佘胜安 付伟华 范德义 吴修丽
宿州学院 机械与电子工程学院 安徽宿州 234000
摘要：由于一些工业生产中，对金属杂质的检测十分严格，存在着检测难、灵敏度低、准确度低等问题，这就对金属的检测提出了更高的要求。尽管目前已有很多金属检测设备，但对金属的检测还远远不够，究其原因，主要是灵敏度和准确度不够高。对于绝大多数的金属探测仪设备，如果它的检测效率能够大大提高，就可以提高工业生产的效率。
关键词：51单片机，涡流，LC振荡，自动化
1 引言
以AT89C51为核心的检测金属技术的产生，它的诞生是金属探测器技术发展史上的一次创新和转折点，这个技术把原来的检测并观察单一的磁场变化革新成很多磁场相互叠加的磁场检测，再把被检测的区域分为很多个小的检测区域，把得到的检测区域在金属探测仪上形成一个检测的区域，这样金属探测仪就有了检测固定区域，如果一旦检测到金属，将信号传递给单片机并可及时报警。
2 基本原理
本项目设计是采用AT89C51作为主核心芯片的金属探测器。该金属探测器以AT89C51单片机为主要控制核心，采用电感式外设模块，来感应并且检测由金属涡流效应引起的铜线圈磁场的变化，然后把由前面产生打的变化的磁场间接转化为单片机可测的的电压，再由单片机LCD1602显示具体的电压，然后与我们设定阈值的电压值进行对比，最后对比的结果判断有没有探测到金属。
3 模块原件介绍
3.1 LCD1602液晶
LCD1602显示外设模块是普遍使用的显示外设模块。它的组成部分有:字符型的液晶显示屏、显示模块的主驱动电路HD44780和扩展驱动电路HD44100，一些限流分压的电阻、电容等电子元器件一起焊在已经画好的电路PCB板子上。有些厂家生产设计的LCD1602所用的芯片可能不一样，但是其使用的方法规范是一样的。很多商家为了减少生产制造的成本，很多厂商都是直接将其裸芯片及电路设计做到PCB板子上。[1]
3.2 检测模块
主要电子元器件是STC89C51和NE555时基电路。它的工作时序为：CPU向单片机的I/O口输出一个很小的脉冲用于打开MOS管以及给振荡电路进行充电。当关闭检测模块的MOS管之后。LC振荡器变成了自由振荡的状态。由NE555时基电路构成的施密特触发器模块振荡的信号转变成了方波信号。其振荡幅度由于阻尼力的阻碍作用会变得越来越小。当其小到NE555最小门限电压后就不再产生方波。当检测盘里没有金属的时候，相对有金属时检测器会处于一个检测状态较长的时间里，当金属检测仪器处于正在检测金属的周期中时。无金属时产生的脉冲个数相比较而言多一些。此外检测盘里有金属和没有金属的时候。模块的LC振荡频率是不一样的。我们通过检测NE555输出的脉冲宽度可算出其频率。
3.3 蜂鸣器模块
压电式蜂鸣器的组成部分有：共鸣箱、阻抗匹配器、压电蜂鸣片和多谐振荡器。
压电式蜂鸣器中由晶体管以及集成电路所组成的多谐振荡器，接通5V或者3V电压电源之后，此时多谐振荡器才开始起振,产生一个大于1.5kHZ小于2.5kHZ的音频信号，其中阻抗匹配器推动蜂鸣片振动从而发声。当我们改变AT89C51单片机引脚输出波形的频率时，就可以调整蜂鸣器音调大小，从而产生各种不同音色和不同的音调。如果改变I/O口的占空比，就可以自己通过软件编写程序调节蜂鸣器声音的大小。
无源蜂鸣器的内部元件主要是由振荡器、电磁线圈、振动膜片构成。当信号电流通过电磁线圈后，同时无源蜂鸣器模块接通供电5V或者3V电源后，使通电的电磁线圈产生变化的磁场，而膜片在电磁线圈和磁铁两个力的相互作用下，产生一定的振动，从而发出声音。?
4 系统设计
4.1 主控电路
金属探测仪的主控芯片采用stc89c51芯片，stc89c51单片机是从Intel的8004系列单片机发展演化而来，后来随着技术的不断发展、改革。stc89c51单片机是一种对于那些8051指令也兼容的单片机的一个统称。其8004单片机获得了一定的发展和开发，成为当时应用最受欢迎的8位单片机之一，其中最为经典以及稳定的是ATMEL公司设计生产的AT89系列，AT89系列广泛应用于工业测控系统之中。之后很多公司都有51系列的兼容机型产品的推广和发展，导致后面很长的一段时间内拥有大量的市场及需求。stc89c51单片机也是我们学习单片机的道路上最基础的门槛，为今后的发展打下良好的基础。
4.2 电源电路
金属探测仪整体系统的供电模块对于一个项目的整体运行来说是非常重要的，如果金属探测仪的供电电源不稳定，会导致金属探测仪灵敏度、准确度下降，甚至会导致其无法正常工作，因此在设计电路系统时我们应选择稳定、可靠的供电电源。
AT89C51单片机的整体系统、使用的外设模块常用5V供电。大部分的电源供电模块有稳压电源LM2940和开稳压电源LM2575这两种。LM2575的功耗较小，电压传输的效率相对来说较高，但电路却十分复杂，电路的杂波也很大；LM2940的优点是杂波小、电路简单，但是电压传递的效率相对来说较低，消耗的功率非常大。为了满足单片机正常运行的基本条件，我们需要提供单片机稳定的5V供电电源，因此，我们选择LM2940单独给单片机供电；但是其它检测外设模块需要较大电流驱动其正常工作，比较于LM2596-5，它的带负载能力大，电压、电流的转换效率较高，其缺点是：纹波电压大，不适合做单片机电源，不过对其它外设模块供电还是能保证充电的电源。利用LM2940-5和LM2596-5对单片机整体系统和外设检测模块开提供电源，可以有很好的预防各电子元器件器件之间发生相互干扰，以及电流较小的问题，使得单片机整体系统能够稳定正常地工作。
5 数据处理
该设计通过金属探测仪感知外界金属的有无，通过数据口将感知的数据传到单片机内部，经过单片机处理，将有无金属显示在LCD1602屏幕上。
6 主程序电路设计
收集所需要的51的最小系统、LCD1602液晶显示屏、金属探测仪模块，搭建完成并设计好机械结构。熟悉各个模块的作用以及相应的源码，分阶段完成实现各个模块的功能。
把各个模块的代码整合在一起，最终完成金属探测仪的设计。
7 结束语
通过对本设计的研究,将所学的51单片机和金属探测仪模块的整合在一起，从而完成此项目。
参考文献
[1]2010.01唐继贤编著．51单片机工程应用实例[M]．北京：北京航空航天大学出版社，2009.01