基于51單片機(jī)的金屬探測(cè)器

龍巖學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 題目： 基于51單片機(jī)的金屬探測(cè)器 專業(yè)： 電子信息工程 學(xué)號(hào)： 2014041839 作者： 鐘藝紅 指導(dǎo)教師(職稱)： 陳晶晶 講師 2016年5 月 28日1基于51單片機(jī)的金屬探測(cè)器基于51單片機(jī)的金屬探測(cè)器【摘 要】隨著社會(huì)的發(fā)展，人們?cè)絹碓街匾暽?cái)產(chǎn)的安全，金屬檢測(cè)也被廣泛地應(yīng)用于社會(huì)生活、工業(yè)生產(chǎn)等許多領(lǐng)域。傳統(tǒng)的金屬探測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)方式單一，價(jià)格昂貴且報(bào)警范圍小，很容易產(chǎn)生誤報(bào)。因此對(duì)于金屬探測(cè)系統(tǒng)的研究有著重要的發(fā)展方向，擁有實(shí)際運(yùn)用價(jià)值和廣闊的市場(chǎng)發(fā)展前景。本設(shè)計(jì)選擇以單片機(jī)STC89C52RC作為控制核心的方案設(shè)計(jì)。根據(jù)電磁感應(yīng)原理制成，由渦流變化產(chǎn)生磁場(chǎng)，引起原磁場(chǎng)的變化，并將這種變化轉(zhuǎn)化為電壓、頻率和幅值等,供電路進(jìn)行檢測(cè)。當(dāng)檢測(cè)到的物品含有金屬時(shí)，金屬線圈會(huì)產(chǎn)生振蕩，頻率也會(huì)發(fā)生變化，系統(tǒng)檢測(cè)到這樣的情況會(huì)發(fā)出聲光報(bào)警，則代表檢測(cè)到金屬器件。同時(shí)也可根據(jù)需求進(jìn)行其他功能的擴(kuò)展?！娟P(guān)鍵詞】 線圈振蕩電路 金屬探測(cè)報(bào)警 STC89C52RCMetal detector based on 51 single chip microcomputer【Abstract】With the development of the society, people pay more and more attention to life and property safety, metal detection has been widely used in social life, industrial production and many other fields. Traditional way of metal detection system of the single, the price is expensive and the alarm range is small is easy to produce false positives. So for metal detection system of study has an important development direction, has a broad market development and practical application value. This chapter introduces the design scheme is based on SCM STC89C52RC as control core. According to the principle of electromagnetic induction, offered to do metal detection circuit, the process is the magnetic field generated by the eddy current changes that caused the change of the original magnetic field, and this change can be converted to voltage, frequency and amplitude, etc. When detected items contain metal, metal coil can produce oscillation, frequency would change, the system detected the case will be send out sound and light alarm, represents metal device detected. At the same time also can according to the requirements for the expansion of the other features.【Keywords】 Coil oscillation circuit Metal detection alarm STC89C52RC目錄第1章 引言11.1 金屬探測(cè)系統(tǒng)的研究意義11.2 金屬探測(cè)系統(tǒng)的發(fā)展與現(xiàn)狀11.3 研究的主要內(nèi)容及產(chǎn)品的分析1第2章 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)32.1 設(shè)計(jì)思路32.2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成及其各模塊的主要功能32.3系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)4第3章 硬件的電路設(shè)計(jì)53.1系統(tǒng)的組成53.2 單片機(jī)的選擇53.3單片機(jī)最小系統(tǒng)模塊63.4金屬線圈檢測(cè)模塊73.4.1電容三點(diǎn)式振蕩電路73.4.2 LM393電壓比較器83.5 鍵盤輸入模塊93.6 液晶顯示模塊103.7 蜂鳴器報(bào)警模塊10第4章 軟件的電路設(shè)計(jì)124.1 軟件設(shè)計(jì)的總體思路124.2系統(tǒng)流程圖124.3鍵盤接收134.4液晶顯示144.5蜂鳴器報(bào)警15第5章 系統(tǒng)的安裝與調(diào)試16第6章 結(jié)論18致謝19參考文獻(xiàn)20附錄21 附錄一 系統(tǒng)總原理圖21附錄二 系統(tǒng)PCB圖21附錄三 實(shí)物圖22附錄四 主程序23第1章 引言 本章主要介紹金屬探測(cè)系統(tǒng)的研究意義、金屬探測(cè)系統(tǒng)的發(fā)展與現(xiàn)狀，并根據(jù)此依據(jù)提出本次論文的研究主題和產(chǎn)品分析。1.1 金屬探測(cè)系統(tǒng)的研究意義隨著社會(huì)的發(fā)展，人們?cè)絹碓街匾暽?cái)產(chǎn)的安全，金屬檢測(cè)也被廣泛地應(yīng)用于社會(huì)生活、工業(yè)生產(chǎn)等許多領(lǐng)域。比如機(jī)場(chǎng)、車站、碼頭、商場(chǎng)、展覽會(huì)等都會(huì)對(duì)來往人員進(jìn)行檢測(cè)，以防貴重物品的丟失或是刀具槍支等傷害性的違禁物品，甚至用于對(duì)高考禁帶物品的檢查等領(lǐng)域。如今一些比較單一的金屬探測(cè)器已經(jīng)不能滿足當(dāng)今時(shí)代的發(fā)展需求，它需要一款能夠明確指定物品的藏匿之處，具有較高的金屬檢測(cè)系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)。目前，我國(guó)雖然已經(jīng)有了比較齊全的金屬可檢測(cè)產(chǎn)品，但由于價(jià)格昂貴，電路相對(duì)復(fù)雜，檢測(cè)靈敏度比較低，容易受到外界環(huán)境的干擾（如溫度、濕度等）。例如，車站所用的手持式金屬檢測(cè)，主要是檢測(cè)身體是否攜帶的金屬物品，針對(duì)重要部分進(jìn)行檢測(cè)，靈敏度較低，安全性也低。 1.2 金屬探測(cè)系統(tǒng)的發(fā)展與現(xiàn)狀在這個(gè)飛速發(fā)展的時(shí)代，人民的生活水平也不斷的提高，同時(shí)也推動(dòng)了城市化的進(jìn)程，而金屬的探測(cè)系統(tǒng)有巨大的市場(chǎng)前景，出現(xiàn)了許多不同類型的產(chǎn)品。雖然金屬探測(cè)系統(tǒng)所研發(fā)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)都有所相同，但總體的來說，我國(guó)現(xiàn)有的金屬探系統(tǒng)有以下幾種類型：通道式金屬探測(cè)、手持式金屬探測(cè)、臺(tái)式金屬探測(cè)、便攜式金屬探測(cè)等等。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們已經(jīng)步入數(shù)字時(shí)代，金屬探測(cè)器也會(huì)跟著時(shí)代的發(fā)展，無論金屬探測(cè)系統(tǒng)在網(wǎng)絡(luò)上還是技術(shù)整合方面，都需要強(qiáng)大的數(shù)字電路來對(duì)信息進(jìn)行分析和處理，之后在進(jìn)行傳送。因此，數(shù)字金屬探測(cè)器的發(fā)展是這個(gè)時(shí)代的需求。本次金屬探測(cè)器是一種基于單片機(jī)的數(shù)字金屬探測(cè)器，對(duì)金屬報(bào)警的判斷都是在數(shù)字單片機(jī)內(nèi)完成的，可拓展性很強(qiáng)，在外圍功能電路也實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化。1.3 研究的主要內(nèi)容及產(chǎn)品的分析本設(shè)計(jì)所研究的內(nèi)容是針對(duì)市場(chǎng)的不足之處提出的。系統(tǒng)采用新一代高速、低功耗、超強(qiáng)抗干擾，選擇以單片機(jī)STC89C52RC作為系統(tǒng)的核心模塊，通過編寫該程序KEIL軟件，采用C語(yǔ)言做為編寫語(yǔ)言。AD軟件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)硬件電路的設(shè)計(jì)與PCB的設(shè)計(jì)，采用模塊化的獨(dú)立設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，便于后面的修改和調(diào)試。制作出一款防盜、防傷害性物品近身，防考場(chǎng)作弊等功能為一體的金屬檢測(cè)器。1本課題研究的內(nèi)容有：（1） 對(duì)現(xiàn)今市場(chǎng)上的金屬探測(cè)系統(tǒng)普遍存在的問題及不足之處進(jìn)行分析和比較；（2） 依據(jù)分析結(jié)果對(duì)金屬探測(cè)系統(tǒng)的功能重新做出需求分析和進(jìn)行可行性分析；（3） 針對(duì)需求闡述，可以做出硬件電路設(shè)計(jì)和軟件電路設(shè)計(jì)；（4） 檢測(cè)系統(tǒng)信息采集數(shù)據(jù)和通信相結(jié)合，優(yōu)化金屬探測(cè)系統(tǒng)的算法；（5） 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)與完成，從電源模塊設(shè)計(jì)開始，完成啟動(dòng)狀態(tài)檢測(cè)、金屬線圈檢測(cè)模塊、按鍵輸入模塊、液晶顯示模塊以及蜂鳴器報(bào)警模塊等的設(shè)計(jì)。本次設(shè)計(jì)的重點(diǎn)在于對(duì)金屬探測(cè)器做出產(chǎn)品需求分析和可行性分析。在分析的過程中，我們還要簡(jiǎn)化一些需求，保證每一個(gè)功能都是用戶需求的，而不是簡(jiǎn)單的功能疊加，同時(shí)前期正確的產(chǎn)品需求分析也有利于產(chǎn)品的順利開發(fā)，避免了一些不必要的麻煩，如功能問題等。除此之外，還必須對(duì)產(chǎn)品整體設(shè)計(jì)進(jìn)行可行性分析，確保產(chǎn)品無誤。產(chǎn)品需求分析：（1） 可以通過按鍵輸入對(duì)頻率的設(shè)置以及數(shù)據(jù)的修改；（2） 當(dāng)檢測(cè)到金屬物品時(shí)，則該金屬物品的頻率是多少時(shí)會(huì)顯示在液晶屏幕上；（3） 當(dāng)檢測(cè)物品頻率超過所設(shè)定值的時(shí)，LED會(huì)出現(xiàn)閃爍，接著蜂鳴器也發(fā)出報(bào)警的提示； 產(chǎn)品可行性分析：（1）擁有較高的靈敏度，能檢測(cè)出各種金屬的頻率； （2）具有較高的穩(wěn)定度，能夠抵抗各種外來環(huán)境的干擾如穩(wěn)定，濕度等；（3）能夠快速完成檢測(cè)數(shù)據(jù)的采集、處理、顯示、存儲(chǔ)和標(biāo)記等任務(wù)；本系統(tǒng)采用的是STC89C52RC這款控制芯片，內(nèi)部的EEPROM，數(shù)據(jù)一次性寫入芯片內(nèi)部，并經(jīng)加密處理，具備很強(qiáng)的儲(chǔ)存系統(tǒng)； （4）具有比較好的人機(jī)互交，能夠靈便的修正參數(shù)，有儲(chǔ)存的功能； 第2章 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)2.1 設(shè)計(jì)思路本設(shè)計(jì)所研究的是一款比較簡(jiǎn)單、便捷的金屬探測(cè)器，選擇以單片機(jī)STC89C52RC作為控制核心，采用1*2矩陣按鍵來設(shè)置控制系統(tǒng)金屬精度的啟動(dòng)，從而起到一個(gè)防盜、防傷害物品近身的輔助作用。金屬檢測(cè)部分采用電磁感應(yīng)原理，使含有金屬的物體被檢測(cè)出來，并根據(jù)金屬頻率判斷是否超出設(shè)定范圍，再通過系統(tǒng)處理，在液晶顯示屏上顯示該金屬物體的頻率，使安檢人員方便看清是否攜帶金屬物品，一旦金屬頻率超標(biāo)時(shí)，LED燈將會(huì)閃爍，蜂鳴器將會(huì)發(fā)出報(bào)警，使安檢人員能夠立馬抓出攜帶金屬物品的人。2.2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成及其各模塊的主要功能本設(shè)計(jì)的系統(tǒng)主要是由CPU作為控制核心、按鍵輸入、金屬線圈檢測(cè)、液晶顯示、蜂鳴器報(bào)警組成。系統(tǒng)框圖如圖2-1所示。按鍵輸入CPUSTC89C52RC液晶顯示蜂鳴器報(bào)警金屬線圈檢測(cè)圖2-1 系統(tǒng)框圖該系統(tǒng)主要由三個(gè)部分組成：第一是金屬探測(cè)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)，一個(gè)好的硬件構(gòu)架可以減少不必要的調(diào)試麻煩；第二是信號(hào)檢測(cè)處理，要求傳感器檢測(cè)系統(tǒng)要能快速檢測(cè)到信號(hào)變化以及信號(hào)準(zhǔn)確輸出，確保不會(huì)出現(xiàn)誤報(bào)警；第三是通信系統(tǒng)的可靠性，保證安檢人員能夠及時(shí)收到報(bào)警信號(hào)。 該系統(tǒng)選擇以STC89C52RC為控制核心部分，最小系統(tǒng)的啟動(dòng)狀態(tài)信號(hào)（上、下）。按鍵輸入模塊作為金屬頻率的設(shè)置，修改數(shù)據(jù)時(shí)必須通過該模塊才能進(jìn)行設(shè)置。金屬線圈檢測(cè)模塊則是本設(shè)計(jì)最重要的組成部分，用來判斷金屬的頻率是否超過設(shè)置值為整個(gè)系統(tǒng)使用的依據(jù)。液晶顯示模塊則為人機(jī)通信使用，將檢測(cè)到的金屬頻率顯示出來，也是該系統(tǒng)不可或缺的一部分。蜂鳴器報(bào)警模塊則是經(jīng)過頻率判斷金屬頻率是否超過設(shè)定值，一旦超過則蜂鳴器產(chǎn)生報(bào)警。2.3系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)基于51單片機(jī)的金屬探測(cè)器，具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：(1) 本設(shè)計(jì)選擇STC89C52RC作為控制核心部分，最小系統(tǒng)由復(fù)位電路和晶振電路組成，輔助LED和LCD組成數(shù)據(jù)采集部分，用戶可獨(dú)自完成對(duì)數(shù)據(jù)的采集、計(jì)算、分析、判斷、處理等過程。(2) 系統(tǒng)體積較小，占用的空間不大，功耗較低、性價(jià)比高，且具有可靠的穩(wěn)定性。(3) 軟件系統(tǒng)采用KEIL軟件對(duì)其進(jìn)行程序的編寫，采用功能強(qiáng)大的C語(yǔ)言做為編寫語(yǔ)言，并將系統(tǒng)模塊化，方便對(duì)數(shù)據(jù)的處理。(4) 可以有效的實(shí)現(xiàn)輔助防盜、防傷害性物品近身，防考場(chǎng)作弊的功能。 （5）成本低，技術(shù)簡(jiǎn)單且容易實(shí)現(xiàn)卻功能強(qiáng)大。具有市場(chǎng)優(yōu)勢(shì)，容易實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。第3章 硬件的電路設(shè)計(jì)3.1系統(tǒng)的組成本設(shè)計(jì)選擇以STC89C52RC作為控制整個(gè)系統(tǒng)的中心部分，金屬探測(cè)系統(tǒng)框圖如圖3-1所示，由六大部分組成：線圈振蕩電路、整形電路、按鍵輸入、CPU、液晶顯示和報(bào)警系統(tǒng)組成。線圈振蕩電路整形電路CPUSTC89C52RC液晶顯示報(bào)警鍵盤圖3-1 硬件設(shè)計(jì)系統(tǒng)框圖金屬探測(cè)器工作原理：線圈振蕩電路是整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，根據(jù)它對(duì)金屬物體進(jìn)行檢測(cè)，可以產(chǎn)生穩(wěn)定的正弦波，當(dāng)它檢測(cè)到金屬物體時(shí)，正弦波的頻率和幅度會(huì)發(fā)生變化。振蕩時(shí)所產(chǎn)生的正弦波會(huì)經(jīng)過放大后送入脈沖變換電路，之后再產(chǎn)生一定頻率脈沖，最后將其送入單片機(jī)。所以這一變化也將被發(fā)送到單片機(jī)振蕩電路的前端，對(duì)單片機(jī)進(jìn)行分析判斷之后而報(bào)警。外圍控制模塊的功能是與前端的的單片機(jī)進(jìn)行通信、信息分析、鍵盤操作，然后通過鍵盤到前端的金屬探測(cè)精度。3.2 單片機(jī)的選擇單片機(jī)，因其擁有強(qiáng)大的功能與屬性于一身，類似于一臺(tái)小型計(jì)算機(jī)，因此被稱作單片微型計(jì)算機(jī)。單片機(jī)的出現(xiàn)是歷史性的飛躍，它標(biāo)志著計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和嵌入式系統(tǒng)的形成。由于它們的誕生讓現(xiàn)今信息技術(shù)有著越來越快的發(fā)展。單片機(jī)芯片體積小、成本低、應(yīng)用穩(wěn)定可靠。以單片機(jī)為核心的產(chǎn)品向著智能化、微型化、低功耗等方向發(fā)展。在過去的純數(shù)字電路中，存在著大量的工作量大、靈活性差、可靠性差等缺點(diǎn)，增加了大量用戶的工作量和能量。而單片機(jī)的出現(xiàn)使電子電路設(shè)計(jì)有了一個(gè)質(zhì)的飛躍，完全的克服了這些純數(shù)字電路帶來的弊端。單片機(jī)的發(fā)展和普及給工業(yè)自動(dòng)化等領(lǐng)域帶來了質(zhì)的變化。只要外部微控制器添加一些適當(dāng)?shù)耐獠繑U(kuò)展電路，就可以形成多種不同類型的應(yīng)用系統(tǒng)。以單片機(jī)為核心的系統(tǒng)具有功能齊全，抗干擾能力強(qiáng)、易于普及，前景廣闊、嵌入容易，用途廣泛。因此，以單片機(jī)為核心的控制系統(tǒng)的主要應(yīng)用領(lǐng)域包括：消費(fèi)類電子產(chǎn)品、汽車電子產(chǎn)品、工業(yè)檢測(cè)與控制、辦公自動(dòng)化設(shè)備、智能化儀器儀表、航空航天系統(tǒng)和軍事武器裝備、商業(yè)營(yíng)銷設(shè)備、分布式多機(jī)系統(tǒng)等領(lǐng)域。本設(shè)計(jì)采用新一代的高速度、低功耗、超強(qiáng)抗干擾，選擇以STC89C52RC作為核心模塊，因?yàn)榻饘偬綔y(cè)器的設(shè)計(jì)，包括前端金屬檢測(cè)和處理背景數(shù)據(jù)這2個(gè)部分，所以打破前者只需要一個(gè)小容量的振蕩頻率測(cè)量，STC89C52RC足以滿足需求。如圖3-2所示：圖3-2 STC89C52RC 引腳圖3.3單片機(jī)最小系統(tǒng)模塊 在處理器選擇方面，本設(shè)計(jì)采用高速度、低功耗、超強(qiáng)抗干擾，選擇以STC89C52RC單片機(jī)作為系統(tǒng)的核心模塊。該芯片包含中央處理單元（CPU）、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM）、程序存儲(chǔ)器（Flash）、EEPROM、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、I/O接口、UART接口、中斷系統(tǒng)、PWM、振蕩器等模塊?？梢哉f，數(shù)據(jù)采集和控制的所有模塊，可以很容易地構(gòu)成一個(gè)典型的測(cè)量和控制系統(tǒng)。與普通51單片機(jī)相比有以下特點(diǎn)：1) 同樣晶振的情況下，比普通51單片機(jī)的速度高812倍；2) 有8路10位AD；3) 多了兩個(gè)定時(shí)器，帶PWM功能；4) 有SPI接口；5) 有EEPROM；6) 有1K內(nèi)部擴(kuò)展RAM；7) 有WATCH_DOG；8) 多一個(gè)串口；9) IO口可以定義，有四種狀態(tài)；10)中斷優(yōu)先級(jí)有四種狀態(tài)可定義；本設(shè)計(jì)應(yīng)用到了EEPROM、定時(shí)/計(jì)數(shù)器、UART接口。因?yàn)榻饘兕l率的設(shè)定值要能夠在應(yīng)用中隨時(shí)能被修改，故本系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用芯片內(nèi)部的EEPROM。其ROM空間1kb對(duì)于本次設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)足夠用，并且為設(shè)計(jì)減少了硬件電路，增強(qiáng)了硬件電路的穩(wěn)定性，同時(shí)也減少了一些不必要的麻煩，而且配置簡(jiǎn)單，節(jié)約了成本且具有很高的便利性。最小系統(tǒng)模塊如圖3-3所示：圖3-3 最小系統(tǒng)模塊3.4金屬線圈檢測(cè)模塊金屬線圈檢測(cè)模塊是整體系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心部分，通過它用來判斷金屬的頻率是否超過設(shè)置值為整個(gè)系統(tǒng)使用的依據(jù)。金屬線圈檢測(cè)模塊是由電壓輸入信號(hào)，引起振蕩，產(chǎn)生頻率，通過電壓比較器進(jìn)行波形的轉(zhuǎn)換而形成。簡(jiǎn)單的講金屬線圈檢測(cè)模塊是由三點(diǎn)式振蕩電路和LM393比較器組成。3.4.1電容三點(diǎn)式振蕩電路本設(shè)計(jì)采用電容三點(diǎn)式振蕩電路，以確保穩(wěn)定的振蕩頻率在低于300KHz的前提下，目的是讓金屬探測(cè)器在工作中沒有無線電頻率的干擾。這部分的電路圖如圖3-4所示。在電路中，晶體管的放大系數(shù)較大，C1和C2的比值小于0.5，都有利于起振。因?yàn)榉答侂娙輧啥说碾妷焊叩闹C波阻抗很小,所以可以用更高的諧波濾波器,輸出波形。電容三點(diǎn)式振蕩電路的頻率為： （3-1）當(dāng)檢測(cè)到金屬物體時(shí)，電感的Q值會(huì)發(fā)生變化。由三點(diǎn)式振蕩電路的頻率計(jì)算公式中可以看出，電感增加時(shí)，諧振頻率減??；電感減小時(shí)，諧振頻率增加；電路的諧振頻率也會(huì)干擾金屬檢測(cè)。當(dāng)諧振頻率高時(shí)，線圈所產(chǎn)生磁場(chǎng)的變化也會(huì)跟著變高。根據(jù)電磁感應(yīng)原理，當(dāng)金屬內(nèi)部所產(chǎn)生的渦流增大時(shí)，電磁感應(yīng)產(chǎn)生的磁場(chǎng)也會(huì)變大。圖3-4 電容三點(diǎn)式振蕩電路3.4.2 LM393電壓比較器LM393比較器是由兩個(gè)相互獨(dú)立的電壓比較器組合的電路，具有高精度、電壓失調(diào)低，最大為2.0mv等特點(diǎn)。一些電壓較大，單電源供電是他的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，當(dāng)然也能用雙電源供電，但不論電源電壓多大，它的電流消耗非常小。還有一個(gè)比較特殊的特點(diǎn)：盡管是單電源供電，它的輸入電壓范圍都是很接近低電平。LM393比較器的原理如圖3-5所示。由上圖3-4中的C4、C7和L2組成的三點(diǎn)式振蕩器，它是基于振蕩器反饋電路原理，輸出信號(hào)IN做為L(zhǎng)M393比較器的反相輸入信號(hào)，LM393比較器的第二管腳作為參考電壓輸入端，然后對(duì)于LC振蕩進(jìn)行波形轉(zhuǎn)換，輸出電壓可以提供給數(shù)字電路處理的方波。波形轉(zhuǎn)換圖形如下3-6所示：LM393電壓比較器具有一下幾個(gè)優(yōu)勢(shì)：1.高精度比較器2.減少由于溫漂引起的失調(diào)電壓3.可以單電源供電4.共模輸入的電壓范圍接近低電平5.兼容邏輯電路圖3-5 LM393比較器原理圖圖3-6 波形轉(zhuǎn)換圖3.5 鍵盤輸入模塊矩陣式鍵盤又可以稱為行列式鍵盤。有很多關(guān)鍵的設(shè)計(jì)可以用輸入/輸出接口線將所有的按鍵組成M*N的行和列，在行和列的交叉點(diǎn)可以有效地減少在設(shè)計(jì)的接口線數(shù)量。如設(shè)計(jì)中使用了2個(gè)按鈕，按鈕設(shè)計(jì)成了一個(gè)1 * 2行和列的結(jié)構(gòu)，該階段與單個(gè)按鍵的使用相比，設(shè)計(jì)少了一半的輸入/輸出接口線和按鍵更明顯。本設(shè)計(jì)采用按鍵是輸入設(shè)備，可以實(shí)現(xiàn)人機(jī)對(duì)話，讓機(jī)器能夠的按人的意思去工作。鍵盤的目的是要進(jìn)行金屬檢測(cè)設(shè)置的頻率，修改數(shù)據(jù)也必須通過模塊來設(shè)置。電路圖如圖3-7所示：圖3-7 陣列鍵盤原理圖3.6 液晶顯示模塊液晶顯示（LCD）近年來有著快速的發(fā)展，以其功耗低，重量輕、體積小、便于攜帶，以及許多其他優(yōu)點(diǎn)，獲得了不少人們的喜愛和廣泛使用。在平常生活中，LCD更是到處都看到，在各類智能儀表，電子產(chǎn)品中的使用更是屢見不鮮。本設(shè)計(jì)采用LCD1602液晶顯示用標(biāo)準(zhǔn)16腳帶背光接口，2行16個(gè)字的1602液晶模塊來介紹它的編程方法。主要目的是顯示一些提示，如頻率值、金屬類型、精度等，但是，用液晶顯示在鍵盤上的調(diào)試會(huì)更方便。液晶顯示器的要求是比較低的，易于使用，而且價(jià)格低，以滿足需求。液晶顯示模塊則為人機(jī)通信使用，將檢測(cè)到的金屬頻率顯示出來，也是該系統(tǒng)不可或缺的一部分。如圖3-8所示：圖3-8 液晶顯示原理圖3.7 蜂鳴器報(bào)警模塊本設(shè)計(jì)采用有源蜂鳴器來提供報(bào)警。蜂鳴器報(bào)警模塊則是經(jīng)過頻率判斷該金屬是否超過設(shè)定值，一旦超過則蜂鳴器就會(huì)產(chǎn)生報(bào)警。使安檢人員能夠及時(shí)收到報(bào)警信號(hào)。當(dāng)PNP三極管為低電平導(dǎo)通時(shí)，蜂鳴器報(bào)警。原理圖如圖3-9所示：圖3-9 蜂鳴器報(bào)警原理圖第4章 軟件的電路設(shè)計(jì)4.1 軟件設(shè)計(jì)的總體思路 硬件電路的設(shè)計(jì)主要是為了產(chǎn)生振蕩，使正弦波轉(zhuǎn)換為方波，然后交給單片機(jī)處理，之后再進(jìn)行頻率的測(cè)定。報(bào)警和通信等都需要用到程序來實(shí)現(xiàn)的，最后再把程序送入單片機(jī)中。而軟件電路的設(shè)計(jì)則是這個(gè)設(shè)計(jì)的核心部分，它的結(jié)果會(huì)影響整個(gè)設(shè)計(jì)。 本設(shè)計(jì)采用C語(yǔ)言編程、keil軟件開發(fā)工具，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的功能進(jìn)行分析處理，每個(gè)模塊都有明確的分工。模塊化之后，整個(gè)主程序的思路就清晰了，程序之間也不會(huì)相互影響，便于理解。同時(shí)還可以進(jìn)行模塊獨(dú)立的修改和編寫，也方便之后對(duì)模塊功能的擴(kuò)展。系統(tǒng)軟件電路設(shè)計(jì)需要實(shí)現(xiàn)以下幾個(gè)功能： （1）狀態(tài)開關(guān)：判斷是否有金屬物品進(jìn)行實(shí)時(shí)信號(hào)采集。（2）信號(hào)處理：對(duì)采集的狀態(tài)信號(hào)做出判斷，進(jìn)一步觸發(fā)動(dòng)作。 （3）人機(jī)交互：在屏幕上對(duì)每一步操作進(jìn)行提示。 （4）金屬物品識(shí)別：對(duì)物體的含金量與存儲(chǔ)在EEPROM中的頻率設(shè)定值進(jìn)行比對(duì)判斷。 （5）信息傳輸：通過頻率對(duì)比，超出設(shè)置值時(shí)，則LED將會(huì)閃爍，通過蜂鳴器發(fā)出報(bào)警。4.2系統(tǒng)流程圖采樣頻率是由定時(shí)器T0和計(jì)數(shù)器T1共同完成的。程序中所有的頻率都是1s內(nèi)所獲得的脈沖數(shù)。為了提高檢測(cè)精度的金屬探測(cè)器的設(shè)計(jì)，一是延長(zhǎng)脈沖時(shí)間，二是降低PRISE（這是波動(dòng)頻率的范圍，如果超出了這個(gè)范圍報(bào)警）。精度設(shè)置是通過按鍵的變化轉(zhuǎn)給比較值，如果比較值設(shè)置的較大則不會(huì)對(duì)小頻率產(chǎn)生報(bào)警。系統(tǒng)流程圖如下4-1圖所示：開始定時(shí)器T1計(jì)數(shù)顯示振蕩頻率計(jì)算振蕩頻率判斷振蕩頻率是否大于設(shè)置值結(jié)束報(bào)警YN圖4-1 系統(tǒng)流程圖4.3鍵盤接收按鍵是輸入設(shè)備，可以按照我們的需求去做，實(shí)現(xiàn)人機(jī)對(duì)話功能。這個(gè)鍵盤的目的是設(shè)置金屬檢測(cè)的精度。因?yàn)殒I盤大部分都會(huì)存在抖動(dòng)，倘若抖動(dòng)沒有處理好，將會(huì)產(chǎn)生干擾。為了防止使用該程序時(shí)出現(xiàn)抖動(dòng)，判別一個(gè)鍵位和兩個(gè)鍵位的檢測(cè)方法是5ms間隔每一步，每一個(gè)鍵位需要15ms識(shí)別。在檢測(cè)的過程中如果出現(xiàn)一次錯(cuò)誤就要從新開始驗(yàn)證，這樣才能確保用戶輸入的正確。按鍵輸入模塊的程序流程圖如圖4-2所示。開始Key=0Shu3000Shu3000SEC=3Shu+=10Shu+=1結(jié)束NYYYYNNN消抖圖4-2 鍵盤接收模塊的程序流程圖4.4液晶顯示本設(shè)計(jì)采用LCD1602液晶顯示用標(biāo)準(zhǔn)16腳帶背光接口，2行16個(gè)字的1602液晶模塊來介紹它的編程方法。液晶顯示主要是為人機(jī)通信使用，將設(shè)置的數(shù)值顯示出來，并能夠?qū)z測(cè)到的金屬頻率也顯示出來，是人們一目了然，更能看清該金屬的頻率，也是該系統(tǒng)不可或缺的一部分。液晶顯示流程圖如下圖4-3所示：結(jié)束 開始LCD初始化設(shè)置顯示地址傳送顯示數(shù)據(jù)圖4-3 液晶顯示流程圖4.5蜂鳴器報(bào)警本設(shè)計(jì)采用有源蜂鳴器來提供報(bào)警。蜂鳴器報(bào)警模塊則是經(jīng)過頻率判斷金屬頻率是否超過設(shè)定值，一旦超過則蜂鳴器就會(huì)產(chǎn)生報(bào)警。使安檢人員能夠及時(shí)收到報(bào)警信號(hào)。蜂鳴器報(bào)警流程圖如下圖4-4所示：開始是否報(bào)警Beep=1Beep=0結(jié)束NY圖4-4 蜂鳴器報(bào)警流程圖第5章 系統(tǒng)的安裝與調(diào)試首先檢查是否存在短路、斷路、虛焊等現(xiàn)象，保證電路的完整性。排除邏輯故障，其次對(duì)各個(gè)模塊電路進(jìn)行通電和簡(jiǎn)單的編程測(cè)試，測(cè)試模塊是否正常工作。上電時(shí)要檢測(cè)一下電源是否接通，用萬用表來測(cè)一下是否為+5v輸出穩(wěn)壓；編寫一個(gè)簡(jiǎn)單的液晶顯示程序，下載到芯片中觀察是否正常顯示； 編寫采樣頻率程序，觀察顯示值是否正確；編寫蜂鳴器和液晶顯示程序，測(cè)試一下這兩個(gè)功能是否能正常使用；編寫按鍵接收程序，并將所接收到的信息顯示在LCD上，證明該部分沒有問題； 最后，將程序下載入芯片中，調(diào)試系統(tǒng)的功能以及改進(jìn)系統(tǒng)，之后便可進(jìn)行物體金屬含量的檢測(cè)。硬幣的金屬檢測(cè)數(shù)據(jù)如表5-1所示，水果刀的金屬檢測(cè)數(shù)據(jù)如表5-2所示，手機(jī)的金屬檢測(cè)數(shù)據(jù)如表5-3所示。表5-1 硬幣的檢測(cè)數(shù)據(jù)設(shè)定值（KHZ）133.5134.5135.5136.5137.6138.4139.4140.5檢測(cè)值（KHZ）136.5136.8136.7136.9136.9137.4137.3137.1結(jié)果報(bào)警報(bào)警報(bào)警報(bào)警不報(bào)警不報(bào)警不報(bào)警不報(bào)警表5-2 水果刀的檢測(cè)數(shù)據(jù)設(shè)定值（KHZ）133.0134.1135.0136.1137.0138.1139.0140.1檢測(cè)值（KHZ）137.4137.9137.8137.5137.4137.8137.1137.9結(jié)果報(bào)警報(bào)警報(bào)警報(bào)警報(bào)警不報(bào)警不報(bào)警不報(bào)警表5-3 手機(jī)的檢測(cè)數(shù)據(jù)設(shè)定值（KHZ）156.1159.2162.1165.0168.1171.0174.0177.5檢測(cè)值（KHZ）171.1169.0169.7169.3169.9170.0169.1169.5結(jié)果報(bào)警報(bào)警報(bào)警報(bào)警報(bào)警不報(bào)警不報(bào)警不報(bào)警由上表5-1可看出硬幣的檢測(cè)頻率大概在136.5KHZ-137.4KHZ之間，若要檢測(cè)是否攜帶硬幣，設(shè)置值應(yīng)低于136KHZ；而表5-2水果刀的檢測(cè)頻率大概在137.1KHZ-137.9KHZ之間，若要檢測(cè)是否攜帶刀具，設(shè)置值應(yīng)低于137KHZ；表5-3手機(jī)的檢測(cè)頻率大概在169.0KHZ-171.1KHZ左右，若要檢測(cè)是否攜帶手機(jī)，設(shè)置值應(yīng)低于169KHZ。整體效果如下圖5-1所示：主要是模擬水果刀來產(chǎn)生聲光報(bào)警的整個(gè)設(shè)計(jì)流程，當(dāng)金屬線圈檢測(cè)到含有金屬物品時(shí)，通過液晶顯示出金屬物品的頻率，高于我們所設(shè)置值時(shí)，LED將會(huì)閃爍，報(bào)警信號(hào)也會(huì)由蜂鳴器發(fā)出。圖5-1 實(shí)物操作圖第6章 結(jié)論本設(shè)計(jì)基于51單片機(jī)的金屬探測(cè)器，使用功能與普通的金屬探測(cè)器相比較，具有強(qiáng)大的功能，以能耗較低的單片機(jī)STC89C52做為核心，采用C語(yǔ)言及軟件keil uvision4編寫了整個(gè)軟件系統(tǒng)，整個(gè)系統(tǒng)主要由金屬檢測(cè)與修改、金屬精度檢測(cè)、LCD顯示、報(bào)警及等子程序，成功設(shè)計(jì)了一款金屬檢測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了簡(jiǎn)易防盜、聲光報(bào)警的功能。利用精度實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)易防盜，一旦檢測(cè)出金屬頻率超標(biāo)，將立刻經(jīng)過蜂鳴器發(fā)出警報(bào)提示。當(dāng)檢測(cè)到金屬頻率較高時(shí)，蜂鳴器可發(fā)出報(bào)警提示，液晶屏顯示模塊可顯示該金屬物品中金屬頻率，并給出報(bào)警提示。本設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)希望能夠大大的降低盜竊事件的發(fā)生，時(shí)刻保護(hù)著財(cái)產(chǎn)安全，也為人們的安全加上一道保險(xiǎn)，大大提升了社會(huì)的安全，構(gòu)建一個(gè)文明與和諧的安全環(huán)境。致謝在匆忙的畢業(yè)設(shè)計(jì)過程中，忙碌的生活終于告一段落了。在設(shè)計(jì)過程中獲得了很多同學(xué)、朋友以及老師的幫助指導(dǎo)，從中也讓我學(xué)到了很多東西。首先我要感謝我的畢設(shè)指導(dǎo)老師陳晶晶老師，在百忙之中為我解答，審稿，提出很多寶貴的意見，令我受益良多。在一個(gè)合理的系統(tǒng)建設(shè)和軟件設(shè)計(jì)中，最后完成了畢業(yè)設(shè)計(jì)。同時(shí)也對(duì)這兩年中教過我的老師表示由衷的感謝和祝福。同時(shí)，感謝在這段時(shí)光里中指導(dǎo)我、幫助我的同學(xué)和朋友，感謝你們與我一起度過的大學(xué)生活。本次設(shè)計(jì)極大的考驗(yàn)我的耐心和動(dòng)手能力。雖然時(shí)間比較匆忙以及能力有限，本次畢設(shè)金屬探測(cè)器，功能的發(fā)展之處還有很多，在這里我只是提供了一個(gè)數(shù)字金屬探測(cè)器的設(shè)計(jì)思想。若有不足之處還望指正。最后感謝各位老師的批評(píng)和指導(dǎo)，祝各位身體健康，工作順利，事業(yè)有成！謝謝！25參考文獻(xiàn)1范麗珍,李樹華.基于單片機(jī)的智能型金屬探測(cè)器設(shè)計(jì)J.內(nèi)蒙古大學(xué)學(xué)報(bào)自然科學(xué)版,20062劉慧娟,張奕黃.一種數(shù)字金屬探測(cè)器的設(shè)計(jì)J.北京交通大學(xué)儀器儀表學(xué)報(bào),2004.83張學(xué)勇,趙群,李義寶,唐震.一種金屬探測(cè)器的設(shè)計(jì)J.安徽建筑工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào),2007.64劉慧娟,一種新型智能金屬探測(cè)器J,北方交通大學(xué)學(xué)報(bào),20015司德平.漫談金屬探測(cè)器J.物理通報(bào),2006.46張慶雙.電子元器件的選用與檢測(cè)M.機(jī)械工業(yè)出版社,2005.17胡學(xué)海.單片機(jī)原理及應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)M.電子工業(yè)出版社,2005.88康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ)M.高等教育出版社,1999.6(4)9葉青譯.金屬探測(cè)器J.國(guó)外傳感器技術(shù),2002,12 10程佩青.數(shù)字信號(hào)處理教程M.北京:清華大學(xué)出版社,1995.11Charles Garrett.Successful Coin Hunting.Ram Publishing,1996.附錄附錄一 系統(tǒng)總原理圖附錄二 系統(tǒng)PCB圖附錄三 實(shí)物圖附錄四 主程序#include /頭文件#includeeeprom52.h#define uchar unsigned char /宏定義#define uint unsigned int / 6T 工作模式#define LCD1602_dat P0 /1602數(shù)據(jù)端口sbit LCD1602_rs=P25; /液晶I/O 定義sbit LCD1602_rw=P26; /液晶I/O 定義sbit LCD1602_e=P27; /液晶I/O 定義 sbit key_1=P13; /按鍵I/O 定義 sbit key_2=P14; /按鍵I/O 定義sbit beep=P15; /蜂鳴器I/O 定義sbit led=P10; /LED燈I/O 定義unsigned long shu1,shu=1500;uchar ms,sec;uint cs;bit OK,beep1;void delay(uint T) /延時(shí)程序while(T-);/ order 0:指令 1：數(shù)據(jù) dat:要寫入的數(shù)據(jù)void LCD1602_write(uchar order,dat) /1602 一個(gè)字節(jié) 處理 LCD1602_e=0; LCD1602_rs=order; LCD1602_dat=dat; LCD1602_rw=0; LCD1602_e=1; delay(10); LCD1602_e=0; void LCD1602_writebyte(uchar *prointer) /1602字符串 處理 /1602 字符串 處理 while(*prointer!=0) LCD1602_write(1,*prointer); prointer+; void LCD1602_cls() /1602初始化LCD1602_write(0,0x01); /1602 清屏 指令delay(1500);LCD1602_write(0,0x38); / 功能設(shè)置 8位、5*7點(diǎn)陣delay(1500);LCD1602_write(0,0x0c); /設(shè)置 光標(biāo) 不顯示開關(guān)、不顯示光標(biāo)、字符不閃爍LCD1602_write(0,0x06);LCD1602_write(0,0xd0);delay(1500);void show()LCD1602_write(0,0x80); /第一行顯示LCD1602_writebyte(NowFreq:); /顯示字符串LCD1602_write(1,0x30+shu1/100000%10); /顯示百位LCD1602_write(1,0x30+shu1/10000%10); /顯示十位LCD1602_write(1,0x30+shu1/1000%10); /顯示個(gè)位LCD1602_writebyte(.); /顯示.LCD1602_wr