手持式多功能金屬探測器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

前言

金屬探測器因其功能和市場應(yīng)用領(lǐng)域的不同，可分為以下幾種：通道式金屬探測器(又稱：金屬探測門;簡稱：安檢門)、手持式金屬探測器、便攜式金屬探測器、臺(tái)式金屬探測器、工業(yè)用金屬探測器和水下金屬探測器。本文所設(shè)計(jì)的金屬探測器屬于手持式金屬探測器。金屬探測器一般都是基于感應(yīng)式的工作原理。

系統(tǒng)工作原理

LC振蕩型金屬探測器，屬于主動(dòng)式，通過探測金屬感應(yīng)電流產(chǎn)生的二次磁場來確定被測金屬的有無。LC振蕩型金屬探測器的信號(hào)是頻率信號(hào)，當(dāng)感應(yīng)到金屬時(shí)，輸出信號(hào)的頻率會(huì)有一定的變化，通過捕捉該頻率變化量可以判斷此時(shí)是否有金屬物體。這種類型的金屬探測器應(yīng)用比較廣泛，也方便設(shè)計(jì)和改進(jìn)。

如圖1，參考通道的基準(zhǔn)信號(hào)采用有源晶振來代替，選擇32.768KHz的有源晶振進(jìn)行32分頻后得到1024Hz的頻率，與接收通道的頻率信號(hào)進(jìn)行差頻，將得到的頻率差通過PLL進(jìn)行倍頻處理，就可以得到比較高的靈敏度，同時(shí)，頻率信號(hào)的穩(wěn)定度也比較好。

圖1 采用基準(zhǔn)頻率進(jìn)行差頻

該系統(tǒng)的基本設(shè)計(jì)思路是：利用漆包線繞制成電感值為100mH的空心線圈，與外接電容組成LC諧振網(wǎng)絡(luò)，通過集成震蕩芯片MC1648產(chǎn)生振蕩信號(hào)，空心線圈靠近金屬物體時(shí)，震蕩電路的震蕩頻率會(huì)發(fā)生改變。震蕩信號(hào)與基準(zhǔn)頻率進(jìn)行差頻處理后，將所得到的頻率信號(hào)送入由單片機(jī)和CPLD組成的測頻模塊進(jìn)行頻率測量。人機(jī)交互界面由鍵盤、LCD和單片機(jī)負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)可以通過鍵盤和LCD菜單選項(xiàng)進(jìn)行系統(tǒng)功能設(shè)置、頻率測量及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)回顯等，通過對(duì)頻率異常的分析，來判斷是否探測到金屬。

本系統(tǒng)主要包括感應(yīng)探頭(空心線圈)、震蕩電路模塊、基準(zhǔn)頻率模塊、差頻模塊、測頻模塊、鍵盤控制模塊、LCD顯示模塊和電源模塊等，系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖

系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

(1)感應(yīng)探頭

感應(yīng)探頭部分是模擬電路的核心之一。探頭采用直徑0.2mm的漆包線繞制2500圈，該空心線圈內(nèi)徑9cm,外徑11cm，電感值約為100mH。繞制完畢，用環(huán)丙樹脂對(duì)其進(jìn)行密封，并用棉布將其包裹好，盡可能的減小分布參數(shù)的影響。

感應(yīng)線圈與外接電容組成LC諧振網(wǎng)絡(luò)，通過MC1648產(chǎn)生相應(yīng)振蕩頻率的信號(hào)。MC1648這款ECL(Emitter Coupled Logic)(即發(fā)射極耦合邏輯電路,也稱電流開關(guān)型邏輯電路)中規(guī)模集成電路實(shí)現(xiàn)頻率振蕩功能。MC1648的最高頻率可達(dá)到225MHZ。為了讓MC1648的輸出電平與數(shù)字電路電平相匹配，需要進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，輸出接LM390，將電平上限限制在5V，下限限制在0V，與后續(xù)電路電平進(jìn)行匹配。

(2)基準(zhǔn)頻率電路

基準(zhǔn)頻率電路采用有源晶振進(jìn)行分頻得到，此處晶振選用頻率為32.768KHz的5V供電的TTL電平，經(jīng)過CD4060進(jìn)行32分頻后得到1.024KHz的基準(zhǔn)信號(hào)。

(3)差頻電路

感應(yīng)信號(hào)與基準(zhǔn)信號(hào)進(jìn)行差頻處理，得到差頻信號(hào)，這個(gè)功能采用如下方法實(shí)現(xiàn)：兩路信號(hào)作為異或門的兩個(gè)輸入端，異或門輸出是包含著兩種頻率成分的信號(hào)，分別為感應(yīng)信號(hào)與基準(zhǔn)信號(hào)的和頻分量與差頻分量，通過對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行低通濾波，即得到所需要的差頻分量。

當(dāng)感應(yīng)探頭附近沒有金屬物體的時(shí)候，差頻信號(hào)約為10Hz左右，為了提高信號(hào)的靈敏度，將差頻率信號(hào)進(jìn)行倍頻處理。通過將差頻信號(hào)經(jīng)過PLL進(jìn)行100倍頻后，輸出信號(hào)頻率在1000Hz左右變化。

(4)頻率測量電路

頻率測量是本系統(tǒng)的核心部分之一，頻率測量的方法有很多：測周期法主要針對(duì)低頻的，脈沖計(jì)數(shù)法則主要針對(duì)高頻的。因此，這兩種方法在應(yīng)用的過程中都有一定的局限性。本系統(tǒng)采用的是等精度測頻：利用AVR單片機(jī)與CPLD相結(jié)合進(jìn)行頻率測量，具有測頻精度高、范圍寬的特點(diǎn)，并且測量的精度與待測信號(hào)無關(guān)，只與基準(zhǔn)頻率有關(guān)。

本系統(tǒng)中，AVR控制CPLD對(duì)待測信號(hào)與基準(zhǔn)信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，并讀取測量數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，通過LCD進(jìn)行顯示。為了使用戶操作本系統(tǒng)時(shí)更加的方便，編寫了一個(gè)簡單的菜單程序，通過3×5鍵盤對(duì)相應(yīng)的菜單項(xiàng)進(jìn)行操作，完成相應(yīng)的功能。

頻率測量一般都是由計(jì)數(shù)器和定時(shí)器完成，將兩個(gè)定時(shí)/計(jì)數(shù)器一個(gè)設(shè)置為定時(shí)器，另一個(gè)設(shè)置為計(jì)數(shù)器，定時(shí)時(shí)間到后產(chǎn)生中斷，在中斷服務(wù)程序中處理結(jié)果，求出頻率。這種方法雖然測量范圍較寬，但由于存在軟件延時(shí)，盡管在高頻段能達(dá)到較高的精度，而低頻段的測量精度較低。所以利用單片機(jī)測頻時(shí)，如果選擇不好的測量方法，可能會(huì)引起很大的誤差。測量頻率時(shí)，如果不是真正依靠硬件控制計(jì)數(shù)或定時(shí)，而是由軟件查詢或中斷響應(yīng)后再停止計(jì)數(shù)，雖然理論上能達(dá)到很高的精度，但實(shí)際測量中由于單片機(jī)響應(yīng)有一定的時(shí)間延遲，難以做到精確測量。因此，本系統(tǒng)擬采用等精度測頻發(fā)來實(shí)現(xiàn)頻率測量。

等精度測頻工作原理：

等精度頻率測量用被測信號(hào)的多周期而不是單周期作門控信號(hào);門控信號(hào)周期數(shù)可根據(jù)被測頻率的大小自動(dòng)調(diào)節(jié)，使計(jì)數(shù)值N保持不變，從而實(shí)現(xiàn)等精度測量。

預(yù)置門控信號(hào)是寬度為T的一個(gè)脈沖，Counterl和Counter2是兩個(gè)可控計(jì)數(shù)器，標(biāo)準(zhǔn)頻率信號(hào)從Counter1的時(shí)鐘輸入端CLK輸入，其頻率為Fs;經(jīng)整形后的被測信號(hào)從Counter2的時(shí)鐘輸入端CLK輸入，設(shè)其實(shí)際頻率為Fxe，測量頻率為Fx。

當(dāng)預(yù)置門控信號(hào)為高電平時(shí)，經(jīng)整形后的被測信號(hào)的上沿通過D觸發(fā)器的Q端同時(shí)啟動(dòng)計(jì)數(shù)器Counter1和Counter2。Counter1、Counter2分別對(duì)被測信號(hào)(頻率為Fx)和標(biāo)準(zhǔn)頻率信號(hào)(頻率為Fs)同時(shí)計(jì)數(shù)。當(dāng)預(yù)置門信號(hào)為低電平時(shí)，隨后而至的被測信號(hào)的上沿將使這兩個(gè)計(jì)數(shù)器同時(shí)關(guān)閉，時(shí)序圖如圖3所示。設(shè)在一次預(yù)置門時(shí)間T中對(duì)被測信號(hào)計(jì)數(shù)值為Nx;對(duì)標(biāo)準(zhǔn)頻率信號(hào)的計(jì)數(shù)值為Ns，則下式成立：

圖3 等精度測頻時(shí)序圖

Fx/Nx=Fy/Ny Fx=(Fy/Ny)*Nx

本系統(tǒng)利用AVR單片機(jī)與CPLD相結(jié)合來實(shí)現(xiàn)等精度測頻，具有測頻精度高，范圍寬的特點(diǎn)，并且測量的精度與待測信號(hào)無關(guān)，只與基準(zhǔn)頻率有關(guān)。

對(duì)于本系統(tǒng)而言，因?yàn)橹車偸怯兄蚨嗷蛏俚碾姶鸥蓴_，干擾信號(hào)很容易串入導(dǎo)致感應(yīng)信號(hào)的頻率有一定的波動(dòng)(頻率值波動(dòng)大小在1Hz以內(nèi))，因此，采用等精度測頻的時(shí)候，只需要精度達(dá)到1Hz即可。

如圖4所示是測頻電路，采用AVR與CPLD這個(gè)組合來完成等精度測頻功能，因?yàn)锳VR是5V提供電壓的，而CPLD則采用3.3V供電，所以AVR與CPLD進(jìn)行通訊的時(shí)候需要進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。信號(hào)從AVR流向CPLD時(shí)需要在信號(hào)線路中串接200歐姆的電阻進(jìn)行限流，信號(hào)從CPLD流向AVR時(shí)需要經(jīng)過74HC245進(jìn)行電平轉(zhuǎn)化，提高信號(hào)的電平閥值。

圖4 測頻電路

系統(tǒng)軟件控制菜單設(shè)計(jì)

為了方便用戶對(duì)儀器進(jìn)行操作，需要編寫一個(gè)比較友好的人機(jī)界面，通過鍵盤進(jìn)行控制。圖5所示為本系統(tǒng)的菜單操作流程圖。

圖5 菜單選項(xiàng)操作流程圖

當(dāng)系統(tǒng)上電后，系統(tǒng)顯示“金屬探測器”等歡迎字樣，維持?jǐn)?shù)秒后，系統(tǒng)將進(jìn)入主菜單界面。主菜單包括三個(gè)子菜單選項(xiàng)：“初值校準(zhǔn)”、“開始探測”和“數(shù)據(jù)回顯”三個(gè)選項(xiàng)。

初值校準(zhǔn)：由于本系統(tǒng)在不同的時(shí)間和地點(diǎn)進(jìn)行使用的時(shí)候，感應(yīng)探頭與外接電容進(jìn)行諧振的振蕩頻率是不同的，因此，每次進(jìn)行開機(jī)使用的時(shí)候，都必須先進(jìn)行初始值校準(zhǔn)，找到當(dāng)前情況下所感應(yīng)的頻率的最大值，然后以該頻率值作為是否探測到金屬的一個(gè)頻率閾值。通過捕捉10次當(dāng)前的頻率值，并通過軟件自動(dòng)篩選出10次測量值中的最大值，用戶可以根據(jù)所測量的最大頻率值來進(jìn)行閾值的設(shè)定。當(dāng)設(shè)定完成，將返回主菜單進(jìn)行其他操作。

開始探測：完成初值校準(zhǔn)后，就可以開始進(jìn)行金屬探測了，當(dāng)在探測的過程中，并沒有發(fā)現(xiàn)金屬的時(shí)候，界面將一直顯示“正在探測”字樣，當(dāng)探測到金屬，界面將出現(xiàn)“發(fā)現(xiàn)金屬”字樣，并控制蜂鳴器進(jìn)行報(bào)警，用戶可以對(duì)當(dāng)前情況進(jìn)行記錄，將此時(shí)的所探測到的值保存到EEPROM中，如果探測完畢，用戶可以選擇“返回”回到主菜單界面。

數(shù)據(jù)回顯：在主菜單中選擇該菜單項(xiàng)，可以查詢曾經(jīng)保存的10次數(shù)據(jù)記錄，例如：此時(shí)按數(shù)字鍵“0”，則可以查詢到第0次數(shù)據(jù)記錄的內(nèi)容。查詢完畢，選擇返回鍵可回到主菜單界面。

小結(jié)

由于采用了等精度測頻方案，對(duì)于1Hz精度的測頻要求，系統(tǒng)完全可以實(shí)現(xiàn)。通過測試，對(duì)于一元錢硬幣大小的金屬，在無遮擋物的情況下，本系統(tǒng)可以探測的有效距離在2厘米左右;對(duì)于直徑為1厘米的鋼筋，在無遮擋物的情況下，有效探測距離在5厘米左右。相信經(jīng)過進(jìn)一步的改進(jìn)和實(shí)驗(yàn)，該系統(tǒng)能夠用于實(shí)際需求。

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