【文章內(nèi)容簡介】 放大 脈沖轉(zhuǎn)換信號處理與報警電源圖31 手持數(shù)字金屬探測器原理框圖電源高頻振蕩器振蕩檢測器音頻振蕩器功率放大器圖32 MD—898K金屬探測器原理框圖多諧振蕩器放大電路探測線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顯示電源報警線圈振蕩電路控制電路圖33 基于霍爾器件的數(shù)字金屬探測器84 總體設計總體設計將影響整個項目的實現(xiàn)，對整個項目的開發(fā)起著指導性的作用，因此總體設計的好壞影響深遠，這里的軟硬件方案都是經(jīng)過再三的比較與分析才確定的，硬件和軟件兩個互相影響，協(xié)同工作實現(xiàn)系統(tǒng)的基本功能。由于硬件系統(tǒng)是基礎，是軟件系統(tǒng)得以運行的平臺，因此將它放在前面，先依據(jù)硬件的總體設計方案，完成各個單元電路的設計與實現(xiàn)，接下來再根據(jù)軟件模塊的總體方案設計程序流程，在硬件電路的基礎之上進行調(diào)試。但在設計之初兩個部分都需經(jīng)過認真的分析，確定總體方案后再分階段進行實現(xiàn)。 硬件電路設計硬件電路設計是進行軟件設計的基礎，是整個金屬探測器中最位重要的部分。它設計的好壞決定著系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可擴展性。本次設計的金屬探測器的框圖如圖41所示，包括五大部分：線圈振蕩、信號放大、脈沖產(chǎn)生、中央處理和外圍設置顯示模塊。線圈振蕩電路放 大電 路脈沖變換電路CPUAT89C2051CPUAT89S52報警液晶顯示鍵盤圖41 手持數(shù)字金屬探測器硬件設計框圖這四部分組合起來構(gòu)成了一個基于單片機的開環(huán)金屬探測模型。線圈振蕩電路是基礎，依靠它來進行金屬探測，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正弦波的頻率和幅度會發(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9路產(chǎn)生一定頻率的脈沖，然后將其送如單片機。因此在前端振蕩電路頻率變化時這種變化同時將送入單片機，單片機進行分析判斷后進行報警。外圍控制模塊的作用是，與前端單片機進行通訊，將獲得的信息進行分析運算再進行顯示并且通過鍵盤對前端金屬探測的精度進行設置。 軟件結(jié)構(gòu)設計硬件完成信號的產(chǎn)生與處理后，接下來的工作就全部由軟件部分完成，軟件系統(tǒng)的實現(xiàn)才能真正體現(xiàn)系統(tǒng)的價值，軟件結(jié)構(gòu)設計是軟件實現(xiàn)的起點，它對整個軟件部分的實現(xiàn)起指導作用，同時它也羅列出系統(tǒng)的所有功能。 前端程序結(jié)構(gòu)設計圖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，頻率測定、聲光報警和通訊。它是整個金屬探測模塊的大腦，它分析判斷前面功能電路傳過來的頻率信號對它進行分析判斷最后決定是否發(fā)出檢測到金屬的警報。前端軟件基準頻率測定精度設置頻率檢 測頻率比較 聲 光報 警通 訊頻率測 定比 較圖42 前端軟件設計結(jié)構(gòu)圖10 外圍數(shù)據(jù)處理與顯示程序結(jié)構(gòu)設計外圍數(shù)據(jù)處理與顯示液 晶顯 示鍵 盤接 收按 鍵處 理通 訊精度設 置建立連 接圖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機的強大資源或內(nèi)置有大容量編程存儲器的單片機進行數(shù)據(jù)分析與處理，從而加強和拓展金屬探測器的功能。其次，引入了另一中金屬探測的模式，那就是不需要一定去在現(xiàn)場進行金屬探測，將這個任務分給在前端進行金屬探測的探測小車，探測小車將探測到的信息通過無線模塊即時的反饋給后臺的處理系統(tǒng)，而這時的分析員只需坐在PC機前就回對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。115 單元電路設計單元電路設計是在硬件總體設計的指導下完成一個個小的功能電路的設計，在將各個部分組合起來實現(xiàn)一個整體的功能，因此每一個功能電路設計的好壞都將影響系統(tǒng)的整體功能。完成每一個功能電路的設計后，設計階段才告以段落。這一部分的設計直接與實現(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計結(jié)果，因此這一部分的設計最有實際價值。 振蕩電路設計振蕩電路部分采用的是電容三點式振蕩電路，設計的主旨是在保證產(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行工作時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)是在滿足主旨的情況下進行選取的。因此諧振回路中電容CC2和電感L 、500μh 。其中電感值只是理論計算的理想值，實，電感值接近500uf但有一定范圍的偏差。偶合電容選用兩個10μf的獨石電容，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)試后振蕩電路的實際頻率為33KHz滿足我們的要求。電容三點式振蕩電路的工作原理分析，假設將反饋回路斷開，同時假如晶體管的基極以( +)極性信號，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電容的一端同時接地，另一端串一電感所以兩個電容的極性相反，即反饋端的為(+) 極性，因此滿足相位平衡條件 [15]。電路中晶體管的放大倍數(shù)比較大且C1，都有利于起振。由于反饋電壓是從電容兩端去出的對高次諧波的阻抗小，因此可將高次諧波濾除，所以輸出的波形好。電容三點式振蕩電路的頻率為：[15] (51)cfL2120/????使用諧振回路中的電感線圈進行金屬探測，當遇見金屬是電感L1的Q 值將發(fā)生變化，由電容三點式振蕩電路的頻率計算公式可以看出，電感增加時諧振頻率減小，電感減小時諧振頻率增加。電路的諧振頻率同時也影響著檢測金屬的精度，當諧振頻率高時12線圈產(chǎn)圖51 電容三點式振蕩電路生磁場的變化率也就越高，根據(jù)電磁感應原理在金屬內(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進行處理。電路原理圖如圖52 所示。從振蕩回路傳過來的正弦波信號經(jīng)過電壓跟隨器傳送到差分放大電路針對其交流信號進行放大，放大后產(chǎn)生的電壓信號送給TTL門電路對其進行整形以產(chǎn)生規(guī)則的脈沖波送入單片機。電壓跟隨器和差分運放均選用LM358。將集成運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，它的特點是輸入阻抗高輸出阻抗低，因此起到隔離的作用，對其后的工作電路如同一個恒壓源，又由于它的輸入阻抗高就相當與對前級電路開路，這里引入電壓跟隨器的目的也是為了使振蕩信號的產(chǎn)生和處理分開，使其互不影響。放大部分的作用是對正玄交流信號進行無窮放大，LM358的反向端接受電壓跟隨器穿過來的電壓信號，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13聯(lián)一個10μf的電解電容的目的是為了使同向端保持一個穩(wěn)定的直流分壓，這樣送往集成運放的差分電壓信號就只是交流信號，在交流信號進行無窮次的放大，最終產(chǎn)生的是頻率與正弦波頻率相同的梯形波。門電路選用的是74LS08(與門)，用史密特觸發(fā)器替換也可以，它對輸入的梯形波進行邏輯運算在以TTL電平出運算結(jié)果，因此可以將梯形波轉(zhuǎn)換成適合于單片機進行處理的脈沖波。圖52 放大與脈沖轉(zhuǎn)換電路使用LS08 進行波形變換的原理圖如圖52所示，正弦波經(jīng)過上圖的放大模塊后變?yōu)樘菪尾ǎ菪尾ń?jīng)過LS08最后變換為標準的方波。YT梯形波脈沖波圖53 波形轉(zhuǎn)換14 單片機系統(tǒng)圖54就是單片機處理系統(tǒng)，將頻率探測、報警和通訊幾個模塊程序組合起來燒寫進去，它就會按你事先編寫好的步驟進行工作。1)復位 電路REST引腳一但變成兩個周期以上高電平所有的I/O 口都將復位到“1” 狀態(tài)，編程地址計數(shù)器復位到000H，針對這一特點在按鈕兩端并聯(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時鐘周期以上的高電平。2)蜂鳴 器在給蜂鳴器的正極和負極分別通上高電平和低電平時蜂鳴器就會發(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)單片機單片機選用的是AT89C2051高性能CMOSE8位單片機，內(nèi)含2K的可反復檫寫的FLASH只讀存儲器和 128B的隨機存儲器。由于本次金屬探測器的設計，包括前端金屬探測部分和后臺數(shù)據(jù)處理和顯示兩個部分，因此在前斷只需要一個容量不大的單片機進行振蕩頻率的測量、報警和通信，2K的AT89C2051 足以滿足需求。2051的“1”號記數(shù)器記錄由LS08發(fā)送過來的脈沖信號，聯(lián)合“0”號計數(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的發(fā)光二極管和峰鳴器進行報警。圖54 前端金屬探測部分單片機系統(tǒng)15 外圍設置與顯示系統(tǒng)圖55就是外圍設置與顯示系統(tǒng)，它有三部分構(gòu)成：鍵盤輸入、液晶顯示和單片機系統(tǒng)。1)鍵盤輸 入鍵盤采用的是23的按鍵陣列，如圖56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按鈕按下。例如給P1的低5位的電平信號為11000，假如現(xiàn)在第2個按鈕按下則此時的管腳電平信號為01000，所以判斷為第一行。再將P1的低5位置為00111，由于第2個按鈕被按下，則此時的管腳電壓為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、金屬類型、精度設置時的一些提示語，其次，有了顯示器對鍵盤的調(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，使用起來比較方便。且價格低廉可以滿足需求。3)單片機系 統(tǒng)單片機使用的是有8K容量FLASH的AT89S52，由于在這個模塊要引進算法對數(shù)據(jù)進行再處理，在加上液晶和鍵盤的驅(qū)動程序，所以需要比較大的程序空間。圖56 陣列鍵盤原理圖16圖55 液晶顯示器接線圖176 軟件模塊設計硬件電路要完成的任務是，產(chǎn)生振蕩，并將波形變換為能夠被單片機處理的方波，接下來進行頻率測定、報警、通訊等都要用程序?qū)崿F(xiàn)最后燒入單片機。以下是各功能模塊的軟件設計。軟件模塊是整個系統(tǒng)的靈魂，軟件部分設計的好壞直接影響到系統(tǒng)的精度、可用性、方便性和智能性。好的軟件上在實現(xiàn)系統(tǒng)功能的前提下盡可能的友好，方便用戶的使用。金屬探測器中的程序分為兩個部分，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的工作，如振蕩頻率的檢測，比較，報警等，它與底層的硬件關(guān)系比較密切所以采用匯編語言進行編寫，而外圍數(shù)據(jù)處理與顯示模塊是進行數(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)，對其進行處理顯示。它的程序量比較大，包括鍵盤的驅(qū)動和液晶的驅(qū)動，所以選擇模塊性比較強的c 語言進行編寫，兩個模塊結(jié)合起來實現(xiàn)了一個更加方便、智能的數(shù)字金屬探測器。 前端軟件設計前端軟件負責頻率的測定、頻率的比較、報警以及與外圍模塊的通信，程序流程圖如圖61 所示。1)頻率 獲得獲得頻率是通過定時器T0和計數(shù)器T1兩個協(xié)同工作而完成的。程序中所使用的頻率不論是基準頻率還是新探測的頻率，都是50ms內(nèi)所獲得的脈沖數(shù)。這對此次設計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間，二是減小△PRISE(它是頻率波動的范圍，如果超出此范圍則報警)。2)獲取基準 頻率基準頻率的獲得至關(guān)重要，因為它一經(jīng)獲得將作為判斷有無金屬的基準。其值的可靠性將影響整個程序的健壯性。基準頻率的獲得是按照如下方法獲得的，如圖62所示。18初始化基準頻率測定F _ F R = = 1 ?探測當前頻率F _ C O M M = = 1 ?調(diào)用精度設置頻率比較F _ C O M P = = 1F _ C O M M = = 1 ?發(fā)送頻率報警是否是否是否是否圖61 前端金屬探測主程序流程圖F_COMM：標志是否進行通訊； F_COMP：標志比較的結(jié)果；F_FR：標志基準頻率是否成功獲得F_FR：標志是否已經(jīng)順利獲得基準頻率。F_COMM：后臺是否發(fā)送通信請求。F_OK：標志通訊已建立。F1：新獲取的頻率。F 基準頻率。19延 時R 0 = 1 0當 前 頻 率 → F獲 得 當 前 頻 率 F 1F 1 2 F F 1 + 2F = F 1R 0 1 → R 0R 0 = = 0 ?返 回是否是否 圖62 基準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63所示，比較模塊比較重要，程序通過它它來判斷是否要發(fā)出警報和發(fā)出什么樣的警報，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 設置模塊精度設置模塊的程序流程圖如圖64所示，精度設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的值設置的都比較大則對微小的頻率變化系統(tǒng)不會發(fā)出警報。20( 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 ,