【文章內(nèi)容簡介】 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，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來的數(shù)據(jù)，對(duì)其進(jìn)行處理顯示。它的程序量比較大，包括鍵盤的驅(qū)動(dòng)和液晶的驅(qū)動(dòng)，所以選擇模塊性比較強(qiáng)的c語言進(jìn)行編寫，兩個(gè)模塊結(jié)合起來實(shí)現(xiàn)了一個(gè)更加方便、智能的數(shù)字金屬探測器。 前端軟件設(shè)計(jì)前端軟件負(fù)責(zé)頻率的測定、頻率的比較、報(bào)警以及與外圍模塊的通信，程序流程圖如圖41所示。1）頻率獲得獲得頻率是通過定時(shí)器T0和計(jì)數(shù)器T1兩個(gè)協(xié)同工作而完成的。程序中所使用的頻率不論是基準(zhǔn)頻率還是新探測的頻率，都是50ms內(nèi)所獲得的脈沖數(shù)。這對(duì)此次設(shè)計(jì)的手持式金屬探測器已經(jīng)足夠了，要想提高精度，一是延長獲得脈沖的時(shí)間，二是減小△PRISE(它是頻率波動(dòng)的范圍，如果超出此范圍則報(bào)警)。2）獲取基準(zhǔn)頻率基準(zhǔn)頻率的獲得至關(guān)重要，因?yàn)樗唤?jīng)獲得將作為判斷有無金屬的基準(zhǔn)。其值的可靠性將影響整個(gè)程序的健壯性。基準(zhǔn)頻率的獲得是按照如下方法獲得的，如圖42所示。F_COMM：標(biāo)志是否進(jìn)行通訊；F_COMP：標(biāo)志比較的結(jié)果；F_FR：標(biāo)志基準(zhǔn)頻率是否成功獲得F_FR：標(biāo)志是否已經(jīng)順利獲得基準(zhǔn)頻率。F_COMM：后臺(tái)是否發(fā)送通信請(qǐng)求。F_OK：標(biāo)志通訊已建立。F1：新獲取的頻率。F基準(zhǔn)頻率。圖31 前端金屬探測主程序流程圖圖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(bào)和發(fā)出什么樣的警報(bào)，可以修改傳入給它的參數(shù)來改變金屬探測的精度。4）精度設(shè)置模塊精度設(shè)置模塊的程序流程圖如圖44所示，精度設(shè)置是通過改變傳入給比較模塊的△PRISEH，△PRISEL的值來改變精度的，如果△PRISEH，△PRISEL的值設(shè)置的都比較大則對(duì)微小的頻率變化系統(tǒng)不會(huì)發(fā)出警報(bào)。圖33 頻率比較程序流程圖（有起始框，不規(guī)范）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。用戶只需要調(diào)用封裝好的顯示函數(shù)：DisplayOneChar(顯示單個(gè)字符)、DisplayListChar(顯示一個(gè)字符串)、Displayarray(顯示一字符數(shù)組)。2）鍵盤接收鍵盤是輸入設(shè)備，用它來實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，讓機(jī)器更好的按人的要求去工作。這里引入鍵盤的目的是，1進(jìn)行金屬探測精度的設(shè)置；2在進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊時(shí)進(jìn)行控制。由于鍵盤普遍存在抖動(dòng)現(xiàn)象，如果抖動(dòng)現(xiàn)象處理不好，會(huì)發(fā)生意想不到的結(jié)果。為了防止抖動(dòng)，在程序設(shè)計(jì)中采用了，一次鍵位判斷，兩次鍵位檢測的方法，每一步驟間隔5ms，每次鍵位確定需要15ms，在檢測與接受過程中每一步驟出現(xiàn)錯(cuò)誤都將從新開始驗(yàn)證，因此保證了對(duì)用戶輸入的無誤接受。鍵盤接受模塊的程序流程圖如圖45所示。3）鍵盤處理模塊鍵盤處理模塊在判斷是哪個(gè)鍵按下后，就立即引發(fā)相關(guān)的操作來滿足用戶的需求。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。精度設(shè)置部分程序流程圖如圖46所示。圖35 鍵盤接受處理程序流程圖圖36 設(shè)置數(shù)據(jù)與前端單片機(jī)的通訊圖4 硬件電路設(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41所示。圖41 三點(diǎn)式震蕩電路電路元器件參數(shù)是在滿足主旨的情況下進(jìn)行選取的。因此諧振回路中電容C500μh。其中電感值只是理論計(jì)算的理想值，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50倍的CS9014。組裝調(diào)試后振蕩電路的實(shí)際頻率為33KHz滿足我們的要求。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，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兩個(gè)電容的極性相反，即反饋端的為(+)極性，因此滿足相位平衡條件。，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： (31)使用諧振回路中的電感線圈進(jìn)行金屬探測，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。電路的諧振頻率同時(shí)也影響著檢測金屬的精度，當(dāng)諧振頻率高時(shí)線圈產(chǎn)生磁場的變化率也就越高，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)生磁場對(duì)原磁場的影響也就越大。 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42所示。從振蕩回路傳過來的正弦波信號(hào)經(jīng)過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，使其互不影響。圖42 放大與脈沖轉(zhuǎn)換電路放大部分的作用是對(duì)正弦交流信號(hào)進(jìn)行無窮放大，LM358的反向端接受電壓跟隨器穿過來的電壓信號(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)行無窮倍的放大，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。使用LS08進(jìn)行波形變換的原理圖如圖42所示，正弦波經(jīng)過圖42的放大模塊后變?yōu)樘菪尾?，梯形波?jīng)過74LS08（與門），最后變換為標(biāo)準(zhǔn)的方波，如圖43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、報(bào)警和通訊幾個(gè)模塊程序組合起來燒寫進(jìn)去，它就會(huì)按你事先編寫好的步驟進(jìn)行工作。圖44 前端金屬探測部分單片機(jī)系統(tǒng)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，因此你可以通過給蜂鳴器不同頻率的電平來使它發(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。由于本次金屬探測器的設(shè)計(jì)，包括前端金屬探測部分和后臺(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)行振蕩頻率的測量、報(bào)警和通信，2K的AT89C2051足以滿足需求。2051的“1”號(hào)記數(shù)器記錄由LS08發(fā)送過來的脈沖信號(hào)，聯(lián)合“0”號(hào)計(jì)數(shù)器來檢測振蕩電路的頻率。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。 外圍設(shè)置與顯示系統(tǒng)圖45和圖46是外圍設(shè)置與顯示系統(tǒng)，它有三部分構(gòu)成：鍵盤輸入、液晶顯示和單片機(jī)系統(tǒng)。1）鍵盤輸入鍵盤采用的是23的按鍵陣列，如圖45所示。該陣列鍵盤的工作原理是，將兩條行線和3條列線接入AT89S52的一組I/O雙向接口(比如：P1的低5為)，在程序中通過給行線和列線先后輸入，高電平低電平、低電平和高電平來判斷是哪個(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。圖45 陣列鍵盤原理圖 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(gè)模塊要引進(jìn)算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行再處理，在加上液晶和鍵盤的驅(qū)動(dòng)程序，所以需要比較大的程序空間，故沒有使用內(nèi)部存儲(chǔ)器小的AT89S51。圖46 液晶顯示器接線圖 5 實(shí)現(xiàn)與性能分析前面所有的準(zhǔn)備都是為這一階段做準(zhǔn)備，這一部分的內(nèi)容也將是最重要，最煩瑣，最能考驗(yàn)人意志的。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。其次，調(diào)試工作考驗(yàn)人的細(xì)心與耐心，稍有不慎就可能燒毀器件，比如將單片機(jī)接反、電解電容接反、電源線接反、器件管腳焊接不對(duì)、電路板短路等等一系列由于不細(xì)心造成的后果。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。（這段可以寫在總結(jié)部分） 硬件電路焊接與調(diào)試硬件電路的調(diào)試我分為四個(gè)階段：振蕩電路的焊接與調(diào)試、脈沖轉(zhuǎn)換電路的焊接與調(diào)試、單片機(jī)處理系統(tǒng)的焊接與調(diào)試和外圍單片機(jī)系統(tǒng)的焊接與調(diào)試。 振蕩電路的焊接與調(diào)試1）所需器件面包板一個(gè)、三極管(CS9014)一個(gè)、10μf耦合電容兩個(gè)、47μf旁路電容一個(gè)、自繞電感線圈一只、33K、20K、2K電阻各一個(gè)。2）電感繞制，繞成半徑為3cm的線圈，繞制20圈。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(huì)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(duì)固定，這樣電感值保持在500μH，誤差在10μH以內(nèi)。3）調(diào)試所有的器件準(zhǔn)備好并焊接在萬用PCB板上，按照電路圖檢查各器件件的連接情況無誤后，進(jìn)行上電調(diào)試。振蕩電路的起振都沒有問題，、頻率接近33KHz的正弦波。4）出現(xiàn)的問題與解決方法①可以產(chǎn)生穩(wěn)定的正弦波，頻率符合，但是幅值偏小。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，頻率不變。②～。這個(gè)問題是在信號(hào)放大部分采用隔直流方法解決的。 放大電路與脈沖轉(zhuǎn)換電路的焊接與調(diào)試這一部分多為集成電路只需按照放大電路的要求進(jìn)行連接連接就可以。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(gè)放大器)一片、74LS08(內(nèi)置4個(gè)與門)一片、10μf鋁電解一個(gè)、5K、500K電阻各一個(gè)。2）調(diào)試振蕩電路產(chǎn)生的正弦波不能直接進(jìn)行脈沖波的變換，因?yàn)樗姆堤?，所以必須?jīng)過放大電路的放大。由于上面出現(xiàn)的電壓不穩(wěn)定問題，因此這里的放大電路只對(duì)信號(hào)的交流分量進(jìn)行無窮放大。信號(hào)經(jīng)電壓跟隨器進(jìn)入LM358的反向端，同向端與反向端之間接一5K的電阻，而同向端則通過分壓器分得與反向端成固定比例的電壓。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。在加上在同向端并聯(lián)一10μf的旁路電容，它可以短路交流信號(hào)，因此同向端可以保持一個(gè)固定的直流分量，而交流分量通過差分放大器進(jìn)行無窮倍（實(shí)際40萬倍左右）的放大。，如圖31。，在將其轉(zhuǎn)換為單片機(jī)可以處理的脈沖波就相對(duì)容易了。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。將與門的一端接入5V電源另一端接放大電路的輸出端。轉(zhuǎn)換的結(jié)果如圖53所示。3）出現(xiàn)的問題與解決方案如果放大電路不是采用上面的接法，而是將同向端接一電阻接地或是從電源經(jīng)一分壓器得一固定的分壓，那么也可以產(chǎn)生梯形波不過它是不穩(wěn)定的，表現(xiàn)為波峰和波谷之間進(jìn)行周期性的轉(zhuǎn)換，比如開始波峰占2/3周期波谷占1/3周期，過一會(huì)波峰占1/3波谷占2/3，最后到波峰消失，而后又回到初始狀態(tài)，這種現(xiàn)象對(duì)脈沖變換和最后的頻率檢測都是不利的，更可怕的是會(huì)由于波形的不穩(wěn)定而造成意想不到的結(jié)果。比如在沒有碰到金屬時(shí)發(fā)出警報(bào)。 單片機(jī)系統(tǒng)的焊接與調(diào)試單片機(jī)系統(tǒng)的焊接與調(diào)試往往是放在最后一個(gè)環(huán)節(jié)，這是由于單片機(jī)系統(tǒng)的作用是進(jìn)行控制和數(shù)據(jù)的處理，因此在對(duì)它進(jìn)行調(diào)試之前，被控制的功能電路必須已經(jīng)調(diào)試完畢，并能將信號(hào)發(fā)送給單片機(jī)供單片機(jī)進(jìn)行分析判斷，最后將控制信號(hào)從I/O口輸出。1）所需器件AT89C20511個(gè)、30pf陶瓷電容兩個(gè)、12MHz石英晶體振蕩器1個(gè)用于振蕩電路，按鈕1個(gè)、10μf鋁電解1個(gè)、10K電阻1個(gè)用于復(fù)位電路，1個(gè)蜂鳴器用于聲音報(bào)警、2個(gè)發(fā)光二極管用于發(fā)光報(bào)警。2）調(diào)試要使單片機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行工作，必須要有振蕩電路，以提供時(shí)鐘信號(hào)給單片機(jī)。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)