基于STM32 單片機(jī)的便攜式金屬探測器設(shè)計(jì)

劉捷，蔣科軍，郭欽軒，王梅雨

（1.江蘇理工學(xué)院 汽車與交通工程學(xué)院，江蘇常州，213001；2.上海天巡電子設(shè)備有限公司 技術(shù)研發(fā)部，上海，201318）

0 引言

金屬探測器是一種專門用于探測金屬的電子儀器，自其從20 世紀(jì)60 年代在英國誕生以來，經(jīng)過數(shù)次技術(shù)革新，其探測距離、探測精度、環(huán)境適應(yīng)性等性能都得到顯著提升，應(yīng)用場景也從最初的礦產(chǎn)探測逐漸拓展到食品安全檢測、地下金屬探測、安檢、考古等諸多行業(yè)[1]。國內(nèi)金屬探測技術(shù)起步較晚，綜合性能較國外有較大差距[2,3]，尤其是在金屬類型識別功能上精度不高，靈敏度低[4]。針對該問題，本文利用STM32 單片機(jī)設(shè)計(jì)了一款便攜式金屬探測器，該金屬探測器利用單片機(jī)強(qiáng)大的函數(shù)運(yùn)算和數(shù)據(jù)處理能力，采用幅值檢測和相位檢測相結(jié)合的金屬探測方法，能同時探測金屬的種類與深度，實(shí)時檢測能力和靈敏度都很好。

1 工作原理及設(shè)計(jì)方案

■1.1 工作原理

當(dāng)前便攜式金屬探測器一般采用感應(yīng)平衡式探測技術(shù)[5]，其原理如圖1 所示。探測線圈由發(fā)射線圈與接收線圈組成[6]，發(fā)射線圈通入高頻交流電流1i，產(chǎn)生交變的基本磁場，該交變磁場使得接收線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電流2i。當(dāng)沒有金屬通過基本磁場時，感應(yīng)電流i2不會發(fā)生變化；若有金屬物體通過基本磁場，則在渦流效應(yīng)[7]作用下，金屬物體內(nèi)會產(chǎn)生時變電流3i，時變電流3i將會產(chǎn)生一個附加磁場，該附加磁場又稱第二磁場，第二磁場方向與基本磁場相反，將會抵消掉部分基本磁場，從而接收線圈中的感應(yīng)電流2i也會隨之發(fā)生變化。

圖1 感應(yīng)平衡式金屬探測器的電磁原理圖

通過檢測接收線圈中的感應(yīng)電流i2的幅值及相位變化，可以判斷被測金屬物體的屬性[8]。

■1.2 金屬探測器的系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)的金屬探測器是一款便攜式金屬探測器，該探測器主要有兩種探測模式：金屬辨別模式與金屬定位模式，其中金屬辨別模式，可辨別常見金屬類別并探測金屬的埋藏深度；金屬定位模式，可比較準(zhǔn)確地探測這兩類金屬的埋藏深度。

設(shè)計(jì)的總體方案如圖2 所示，其中主控芯片采用STM32 單片機(jī)，振蕩電路產(chǎn)生正弦激勵信號，信號經(jīng)過濾波放大電路傳遞到發(fā)射線圈。當(dāng)有金屬物體通過基本磁場時，接收線圈接收到的電信號幅值與相位發(fā)生變化，接收信號經(jīng)過濾波放大電路、同步解調(diào)電路與信號檢測電路后傳輸給單片機(jī)，單片機(jī)對接收信號進(jìn)行分析處理從而判定目標(biāo)金屬的類別和位置，并把檢測結(jié)果通過LCD 顯示屏（Liquid Crystal Display）和蜂鳴器展現(xiàn)出來。另外單片機(jī)還接收控制按鍵的信號，通過按鍵，可以設(shè)置探測模式、可探測金屬種類、探測靈敏度。

圖2 設(shè)計(jì)總體方案框圖

2 金屬探測器的硬件電路設(shè)計(jì)

硬件電路包含以下幾個模塊：信號發(fā)射模塊，信號接收處理模塊，信號檢測模塊、系統(tǒng)控制模塊以及人機(jī)交互與報(bào)警模塊。

■2.1 信號發(fā)射模塊

信號發(fā)射模塊使用的是RC 振蕩電路（如圖3 所示），產(chǎn)生的振蕩信號為頻率8.5kHz 的正弦波。該正弦波信號經(jīng)過LM386 電路放大，能在發(fā)射線圈上形成較強(qiáng)的交變電磁場。

圖3 信號發(fā)射模塊

■2.2 信號接收處理模塊

信號接收處理模塊包括濾波放大電路和同步解調(diào)電路兩部分（如圖4 所示）。接收線圈、C14、C15 與R57 組成接收線圈振蕩耦合電路。接收信號從振蕩耦合電路進(jìn)入濾波放大電路，以運(yùn)算放大器OP37GS 為核心構(gòu)成有源低通濾波放大電路，R55、C11、R56 和CA2 構(gòu)成負(fù)反饋放大，放大倍數(shù)可以通過公式(1)計(jì)算。

圖4 信號接收處理模塊

式中：s=jω。

R55 與C11 并聯(lián)后負(fù)反饋到運(yùn)放OP37GS，具有低通濾波作用，可以濾掉高頻噪聲信號，低通濾波的通帶截止頻率可以通過公式(2)計(jì)算。

圖4 中，參考信號為來自發(fā)射線圈的激勵正弦信號，以LM393DR 與MC14016BDG 為核心構(gòu)成了同步解調(diào)電路，對接收信號進(jìn)行正交分解，分解為電抗信號與電阻信號，分別從LM393DR 的引腳OUT1 和OUT2 輸出，電抗信號與電阻信號為相位差為90°的兩路方波。

■2.3 信號檢測模塊

上文中的電抗信號和電阻信號這兩路信號通過微分運(yùn)放電路和運(yùn)放電路（見圖5），最終分解成電阻分量UR1和UR2、電抗分量UX1和UX2以及接收信號的幅值信號UPP。

圖5 信號檢測模塊

金屬辨別模式下，電阻分量UR和電抗分量UX經(jīng)過以運(yùn)算放大器U9-LMC6035IM 為核心的一級低通濾波放大電路，過濾部分干擾信號與噪聲，并完成信號放大。同時，電阻分量UR1和電抗分量UX1經(jīng)過二階RC 滯后移相電路，并通過基于U5-LMC6035IM 構(gòu)建的二級低通濾波放大電路，得到電阻分量UR2和電抗分量UX2。最終，電抗分量UX1、UX2與電阻分量UR1、UR2輸入單片機(jī)。

按下精確定位按鍵，單片機(jī)從引腳PA5 輸出高電平信號，場效應(yīng)管Q9 導(dǎo)通，直流電源V3 通過TC4S66F 為U8-LMC6035IM 構(gòu)建的低通濾波放大電路供電，金屬定位模式開啟。金屬定位模式下，電阻分量UR和電抗分量UX進(jìn)行濾波放大處理（見圖5），增大信號幅值，從而增強(qiáng)探測器判斷金屬埋藏深度的準(zhǔn)確度。最終，接收信號幅值UPP輸入單片機(jī)。

■2.4 系統(tǒng)控制模塊

系統(tǒng)控制模塊為單片機(jī)系統(tǒng)，由主控制芯片、供電電路、Bootloader 啟動配置電路和程序燒寫電路組成。主控制芯片采用意法半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的32 位單片機(jī)STM32L152RCT6，該單片機(jī)是一種超低功耗Flash 型32位RISC 指令集的嵌入式－控制器的集成電路[9]。

■2.5 人機(jī)交互與報(bào)警模塊

人機(jī)交互模塊主要包括控制按鍵和LCD 顯示屏。根據(jù)功能要求，共設(shè)有8 個輕觸式的設(shè)置按鍵，如圖6 所示。

圖6 按鍵電路

LCD 顯示屏選擇段式液晶屏，段氏液晶的像素排列和外形上很自由，且成本降低。液晶屏可顯示金屬探測器當(dāng)前的探測模式、可探測的金屬種類、探測靈敏度、電源電量、金屬埋藏深度以及金屬類別的特征值等信息。

報(bào)警模塊可以輸出音頻信號給揚(yáng)聲器、藍(lán)牙音頻模塊或是耳機(jī)，根據(jù)檢測金屬種類不同，音頻信號的頻率也不同。

3 金屬探測器的軟件程序設(shè)計(jì)

■3.1 控制程序流程設(shè)計(jì)

在本次的程序設(shè)計(jì)中，使用 Keil5 編譯環(huán)境，用 C 語言對程序進(jìn)行編寫[10]?？刂瞥绦蛄鞒虉D如圖7 所示，首先系統(tǒng)初始化，之后掃描按鍵并設(shè)定探測模式及其相關(guān)工作參數(shù)，接著探測器開始工作。單片機(jī)利用ADC（Analog-todigital converter）功能，讀取接收線圈的電信號，并通過算法得到相位差與幅值，之后與各級閾值逐級對比，若不在閾值范圍內(nèi)則繼續(xù)探測，若在閾值范圍內(nèi)則說明探測到金屬，系統(tǒng)判斷金屬種類與金屬位置，并更新LCD 顯示屏，發(fā)送音頻信號。

圖7 控制程序流程圖

根據(jù)信號相位差的大小，金屬探測器將相位閾值由鐵磁性金屬到非磁性金屬劃分為12 級，前4 級為鐵磁性金屬，后8 級為非鐵磁性金屬。同時探測器還可數(shù)值顯示金屬種類，0-25 為鐵磁性金屬，25-90 為非鐵磁性金屬。根據(jù)接收信號幅值的大小，金屬埋藏深度根據(jù)3 幅值閾值劃分為4 個等級，分別表示金屬距離探測線圈0-6cm、7-12cm、13-19cm、20-26cm、27+cm。

■3.2 金屬辨別模式核心算法

假設(shè)發(fā)射線圈的激勵正弦信號Uout為：

其中A為激勵正弦信號的幅值。

當(dāng)探測到金屬時，接收線圈的接收信號Uin為：

其中：B為接收信號的幅值，θ是接收信號與發(fā)射信號的相位差，接收信號頻率與發(fā)射信號相同[8]。θ的數(shù)值可用于區(qū)分金屬種類，B的數(shù)值可用于檢測對象金屬的埋藏深度。

對式(4)分解可得：

其中，UR=Bsin (θ)，UX=Bcos(θ) 。

從式(5)可以看出，對接收信號進(jìn)行正交分解可得到用于區(qū)分金屬種類的電阻信號UR與電抗信號UX，其中電阻信號UR與電抗信號UX的相互正交，因此，接收信號可用復(fù)平面表示，其復(fù)平面的表達(dá)式為：

當(dāng)金屬與探測器相對運(yùn)動時，接收信號中的電阻信號UR與電抗信號UX也隨著時間而變化，即：

因此，由式(5)、式(7)與式(8)可得：

即先求得兩時刻之間電阻信號幅度的變化值與電抗信號幅度的變化值的比值，然后求反正切值，便是相位差θ的值。

單片機(jī)信號采樣一般都是以一個完整的周期波形為對象，所以把電阻信號的振幅作為電阻信號的變化值UR，即UR=URmax-URmin，UX1、UX2分別為URmax、URmin采樣時的電抗信號，即：

4 樣機(jī)實(shí)物測試

為了檢測各模塊電路是否可以實(shí)現(xiàn)預(yù)期功能，設(shè)計(jì)制作了小批量樣機(jī)電路板實(shí)物（如圖8 所示），PCB 板大小為12cm×12cm。并對樣機(jī)電路板進(jìn)行波形檢測和功能檢測。

圖8 樣機(jī)電路板

■4.1 波形檢測結(jié)果

圖9 為發(fā)射信號和濾波放大后的接收信號，這兩個波形均為類正弦波頻率為8.5kHz。

圖9 發(fā)射信號與接收信號波形對比圖

同步解調(diào)電路輸出信號波形圖如圖10 所示，接收信號通過同步解調(diào)電路進(jìn)行正交分解，分解為電抗信號與電阻信號，但因高頻信號與噪音等因素，波形有些失真。

圖10 同步解調(diào)電路輸出信號波形對比圖

圖10 中的電阻信號與電抗信號經(jīng)過低通濾波放大電路后，輸出信號如圖11 所示，由圖中兩路波形可見，低通濾波放大電路可以滿足系統(tǒng)的濾波需求。

圖11 低通濾波電路輸出信號波形對比圖

滯后移相電路的輸入與輸出信號波形對比圖12 所示，輸入信號與輸出信號的相位差為180°。

圖12 滯后移相電路的輸入與輸出信號波形對比圖

■4.2 檢測效果測試

為了驗(yàn)證金屬探測器的性能，對一元硬幣、五角硬幣、紫銅塊、鋁片、錫箔紙、鐵塊、金共7 種不同金屬物體分別進(jìn)行金屬辨別測試與金屬定位測試，7 種金屬尺寸如表1所示。

表1 測試金屬規(guī)格尺寸

金屬辨別測試，并將測試金屬放置距離探測線圈20cm處，測試結(jié)果如表2 所示。測試結(jié)果顯示，本設(shè)計(jì)能較為準(zhǔn)確地區(qū)分判斷金屬種類。

表2 金屬辨別測試結(jié)果（等級-數(shù)值）

金屬定位測試，將測試金屬依次放置距離探測線圈4cm、10cm、16cm、22cm、28cm 處，測試結(jié)果分別 如表3 所示。測試結(jié)果顯示，本設(shè)計(jì)可以有效地探測金屬的大致位置，但是由于金屬大小與種類等因素的影響，當(dāng)金屬距離探測線圈26cm 以外時，探測結(jié)果會出現(xiàn)偏差。

表3 金屬定位測試（距離等級）

5 結(jié)束語

本文提出了一種基于 STM32 單片機(jī)的便攜式金屬探測器設(shè)計(jì)。文中詳細(xì)介紹了系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)及軟件設(shè)計(jì)，采用了模塊化設(shè)計(jì)思想，以 STM32 單片機(jī)作為核心器件，以信號發(fā)射模塊，信號接收處理模塊，信號檢測模塊等模塊為外圍部件進(jìn)行信號采集與處理，將處理后的信號傳給系統(tǒng)控制模塊，并通過人機(jī)控制模塊進(jìn)行顯示和控制，實(shí)現(xiàn)了探測金屬種類與埋藏深度的功能。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，該探測器可以高效、準(zhǔn)確地區(qū)分磁性金屬或非鐵磁性金屬并判斷金屬的位置范圍，并根據(jù)數(shù)值顯示大致判斷金屬的具體種類，但當(dāng)金屬距離超過26cm，金屬定位模式的探測結(jié)果會出現(xiàn)一定的偏差。該系統(tǒng)相較于市面上現(xiàn)有便攜式金屬探測器，在探測精度與探測范圍有一定優(yōu)勢，同時具有體積小、方便攜帶、通用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，進(jìn)一步優(yōu)化了現(xiàn)有便攜式金屬探測器的性能。