【正文】 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) [14]。因此當(dāng)外加電壓電源電壓一定時(shí)，通過的電流 I 為 一恒值，此時(shí)輸出電壓只與加在霍爾元件上的磁場(chǎng)B 的大小成正比，即： UH=KB(V) （ 24） 此時(shí) K=KHI 為常數(shù)。在測(cè)量磁場(chǎng)時(shí)，將元件的第一腳（面對(duì)標(biāo)志面從左到右）接電源 （工作電壓為 5V），第二腳接地，第三腳接高輸入阻抗（ 10kΩ）電壓表，通電后，將電路放入被測(cè)磁場(chǎng)中，因霍爾元件只對(duì)垂直于霍爾片表面的磁感應(yīng)強(qiáng)度敏感，因而必須讓磁力線垂直于電路表面，當(dāng)沒有磁場(chǎng)（ B=0 G）時(shí)，靜態(tài)輸出電壓是電源電壓的一半（即 VCC/2），當(dāng)外加磁場(chǎng)的南極靠近器件標(biāo)志面時(shí)，會(huì)使輸出電壓高于靜態(tài)輸出電壓；當(dāng)外加磁場(chǎng)的北極靠近器件標(biāo)志面時(shí)，會(huì)使輸出電壓低于靜態(tài)輸出電壓，但仍然是正值。采用阻容耦合的方法可以使前后級(jí)電路的靜態(tài)工作點(diǎn)保持獨(dú)立，隔離各級(jí)靜態(tài)之間的相互影響，使得電路總溫漂不會(huì)太大。 2． 3． 3 A/D 轉(zhuǎn)換電路 由于采集到的信息是連續(xù)變化的模擬量，不能被單片機(jī)直接處理，所以，必須把這些模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量后才能夠輸入到 單 片機(jī)中進(jìn)行處理，這里選用了經(jīng)濟(jì)實(shí)用的 ADC0809 型 A/D 轉(zhuǎn)換器來完成模數(shù)轉(zhuǎn)換。 ADC0809 的模擬輸入范圍：?jiǎn)螛O性 0~5V，設(shè)計(jì)中采用 +5V 單電源供電 [17]?？臻e模式下， CPU 暫停工作 ，而 RAM、定時(shí)計(jì)數(shù)器、串行口及外中斷系統(tǒng)可繼續(xù)工作，掉電模式凍結(jié)振蕩器而保存 RAM 的數(shù)據(jù)，停止芯片其他功能直至外中斷激活或硬件復(fù)位。此后，以該電壓信號(hào)作為基準(zhǔn) 電壓 ，與 A/D 轉(zhuǎn)換器采集到的電壓信號(hào)進(jìn)行比較判斷。然后通過檢測(cè) RAM 中 21H 中數(shù)值的值來判斷是否采集 基準(zhǔn)電壓 Uo，如果未采集過 Uo，則啟動(dòng) ADC0809 對(duì) IN0通道的模擬輸入量進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換。而后再通過判據(jù)算法將此差值 U 與靈敏度 △ U 進(jìn)行比較，以確定是否報(bào)警 [21]。ADC0809 通道 0 地址 △ U EQU 20H。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。 MOV R5， A。 MOV DPTR, 7FF8H。 POP PDL。 R2， R4清零 MOV R2, A。清進(jìn)位標(biāo)志 MOV A,R2。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。 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(bào)警模塊 DISPLAY: SETB ； LCALL DELAY CLR AJAMP DISPLAY ALARM: 長(zhǎng)春理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 24 SETB LCALL DELAY CLR AJAMP ALARM DELAY: MOV R5,FFH。即使最近幾年中還出現(xiàn)過重大的進(jìn)步：模擬探測(cè)器為數(shù)字探測(cè)器所替代以及功能強(qiáng)大的微處理器技術(shù)的采用均為最重要的發(fā)展?？傮w來說，在摸索該如何設(shè)計(jì)電路使之實(shí)現(xiàn)所需功能的過程中，使我學(xué)到了好多知識(shí)，受益匪淺。 最后，向?qū)忛啽疚牡膶＜?、?授致以崇高的敬意！ 。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(yàn)，由此可見作為應(yīng)用于食品檢測(cè)的金屬檢測(cè)器具有極大的市場(chǎng)前景，預(yù)示著在今后幾年內(nèi)將見到其飛速發(fā)展。 4． 2 展望 金屬檢測(cè)器是集電、磁、機(jī)以及控制技術(shù)為一體的檢測(cè)設(shè)備。 RRC A。取 A/D 結(jié)果 SBBB A, R3。累加輸入值 MOV R4,A。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]。再次啟動(dòng) A/D 轉(zhuǎn)換 M OV R7 001。中斷服務(wù)程序入口 INT1: PUSH PSW PUSH A PUSH DPL。 允許外中斷 1 中斷 MOV DPTR,ADPORT。INT1 中斷服務(wù)程序入口 LJMP INT1。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。 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。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。 + 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(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]。 長(zhǎng)春理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 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(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。 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。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。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)。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)，d W I B 圖 26 霍爾效應(yīng)原理 圖 I UH 長(zhǎng)春理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 9 頻率高（可達(dá) 1MHz）；輸出噪聲低等特點(diǎn)。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： dIBRU HH /? （ 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。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]。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]。 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。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]； 長(zhǎng)春理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 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]： tRx IRRx IRrIRdlrRrIdBdBB 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(duì)磁導(dǎo)率， μ0為真空磁導(dǎo)率。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。 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。 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。編號(hào) 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 智能金屬探測(cè)儀的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) Design and implementation of intelligent metal detector 學(xué) 生 姓 名 專 業(yè) 學(xué) 號(hào) 指 導(dǎo) 教 師 學(xué) 院 2020 年 6 月長(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。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)器來對(duì)過往人員進(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 ；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，就連考試也開始啟用金屬探測(cè)器來防止考生利用手機(jī)等工具進(jìn)行作弊 [1]。 1． 2 金屬探測(cè)器的發(fā)展現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì) 全球第一臺(tái)金屬探測(cè)器誕生于 1960 年，最初的金屬探測(cè)器主要應(yīng)用于工礦企業(yè)，其為檢查礦產(chǎn)純度和提高效益的得力幫手。 在 70 年代，隨著航空業(yè)迅速發(fā)展，劫機(jī)和危險(xiǎn)事件的發(fā)生使航空及機(jī)場(chǎng)安全逐漸受到重視，于是在機(jī)場(chǎng)眾多設(shè)備中金屬探測(cè)門扮演著排查違禁物品的重要角色。 1． 3 金屬探測(cè)器理論依據(jù) 金屬探測(cè)器是采用線圈的電磁感應(yīng)原理來探測(cè)金屬的。對(duì)于非鐵磁性的金屬 ， 包括抗磁體 (如 ： 金、銀、銅、鉛、鋅等 )和順磁體 (如錳、鉻、欽等 ) μr ≈ 1， σ 較大，可以認(rèn)為是導(dǎo)電不導(dǎo)磁的物質(zhì)，主要產(chǎn)生渦流效應(yīng)，磁效應(yīng)可忽略不計(jì) ； 對(duì)于鐵磁性金屬 (如 ： 鐵、鉆、鎳 ) μr 很大， σ 也較大，可認(rèn)為是既導(dǎo)電又導(dǎo) 磁物質(zhì)，主要產(chǎn)生磁效應(yīng)，同時(shí)又有渦流效應(yīng) [7]。 當(dāng)檢測(cè)線圈尺寸一定時(shí)，則匝數(shù)越少其靈敏度越高。從多諧振蕩器輸出的正脈沖信號(hào)經(jīng)過電容 C8輸入到 Q1的基極（ Q1為 β≥125的 9013H） ， 使其導(dǎo)通，經(jīng) Q1放大之后，就形成了頻率穩(wěn)定度高、功率較大的脈沖信號(hào)輸入到探測(cè)線圈 L1 中，再線圈內(nèi)產(chǎn)生瞬間較強(qiáng)的電流，從而使線圈周圍產(chǎn)生恒定的交變磁場(chǎng)?；魻栯妶?chǎng)產(chǎn)生的電場(chǎng)力和洛侖茲力相反，它阻礙載流子繼續(xù)堆積，直到霍爾電場(chǎng)力和洛侖茲力相等 [11]。它的靈敏度典型值為，靜態(tài)輸出電壓為 ，輸出電阻為 ， miniSIP