基于51单片机金属探测仪器设计与制作

湖南商务职业技术学院毕业设计

目录

1.产品功能分析............................................................................................................1

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

1.2.研究的意义......................................................................................................1

1.3.应用场所..........................................................................................................1

1.4.研究内容及成果..............................................................................................1

2.设计方案遴选............................................................................................................2

2.1单片机的选择..................................................................................................2

2.2显示器的选择..................................................................................................3

2.3系统框图的设计..............................................................................................3

4.产品硬件设计............................................................................................................4

4.1系统原理图及工作原理..................................................................................4

4.2AT89C2051单片机核心电路.........................................................................5

4.3电容反馈式振荡电路...................................................................................5

4.4脉冲变换电路.................................................................................................6

4.5报警电路.......................................................................................................7

4.6液晶显示电路...............................................................................................7

5.产品软件设.............................................................................................................8

5.1软件介绍.........................................................................................................8

5.2显示数据处理..................................................................................................9

5.3流程图的设计................................................................................................10

6.产品使用说明书......................................................................................................11

参考资料.....................................................................................................................12

附录.............................................................................................................................13

附录1元器件清单.............................................................................................13

附录2电路原理图..............................................................................................14

I

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附录3PCB设计图..............................................................................................15

附录4作品实物照...........................................................................................16

附录5主程序.....................................................................................................17

II

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基于51单片机金属探测仪器设计与制作

1.产品功能分析

1.1.研究的背景

金属探测器一个用来检测金属的仪器，在生活中运用的较为广泛，可以用

开探测常规的金属的物品，比如探测掉在草坪上的钥匙、家里布在墙里的金属

暗线以及检测物品是否为金属材质等等

1.2.研究的意义

目前简单的通道式金属探测门已经不能完全准确的检测出金属，检查员需

要准确判断出物品藏匿的产品，于是乎金属探测器进行了重新设计与整改，让

金属探测门有了报警功能

在一些特定场所金属探测器会处到关键作用，如坐地铁检测身上的金属，

看是否携带危险物品，重要考试检测身上是否携带电子物品为了防止考场作弊

根据国务院发布《单位内部治安保卫条例》，监考人员在考场里使用金属探测器

符合相关规定，它将作为一项常规措施载入我国考试监考制度中。

1.3.应用场所

1、安全型金属探测器

2、工业型金属探测器

3、生活型金属探测器

4、军用型金属探测器

1.4.研究内容及成果

金属探测器的工作原理简单的讲就是利用电磁感应原理，让交流电通过电

感线圈，产生迅速变化的磁场，该磁场能在被检测的金属物体内部产生感生涡

流，涡流反过来有影响原来的磁场，引发探测器报警。

1

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2.设计方案遴选

金属探测器自诞生至今40多年过去了，金属探测器经历了几代金属探测的

变革，从最初的信号模拟技术到连续波技术，再到今天的数字脉冲技术，金属

探测器简单的磁场切割原理被引入多种技术成果中。无论是灵敏度、分辨率、

探测精度还是在工作性能上都得到了质的飞跃，应用领域也随着产品质量的提

高延伸到多个行业，本次设计既要保证作品的准确性，还要保证对其产品的稳

定性，选用合适的设备必不可少。

2.1单片机的选择

本次产品为金属探测器，要想使得产品功能稳定，并且能够对发来的信号进

行判别和报警。所以产品的大脑单片机的选择必不可少。

方案1：使用DSP嵌入式处理器，这款处理器硬件结构十分稳定，可以高速的

完成信号处理，但价格高昂，消耗很大。

方案2；单片机为AT89C2051高性能CMOSE8位单片机。这款单片机能够记录

发过来的脉冲信号，同时检测振荡电路的频率，从而频率的变化使发光二极管

和蜂鸣器进行报警，如图1所示

图1AT89C2051单片机

通过两种方案的对比，从设计方案的处理性，实用性以及成本考虑，选择方案2

单片机为AT89C2051高性能CMOSE8位单片机

2

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2.2显示器的选择

方案1；液晶显示器，液晶显示器以廉价，运用广，内容全面，清晰可见著

称，1602A型号液晶显示器更能很清楚描绘出金属探测器的相对挡位和状态。同

时LED1602外有16个接口对应着不同的功能，使用起来比较方便，功能十分

齐全，

方案2；数码管显示器，数码管显示器年代久远不稳定，且所用到数量之

多排列麻烦，价格高昂。

所以经过反复对比后，液晶显示器的效果最好。

2.3系统框图的设计

本次金属探测系统框图分为五大部分：电容反馈式振荡电路、脉冲变换

电路、AT89C2051单片机核心电路、报警、液晶显示。各个部分相辅相成使得

功能得到更好的完善。如图2示

电容反馈式

振荡电路

脉冲变换电路

AT89C2051

键盘单片机核心报警

电路

液晶显示

图2系统框图

3

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3.产品设计技术标准

本次的产品严格按照国家标准进行设计制作和调试，对原件购买方面也是

通过标准在网络安全购物平台购买大型电子场的原件器材。在焊接安装时也会

对元件进行检测和排查，调试时，也会检测是否符合标准，是否存在漏电等安

全隐患。

4.产品硬件设计

4.1系统原理图及工作原理

1、系统原理图

图3电路楼原理图

2、工作原理

将含有金属的物品放入线圈中，振荡电路进行工作产生信号电压，再传入差

分电路进行放大、变换、整形，然后将信号传入AT89C2051单片机，对信号进

行判别是否为金属，最后将判别好的信号进行报警亮灯（不是金属不亮灯不报

警）。而液晶显示可调节探测范围，对金属更好的辨别。

4

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4.2AT89C2051单片机核心电路

单片机为AT89C2051高性能CMOSE8位单片机。这款单片机能够记录发过来

的脉冲信号，同时检测振荡电路的频率，各个引脚对应不同的功能

VCC；电源电压GND；地

P1口；8位双向I/O口。P1.0-P1.7提供内部上拉电阻

P3.0口；RXD串行输入口

P3.1口；TXD串行输出口

P3.2口；外中断0

P3.3口；外中断1

P3.4口；T0定时器0外部输入

P3.5口；T1定时器1外部输入

XTAL1；振荡器反相器的输入

XTAL2；振荡器反相放大器的输出

工作原理：2k字节存储器，128字节内部RAM，15个I/O口，内有一个比较

器，片内振荡及时钟电路。同时AT89C2051可降至OHG的静态逻辑操作，并支

持两种可选的节点工作模式

如图3所示；

图4AT89C2051单片机核心电路

4.3电容反馈式振荡电路

想要做到频率低于300KHZ且振荡稳定的前提下，只能使用电容三点式振荡

电路。这样才能使得金属探测时不会被外界所影响。如图5示

5

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图5电容振荡电路

4.4脉冲变换电路

脉冲变换电路如图6示

图6脉冲变换电路

放大电路是为了将正弦交流信号进行放大，甚至无穷大。再将放大后的的

信号传递给整形电路，而整形电路设计为差分运放和电压跟随器，能让输入阻

抗高输出阻抗低不仅起到承上启下还做到了隔离的效果。能让信号输入前和输

入后分开，互不影响

6

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这是经过整形之后的对比从开始的变化多的正弦波变成了整齐的矩形波

这就是金属探测器的放大与整形。

4.5报警电路

蜂鸣器在整个硬件设备中起到了一个提醒警示的作用，蜂鸣器的正极和负

极分别通上高电平和低电平时蜂鸣器就发出声音，因此你可以通过给蜂鸣器不

同频率的电平来使它发出不同的声音。如图7示

图7报警电路

4.6液晶显示电路

1602A如图9示。它能很清楚描绘出金属探测器的相对挡位和状态同时

LED1602外有16个接口对应着不同的功能，而内有基本ASCII字符的显示编码，

使用起来比较方便，功能十分齐全，如图7所示各个脚功能。连接液晶显示器如

图9示

7

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脚号标识电平功能

1VssGND地

2Vdd+5V正电源

3Vo0～5V对比度

4RSH/L数据R/指令R

5RWH/L读/写

6E↓命令

7～14D7～D0双向数据线

15～18－空脚－

图8液晶显示器各引脚标识

图91602A液晶显示器图101602A引脚图

5.产品软件设

5.1软件介绍

软件如同是人的大脑，它控制着整个金属板，它能通过电路发来的频率来

检测是否为金属。软件也分为五部分如图11示

8

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软件作用于检测，频率测定，声光报警以及通信。这部分能对频率信号进

行评判，是否是检测到金属。

图11软件框图

5.2显示数据处理

把经过判断的频率发来，数据处理便开始处理并把这些通过液晶显

示屏显示出来下面为显示数据处理器结构图11

9

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图12显示处理器结构

显示处理部分分为液晶显示，键盘接收，按键处理以及通讯四个部分。也

是这个部分能完美的把金属探测器的结果呈现出来。

5.3流程图的设计

软件就如同人的大脑，只用大脑发布指令了才会工作，从上看硬件部

分以及实现制造的差不多了，为了使频率的测定、频率的比较、报警以及与外

围模块的通信准确无故障，所以本次设计流程图如图13示

10

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图13流程图

6.产品使用说明书

1.将焊接好的电路检测无误后通上电

2.查看液晶显示屏是否亮起

3.按下按键，看按键是否可调节

4.拿来一个带有金属的物件

5.将检测金属的范围调制最广

6.把金属物件放入线圈中

7.听轰鸣器是否有声音

8.查看LED灯是否闪烁

9.在这同时通过两个按键调节液晶显示屏幕数值看其变化以及稳定性

如图14示

图14实物图

11

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参考资料

[1]司德平.中学物理教育教学研究[M].郑州：大象出版社，2008.05

[2]司德平.漫谈金属探测器[J].物理通报，2006，第四期

[3]温亚芹；刘毅.现代科学概论[M].大连：大连理工大学出版社，2019.09

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附录

附录1元器件清单

基于51单片机金属探测仪器设计与制作20移动互联1班周紫航

序号元件标号元件名称规格数量

1Y1晶振12M1

2U2比较器LM3931

3U1AT89C2051单片机AT89C20511

4SW1电源开关电源开关1

5S1、S2、S3按键SW-P83

6Q2三极管90121

7R4电阻2K1

8R3、R5、R1、R8电阻1K4

9R2、R6、R7电阻10K3

10Q1三极管80501

11P1电源接口电源输入1

12LCD1液晶LCD16021

13L1线圈线圈1

14D1发光二极管发光二极管1

15C5、C6电容20PF2

16C4电容10uF1

17C1、C2、C3电容1043

18B1蜂鸣器蜂鸣器1

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附录2电路原理图

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附录3PCB设计图

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附录4作品实物照

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附录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();

////