【文章內(nèi)容簡介】 14 所示， K1 鍵作為功能鍵設(shè)置靈敏度△ U，靈敏度是可調(diào)的， K2 和 K3 分別作為加 1，減 1 鍵來調(diào)節(jié)靈敏度， K4 是確定鍵，當(dāng) K4 鍵按下時(shí)，靈敏度值確定。 17 圖 214 鍵盤控制電路 顯示報(bào) 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（ ） 端輸出或輸入；而同步移位時(shí)鐘 由TXD（ ） 端串行輸出，在同步時(shí)鐘作用下，實(shí)現(xiàn)由串行到并行的數(shù)據(jù)通信。在不需要使用串行通信的場合，利用串行口加外圍芯片 74HC164 就可 構(gòu)成一個(gè)或多個(gè)并行輸入 /輸出口，用于顯示器 LED驅(qū)動(dòng)。 單片機(jī)中通常使用 7 段 LED 構(gòu)成字型“ 8”，另外，還有一個(gè)小數(shù)點(diǎn)發(fā)光二極管，以顯示數(shù)字、符號及小數(shù)點(diǎn)。當(dāng)鍵盤控制部分 各鍵按下時(shí)， LED 顯示 相 對 應(yīng) 靈敏度 數(shù)值， 顯示電路如圖 215。 一旦發(fā)現(xiàn)金屬出現(xiàn)，則被測物理量超限由單片機(jī) I/O 口 輸出信號驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管發(fā)光報(bào)警， 觸發(fā)無源蜂鳴器用聲報(bào)警提醒檢測人員注意，進(jìn) 行必要的定位搜身檢查，報(bào)警電路如圖 216 所示。 18 圖 215 顯示電路 圖 216 報(bào)警電路 電源電路 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。電路板內(nèi)采用三端穩(wěn)壓集成電路塊 LM7805 為板內(nèi)元器件供電。 LM7805 三端正穩(wěn)壓器具有內(nèi)部過流、熱過載和輸出晶體管安全區(qū)保護(hù)功能，可將 9VDC 的輸入電壓轉(zhuǎn)換為 +5V電壓，最大輸出電流 ，保證板內(nèi) 555 定時(shí)器、 UGN3503U、 AT89S5 ADC0809等芯片和元件可靠地工作。 19 圖 217 電源電路 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，此脈沖信號經(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輸入到探測線圈中，通電的線圈周圍就會(huì)產(chǎn)生磁場，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，并將磁場強(qiáng)度信號線性地轉(zhuǎn)變成電壓信號。 在無金屬的情況下，假設(shè)霍爾輸出電壓為 u0，該電壓信號 u0很微弱，屬 mV級信號， u0經(jīng)過放大電路放大，再通過峰值檢波電路，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。此后，以該電壓信號作為基準(zhǔn)電壓，與 A/D轉(zhuǎn)換器采集到的電壓信號進(jìn)行比較判斷。 當(dāng)探測線圈 L1 靠近金屬物體時(shí)，由于電磁感應(yīng)現(xiàn)象，會(huì)使探測電感值發(fā)生變化，從而使其周圍的磁場發(fā)生變化，霍爾元件感應(yīng)到該變化的磁場，并將其線性地轉(zhuǎn)變成電壓信號 ux，該變化的電壓經(jīng)放大電路、峰值檢波電路后，得到相應(yīng)的 0V5V的峰值輸出電壓 Ux，然后經(jīng) A/D 轉(zhuǎn)換后，輸入到 CPU，由 CPU完成 Ux與基準(zhǔn)電壓 U0 的比較，二者比較 ? Ux— U0?得到一個(gè)差值，此差值與預(yù)設(shè)的靈敏度△ U 再作比較。 靈敏度由鍵盤控制電路 中各鍵輸入 ， 顯示電路部分則顯示各鍵按下后的相應(yīng)數(shù)值 ， 當(dāng)然，△ U 大小的設(shè)定決定著系統(tǒng)精度的高低。若 |UxU0|△ U，就 確定為探測到金屬， CUP 輸出口 輸出信號驅(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。 20 第 3 章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 軟件設(shè)計(jì)思想 軟件是本系統(tǒng)的靈魂，在設(shè)計(jì)軟件中，本文從系統(tǒng)的實(shí)用性、可靠性及方便靈活等幾個(gè)方面出發(fā)，使程序滿足設(shè)計(jì)的功能要求。整個(gè)系統(tǒng)的軟件包括主程序、一個(gè)外部中斷服務(wù)程序、數(shù)字濾波程序、比較判斷子程序及發(fā)光報(bào)警等若干個(gè)子程序。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。 主程序初始化以后置位 AT89S52 的中斷 控制位 EA，使 CPU 開放中斷。然后通過檢測 RAM 中 21H 中數(shù)值的值來判斷是否采集基準(zhǔn)電壓 U0，如果未采集過 U0，則啟動(dòng) ADC0809對 NIO通道的模擬輸入量進(jìn)行 A/D轉(zhuǎn)換。 [7]在電路設(shè)計(jì)中， ADC0809與 AT89S52是采用中斷方式連接的，所以系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集處理功能是在中斷服務(wù)程序中完成的，從原理圖 22看出， ADC0809 的 EOC 端通過反相器接 AT89S52的NIT1 端，作為中斷申請。采用中斷方式，可大大節(jié)省 CPU 時(shí)間。 [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)。當(dāng) A/D 轉(zhuǎn)換完畢后，ADC0809 的 EOC 端向 AT89S52 的 INT1 的返向端 送入一個(gè)中斷申請信號， AT89S52接此信號后響應(yīng)中斷請求，調(diào)用中斷服務(wù)子程序 INTl，中斷服務(wù)程序進(jìn)行壓棧，保護(hù)現(xiàn)場，讀取來自 ADC0809 數(shù)據(jù)輸出口的 8 位數(shù)字量，并將數(shù)字量儲(chǔ)存到單片機(jī) RAM 中，然后啟動(dòng) ADC0809 的下一次轉(zhuǎn)換。經(jīng)過數(shù)據(jù)軟件濾波之后將其存放在單片機(jī) RAM 21H 中，作為基準(zhǔn)電壓 U0。 [9] 經(jīng)反復(fù)實(shí)驗(yàn)測得的靈敏度△ U的值被存放在單片機(jī) RAM地址為 20H的存儲(chǔ)器中。在檢測過程中，將 A/D轉(zhuǎn)換器采集到的電壓信號經(jīng)數(shù)據(jù)軟 件濾波后存入內(nèi)部RAM 以 30H 為首址的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中，然后將此數(shù)據(jù) Ux二和基準(zhǔn)電壓 U0進(jìn)行比較，二者差值 U存放在單片機(jī) ARM 地址為 22H 的存儲(chǔ)器中。而后再通 過判據(jù)算法將此差值 U 與靈敏度△ U（靈敏度可調(diào)） 進(jìn)行比較， 以確定是否報(bào)警鍵盤控制電路各鍵控制靈敏度的值，并在顯示電路部分顯示按鍵后的對應(yīng)數(shù)值。 21 數(shù)字濾波及算法說明 金屬探測器的噪聲抑制能力是金屬探測器的主要設(shè)計(jì)指標(biāo)。由于在采集電壓量時(shí)經(jīng)常會(huì)碰到各種瞬時(shí)干擾，而采用硬件濾波存在硬件電路復(fù)雜等諸多弊端，因此本設(shè)計(jì)中采用算術(shù)平均濾波法，即在一次電壓量的采 集中，在很短的時(shí)間內(nèi)對它進(jìn)行 6次采集，將它轉(zhuǎn)換為數(shù)字量后求和，分析出 6次輸入中的最大值和最小值，然后減去最大值和最小值，除以 4得到平均值的方法，完成一次數(shù)據(jù)采集的軟件濾波。用 軟件代替硬件，從而省去了復(fù)雜的硬件，而且能夠取得好而精確的效果。 [10] 在一個(gè)采樣周期內(nèi)，對信號 X的 N次測量值進(jìn)行算術(shù)平均，作為時(shí)刻 K的輸出 x(k)，即 ??? Ni ixNkx11)( （ 31） 其中 N為采樣次數(shù)， xi 為第 i次的采樣值。 顯然 N越大，信號平滑 度越高，靈敏度就會(huì)降低，但是本設(shè)計(jì)中需要較高的靈敏度，所以 N取值不易過大，這里我選擇了 N=6，選擇取 6個(gè)數(shù)進(jìn)行計(jì)算的原因，就是因?yàn)樵趨R編中做計(jì)算是非常麻煩的，取 6個(gè)數(shù)，減去最大值和最小值后，取平均值是除 4，計(jì)算機(jī)的內(nèi)部計(jì)算都是二進(jìn)制，而二進(jìn)制每除一個(gè) 2，實(shí)際上是向右移一次。 [12]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。 主程序流程圖 1． 程序 流程圖 見下頁 圖 31 所示。 2． 程序參看附錄 2 (初始化子程序和中斷服務(wù) )[13] 22 開 始系 統(tǒng) 初 始 化 ， 開 中 斷鍵 盤 控 制選 通 道置 連 續(xù) 采 樣 個(gè) 數(shù)啟 動(dòng) A / D 轉(zhuǎn) 換 器等 待 轉(zhuǎn) 換 完 畢連 續(xù) 采 樣 個(gè) 數(shù) 到 ？采 集 數(shù) 據(jù) U 0 ？算 術(shù) 平 均 值 濾 波保 存 U 0 到 2 1 H 中置 數(shù) 據(jù) U 0 已 采 樣 標(biāo) 志啟 動(dòng) A / D等 待 轉(zhuǎn) 換 完 畢 ， 讀 取 U x連 續(xù) 采 樣 個(gè) 數(shù) 到 ?算 術(shù) 平 均 值 濾 波保 存 平 均 值 U x 到 數(shù) 據(jù) 緩 沖 區(qū)判 斷 | U x U 0 | ? U i ?顯 示 ， C P U 發(fā) 出 報(bào) 警 信 號結(jié) 束NNYNYNY 圖 31 主程序流程圖 23 鍵盤控制程序設(shè)計(jì) 1． 程序 流程圖如圖 32 所示。 2． 程序清單參看附錄 2(鍵盤掃描控制程序 ) [14] 開 始初 始 化 ， 開 中 斷調(diào) 用 鍵 盤 掃 描 子 程 序是 否 有 鍵 按 下 ？調(diào) 用 鍵 值 判 斷 子 程 序功 能 鍵 K 1 加 1 鍵 K 2 減 1 鍵 K 3 確 定 鍵 K 4返 回NY 圖 32 鍵盤控制流程圖 數(shù)字濾波程序設(shè)計(jì) 設(shè)一個(gè)采樣周期，對通道 0 連 續(xù)采樣 6次，然后去掉最大和最小值，把剩余的累加和求算術(shù)平均值作為本周期采樣值。存入內(nèi)部 RAM 以 30H 為首址的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中。其中， R2 寄存器存放最大值， R3 寄存器存放最小值， R4 寄存器存放累加 和， R0存放連續(xù)采樣次 數(shù)。 ，如圖 33所示。 2(數(shù)字濾波程序 )[15] 24 開 始清 零 最 大 值 寄 存 器 R 2 和 累 加 和 寄存 器 R 4 ， 最 小 值 寄 存 器 R 3 置 初 值N → R 0讀 A / D → A( R 4 ) + ( A ) → A輸 入 值 ( R 2 ) ?輸 入 值 → R 2輸 入 值 （ R 3 ) ?輸 入 值 → R 3累 加 和 和 中 減 去 最 大 值 和 最 小 值得 值 除 以 4 求 均 值返 回N 1 = 0 ？NYNNYN 圖 33 數(shù)字濾波流程圖 25 顯示 與報(bào)警 程序設(shè)計(jì) 1． 程序流程圖如圖 34 所示。 2． 程序參看附錄 2(顯示報(bào)警程序 )[16]。 開 始保 存 均 值 U x 到 數(shù) 據(jù) 緩 沖 區(qū)判 斷 |U x U o | Δ U i ?顯 示 ， C P U 發(fā) 出 報(bào) 警 信 號結(jié) 束YN 圖 34 顯示報(bào)警流程圖 26 第 4 章 主要技術(shù)指標(biāo)分析 主要技術(shù)指標(biāo)分析 金屬探測器的工作頻率、靈敏度和穩(wěn)定性是儀器的主要技術(shù)指標(biāo)。 工作頻率 為 24KHz，選擇 24KHz 的超長波頻率是為了減弱土壤對電磁波的影響。 靈敏度分析 由公式 (l2)即 ： 可知： 1． 檢測線圈的尺寸對儀器的靈敏度有影響。 探測器的靈敏度與探測線圈的尺寸大小有關(guān)，尺寸大即探測面積大，則線圈中心磁場強(qiáng)度低，在靠近線圈繞組附近磁場強(qiáng)度較高，霍爾元件固定在線圈中心，為了確保通過其磁通量，探測線圈的尺寸就不宜太大，具體尺寸通過實(shí)驗(yàn)確定。 2． 檢測線圈的匝數(shù)對儀器的靈敏度有影響。 當(dāng)檢測線圈尺寸一定時(shí)，則匝數(shù)越少其靈敏度越高。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，需要通過試驗(yàn)來確定最佳匝數(shù)。 穩(wěn)定性分析 1． 環(huán)境溫度的變化，儀器元件參數(shù)也會(huì)改變，影響儀器工作的穩(wěn)定。 2． 應(yīng)盡量減少線圈與電路之間引線的長度，以減少分布電容，采用屏蔽線減少外界對其干擾。 27 第 5 章 仿真、調(diào)試結(jié)果及分析 仿真、調(diào)試目的與內(nèi)容 仿真調(diào)試的內(nèi)容是要把 程序修改正確，使編譯能夠通過，而且還要用Proteus 仿真軟件 中的一些功能來查看程序所實(shí)現(xiàn)的功能是否能夠和預(yù)期的功能相符合。需要反復(fù)調(diào)試，直到能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)期 結(jié)果 為止。 本次設(shè)計(jì)是在仿真軟件Keil C51 來進(jìn)行編譯和調(diào)試的。 仿真結(jié)果及分析 本次設(shè)計(jì)的仿真結(jié)果如下所述： 1. 線性霍爾傳感器 調(diào)試 結(jié)果及分析 外加磁場的南極靠近器件標(biāo)志面時(shí) R/mT 300 200 100 輸出電壓（ V） 外加磁場的北極靠近器件標(biāo)志面時(shí) R/mT 100 200 300 輸出電壓（ V） 線性霍爾傳感器部分的 調(diào)試結(jié)果基本是真確的，但由于外部環(huán)境的影響及硬件設(shè)備的不良等因素，調(diào)試過程中遇到了一些問題，模擬出的結(jié)果存在一定的誤差，經(jīng)過多次采樣，我盡量使結(jié)果與理論值得差值縮小，達(dá)到了預(yù)期的結(jié)果。 2. 振蕩電路調(diào)試結(jié)果及分析 振蕩電路輸出的是一方波，可以讀出占空比和輸出脈沖的頻率，其仿真結(jié)果如 圖 51所示 28 U 0tT 1 T 2 圖 51 多諧輸出 從調(diào)試的結(jié)果中可以讀出 T1 的值為： ,T2 的值為： 。輸出頻率等于 ，而理論上輸出脈沖的頻率 是 24KHZ，從讀出的結(jié)果可以看出與理論值有一定的誤差，這是由于調(diào)試過程中如環(huán)境、儀器設(shè)備等因素造成的，雖然結(jié)果有誤差，但基本上是正確的，說明多 諧振蕩器部分電路是正確的。 3. 顯示部分仿真結(jié)果及分析 顯示部分顯示的數(shù)據(jù)是設(shè)定的靈敏度值，當(dāng)按下各鍵盤部分各個(gè)鍵時(shí)，在顯示電路部分顯示相對應(yīng)的數(shù)據(jù)，顯示結(jié)果 如圖 52 所示 。 初始狀態(tài) 加 1 顯示值 加 15顯示值 減 11顯示值 圖 52 顯示值 經(jīng)過多次試驗(yàn)和 從顯示 的值可以看出仿真結(jié)果基本正確，由于繪制電路中