【正文】 采用的是電容三點式振蕩電路，設(shè)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(jìn)行工作時不受廣播頻段的影響。這部分的電路圖如圖31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(shè)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：(31) [15]cfL2120/????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(dāng)諧振頻率高時線圈產(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22大，同是渦流產(chǎn)生磁場對原磁場的影響也就越大。圖31 電容三點式振蕩電路 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32 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(jìn)行放大，放大后產(chǎn)生的電壓信號送給TTL門電路對其進(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放均選用LM358 [12]。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(dāng)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弦交流信號進(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，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(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，它對輸入的梯形波23 0 0 整 形 波 形 振 蕩 波 形 進(jìn)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(jī)進(jìn)行處理的脈沖波。圖32 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32所示，正弦波經(jīng)過圖32的放大模塊后變?yōu)樘菪尾?，梯形波?jīng)過74LS08（與門） [14]，最后變換為標(biāo)準(zhǔn)的方波，如圖33所示。圖33 波形轉(zhuǎn)換 [21] 單片機(jī)系統(tǒng)圖34就是單片機(jī)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(jìn)去，它就會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)，編程地址計數(shù)器復(fù)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(fù)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24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只讀存儲器和 128B的隨機(jī)存儲器 [16][24][25]。由于本次金屬探測器的設(shè)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(jī)進(jìn)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(yīng)的發(fā)光二極管和峰鳴器進(jìn)行報警。圖34 前端金屬探測部分單片機(jī)系統(tǒng) 外圍設(shè)置與顯示系統(tǒng)圖35和圖 36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35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25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]。圖35 陣列鍵盤原理圖2）液晶顯示液晶顯示器以其微功耗、體積小、顯示內(nèi)容豐富、超薄輕巧的諸多優(yōu)點，在袖珍式儀表和低功耗應(yīng)用系統(tǒng)中得到越來越廣泛的應(yīng)用。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。字符型液晶模塊是一種用57點陣圖形來顯示字符的液晶顯示器，根據(jù)顯示的容量可以分為1行16個字、2行16個字、2行20個字等等，這里以常用的2行16個字的1602液晶模塊來介紹它的編程方法。（1）液晶各引腳功能1602采用標(biāo)準(zhǔn)的16腳接口，其引腳功能如表31所示。表31 1602引腳功能表 [13]腳號 標(biāo)識 電平 功能1 Vss GND 地2 Vdd +5V 正電源3 Vo 0～5V 對比度4 RS H/L 數(shù)據(jù) R/指令 R5 RW H/L 讀/寫6 E ↓ 命令7～14 D7～D0 雙向 數(shù)據(jù)線15～18 － 空腳 －261602液晶模塊內(nèi)部的字符發(fā)生存儲器（CGROM）已經(jīng)存儲了160個不同的點陣字符圖形，如表32所示。這些字符有：阿拉伯?dāng)?shù)字、英文字母的大小寫、常用的符號、和日文假名等。每一個字符都有一個固定的代碼，比如大寫的英文字母“A”的代碼是01000001B（ 41H） ，顯示時模塊把地址41H中的點陣字符圖形顯示出來，就能看到字母“A”。（2）液晶控制指令1602液晶模塊內(nèi)部的控制器共有11條控制指令，如表33所示。表32 點陣字符對應(yīng)表 [13]低位高位 0000 0010 0011 0100 0101 0110 0111 1010 1011 1100 1101 1110 11110000 ⑴ 0 Э P \ p _ タ ミ α Ρ0001 ⑵ ! 1 A Q a q □ ア チ ム 228。 q0010 ⑶ “ 2 B R b r r ィ ッ メ β θ0011 ⑷ 3 C S c s 」 ウ テ モ ε ∞0100 ⑸ $ 4 D T d t \ エ ト ャ μ Ω0101 ⑹ % 5 E U e u ロ オ ナ ュ Β Ο0110 ⑺ amp。 6 F V f v テ カ ニ ョ Ρ Σ0111 ⑻ 7 G W g w ア キ ヌ ラ ɡ ∏1000 ⑴ ( 8 H X h x ィ ク ネ リ ?Χ1001 ⑵ ) 9 I Y i y ウ ケ ノ ル 1 y1010 ⑶ * ： J Z j z エ コ ハ レ j 千1011 ⑷ + ； K [ k { オ サ ヒ ロ x 萬1100 ⑸ フ L ￥ l ∣ セ シ フ ヮ € ∩1101 ⑹ = M ] m } ュ ス ヘ ソ ≠ +1110 ⑺ . N ^ n ヨ セ ホ ハ n1111 ⑻ / ? O o ← ツ ソ マ ロ 246。表33 控制指令表 [13]指令 RS R/W D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0清顯示 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1光標(biāo)返回 0 0 0 0 0 0 0 0 1 置輸入模式 0 0 0 0 0 0 0 1 I/D S顯示開/關(guān)控制 0 0 0 0 0 0 1 D C B光標(biāo)和字符移位 0 0 0 0 0 1 S/C R/L 置功能 0 0 0 0 1 DL N F 置字符發(fā)生存儲器地址 0 0 0 1 字符發(fā)生存儲器地址（AGG）置數(shù)據(jù)存儲器地址 0 0 1 顯示數(shù)據(jù)存儲器地址（ADD）讀忙標(biāo)志或地址 0 1 計數(shù)器地址（AC）27寫數(shù)到 CGROM 或 DDRAM 1 0 要寫的數(shù)據(jù)從 CGROM 或 DDRAM 讀數(shù) 1 1 讀出的數(shù)據(jù)它的讀寫操作、屏幕和光標(biāo)的操作都是通過指令編程來實現(xiàn)的。 （說明：1為高電平、0為低電平）? 指令1：清顯示，指令碼01H，光標(biāo)復(fù)位到地址 00H位置；? 指令2：光標(biāo)復(fù)位，光標(biāo)返回到地址00H；? 指令3：光標(biāo)和顯示模式設(shè)置I/D：光標(biāo)移動方向，高電平右移，低電平左移S:屏幕上所有文字是否左移或者右移。高電平表示有效，低電平則無效；? 指令4：顯示開關(guān)控制。D：控制整體顯示的開與關(guān)，高電平表示開顯示，低電平表示關(guān)顯示C：控制光標(biāo)的開與關(guān)，高電平表示有光標(biāo)，低電平表示無光標(biāo)B：控制光標(biāo)是否閃爍，高電平閃爍，低電平不閃爍；? 指令5：光標(biāo)或顯示移位S/C：高電平時移動顯示的文字，低電平時移動光標(biāo)；? 指令6：功能設(shè)置命令DL：高電平時為4位總線，低電平時為8位總線N：低電平時為單行顯示，高電平時雙行顯示F：低電平時顯示57的點陣字符，高電平時顯示510的點陣字符（有些模塊是DL：高電平時為8位總線，低電平時為4位總線） ；? 指令7：字符發(fā)生器RAM地址設(shè)置；? 指令8：DDRAM地址設(shè)置；? 指令9：讀忙信號和光標(biāo)地址BF：為忙標(biāo)志位，高電平表示忙，此時模塊不能接收命令或者數(shù)據(jù)，如果為低電平表示不忙；? 指令10：寫數(shù)據(jù)；? 指令11：讀數(shù)據(jù)。DM162液晶顯示模塊可以和單片機(jī)AT89C51直接接口，電路如圖36所示。液晶顯示模塊是一個慢顯示器件，所以在執(zhí)行每條指令之前一定要確認(rèn)模塊的忙標(biāo)志為低電平，表示不忙，否則此指令失效。要顯示字符時要先輸入顯示字符地址，也就是告訴模塊在哪里顯示字符，表34是DM162的內(nèi)部顯示地址。表34 DM162的內(nèi)部顯示地址表 [13]1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 1600 01 02 03 04 05 06 07 08 09 0A 0B 0C 0D 0E 0F位置第一行第二行 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 4A 4B 4C 4D 4E 4F3）單片機(jī)系統(tǒng)單片機(jī)使用的是有8K容量FLASH的AT89S52 [11]，由于在這個模塊要引進(jìn)算法對數(shù)據(jù)進(jìn)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，故沒有28使用內(nèi)部存儲器小的AT89S51。圖36 液晶顯示器接線圖 [30]294 軟件模塊設(shè)計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，接下來進(jìn)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(jī)。以下是各功能模塊的軟件設(shè)計。軟件模塊是整個系統(tǒng)的靈魂，軟件部分設(shè)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(chǔ)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(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)，對其進(jìn)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(qiáng)的c 語言進(jìn)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(shè)計前端軟件負(fù)責(zé)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41 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(zhǔn)頻率還是新探測的頻率，都是50ms內(nèi)所獲得的脈沖數(shù)。這對此次設(shè)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(zhǔn)頻率基準(zhǔn)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(zhǔn)。其值的可靠性將影響整個程序的健壯性。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