智能金屬探測(cè)小車

黃軼凡，陳佳輝，陳典隆、張嘉俊 (指導(dǎo)教師：林德耀,葉輕舟)

（福建工程學(xué)院 電子信息與電氣技術(shù)國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，福建福州，350118）

0 引言

如何利用電磁波理論和電子技術(shù)，來(lái)實(shí)現(xiàn)金屬探測(cè)的功能，是我們需要思考的問(wèn)題。本文將這兩個(gè)原理相融合，成功制作了本裝置。本裝置稍作改造，能使得金屬探測(cè)的范圍更廣，可以到達(dá)人力無(wú)法到達(dá)的危險(xiǎn)地方。例如地下礦井勘探作業(yè)以及輔助排雷等工作。作者發(fā)布此技術(shù)，其目的是讓更多的科技工作者，在本裝置的基礎(chǔ)上深入研究、探索，設(shè)計(jì)出更高水平的作品來(lái)造福我們的社會(huì)。

1 整體工作原理

假設(shè)地下無(wú)寶藏，小車內(nèi)置的振蕩電路輸出的固有頻率為f0，當(dāng)小車行駛至某段道路時(shí)，振蕩電路輸出的的頻率升高，表明地下有銅礦（或銅片），單片機(jī)結(jié)合事先編寫(xiě)的程序驅(qū)動(dòng)LCD顯示屏顯示“銅”字樣；反之，振蕩電路輸出的的頻率降低，表明地下有鐵礦（或鐵片），LCD顯示屏顯示“鐵”字樣。本裝置利用HT66F70A為控制核心以及外圍驅(qū)動(dòng)電路（電機(jī)、蜂鳴器、LCD顯示屏等），實(shí)現(xiàn)了金屬探測(cè)及相關(guān)示警功能。

2 模塊工作原理

2.1 金屬探測(cè)傳感器模塊

2.1.1 振蕩檢測(cè)電路

銅與鐵傳感器振蕩檢測(cè)電路如圖所示，其中圖1為金屬探測(cè)傳感器振蕩檢測(cè)電原理圖。

圖1 金屬探測(cè)傳感器原理圖

三極管VT1為振蕩管，電阻R1、R3為上偏置電阻、電阻R2為下偏置電阻，電阻R4為發(fā)射機(jī)電阻。電感L1與電容C3、C4、C5、C6構(gòu)成電容三點(diǎn)式振蕩電路，電路處于深度振蕩狀態(tài)，通過(guò)C7耦合輸出約1.5MHz的正弦波信號(hào)。

2.1.2 整形電路

圖2 整形電路

圖2為整形電路，簡(jiǎn)言之，當(dāng)輸入為正弦波信號(hào)時(shí)，經(jīng)過(guò)本電路的整形后，輸出即為方波信號(hào)。

2.2 顯示報(bào)警模塊

2.2.1 LCD12864顯示屏

（1）lcd運(yùn)作原理

圖3為時(shí)序圖。由CS、SCLK、STD三種時(shí)序圖配合工作，滿足 LCD12864顯示屏的正常運(yùn)行。

行工作。

圖3 時(shí)序圖

圖4為合泰單片機(jī)HT66F70A局部電原理圖，當(dāng)PSB腳接0時(shí)，模塊將進(jìn)入串行模式按時(shí)序圖3所示的規(guī)則進(jìn)

圖4 為合泰HT66F70A單片機(jī)局部硬件圖

（2）lcd硬件連接

① VSS，接地端

② VDD，電源正，接+5V

③ VO，對(duì)比度調(diào)整，一般接+5V就行了

④ D/I(CS＊)，片選，也叫使能，接+5V

⑤ R/W(SID＊)，數(shù)據(jù)輸入端

⑥ E(SCLK＊)，時(shí)鐘輸入端 7～14：DB0 ～ DB7，并行數(shù)據(jù)總線(此處為串行，故不需要連接)

2.2.2 蜂鳴器報(bào)警

在蜂鳴器上，我們選擇了無(wú)源蜂鳴器。無(wú)源蜂鳴器的優(yōu)點(diǎn)如下：①經(jīng)濟(jì)，②聲音頻率可控，可以做出“Do-Re-Mi-Fa-Sol-La-Si”的聲音。

無(wú)源蜂鳴器利用電磁感應(yīng)現(xiàn)象，為音圈接入交變電流后形成的電磁鐵與永磁鐵相吸或相斥而推動(dòng)振膜發(fā)聲，接入直流電只能持續(xù)推動(dòng)振膜而無(wú)法產(chǎn)生聲音，只能在接通或斷開(kāi)時(shí)產(chǎn)生聲音。因此需通過(guò)方波來(lái)驅(qū)動(dòng)無(wú)源蜂鳴器，而通過(guò)調(diào)節(jié)矩形波的頻率來(lái)調(diào)節(jié)聲音。

2.3 小車系統(tǒng)

2.3.1 小車及電機(jī)驅(qū)動(dòng)

小車電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，采用ST公司原裝全新的L298N芯片，可直接驅(qū)動(dòng)兩路電機(jī)，本電路直流電機(jī)采用12V供電。

2.3.2 金屬探測(cè)轉(zhuǎn)化為頻率的檢測(cè)

當(dāng)小車途徑金屬區(qū)域時(shí)，會(huì)引起振蕩線圈電感量的變化，從而引起電路輸出頻率的變化，所以只要檢測(cè)電路的頻率變化情況，就能知道深埋于地下的金屬是屬于何種金屬。

3 頻率的檢測(cè)與PWM波的設(shè)置

3.1 頻率的檢測(cè)

我們知道頻率1s內(nèi)完成周期性變化的次數(shù)叫頻率。所以需要兩個(gè)中一個(gè)中斷用于檢測(cè)時(shí)間。一個(gè)用于記錄時(shí)間內(nèi)單片機(jī)檢測(cè)到的次數(shù)。振蕩檢測(cè)電路的頻率不宜太高，單片機(jī)的采集速率跟不上，故要降低振蕩電路的頻率讓單片機(jī)在可計(jì)數(shù)范圍內(nèi)（即遠(yuǎn)低于單片機(jī)晶振頻率）完成對(duì)振蕩電路頻率的檢測(cè)。

寄存器 頻率檢測(cè)配置：

_tm2c0=0b00010000; //選擇系統(tǒng)時(shí)鐘

_tm2c1=0b01000000; //設(shè)置上升沿觸發(fā)中斷

_tm2rp=0x00; //使計(jì)數(shù)器能達(dá)到最大值

_t2ae=1; //開(kāi)啟中斷

_mf0e=1;

_emi=1;

_t2on=1;

頻率計(jì)的中斷部分只要設(shè)置一個(gè)變量c進(jìn)行計(jì)數(shù)即可寄存器計(jì)時(shí)器配置

3.2 小車PWM波

圖5 程序代碼方框圖

4 整體流程及其仿真

4.1 程序代碼方框圖

圖5為程序代碼方框圖。

4.2 仿真結(jié)果

鑒于Proteus未提供包含合泰單片機(jī)芯片的仿真器件，我們用52單片機(jī)代替。在Proteus中建立52單片機(jī)的最小系統(tǒng)，P0.0至P0.6端口連接數(shù)碼管段選端口，P2.0至P2.4端口連接位選端口，P3.5/T0端口連接旋轉(zhuǎn)開(kāi)關(guān)，開(kāi)關(guān)各端連接用于產(chǎn)生不同頻率矩形波的激勵(lì)源，以檢測(cè)不同頻率的信號(hào)，模擬遇到金屬時(shí)頻率變化的情況。

如圖6(a)、6(b)、6(c)分別是地層無(wú)金屬、埋入地層為鐵、埋入地層為銅的三種情況。

圖6 （a） 地層無(wú)金屬工作狀態(tài)

圖6 （b） 檢測(cè)到鐵時(shí)（等效電感L增大）工作情況

圖6 （c） 檢測(cè)到銅時(shí)（等效電感L減小）工作情況

4.3 仿真代碼

5 總結(jié)

在實(shí)際調(diào)試過(guò)程中，主要的困難在于繞制探測(cè)線圈時(shí)電感量的控制及其與被測(cè)金屬之間的距離的把握。若繞制出的探測(cè)線圈的電感量不合適，則使得振蕩電路無(wú)法起振，被測(cè)金屬離線圈過(guò)近，則金屬內(nèi)產(chǎn)生的渦流消耗了線圈中的能量而電路停振。因此當(dāng)振蕩電路無(wú)法工作時(shí)應(yīng)考慮線圈電感量及其與被測(cè)金屬的距離是否合適，并適當(dāng)調(diào)整線圈的直徑及匝數(shù)，使電路能輸出穩(wěn)定的正弦波且小車駛經(jīng)被測(cè)金屬上方時(shí)而不至停振。

金屬占地殼的25%, 存在于基礎(chǔ)設(shè)施，建筑，制造業(yè)和消費(fèi)品等現(xiàn)代生活的各個(gè)方面，因此對(duì)金屬的需求與經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)密切相關(guān)。尤其像中國(guó)這樣的發(fā)展中國(guó)家在建設(shè)的過(guò)程中對(duì)金屬的需求也與日俱增，而本文廣泛應(yīng)用于礦產(chǎn)勘探、探測(cè)地雷、考古和尋寶的金屬探測(cè)器搭載于機(jī)動(dòng)靈活的小車上，使之能夠在特殊情況下輔助工作人員執(zhí)行探測(cè)。以此為基礎(chǔ)，若能加裝藍(lán)牙或WIFI模塊以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制、GPS模塊以實(shí)現(xiàn)定位等更實(shí)用的功能，并改進(jìn)相應(yīng)的程序，將為用戶帶來(lái)諸多便利，令探測(cè)工作得心應(yīng)手。