前言
金屬探測器因其功能和市場應用領域的不同，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、工業用金屬探測器和水下金屬探測器。本文所設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式的工作原理。
系統工作原理
LC振蕩型金屬探測器，屬于主動式，通過探測金屬感應電流產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用比較廣泛，也方便設計和改進。
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，頻率信號的穩定度也比較好。
圖1 采用基準頻率進行差頻
該系統的基本設計思路是：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諧振網絡，通過集成震蕩芯片MC1648產生振蕩信號，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，系統可以通過鍵盤和LCD菜單選項進行系統功能設置、頻率測量及數據存儲回顯等，通過對頻率異常的分析，來判斷是否探測到金屬。
本系統主要包括感應探頭（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，系統設計框圖如圖2所示。
圖2 系統設計框圖
系統硬件設計
（1）感應探頭
感應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，該空心線圈內徑9cm,外徑11cm，電感值約為100mH。繞制完畢，用環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的影響。
感應線圈與外接電容組成LC諧振網絡，通過MC1648產生相應振蕩頻率的信號。MC1648這款ECL(Emitter Coupled Logic)（即發射極耦合邏輯電路,也稱電流開關型邏輯電路）中規模集成電路實現頻率振蕩功能。MC1648的最高頻率可達到225MHZ。為了讓MC1648的輸出電平與數字電路電平相匹配，需要進行電平轉換，輸出接LM390，將電平上限限制在5V，下限限制在0V，與后續電路電平進行匹配。
（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，經過CD4060進行32分頻后得到1.024KHz的基準信號。
（3）差頻電路
感應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：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，脈沖計數法則主要針對高頻的。因此，這兩種方法在應用的過程中都有一定的局限性。本系統采用的是等精度測頻：利用AVR單片機與CPLD相結合進行頻率測量，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，只與基準頻率有關。
本系統中，AVR控制CPLD對待測信號與基準信號進行計數，并讀取測量數據，對數據進行處理后，通過LCD進行顯示。為了使用戶操作本系統時更加的方便，編寫了一個簡單的菜單程序，通過3×5鍵盤對相應的菜單項進行操作，完成相應的功能。
頻率測量一般都是由計數器和定時器完成，將兩個定時／計數器一個設置為定時器，另一個設置為計數器，定時時間到后產生中斷，在中斷服務程序中處理結果，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或定時，而是由軟件查詢或中斷響應后再停止計數，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有一定的時間延遲，難以做到精確測量。因此，本系統擬采用等精度測頻發來實現頻率測量。
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；門控信號周期數可根據被測頻率的大小自動調節，使計數值N保持不變，從而實現等精度測量。
預置門控信號是寬度為T的一個脈沖，Counterl和Counter2是兩個可控計數器，標準頻率信號從Counter1的時鐘輸入端CLK輸入，其頻率為Fs；經整形后的被測信號從Counter2的時鐘輸入端CLK輸入，設其實際頻率為Fxe，測量頻率為Fx。
當預置門控信號為高電平時，經整形后的被測信號的上沿通過D觸發器的Q端同時啟動計數器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。當預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器同時關閉，時序圖如圖3所示。設在一次預置門時間T中對被測信號計數值為Nx；對標準頻率信號的計數值為Ns，則下式成立：
圖3 等精度測頻時序圖
Fx/Nx=Fy/Ny Fx=(Fy/Ny)*Nx
本系統利用AVR單片機與CPLD相結合來實現等精度測頻，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，只與基準頻率有關。
對于本系統而言，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致感應信號的頻率有一定的波動（頻率值波動大小在1Hz以內），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時需要經過74HC245進行電平轉化，提高信號的電平閥值。
圖4 測頻電路
系統軟件控制菜單設計
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所示為本系統的菜單操作流程圖。
圖5 菜單選項操作流程圖
當系統上電后，系統顯示“金屬探測器”等歡迎字樣，維持數秒后，系統將進入主菜單界面。主菜單包括三個子菜單選項：“初值校準”、“開始探測”和“數據回顯”三個選項。
初值校準：由于本系統在不同的時間和地點進行使用的時候，感應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，用戶可以根據所測量的最大頻率值來進行閾值的設定。當設定完成，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，并沒有發現金屬的時候，界面將一直顯示“正在探測”字樣，當探測到金屬，界面將出現“發現金屬”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。
數據回顯：在主菜單中選擇該菜單項，可以查詢曾經保存的10次數據記錄，例如：此時按數字鍵“0”，則可以查詢到第0次數據記錄的內容。查詢完畢，選擇返回鍵可回到主菜單界面。
小結
由于采用了等精度測頻方案，對于1Hz精度的測頻要求，系統完全可以實現。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。相信經過進一步的改進和實驗，該系統能夠用于實際需求。