【正文】 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(méi)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(jiàn)表 21，引腳圖見(jiàn)圖 211 構(gòu)成的 4 分頻器分頻獲得。 ADC0809 芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作時(shí)序示于圖 28 和圖 29。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 D D5 可靠截止， Vc 值得以保持。 [5] 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(lái)。如圖 24 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。 [4] 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。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)。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。霍爾電壓 UH 可用下式表示： UH RHIB/d V （ 22） 式中 RH霍爾常數(shù) m3cˉ 1， ； 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 vAˉ 1wbˉ 1m2 ，則得到 UH KHIB V 23 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。如圖 26 所示， 圖 26 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 27 中的 UH, 這種現(xiàn)象就是霍爾效應(yīng)。 集電路 圖 23 數(shù)據(jù)采集電路 1． 線性霍爾傳感器 linaer HallEeffct Sensors 在電路設(shè)計(jì)中，選用了美國(guó) ALELGRO 公司生產(chǎn)的 UGN3503U 線性霍爾傳感器，來(lái)檢測(cè)通電線圈 Ll 周圍的磁場(chǎng)變化。 圖 21 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 硬件電路 功能描述 蕩電路 圖 22 線圈振蕩電路原理圖 工作過(guò)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)。 本設(shè)計(jì)正是基于這樣的理論，來(lái)尋找一種適合的傳感器來(lái)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。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)。 [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： 12 由公式 12 可知，當(dāng)線圈有效探測(cè)范圍內(nèi)無(wú)金屬物時(shí)，μ r 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)，μ r 會(huì)變大， B 隨之也會(huì)變大。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。 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 。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。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(lái)對(duì)過(guò)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 。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。畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）基于單片機(jī)的金屬探測(cè)器的設(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。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 。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，國(guó)外雖然已有較為完善的系列產(chǎn)品 如 EIPaso、 CeiaUSA、 Rangeramp。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 。 第 1 章 分析探測(cè)金屬的理論依據(jù) 理論描述 金屬探測(cè)器是采用線圈的電磁感應(yīng)原理來(lái)探測(cè)金屬的。 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)。 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。正是本著這樣一個(gè)設(shè)計(jì)思路來(lái)構(gòu)建系統(tǒng)的硬件電路。振蕩器的頻率計(jì)算公式為： 21 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。 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)。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)。 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)。 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。用它作探頭可測(cè)量， 10ˉ 610T 的交變和恒定磁場(chǎng)。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。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(guò)調(diào)節(jié)前級(jí)放大電路的反饋電位器 Wl 來(lái)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(lái)。當(dāng) Vi2 再次上升使 Vo2 上升并使 D 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)， D D5 又截止， D3 導(dǎo)通， Vc將峰值再次保持。 圖 28 ADC0809 芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu) 圖 29 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 100μ s 即 10 千次 /秒 。 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。 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。此外， AT89S52 設(shè)計(jì)和配置了振蕩頻率可為 0HZ 并可通過(guò)軟件設(shè)置省電模式。操作人員可以通過(guò)鍵盤輸入數(shù)據(jù)或命 令，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的人 機(jī)通信。 圖 214 鍵盤控制電路 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（ ）） 圖 215 顯示電路 圖 216 報(bào)警電路 路 電路如圖 217 所 示，電源供電由 9V 電池和板內(nèi)穩(wěn)壓電源組成。 在無(wú)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(guò)放大電路放大，再通過(guò)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(lái)。若|UxU0| △ U，就確定為探測(cè)到金屬， CUP 輸出口 輸出信號(hào)驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管發(fā)光報(bào)警，同時(shí) 控制蜂鳴器發(fā)出聲響，進(jìn)行聲音報(bào)警。 主程序初始化以后置位 AT89S52 的中斷控制位 EA，使 CPU 開放中斷。 [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)。在檢測(cè)過(guò)程中，將 A/D 轉(zhuǎn)換器采集到的