【正文】 detector 學 生 姓 名專 業(yè)學 號指 導 教 師學 院長春理工大學畢業(yè)設計摘 要本文著重介紹了一種基于AT89S52單片機控制的智能金屬探測儀的硬件組成、軟件設計、工作原理及主要功能。此外，文中還對影響金屬探測儀的靈敏度與穩(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。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。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，隨著社會的不斷發(fā)展，金屬探測器被引入一個新的應用領域—安全檢查，其廣泛運用于民航、公安、緝私和邊防等領域，也就是今天我們所使用的金屬探測器的雛形，它的出現(xiàn)意味著人類對安全的認知已步入了一個新的時代。其實，國內(nèi)金屬探測器產(chǎn)品的研發(fā)、生產(chǎn)和推廣，近幾年已獲得較大進步。同樣在70年代，由于金屬探測門在機場安檢中的嶄露頭角，大型運動會(如奧運會)展覽會及政府重要部門的安全保衛(wèi)工作中開始啟用金屬探測門作為必不可少的安檢儀器。40多年過去了，金屬探測器經(jīng)歷了幾代探測技術的變革，從最初的信號模擬技術到連續(xù)波技術直到今天所使用的數(shù)字脈沖技術，金屬探測器簡單的磁場切割原理被引入多種科學技術成果。根據(jù)電磁感應原理，當有金屬物靠近通電線圈平面附近時，將發(fā)生如下現(xiàn)象和效應[3]；圖11 通電線圈工作示意圖（1）線圈介質(zhì)條件的變化：當金屬物接近通電線圈時，將使通電線圈周圍的磁場發(fā)生變化，如圖11，對于半徑為R的單匝圓形電感線圈，當其中通過交變電流I=Imcosω時，線圈周圍空間產(chǎn)生交變磁場，根據(jù)畢奧一薩伐爾定律可計算出線圈中心軸線上一點的磁感應強度B為[4]： （11）其中，μ=μ0μr ，μ為介質(zhì)的磁導率，μr為相對磁導率，μ0為真空磁導率。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。本設計正是基于這樣的理論，來尋找一種適合的傳感器來感應線圈的磁場變化，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 由公式(12)即： 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]。第2章 硬件電路設計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處于開關工作狀態(tài)，而導通時間又非常短，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： （V） （22）式中RH霍爾常數(shù)（m3C1）；I電流（A）；B磁感應強度（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，頻率高（可達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，再對其進行處理前，首先要進行放大。在電路設計中，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Vi2再次上升使VO2上升并使DD5導通，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，DD5又截止，D3導通，VC將峰值再次保持。比較器A/DVREF()8路模擬開關地址鎖存記譯碼三態(tài)輸出寄存器電阻網(wǎng)絡豎狀開關逐位逼近寄存器SAR時序于控制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，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。（地址總線的A15）作為片選信號，當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：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。 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/，進行必要的定位搜身檢查。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]。當然，△U大小的設定決定著系統(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。采用中斷方式，可大大節(jié)省CPU時間。經(jīng)反復實驗測得的靈敏度△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雜等諸多弊端，因此本設計中采用算術平均濾波法，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。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?；鶞孰妷捍娣旁?1HU EQU 22H。INT1中斷服務程序入口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。