【正文】 detector 學(xué) 生 姓 名專 業(yè)學(xué) 號(hào)指 導(dǎo) 教 師學(xué) 院長(zhǎng)春理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)摘 要本文著重介紹了一種基于AT89S52單片機(jī)控制的智能金屬探測(cè)儀的硬件組成、軟件設(shè)計(jì)、工作原理及主要功能。此外，文中還對(duì)影響金屬探測(cè)儀的靈敏度與穩(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。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。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。隨后于1970年，隨著社會(huì)的不斷發(fā)展，金屬探測(cè)器被引入一個(gè)新的應(yīng)用領(lǐng)域—安全檢查，其廣泛運(yùn)用于民航、公安、緝私和邊防等領(lǐng)域，也就是今天我們所使用的金屬探測(cè)器的雛形，它的出現(xiàn)意味著人類對(duì)安全的認(rèn)知已步入了一個(gè)新的時(shí)代。其實(shí)，國(guó)內(nèi)金屬探測(cè)器產(chǎn)品的研發(fā)、生產(chǎn)和推廣，近幾年已獲得較大進(jìn)步。同樣在70年代，由于金屬探測(cè)門在機(jī)場(chǎng)安檢中的嶄露頭角，大型運(yùn)動(dòng)會(huì)(如奧運(yùn)會(huì))展覽會(huì)及政府重要部門的安全保衛(wèi)工作中開始啟用金屬探測(cè)門作為必不可少的安檢儀器。40多年過去了，金屬探測(cè)器經(jīng)歷了幾代探測(cè)技術(shù)的變革，從最初的信號(hào)模擬技術(shù)到連續(xù)波技術(shù)直到今天所使用的數(shù)字脈沖技術(shù)，金屬探測(cè)器簡(jiǎn)單的磁場(chǎng)切割原理被引入多種科學(xué)技術(shù)成果。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)生如下現(xiàn)象和效應(yīng)[3]；圖11 通電線圈工作示意圖（1）線圈介質(zhì)條件的變化：當(dāng)金屬物接近通電線圈時(shí)，將使通電線圈周圍的磁場(chǎng)發(fā)生變化，如圖11，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=Imcosω時(shí)，線圈周圍空間產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，根據(jù)畢奧一薩伐爾定律可計(jì)算出線圈中心軸線上一點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度B為[4]： （11）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。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。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。2．靈敏度分析 由公式(12)即： 可知：（1）檢測(cè)線圈的尺寸對(duì)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(shí)驗(yàn)來確定最佳匝數(shù)[8][9]。第2章 硬件電路設(shè)計(jì)2．1 系統(tǒng)組成如圖21所示，整個(gè)探測(cè)系統(tǒng)以8位單片機(jī)AT89S52作為控制中心，其硬件電路分為兩個(gè)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(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[10][11]。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，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(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，霍爾電壓UH可用下式表示： （V） （22）式中RH霍爾常數(shù)（m3C1）；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(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(qiáng)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(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。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)1MHz）；輸出噪聲低等特點(diǎn)。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(hào)是一個(gè)毫伏級(jí)的信號(hào)，信號(hào)十分微弱，所以，再對(duì)其進(jìn)行處理前，首先要進(jìn)行放大。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)解前級(jí)放大電路的反饋電位器W1來改變其放大倍數(shù)。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。當(dāng)Vi2再次上升使VO2上升并使DD5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)，DD5又截止，D3導(dǎo)通，VC將峰值再次保持。比較器A/DVREF()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(shí)序于控制STARTEOCCLKOED7D0IN7IN0ADDCADDBADDAALEVREF(+)圖210 ADC0809芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖圖211 ADC0809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)。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21）構(gòu)成的4分頻器分頻獲得。（地址總線的A15）作為片選信號(hào)，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所存到輸出緩存器。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(diǎn)：40個(gè)引腳，8K Bytes Flash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。 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(cè)物理量超限由單片機(jī)I/，進(jìn)行必要的定位搜身檢查。圖215 電源電路2．7 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)[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(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。采用中斷方式，可大大節(jié)省CPU時(shí)間。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。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。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?；鶞?zhǔn)電壓存放在21HU 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(dòng)A/D轉(zhuǎn)換。