【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 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84 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。線圈振蕩電路放 大電 路脈沖變換電路CPUAT89C2051CPUAT89S52報(bào)警液晶顯示鍵盤圖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9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)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)。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 較圖42 前端軟件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖10 外圍數(shù)據(jù)處理與顯示程序結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(shè) 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(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，探測(cè)小車將探測(cè)到的信息通過(guò)無(wú)線模塊即時(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。115 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)是在滿足主旨的情況下進(jìn)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(jì)算的理想值，實(shí)，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 [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(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：[15] (51)cfL2120/????使用諧振回路中的電感線圈進(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)12線圈產(chǎn)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13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(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。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?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)燒寫進(jìn)去，它就會(huì)按你事先編寫好的步驟進(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(guò)給行線和列線先后輸入，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 陣列鍵盤原理圖16圖55 液晶顯示器接線圖176 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)崿F(xiàn)最后燒入單片機(jī)。以下是各功能模塊的軟件設(shè)計(jì)。軟件模塊是整個(gè)系統(tǒng)的靈魂，軟件部分設(shè)計(jì)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(shí)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(cè)器中的程序分為兩個(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(cè)，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(yǔ)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(guò)來(lái)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(yǔ)言進(jìn)行編寫，兩個(gè)模塊結(jié)合起來(lái)實(shí)現(xiàn)了一個(gè)更加方便、智能的數(shù)字金屬探測(cè)器。 前端軟件設(shè)計(jì)前端軟件負(fù)責(zé)頻率的測(cè)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61 所示。1)頻率 獲得獲得頻率是通過(guò)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(cè)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(cè)器已經(jīng)足夠了，要想提高精度，一是延長(zhǎng)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(wú)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62所示。18初始化基準(zhǔn)頻率測(cè)定F _ F R = = 1 ?探測(cè)當(dāng)前頻率F _ C O M M = = 1 ?調(diào)用精度設(shè)置頻率比較F _ C O M P = = 1F _ C O M M = = 1 ?發(fā)送頻率報(bào)警是否是否是否是否圖61 前端金屬探測(cè)主程序流程圖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。19延 時(shí)R 0 = 1 0當(dāng) 前 頻 率 → F獲 得 當(dāng) 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(zhǔn)頻率測(cè)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(guò)它它來(lái)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(lái)改變金屬探測(cè)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64所示，精度設(shè)置是通過(guò)改變傳入給比較模塊的△PRISEH，△PRISEL 的值來(lái)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)。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 ,