基于51單片機的金屬探測器本科畢業(yè)(論文)設(shè)計論文

基于51單片機的金屬探測器西安工程大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(論文)PAGE基于51單片機的金屬探測器摘要本文著重介紹了一種基于AT89S52單片機控制的智能型金屬探測器的硬件組成、軟件設(shè)計、工作原理及主要功能。該金屬探測器以AT89S52單片機為核心，采用線性霍爾元件UGN3503作為傳感器，來感應(yīng)金屬渦流效應(yīng)引起的通電線圈磁場的變化，并將磁場變化轉(zhuǎn)化為電壓的變化，單片機測得電壓值，并與設(shè)定的電壓基準值相比較后，決定是否探測到金屬。系統(tǒng)軟件采用匯編語言編寫。在軟件設(shè)計中，采用了數(shù)字濾波技術(shù)消除干擾，提高了探測器的抗干擾能力，確保了系統(tǒng)的準確性。此外，文中還對影響金屬探測器的靈敏度與穩(wěn)定性的因素進行了探討，認為儀器的工作頻率、檢測線圈的尺寸及匝數(shù)等是影響靈敏度的主要因素;而應(yīng)用現(xiàn)場的環(huán)境溫度、濕度及線圈的制作工藝和供電電源的穩(wěn)定程度是儀器穩(wěn)定性的影響因素。關(guān)鍵詞：單片機，金屬探測器，線性霍爾元件，電磁感應(yīng)，靈敏度

ABSTRCTThispaperdescribesthecompositionofhardwareandsoftware,workingprinciplesandthefunctionsofanintelligentmetaldetectorwhichmainlyconsistsofAT89S52Single-ChipMicrocomputerandlinearHall-EffectSensor.TheequipmentadoptsUGN3503Ulinearhall-effectsensorasprobetodetectthemagneticfieldchangeofthecentreofasearchcoilresultedfromeddycurrenteffectandturnthismagneticfieldchangeintovoltagechange.TheSingle-ChipMicrocomputermeasuresthepeakvalueofvoltageandcomparesitwithreferencevoltage.Thendeterminewhetherdetectmetelornot.Incaseofdetectionofametallicmass,theMetalDetectorporvidesanacousticalandopticalalarm.Thesystemssoftwareadoptstheassmblerlanguagetobewritten.Insidethesoftware,thedigitalfiltertechnologyisutilizedtoeliminatethejamming.Sothestabilityofsystemandmeasuringveracityareimproved.TheeffectofallfactorsonsensitivityandstabilityofMetelDetetorarediscussedinthispaper.Itisconcludedthattheoperatingfrequency,thesizeofthesearchcoilandturnsarethemainfactorseffectedonthesensitivityoftheinstrument:theenvironmenttemperatureandhumidityinsite,thewindingtechnologyofcoilsandthestabilityofpowersupplyarethefactorseffectedonstabilityofinstrument.KEYWORDS:Single-ChipMicrocomputer,metaldetector,linearhall-effectsensor,electric-magneticinduction,sensitivity

目錄前言 1第1章分析探測金屬的理論依據(jù) 31.1理論描述 31.1.1線圈介質(zhì)條件的變化 31.1.2渦流效應(yīng) 4第2章硬件電路設(shè)計 62.1系統(tǒng)組成 62.2硬件電路功能描述 62.2.1線圈振蕩電路 72.2.2數(shù)據(jù)采集電路 82.2.3A/D轉(zhuǎn)換電路 122.2.4系統(tǒng)控制單元 152.2.5鍵盤控制電路 162.2.6顯示報警電路 172.2.7電源電路 182.3整機工作原理描述 19第3章系統(tǒng)軟件設(shè)計 203.1軟件設(shè)計思想 203.2數(shù)字濾波及算法說明 213.3主程序流程圖 213.3.1鍵盤控制程序設(shè)計 233.3.2數(shù)字濾波程序設(shè)計 233.3.3顯示與報警程序設(shè)計 25第4章主要技術(shù)指標(biāo)分析 264.1主要技術(shù)指標(biāo)分析 264.4.1工作頻率 264.4.2靈敏度分析 264.4.3穩(wěn)定性分析 26第5章仿真、調(diào)試結(jié)果及分析 275.1仿真、調(diào)試目的與內(nèi)容 275.2仿真結(jié)果及分析 275.3試驗總結(jié) 29第6章結(jié)論 30參考文獻 31致謝 32附錄1電路原理圖 33附錄2各模塊程序清單 34代做本論文畢業(yè)設(shè)計實物。代做?？?、本科各個專業(yè)畢業(yè)論文。代做電子、機械類專業(yè)畢業(yè)設(shè)計。完全按照畢業(yè)設(shè)計指導(dǎo)書做，指導(dǎo)畢業(yè)答辯。淘寶交易：QQ:1226388638PAGE1前言金屬探測器作為一種最重要的安全檢查設(shè)備，己被廣泛地應(yīng)用于社會生活和工業(yè)生產(chǎn)的諸多領(lǐng)域。比如在機場、大型運動會(如奧運會)、展覽會等都用金屬探測器來對過往人員進行安全檢測,以排查行李、包裹及人體夾帶的刀具、槍支、彈藥等傷害性違禁金屬物品;工業(yè)部門(包括手表、眼鏡、金銀首飾、電子等生產(chǎn)含有金屬產(chǎn)品的工廠)也使用金屬探測器對出入人員進行檢測，以防止貴重金屬材料的丟失;目前，就連考試也開始啟用金屬探測器來防止考生利用手機等工具進行作弊。由此可見，金屬探測器對工業(yè)生產(chǎn)及人身安全起著重要的作用。而為了能夠準確判定金屬物品藏匿的位置，就需要金屬探測器具有較高的檢測精度。目前，國外雖然已有較為完善的系列產(chǎn)品(如EIPaso、CeiaUSA、Ranger&Metoerx等廠商的產(chǎn)品)，但價格極其昂貴;國內(nèi)傳統(tǒng)的金屬探測器則是利用模擬電路進行檢測和控制的，其電路復(fù)雜，探測靈敏度低，且整個系統(tǒng)易受外界環(huán)境如溫度、濕度、電焊等諸因素的干擾。本文介紹的基于單片機控制的智能型金屬探測器，采用靈敏度極高的線性霍爾元件作為傳感器，感應(yīng)由于金屬出現(xiàn)引起的探測線圈周圍磁場的變化，提高了檢測精度;處理部件則采用AT89S52單片機作為檢測和控制核心，對檢測結(jié)果進行分析判斷，有效地保證了檢測原理的實施;此外，利用軟件濾波的方法代替了傳統(tǒng)探測器復(fù)雜的模擬電路器件，大大提高了系統(tǒng)的可靠性、靈敏度和抗干擾性。適用于對郵件、行李、包裹及人體夾帶的傷害性金屬物品(如:刀具、槍械、武器部件、彈藥和金屬包裝的炸藥等)的檢測，可用于海關(guān)、機場、車站、碼頭的安全檢查。也可用于探測隱藏于墻內(nèi)、護墻板內(nèi)側(cè)、空洞和土壤中的上述物品和其他金屬物。PAGE40

第1章分析探測金屬的理論依據(jù)1.1理論描述金屬探測器是采用線圈的電磁感應(yīng)原理來探測金屬的。根據(jù)電磁感應(yīng)原理，當(dāng)有金屬物靠近通電線圈平面附近時，將發(fā)生線圈介質(zhì)條件的變化和渦流效應(yīng)兩個現(xiàn)象。[1]1.1.1線圈介質(zhì)條件的變化當(dāng)金屬物接近通電線圈時，將使通電線周圍的磁場發(fā)生變化，如圖1-1，圖1-1對于半徑為R的單匝圓形電感線圈，當(dāng)其中通過交變電流I=Imcoswt圈周圍空間產(chǎn)生交變磁場，根據(jù)畢奧一薩伐爾定律可計算線圈中心軸線上一點的磁感應(yīng)(1-1)其中，μ=μ0μr，μ為介質(zhì)的磁導(dǎo)率，μr為相對磁導(dǎo)率，μ0為真空磁導(dǎo)率。[2]對于緊密纏繞N匝的線圈，線圈中心軸線上一點的磁感應(yīng)強度則為：(1-2)由公式(1-2)可知，當(dāng)線圈有效探測范圍內(nèi)無金屬物時，μr=1(非金屬的相對磁導(dǎo)率)，線圈中心磁感應(yīng)強度B保持不變，當(dāng)線圈有效探測范圍內(nèi)出現(xiàn)鐵磁性金屬物時，μr會變大，B隨之也會變大。1.1.2渦流效應(yīng)根據(jù)電磁理論，我們知道，當(dāng)金屬物體被置于變化的磁場中時，金屬導(dǎo)體內(nèi)就會產(chǎn)生自行閉合的感應(yīng)電流，這就是金屬的渦流效應(yīng)。渦流要產(chǎn)生附加的磁場，與外磁場方向相反，削弱外磁場的變化。據(jù)此，將一交流正弦信號接入繞在骨架上的空心線圈上，流過線圈的電流會在周圍產(chǎn)生交變磁場，當(dāng)將金屬靠近線圈時，金屬產(chǎn)生的渦流磁場的去磁作用會削弱線圈磁場的變化。金屬的電導(dǎo)率σ越大，交變電流的頻率越大，則渦電流強度越大，對原磁場的抑制作用越強。通過以上分析可知，當(dāng)有金屬物靠近通電線圈平面附近時，無論是介質(zhì)磁導(dǎo)率的變化，還是金屬的渦流效應(yīng)均能引起磁感應(yīng)強度B的變化。對于非鐵磁性的金屬〔包括抗磁體(如:金、銀、銅、鉛、鋅等)和順磁體(如錳、鉻、欽等)〕μr≈1，σ較大，可以認為是導(dǎo)電不導(dǎo)磁的物質(zhì)，主要產(chǎn)生渦流效應(yīng)，磁效應(yīng)可忽略不計;對于鐵磁性金屬(如:鐵、鉆、鎳)μr很大，σ也較大，可認為是既導(dǎo)電又導(dǎo)磁物質(zhì)，主要產(chǎn)生磁效應(yīng)，同時又有渦流效應(yīng)。本設(shè)計正是基于這樣的理論，來尋找一種適合的傳感器來感應(yīng)線圈的磁場變化，并把磁場信號的變化轉(zhuǎn)變成電信號的變化，從而實現(xiàn)單片機的控制。正是本著這樣一個設(shè)計思路來構(gòu)建系統(tǒng)的硬件電路。

第2章硬件電路設(shè)計2.1系統(tǒng)組成如圖2-1所示，整個探測系統(tǒng)以8位單片機AT89S52作為控制核心，其硬件電路分為兩個部分，一部分為線圈振蕩電路，包括：多諧振蕩電路、放大電路和探測線圈；另一部分為控制電路，包括：UGN3503型線性霍爾元件、前置放大電路、峰值檢波電路ADC0809模數(shù)轉(zhuǎn)換器、AT89S52單片機、LED顯示電路、聲音報警電路及電源電路等。具體電路原理圖參看附錄1。圖2-1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖2.2硬件電路功能描述2.2.1線圈振蕩電路圖2-2線圈振蕩電路原理圖工作過程中，由555定時器構(gòu)成一個多諧振蕩器，產(chǎn)生一頻率為24KHz、占空比為2/3的脈沖信號。振蕩器的頻率計算公式為：(2-1)圖示參數(shù)對應(yīng)的頻率為24KHz，選擇24KHz的超長波頻率是為了減弱土壤對電磁波的影響。從多諧振蕩器輸出的正脈沖信號經(jīng)過電容C8輸入到Q1的基極(Q1為β≥125的9013H)，使其導(dǎo)通，經(jīng)Q1放大之后，就形成了頻率穩(wěn)定度高、功率較大的脈沖信號輸入到探測線圈L1中，在線圈內(nèi)產(chǎn)生瞬間較強的電流，從而使線圈周圍產(chǎn)生恒定的交變磁場。由于在脈沖信號作用下，Q1處于開關(guān)工作狀態(tài)，而導(dǎo)通時間又非常短，所以非常省電。2.2.2數(shù)據(jù)采集電路圖2-3數(shù)據(jù)采集電路1．線性霍爾傳感器(linaerHall-EeffctSensors)在電路設(shè)計中，選用了美國ALELGRO公司生產(chǎn)的UGN3503U線性霍爾傳感器，來檢測通電線圈Ll周圍的磁場變化。UGN3503U線性霍爾傳感器的主要功能是可將感應(yīng)到的磁場強度信號線性地轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?。它的功能框圖和輸出特性示于圖2-4和圖2-5。[3]圖2-4UGN3503的功能框圖圖2-5UGN350的磁電轉(zhuǎn)換特性曲線霍爾元件是依據(jù)霍爾效應(yīng)制成的器件。如圖2-6所示，圖2-6霍爾效應(yīng)原理圖在一塊半導(dǎo)體薄片上兩端通以電流I,并加上和片子表面垂直的磁場B，在薄片的橫向兩側(cè)會出現(xiàn)一個電壓，如圖2-7中的UH,這種現(xiàn)象就是霍爾效應(yīng)。這種現(xiàn)象的產(chǎn)生，是因為通電半導(dǎo)體片中的載流子在磁場產(chǎn)生的洛侖茲力的作用下，分別向片子橫向兩側(cè)偏轉(zhuǎn)和積聚，因而形成一個電場，稱作霍爾電場?；魻栯妶霎a(chǎn)生的電場力和洛侖茲力相反，它阻礙載流子繼續(xù)堆積，直到霍爾電場力和洛侖茲力相等。這時，片子兩側(cè)建立起一個穩(wěn)定的電壓，這就是霍爾電壓UH?；魻栯妷篣H可用下式表示：UH=RHIB/d(V)（2-2）式中RH霍爾常數(shù)(m3cˉ1，)；I電流(A)；B磁感應(yīng)強度(T)；d霍爾元件的厚度(m)令KH=RH/d(vAˉ1wbˉ1m2)，則得到UH=KHIB(V)(2-3)由上式可知，霍爾電壓的大小正比于控制電流I和磁感應(yīng)強度B。KH稱為霍爾元件的靈敏度，它與元件材料的性質(zhì)與幾何尺寸有關(guān)。因此當(dāng)外加電壓源電壓一定時，通過的電流I為一恒值，此時輸出電壓只與加在霍爾元件上的磁場B的大小成正比，即：UH=KB(V)(2-4)此時K=KHI為常數(shù)。因此，任何引起磁場強度變化的物理量都將引起霍爾輸出電壓的變化。據(jù)此，將霍爾元件做成各種形式的探頭，固定在工作系統(tǒng)的適當(dāng)位置，用它去檢測工作磁場，再根據(jù)霍爾輸出電壓的變化提取被檢信息，這就是線性霍爾元件的基本物理依據(jù)和作用。本設(shè)計中采用的線性霍爾傳感器UGN3503U就是將霍爾元件、高增益線性差分放大器和射極跟隨器集成在同一半導(dǎo)體基片上，為用戶提供了一個由外電壓源驅(qū)動、使用方便的磁敏傳感器。該器件的磁電轉(zhuǎn)換特性曲線如圖2-6所示，其輸出電壓和加在霍爾元件上的磁感強度B成比例。它的靈敏度典型值為13.5mV/mT，靜態(tài)輸出電壓為2.5V，輸出電阻為0.05KΩ，mini-SIP封撞。具有靈敏度高，線性度好；結(jié)構(gòu)牢固，體積小，重量輕，耐震動，功耗小，壽命長，頻率高(可達IMHz)；輸出噪聲低等特點。用它作探頭可測量，10ˉ6-10T的交變和恒定磁場。在測量磁場時，將元件的第一腳(面對標(biāo)志面從左到右數(shù))接電源(工作電壓為5V)，第二腳接地，第三腳接高輸入阻抗(>10KΩ)電壓表，通電后，將電路放入被測磁場中，因霍爾器件只對垂直于霍爾片表面的磁感應(yīng)強度敏感，因而必須讓磁力線垂直于電路表面，當(dāng)沒有磁場(B=0G)時，靜態(tài)輸出電壓是電源電壓的一半(即VCC/2)，當(dāng)外加磁場的南極靠近器件標(biāo)志面時，會使輸出電壓高于靜態(tài)輸出電壓；當(dāng)外加磁場的北極靠近器件標(biāo)志面時，會使輸出電壓低于靜態(tài)輸出電壓，但仍然是正值。利用線性霍爾傳感器UGN3503U的上述特性，將其接在數(shù)據(jù)采集電路的前端，并固定在探測線圈Ll的中心，即可感應(yīng)線圈Ll的磁場變化，并將磁場的變化信號轉(zhuǎn)化為電壓信號的變化而被后級電路拾取和放大。2．放大和峰值檢波電路由于UGN35O3U線性霍爾元件采集到的電壓信號是一個毫伏級的信號，信號十分微弱，所以，在對其進行處理前，首先要進行放大。在設(shè)計中，信號放大電路采用輸入阻抗高、漂移較小、共模抑制比高的集成運算放大器LM324。LM324是四運放集成電路，它采用14腳雙列直插塑料封裝，外形和引腳排列如下圖所示。它的內(nèi)部包含四組形式完全相同的運算放大器，除電源共用，四組運放相互獨立。如圖2-4所示，UGN3503線性霍爾元件輸出的微弱信號經(jīng)電容禍合到前級運算放大器U2A的同相輸入端，運算放大器U2A把霍爾元件感應(yīng)到的電壓轉(zhuǎn)換為對地電壓。在電路設(shè)計中，運放LM324采用+5V單電源供電，對于不同強度的信號均可通過調(diào)節(jié)前級放大電路的反饋電位器Wl來改變其放大倍數(shù)。經(jīng)前級運算放大器放大的信號經(jīng)耦合電容C2輸入到后級峰值檢測電路中。采用阻容耦合的方法可以使前后級電路的靜態(tài)工作點保持獨立，隔離各級靜態(tài)之間的相互影響，使得電路總溫漂不會太大。峰值檢測電路由兩級運算放大器組成，第一級運放U2B將輸入信號的峰值傳遞到電容C6上，并保持下來。第二級運放U2C組成緩沖放大器，將輸出與電容隔離開來。在設(shè)計中，為了獲得優(yōu)良的保持性能和傳輸性能，同樣采用了輸入阻抗高、響應(yīng)速度較快、跟隨精度較好的運算放大器LM324，這樣可有效地利用LM324的資源，減少使用元器件的數(shù)量，降低了成本。當(dāng)輸入電壓Vi2上升時，Vo2跟隨上升，使二極管D4、D5導(dǎo)通，D3截止，運放U2B工作在深度負反饋狀態(tài)，給電容C6充電，Vc上升。當(dāng)輸入電壓Vi2下降時，Vo2跟隨下降，D3導(dǎo)通，U2B也工作在深度負反饋狀態(tài)，深負反饋保證了二極管D4、D5可靠截止，Vc值得以保持。當(dāng)Vi2再次上升使Vo2上升并使D4、D5導(dǎo)通，D3截止，再次對電容C6充電(Vc高于前次充電時電壓)，Vi2下降時，D4、D5又截止，D3導(dǎo)通，Vc將峰值再次保持。輸出Vo反映Vc的大小，通過峰值檢波和后級緩沖放大電路，將采集到的微弱電壓信號放大至0V-5V的直流電平，以滿足A/D轉(zhuǎn)換器ADC0809所要求的輸入電壓變換范圍，然后通過A/D轉(zhuǎn)換電路將檢測到的峰值轉(zhuǎn)化成數(shù)字量。LM324外形圖LM324引腳排列圖圖2-72.2.3A/D轉(zhuǎn)換電路由于采集到的信息是連續(xù)變化的模擬量，不能被單片機直接處理，所以，必須把這些模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量后才能夠輸入到單片機中進行處理，這里選用了經(jīng)濟實用的ADC0809型A/D轉(zhuǎn)換器來完成模數(shù)轉(zhuǎn)換。ADC0809芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作時序示于圖2-8和圖2-9。圖2-8ADC0809芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖2-9ADC0809的工作時序ADC0809是8位逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器，片內(nèi)有八路模擬開關(guān)，可對八路模擬電壓量實現(xiàn)分時轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換速度為100μs(即10千次/秒)。當(dāng)?shù)刂锋i存允許信號ALE=1時，3位地址信號A、B、C送入地址鎖存器，選擇8路模擬量中的一路實現(xiàn)A/D變換。本設(shè)計中只使用通道NI0，所以，地址譯碼器ABC直接接地為000，采用線選法尋址。ADC0809片內(nèi)有三態(tài)輸出緩沖器，可直接與單片機的數(shù)據(jù)總線相連接，這里將它的數(shù)據(jù)輸出口直接與單片機的數(shù)據(jù)總線P0口相連接，AT89S52的P0口作為數(shù)據(jù)總線，又作為低8位地址總線ADC0809的片內(nèi)沒有時鐘，時鐘信號必須由外部提供，這里利用AT89S52提供的地址鎖存允許信號ALE經(jīng)計數(shù)器74LS163(邏輯功能見表2-1，引腳圖見圖2-11)構(gòu)成的4分頻器分頻獲得。ALE引腳的頻率是單片機時鐘頻率的1/6,單片機時鐘頻率為12MHZ，則ALE引腳頻率約為2MHZ，再經(jīng)4分頻后為500kHZ，所以ADC0809能可靠工作。ADC0809的模擬輸入范圍:單極性0~5V，設(shè)計中采用+5V單電源供電。如圖2-10所示，放大后的電壓信號送入ADC0809的模擬輸入通道IN0進行A/D轉(zhuǎn)換。將P2.7(地址總線的A15)作為片選信號，由AT89S52的寫信號和P2.7控制ADC0809的地址鎖存ALE和轉(zhuǎn)換啟動START，當(dāng)ADC0809的START啟動信號輸入端為高電平時A/D開始轉(zhuǎn)換，在時鐘的控制下，一位一位地逼近，比較器一次次進行比較，轉(zhuǎn)換結(jié)束時，送出轉(zhuǎn)換結(jié)束信號EOC(低到高)，并將8位數(shù)字量D7-D0鎖存到輸出緩存器。AT89S52的讀信號端發(fā)出一個輸出允許命令輸入到ADC0809的ENABLE(即OE)端，ENABLE(OE)端呈高電位，用以打開三態(tài)輸出鎖存器，AT89S52從ADC0809讀取相應(yīng)電壓數(shù)字量，然后存入數(shù)據(jù)緩沖器中。圖2-10A/D轉(zhuǎn)換電路表2-174LS163的邏輯功能表圖2-1174LS163引腳圖2.2.4系統(tǒng)控制單元采用AT89S52單片機。AT89S52是一個低功耗，高性能CMOS8位單片機，片內(nèi)含8KBytesISP(In-systemprogrammable)的可反復(fù)擦寫1000次的Flash只讀程序存儲器，器件采用ATMEL公司的高密度,非易失性存儲技術(shù)制造，兼容標(biāo)準MCS-51指令系統(tǒng)及80C51引腳結(jié)構(gòu)(引腳圖如圖2-11所示)，芯片內(nèi)集成了通用8位中央處理器和ISP圖2-12AT89S52引腳圖AT89S52片內(nèi)結(jié)構(gòu)如圖2-12所示，它具有如下特點：40個引腳，8KBytesFlash片內(nèi)程序存儲器，256bytes的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器(RAM)，32個外部雙向輸入/輸出(I/O)口，看門狗定時(WDT)電路，2個數(shù)據(jù)指針，3個16位可編程定時計數(shù)器，5個中斷優(yōu)先級2層中斷嵌套中斷，2個全雙工串行通信口，片內(nèi)時鐘振蕩器。此外，AT89S52設(shè)計和配置了振蕩頻率可為0HZ并可通過軟件設(shè)置省電模式?？臻e模式下，CPU暫停工作，而RAM、定時計數(shù)器、串行口及外中斷系統(tǒng)可繼續(xù)工作，掉電模式凍結(jié)振蕩器而保存RAM的數(shù)據(jù)，停止芯片其它功能直至外中斷激活或硬件復(fù)位。其工作電壓為5V，晶振頻率采用12MHZ。圖2-13AT89S52片內(nèi)結(jié)構(gòu)2.2.5鍵盤控制電路鍵盤是一組按鍵的集合，它是最常用的單片機輸入設(shè)備。操作人員可以通過鍵盤輸入數(shù)據(jù)或命令，實現(xiàn)簡單的人-機通信。按鍵是一種常開型按鈕開關(guān)。常態(tài)時，按鍵的兩個觸點處于斷開狀態(tài)，按下鍵時他們才閉合。鍵盤控制電路如圖2-14所示，K1鍵作為功能鍵設(shè)置靈敏度△U，靈敏度是可調(diào)的，K2和K3分別作為加1，減1鍵來調(diào)節(jié)靈敏度，K4是確定鍵，當(dāng)K4鍵按下時，靈敏度值確定。圖2-14鍵盤控制電路2.2.6顯示報警電路AT89S52的串行口RXD和TXD為一全雙工串行通信口，但在工作方式0下可作同步移位寄存器用，其數(shù)據(jù)由RXD（P3.0）端輸出或輸入；而同步移位時鐘由TXD（P3.1）端串行輸出，在同步時鐘作用下，實現(xiàn)由串行到并行的數(shù)據(jù)通信。在不需要使用串行通信的場合，利用串行口加外圍芯片74HC164就可構(gòu)成一個或多個并行輸入/輸出口，用于顯示器LED驅(qū)動。單片機中通常使用7段LED構(gòu)成字型“8”，另外，還有一個小數(shù)點發(fā)光二極管，以顯示數(shù)字、符號及小數(shù)點。當(dāng)鍵盤控制部分各鍵按下時，LED顯示相對應(yīng)靈敏度數(shù)值，一旦發(fā)現(xiàn)金屬出現(xiàn)，則被測物理量超限由單片機I/O口P1.0輸出信號驅(qū)動發(fā)光二極管發(fā)光報警，P1.6觸發(fā)無源蜂鳴器用聲報警提醒檢測人員注意，進行必要的定位搜身檢查，報警電路如圖2-16所示。圖2-15顯示電路圖2-16報警電路2.2.7電源電路電路如圖2-17所示，電源供電由9V電池和板內(nèi)穩(wěn)壓電源組成。電路板內(nèi)采用三端穩(wěn)壓集成電路塊LM7805為板內(nèi)元器件供電。LM7805三端正穩(wěn)壓器具有內(nèi)部過流、熱過載和輸出晶體管安全區(qū)保護功能，可將9VDC的輸入電壓轉(zhuǎn)換為+5V電壓，最大輸出電流0.5A，保證板內(nèi)555定時器、UGN3503U、AT89S52、ADC0809等芯片和元件可靠地工作。圖2-17電源電路2.3整機工作原理描述在工作過程中，由555定時器構(gòu)成的多諧振蕩器產(chǎn)生一個頻率為24KHz的脈沖信號，此脈沖信號經(jīng)過緩沖和放大之后，形成頻率穩(wěn)定度高、功率較大的脈沖信號輸入到探測線圈中，通電的線圈周圍就會產(chǎn)生磁場，此時，固定在線圈L1中心的霍爾元件UGN3503U就會感應(yīng)到線圈周圍的磁場，并將磁場強度信號線性地轉(zhuǎn)變成電壓信號。在無金屬的情況下，假設(shè)霍爾輸出電壓為u0，該電壓信號u0很微弱，屬mV級信號，u0經(jīng)過放大電路放大，再通過峰值檢波電路，得到相應(yīng)的0V~5V的峰值輸出電壓U0，以滿足ADC0809的量程，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后，將U0的數(shù)字量輸入到單片機儲存起來。此后，以該電壓信號作為基準電壓，與A/D轉(zhuǎn)換器采集到的電壓信號進行比較判斷。當(dāng)探測線圈L1靠近金屬物體時，由于電磁感應(yīng)現(xiàn)象，會使探測電感值發(fā)生變化，從而使其周圍的磁場發(fā)生變化，霍爾元件感應(yīng)到該變化的磁場，并將其線性地轉(zhuǎn)變成電壓信號ux，該變化的電壓經(jīng)放大電路、峰值檢波電路后，得到相應(yīng)的0V-5V的峰值輸出電壓Ux，然后經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后，輸入到CPU，由CPU完成Ux與基準電壓U0的比較，二者比較?Ux—U0?得到一個差值，此差值與預(yù)設(shè)的靈敏度△U再作比較。靈敏度由鍵盤控制電路中各鍵輸入，顯示電路部分則顯示各鍵按下后的相應(yīng)數(shù)值，當(dāng)然，△U大小的設(shè)定決定著系統(tǒng)精度的高低。若|Ux-U0|>△U，就確定為探測到金屬，CUP輸出口P1.0輸出信號驅(qū)動發(fā)光二極管發(fā)光報警，同時P1.6控制蜂鳴器發(fā)出聲響，進行聲音報警。

第3章系統(tǒng)軟件設(shè)計3.1軟件設(shè)計思想軟件是本系統(tǒng)的靈魂，在設(shè)計軟件中，本文從系統(tǒng)的實用性、可靠性及方便靈活等幾個方面出發(fā)，使程序滿足設(shè)計的功能要求。整個系統(tǒng)的軟件包括主程序、一個外部中斷服務(wù)程序、數(shù)字濾波程序、比較判斷子程序及發(fā)光報警等若干個子程序。軟件采用匯編語言編寫，并采用模塊化設(shè)計，使程序結(jié)構(gòu)清晰，便于今后進一步擴展系統(tǒng)的功能。主程序初始化以后置位AT89S52的中斷控制位EA，使CPU開放中斷。然后通過檢測RAM中21H中數(shù)值的值來判斷是否采集基準電壓U0，如果未采集過U0，則啟動ADC0809對NIO通道的模擬輸入量進行A/D轉(zhuǎn)換。[7]在電路設(shè)計中，ADC0809與AT89S52是采用中斷方式連接的，所以系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集處理功能是在中斷服務(wù)程序中完成的，從原理圖2-2看出，ADC0809的EOC端通過反相器接AT89S52的NIT1端，作為中斷申請。采用中斷方式，可大大節(jié)省CPU時間。[8]軟件編程允許AT89S52響應(yīng)外部中斷1，且設(shè)置其響應(yīng)方式為邊沿觸發(fā)。當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換完畢后，ADC0809的EOC端向AT89S52的INT1的返向端送入一個中斷申請信號，AT89S52接此信號后響應(yīng)中斷請求，調(diào)用中斷服務(wù)子程序INTl，中斷服務(wù)程序進行壓棧，保護現(xiàn)場，讀取來自ADC0809數(shù)據(jù)輸出口的8位數(shù)字量，并將數(shù)字量儲存到單片機RAM中，然后啟動ADC0809的下一次轉(zhuǎn)換。經(jīng)過數(shù)據(jù)軟件濾波之后將其存放在單片機RAM21H中，作為基準電壓U0。[9]經(jīng)反復(fù)實驗測得的靈敏度△U的值被存放在單片機RAM地址為20H的存儲器中。在檢測過程中，將A/D轉(zhuǎn)換器采集到的電壓信號經(jīng)數(shù)據(jù)軟件濾波后存入內(nèi)部RAM以30H為首址的數(shù)據(jù)存儲器中，然后將此數(shù)據(jù)Ux二和基準電壓U0進行比較，二者差值U存放在單片機ARM地址為22H的存儲器中。而后再通過判據(jù)算法將此差值U與靈敏度△U（靈敏度可調(diào)）進行比較，以確定是否報警鍵盤控制電路各鍵控制靈敏度的值，并在顯示電路部分顯示按鍵后的對應(yīng)數(shù)值。3.2數(shù)字濾波及算法說明金屬探測器的噪聲抑制能力是金屬探測器的主要設(shè)計指標(biāo)。由于在采集電壓量時經(jīng)常會碰到各種瞬時干擾，而采用硬件濾波存在硬件電路復(fù)雜等諸多弊端，因此本設(shè)計中采用算術(shù)平均濾波法，即在一次電壓量的采集中，在很短的時間內(nèi)對它進行6次采集，將它轉(zhuǎn)換為數(shù)字量后求和，分析出6次輸入中的最大值和最小值，然后減去最大值和最小值，除以4得到平均值的方法，完成一次數(shù)據(jù)采集的軟件濾波。用軟件代替硬件，從而省去了復(fù)雜的硬件，而且能夠取得好而精確的效果。[10]在一個采樣周期內(nèi)，對信號X的N次測量值進行算術(shù)平均，作為時刻K的輸出x(k)，即（3-1）其中N為采樣次數(shù)，xi為第i次的采樣值。顯然N越大，信號平滑度越高，靈敏度就會降低，但是本設(shè)計中需要較高的靈敏度，所以N取值不易過大，這里我選擇了N=6，選擇取6個數(shù)進行計算的原因，就是因為在匯編中做計算是非常麻煩的，取6個數(shù)，減去最大值和最小值后，取平均值是除4，計算機的內(nèi)部計算都是二進制，而二進制每除一個2，實際上是向右移一次。[12]所以為了計算方便，我選擇取6個數(shù)，最后在算除法的時候，只需要用單片機自帶的右移位命令移2次就行了。3.3主程序流程圖1．程序流程圖見下頁圖3-1所示。2．程序參看附錄2(初始化子程序和中斷服務(wù))[13]圖3-1主程序流程圖3.3.1鍵盤控制程序設(shè)計1．程序流程圖如圖3-2所示。2．程序清單參看附錄2(鍵盤掃描控制程序)[14]圖3-2鍵盤控制流程圖3.3.2數(shù)字濾波程序設(shè)計設(shè)一個采樣周期，對通道0連續(xù)采樣6次，然后去掉最大和最小值，把剩余的累加和求算術(shù)平均值作為本周期采樣值。存入內(nèi)部RAM以30H為首址的數(shù)據(jù)存儲器中。其中，R2寄存器存放最大值，R3寄存器存放最小值，R4寄存器存放累加和，R0存放連續(xù)采樣次數(shù)。1.程序流程圖，如圖3-3所示。2.程序清單參看附錄2(數(shù)字濾波程序)[15]圖3-3數(shù)字濾波流程圖3.3.3顯示與報警程序設(shè)計1．程序流程圖如圖3-4所示。2．程序參看附錄2(顯示報警程序)[16]。圖3-4顯示報警流程圖

第4章主要技術(shù)指標(biāo)分析4.1主要技術(shù)指標(biāo)分析金屬探測器的工作頻率、靈敏度和穩(wěn)定性是儀器的主要技術(shù)指標(biāo)。4.4.1工作頻率為24KHz，選擇24KHz的超長波頻率是為了減弱土壤對電磁波的影響。4.4.2靈敏度分析由公式(l-2)即：可知：1．檢測線圈的尺寸對儀器的靈敏度有影響。探測器的靈敏度與探測線圈的尺寸大小有關(guān)，尺寸大即探測面積大，則線圈中心磁場強度低，在靠近線圈繞組附近磁場強度較高，霍爾元件固定在線圈中心，為了確保通過其磁通量，探測線圈的尺寸就不宜太大，具體尺寸通過實驗確定。2．檢測線圈的匝數(shù)對儀器的靈敏度有影響。當(dāng)檢測線圈尺寸一定時，則匝數(shù)越少其靈敏度越高。但為了確保通過霍爾元件的磁通量，匝數(shù)的減少也是有限的，需要通過試驗來確定最佳匝數(shù)。4.4.3穩(wěn)定性分析1．環(huán)境溫度的變化，儀器元件參數(shù)也會改變，影響儀器工作的穩(wěn)定。2．應(yīng)盡量減少線圈與電路之間引線的長度，以減少分布電容，采用屏蔽線減少外界對其干擾。第5章仿真、調(diào)試結(jié)果及分析5.1仿真、調(diào)試目的與內(nèi)容仿真調(diào)試的內(nèi)容是要把程序修改正確，使編譯能夠通過，而且還要用Proteus仿真軟件中的一些功能來查看程序所實現(xiàn)的功能是否能夠和預(yù)期的功能相符合。需要反復(fù)調(diào)試，直到能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)期結(jié)果為止。本次設(shè)計是在仿真軟件KeilC51來進行編譯和調(diào)試的。5.2仿真結(jié)果及分析本次設(shè)計的仿真結(jié)果如下所述：線性霍爾傳感器調(diào)試結(jié)果及分析外加磁場的南極靠近器件標(biāo)志面時R/mT300200100輸出電壓（V）2.12.32.8外加磁場的北極靠近器件標(biāo)志面時R/mT100200300輸出電壓（V）4.34.85.1線性霍爾傳感器部分的調(diào)試結(jié)果基本是真確的，但由于外部環(huán)境的影響及硬件設(shè)備的不良等因素，調(diào)試過程中遇到了一些問題，模擬出的結(jié)果存在一定的誤差，經(jīng)過多次采樣，我盡量使結(jié)果與理論值得差值縮小，達到了預(yù)期的結(jié)果。振蕩電路調(diào)試結(jié)果及分析振蕩電路輸出的是一方波，可以讀出占空比和輸出脈沖的頻率，其仿真結(jié)果如圖5-1所示圖5-1多諧輸出從調(diào)試的結(jié)果中可以讀出T1的值為：0.028ms,T2的值為：0.014ms。輸出頻率等于23.573KHZ，而理論上輸出脈沖的頻率是24KHZ，從讀出的結(jié)果可以看出與理論值有一定的誤差，這是由于調(diào)試過程中如環(huán)境、儀器設(shè)備等因素造成的，雖然結(jié)果有誤差，但基本上是正確的，說明多諧振蕩器部分電路是正確的。顯示部分仿真結(jié)果及分析顯示部分顯示的數(shù)據(jù)是設(shè)定的靈敏度值，當(dāng)按下各鍵盤部分各個鍵時，在顯示電路部分顯示相對應(yīng)的數(shù)據(jù)，顯示結(jié)果如圖5-2所示。初始狀態(tài)加1顯示值加15顯示值減11顯示值圖5-2顯示值經(jīng)過多次試驗和從顯示的值可以看出仿真結(jié)果基本正確，由于繪制電路中出現(xiàn)了一些問題，仿真過程中出現(xiàn)了顯示模糊、不穩(wěn)定等一些問題，但最終還是得到了比較理想的顯示數(shù)據(jù)。4.蜂鳴器顯示結(jié)果及分析從P1.6口接出來的蜂鳴器電路用來發(fā)出探測到金屬時的報警信號，由于電路搭接的不理想，蜂鳴器的叫聲不是很理想，但結(jié)果基本上是正確的。5.3試驗總結(jié)綜上所述，在仿真調(diào)試過程中雖然遇到了一些問題，但是經(jīng)過分析改正最終成功調(diào)試出了多諧振蕩電路的輸出、數(shù)據(jù)采集電路的輸出、顯示部分的顯示值和蜂鳴聲等結(jié)果。但是還存在一些問題，如數(shù)碼管顯示器顯示數(shù)字時有些閃爍不定，多諧振蕩電路輸出脈沖的不穩(wěn)定等。總的來說還時比較成功的。

第6章結(jié)論本設(shè)計首先介紹了探測金屬的理論依據(jù)，當(dāng)有金屬靠近通電線圈平面附近時將發(fā)生線圈介質(zhì)條件的變化和渦流效應(yīng)兩個現(xiàn)象，根據(jù)電磁感應(yīng)原理來設(shè)計金屬探測器。硬件電路的設(shè)計分為兩個部分，一部分為線圈振蕩電路，包括：多諧振蕩電路、放大電路和探測線圈;另一部分為控制電路，包括：線性霍爾元件、前置放大電路、峰值檢波電路ADC0809模數(shù)轉(zhuǎn)換器、AT89S52單片機、LED顯示電路、聲音報警電路及電源電路，通過這些電路將磁場強度信號變?yōu)殡妷盒盘?，再進行電壓信號的拾取，放大等。軟件設(shè)計中，從系統(tǒng)的實用性、可靠性及方便靈活等幾個方面出發(fā)，使程序滿足設(shè)計的功能要求。整個系統(tǒng)的軟件包括主程序、一個外部中斷服務(wù)程序、數(shù)字濾波程序、比較判斷子程序及發(fā)光報警等若干個子程序，采用匯編語言編寫。最后分析了設(shè)計中的主要技術(shù)指標(biāo)，包括金屬探測器的工作頻率（12KHZ），靈敏度（包括：檢測線圈的尺寸對儀器靈敏度的影響和匝數(shù)對靈敏度的影響）以及穩(wěn)定性等技術(shù)指標(biāo)。

參考文獻[1]周省三，《電磁場基本教程》，高等教育出版社，2003，248-249[2]程守洙、江之水，《普通物理學(xué)2》，高等教育出版社，2001，180-182204-205[3]3503RATIOMETRICLINEARHALL-EFFECTSENSORS.CoPyright1985，2002AllegroMieorsystems，InC[4]涂有瑞，《霍爾傳感元器件及其應(yīng)用》，《電子元器件應(yīng)用》，高等教育出版社，2002，Vol.4No.353-57[5]減春華，《電子線路設(shè)計與應(yīng)用》，高等教育出版社，2004，9-73[6]蔡明生，《電子設(shè)計》，高等教育出版社，2003，3-846[7]何立民，《單片機應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計》，北京航空航天大學(xué)出版社，2004，32-65[8]吳金戌、沈慶陽、郭庭吉，《8051單片機實踐與應(yīng)用》，清華大學(xué)出版社，2004，153-158[9]張毅剛、彭喜元、姜守達等，《新編MCS-51單片機應(yīng)用設(shè)計》，哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2001，215-218[10]李全利、遲榮強，《單片機原理及接口技術(shù)》，高等教育出版社，2003，61-83[11]沙占友、王彥朋、孟志永等，《單片機外圍電路設(shè)計》，電子工業(yè)出版社，86-92[12]房小翠，《單片機實用系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)》，國防工業(yè)出版社，2006，142-159[13]楊振江、杜鐵軍、李群，《流行單片機實用子程序及應(yīng)用實例》，西安電子科技大學(xué)出版社，2004，93-96[14]孫涵芳、徐愛卿等，《MCS-51196系列單片機原理及應(yīng)用》，北京航空航天大學(xué)出版社，2005，1-72[15]ATMEL：8-bitMicrocontrollerwith8KBytesin-SystemProgrammableFlash,AT89S52,2001[16]李伯成，基于MCS-51單片機的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計，北京電子工業(yè)出版社，2004，1-146致謝在整個設(shè)計過程中，從設(shè)計項目的可行性論證、項目的確定、硬件電路的設(shè)計、元器件的選擇、元器件參數(shù)的測試、硬件電路圖的最終確定，乃至利用PROTEL99繪制原理圖和PCB板，郵購元器件和定制PCB板，到利用KEILC編程等，我投入了相當(dāng)多的精力，從圖書館和網(wǎng)上查閱了大量的資料，了解了硬件電路設(shè)計中涉及到的每個元器件的參數(shù)，了解了單片機資源的配置，掌握了單片機的各種指令的應(yīng)用;熟悉了PROTEL99、KEILC及單片機下載編寫等軟件的應(yīng)用，并快速重溫了《模擬》《數(shù)字》《單片機》《高頻》等學(xué)過的知識。總體來說，在摸索該如何設(shè)計電路使之實現(xiàn)所需功能的過程中，使我學(xué)到了好多知識，受益匪淺。四年的本科學(xué)習(xí)生活即將結(jié)束，在論文完成之際，我衷心地感謝在這四年的學(xué)習(xí)和生活中培養(yǎng)過我、幫助過我以及在論文寫作期間給予指導(dǎo)和支持的所有老師和同學(xué)。衷心感謝我的導(dǎo)師王延年老師。整個設(shè)計過程王老師以嚴謹?shù)闹螌W(xué)態(tài)度和淵博的知識指導(dǎo)我的設(shè)計和學(xué)習(xí)，使我有明確的設(shè)計思路和正確的學(xué)習(xí)方法，培養(yǎng)了我獨立學(xué)習(xí)的能力，可以說，這段時間我取得的每一點進步都和設(shè)計之初，參考了大量的教材及中英文專業(yè)資料，得到了王老師的熱心指導(dǎo)和同學(xué)們的幫助，在此我對給予我?guī)椭睦蠋熀屯瑢W(xué)表示衷心地感謝。附錄1電路原理圖附錄2各模塊程序清單1．初始化子程序ADPORTEQU7FF8H△UEQU20HU0EQU21HUEQU22HORG0000HLJMPMAINORG0013HLJMPINT1ORG0020HMAIN：MOVSP，#60MOV20H，#NMOVR7，#FFH;R7=1111111MOV21H，00HMOV22H，00HMOVRl，#3OHRET;ADC0809通道0地址;靈敏度存放在20H;基準電壓存放在21H;差值存放在22H;主程序起始地址;轉(zhuǎn)主程序;INT1中斷服務(wù)程序入口;轉(zhuǎn)NITI中斷服務(wù)程序;;設(shè)置堆棧指針;放入靈敏度值(設(shè)靈敏度值為N);初始化讀數(shù)標(biāo)志;21H單元清零;22H單元清零;R1為緩沖區(qū)數(shù)據(jù)地址指針，送數(shù)據(jù)緩沖區(qū)首址;2．中斷服務(wù)程序AD:SETBIT1SETBEASETBEX1MOVDPTR,#ADPORTMOVA#00HMOVR5，AMOVX@DPTR，ACJNER7，#00H，$LOOP:NOPAJMPLOOPORG2100HNIT1:PUSHPSWPUSHAPUSHDPLPUSHDPHMOVDPTR，#7FF8HMOVXA，@DTPRMOVR5，ALCALLFILTERMOVA#00HMOVX@DPTR，AMOVR7，#00HPOPDPH;當(dāng)ADC0809的EOC輸出電平上跳沿觸發(fā)中斷1;打開總中斷開關(guān)(片內(nèi)中斷允許寄存器IE.7=EA);允許外中斷1中斷;數(shù)據(jù)指針指向通道頂0通道;;;啟動A/D轉(zhuǎn)換;;;中斷服務(wù)程序入口;;;數(shù)據(jù)指針指向通道IN0;把該通道的A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果讀到累加器A中;將A/D結(jié)果存入R5;調(diào)用數(shù)字濾波程序;;再次啟動刀D轉(zhuǎn)換;置讀數(shù)標(biāo)志;POPDPLPOPAPO