【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 進(jìn)行再分析在處理，就可以完善金屬探測(cè)的性能，并且借助于 PC機(jī)的強(qiáng)大功能可以使探測(cè)的精度得到新的改善。 基于霍爾器件的數(shù)字金屬探測(cè)器 圖 33[1]是另一種數(shù)字探測(cè)器的設(shè)計(jì)方案，雖然是基于單片機(jī)的數(shù)字式金屬探測(cè)器，但是在探測(cè)原理上與本次采用的方法存在這很大的差別，它的基本思想是這樣的，在電感線(xiàn)圈的中心固定一霍爾器件，用于探測(cè)磁場(chǎng)的變化并能 將信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，這樣在沒(méi)有遇見(jiàn)金屬物體時(shí)送入單片機(jī)的電壓是一固定值，當(dāng)遇見(jiàn)金屬物體時(shí)，由于電磁感應(yīng)現(xiàn)象磁場(chǎng)強(qiáng)度會(huì)發(fā)生變化，這時(shí)霍爾器件將此變化轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)供單片機(jī)進(jìn)行判斷，霍爾器件產(chǎn)生的是一些連續(xù)的電壓信號(hào)，磁場(chǎng)是周期性變化的因此傳出的電壓信號(hào)也是周期性連續(xù)變化的，所以需要波峰檢測(cè)將其峰值檢測(cè)出來(lái)通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換變?yōu)閿?shù)據(jù)信息送入單片機(jī)。因此單片機(jī)只是根據(jù)電壓值的變化就能判斷有無(wú)金屬。 它與本次設(shè)計(jì)方案的不同在于，本次設(shè)計(jì)方案是檢測(cè)振蕩電路的頻率變化來(lái)判斷金屬的有無(wú)，而圖 33所示的方案是檢測(cè)磁場(chǎng)的變化， 而且它是通過(guò)將磁信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，再通過(guò)波峰檢測(cè)模數(shù)轉(zhuǎn)換最后送入單片機(jī)，與此相比本此的設(shè)計(jì)方案就相對(duì)簡(jiǎn)單，不用霍爾器件和 A/D轉(zhuǎn)換這些昂貴的芯片，只需將振蕩電路產(chǎn)生的正弦波進(jìn)行放大，再用廉價(jià)的門(mén)電路對(duì)其進(jìn)行脈沖轉(zhuǎn)換就行。其次，在性能上還要優(yōu)于圖 33的方案，因?yàn)榇艌?chǎng)很容易受到外界的影響而發(fā)生變化，這樣產(chǎn)生的電壓信號(hào)是很不穩(wěn)定的，相比之下進(jìn)行振蕩頻率的檢測(cè)就相對(duì)穩(wěn)定。 7 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 31 手持?jǐn)?shù)字金屬探測(cè)器原理框圖 電 源高 頻 振蕩 器振 蕩 檢測(cè) 器音 頻 振蕩 器功 率 放大 器 圖 32 MD—898K金屬探測(cè)器原理框圖 多 諧振 蕩 器放 大電 路探 測(cè) 線(xiàn) 圈霍 爾器 件放 大電 路峰 值檢 波A / D 轉(zhuǎn) 換C P UA T 8 9 S 5 2顯 示電 源報(bào)警線(xiàn) 圈 振 蕩 電 路控 制 電 路 圖 33 基于霍爾器件的數(shù)字金屬探測(cè)器 8 4 總體設(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(kāi)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。由于硬件系統(tǒng)是基礎(chǔ) ， 是軟件系統(tǒng)得以運(yùn)行的平臺(tái) ， 因此將它放在前面 ， 先依據(jù)硬件的總體設(shè)計(jì)方案 ， 完成各個(gè)單元電路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) ， 接下來(lái)再根據(jù)軟件 模塊的總體方案設(shè)計(jì)程序流程 ， 在硬件電路的基礎(chǔ)之上進(jìn)行調(diào)試。但在設(shè)計(jì)之初兩個(gè)部分都需經(jīng)過(guò)認(rèn)真的分析 ， 確定總體方案后再分階段進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。 硬件電路設(shè)計(jì) 硬件電路設(shè)計(jì)是進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)的基礎(chǔ) ， 是整個(gè)金屬探測(cè)器中最位重要的部分。它設(shè)計(jì)的好壞決定著系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可擴(kuò)展性。本次設(shè)計(jì)的金屬探測(cè)器的框圖如圖 41所示 ，包括五大部分：線(xiàn)圈振蕩、信號(hào)放大、脈沖產(chǎn)生、中央處理和外圍設(shè)置顯示模塊。 圖 41 手持?jǐn)?shù)字金屬探測(cè)器硬件設(shè)計(jì)框圖 這四部分組合起來(lái)構(gòu)成了一個(gè)基于單 片機(jī)的開(kāi)環(huán)金屬探測(cè) 模型。線(xiàn)圈振蕩電路是基礎(chǔ) ， 依靠它來(lái)進(jìn)行金屬探測(cè) ， 這一部分可以產(chǎn)生穩(wěn)定的正弦波 ， 但在遇到金屬物體時(shí) 正弦 波的頻率和幅度會(huì)發(fā)生變化。振蕩部分產(chǎn)生的正弦波經(jīng)放大后送入脈沖變換電路產(chǎn)生一定頻率的脈沖 ， 然后將其送如單片機(jī)。因此在前端振蕩電路頻率變化時(shí)這種變化同時(shí)線(xiàn)圈振蕩電路 放 大 電 路 脈沖變換電路 CPU AT89C2051 CPU AT89S52 報(bào)警 液晶顯示 鍵盤(pán) 9 將送入單片機(jī) ， 單片機(jī)進(jìn)行分析判斷后進(jìn)行報(bào)警。外圍控制模塊的作用是 ， 與前端單片機(jī)進(jìn)行通訊 ， 將獲得的信息進(jìn)行分析運(yùn)算再進(jìn)行顯示并且通過(guò)鍵盤(pán)對(duì)前端金屬探測(cè)的精度進(jìn)行設(shè)置。 軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 硬件完成信號(hào)的產(chǎn)生與處理后 ， 接下來(lái)的工作就全部由 軟件部分 完成 ， 軟件系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)才能真正體現(xiàn)系統(tǒng)的價(jià)值 ， 軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是軟件實(shí)現(xiàn)的起點(diǎn) ， 它對(duì)整個(gè)軟件部分的實(shí)現(xiàn)起指導(dǎo)作用 ， 同時(shí)它也羅列出系統(tǒng)的所有功能。 前端程序結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 圖 42就是前端軟件的結(jié)構(gòu)圖 ， 從圖中可以看出前端軟件的主要作用是 ， 頻率測(cè)定、聲光報(bào)警和通訊。它是整個(gè)金屬探測(cè)模塊的大腦 ， 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)。 圖 42 前端軟件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖 前端軟件 基準(zhǔn)頻率測(cè)定 精度設(shè)置頻率檢 測(cè) 頻率比較 聲 光 報(bào) 警 通 訊 頻率測(cè) 定 比 較 10 外圍數(shù)據(jù)處理與顯示程序 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 圖 43 外圍數(shù)據(jù)處理與顯示軟件結(jié)構(gòu)圖 引入外圍模塊的目的是借助于 PC機(jī)的強(qiáng)大資源或內(nèi)置有大容量編程存儲(chǔ)器的單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析與處理 ， 從而加強(qiáng)和拓展金屬探測(cè)器的功能。其次，引 入了另一中金屬探測(cè)的模式 ， 那就是不需要一定 去在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行金屬探測(cè) ， 將這個(gè)任務(wù)分給在前端進(jìn)行金屬探測(cè)的探測(cè)小車(chē) ， 探測(cè)小車(chē)將探測(cè)到的信息通過(guò)無(wú)線(xiàn)模塊即時(shí)的反饋給后臺(tái)的處理系統(tǒng) ， 而這時(shí)的分析員只需坐在 PC機(jī)前就回對(duì)前端的情況了如指掌。外圍數(shù)據(jù)處理與顯示模塊的軟件結(jié)構(gòu)圖如圖 43所示 。 外圍數(shù)據(jù)處理與顯示 液 晶 顯 示 鍵 盤(pán) 接 收 按 鍵 處 理 通 訊 精度設(shè) 置 建立連 接 11 5 單元電路設(shè)計(jì) 單元電路設(shè)計(jì)是在硬件總體設(shè)計(jì)的指導(dǎo)下完成一個(gè)個(gè)小的功能電路的設(shè)計(jì) ， 在將各個(gè)部分組合起來(lái)實(shí)現(xiàn)一個(gè)整體的功能 ， 因此每一個(gè)功能電路設(shè)計(jì)的好壞都將影響系統(tǒng)的整體功能。完成每一個(gè)功能電路的設(shè)計(jì)后 ， 設(shè)計(jì)階段才告以段落 。 這一部分的設(shè)計(jì)直接與實(shí)現(xiàn)緊密聯(lián)系 ， 器件參數(shù)的確定 ， 電路板的焊接與調(diào)試 ， 以及到最后的性能分析 ， 都要用到這一部分的設(shè)計(jì)結(jié)果 ， 因此這一部分的設(shè)計(jì)最有實(shí)際價(jià)值。 振蕩電路設(shè)計(jì) 振蕩電路部分采用的是電容三點(diǎn)式振蕩電路 ， 設(shè)計(jì)的主旨是在保證產(chǎn)生穩(wěn)定振蕩的前提下 ， 使頻率低于 300KHz， 這樣的目的是為了金屬探測(cè)器在進(jìn)行工作時(shí)不受廣播頻段的影響。這部分的電路圖如圖 51所示 。 電路元器件參數(shù)是在滿(mǎn)足主旨的情況下進(jìn)行選取的。因此諧振回路中電容 C C2和電感 L的取值分別為 、 、 500μh。其中電感值只是理論計(jì)算的理想值 ， 實(shí)際中是用半徑 20圈直徑為 6cm的線(xiàn)圈而構(gòu)成的 ， 電感值接近 500uf但有一定范圍的偏差。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。共射極反饋放大電路中的晶體管選用放大倍數(shù)超過(guò) 50倍的 cs9014。組裝調(diào)試后振蕩電路的實(shí)際頻率為 33KHz滿(mǎn)足我們的要求 。 電容三點(diǎn)式振蕩電路的工作原理分析，假設(shè)將反饋回路斷開(kāi)，同時(shí)假如晶體管的基極以 (+)極性信號(hào)，則 BJT的集電極為 ()極性 (共射極放大電路的反向放大特性 )，由于諧振回路的兩個(gè)電容的一端同時(shí)接地，另一端串一電感所以?xún)蓚€(gè)電容的極性相反，即反饋端的為 (+)極性，因此滿(mǎn)足相位平衡條件 [15]。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。由于反饋電壓是從電容兩端去出的對(duì)高次諧波的阻抗小，因此可將高次諧波濾除，所以輸出 的波形好。電容三點(diǎn)式振蕩電路的頻率為 ： ccccf Lf 21210 /2 1 ??? ?[15] (51) 使用諧振回路中的電感線(xiàn)圈進(jìn)行金屬探測(cè)，當(dāng)遇見(jiàn)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。電路的諧振頻率同時(shí)也影響著檢測(cè)金屬的精度，當(dāng)諧振頻率高時(shí)線(xiàn)圈產(chǎn) 12 圖 51 電容三點(diǎn)式振蕩電路 生磁場(chǎng)的變化率也就越高 ， 根據(jù)電磁感應(yīng)原理在金屬內(nèi)部產(chǎn)生的渦流就越大 ， 同是渦流產(chǎn)生磁場(chǎng)對(duì)原磁場(chǎng)的影響也就越大。 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。電路原理圖如圖 52所示 。從振蕩回路傳過(guò)來(lái)的正弦波信號(hào)經(jīng)過(guò)電壓跟隨器傳送到差分放大電路針對(duì)其交流信號(hào)進(jìn)行放大 ， 放大后產(chǎn)生的電壓信號(hào)送給 TTL門(mén)電路對(duì)其進(jìn)行整形以產(chǎn)生規(guī)則的脈沖波送入單片機(jī)。電壓跟隨器和差 分運(yùn)放均選用 LM358。 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(diǎn)是輸入阻抗高輸出阻抗低 ， 因此起到隔離的作用 ， 對(duì)其后的工作電路如同一個(gè)恒壓源 ， 又由于它的輸入阻抗 高就相當(dāng)與對(duì)前級(jí)電路開(kāi)路 ， 這里引入電壓跟隨器的目的也是為了使振蕩信號(hào)的產(chǎn)生和處理分開(kāi) ， 使其互不影響。 放大部分的作用是對(duì)正玄交流信號(hào)進(jìn)行無(wú)窮放大 ， LM358的反向端接受電壓跟隨器穿過(guò)來(lái)的電壓信號(hào) ， 同向端和反向端接一 5K的分壓電阻 ， 給與同向端并聯(lián)的電阻并聯(lián)一個(gè) 10μf的電解電容的目的是為了使同向端保持一個(gè)穩(wěn)定的直流分壓 ， 這樣送往集成運(yùn)放 13 的差分電壓信號(hào)就只是交流信號(hào) ， 在交流信號(hào)進(jìn)行無(wú)窮次的放大 ， 最終產(chǎn)生的是頻率與正弦波頻率相同的梯形波。 門(mén)電路選用的是 74LS08(與門(mén) )， 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。 圖 52 放大與脈沖轉(zhuǎn)換電路 使用 LS08進(jìn)行波形變換的原理圖如圖 52所示， 正弦波經(jīng)過(guò)上圖的放大模塊后變?yōu)樘菪尾?， 梯形波經(jīng)過(guò) LS08最后變換為標(biāo)準(zhǔn)的方波。 YT梯 形 波脈 沖 波 圖 53 波形轉(zhuǎn)換 14 單片機(jī)系統(tǒng) 圖 54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(xiě)進(jìn)去，它就會(huì)按你事先編寫(xiě)好的步驟進(jìn)行工作。 1)復(fù)位電路 REST引腳一但變 成兩個(gè)周期以上高電平所有的 I/O口都將復(fù)位到 “1”狀態(tài)，編程地址計(jì)數(shù)器復(fù)位到 000H，針對(duì)這一特點(diǎn)在按鈕兩端并聯(lián)一 10μf的電解電容，正極接電源，這樣在按鈕按下又釋放后由于電容的充電可以在電阻兩端維持至少兩個(gè)時(shí)鐘周期以上的高電平。 2)蜂鳴器 在給蜂鳴器的正極和負(fù)極分別通上高電平和低電平時(shí)蜂鳴器就會(huì)發(fā)聲，因此你可以通過(guò)給蜂鳴器不同頻率的電平來(lái)使它發(fā)出不同的聲音。 3)單片機(jī) 單片機(jī)選用的是 AT89C2051高性能 CMOSE8位單片機(jī)，內(nèi)含 2K的可反復(fù)檫寫(xiě)的FLASH只讀存儲(chǔ)器和 128B的隨機(jī)存儲(chǔ)器。由于本次 金屬探測(cè)器的設(shè)計(jì)，包括前端金屬探測(cè)部分和后臺(tái)數(shù)據(jù)處理和顯示兩個(gè)部分，因此在前斷只需要一個(gè)容量不大的單片機(jī)進(jìn)行振蕩頻率的測(cè)量、報(bào)警和通信， 2K的 AT89C2051足以滿(mǎn)足需求。 2051的“ 1”號(hào)記數(shù)器記錄由 LS08發(fā)送過(guò)來(lái)的脈沖信號(hào)，聯(lián)合“ 0”號(hào)計(jì)數(shù)器來(lái)檢測(cè)振蕩電路的頻率。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。 圖 54 前端金屬探測(cè)部分單片機(jī)系統(tǒng) 15 外圍設(shè)置與顯示系統(tǒng) 圖 55就是外圍設(shè)置與顯示系統(tǒng) ， 它有三部分構(gòu)成：鍵盤(pán)輸入、液晶顯示和單片機(jī)系統(tǒng) 。 1)鍵盤(pán)輸入 鍵盤(pán)采用的是 2 3的按鍵陣列 ， 如圖 56所示 ， 該陣列鍵盤(pán)的工作原理是 ， 將兩條行線(xiàn)和 3條列線(xiàn)接入 AT89S52的一組 I/O雙向接口 (比如： P1的低 5為 )， 在程序中通過(guò)給行線(xiàn)和列線(xiàn)先后輸入 ， 高電平低電平、低電平和高電平來(lái)判斷是哪個(gè)按鈕按下。例如給 P1的低 5位的電平信號(hào)為 11000， 假如現(xiàn)在第 2個(gè)按鈕按下則此時(shí)的管腳電平信號(hào)為 01000，所以判斷為第一行。再將 P1的低 5位置為 00111， 由于第 2個(gè)按鈕被按下 ， 則此時(shí)的管腳電壓為 00101， 所以可以判斷是第 2列 ， 到此就可以判斷是第 1行第 2列的按鈕被按下了 [10]。 2)液晶顯示 引入液晶顯示的目的主要是為了顯示頻率值、金屬類(lèi)型、精度設(shè)置時(shí)的一些提示語(yǔ) ，其次 ， 有了顯示器對(duì)鍵盤(pán)的 調(diào)試將更加方便。液晶顯示的要求比較低 ， 1602A內(nèi)置有基本 ASCII字符的顯示編碼 ， 使用起來(lái)比較方便。且價(jià)格低廉可以滿(mǎn)足需求。 3)單片機(jī)系統(tǒng) 單片機(jī)使用的是有 8K容量 FLASH的 AT89S52， 由于在這個(gè)模塊要引進(jìn)算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行 再 處理 ， 在加上液晶和鍵盤(pán)的驅(qū)動(dòng)程序 ， 所以需要比較大的程序空間。 圖 56 陣列鍵盤(pán)原理圖 16 圖 55 液晶顯示器接線(xiàn)圖 17 6 軟件模塊設(shè)計(jì) 硬件電路要完成的任務(wù) 是 ， 產(chǎn)生振蕩 ， 并將 波形變換為能夠被單片機(jī)處理的方波 ，接下來(lái)進(jìn)行頻率測(cè)定、報(bào)警、通訊等都要用程序?qū)?