【正文】 .................................................................. 11 軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計 ......................................................................................................... 12 3 軟件模塊設(shè)計 ....................................................................................................................... 14 前端軟件設(shè)計 ................................................................................................................ 14 外圍數(shù)據(jù)處理與顯示模塊設(shè)計 .................................................................................... 17 4 硬件單元電路設(shè)計 ............................................................................................................... 20 振蕩電路設(shè)計 ................................................................................................................ 20 放大電路和脈沖變換電路 ............................................................................................ 21 單片機(jī)系統(tǒng) .................................................................................................................... 22 外圍設(shè)置與顯示系統(tǒng) .................................................................................................... 23 5 實現(xiàn)與性能分析 .................................................................................................................. 25 硬件電路焊接與調(diào)試 .................................................................................................... 25 振蕩電路的焊接與調(diào)試 ......................................................................................... 25 II 放大電路與脈沖轉(zhuǎn)換電路的焊接與調(diào)試 ............................................................. 26 單片機(jī)系統(tǒng)的焊接與調(diào)試 ..................................................................................... 26 外圍數(shù)據(jù)處理與顯示模塊的焊接與調(diào)試 ............................................................. 27 軟件模塊的調(diào)試與集成 ................................................................................................ 29 前端金屬探測模塊的調(diào)試與集成 ......................................................................... 29 外圍數(shù)據(jù)處理與顯示模塊的調(diào)試與集成 ............................................................. 31 系統(tǒng)性能分析 ................................................................................................................ 32 基準(zhǔn)頻率測定方法的優(yōu)缺點分析 ......................................................................... 32 金屬探測的精度 ..................................................................................................... 33 金屬探測的功能測試 ...............................................................錯誤 !未定義書簽。 隨著世界進(jìn)入和平年代，并且逐步進(jìn)入工業(yè)時代，礦業(yè)的飛速發(fā)展，金屬探測器的可實用性受到重視。 ? 脈沖感應(yīng)型 ； ? VLF(very low frequency)連續(xù)波型 ； 主要研究內(nèi)容及成果特色 金屬探測器的工作原理簡單的講就是利用電磁感應(yīng)原理，讓交流電通過電感線圈，產(chǎn)生迅速變化的磁場，該磁場能在被檢測的金屬物體內(nèi)部產(chǎn)生感生渦流 [3]。 5）系統(tǒng)聯(lián)合調(diào)試與參數(shù)測試 完成硬件和軟件的聯(lián)合調(diào)試，以及參數(shù)測量。另一方面，置于該交變磁場中的金屬導(dǎo)體內(nèi)會產(chǎn)生自行閉合的渦電流，渦流要產(chǎn)生附加的磁場 $與外磁場方向相反$會削弱線圈磁場的變化。在此電動勢的作用下，形成了許多旋渦形的電流，這種電流就稱為電渦流。 電渦流式傳感器的原理圖如圖 22所示。模型中把在被測金屬導(dǎo)體上形成的電渦流等效成一個短路環(huán) ， 即假設(shè)電渦流僅分布在環(huán)體之內(nèi) ， 模型中 h由以下公式求得： 圖 23 電渦流傳感器簡化模型 210 )( fuh r???? （ 22） 式中 :f— 根據(jù)簡化模型 ， 可畫出如圖 24 所示等效電路圖。 圖 25 電渦流密度 J與半徑 r的關(guān)系曲線 ③電渦流的最大值在 r=ras ④可以用一個平均半徑為 ras（ ras=（ ri+ra） /2）的短路環(huán)來集中表示分散的電渦流（圖中陰影部分）。此時磁場能量受到損耗 ， 到達(dá) L2的磁通將減弱為Φ′ l， 從而 10 使 L2產(chǎn)生的感應(yīng)電壓 U2下降。首先，兩者在設(shè)計思想上完全不同， 1）高頻振蕩 這一部分是金屬探測的基礎(chǔ)，金屬探測器的原理是：當(dāng)金屬物體置于變化的磁場當(dāng)中時，金屬內(nèi)部就會產(chǎn)生渦流，而渦流所產(chǎn)生的磁場又會影響原磁場。這一部分處理能力的強(qiáng)弱影響這整個系統(tǒng)的性能。 12 圖 28 手持?jǐn)?shù)字金屬探測器硬件設(shè)計框圖 。 軟件模塊是整個系統(tǒng)的靈魂，軟件部分設(shè)計的好壞直接影響到系統(tǒng)的精度、可用性、方便性和智能性。 2）獲取基準(zhǔn)頻率 基準(zhǔn)頻率的獲得至關(guān)重要，因為它一經(jīng)獲得將作為判斷有無金屬的基準(zhǔn)。 15 初 始 化基 準(zhǔn) 頻 率 測 定F _ F R = = 1 ?探 測 當(dāng) 前 頻 率F _ C O M M = = 1 ?調(diào) 用 精 度 設(shè) 置頻 率 比 較F _ C O M P = = 1F _ C O M M = = 1 ?發(fā) 送 頻 率報 警是否是否是否是否 圖 31 前端金屬探測主程序流程圖 16 延 時R 0 = 1 0當(dāng) 前 頻 率 → F獲 得 當(dāng) 前 頻 率 F 1F 1 2 F F 1 + 2F = F 1R 0 1 → R 0R 0 = = 0 ?返 回是否是否 圖 32 基準(zhǔn)頻率測定程序流程圖 3）比較模塊 比較模塊的程序流程圖如圖 43所示 ，比較模塊比較重要，程序通過它它來判斷是否要 發(fā)出警報和發(fā)出什么樣的警報，可以修改傳入給它的參數(shù)來改變金屬探測的精度。鍵盤接受模塊的程序流程圖如圖 45所示。這部分的電路圖如圖 41所示。電路中晶體管的放大倍數(shù)比較大且 C1和 C2的比值小于 ，都有利于起振。 將集成運(yùn)放的輸出端和它的反向輸入端相連就構(gòu)成了電壓跟隨器，由于它的電壓增益為“ 1”所以叫電壓跟隨器，它的特點是輸入阻抗高輸出阻抗低，因此起到隔離的作用，對其后的工作電路如同一個恒壓源，又由于它的輸入阻抗高就相當(dāng)與對前級電路開路，這里引入電壓跟隨器的目的也是為了使振蕩信號的產(chǎn)生和處理分開，使其互不影響。由于本次金屬探測器的設(shè)計，包括前端金屬探測部分和后臺數(shù)據(jù)處理和顯示兩個部分，因此在前斷只需要一個容量不大的單片機(jī)進(jìn)行振蕩頻率的測量 、報警和通信， 2K的 AT89C2051足以滿足需求。 圖 45 陣列鍵盤原理圖 24 2）單片機(jī)系統(tǒng) 單片機(jī)使用的是有 8K容量 FLASH的 AT89S52[11]，由于在這個模塊要引進(jìn)算法對數(shù)據(jù)進(jìn)行再處理，在加上液晶和鍵盤的驅(qū)動程序，所以需要比較大的程序空間，故沒有使用內(nèi)部存儲器小的 AT89S51。在電感測量儀上測量其電感值大約在 500μH 左右，用手使線圈間距邊小，線圈的電感值會相應(yīng)的增大，最后用膠帶紙將線圈纏在一起使它們之間的間距相對固定，這樣電感值保持在 500μH，誤差在 10μH 以內(nèi)。 1）所需器件 萬用 PCB板同前面的電路共用，另加 LM358(內(nèi)置兩個放大器 )一片、 74LS08(內(nèi)置4個與門 )一片、 10μf鋁電解一個、 5K、 500K電阻各一個。簡單的處理就是通過一 TTL門電路， TTL門電 路可以將邏輯運(yùn)算的結(jié)果轉(zhuǎn)換為 TTL電平 (5V)，這里選用的是 74LS08(與門 )，當(dāng)然史密特出發(fā)器，其它的門電路都可以完成這樣的轉(zhuǎn)換。這里采用石英晶振，它有 6MHz、 12MHz、 ，用戶可以根據(jù)需要進(jìn)行選擇，一旦確定，單片機(jī)的主頻就確定，機(jī)器周期為主頻的 1/12。（ AT89C2051的其他參數(shù)和指標(biāo)限于篇幅，不贅述） 4）出現(xiàn)的問題與解決方法 要讓單片機(jī)執(zhí)行程序存儲器內(nèi)的指令，必須使單片機(jī)的 EA/Vpp管腳置為高電平。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。 1602A液晶顯示器的操作時序為： 讀狀態(tài)：輸入： RS=L， RW=H， E=H， 輸出： D0～ D7=狀態(tài)字 寫指令：輸入： RS=L， RW=L， E=高脈沖 H， 輸出：無 讀數(shù)據(jù)：輸入： RS=H， RW=H， E=H， 輸出： D0～ D7=數(shù)據(jù) 寫數(shù)據(jù)：輸入： RS=H， RW=L， E=高脈沖， 輸出：無 1602A的初始化過程為： (1)延時 15ms； (2)寫指令 38H(不檢測忙信號 )； (3)延時 5ms； (4)寫指令 38H(不檢測忙信號 )； (5)延時 5ms； (6)寫指令 38H(不檢測忙信號以后每次讀 /寫操作之前均要檢測忙信號 )； (7)寫指令 38H顯示模式設(shè)置； (8)寫指令 08H顯示關(guān)閉； (9)寫指令 01H顯示清屏； (10)寫指令 6H顯示光標(biāo)移動設(shè)置； (11)寫指令 0CH顯示開及光標(biāo)設(shè)置 液晶顯示器的 VDD和 VO之間接了一個 10K的電位器是用來調(diào)節(jié)對比度用的，在對液晶調(diào)試的過程中應(yīng)盡量使對比度大，也就是使 VO端的輸出端電壓低。但是在一開始調(diào)試液晶的時候，建議將偏壓調(diào)制最小，這樣無論如何它會有所顯示，當(dāng)你將液晶全都驗證好時再將偏壓調(diào)制適中。最后一 個是，看你讀寫的時序和控制字的電平是否嚴(yán)格按照產(chǎn)品說明書
。本次 29 設(shè)計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。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)試鍵盤做準(zhǔn)備。使用 Atmel公司高密度非易失性存儲器技術(shù)制造，與工業(yè) 80C51產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。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硬件復(fù)位。 1）所需器件 AT89C20511個、 30pf陶瓷電容兩個、 12MHz石英晶體振蕩 器 1個用于振蕩電路，按鈕 1個、 10μ f鋁電解 1個、 10K電阻 1個用于復(fù)位電路， 1個蜂鳴器用于聲音報警、 2個發(fā)光二極管用于發(fā)光報警。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