一、系統方案設計

本次設計采用STC89C52RC單片機作為金屬探測器的核心控制處理器件，通過(guò)添加晶振電路提供系統工作時(shí)鐘，通過(guò)復位電路實(shí)現復位功能[1]。通過(guò)電容三點(diǎn)式振蕩電路產(chǎn)生正弦波，轉換后傳遞到單片機檢測頻率的變化。當遇到金屬時(shí)，電容三點(diǎn)式振蕩電路的原振蕩會(huì )受到影響，頻率會(huì )發(fā)生變化，單片機會(huì )檢測到這種變化，并在液晶顯示器上顯示和報警，還可以通過(guò)鍵盤(pán)設置探測金屬物質(zhì)的靈敏度。本系統主要由單片機工作系統、電源電路、振蕩電路、脈沖變換電路、聲光報警電路、鍵盤(pán)電路和顯示電路構成。

二、系統硬件設計

1.單片機工作系統

單片機工作系統是指利用電子元件構成的可以獨立運行的單片機工作系統。本次設計采用的STC89C52RC型號單片機是由STC 公司生產(chǎn)的低功耗、高性能CMOS8 位微控制器，具有8 kB 系統可編程閃存。在使用靈活性上兼容51 單片機，且性能遠遠超過(guò)51 單片機，具有更快的運行速度以及更加豐富的外設接口電路，同時(shí)具有功耗更低的特點(diǎn)。

單片機工作系統的硬件結構非常簡(jiǎn)單，僅僅需要添加電源電路為整個(gè)工作系統提供驅動(dòng)電壓，以及添加復位電路為整個(gè)工作系統中的硬件構成提供一個(gè)運行的初始狀態(tài)，并防止系統出現意外中斷的情況，方便進(jìn)行緊急恢復，即當單片機系統受到環(huán)境干擾程序跑飛的情況下，就可以按下復位按鈕，這樣單片機內部的程序會(huì )自動(dòng)從頭開(kāi)始執行，通過(guò)添加晶體振蕩電路為整個(gè)工作系統提供工作時(shí)鐘，晶振也可以采用不同的振蕩頻率，如8 MHz 或者11.059 2 MHz，通常情況下，越高頻率的晶振，51單片機的處理速度就越快。

2.電源電路設計

選用LM7805 三端穩壓芯片，實(shí)際應用中，應在LM7805三端穩壓芯片上安裝足夠大的散熱器，因為穩壓管的穩壓性能會(huì )隨著(zhù)溫度升高而變差，甚至損壞。在本設計中，由于將9V的電池電壓變壓為設計所需的5V電壓，這個(gè)過(guò)程中功率變化不是很大，因此不必添加散熱器。LM7805三端穩壓芯片的管腳功能從正面看，1腳是輸入，2腳接地，3腳輸出，從3腳輸出穩定的5 V 電壓。

3.振蕩電路設計

振蕩電路是決定整個(gè)金屬探測器性能的關(guān)鍵，利用電容三點(diǎn)式振蕩電路產(chǎn)生一個(gè)頻率小于300 kHz 的穩定振蕩源，目的是使金屬探測器在正常工作時(shí)能夠不受廣播頻段的影響。當諧振回路中的電感線(xiàn)圈中存在金屬物質(zhì)時(shí)，線(xiàn)圈電感的Q 值將隨之發(fā)生改變，當線(xiàn)圈電感增加時(shí)，電路的諧振頻率將減小，反之，線(xiàn)圈電感減小時(shí)，電路的諧振頻率將增加。

4.脈沖變換電路設計

從諧振回路傳過(guò)來(lái)的正弦波信號傳送給電壓比較器對其進(jìn)行整形，以產(chǎn)生規則的方波送入單片機。電壓比較器選用LM393，LM393 的反向端接收滑動(dòng)變阻器上的電壓，同向端接收振蕩電路產(chǎn)生的正弦波，這樣就能把正弦波信號經(jīng)過(guò)電壓比較變成單片機能夠處理的方波信號。

5.聲光報警電路設計

當檢測到金屬時(shí)，系統會(huì )發(fā)出報警提示，報警電路是為了優(yōu)化人機交互性，提醒使用者已檢測到金屬物質(zhì)，用單片機控制三極管驅動(dòng)蜂鳴器報警。因單片機直驅能力不夠，故采用三極管8550 起到驅動(dòng)大電流的作用，當三極管輸入端為低電平時(shí)，此時(shí)導通，蜂鳴器接收到控制信號，產(chǎn)生自激振蕩，通過(guò)內部芯片驅動(dòng)發(fā)出報警聲。

6.鍵盤(pán)電路設計

當按下按鍵時(shí)，單芯片引腳和GND 連接到低電平；當松開(kāi)按鍵時(shí)，線(xiàn)路斷開(kāi)，電流不能通過(guò)，此時(shí)單片機默認是高電平，可以通過(guò)判斷單片機IO口的高低電平來(lái)判斷是否有按鍵按下。

7.顯示電路設計

采用LCD1602液晶顯示模塊來(lái)顯示相關(guān)信息，可同時(shí)顯示16×2個(gè)字符，即總共可以顯示32 個(gè)字符。LCD1602液晶顯示器的原理是利用液晶的物理特性通過(guò)電壓來(lái)控制顯示區域，即可以顯示圖形。用來(lái)顯示當前振蕩電路的頻率值，以及人工設定的報警警戒值。液晶模塊的RS、RW、EN 引腳與單片機P25 ～P27管腳相連接，液晶模塊的D0～D7數據接口和單片機的P0口連接。

三、軟件設計

1.檢測頻率程序設計

頻率的測定是通過(guò)定時(shí)器T0 和計數器T1 完成的，即計算T0 時(shí)間內檢測到的脈沖數T1 的個(gè)數。為了方便計算，程序中所檢測的頻率都是在1 s 內統計的脈沖總數，即1 s內檢測到多少次脈沖就是多少赫茲，因金屬探測器的檢測頻率較低，所以可以適當延長(cháng)檢測時(shí)間，這樣系統更加穩定。

2.聲光報警程序設計

當檢測到金屬物質(zhì)時(shí)，主程序對當前頻率進(jìn)行判斷，控制聲光報警系統工作。聲光報警系統包括蜂鳴器和LED 燈。

3.按鍵檢測程序設計

程序每執行一次都要執行一次按鍵檢測操作以判斷是否有按鍵按下，每200 ms 檢測一次是否有按鍵操作，然后改變設置的頻率值，并在LCD1602 液晶顯示器上顯示。

4.顯示程序設計

顯示是為了優(yōu)化人機交互性能和體驗感，能讓人對當前設備狀態(tài)有清晰的認識。本設計采用LCD1602 液晶顯示器顯示當前頻率和設置的頻率，并且能對當前頻率進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。

四、結束語(yǔ)

綜上所述，此金屬探測器是使用STC89C52RC 單片機作為控制核心，通過(guò)三點(diǎn)式振蕩電路產(chǎn)生振蕩源，利用線(xiàn)圈電感變化影響振蕩頻率，通過(guò)中斷檢測頻率變化，按鍵設置檢測靈敏度，使用LCD1602液晶顯示器顯示當前頻率值。但本次設計的金屬檢測器也還存在一些不完善的地方，如探測距離不夠遠，以及定位不夠精確，后續工作可以提高線(xiàn)圈功率，使用多組線(xiàn)圈，以提高檢測精度以及擴大檢測范圍。