多功能金属探测器的研究与设计

前言

金属探测器因其功能和市场应用领域的不同，可分为以下几种：通道式金属探测器（又称：金属探测门；简称：安检门）、手持式金属探测器、便携式金属探测器、台式金属探测器、工业用金属探测器和水下金属探测器。本文所设计的金属探测器属于手持式金属探测器。金属探测器一般都是基于感应式的工作原理。

系统工作原理

LC振荡型金属探测器，属于主动式，通过探测金属感应电流产生的二次磁场来确定被测金属的有无。LC振荡型金属探测器的信号是频率信号，当感应到金属时，输出信号的频率会有一定的变化，通过捕捉该频率变化量可以判断此时是否有金属物体。这种类型的金属探测器应用比较广泛，也方便设计和改进。

如图1，参考通道的基准信号采用有源晶振来代替，选择32.768KHz的有源晶振进行32分频后得到1024Hz的频率，与接收通道的频率信号进行差频，将得到的频率差通过PLL进行倍频处理，就可以得到比较高的灵敏度，同时，频率信号的稳定度也比较好。

该系统的基本设计思路是：利用漆包线绕制成电感值为100mH的空心线圈，与外接电容组成LC谐振网络，通过集成震荡芯片MC1648产生振荡信号，空心线圈靠近金属物体时，震荡电路的震荡频率会发生改变。震荡信号与基准频率进行差频处理后，将所得到的频率信号送入由单片机和CPLD组成的测频模块进行频率测量。人机交互界面由键盘、LCD和单片机负责实现，系统可以通过键盘和LCD菜单选项进行系统功能设置、频率测量及数据存储回显等，通过对频率异常的分析，来判断是否探测到金属。

本系统主要包括感应探头（空心线圈）、震荡电路模块、基准频率模块、差频模块、测频模块、键盘控制模块、LCD显示模块和电源模块等，系统设计框图如图2所示。

系统硬件设计

（1）感应探头

感应探头部分是模拟电路的核心之一。探头采用直径0.2mm的漆包线绕制2500圈，该空心线圈内径9cm,外径11cm，电感值约为100mH。绕制完毕，用环丙树脂对其进行密封，并用棉布将其包裹好，尽可能的减小分布参数的影响。

感应线圈与外接电容组成LC谐振网络，通过MC1648产生相应振荡频率的信号。MC1648这款ECL(Emitter Coupled Logic)（即发射极耦合逻辑电路,也称电流开关型逻辑电路）中规模集成电路实现频率振荡功能。MC1648的最高频率可达到225MHZ。为了让MC1648的输出电平与数字电路电平相匹配，需要进行电平转换，输出接LM390，将电平上限限制在5V，下限限制在0V，与后续电路电平进行匹配。

（2）基准频率电路

基准频率电路采用有源晶振进行分频得到，此处晶振选用频率为32.768KHz的5V供电的TTL电平，经过CD4060进行32分频后得到1.024KHz的基准信号。

（3）差频电路

感应信号与基准信号进行差频处理，得到差频信号，这个功能采用如下方法实现：两路信号作为异或门的两个输入端，异或门输出是包含着两种频率成分的信号，分别为感应信号与基准信号的和频分量与差频分量，通过对输出信号进行低通滤波，即得到所需要的差频分量。

当感应探头附近没有金属物体的时候，差频信号约为10Hz左右，为了提高信号的灵敏度，将差频率信号进行倍频处理。通过将差频信号经过PLL进行100倍频后，输出信号频率在1000Hz左右变化。

（4）频率测量电路

频率测量是本系统的核心部分之一，频率测量的方法有很多：测周期法主要针对低频的，脉冲计数法则主要针对高频的。因此，这两种方法在应用的过程中都有一定的局限性。本系统采用的是等精度测频：利用AVR单片机与CPLD相结合进行频率测量，具有测频精度高、范围宽的特点，并且测量的精度与待测信号无关，只与基准频率有关。

本系统中，AVR控制CPLD对待测信号与基准信号进行计数，并读取测量数据，对数据进行处理后，通过LCD进行显示。为了使用户操作本系统时更加的方便，编写了一个简单的菜单程序，通过3×5键盘对相应的菜单项进行操作，完成相应的功能。

频率测量一般都是由计数器和定时器完成，将两个定时／计数器一个设置为定时器，另一个设置为计数器，定时时间到后产生中断，在中断服务程序中处理结果，求出频率。这种方法虽然测量范围较宽，但由于存在软件延时，尽管在高频段能达到较高的精度，而低频段的测量精度较低。所以利用单片机测频时，如果选择不好的测量方法，可能会引起很大的误差。测量频率时，如果不是真正依靠硬件控制计数或定时，而是由软件查询或中断响应后再停止计数，虽然理论上能达到很高的精度，但实际测量中由于单片机响应有一定的时间延迟，难以做到精确测量。因此，本系统拟采用等精度测频发来实现频率测量。

等精度测频工作原理：

等精度频率测量用被测信号的多周期而不是单周期作门控信号；门控信号周期数可根据被测频率的大小自动调节，使计数值N保持不变，从而实现等精度测量。

预置门控信号是宽度为T的一个脉冲，Counterl和Counter2是两个可控计数器，标准频率信号从Counter1的时钟输入端CLK输入，其频率为Fs；经整形后的被测信号从Counter2的时钟输入端CLK输入，设其实际频率为Fxe，测量频率为Fx。

当预置门控信号为高电平时，经整形后的被测信号的上沿通过D触发器的Q端同时启动计数器Counter1和Counter2。Counter1、Counter2分别对被测信号(频率为Fx)和标准频率信号(频率为Fs)同时计数。当预置门信号为低电平时，随后而至的被测信号的上沿将使这两个计数器同时关闭，时序图如图3所示。设在一次预置门时间T中对被测信号计数值为Nx；对标准频率信号的计数值为Ns，则下式成立：

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

本系统利用AVR单片机与CPLD相结合来实现等精度测频，具有测频精度高，范围宽的特点，并且测量的精度与待测信号无关，只与基准频率有关。

对于本系统而言，因为周围总是有着或多或少的电磁干扰，干扰信号很容易串入导致感应信号的频率有一定的波动（频率值波动大小在1Hz以内），因此，采用等精度测频的时候，只需要精度达到1Hz即可。

如图4所示是测频电路，采用AVR与CPLD这个组合来完成等精度测频功能，因为AVR是5V提供电压的，而CPLD则采用3.3V供电，所以AVR与CPLD进行通讯的时候需要进行电平转换。信号从AVR流向CPLD时需要在信号线路中串接200欧姆的电阻进行限流，信号从CPLD流向AVR时需要经过74HC245进行电平转化，提高信号的电平阀值。

系统软件控制菜单设计

为了方便用户对仪器进行操作，需要编写一个比较友好的人机界面，通过键盘进行控制。图5所示为本系统的菜单操作流程图。

当系统上电后，系统显示“金属探测器”等欢迎字样，维持数秒后，系统将进入主菜单界面。主菜单包括三个子菜单选项：“初值校准”、“开始探测”和“数据回显”三个选项。

初值校准：由于本系统在不同的时间和地点进行使用的时候，感应探头与外接电容进行谐振的振荡频率是不同的，因此，每次进行开机使用的时候，都必须先进行初始值校准，找到当前情况下所感应的频率的最大值，然后以该频率值作为是否探测到金属的一个频率阈值。通过捕捉10次当前的频率值，并通过软件自动筛选出10次测量值中的最大值，用户可以根据所测量的最大频率值来进行阈值的设定。当设定完成，将返回主菜单进行其他操作。

开始探测：完成初值校准后，就可以开始进行金属探测了，当在探测的过程中，并没有发现金属的时候，界面将一直显示“正在探测”字样，当探测到金属，界面将出现“发现金属”字样，并控制蜂鸣器进行报警，用户可以对当前情况进行记录，将此时的所探测到的值保存到EEPROM中，如果探测完毕，用户可以选择“返回”回到主菜单界面。

数据回显：在主菜单中选择该菜单项，可以查询曾经保存的10次数据记录，例如：此时按数字键“0”，则可以查询到第0次数据记录的内容。查询完毕，选择返回键可回到主菜单界面。

小结

由于采用了等精度测频方案，对于1Hz精度的测频要求，系统完全可以实现。通过测试，对于一元钱硬币大小的金属，在无遮挡物的情况下，本系统可以探测的有效距离在2厘米左右；对于直径为1厘米的钢筋，在无遮挡物的情况下，有效探测距离在5厘米左右。相信经过进一步的改进和实验，该系统能够用于实际需求。