基于51單片機(jī)的金屬探測(cè)器本科畢業(yè)(論文)設(shè)計(jì)論文

基于51單片機(jī)的金屬探測(cè)器西安工程大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)PAGE基于51單片機(jī)的金屬探測(cè)器摘要本文著重介紹了一種基于AT89S52單片機(jī)控制的智能型金屬探測(cè)器的硬件組成、軟件設(shè)計(jì)、工作原理及主要功能。該金屬探測(cè)器以AT89S52單片機(jī)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(chǎng)的變化，并將磁場(chǎng)變化轉(zhuǎn)化為電壓的變化，單片機(jī)測(cè)得電壓值，并與設(shè)定的電壓基準(zhǔn)值相比較后，決定是否探測(cè)到金屬。系統(tǒng)軟件采用匯編語言編寫。在軟件設(shè)計(jì)中，采用了數(shù)字濾波技術(shù)消除干擾，提高了探測(cè)器的抗干擾能力，確保了系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。此外，文中還對(duì)影響金屬探測(cè)器的靈敏度與穩(wěn)定性的因素進(jìn)行了探討，認(rèn)為儀器的工作頻率、檢測(cè)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(chǎng)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：?jiǎn)纹瑱C(jī)，金屬探測(cè)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(cè)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(jì) 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(bào)警電路 172.2.7電源電路 182.3整機(jī)工作原理描述 19第3章系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 203.1軟件設(shè)計(jì)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(jì) 233.3.2數(shù)字濾波程序設(shè)計(jì) 233.3.3顯示與報(bào)警程序設(shè)計(jì) 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(yàn)總結(jié) 29第6章結(jié)論 30參考文獻(xiàn) 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(jì)實(shí)物。代做專科、本科各個(gè)專業(yè)畢業(yè)論文。代做電子、機(jī)械類專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)。完全按照畢業(yè)設(shè)計(jì)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(cè)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(huì)生活和工業(yè)生產(chǎn)的諸多領(lǐng)域。比如在機(jī)場(chǎng)、大型運(yùn)動(dòng)會(huì)(如奧運(yùn)會(huì))、展覽會(huì)等都用金屬探測(cè)器來對(duì)過往人員進(jìn)行安全檢測(cè),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(cè)器對(duì)出入人員進(jìn)行檢測(cè)，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(cè)器來防止考生利用手機(jī)等工具進(jìn)行作弊。由此可見，金屬探測(cè)器對(duì)工業(yè)生產(chǎn)及人身安全起著重要的作用。而為了能夠準(zhǔn)確判定金屬物品藏匿的位置，就需要金屬探測(cè)器具有較高的檢測(cè)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(jià)格極其昂貴;國內(nèi)傳統(tǒng)的金屬探測(cè)器則是利用模擬電路進(jìn)行檢測(cè)和控制的，其電路復(fù)雜，探測(cè)靈敏度低，且整個(gè)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(jī)控制的智能型金屬探測(cè)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(cè)線圈周圍磁場(chǎng)的變化，提高了檢測(cè)精度;處理部件則采用AT89S52單片機(jī)作為檢測(cè)和控制核心，對(duì)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析判斷，有效地保證了檢測(cè)原理的實(shí)施;此外，利用軟件濾波的方法代替了傳統(tǒng)探測(cè)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(duì)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(cè)，可用于海關(guān)、機(jī)場(chǎng)、車站、碼頭的安全檢查。也可用于探測(cè)隱藏于墻內(nèi)、護(hù)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(cè)金屬的理論依據(jù)1.1理論描述金屬探測(cè)器是采用線圈的電磁感應(yīng)原理來探測(cè)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(shí)，將發(fā)生線圈介質(zhì)條件的變化和渦流效應(yīng)兩個(gè)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(shí)，將使通電線周圍的磁場(chǎng)發(fā)生變化，如圖1-1，圖1-1對(duì)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(chǎng)，根據(jù)畢奧一薩伐爾定律可計(jì)算線圈中心軸線上一點(diǎn)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(duì)磁導(dǎo)率，μ0為真空磁導(dǎo)率。[2]對(duì)于緊密纏繞N匝的線圈，線圈中心軸線上一點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度則為：(1-2)由公式(1-2)可知，當(dāng)線圈有效探測(cè)范圍內(nèi)無金屬物時(shí)，μr=1(非金屬的相對(duì)磁導(dǎo)率)，線圈中心磁感應(yīng)強(qiáng)度B保持不變，當(dāng)線圈有效探測(cè)范圍內(nèi)出現(xiàn)鐵磁性金屬物時(shí)，μr會(huì)變大，B隨之也會(huì)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(chǎng)中時(shí)，金屬導(dǎo)體內(nèi)就會(huì)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(chǎng)，與外磁場(chǎng)方向相反，削弱外磁場(chǎng)的變化。據(jù)此，將一交流正弦信號(hào)接入繞在骨架上的空心線圈上，流過線圈的電流會(huì)在周圍產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，當(dāng)將金屬靠近線圈時(shí)，金屬產(chǎn)生的渦流磁場(chǎng)的去磁作用會(huì)削弱線圈磁場(chǎng)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(qiáng)度越大，對(duì)原磁場(chǎng)的抑制作用越強(qiáng)。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(shí)，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(qiáng)度B的變化。對(duì)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(rèn)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(jì);對(duì)于鐵磁性金屬(如:鐵、鉆、鎳)μr很大，σ也較大，可認(rèn)為是既導(dǎo)電又導(dǎo)磁物質(zhì)，主要產(chǎn)生磁效應(yīng)，同時(shí)又有渦流效應(yīng)。本設(shè)計(jì)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(chǎng)變化，并把磁場(chǎng)信號(hào)的變化轉(zhuǎn)變成電信號(hào)的變化，從而實(shí)現(xiàn)單片機(jī)的控制。正是本著這樣一個(gè)設(shè)計(jì)思路來構(gòu)建系統(tǒng)的硬件電路。

第2章硬件電路設(shè)計(jì)2.1系統(tǒng)組成如圖2-1所示，整個(gè)探測(cè)系統(tǒng)以8位單片機(jī)AT89S52作為控制核心，其硬件電路分為兩個(gè)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(cè)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(jī)、LED顯示電路、聲音報(bào)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(shí)器構(gòu)成一個(gè)多諧振蕩器，產(chǎn)生一頻率為24KHz、占空比為2/3的脈沖信號(hào)。振蕩器的頻率計(jì)算公式為：(2-1)圖示參數(shù)對(duì)應(yīng)的頻率為24KHz，選擇24KHz的超長(zhǎng)波頻率是為了減弱土壤對(duì)電磁波的影響。從多諧振蕩器輸出的正脈沖信號(hào)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(hào)輸入到探測(cè)線圈L1中，在線圈內(nèi)產(chǎn)生瞬間較強(qiáng)的電流，從而使線圈周圍產(chǎn)生恒定的交變磁場(chǎng)。由于在脈沖信號(hào)作用下，Q1處于開關(guān)工作狀態(tài)，而導(dǎo)通時(shí)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(jì)中，選用了美國ALELGRO公司生產(chǎn)的UGN3503U線性霍爾傳感器，來檢測(cè)通電線圈Ll周圍的磁場(chǎng)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(chǎng)強(qiáng)度信號(hào)線性地轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?hào)。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(chǎng)B，在薄片的橫向兩側(cè)會(huì)出現(xiàn)一個(gè)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?yàn)橥姲雽?dǎo)體片中的載流子在磁場(chǎng)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(gè)電場(chǎng)，稱作霍爾電場(chǎng)?；魻栯妶?chǎng)產(chǎn)生的電場(chǎng)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(chǎng)力和洛侖茲力相等。這時(shí)，片子兩側(cè)建立起一個(gè)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(qiáng)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(qiáng)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(shí)，通過的電流I為一恒值，此時(shí)輸出電壓只與加在霍爾元件上的磁場(chǎng)B的大小成正比，即：UH=KB(V)(2-4)此時(shí)K=KHI為常數(shù)。因此，任何引起磁場(chǎng)強(qiáng)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(cè)工作磁場(chǎng)，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(jì)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(gè)由外電壓源驅(qū)動(dòng)、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(qiáng)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(dòng)，功耗小，壽命長(zhǎng)，頻率高(可達(dá)IMHz)；輸出噪聲低等特點(diǎn)。用它作探頭可測(cè)量，10ˉ6-10T的交變和恒定磁場(chǎng)。在測(cè)量磁場(chǎng)時(shí)，將元件的第一腳(面對(duì)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(cè)磁場(chǎng)中，因霍爾器件只對(duì)垂直于霍爾片表面的磁感應(yīng)強(qiáng)度敏感，因而必須讓磁力線垂直于電路表面，當(dāng)沒有磁場(chǎng)(B=0G)時(shí)，靜態(tài)輸出電壓是電源電壓的一半(即VCC/2)，當(dāng)外加磁場(chǎng)的南極靠近器件標(biāo)志面時(shí)，會(huì)使輸出電壓高于靜態(tài)輸出電壓；當(dāng)外加磁場(chǎng)的北極靠近器件標(biāo)志面時(shí)，會(huì)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(cè)線圈Ll的中心，即可感應(yīng)線圈Ll的磁場(chǎng)變化，并將磁場(chǎng)的變化信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)的變化而被后級(jí)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(hào)是一個(gè)毫伏級(jí)的信號(hào)，信號(hào)十分微弱，所以，在對(duì)其進(jìn)行處理前，首先要進(jìn)行放大。在設(shè)計(jì)中，信號(hào)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(yùn)算放大器LM324。LM324是四運(yùn)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(yùn)算放大器，除電源共用，四組運(yùn)放相互獨(dú)立。如圖2-4所示，UGN3503線性霍爾元件輸出的微弱信號(hào)經(jīng)電容禍合到前級(jí)運(yùn)算放大器U2A的同相輸入端，運(yùn)算放大器U2A把霍爾元件感應(yīng)到的電壓轉(zhuǎn)換為對(duì)地電壓。在電路設(shè)計(jì)中，運(yùn)放LM324采用+5V單電源供電，對(duì)于不同強(qiáng)度的信號(hào)均可通過調(diào)節(jié)前級(jí)放大電路的反饋電位器Wl來改變其放大倍數(shù)。經(jīng)前級(jí)運(yùn)算放大器放大的信號(hào)經(jīng)耦合電容C2輸入到后級(jí)峰值檢測(cè)電路中。采用阻容耦合的方法可以使前后級(jí)電路的靜態(tài)工作點(diǎn)保持獨(dú)立，隔離各級(jí)靜態(tài)之間的相互影響，使得電路總溫漂不會(huì)太大。峰值檢測(cè)電路由兩級(jí)運(yùn)算放大器組成，第一級(jí)運(yùn)放U2B將輸入信號(hào)的峰值傳遞到電容C6上，并保持下來。第二級(jí)運(yùn)放U2C組成緩沖放大器，將輸出與電容隔離開來。在設(shè)計(jì)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(yùn)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(shí)，Vo2跟隨上升，使二極管D4、D5導(dǎo)通，D3截止，運(yùn)放U2B工作在深度負(fù)反饋狀態(tài)，給電容C6充電，Vc上升。當(dāng)輸入電壓Vi2下降時(shí)，Vo2跟隨下降，D3導(dǎo)通，U2B也工作在深度負(fù)反饋狀態(tài)，深負(fù)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(duì)電容C6充電(Vc高于前次充電時(shí)電壓)，Vi2下降時(shí)，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(jí)緩沖放大電路，將采集到的微弱電壓信號(hào)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(cè)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(jī)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(jī)中進(jìn)行處理，這里選用了經(jīng)濟(jì)實(shí)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(shí)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(shí)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(duì)八路模擬電壓量實(shí)現(xiàn)分時(shí)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(hào)ALE=1時(shí)，3位地址信號(hào)A、B、C送入地址鎖存器，選擇8路模擬量中的一路實(shí)現(xiàn)A/D變換。本設(shè)計(jì)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(jī)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(jī)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(shí)鐘，時(shí)鐘信號(hào)必須由外部提供，這里利用AT89S52提供的地址鎖存允許信號(hào)ALE經(jīng)計(jì)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(jī)時(shí)鐘頻率的1/6,單片機(jī)時(shí)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(jì)中采用+5V單電源供電。如圖2-10所示，放大后的電壓信號(hào)送入ADC0809的模擬輸入通道IN0進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。將P2.7(地址總線的A15)作為片選信號(hào)，由AT89S52的寫信號(hào)和P2.7控制ADC0809的地址鎖存ALE和轉(zhuǎn)換啟動(dòng)START，當(dāng)ADC0809的START啟動(dòng)信號(hào)輸入端為高電平時(shí)A/D開始轉(zhuǎn)換，在時(shí)鐘的控制下，一位一位地逼近，比較器一次次進(jìn)行比較，轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)，送出轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)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(hào)端發(fā)出一個(gè)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(jī)。AT89S52是一個(gè)低功耗，高性能CMOS8位單片機(jī)，片內(nèi)含8KBytesISP(In-systemprogrammable)的可反復(fù)擦寫1000次的Flash只讀程序存儲(chǔ)器，器件采用ATMEL公司的高密度,非易失性存儲(chǔ)技術(shù)制造，兼容標(biāo)準(zhǔn)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(diǎn)：40個(gè)引腳，8KBytesFlash片內(nèi)程序存儲(chǔ)器，256bytes的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(RAM)，32個(gè)外部雙向輸入/輸出(I/O)口，看門狗定時(shí)(WDT)電路，2個(gè)數(shù)據(jù)指針，3個(gè)16位可編程定時(shí)計(jì)數(shù)器，5個(gè)中斷優(yōu)先級(jí)2層中斷嵌套中斷，2個(gè)全雙工串行通信口，片內(nèi)時(shí)鐘振蕩器。此外，AT89S52設(shè)計(jì)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(shí)計(jì)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(jī)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(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的人-機(jī)通信。按鍵是一種常開型按鈕開關(guān)。常態(tài)時(shí)，按鍵的兩個(gè)觸點(diǎn)處于斷開狀態(tài)，按下鍵時(shí)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(shí)，靈敏度值確定。圖2-14鍵盤控制電路2.2.6顯示報(bào)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(shí)鐘由TXD（P3.1）端串行輸出，在同步時(shí)鐘作用下，實(shí)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(chǎng)合，利用串行口加外圍芯片74HC164就可構(gòu)成一個(gè)或多個(gè)并行輸入/輸出口，用于顯示器LED驅(qū)動(dòng)。單片機(jī)中通常使用7段LED構(gòu)成字型“8”，另外，還有一個(gè)小數(shù)點(diǎn)發(fā)光二極管，以顯示數(shù)字、符號(hào)及小數(shù)點(diǎn)。當(dāng)鍵盤控制部分各鍵按下時(shí)，LED顯示相對(duì)應(yīng)靈敏度數(shù)值，一旦發(fā)現(xiàn)金屬出現(xiàn)，則被測(cè)物理量超限由單片機(jī)I/O口P1.0輸出信號(hào)驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管發(fā)光報(bào)警，P1.6觸發(fā)無源蜂鳴器用聲報(bào)警提醒檢測(cè)人員注意，進(jìn)行必要的定位搜身檢查，報(bào)警電路如圖2-16所示。圖2-15顯示電路圖2-16報(bào)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(hù)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(shí)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(jī)工作原理描述在工作過程中，由555定時(shí)器構(gòu)成的多諧振蕩器產(chǎn)生一個(gè)頻率為24KHz的脈沖信號(hào)，此脈沖信號(hào)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(hào)輸入到探測(cè)線圈中，通電的線圈周圍就會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，此時(shí)，固定在線圈L1中心的霍爾元件UGN3503U就會(huì)感應(yīng)到線圈周圍的磁場(chǎng)，并將磁場(chǎng)強(qiáng)度信號(hào)線性地轉(zhuǎn)變成電壓信號(hào)。在無金屬的情況下，假設(shè)霍爾輸出電壓為u0，該電壓信號(hào)u0很微弱，屬mV級(jí)信號(hào)，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(jī)儲(chǔ)存起來。此后，以該電壓信號(hào)作為基準(zhǔn)電壓，與A/D轉(zhuǎn)換器采集到的電壓信號(hào)進(jìn)行比較判斷。當(dāng)探測(cè)線圈L1靠近金屬物體時(shí)，由于電磁感應(yīng)現(xiàn)象，會(huì)使探測(cè)電感值發(fā)生變化，從而使其周圍的磁場(chǎng)發(fā)生變化，霍爾元件感應(yīng)到該變化的磁場(chǎng)，并將其線性地轉(zhuǎn)變成電壓信號(hào)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(zhǔn)電壓U0的比較，二者比較?Ux—U0?得到一個(gè)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(cè)到金屬，CUP輸出口P1.0輸出信號(hào)驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管發(fā)光報(bào)警，同時(shí)P1.6控制蜂鳴器發(fā)出聲響，進(jìn)行聲音報(bào)警。

第3章系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)3.1軟件設(shè)計(jì)思想軟件是本系統(tǒng)的靈魂，在設(shè)計(jì)軟件中，本文從系統(tǒng)的實(shí)用性、可靠性及方便靈活等幾個(gè)方面出發(fā)，使程序滿足設(shè)計(jì)的功能要求。整個(gè)系統(tǒng)的軟件包括主程序、一個(gè)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(bào)警等若干個(gè)子程序。軟件采用匯編語言編寫，并采用模塊化設(shè)計(jì)，使程序結(jié)構(gòu)清晰，便于今后進(jìn)一步擴(kuò)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(cè)RAM中21H中數(shù)值的值來判斷是否采集基準(zhǔn)電壓U0，如果未采集過U0，則啟動(dòng)ADC0809對(duì)NIO通道的模擬輸入量進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。[7]在電路設(shè)計(jì)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(qǐng)。采用中斷方式，可大大節(jié)省CPU時(shí)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(gè)中斷申請(qǐng)信號(hào)，AT89S52接此信號(hào)后響應(yīng)中斷請(qǐng)求，調(diào)用中斷服務(wù)子程序INTl，中斷服務(wù)程序進(jìn)行壓棧，保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)，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?jī)?chǔ)存到單片機(jī)RAM中，然后啟動(dòng)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(jī)RAM21H中，作為基準(zhǔn)電壓U0。[9]經(jīng)反復(fù)實(shí)驗(yàn)測(cè)得的靈敏度△U的值被存放在單片機(jī)RAM地址為20H的存儲(chǔ)器中。在檢測(cè)過程中，將A/D轉(zhuǎn)換器采集到的電壓信號(hào)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(chǔ)器中，然后將此數(shù)據(jù)Ux二和基準(zhǔn)電壓U0進(jìn)行比較，二者差值U存放在單片機(jī)ARM地址為22H的存儲(chǔ)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(jìn)行比較，以確定是否報(bào)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(duì)應(yīng)數(shù)值。3.2數(shù)字濾波及算法說明金屬探測(cè)器的噪聲抑制能力是金屬探測(cè)器的主要設(shè)計(jì)指標(biāo)。由于在采集電壓量時(shí)經(jīng)常會(huì)碰到各種瞬時(shí)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(jì)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(shí)間內(nèi)對(duì)它進(jìn)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(gè)采樣周期內(nèi)，對(duì)信號(hào)X的N次測(cè)量值進(jìn)行算術(shù)平均，作為時(shí)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(hào)平滑度越高，靈敏度就會(huì)降低，但是本設(shè)計(jì)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(gè)數(shù)進(jìn)行計(jì)算的原因，就是因?yàn)樵趨R編中做計(jì)算是非常麻煩的，取6個(gè)數(shù)，減去最大值和最小值后，取平均值是除4，計(jì)算機(jī)的內(nèi)部計(jì)算都是二進(jìn)制，而二進(jìn)制每除一個(gè)2，實(shí)際上是向右移一次。[12]所以為了計(jì)算方便，我選擇取6個(gè)數(shù)，最后在算除法的時(shí)候，只需要用單片機(jī)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(jì)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(jì)設(shè)一個(gè)采樣周期，對(duì)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(chǔ)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(bào)警程序設(shè)計(jì)1．程序流程圖如圖3-4所示。2．程序參看附錄2(顯示報(bào)警程序)[16]。圖3-4顯示報(bào)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(cè)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(zhǎng)波頻率是為了減弱土壤對(duì)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(cè)線圈的尺寸對(duì)儀器的靈敏度有影響。探測(cè)器的靈敏度與探測(cè)線圈的尺寸大小有關(guān)，尺寸大即探測(cè)面積大，則線圈中心磁場(chǎng)強(qiáng)度低，在靠近線圈繞組附近磁場(chǎng)強(qiáng)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(cè)線圈的尺寸就不宜太大，具體尺寸通過實(shí)驗(yàn)確定。2．檢測(cè)線圈的匝數(shù)對(duì)儀器的靈敏度有影響。當(dāng)檢測(cè)線圈尺寸一定時(shí)，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(yàn)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(huì)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(zhǎng)度，以減少分布電容，采用屏蔽線減少外界對(duì)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(shí)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(jì)是在仿真軟件KeilC51來進(jìn)行編譯和調(diào)試的。5.2仿真結(jié)果及分析本次設(shè)計(jì)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(chǎng)的南極靠近器件標(biāo)志面時(shí)R/mT300200100輸出電壓（V）2.12.32.8外加磁場(chǎng)的北極靠近器件標(biāo)志面時(shí)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(dá)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(gè)鍵時(shí)，在顯示電路部分顯示相對(duì)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(yàn)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(cè)到金屬時(shí)的報(bào)警信號(hào)，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(yàn)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(shí)有些閃爍不定，多諧振蕩電路輸出脈沖的不穩(wěn)定等?？偟膩碚f還時(shí)比較成功的。

第6章結(jié)論本設(shè)計(jì)首先介紹了探測(cè)金屬的理論依據(jù)，當(dāng)有金屬靠近通電線圈平面附近時(shí)將發(fā)生線圈介質(zhì)條件的變化和渦流效應(yīng)兩個(gè)現(xiàn)象，根據(jù)電磁感應(yīng)原理來設(shè)計(jì)金屬探測(cè)器。硬件電路的設(shè)計(jì)分為兩個(gè)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(cè)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(jī)、LED顯示電路、聲音報(bào)警電路及電源電路，通過這些電路將磁場(chǎng)強(qiáng)度信號(hào)變?yōu)殡妷盒盘?hào)，再進(jìn)行電壓信號(hào)的拾取，放大等。軟件設(shè)計(jì)中，從系統(tǒng)的實(shí)用性、可靠性及方便靈活等幾個(gè)方面出發(fā)，使程序滿足設(shè)計(jì)的功能要求。整個(gè)系統(tǒng)的軟件包括主程序、一個(gè)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(bào)警等若干個(gè)子程序，采用匯編語言編寫。最后分析了設(shè)計(jì)中的主要技術(shù)指標(biāo)，包括金屬探測(cè)器的工作頻率（12KHZ），靈敏度（包括：檢測(cè)線圈的尺寸對(duì)儀器靈敏度的影響和匝數(shù)對(duì)靈敏度的影響）以及穩(wěn)定性等技術(shù)指標(biāo)。

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