前言
金屬探測器因其功能和市場應(yīng)用領(lǐng)域的不同,，可分為以下幾種：通道式金屬探測器（又稱：金屬探測門,；簡稱：安檢門）、手持式金屬探測器,、便攜式金屬探測器,、臺式金屬探測器、工業(yè)用金屬探測器和水下金屬探測器,。本文所設(shè)計的金屬探測器屬于手持式金屬探測器,。金屬探測器一般都是基于感應(yīng)式的工作原理。
系統(tǒng)工作原理
LC振蕩型金屬探測器,，屬于主動式,，通過探測金屬感應(yīng)電流產(chǎn)生的二次磁場來確定被測金屬的有無。LC振蕩型金屬探測器的信號是頻率信號,，當感應(yīng)到金屬時,，輸出信號的頻率會有一定的變化，通過捕捉該頻率變化量可以判斷此時是否有金屬物體,。這種類型的金屬探測器應(yīng)用比較廣泛,，也方便設(shè)計和改進。
如圖1,，參考通道的基準信號采用有源晶振來代替,，選擇32.768KHz的有源晶振進行32分頻后得到1024Hz的頻率，與接收通道的頻率信號進行差頻,，將得到的頻率差通過PLL進行倍頻處理,，就可以得到比較高的靈敏度，同時,，頻率信號的穩(wěn)定度也比較好,。
圖1 采用基準頻率進行差頻
該系統(tǒng)的基本設(shè)計思路是：利用漆包線繞制成電感值為100mH的空心線圈，與外接電容組成LC諧振網(wǎng)絡(luò),，通過集成震蕩芯片MC1648產(chǎn)生振蕩信號,，空心線圈靠近金屬物體時，震蕩電路的震蕩頻率會發(fā)生改變,。震蕩信號與基準頻率進行差頻處理后,，將所得到的頻率信號送入由單片機和CPLD組成的測頻模塊進行頻率測量。人機交互界面由鍵盤,、LCD和單片機負責實現(xiàn),，系統(tǒng)可以通過鍵盤和LCD菜單選項進行系統(tǒng)功能設(shè)置、頻率測量及數(shù)據(jù)存儲回顯等,，通過對頻率異常的分析,，來判斷是否探測到金屬。
本系統(tǒng)主要包括感應(yīng)探頭（空心線圈）,、震蕩電路模塊,、基準頻率模塊、差頻模塊,、測頻模塊,、鍵盤控制模塊、LCD顯示模塊和電源模塊等,，系統(tǒng)設(shè)計框圖如圖2所示,。
圖2 系統(tǒng)設(shè)計框圖
系統(tǒng)硬件設(shè)計
（1）感應(yīng)探頭
感應(yīng)探頭部分是模擬電路的核心之一。探頭采用直徑0.2mm的漆包線繞制2500圈,，該空心線圈內(nèi)徑9cm,外徑11cm,，電感值約為100mH。繞制完畢,，用環(huán)丙樹脂對其進行密封,，并用棉布將其包裹好，盡可能的減小分布參數(shù)的影響,。
感應(yīng)線圈與外接電容組成LC諧振網(wǎng)絡(luò),，通過MC1648產(chǎn)生相應(yīng)振蕩頻率的信號。MC1648這款ECL(Emitter Coupled Logic)（即發(fā)射極耦合邏輯電路,也稱電流開關(guān)型邏輯電路）中規(guī)模集成電路實現(xiàn)頻率振蕩功能,。MC1648的最高頻率可達到225MHZ,。為了讓MC1648的輸出電平與數(shù)字電路電平相匹配，需要進行電平轉(zhuǎn)換,，輸出接LM390,，將電平上限限制在5V，下限限制在0V,，與后續(xù)電路電平進行匹配,。
（2）基準頻率電路
基準頻率電路采用有源晶振進行分頻得到，此處晶振選用頻率為32.768KHz的5V供電的TTL電平,，經(jīng)過CD4060進行32分頻后得到1.024KHz的基準信號,。
（3）差頻電路
感應(yīng)信號與基準信號進行差頻處理，得到差頻信號，這個功能采用如下方法實現(xiàn)：兩路信號作為異或門的兩個輸入端,，異或門輸出是包含著兩種頻率成分的信號,，分別為感應(yīng)信號與基準信號的和頻分量與差頻分量，通過對輸出信號進行低通濾波,，即得到所需要的差頻分量,。
當感應(yīng)探頭附近沒有金屬物體的時候，差頻信號約為10Hz左右,，為了提高信號的靈敏度,，將差頻率信號進行倍頻處理。通過將差頻信號經(jīng)過PLL進行100倍頻后,，輸出信號頻率在1000Hz左右變化,。
（4）頻率測量電路
頻率測量是本系統(tǒng)的核心部分之一，頻率測量的方法有很多：測周期法主要針對低頻的,，脈沖計數(shù)法則主要針對高頻的,。因此，這兩種方法在應(yīng)用的過程中都有一定的局限性,。本系統(tǒng)采用的是等精度測頻：利用AVR單片機與CPLD相結(jié)合進行頻率測量,，具有測頻精度高、范圍寬的特點,，并且測量的精度與待測信號無關(guān),，只與基準頻率有關(guān)。
本系統(tǒng)中,，AVR控制CPLD對待測信號與基準信號進行計數(shù),，并讀取測量數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進行處理后,，通過LCD進行顯示,。為了使用戶操作本系統(tǒng)時更加的方便，編寫了一個簡單的菜單程序,，通過3×5鍵盤對相應(yīng)的菜單項進行操作,，完成相應(yīng)的功能。
頻率測量一般都是由計數(shù)器和定時器完成,，將兩個定時／計數(shù)器一個設(shè)置為定時器,，另一個設(shè)置為計數(shù)器，定時時間到后產(chǎn)生中斷,，在中斷服務(wù)程序中處理結(jié)果,，求出頻率。這種方法雖然測量范圍較寬,，但由于存在軟件延時,，盡管在高頻段能達到較高的精度,，而低頻段的測量精度較低。所以利用單片機測頻時,，如果選擇不好的測量方法,，可能會引起很大的誤差。測量頻率時,，如果不是真正依靠硬件控制計數(shù)或定時,，而是由軟件查詢或中斷響應(yīng)后再停止計數(shù),，雖然理論上能達到很高的精度,，但實際測量中由于單片機響應(yīng)有一定的時間延遲，難以做到精確測量,。因此,，本系統(tǒng)擬采用等精度測頻發(fā)來實現(xiàn)頻率測量。
等精度測頻工作原理：
等精度頻率測量用被測信號的多周期而不是單周期作門控信號,；門控信號周期數(shù)可根據(jù)被測頻率的大小自動調(diào)節(jié),，使計數(shù)值N保持不變，從而實現(xiàn)等精度測量,。
預(yù)置門控信號是寬度為T的一個脈沖,，Counterl和Counter2是兩個可控計數(shù)器，標準頻率信號從Counter1的時鐘輸入端CLK輸入,，其頻率為Fs,；經(jīng)整形后的被測信號從Counter2的時鐘輸入端CLK輸入，設(shè)其實際頻率為Fxe,，測量頻率為Fx,。
當預(yù)置門控信號為高電平時，經(jīng)整形后的被測信號的上沿通過D觸發(fā)器的Q端同時啟動計數(shù)器Counter1和Counter2,。Counter1,、Counter2分別對被測信號(頻率為Fx)和標準頻率信號(頻率為Fs)同時計數(shù)。當預(yù)置門信號為低電平時,，隨后而至的被測信號的上沿將使這兩個計數(shù)器同時關(guān)閉,，時序圖如圖3所示。設(shè)在一次預(yù)置門時間T中對被測信號計數(shù)值為Nx,；對標準頻率信號的計數(shù)值為Ns,，則下式成立：
圖3 等精度測頻時序圖
Fx/Nx=Fy/Ny Fx=(Fy/Ny)*Nx
本系統(tǒng)利用AVR單片機與CPLD相結(jié)合來實現(xiàn)等精度測頻，具有測頻精度高,，范圍寬的特點,，并且測量的精度與待測信號無關(guān)，只與基準頻率有關(guān),。
對于本系統(tǒng)而言,，因為周圍總是有著或多或少的電磁干擾,，干擾信號很容易串入導(dǎo)致感應(yīng)信號的頻率有一定的波動（頻率值波動大小在1Hz以內(nèi)），因此,，采用等精度測頻的時候,，只需要精度達到1Hz即可。
如圖4所示是測頻電路,，采用AVR與CPLD這個組合來完成等精度測頻功能,，因為AVR是5V提供電壓的，而CPLD則采用3.3V供電,，所以AVR與CPLD進行通訊的時候需要進行電平轉(zhuǎn)換,。信號從AVR流向CPLD時需要在信號線路中串接200歐姆的電阻進行限流，信號從CPLD流向AVR時需要經(jīng)過74HC245進行電平轉(zhuǎn)化,，提高信號的電平閥值,。
圖4 測頻電路
系統(tǒng)軟件控制菜單設(shè)計
為了方便用戶對儀器進行操作，需要編寫一個比較友好的人機界面,，通過鍵盤進行控制,。圖5所示為本系統(tǒng)的菜單操作流程圖。
圖5 菜單選項操作流程圖
當系統(tǒng)上電后,，系統(tǒng)顯示“金屬探測器”等歡迎字樣,，維持數(shù)秒后，系統(tǒng)將進入主菜單界面,。主菜單包括三個子菜單選項：“初值校準”,、“開始探測”和“數(shù)據(jù)回顯”三個選項。
初值校準：由于本系統(tǒng)在不同的時間和地點進行使用的時候,，感應(yīng)探頭與外接電容進行諧振的振蕩頻率是不同的,，因此，每次進行開機使用的時候,，都必須先進行初始值校準,，找到當前情況下所感應(yīng)的頻率的最大值，然后以該頻率值作為是否探測到金屬的一個頻率閾值,。通過捕捉10次當前的頻率值,，并通過軟件自動篩選出10次測量值中的最大值，用戶可以根據(jù)所測量的最大頻率值來進行閾值的設(shè)定,。當設(shè)定完成,，將返回主菜單進行其他操作。
開始探測：完成初值校準后,，就可以開始進行金屬探測了,，當在探測的過程中，并沒有發(fā)現(xiàn)金屬的時候,，界面將一直顯示“正在探測”字樣,，當探測到金屬,，界面將出現(xiàn)“發(fā)現(xiàn)金屬”字樣，并控制蜂鳴器進行報警,，用戶可以對當前情況進行記錄,，將此時的所探測到的值保存到EEPROM中，如果探測完畢,，用戶可以選擇“返回”回到主菜單界面,。
數(shù)據(jù)回顯：在主菜單中選擇該菜單項，可以查詢曾經(jīng)保存的10次數(shù)據(jù)記錄,，例如：此時按數(shù)字鍵“0”,，則可以查詢到第0次數(shù)據(jù)記錄的內(nèi)容。查詢完畢,，選擇返回鍵可回到主菜單界面,。
小結(jié)
由于采用了等精度測頻方案，對于1Hz精度的測頻要求,，系統(tǒng)完全可以實現(xiàn)。通過測試,，對于一元錢硬幣大小的金屬,，在無遮擋物的情況下，本系統(tǒng)可以探測的有效距離在2厘米左右,；對于直徑為1厘米的鋼筋,，在無遮擋物的情況下，有效探測距離在5厘米左右,。相信經(jīng)過進一步的改進和實驗,，該系統(tǒng)能夠用于實際需求。