狀態(tài)，設(shè)置的觸發(fā)報(bào)警頻率為144.7KHz，設(shè)備當(dāng)前輸出的頻率為140.1KHz：圖5.5金屬探測(cè)器初始狀態(tài)如下圖所示為將五枚硬幣放入線圈中，當(dāng)前輸出的頻率為148.5KHz，已經(jīng)高于設(shè)置的144.7KHz，蜂鳴器處于報(bào)警狀態(tài)，LED燈發(fā)光報(bào)警。圖5.6報(bào)警狀態(tài)經(jīng)測(cè)驗(yàn)，本設(shè)備在測(cè)試程序下運(yùn)行正常。金屬探測(cè)反應(yīng)快速、靈敏，當(dāng)設(shè)置頻率高于初始頻率4KHz狀態(tài)下，未發(fā)現(xiàn)有誤報(bào)的情況出現(xiàn)，符合金屬探測(cè)器設(shè)計(jì)需求。

結(jié)論本文使用STC89C52單片機(jī)作為核心處理器，使用圓形線圈式電磁感應(yīng)傳感器，使用蜂鳴器和顯示器作為報(bào)警模塊，開發(fā)了一款便攜性較高、安裝使用方便的金屬探測(cè)裝置。本系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)金屬的探測(cè)，當(dāng)線圈附近出現(xiàn)金屬時(shí)，單片機(jī)將識(shí)別到頻率異動(dòng)，若超過閾值即可自動(dòng)報(bào)警。本系統(tǒng)具有檢測(cè)迅速、精度較高等特點(diǎn)，本設(shè)計(jì)提出使用單片機(jī)對(duì)截止頻率進(jìn)行設(shè)置，可提高系統(tǒng)在不同環(huán)境的應(yīng)用率，通過頻率設(shè)置或程序修改，可針對(duì)特定某一種金屬的檢測(cè)。在系統(tǒng)的調(diào)試過程中，我們發(fā)現(xiàn)了一些現(xiàn)存的問題，如本系統(tǒng)的采樣時(shí)間與精準(zhǔn)度的問題，當(dāng)我們提升采樣時(shí)間，誤差率會(huì)減少，但發(fā)現(xiàn)金屬的速度較慢，往往需要等待一段時(shí)間，若是減少采樣時(shí)間，系統(tǒng)則易受到外界的干擾，有一定的誤報(bào)可能，因此，如何確定采樣時(shí)間、截止頻率等數(shù)據(jù)值得后續(xù)的研究進(jìn)行證實(shí)。除此之外，本系統(tǒng)的功率較小，不適用與地下金屬的探測(cè)，在后續(xù)研究中，考慮改進(jìn)振蕩器，提升振蕩頻率。參考文獻(xiàn)司德平.漫談金屬探測(cè)器[J].物理通報(bào),2006(04):54-56.金江濤,張文文.金屬檢測(cè)器在速凍禽肉制品中的應(yīng)用[J].肉類研究,2011,25(03):46-48.劉保彬,戴文進(jìn),高云華.一種新型食品工業(yè)金屬探測(cè)器的研制[J].儀表技術(shù),2009(06):39-4