【文章內(nèi)容簡介】 、中斷計時、單片機(jī)電路、輸出電路（報警或顯示）六部分組成。 4）軟件方案的設(shè)計 軟件設(shè)計要求完成：測量功能、動態(tài)顯示檢測結(jié)果、數(shù)據(jù)輸出功能。 5）系統(tǒng)聯(lián)合調(diào)試與參數(shù)測試 完成硬件和軟件的聯(lián)合調(diào)試，以及參數(shù)測量。 成果特色 該課題的關(guān)鍵技術(shù)在于信號的檢測、傳輸和軟件的識別，以及實現(xiàn)方法的討論。該課題涉及傳感器技術(shù)、通訊技術(shù)、單片機(jī)和 C語言編程等，具有一定的綜合性和復(fù)雜性。 本文所完成的設(shè)計將要努力實現(xiàn)以下特點： ① 必須具有足夠高的靈敏度，能檢測出滿足精度要求的金屬雜質(zhì) ； ② 必須具有足夠高的穩(wěn)定度，能抵抗各種外界環(huán)境的干擾，維護(hù)方便； ② 快速完成檢測數(shù)據(jù)采集、處理、顯示、存儲和標(biāo)記等任務(wù) ； ④ 有良好的人機(jī)對話界面，可以靈活的修改參數(shù)，有記憶功能 ； ⑤易于擴(kuò)展，有較好的靈活性。 5 2 總體設(shè)計 探測金屬的理論依據(jù) 金屬探測器是采用線圈的電磁感應(yīng)原理來探測金屬的，對于如圖 21所示的半徑為 R 的單匝圓形電感線圈，當(dāng)其中通過交變電流 I= CoswlmI 時，線圈周圍空間會產(chǎn)生交變磁場 D根據(jù)畢奧 薩伐爾定律可計算出線圈中心軸線上一點的磁感應(yīng)強(qiáng)度 B為： wlRx IRRx IRrIRdlrRrIRdBdB mrx c o s)(2)(224s i n 2322 202322 23 220 22 ??????? ? ?? ??????? ?（ 21） 其中 r??? 0? ， ? 為介質(zhì)的磁導(dǎo)率， r? 為相對磁導(dǎo)率， 0? 為真空磁導(dǎo)率。 圖 21 環(huán)形載流導(dǎo)線的磁場 由公式（ 21）可知，當(dāng)線圈有效探測范圍內(nèi)無金屬物時， 1?r? （非金屬的相對磁導(dǎo)率），線圈中心磁感應(yīng)強(qiáng)度 B 保持不變。 當(dāng)線圈有效探測范圍內(nèi)出現(xiàn)鐵磁性金屬物時，由于鐵磁性金屬的相對磁導(dǎo)率1?r? ，所以，磁感應(yīng)強(qiáng)度 B 也會隨 r? 的增大而增大。 當(dāng)線圈有效探測范圍內(nèi)出現(xiàn)非鐵磁性金屬物時，因為非鐵磁性金屬的相對磁導(dǎo)率1r?? ，所以，磁感應(yīng)強(qiáng)度 B 也會隨 r? 的減小而減小。另一方面，置于該交變磁場中的金屬導(dǎo)體內(nèi)會產(chǎn)生自行閉合的渦電流，渦流要產(chǎn)生附加的磁場 $與外磁場方向相反$會削弱線圈磁場的變化。金屬的電導(dǎo)率 ? 越大，線圈中通過的交變電流的頻率 ? 越大，則渦電流強(qiáng)度就越大，對原磁場的抑制作用越強(qiáng)。 通過以上分析可知，當(dāng)有金屬物靠近通電線圈平面附近 時，無論是介質(zhì)磁導(dǎo)率的變化 $還是金屬的渦流效應(yīng)均能引起磁感應(yīng)強(qiáng)度 B的變化。 本設(shè)計正是基于上述理論，尋找一種適合的傳感器來感應(yīng)金屬的出現(xiàn)而引起的線圈磁場變化 $并把磁場信號的變化轉(zhuǎn)變成電信號的變化，從而實現(xiàn)單片機(jī)的控制。 6 傳感器原理 金屬探測系統(tǒng)采用的是電渦流傳感器渦流傳感器，此類傳感器具有體積小、靈敏度高、頻率響應(yīng)寬等等特點。 電渦流傳感器是基于電磁感應(yīng)原理而工作的，但完全不同于電磁感應(yīng)，并且在實際測量中要避免電磁感應(yīng)對其的干擾。電渦流的形成：現(xiàn)假設(shè)有一線圈中的鐵心是由整塊鐵磁材料制成的，此鐵心可以看成是由許多與磁通相垂直的閉合細(xì)絲所組成，因而形成了許多閉合的回路。當(dāng)給線圈通入交變的電流時，由于通過鐵心的磁通是隨著電流做周期性變化的，所以在這些閉合回路中必有感應(yīng)電動勢產(chǎn)生。在此電動勢的作用下，形成了許多旋渦形的電流，這種電流就稱為電渦流。電渦流傳感器的工作原理如圖 22所示 。 當(dāng)線圈中通過高頻電流 i時，線圈周圍產(chǎn)生高頻磁場，該磁場 作用于金屬體，但由于趨膚效應(yīng)，不能透過具有一定厚度的金屬體，而僅作用于金屬表面的薄層內(nèi)。在交變磁場的作用下金屬表面產(chǎn)生了感應(yīng)電流 Ie，即為渦流。感應(yīng)電流也產(chǎn)生一個交變磁場并反作用于線圈上，其方向與線圈原磁場方向相反。這兩個磁場相互疊加，就改變了原來線圈的阻抗 Z， Z 的變化僅與金屬導(dǎo)體的電阻率 ρ、導(dǎo)磁率 u、激勵電磁強(qiáng)度 i、頻率 f、線圈的幾何形狀 r 以及線圈與金屬導(dǎo)體之間的距離有關(guān)。線圈的阻抗可以用如下的函數(shù)式表示： Z=F（ ρ、 u、 i、 f、 d）。當(dāng)被測對象的材料一定時， ρ、 u 為常數(shù)，儀表中的 i、 f、 d 也為定值，于是 Z 就成為距 離 d 的單值函數(shù) 。 電渦流式傳感器的原理圖如圖 22所示。 圖 22 傳感器的原理圖 該圖由傳感器線圈和被測導(dǎo)體組成線圈 — 7 根據(jù)法拉第定律 ， 當(dāng)傳感器線圈通以正弦交變電流 I1 時 ， 線圈周圍空間必然產(chǎn)生正弦交變磁場 H1， 使置于此磁場中的金屬導(dǎo)體中感應(yīng)電渦流 I2， I2 又產(chǎn)生新的交變磁場 H2。根據(jù)愣次定律 ， H2 的作用將反抗原磁場 H1， 導(dǎo)致傳感器線圈的等效阻抗發(fā)生變化。 由上可知 ， 線圈阻抗的變化完全取決于被測金屬導(dǎo)體的電渦流效應(yīng)。而電渦流效應(yīng)既與被測體的電阻率ρ、磁導(dǎo)率μ以及幾何形狀有關(guān) ， 又與線圈幾何參數(shù)、線圈中激磁電流頻率有關(guān) ， 還與線圈與導(dǎo)體間的距離 x 有關(guān)。因此 ， 傳感器線圈受電渦流影響時的等效阻抗 Z的函數(shù)關(guān)系式為： Z=F（ρ ， μ ， r， f， x） 式中 :r—— 如果保持上式中其它參數(shù)不變 ， 而只改變其中一個參數(shù) ， 傳感器線圈阻抗 Z 就僅僅是這個參數(shù)的單值函數(shù)。通過與傳感器配用的測量電路測出阻抗 Z的變化量 ， 即可實現(xiàn)對該參數(shù)的測量。 基本特性 電渦流傳感器簡化模型如圖 23 所示。模型中把在被測金屬導(dǎo)體上形成的電渦流等效成一個短路環(huán) ， 即假設(shè)電渦流僅分布在環(huán)體之內(nèi) ， 模型中 h由以下公式求得： 圖 23 電渦流傳感器簡化模型 210 )( fuh r???? （ 22） 式中 :f— 根據(jù)簡化模型 ， 可畫出如圖 24 所示等效電路圖。圖中 R2為電渦流短路環(huán)等效電阻 ， 其表達(dá)式為： 8 inrrhR ln22 ??? （ 23） 圖 24 電渦流傳感器等效電路 根據(jù)基爾霍夫第二定律 ， 可列出如下方程： R1 1?I +jω L11?I jω L2 2?I = 1?U 式中 :ω —— 線圈激磁電流角頻率 ； R L1—— 線圈電阻和電感 ； L2—— 短路環(huán)等效電感 ； R2—— 短路環(huán)等效電阻。 等效阻抗 Z的表達(dá)式為： ])([)( 222222212222221112 LwLRMwLjwRwLR MwRIUZ ?????????eqeq jwLR ?? （ 24） Req—— 線圈受電渦流影響后的等效電阻 ； Leq—— 線圈的等效品質(zhì)因數(shù) Q 值為 Q=eqeqRwL 綜上所述 ， 根據(jù)電渦流式傳感器的簡化模型和等效電路 ， 運(yùn)用電路分析的基本方法得到的方程式 ， 即為電渦流基本特性。 電渦流形成范圍 1 線圈 — 導(dǎo)體系統(tǒng)產(chǎn)生的電渦流密度既是線圈與導(dǎo)體間距離 x的函數(shù) ， 又是沿線圈半徑方向 r的函數(shù)。當(dāng) x 一定時 ， 電渦流密度 J 與半徑 r的關(guān)系曲線如圖 25 所示。 由圖可知金屬導(dǎo)體表面電渦流密度，即電渦流密度最大值。 Jr 為半徑 r 處的金屬導(dǎo)體表面電渦流密度。 ①電渦流徑向形成的范圍大約在傳感器線圈外徑 ras的 ～ 倍范圍內(nèi) ， 且分 9 ②電渦流密度在短路環(huán)半徑 r=0 處為零。 圖 25 電渦流密度 J與半徑 r的關(guān)系曲線 ③電渦流的最大值在 r=ras ④可以用一個平均半徑為 ras（ ras=（ ri+ra） /2）的短路環(huán)來集中表示分散的電渦流（圖中陰影部分）。 2 理論分析和實驗都已證明 ， 當(dāng) x 改變時 ， 電渦流密度發(fā)生變化 ， 即電渦流強(qiáng)度隨距離 x的變化而變化。根據(jù)線圈 — 導(dǎo)體系統(tǒng)的電磁作用 ， 可以得到金屬導(dǎo)體表面的電渦流強(qiáng)度中 : I1—— 線圈激勵電流； I2—— 金屬導(dǎo)體中等效電流； x—— 線圈到金屬導(dǎo)體表面距離； ras—— 線圈外徑。 分析表明 : ①電渦強(qiáng)度與距離 x 呈非線性關(guān)系 ， 且隨著 x/ras ②當(dāng)利用電渦流式傳感器測量位移時 ， 只有在 x/ras1(一般取 ～ )的范圍才能得到較好的線性和較高的靈敏度。 圖 26所示為透射式渦流厚度傳感器結(jié)構(gòu)原理圖。在被測金屬的上方設(shè)有發(fā)射傳感器線圈 L1， 在被測金屬板下方設(shè)有接收傳感器線圈 L2。當(dāng)在 L1上加低頻電壓 U1 時 ，則 L1上產(chǎn)生交變磁通Φ 1， 若兩線圈間無金屬板 ， 則交變磁場直接耦合至 L2中 ， L2產(chǎn)生感應(yīng)電壓 U2。如果將被測金屬板放入兩線圈之間 ， 則 L1 線圈產(chǎn)生的磁通將導(dǎo)致在金屬板中產(chǎn)生電渦流。此時磁場能量受到損耗 ， 到達(dá) L2的磁通將減弱為Φ′ l， 從而 10 使 L2產(chǎn)生的感應(yīng)電壓 U2下降。金屬板越厚 ， 渦流損失就越大 ， U2電壓就越小。因此 ，可根據(jù) U2 電壓的大小得知被測金屬板的厚度 ， 透射式渦流厚度傳感器檢測范圍可達(dá)1～ 100mm， 分辨率為 m， 線性度為 1%。 圖 26 透射式渦流厚度傳感器結(jié)構(gòu)原理圖 基于單片機(jī)的金屬探測器的設(shè)計方案 金屬探測器的設(shè)計方案根據(jù)它的應(yīng)用的不同而不同，這里引入兩種與本次設(shè)計應(yīng)用相進(jìn)的金屬探測設(shè)計方案，拿它們與我們的設(shè)計方案進(jìn)行對比，以突顯出彼此的優(yōu)缺。 正如綜述里所說的數(shù)字金屬探測器的設(shè)計是順應(yīng)時代發(fā)展，本次設(shè)計所要完成的任務(wù)是實現(xiàn)一個基于單片機(jī)的手持金屬探測器。其模型如圖 27所示?？梢钥闯鏊伤牟糠纸M成：高頻振蕩、信號放大、脈沖轉(zhuǎn)換和信號的處理與報警，下面簡單論述以下各個模塊的功能。 初看上去在結(jié)構(gòu)上和本次設(shè)計的金屬探測器很相近，實際上它們存在本質(zhì)的差別。首先，兩者在設(shè)計思想上完全不同， 1）高頻振蕩 這一部分是金屬探測的基礎(chǔ)，金屬探測器的原理是：當(dāng)金屬物體置于變化的磁場當(dāng)中時，金屬內(nèi)部就會產(chǎn)生渦流，而渦流所產(chǎn)生的磁場又會影響原磁場。高頻振蕩部分的任務(wù) 首先就是產(chǎn)生變化的磁場，它往往由一 LC振蕩電路組成。其次，在遇見金屬后由于金屬內(nèi)部渦流的存在，它的磁場會影響原有磁場，使原有振蕩電路的振幅和周期都發(fā)生改變。這種改變經(jīng)轉(zhuǎn)換后送入單片機(jī)，單片機(jī)中有相應(yīng)的程序?qū)ζ溥M(jìn)行分析判斷。 2）放大電路 振蕩電路所產(chǎn)生的正弦波信號的幅值是比較小的，因此需要放大才能進(jìn)行再處理。 3）脈沖轉(zhuǎn)換電路 這是本套設(shè)計方案所獨(dú)有的，它是實現(xiàn)本次金屬探測數(shù)字化的橋梁，單片機(jī)只能處理數(shù)字脈沖信號，因此振蕩電路所產(chǎn)生的信號經(jīng)放大不能直接送入單片機(jī)，這一部 11 分只需要一個 TTL門電路對放大電路輸出 的波形進(jìn)行轉(zhuǎn)換就行，簡單但很重要。 4）信號處理與報警 這一部分是整個電路的大腦，所有的電路都是為它服務(wù)，這一部分也是整個探測器實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化或其他功能的橋梁。作為整個電路的大腦，它對整個電路所產(chǎn)生的信號做最終的處理，并根據(jù)處理的結(jié)果決定是否存在金屬，是否要發(fā)出警報。這一部分處理能力的強(qiáng)弱影響這整個系統(tǒng)的性能。作為與外部進(jìn)行溝通的橋梁，它可以將金屬探測的信息發(fā)送給外圍模塊供他們進(jìn)行進(jìn)一步的處理，它同時也接收外圍模塊傳送過來的控制信號，如對金屬探測的精度或其他方面進(jìn)行設(shè)置。 高 頻 振 蕩 信 號 放 大 脈 沖 轉(zhuǎn) 換信 號 處 理 與 報警電 源 圖 27 手持?jǐn)?shù)字金屬探測器原理 框圖 系統(tǒng)設(shè)計 總體設(shè)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(dǎo)性的作用，因此總體設(shè)計的好壞影響深遠(yuǎn)，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(chǔ)，是軟件系統(tǒng)得以運(yùn)行的平臺，因此將它放在前面，先依據(jù)硬件的總體設(shè)計方案，完成各個單元電路的設(shè)計與實現(xiàn)，接下來再根據(jù)軟件模塊的總體方案設(shè)計程序流程，在硬件電路的基礎(chǔ)之上進(jìn)行調(diào)試。但在設(shè)計之初兩個部分都需經(jīng)過認(rèn)真的分析，確定總體方案后再分階段進(jìn)行實現(xiàn)。 硬件電路設(shè)計 硬件電路設(shè)計是進(jìn)行軟件設(shè)計的基礎(chǔ)，是整個金屬探測器中最位重要的部分。它設(shè)計的好壞決定著系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可擴(kuò)展性。本次設(shè)計的金屬探測器的框圖如圖 28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(shè)置顯示模塊。 12 圖 28 手持?jǐn)?shù)字金屬探測器硬件設(shè)計框圖 。 軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計 1）前端程序結(jié)構(gòu)設(shè)計 圖 29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。它分析判斷前面功能電路傳過來的頻率信號對它進(jìn)行分析判斷最后決定是否發(fā)出檢測到金屬的警報。 圖 29 前端軟件設(shè)計結(jié)構(gòu)圖 前端軟件 基準(zhǔn)頻率測定 精度設(shè)置頻率檢 測 頻率比較 聲 光 報 警 通 訊 頻率測 定 比 較 線圈振蕩電路 放 大 電 路 脈沖變換電路 CPU AT89C2051 CPU AT89S52 報警 液晶顯示 鍵盤 13 2）外圍數(shù)據(jù)處理與顯示程序結(jié)構(gòu)設(shè)計 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器