【正文】 dBB mrRx ???????? ? c o s)(2)(224s i n 2322 202322 23 220 2 ???????? ?? ? （ 11） 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。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。 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。 2．靈敏度分析 長春理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 4 由公式 (12)即 ： tRxIRNB mr ??? c o s)(2 232220?? 可知： （ 1）檢測線圈的尺寸對儀器的靈敏度有影響。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，需通過實驗來確定最佳匝數(shù) [8][9]。 長春理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 5 第 2 章 硬件電路設(shè)計 2． 1 系統(tǒng)組成 如圖 21 所示，整個探測系統(tǒng)以 8 位單片機 AT89S52 作為控制中心，其硬件電路分為兩個部分，一部分為線圈震蕩電路，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 [10][11]。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，可以利用 9V 電池供電 [13]。 圖 24 UGN3503U 的功能框圖 圖 25 UGN3503U 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。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，霍爾電壓 UH可用下式表示： dIBRU HH /? （ V） （ 22） 式中 RH霍爾常數(shù)（ m3C1） ； 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(VA1Wb1m2)， 得到 UH=KHIB(V) (23) 由上式可知，霍爾電壓的大小成正比 于 控制電流 I 和磁感應(yīng)強度 B。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。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，d W I B 圖 26 霍爾效應(yīng)原理 圖 I UH 長春理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 9 頻率高（可達(dá) 1MHz）；輸出噪聲低等特點。 2． 3． 2 放大和峰值檢波電路 由于 UGN3503U 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，再對其進(jìn)行處理前，首先要進(jìn)行放大。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)解前級放大電路的反饋電位器 W1來改變其放大倍數(shù)。第二級運放 U2C 組成緩沖放大器，將輸出與電容隔離開來。當(dāng) Vi2 再次上升使 VO2 上升并使 D 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， D D5 又截止， D3 導(dǎo)通， VC將峰值再次保持。 長春理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 11 圖 210 ADC0809 芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 圖 211 ADC0809 的工作時序 比較器 A/D VREF() 8 路模擬開關(guān) 地址鎖存記譯碼 三態(tài)輸出寄存器 電阻網(wǎng)絡(luò) 豎狀開關(guān) 逐位逼近寄存器 SAR 時序于控制 START EOC CLK OE D7 D0 IN7 IN0 ADDC ADDB ADDA ALE VREF(+) 長春理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 12 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 )。 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 21）構(gòu)成的 4 分頻器分頻獲得。將 （地址總線的 A15）作為片選信號，由 AT89S52 的寫信號 WR 和 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(jìn)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所存到輸出緩存器。 長春理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 14 E A /V P31X119X218R E S E T9RD17WR16IN T 012IN T 113T014T115P 1 01P 1 12P 1 23P 1 34P 1 45P 1 56P 1 67P 1 78P 0 039P 0 138P 0 237P 0 336P 0 435P 0 534P 0 633P 0 732P 2 021P 2 122P 2 223P 2 324P 2 425P 2 526P 2 627P 2 728P S E N29A L E / P30T X D11R X D10A T 8 9 S 5 2 圖 213 AT89S52 引腳圖 AT89S52 片內(nèi)結(jié)構(gòu)如圖 214 所示，它具有如下特點： 40 個引腳， 8K Bytes Flash 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。 長春理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 15 圖 214 AT89S52 片內(nèi)結(jié)構(gòu)圖 2． 5 顯示警告電路 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 口的 管進(jìn)行光報警的同時， 還觸發(fā)無源蜂鳴器用聲報警提醒檢測人員注意，進(jìn)行必要的定位搜身檢查。 + 5 V2Vm1GND3U9L M 7 8 0 5 C K+ 9 VB T 1+ 9 VC 1 21 0 μ FV C C 圖 215 電源電路 2． 7 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 [20]。當(dāng)然， △ U 大小的設(shè)定決定著系統(tǒng)精度的高低。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(jìn)一步擴展系統(tǒng)的功能。采用中斷方式，可大大節(jié)省 CPU 時間。 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。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(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。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?；鶞?zhǔn)電壓存放在 21H Y 長春理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 20 U EQU 22H。INT1 中斷服務(wù)程序入口 LJMP INT1。21H 單元清零 MOV 22H,00H。 允許外中斷 1 中斷 MOV DPTR,ADPORT。啟動 A/D 轉(zhuǎn)換。中斷服務(wù)程序入口 INT1: PUSH PSW PUSH A PUSH DPL。 把該通道的 A/D 轉(zhuǎn)換結(jié)果讀到累加器 A 中 MOV R5,A。再次啟動 A/D 轉(zhuǎn)換 M OV R7 001。 POP PSW。其中， R3 寄存器存放最大值， R2 寄存器存放最小值， R4 寄存器存累加和， R0存放連續(xù)采樣次數(shù) [22]。 MOV R3,3FH。累加輸入值 MOV R4,A。最大值 輸入值 JNC DAV2。取 A/D 結(jié)果 SBBB A, R3。 SBBB A, R2。 RRC A。電路的工作頻率和模擬部分的工作點的變化基本上不會影響檢測精度，從而使得測設(shè)備具有良好的靈敏性和可靠性。 4． 2 展望 金屬檢測器是集電、磁、機以及控制技術(shù)為一體的檢測設(shè)備。 目前，中國食品工業(yè)已成為國民經(jīng)濟最重要的支柱產(chǎn)業(yè)，其總產(chǎn)值居國民經(jīng)濟各部門之首。許多食品生產(chǎn)制造商在產(chǎn)品出廠之前必須經(jīng)過檢驗，由此可見作為應(yīng)用于食品檢測的金屬檢測器具有極大的市場前景，預(yù)示著在今后幾年內(nèi)將見到其飛速發(fā)展。 衷心感謝我的導(dǎo)師 林杰 老師。 最后，向?qū)忛啽疚牡膶＜?、教授致以崇高的敬意? 。 由于本人的水平有限，對其中的某些關(guān)鍵問題并未能進(jìn)行深入的分析研究?？傮w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。 長春理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 26 另在食品工業(yè)中隨著消費者對產(chǎn)品質(zhì)量要求日趨嚴(yán)格，再加上多項標(biāo)準(zhǔn)的管制，食品生產(chǎn)制造商必須對產(chǎn)品做出品質(zhì)的保證。即使最近幾年中還出現(xiàn)過重大的進(jìn)步：模擬探測器為數(shù)字探測器所替代以及功能強大的微處理器技術(shù)的采用均為最重要的發(fā)展。 本課題研究的智能型金屬探測器具有如下特點： (l)采用外接 AD 轉(zhuǎn)換器對檢測信號進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣和數(shù)據(jù)處理，進(jìn)一步提高了檢測效果和檢測精度 ； (2)采用微 處理機建立良好的人機對話界面， LCD 液晶顯示，中文菜單式的畫面 ； (3)采用軟件設(shè)置光電管，起到良好的抗干擾作用。 將算術(shù)平均值存入以 30H 為首址的 RAM 緩沖單元中 INC R1；修改數(shù)據(jù)區(qū)指針 RET； 3． 4． 4 發(fā)光與報警模塊 DISPLAY: SETB ； LCALL DELAY CLR AJAMP DISPLAY ALARM: 長春理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 24 SETB LCALL DELAY CLR AJAMP ALARM DELAY: MOV R5,FFH。 CLR C。判斷輸入值 (R3)?(若 C=0,輸入值 (R3),則轉(zhuǎn)到 DAV3) MOV A, R5 MOV R3,A ；更新最小值 DAV3:DJNZ R0,DAV1。 MOV R2,A。清進(jìn)位標(biāo)志 MOV A,R2。 置數(shù)據(jù)區(qū)首地址 MOV R0,06H。 R2， R4清零 MOV R2, A。中斷返回 3． 4． 3 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。 POP PDL。 調(diào)用數(shù)字濾波程序 MOV A 00H。 MOV DPTR, 7FF8H。 LOOP: NOP AJMP LOOP。 MOV R5， A。 3． 4． 2 中斷服務(wù)程序 AD:SET B1 T1。設(shè)置堆棧指針 MOV 20H,N:放入靈敏度值 (設(shè)靈敏度值為 N) MOV R7,FFH。主程序起始地址 LJMP MAIN。ADC0809 通道 0 地址 △ U EQU 20H。 在一個采樣周 期內(nèi)，對信號 X 的 N 次測量值進(jìn)行算