【文章內(nèi)容簡介】 C CU 5 AU 5 BL S 2B U Z Z E RV C CR751KR682KD2L E DV C CV C CY112 M H zC230 P FC330 P FC410 μ FR551KD1L E DV C C+ 5V2Vm1GND3U9L M 78 05 C K+ 9VB T 1+ 9VC 1210 μ FV C CT R I G2Q3R4C V ol t5T H R6D I S7VCC8GND1V C C V C CR 102KR 112KR 1218KR 13675R 14 KR 15200C7 1μ F C 11 1μ FC9 1μ FC 101μ FC8 1μ FQ190 1 3HR 16200L1I N D U C T O R 1 圖 22 基于單片機控制的智能型金屬探測器原理圖 2． 3 硬件電路功能描述 （ 1）線圈振蕩電路 T R I G2Q3R4C V ol t5T H R6D IS7VCC8GND1V C C V C CR 1 02KR 1 12KR 1 218KR 1 3675R 1 4 KR 1 5200C7 1μ F C 1 1 1μ FC9 1μ FC 1 01μ FC8 1μ FQ190 1 3HR 1 6200L1I N D U C T O R 1 圖 23 線圈振蕩電路原理圖 工作過程中，由 555 定時器構(gòu)成一個多諧振蕩器，產(chǎn)生一頻率為 24KHz、占空比為 2/3 的脈沖信號。振蕩器的頻率計算公式為 [12]： 長春理工大學畢業(yè)設計 7 2ln)2( 1 111110 CRRf ?? （ 21） 圖示參數(shù)對應的頻率為 24KHz 的超長波頻率是為了減弱土壤對電磁波的影響。從多諧振蕩器輸出的正脈沖信號經(jīng)過電容 C8輸入到 Q1的基極（ Q1為 β≥125的 9013H） ， 使其導通，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輸入到探測線圈 L1 中，再線圈內(nèi)產(chǎn)生瞬間較強的電流，從而使線圈周圍產(chǎn)生恒定的交變磁場。由于在脈沖信號作用下， Q1處于開關工作狀態(tài)，而導通時間又非常短，所以非常省電，可以利用 9V 電池供電 [13]。 2． 3． 1 線性霍爾傳 感器 在電路設計中，選用了美國 ALLEGRO 公司生產(chǎn)的 UGN3503U 線性霍爾傳感器，來檢測通電線圈 L1 周圍的磁場變化。 UGN3503U 線性霍爾傳感器的主要功能是可將感應到的磁場強度信號線性地轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?[14]。他的功能框圖和輸出特性示于圖 24 和圖 25。 圖 24 UGN3503U 的功能框圖 圖 25 UGN3503U 的磁電轉(zhuǎn)換特性曲線 霍爾元件是依據(jù)霍爾效應制成的器件。如圖 26 所示，在一塊半導體薄片上兩端通一電流 I， 并加上和片子表面垂直的磁場 B， 在薄片的橫向兩側(cè) 會出現(xiàn)一個電壓，如圖 26 中的 UH， 這種現(xiàn)象就是霍爾效應。 長春理工大學畢業(yè)設計 8 這種現(xiàn)象的產(chǎn)生，是因為通電半導體片中的載流子在磁場產(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，因而形成一個電場，稱作霍爾電場?；魻栯妶霎a(chǎn)生的電場力和洛侖茲力相反，它阻礙載流子繼續(xù)堆積，直到霍爾電場力和洛侖茲力相等 [11]。這時，片子兩側(cè)建立起一個穩(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磁感應強度（ 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 和磁感應強度 B。 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。因此當外加電壓電源電壓一定時，通過的電流 I 為 一恒值，此時輸出電壓只與加在霍爾元件上的磁場B 的大小成正比，即： UH=KB(V) （ 24） 此時 K=KHI 為常數(shù)。因此，任何引起磁場強度變化的物理量都將引起霍爾輸出電壓的變化。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)的適當位置，用它去檢測工作磁場，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。 本設計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體基片上，為用戶提供了一個由外電源驅(qū)動、使用方便的磁敏傳感器。該器件的磁電轉(zhuǎn)換特性曲線如圖 25 所示，其輸出電壓和加在霍爾元件上的磁感強度 B 成比例。它的靈敏度典型值為，靜態(tài)輸出電壓為 ，輸出電阻為 ， miniSIP 封裝。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，功耗小，壽命長，d W I B 圖 26 霍爾效應原理 圖 I UH 長春理工大學畢業(yè)設計 9 頻率高（可達 1MHz）；輸出噪聲低等特點。用它做探頭可測量 106— 10T 的交變和恒定磁場。在測量磁場時，將元件的第一腳（面對標志面從左到右）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，將電路放入被測磁場中，因霍爾元件只對垂直于霍爾片表面的磁感應強度敏感，因而必須讓磁力線垂直于電路表面，當沒有磁場（ B=0 G）時，靜態(tài)輸出電壓是電源電壓的一半（即 VCC/2），當外加磁場的南極靠近器件標志面時，會使輸出電壓高于靜態(tài)輸出電壓；當外加磁場的北極靠近器件標志面時，會使輸出電壓低于靜態(tài)輸出電壓，但仍然是正值。利用線性霍爾傳感器 UGN3503U 的上述特性，將其接在數(shù)據(jù)采集電路的前端，并固定在探測線圈 L1的中心，即可感應線圈 L1的磁場變化，并將磁場的變化信號轉(zhuǎn)化為電壓信號的變化而被后級電路時區(qū)和放大[15]。 2． 3． 2 放大和峰值檢波電路 由于 UGN3503U 線性霍爾元件采集到的電壓信號是一個毫伏級的信號，信號十分微弱，所以，再對其進行處理前，首先要進行放大。在設計中，信號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算放大器 LM324， LM324是四運放集成電路，它采用 14 引腳雙列直插塑料封裝，外形和引腳排列如圖所示。它的內(nèi)部包含四組形式完全相同的運算放大器，除電源共用，四組運放相互獨立。 圖 27 LM324 引腳圖 圖 28 LM324 外觀圖 如圖 29 所示， UGN3503U 線性霍爾元件輸出的微弱信號經(jīng)電容耦合到前級運算放大器 U2A 的同相輸入端 ， 運算放大器 U2A 把霍爾元件感應到的電壓轉(zhuǎn)換為對地電壓。在電路設計中，運放 LM324 采用 +5V 單電源供電，對于不同強度的信號均可通過調(diào)解前級放大電路的反饋電位器 W1來改變其放大倍數(shù)。經(jīng)前級運算放大器放大的信號經(jīng)耦合電容 C2 輸入到后級峰值檢測電路中。采用阻容耦合的方法可以使前后級電路的靜態(tài)工作點保持獨立，隔離各級靜態(tài)之間的相互影響，使得電路總溫漂不會太大。 長春理工大學畢業(yè)設計 10 321411U 2 AL M 3 2 4w150kR14 7 0 kR410kR210kR310kC12 2 μ FVCCV C CC51 0 μ F321411U 2 B AL M 3 2 4V C CD4I N 9 1 4D5I N 9 1 4D3I N 9 1 4R820KR95 0 0 K321411U 2 C AL M 3 2 4V C CC6 1 0 0 0 P FW25KV03GND2VCC1U13 5 0 3 圖 29 數(shù)據(jù)采集電路原理圖 峰值檢測電路由兩級運算放大器組成，第一級運放 U2B 將輸入信號的峰值傳遞到電容 C6上，并保持下來。第二級運放 U2C 組成緩沖放大器，將輸出與電容隔離開來。在設計中，為了獲得優(yōu)良的保持性能和傳輸性能，同樣采用了輸入阻抗高、響應速度快、跟隨精度較好的運算放大器 LM324，這樣可有效地利用LM324 資源，減少使用原件元件的數(shù)量，降低了成本。當輸入電壓 Vi2上升時，VO2跟隨上升，使二極管 D D5導通， D3截止，運放 U2B 工作在深度負反饋狀態(tài)，給電容 C6充電， VC上升。當輸入電壓 Vi2下降時， VO2跟隨下降， D3導通，U2B 也工作在深度負反饋狀態(tài)，深負反饋保證了二極管 D D5可靠截止， VC值得以保持。當 Vi2 再次上升使 VO2 上升并使 D D5 導通， D3 截止，再次對電容C6 充電（ VC 高于前次充電時電壓）， Vi2 下降時， D D5 又截止， D3 導通， VC將峰值再次保持。輸出 VO反映 VC 的大小，通過峰值檢波和后級緩沖放大電路，將采集到的微弱電壓信號放大至 0V～ 5V 的直流電平，以滿足 A/D 轉(zhuǎn)換器ADC0809 所要求的輸入電壓變換范圍，然后通過 A/D 轉(zhuǎn)換電路將檢測到的峰值轉(zhuǎn)化成數(shù)字量 [16]。 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 片機中進行處理，這里選用了經(jīng)濟實用的 ADC0809 型 A/D 轉(zhuǎn)換器來完成模數(shù)轉(zhuǎn)換。 ADC0809 芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作時序于圖 210 和圖 211。 長春理工大學畢業(yè)設計 11 圖 210 ADC0809 芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 圖 211 ADC0809 的工作時序 比較器 A/D VREF() 8 路模擬開關 地址鎖存記譯碼 三態(tài)輸出寄存器 電阻網(wǎng)絡 豎狀開關 逐位逼近寄存器 SAR 時序于控制 START EOC CLK OE D7 D0 IN7 IN0 ADDC ADDB ADDA ALE VREF(+) 長春理工大學畢業(yè)設計 12 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，可對八路模擬電壓量實現(xiàn)分時轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換速度為 100μs(即 10 千次 /秒 )。當?shù)刂锋i存允許信號 ALE=1 時， 3 位地址信號 A、 B、 C 送入地址鎖存器，選擇 8 路模擬量中的一路實現(xiàn) A/D 變換。本設計中只適用通道 IN0，所以，地址譯碼器 ABC 直接接地為 000，采用線選法尋址。 ADC0809 片內(nèi)有三態(tài)輸出緩沖器，可直接與單片機的數(shù)據(jù)總線相連接，這里將它的數(shù)據(jù)輸出口直接與單片機的數(shù)據(jù)總線 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)沒有時鐘，時鐘信號必須由外部提供，這里利用 AT89S52 提供的地址鎖存允許信號ALE 經(jīng)計數(shù)器 74LS163（邏輯功能見表 21）構(gòu)成的 4 分頻器分頻獲得。 ALE 引腳的頻率是單片機時鐘頻率的 1/6，單片機時鐘頻率為 12MHz，再經(jīng) 4 分頻后為500kHz，所以 ADC0809 能可靠工作。 ADC0809 的模擬輸入范圍：單極性 0~5V，設計中采用 +5V 單電源供電 [17]。 如圖 212 所示，放大后的電壓信號送入 ADC0809 的模擬輸入通道 IN0進行A/D 轉(zhuǎn)換。將 （地址 總線的 A15）作為片選信號，由 AT89S52 的寫信號 WR 和 ADC0809 的地址鎖存 ALE 和轉(zhuǎn)換啟動 START，當 ADC0809 的 START啟動信號輸入端為高電平時， A/D 開始轉(zhuǎn)換，