【正文】 阻 ， 其表達(dá)式為： 8 inrrhR ln22 ??? （ 23） 圖 24 電渦流傳感器等效電路 根據(jù)基爾霍夫第二定律 ， 可列出如下方程： R1 1?I +jω L11?I jω L2 2?I = 1?U 式中 :ω —— 線圈激磁電流角頻率 ； R L1—— 線圈電阻和電感 ； L2—— 短路環(huán)等效電感 ； R2—— 短路環(huán)等效電阻。 圖 22 傳感器的原理圖 該圖由傳感器線圈和被測(cè)導(dǎo)體組成線圈 — 7 根據(jù)法拉第定律 ， 當(dāng)傳感器線圈通以正弦交變電流 I1 時(shí) ， 線圈周圍空間必然產(chǎn)生正弦交變磁場(chǎng) H1， 使置于此磁場(chǎng)中的金屬導(dǎo)體中感應(yīng)電渦流 I2， I2 又產(chǎn)生新的交變磁場(chǎng) H2。電渦流傳感器的工作原理如圖 22所示 。金屬的電導(dǎo)率 ? 越大，線圈中通過(guò)的交變電流的頻率 ? 越大，則渦電流強(qiáng)度就越大，對(duì)原磁場(chǎng)的抑制作用越強(qiáng)。 成果特色 該課題的關(guān)鍵技術(shù)在于信號(hào)的檢測(cè)、傳輸和軟件的識(shí)別，以及實(shí)現(xiàn)方法的討論。渦流反過(guò)來(lái)有影響原來(lái)的磁場(chǎng)，引發(fā)探測(cè)器報(bào)警。第一臺(tái)工業(yè)用金屬探測(cè)器在上世紀(jì) 60年代誕生。 致謝 ............................................................................................................錯(cuò)誤 !未定義書簽。 本文完成 了系統(tǒng)總體框架的 設(shè)計(jì)， 完成了硬件和軟件的設(shè)計(jì)和聯(lián)合調(diào)試。 教研室審查意見： 教研室主任（簽名）： 年 月 日 單片機(jī)管線探測(cè)器設(shè)計(jì)與制作 摘 要 金屬探測(cè)器是專門用來(lái)探測(cè)金屬的儀器，廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)、安檢、娛樂(lè)等領(lǐng)域。 。如“ 20xx 年 3月 15 日”或“ 20xx0315”。 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論 文）任 務(wù) 書 1．本畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）課題應(yīng)達(dá)到的目的： 單片機(jī) 管線探測(cè)器設(shè)計(jì)與制作 題目，是為現(xiàn)代家居裝修改水改電做原線路參考而設(shè)立的。 20xx 年 10月 21 至 11月 03 日 1. 學(xué)習(xí)單片機(jī)原理與應(yīng)用、 C51 軟件，復(fù)習(xí)如 PROTEUS 等電路圖繪制軟件。采用新的原理，設(shè)計(jì)一個(gè)基于單片機(jī)的手持金屬探測(cè)器，利用其檢測(cè)人們隨身攜帶的金屬物品，如小刀、鋼筆，甚至可以檢測(cè)到香煙盒的鋁薄。 實(shí)驗(yàn)證明原理的應(yīng) 用，探測(cè)器的設(shè)計(jì)和制作是成功的，硬件線路設(shè)計(jì)和加工完好，軟件編制正確，完成了操作功能。 參考文獻(xiàn) .................................................................................................................................. 34 附錄 一 防抖動(dòng)鍵盤處理源程序 .............................................................................................. 36 附錄 二 前端金屬探測(cè)部分源程序 .......................................................................................... 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)。 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)器也開始大展身手。 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。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。 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。 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)。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。 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。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。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%。其次，在遇見金屬后由于金屬內(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。 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)。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，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?；鶞?zhǔn)頻率的獲得是按照如下方法獲得的，如圖 42所示。 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)序圖編寫的驅(qū)動(dòng)函數(shù)，共分為兩大類函數(shù)，指令的讀寫和數(shù)據(jù)的讀寫，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。同時(shí)鍵盤處理模塊也展現(xiàn)出了系統(tǒng)提供給用戶的所有功能。因此諧振回路中電容 CC2和電感 L的取值分別為 、 、 500μh。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。 門電路選用的是 74LS08(與門 )，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。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。 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。振蕩電路的起振都沒有問(wèn)題，可以產(chǎn)生幅值越為 、頻率接近 33KHz的正弦波。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。轉(zhuǎn)換的結(jié)果如圖 53所示 。單片機(jī)系統(tǒng)的測(cè)試與其它電路的測(cè)試不同，需寫一段小的測(cè)試程序，編譯后燒寫到單片機(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。最終才發(fā)現(xiàn)上由于該管腳沒有接高電平。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。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。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。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)加沒加。一遇到鍵盤都會(huì)涉及到鍵盤的防抖動(dòng)問(wèn)題，鍵盤的防抖動(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)。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。 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。同時(shí)， AT89C2051可降至 0HZ的靜 態(tài)邏輯操作，并支持兩種軟件可選的節(jié)電工作模式。比如在沒有碰到金屬時(shí)發(fā)出警報(bào)。這樣可以使同向與反向之間要進(jìn)行差分放大的部分保持相對(duì)不變。 將 C1()、 C2()的兩個(gè)諧振電容進(jìn)行調(diào)換以后，正弦波的幅值明顯增加，增為 ，頻率不變。然而這個(gè)階段也是最鍛煉人的階段，這一部分的經(jīng)歷最深刻最有意思。 1）鍵盤輸入 鍵盤采用的是 2 3的按鍵陣列，如圖 45所示。 圖 43 波形轉(zhuǎn)換 單片機(jī)系統(tǒng) 圖 44就是單片機(jī)處理系統(tǒng)，將頻率探測(cè)、報(bào)警和通訊幾個(gè)模塊程序組合起來(lái)燒寫進(jìn)去，它就會(huì)按你事先編寫好的步驟進(jìn)行工作。 放大電路和脈沖變換電路 放大電路和脈沖產(chǎn)生電路合起來(lái)產(chǎn)生一定頻率的脈沖供單片機(jī)進(jìn)行處理。偶合電容選用兩個(gè) 10μf的獨(dú)石電容，旁路電容 Cb3選用 47μf的鋁電解電容。 O N / O F F 按 下 ？S E T 按 下 ？A D D 按 下 ？D E C 按 下 ？O K 按 下 ？C A N C E L 按 下 ？F _ S E T = = 1 ？F _ S E T = = 1 ？F _ S E T = = 1 ？F _ S E T = = 1 ？F _ O K = = 1 ？F _ S E T = ~ F _ S E Tn _ p l u s + +n _ p l u s 發(fā) 送 設(shè) 置 結(jié) 果n _ p l u s = 0返 回F _ S T A R T = ~ F _ S T A R T建 立 連 接F _ S E T = 0n _ p l u s = 0否否否否否否 否否否否否是是是是是是是是是是是 圖 35 鍵盤接受處理程序流程圖 19 S E T = 0F _ O K = = 1 ?延 時(shí)F _ O K = 0n _ p l u s 0 ？n _ p l u s 0 ?S E T = 1延 時(shí)F _ O K = = 1 ?F _ O K = 0設(shè) 置 成 功返 回設(shè) 置 失 敗在 A D D 口