基于51單片機(jī)金屬探測儀器設(shè)計(jì)與制作

湖南商務(wù)職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)

目錄

1.產(chǎn)品功能分析............................................................................................................1

1.1.研究的背景......................................................................................................1

1.2.研究的意義......................................................................................................1

1.3.應(yīng)用場所..........................................................................................................1

1.4.研究內(nèi)容及成果..............................................................................................1

2.設(shè)計(jì)方案遴選............................................................................................................2

2.1單片機(jī)的選擇..................................................................................................2

2.2顯示器的選擇..................................................................................................3

2.3系統(tǒng)框圖的設(shè)計(jì)..............................................................................................3

4.產(chǎn)品硬件設(shè)計(jì)............................................................................................................4

4.1系統(tǒng)原理圖及工作原理..................................................................................4

4.2AT89C2051單片機(jī)核心電路.........................................................................5

4.3電容反饋式振蕩電路...................................................................................5

4.4脈沖變換電路.................................................................................................6

4.5報(bào)警電路.......................................................................................................7

4.6液晶顯示電路...............................................................................................7

5.產(chǎn)品軟件設(shè).............................................................................................................8

5.1軟件介紹.........................................................................................................8

5.2顯示數(shù)據(jù)處理..................................................................................................9

5.3流程圖的設(shè)計(jì)................................................................................................10

6.產(chǎn)品使用說明書......................................................................................................11

參考資料.....................................................................................................................12

附錄.............................................................................................................................13

附錄1元器件清單.............................................................................................13

附錄2電路原理圖..............................................................................................14

I

湖南商務(wù)職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)

附錄3PCB設(shè)計(jì)圖..............................................................................................15

附錄4作品實(shí)物照...........................................................................................16

附錄5主程序.....................................................................................................17

II

湖南商務(wù)職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)

基于51單片機(jī)金屬探測儀器設(shè)計(jì)與制作

1.產(chǎn)品功能分析

1.1.研究的背景

金屬探測器一個(gè)用來檢測金屬的儀器，在生活中運(yùn)用的較為廣泛，可以用

開探測常規(guī)的金屬的物品，比如探測掉在草坪上的鑰匙、家里布在墻里的金屬

暗線以及檢測物品是否為金屬材質(zhì)等等

1.2.研究的意義

目前簡單的通道式金屬探測門已經(jīng)不能完全準(zhǔn)確的檢測出金屬，檢查員需

要準(zhǔn)確判斷出物品藏匿的產(chǎn)品，于是乎金屬探測器進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)與整改，讓

金屬探測門有了報(bào)警功能

在一些特定場所金屬探測器會處到關(guān)鍵作用，如坐地鐵檢測身上的金屬，

看是否攜帶危險(xiǎn)物品，重要考試檢測身上是否攜帶電子物品為了防止考場作弊

根據(jù)國務(wù)院發(fā)布《單位內(nèi)部治安保衛(wèi)條例》，監(jiān)考人員在考場里使用金屬探測器

符合相關(guān)規(guī)定，它將作為一項(xiàng)常規(guī)措施載入我國考試監(jiān)考制度中。

1.3.應(yīng)用場所

1、安全型金屬探測器

2、工業(yè)型金屬探測器

3、生活型金屬探測器

4、軍用型金屬探測器

1.4.研究內(nèi)容及成果

金屬探測器的工作原理簡單的講就是利用電磁感應(yīng)原理，讓交流電通過電

感線圈，產(chǎn)生迅速變化的磁場，該磁場能在被檢測的金屬物體內(nèi)部產(chǎn)生感生渦

流，渦流反過來有影響原來的磁場，引發(fā)探測器報(bào)警。

1

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2.設(shè)計(jì)方案遴選

金屬探測器自誕生至今40多年過去了，金屬探測器經(jīng)歷了幾代金屬探測的

變革，從最初的信號模擬技術(shù)到連續(xù)波技術(shù)，再到今天的數(shù)字脈沖技術(shù)，金屬

探測器簡單的磁場切割原理被引入多種技術(shù)成果中。無論是靈敏度、分辨率、

探測精度還是在工作性能上都得到了質(zhì)的飛躍，應(yīng)用領(lǐng)域也隨著產(chǎn)品質(zhì)量的提

高延伸到多個(gè)行業(yè)，本次設(shè)計(jì)既要保證作品的準(zhǔn)確性，還要保證對其產(chǎn)品的穩(wěn)

定性，選用合適的設(shè)備必不可少。

2.1單片機(jī)的選擇

本次產(chǎn)品為金屬探測器，要想使得產(chǎn)品功能穩(wěn)定，并且能夠?qū)Πl(fā)來的信號進(jìn)

行判別和報(bào)警。所以產(chǎn)品的大腦單片機(jī)的選擇必不可少。

方案1：使用DSP嵌入式處理器，這款處理器硬件結(jié)構(gòu)十分穩(wěn)定，可以高速的

完成信號處理，但價(jià)格高昂，消耗很大。

方案2；單片機(jī)為AT89C2051高性能CMOSE8位單片機(jī)。這款單片機(jī)能夠記錄

發(fā)過來的脈沖信號，同時(shí)檢測振蕩電路的頻率，從而頻率的變化使發(fā)光二極管

和蜂鳴器進(jìn)行報(bào)警，如圖1所示

圖1AT89C2051單片機(jī)

通過兩種方案的對比，從設(shè)計(jì)方案的處理性，實(shí)用性以及成本考慮，選擇方案2

單片機(jī)為AT89C2051高性能CMOSE8位單片機(jī)

2

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2.2顯示器的選擇

方案1；液晶顯示器，液晶顯示器以廉價(jià)，運(yùn)用廣，內(nèi)容全面，清晰可見著

稱，1602A型號液晶顯示器更能很清楚描繪出金屬探測器的相對擋位和狀態(tài)。同

時(shí)LED1602外有16個(gè)接口對應(yīng)著不同的功能，使用起來比較方便，功能十分

齊全，

方案2；數(shù)碼管顯示器，數(shù)碼管顯示器年代久遠(yuǎn)不穩(wěn)定，且所用到數(shù)量之

多排列麻煩，價(jià)格高昂。

所以經(jīng)過反復(fù)對比后，液晶顯示器的效果最好。

2.3系統(tǒng)框圖的設(shè)計(jì)

本次金屬探測系統(tǒng)框圖分為五大部分：電容反饋式振蕩電路、脈沖變換

電路、AT89C2051單片機(jī)核心電路、報(bào)警、液晶顯示。各個(gè)部分相輔相成使得

功能得到更好的完善。如圖2示

電容反饋式

振蕩電路

脈沖變換電路

AT89C2051

鍵盤單片機(jī)核心報(bào)警

電路

液晶顯示

圖2系統(tǒng)框圖

3

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3.產(chǎn)品設(shè)計(jì)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

本次的產(chǎn)品嚴(yán)格按照國家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)制作和調(diào)試，對原件購買方面也是

通過標(biāo)準(zhǔn)在網(wǎng)絡(luò)安全購物平臺購買大型電子場的原件器材。在焊接安裝時(shí)也會

對元件進(jìn)行檢測和排查，調(diào)試時(shí)，也會檢測是否符合標(biāo)準(zhǔn)，是否存在漏電等安

全隱患。

4.產(chǎn)品硬件設(shè)計(jì)

4.1系統(tǒng)原理圖及工作原理

1、系統(tǒng)原理圖

圖3電路樓原理圖

2、工作原理

將含有金屬的物品放入線圈中，振蕩電路進(jìn)行工作產(chǎn)生信號電壓，再傳入差

分電路進(jìn)行放大、變換、整形，然后將信號傳入AT89C2051單片機(jī)，對信號進(jìn)

行判別是否為金屬，最后將判別好的信號進(jìn)行報(bào)警亮燈（不是金屬不亮燈不報(bào)

警）。而液晶顯示可調(diào)節(jié)探測范圍，對金屬更好的辨別。

4

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4.2AT89C2051單片機(jī)核心電路

單片機(jī)為AT89C2051高性能CMOSE8位單片機(jī)。這款單片機(jī)能夠記錄發(fā)過來

的脈沖信號，同時(shí)檢測振蕩電路的頻率，各個(gè)引腳對應(yīng)不同的功能

VCC；電源電壓GND；地

P1口；8位雙向I/O口。P1.0-P1.7提供內(nèi)部上拉電阻

P3.0口；RXD串行輸入口

P3.1口；TXD串行輸出口

P3.2口；外中斷0

P3.3口；外中斷1

P3.4口；T0定時(shí)器0外部輸入

P3.5口；T1定時(shí)器1外部輸入

XTAL1；振蕩器反相器的輸入

XTAL2；振蕩器反相放大器的輸出

工作原理：2k字節(jié)存儲器，128字節(jié)內(nèi)部RAM，15個(gè)I/O口，內(nèi)有一個(gè)比較

器，片內(nèi)振蕩及時(shí)鐘電路。同時(shí)AT89C2051可降至OHG的靜態(tài)邏輯操作，并支

持兩種可選的節(jié)點(diǎn)工作模式

如圖3所示；

圖4AT89C2051單片機(jī)核心電路

4.3電容反饋式振蕩電路

想要做到頻率低于300KHZ且振蕩穩(wěn)定的前提下，只能使用電容三點(diǎn)式振蕩

電路。這樣才能使得金屬探測時(shí)不會被外界所影響。如圖5示

5

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圖5電容振蕩電路

4.4脈沖變換電路

脈沖變換電路如圖6示

圖6脈沖變換電路

放大電路是為了將正弦交流信號進(jìn)行放大，甚至無窮大。再將放大后的的

信號傳遞給整形電路，而整形電路設(shè)計(jì)為差分運(yùn)放和電壓跟隨器，能讓輸入阻

抗高輸出阻抗低不僅起到承上啟下還做到了隔離的效果。能讓信號輸入前和輸

入后分開，互不影響

6

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這是經(jīng)過整形之后的對比從開始的變化多的正弦波變成了整齊的矩形波

這就是金屬探測器的放大與整形。

4.5報(bào)警電路

蜂鳴器在整個(gè)硬件設(shè)備中起到了一個(gè)提醒警示的作用，蜂鳴器的正極和負(fù)

極分別通上高電平和低電平時(shí)蜂鳴器就發(fā)出聲音，因此你可以通過給蜂鳴器不

同頻率的電平來使它發(fā)出不同的聲音。如圖7示

圖7報(bào)警電路

4.6液晶顯示電路

1602A如圖9示。它能很清楚描繪出金屬探測器的相對擋位和狀態(tài)同時(shí)

LED1602外有16個(gè)接口對應(yīng)著不同的功能，而內(nèi)有基本ASCII字符的顯示編碼，

使用起來比較方便，功能十分齊全，如圖7所示各個(gè)腳功能。連接液晶顯示器如

圖9示

7

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腳號標(biāo)識電平功能

1VssGND地

2Vdd+5V正電源

3Vo0～5V對比度

4RSH/L數(shù)據(jù)R/指令R

5RWH/L讀/寫

6E↓命令

7～14D7～D0雙向數(shù)據(jù)線

15～18－空腳－

圖8液晶顯示器各引腳標(biāo)識

圖91602A液晶顯示器圖101602A引腳圖

5.產(chǎn)品軟件設(shè)

5.1軟件介紹

軟件如同是人的大腦，它控制著整個(gè)金屬板，它能通過電路發(fā)來的頻率來

檢測是否為金屬。軟件也分為五部分如圖11示

8

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軟件作用于檢測，頻率測定，聲光報(bào)警以及通信。這部分能對頻率信號進(jìn)

行評判，是否是檢測到金屬。

圖11軟件框圖

5.2顯示數(shù)據(jù)處理

把經(jīng)過判斷的頻率發(fā)來，數(shù)據(jù)處理便開始處理并把這些通過液晶顯

示屏顯示出來下面為顯示數(shù)據(jù)處理器結(jié)構(gòu)圖11

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圖12顯示處理器結(jié)構(gòu)

顯示處理部分分為液晶顯示，鍵盤接收，按鍵處理以及通訊四個(gè)部分。也

是這個(gè)部分能完美的把金屬探測器的結(jié)果呈現(xiàn)出來。

5.3流程圖的設(shè)計(jì)

軟件就如同人的大腦，只用大腦發(fā)布指令了才會工作，從上看硬件部

分以及實(shí)現(xiàn)制造的差不多了，為了使頻率的測定、頻率的比較、報(bào)警以及與外

圍模塊的通信準(zhǔn)確無故障，所以本次設(shè)計(jì)流程圖如圖13示

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圖13流程圖

6.產(chǎn)品使用說明書

1.將焊接好的電路檢測無誤后通上電

2.查看液晶顯示屏是否亮起

3.按下按鍵，看按鍵是否可調(diào)節(jié)

4.拿來一個(gè)帶有金屬的物件

5.將檢測金屬的范圍調(diào)制最廣

6.把金屬物件放入線圈中

7.聽轟鳴器是否有聲音

8.查看LED燈是否閃爍

9.在這同時(shí)通過兩個(gè)按鍵調(diào)節(jié)液晶顯示屏幕數(shù)值看其變化以及穩(wěn)定性

如圖14示

圖14實(shí)物圖

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參考資料

[1]司德平.中學(xué)物理教育教學(xué)研究[M].鄭州：大象出版社，2008.05

[2]司德平.漫談金屬探測器[J].物理通報(bào)，2006，第四期

[3]溫亞芹；劉毅.現(xiàn)代科學(xué)概論[M].大連：大連理工大學(xué)出版社，2019.09

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附錄

附錄1元器件清單

基于51單片機(jī)金屬探測儀器設(shè)計(jì)與制作20移動互聯(lián)1班周紫航

序號元件標(biāo)號元件名稱規(guī)格數(shù)量

1Y1晶振12M1

2U2比較器LM3931

3U1AT89C2051單片機(jī)AT89C20511

4SW1電源開關(guān)電源開關(guān)1

5S1、S2、S3按鍵SW-P83

6Q2三極管90121

7R4電阻2K1

8R3、R5、R1、R8電阻1K4

9R2、R6、R7電阻10K3

10Q1三極管80501

11P1電源接口電源輸入1

12LCD1液晶LCD16021

13L1線圈線圈1

14D1發(fā)光二極管發(fā)光二極管1

15C5、C6電容20PF2

16C4電容10uF1

17C1、C2、C3電容1043

18B1蜂鳴器蜂鳴器1

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附錄2電路原理圖

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附錄3PCB設(shè)計(jì)圖

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附錄4作品實(shí)物照

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附錄5主程序

#include<reg52.h>

#include"LCD1602.h"

#defineucharunsignedchar

#defineuintunsignedint

bitflag;

unsignedlongx,x1;

ucharT0count;

uchartimecount;

sbitSpeak=P3^5;

sbitKEY1=P2^0;

sbitKEY2=P2^1;

voidTimer(void);

voidDelay_ms(uintjj)

{

uintii;

while(jj--)

for(ii=0;ii<125;ii++);

}

voidmain()

{

unsignedcharData[5],Data2[5];

Timer();

LCD1602_init();

////