【正文】 .... 39 附錄 三 外圍金屬探測(cè)精度設(shè)置源程序 .................................................................................. 44 3 1 緒論 研究背景 與研究意義 金屬探測(cè)器，顧名思義就是用來(lái)檢測(cè)金屬的儀器，在現(xiàn)今社會(huì)中有大量的需求和使用，例如礦業(yè)。二戰(zhàn)期間，為了避免地雷對(duì)部隊(duì)的打擊，科學(xué)家就已經(jīng)有研制出金屬探測(cè)器的雛形 —— 差拍式金屬探測(cè)器 。 航空業(yè)，航海業(yè)在 7080年代的興起，以及 80年代末電子時(shí)代的來(lái)臨，金屬探測(cè)器也開(kāi)始大展身手。 主要應(yīng)用場(chǎng)所 金屬探測(cè)器 基本 分為四種類型： 1） 生活型金屬探測(cè)器 2） 軍用型金屬探測(cè)器 3） 工業(yè)型金屬探測(cè)器 4） 安全型金屬探測(cè)器 研究現(xiàn)狀 金屬探測(cè)器按其功能和市場(chǎng)應(yīng)用的不同可分為以下幾種： ? 通道式金屬探測(cè)器； ? 手持式金屬探測(cè)器； ? 便攜式金屬探測(cè)器； ? 臺(tái)式金屬探測(cè)器； ? 工業(yè)用金屬探測(cè)器； 4 ? 水下金屬探測(cè)器。 主要研究?jī)?nèi)容 本課題主要有下列問(wèn)題需要解決： 1）原理分析 收集金屬探測(cè)器原理和產(chǎn)品的資料，進(jìn)行金屬探測(cè)器資料整理和分析利用。 3）完成硬件方案的設(shè)計(jì)制作 硬件設(shè)計(jì)包括： LC 振蕩器、放大器、濾波器、中斷計(jì)時(shí)、單片機(jī)電路、輸出電路（報(bào)警或顯示）六部分組成。該課題涉及傳感器技術(shù)、通訊技術(shù)、單片機(jī)和 C語(yǔ)言編程等，具有一定的綜合性和復(fù)雜性。 當(dāng)線圈有效探測(cè)范圍內(nèi)出現(xiàn)鐵磁性金屬物時(shí)，由于鐵磁性金屬的相對(duì)磁導(dǎo)率1?r? ，所以，磁感應(yīng)強(qiáng)度 B 也會(huì)隨 r? 的增大而增大。 通過(guò)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(wú)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。電渦流的形成：現(xiàn)假設(shè)有一線圈中的鐵心是由整塊鐵磁材料制成的，此鐵心可以看成是由許多與磁通相垂直的閉合細(xì)絲所組成，因而形成了許多閉合的回路。 當(dāng)線圈中通過(guò)高頻電流 i時(shí)，線圈周圍產(chǎn)生高頻磁場(chǎng)，該磁場(chǎng) 作用于金屬體，但由于趨膚效應(yīng)，不能透過(guò)具有一定厚度的金屬體，而僅作用于金屬表面的薄層內(nèi)。線圈的阻抗可以用如下的函數(shù)式表示： Z=F（ ρ、 u、 i、 f、 d）。根據(jù)愣次定律 ， H2 的作用將反抗原磁場(chǎng) H1， 導(dǎo)致傳感器線圈的等效阻抗發(fā)生變化。通過(guò)與傳感器配用的測(cè)量電路測(cè)出阻抗 Z的變化量 ， 即可實(shí)現(xiàn)對(duì)該參數(shù)的測(cè)量。 等效阻抗 Z的表達(dá)式為： ])([)( 222222212222221112 LwLRMwLjwRwLR MwRIUZ ?????????eqeq jwLR ?? （ 24） Req—— 線圈受電渦流影響后的等效電阻 ； Leq—— 線圈的等效品質(zhì)因數(shù) Q 值為 Q=eqeqRwL 綜上所述 ， 根據(jù)電渦流式傳感器的簡(jiǎn)化模型和等效電路 ， 運(yùn)用電路分析的基本方法得到的方程式 ， 即為電渦流基本特性。 Jr 為半徑 r 處的金屬導(dǎo)體表面電渦流密度。根據(jù)線圈 — 導(dǎo)體系統(tǒng)的電磁作用 ， 可以得到金屬導(dǎo)體表面的電渦流強(qiáng)度中 : I1—— 線圈激勵(lì)電流； I2—— 金屬導(dǎo)體中等效電流； x—— 線圈到金屬導(dǎo)體表面距離； ras—— 線圈外徑。當(dāng)在 L1上加低頻電壓 U1 時(shí) ，則 L1上產(chǎn)生交變磁通Φ 1， 若兩線圈間無(wú)金屬板 ， 則交變磁場(chǎng)直接耦合至 L2中 ， L2產(chǎn)生感應(yīng)電壓 U2。因此 ，可根據(jù) U2 電壓的大小得知被測(cè)金屬板的厚度 ， 透射式渦流厚度傳感器檢測(cè)范圍可達(dá)1～ 100mm， 分辨率為 m， 線性度為 1%?？梢钥闯鏊伤牟糠纸M成：高頻振蕩、信號(hào)放大、脈沖轉(zhuǎn)換和信號(hào)的處理與報(bào)警，下面簡(jiǎn)單論述以下各個(gè)模塊的功能。其次，在遇見(jiàn)金屬后由于金屬內(nèi)部渦流的存在，它的磁場(chǎng)會(huì)影響原有磁場(chǎng)，使原有振蕩電路的振幅和周期都發(fā)生改變。 4）信號(hào)處理與報(bào)警 這一部分是整個(gè)電路的大腦，所有的電路都是為它服務(wù)，這一部分也是整個(gè)探測(cè)器實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化或其他功能的橋梁。 高 頻 振 蕩 信 號(hào) 放 大 脈 沖 轉(zhuǎn) 換信 號(hào) 處 理 與 報(bào)警電 源 圖 27 手持?jǐn)?shù)字金屬探測(cè)器原理 框圖 系統(tǒng)設(shè)計(jì) 總體設(shè)計(jì)將影響整個(gè)項(xiàng)目的實(shí)現(xiàn)，對(duì)整個(gè)項(xiàng)目的開(kāi)發(fā)起著指導(dǎo)性的作用，因此總體設(shè)計(jì)的好壞影響深遠(yuǎn)，這里的軟硬件方案都是經(jīng)過(guò)再三的比較與分析才確定的，硬件和軟件兩個(gè)互相影響，協(xié)同工作實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的基本功能。它設(shè)計(jì)的好壞決定著系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可擴(kuò)展性。它分析判斷前面功能電路傳過(guò)來(lái)的頻率信號(hào)對(duì)它進(jìn)行分析判斷最后決定是否發(fā)出檢測(cè)到金屬的警報(bào)。 圖 210 外圍數(shù)據(jù)處理與顯示軟件結(jié)構(gòu)圖 外圍數(shù)據(jù)處理與顯示 液 晶 顯 示 鍵 盤(pán) 接 收 按 鍵 處 理 通 訊 精度設(shè) 置 建立連 接 14 3 軟件設(shè)計(jì) 硬件電路要完成的任務(wù)是，產(chǎn)生振蕩，并將波形變換為能夠被單片機(jī)處理的方波，接下來(lái)進(jìn)行頻率測(cè)定、報(bào)警、通訊等都要用程序?qū)崿F(xiàn)最后燒入單片機(jī)。金屬探測(cè)器中的程序分為兩個(gè)部分，前端軟件模塊和外圍數(shù)據(jù)處理與顯示模塊，前端軟件完成的是一些比較基礎(chǔ)的工作，如振蕩頻率的檢測(cè)，比較，報(bào)警等，它與底層的硬件關(guān)系比較密切所以采用匯編語(yǔ)言進(jìn)行編寫(xiě)，而外圍數(shù)據(jù)處理與顯示模塊是進(jìn)行數(shù)據(jù)的再處理的，是更高一層的分析與判斷，它直接處理由前端模塊傳過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)，對(duì)其進(jìn)行處理顯示。程序中所使用的頻率不論是基準(zhǔn)頻率還是新探測(cè)的頻率，都是 50ms內(nèi)所獲得的脈沖數(shù)?；鶞?zhǔn)頻率的獲得是按照如下方法獲得的，如圖 42所示。 F1：新獲取的頻率。 17 ( 4 0 , 4 1 H ) + P R I S E H → ( 4 4 , 4 5 H )( 4 2 , 4 3 H ) + P R I S E L → ( 4 6 , 4 7 H )( 4 4 , 4 5 H ) ( 4 2 , 4 3 H ) ?( 4 4 , 4 5 H ) ( 4 6 , 4 7 H ) ?F _ C O M P = 0返 回F _ C O M P = 1否是否是 圖 33 頻率比較程序流程圖（有起始框，不規(guī)范） S E T = = 0 ?A D D = = 0 ?D E C = = 0 ?返 回P R I S E N + 4 → P R I S E HP R I S E L + 1 → P R I S E LP R I S E N + 4 → P R I S E HP R I S E L + 1 → P R I S E LA D D = = 0 ?D E C = = 0 ?否否否否是是是是是 圖 34 精度設(shè)置程序流程圖 外圍數(shù)據(jù)處理與顯示模塊設(shè)計(jì) 1）液晶顯示 液晶顯示模塊是嚴(yán)格按照產(chǎn)品操作的時(shí)序圖編寫(xiě)的驅(qū)動(dòng)函數(shù)，共分為兩大類函數(shù)，指令的讀寫(xiě)和數(shù)據(jù)的讀寫(xiě)，只要將操作位和數(shù)據(jù)位按照時(shí)序嚴(yán)格的結(jié)合在一起就可以完成數(shù)據(jù)的顯示。由于鍵盤(pán)普遍存在抖動(dòng)現(xiàn)象，如果抖動(dòng)現(xiàn)象處理不好，會(huì)發(fā)生意想不到的結(jié)果。同時(shí)鍵盤(pán)處理模塊也展現(xiàn)出了系統(tǒng)提供給用戶的所有功能。這一部分的設(shè)計(jì)直接與實(shí)現(xiàn)緊密聯(lián)系，器件參數(shù)的確定，電路板的焊接與調(diào)試，以及到最后的性能分析，都要用到這一部分的設(shè)計(jì)結(jié)果，因此這一部分的設(shè)計(jì)最有實(shí)際價(jià)值。因此諧振回路中電容 CC2和電感 L的取值分別為 、 、 500μh。組裝調(diào)試后振蕩電路的實(shí)際頻率為 33KHz滿足我們的要求 。電容三點(diǎn)式振蕩電路的頻率為 ： 21 ccccf Lf 21210 /2 1 ??? ? (31) 使用諧振回路中的電感線圈進(jìn)行金屬探測(cè)，當(dāng)遇見(jiàn)金屬是電感 L1 的 Q 值將發(fā)生變化，由電容三點(diǎn)式振蕩電路的頻率計(jì)算公式可以看出，電感增加時(shí)諧振頻率減小，電感減小時(shí)諧振頻率增加。從振蕩回路傳過(guò)來(lái)的正弦波信號(hào)經(jīng)過(guò)電壓跟隨器傳送到差分放大電路針對(duì)其交流信號(hào)進(jìn)行放大，放大后產(chǎn)生的電壓信號(hào)送給 TTL門(mén)電路對(duì)其進(jìn)行整形以產(chǎn)生規(guī)則的脈沖波送入單片機(jī)。 門(mén)電路選用的是 74LS08(與門(mén) )，用史密特觸發(fā)器替換也可以，它對(duì)輸入的梯形波進(jìn)行邏輯運(yùn)算在以 TTL電平出運(yùn)算結(jié)果，因此可以將梯形波轉(zhuǎn)換成適合于單片機(jī)進(jìn)行處理的脈沖波。 2）蜂鳴器 在給蜂鳴器的正極和負(fù)極分別通上高電平和低電平時(shí)蜂鳴器就會(huì)發(fā)聲，因此你可以通過(guò)給蜂鳴器不同頻率的電平來(lái)使它發(fā)出不同的聲音。再根據(jù)頻率的變化激活相應(yīng)的發(fā)光二極管和峰鳴器進(jìn)行報(bào)警。例如給 P1的低 5位的電平信號(hào)為 11000，假如現(xiàn)在第 2個(gè)按鈕按下則此時(shí)的管腳電平信號(hào)為 01000，所以判斷為第一行。 首先需要準(zhǔn)備器件，一次是絕對(duì)不會(huì)準(zhǔn)備好所有的器件的，因?yàn)樵谡{(diào)試時(shí)時(shí)常會(huì)發(fā)生與預(yù)想的結(jié)果不一致的情況，或許在這個(gè)階段還要進(jìn)行方案的局部修改。 振蕩電路的焊接與調(diào)試 1）所需器件 面包板一個(gè)、三極管 (CS9014)一個(gè)、 10μf 耦合電容兩個(gè)、 47μf 旁路電容一個(gè)、諧振電容 和 各一個(gè)、自繞電感線圈一只、 33K、 20K、 、 2K 電阻各一個(gè)。振蕩電路的起振都沒(méi)有問(wèn)題，可以產(chǎn)生幅值越為 、頻率接近 33KHz的正弦波。 這個(gè)問(wèn)題是在信號(hào)放大部分采用隔直流 方法解決的。由于上面出現(xiàn)的電壓不穩(wěn)定問(wèn)題，因此這里的放大電路只對(duì)信號(hào)的交流分量進(jìn)行無(wú)窮放大。信經(jīng)此放大電路后變換為與前面正弦波頻率相等的梯形波幅值為 ，如圖 31。轉(zhuǎn)換的結(jié)果如圖 53所示 。 1）所需器件 AT89C20511個(gè)、 30pf陶瓷電容兩個(gè)、 12MHz石英晶體振蕩 器 1個(gè)用于振蕩電路，按鈕 1個(gè)、 10μ f鋁電解 1個(gè)、 10K電阻 1個(gè)用于復(fù)位電路， 1個(gè)蜂鳴器用于聲音報(bào)警、 2個(gè)發(fā)光二極管用于發(fā)光報(bào)警。單片機(jī)系統(tǒng)的測(cè)試與其它電路的測(cè)試不同，需寫(xiě)一段小的測(cè)試程序，編譯后燒寫(xiě)到單片機(jī)的程序存儲(chǔ)器中，看其運(yùn)行情況，這里做了一個(gè)小小的燈光閃爍程序。掉電方式保存 RAM的內(nèi)容，但振蕩器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一個(gè)硬件復(fù)位。最終才發(fā)現(xiàn)上由于該管腳沒(méi)有接高電平。使用 Atmel公司高密度非易失性存儲(chǔ)器技術(shù)制造，與工業(yè) 80C51產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。另外， AT89S52可降 28 至 0Hz靜態(tài)邏輯操作，支持 2種軟件可選擇節(jié)電模式。在保證單片機(jī)系統(tǒng)正常運(yùn)行后首先調(diào)試的是液晶，這樣是為了調(diào)試鍵盤(pán)做準(zhǔn)備。最后液晶顯示器的初試化也很重要，應(yīng)按照 datasheet上面所給的初始化順序和延時(shí)時(shí)間來(lái)嚴(yán)格進(jìn)行，如有不慎，也會(huì)出現(xiàn)半邊黑屏的情況。本次 29 設(shè)計(jì)采用的是軟件的方法，將在軟件調(diào)試中進(jìn)行詳細(xì)的論述。檢查電路后發(fā)現(xiàn)，原來(lái)是將 P0_9接為 P0_10，由于 P0_10是管腳 EA/VPP它是接電源的，也就是說(shuō)給液晶顯示器第 8位數(shù)據(jù)管腳的電平時(shí)刻為高，這樣在你將要顯示的字符送給液晶顯示器時(shí)，這個(gè)字符很可能就不是 ASCII字符，所以無(wú)法顯示出現(xiàn)黑屏。最后一 個(gè)是，看你讀寫(xiě)的時(shí)序和控制字的電平是否嚴(yán)格按照產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)
。其次，如果出現(xiàn)黑屏你應(yīng)該檢查三點(diǎn)兩點(diǎn)，一個(gè)是液晶顯示器的初始化，看初始化指令字調(diào)用的順序?qū)Σ粚?duì)，中間必要的延時(shí)加沒(méi)加。但是在一開(kāi)始調(diào)試液晶的時(shí)候，建議將偏壓調(diào)制最小，這樣無(wú)論如何它會(huì)有所顯示，當(dāng)你將液晶全都驗(yàn)證好時(shí)再將偏壓調(diào)制適中。一遇到鍵盤(pán)都會(huì)涉及到鍵盤(pán)的防抖動(dòng)問(wèn)題，鍵盤(pán)的防抖動(dòng)有兩種方法：一種是硬件方法，那就是在硬件電路里加延時(shí)來(lái)去掉抖動(dòng)。 1602A液晶顯示器的操作時(shí)序?yàn)椋? 讀狀態(tài)：輸入： RS=L， RW=H， E=H， 輸出： D0～ D7=狀態(tài)字 寫(xiě)指令：輸入： RS=L， RW=L， E=高脈沖 H， 輸出：無(wú) 讀數(shù)據(jù)：輸入： RS=H， RW=H， E=H， 輸出： D0～ D7=數(shù)據(jù) 寫(xiě)數(shù)據(jù)：輸入： RS=H， RW=L， E=高脈沖， 輸出：無(wú) 1602A的初始化過(guò)程為： (1)延時(shí) 15ms； (2)寫(xiě)指令 38H(不檢測(cè)忙信號(hào) )； (3)延時(shí) 5ms； (4)寫(xiě)指令 38H(不檢測(cè)忙信號(hào) )； (5)延時(shí) 5ms； (6)寫(xiě)指令 38H(不檢測(cè)忙信號(hào)以后每次讀 /寫(xiě)操作之前均要檢測(cè)忙信號(hào) )； (7)寫(xiě)指令 38H顯示模式設(shè)置； (8)寫(xiě)指令 08H顯示關(guān)閉； (9)寫(xiě)指令 01H顯示清屏； (10)寫(xiě)指令 6H顯示光標(biāo)移動(dòng)設(shè)置； (11)寫(xiě)指令 0CH顯示開(kāi)及光標(biāo)設(shè)置 液晶顯示器的 VDD和 VO之間接了一個(gè) 10K的電位器是用來(lái)調(diào)節(jié)對(duì)比度用的，在對(duì)液晶調(diào)試的過(guò)程中應(yīng)盡量使對(duì)比度大，也就是使 VO端的輸出端電壓低。掉電保護(hù)方式下， RAM內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機(jī)一切工作停止，直到下一個(gè)中斷或硬件復(fù)位為止。在單芯片上，擁有靈巧的 8位 CPU和在系統(tǒng)可編程 Flash，使得 AT89S52為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。 外圍數(shù)據(jù)處理與顯示模塊的焊接與調(diào)試 1）所需器件 單片機(jī)系統(tǒng)與前面焊接的單片機(jī)系統(tǒng)一樣，只不過(guò)這里的 CPU用的是 AT89S52，另外還需要型號(hào)為 SMC1602A，容量為 16 2個(gè)字符的液晶顯示器，和用于輸入用戶需求的 2 3按鍵陣列。（ AT89C205