基于STM32金属探测器设计

摘要  随着便携式金属探测器在安防，考古及工业检测等领域需求的增加，现有探测器的体积大，能耗高，操作复杂的缺点亟需解决。本文针对便携式金属探测器的设计进行探索，在硬件上使用了STM32F103C8T6单片机模块，WL02涡流传感器模块，ADS1115模数转换模块，蜂鸣器模块等设计出本系统的电路，在软件上设计出主程序，信号采集及报警子程序等，对系统进行基础功能，灵敏度，抗干扰和耐久性测试，测试结果表明探测器在工作温度范围内能够准确识别铁棒等金属物体，并在一定的电磁干扰环境下保持稳定性能。本文研究的成果为便携式金属探测器在实际中的应用推广奠定基础，具有一定的应用价值。

关键词  单片机；金属探测；信号采集；抗干扰电路

Abstract:  With the increasing demand for portable metal detectors in security, archaeology, and industrial inspection, the drawbacks of existing detectors, such as large size, high power consumption, and complex operation, need to be addressed. This paper explores the design of a portable metal detector. In terms of hardware, the system is designed with an STM32F103C8T6 microcontroller module, a WL02 eddy current sensor module, an ADS1115 analog-to-digital conversion module, and a buzzer module. In terms of software, the main program, signal acquisition, and alarm subroutines are developed. Finally, the system undergoes basic functionality, sensitivity, anti-interference, and durability testing. The test results show that the detector can accurately identify metal objects such as iron rods within the operating temperature range and maintain stable performance in certain electromagnetic interference environments. The research results of this study lay a foundation for the practical application and promotion of portable metal detectors, demonstrating a certain degree of application value.

Keywords:  Microcontroller; Metal Detection; Signal Acquisition; Anti-Interference Circuit

目  录

1 绪 论

1.1研究背景

1.2国内外研究现状

1.3本文研究内容

2 系统总体设计

2.1 系统总体框图设计

2.2 系统主要设计指标

3 系统硬件设计

3.1 单片机主控选型

3.2 涡流传感器设计

3.3 蜂鸣器报警模块设计

3.4 AD采样电路设计

4 系统软件设计

4.1 系统主流程设计

4.2 信号采集子程序设计

4.3 报警子程序设计

5 系统测试

5.1 基础功能测试

5.2 灵敏度测试

5.3 抗干扰测试

5.4 耐久性测试

5.5 测试结论

6 结 论

参考文献

致 谢

1. 绪 论

1.1研究背景

便携式金属探测器的研究背景源于现代社会对安防，资源勘探，考古以及工业检测等多个领域的需求。在领域中，金属探测设备发挥着重要作用，但传统的金属探测器往往体积庞大，操作复杂价格高昂，这让人们难以在日常生活和小型应用场景中广泛普及[1]。随着技术的发展，人们对便携小型化，低功耗和低成本金属探测设备的需求日益增长。近年来单片机传感器技术以及低功耗电路设计的进步，让便携式电子设备的性能和可靠性不断提升，为便携式金属探测器的研发提供良好的技术基础[2]。这种设备的便携性和易用性使其可以在更多场合满足使用人员需求。在公共场所的安检中便携式金属探测器能够迅速投入使用，帮助排查潜在危险物品，提升公共安全应急能力[3]。在考古和户外寻宝活动中，便携式设备便于携带适应复杂环境，为业余爱好者和专业考古人员提供经济实用的探测工具[4]。在工业生产中，便携式金属探测器可用于检测产品中含有金属杂质，显著提高食品，纺织和木材等行业的产品安全性和质量。小巧轻便的特点尤适用于狭小空间和不便搬运大型设备的场所，建筑施工现场和地下管道维护等。便携式金属探测器的研发降低探测设备的使用门槛，提供价格合理的选择，促进金属探测技术在各个领域的普及[5]。这不仅推动市场需求的增长，还拓展金属探测技术的应用范围，满足现代社会对灵活，高效金属探测解决方案的迫切需求。

1.2国内外研究现状

在便携式金属探测器的研究领域，国外的技术起步较早，发展相对成熟，涌现多家知名企业和领先产品。美国的Garrett公司推出广受欢迎的Garrett AT Pro金属探测器，具备高灵敏度的探测性能和较强的抗干扰能力，探测深度和精度在同类产品中表现优异，支持在水下操作，适合各种复杂环境[6]。德国的Minelab公司则开发Minelab GPZ 7000探测器，使用了先进的脉冲感应技术Pulse Induction，能够检测到深埋的微小金属物体，提供精准的定位功能，深受专业考古和矿产勘探使用人员的青睐[7]。英国的Fisher公司推出的Fisher F75系列探测器，在操作便捷性和多功能性这一部分表现出色，重量轻便于携带的特点十分符合便携式需求，受到广泛应用和好评[8]。

与国外相比，国内在便携式金属探测器的研究和开发这一部分起步较晚，但近年来随着技术的发展，国内市场逐渐涌现出一些具有竞争力的企业和产品。深圳的金属探测器科技有限公司Metaldetector Tech推出X-TERRA Pro系列，使用了数字信号处理DSP技术，提升探测精度和抗干扰能力[9]。产品具备轻便，低功耗的优势，尤适合民用和小型商业应用[10]。杭州的浩辉电子推出的便携式金属探测器HH-100系列，在小型化设计和成本控制这一部分具有明显优势，并采用多项国内外质量认证，性能可靠，适合大规模生产和普及应用[11]。国产品牌逐渐缩小与国际先进技术的差距，为国内市场提供高性价比的选择，采用不断提升探测精度，增加功能多样性和增强使用人员体验，逐渐在中低端市场中占据一席之地[12]。

国外便携式金属探测器技术更为成熟，产品种类丰富性能先进，广泛应用于专业领域，而国内企业则主要集中在民用及低成本市场，采用引进先进技术并结合本地需求，逐步实现自主创新，填补部分市场空白。在未来随着国内技术的进一步提升和市场的扩展，国内便携式金属探测器有望在全球市场中获得更大影响力。

1.3本文研究内容

本文的研究结构上共分为六个主要章节，依次介绍系统的背景，设计，实现及测试流程。第一章是绪论部分，介绍课题的研究背景，分析便携式金属探测器在安防，工业检测等领域中的重要性，并阐述国内外研究现状，列举国外先进企业和产品，以及国内的技术发展状况，总结本文的研究目标和创新点。

第二章是系统总体设计，给出便携式金属探测器的系统总体框图，对系统的整体架构进行概述。明确系统的主要设计指标，包括灵敏度，探测深度，便携性等关键性能指标，确认并保证系统设计能够满足实际应用需求。

第三章为系统硬件设计，是本文的核心部分。结合系统功能需求和硬件资源约束，进行单片机主控的选型，选用STM32F103C8T6作为主控芯片，并对优势进行分析。接着讲述涡流传感器，蜂鸣器报警模块以及采样电路的设计，重点在于如何实现金属探测信号的准确采集和响应。

第四章为系统软件设计，主要介绍探测器的软件实现逻辑。给出系统的主流程设计，整体描述系统的运行流程。讲解信号采集子程序和报警子程序的具体设计，包括信号采集过程中的数据处理和阈值判断，以确认并保证探测器能够及时，准确地响应金属物体的存在。

第五章为系统测试部分，针对系统的各项功能进行测试，以验证设计的有效性和稳定性。采用对各项功能的具体测试数据和测试结果的分析，评估系统的性能，指出系统设计的优缺点，并为后续改进提供数据支持。

第六章为结论部分，总结本文的研究成果和系统实现的效果，对研究的不足之处进行反思，并提出未来的研究方向。采用本文的研究，希望能够为便携式金属探测器的设计提供参考，也为相关领域的发展做出贡献。

2 系统总体设计

2.1 系统总体框图设计

系统的总体设计主要围绕STM32F103C8T6单片机为核心控制器，结合涡流传感器，ADS1115 AD模块，蜂鸣器和振荡电路，实现对金属物体的检测和报警功能。系统整体结构可分为检测模块，信号处理模块，报警模块和电源模块等部分，各模块相互协作完成对金属物体的感知，数据转换，信号判断和报警输出。

检测模块由WL02涡流传感器组成，用于检测周围环境中的金属物体。涡流传感器可以产生电磁场，当有金属物体靠近时，电磁场会发生变化，从而产生信号输出。输出信号的变化量反映金属物体的存在情况，甚至在一定范围内反映金属的距离。

信号处理模块包括ADS1115 AD转换模块和STM32单片机。涡流传感器输出的模拟信号经过ADS1115模块转换为数字信号，并采用I2C接口传输到STM32单片机进行处理。ADS1115具有高精度的AD转换能力，可以将传感器的微小信号准确地转换为数字信号，以便进一步分析和判断。在模块中，STM32负责读取转换后的数据，并依据预设的阈值进行判断，以确定存在金属物体。

当STM32单片机判定检测信号达到报警条件时，控制蜂鸣器发出声响，提示使用人员检测到金属物体。系统还包含LED指示灯，用于在蜂鸣器报警的进行视觉提示。蜂鸣器和LED的使用可以在不同环境中提高报警效果，使系统的报警信号更加直观。

系统采用电源模块提供所需的工作电压。模块将输入的电源电压稳定到单片机和传感器模块所需的工作电压范围，确认并保证各模块能够稳定运行。图2.1所示为系统总体框图。

图2.1 系统框图

2.2 系统主要设计指标

在设计中，主要设计指标包括以下几个这一部分。

①检测灵敏度应能够检测到不同类型金属的存在，灵敏度设置为至少能够检测到直径为5毫米的金属物体。灵敏度的调整可以采用WL02涡流传感器的参数设置来实现。

②工作频率系统应选择合适的工作频率，以提高金属检测的准确性。选择在10kHz至100kHz之间的频率范围，以适应不同金属材料的探测。

③响应时间系统的响应时间应小于200毫秒，确认并保证在金属物体接近时，能够迅速作出反应并触发报警。

④供电要求系统使用了电池供电，设计应保证在连续工作8小时以上。电源电压应在3.3V至5V范围内，保证ADS1115和STM32F103C8T6正常工作。

⑤报警方式当检测到金属时，系统应采用蜂鸣器发出声响，音量应可调节，保证在嘈杂环境中仍能听到报警声。

采用以上设计指标的设定，确认并保证便携式金属探测器在实际应用中的可靠性与实用性，满足设计的需求。