【正文】 時，送出轉(zhuǎn)換結(jié)束信號 EOC（低到高），并將8 位數(shù)字量 D7—D0所存到輸出緩存器。 ADC0809 的模擬輸入范圍：單極性 0~5V，設(shè)計中采用 +5V 單電源供電 [17]。 ADC0809 的片內(nèi)沒有時鐘，時鐘信號必須由外部提供，這里利用 AT89S52 提供的地址鎖存允許信號ALE 經(jīng)計數(shù)器 74LS163（邏輯功能見表 21）構(gòu)成的 4 分頻器分頻獲得。本設(shè)計中只適用通道 IN0，所以，地址譯碼器 ABC 直接接地為 000，采用線選法尋址。 長春理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 11 圖 210 ADC0809 芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 圖 211 ADC0809 的工作時序 比較器 A/D VREF() 8 路模擬開關(guān) 地址鎖存記譯碼 三態(tài)輸出寄存器 電阻網(wǎng)絡(luò) 豎狀開關(guān) 逐位逼近寄存器 SAR 時序于控制 START EOC CLK OE D7 D0 IN7 IN0 ADDC ADDB ADDA ALE VREF(+) 長春理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 12 ADC0809 是 8 位逐次逼近型 A/D 轉(zhuǎn)換器，片內(nèi)有八路模擬開關(guān)，可對八路模擬電壓量實現(xiàn)分時轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換速度為 100μs(即 10 千次 /秒 )。 2． 3． 3 A/D 轉(zhuǎn)換電路 由于采集到的信息是連續(xù)變化的模擬量，不能被單片機直接處理，所以，必須把這些模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量后才能夠輸入到 單 片機中進行處理，這里選用了經(jīng)濟實用的 ADC0809 型 A/D 轉(zhuǎn)換器來完成模數(shù)轉(zhuǎn)換。當 Vi2 再次上升使 VO2 上升并使 D D5 導(dǎo)通， D3 截止，再次對電容C6 充電（ VC 高于前次充電時電壓）， Vi2 下降時， D D5 又截止， D3 導(dǎo)通， VC將峰值再次保持。當輸入電壓 Vi2上升時，VO2跟隨上升，使二極管 D D5導(dǎo)通， D3截止，運放 U2B 工作在深度負反饋狀態(tài)，給電容 C6充電， VC上升。第二級運放 U2C 組成緩沖放大器，將輸出與電容隔離開來。采用阻容耦合的方法可以使前后級電路的靜態(tài)工作點保持獨立，隔離各級靜態(tài)之間的相互影響，使得電路總溫漂不會太大。在電路設(shè)計中，運放 LM324 采用 +5V 單電源供電，對于不同強度的信號均可通過調(diào)解前級放大電路的反饋電位器 W1來改變其放大倍數(shù)。它的內(nèi)部包含四組形式完全相同的運算放大器，除電源共用，四組運放相互獨立。 2． 3． 2 放大和峰值檢波電路 由于 UGN3503U 線性霍爾元件采集到的電壓信號是一個毫伏級的信號，信號十分微弱，所以，再對其進行處理前，首先要進行放大。在測量磁場時，將元件的第一腳（面對標志面從左到右）接電源 （工作電壓為 5V），第二腳接地，第三腳接高輸入阻抗（ 10kΩ）電壓表，通電后，將電路放入被測磁場中，因霍爾元件只對垂直于霍爾片表面的磁感應(yīng)強度敏感，因而必須讓磁力線垂直于電路表面，當沒有磁場（ B=0 G）時，靜態(tài)輸出電壓是電源電壓的一半（即 VCC/2），當外加磁場的南極靠近器件標志面時，會使輸出電壓高于靜態(tài)輸出電壓；當外加磁場的北極靠近器件標志面時，會使輸出電壓低于靜態(tài)輸出電壓，但仍然是正值。具有靈敏度高，線性度好；結(jié)構(gòu)牢固，體積小，重量輕，耐震動，功耗小，壽命長，d W I B 圖 26 霍爾效應(yīng)原理 圖 I UH 長春理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 9 頻率高（可達 1MHz）；輸出噪聲低等特點。該器件的磁電轉(zhuǎn)換特性曲線如圖 25 所示，其輸出電壓和加在霍爾元件上的磁感強度 B 成比例。據(jù)此，將霍爾元件做成各種形式的探頭，固定在工作系統(tǒng)的適當位置，用它去檢測工作磁場，再根據(jù)霍爾輸出電壓的變化提取被檢信息，這就是線性霍爾元件的基本物理依據(jù)和作用。因此當外加電壓電源電壓一定時，通過的電流 I 為 一恒值，此時輸出電壓只與加在霍爾元件上的磁場B 的大小成正比，即： UH=KB(V) （ 24） 此時 K=KHI 為常數(shù)。這時，片子兩側(cè)建立起一個穩(wěn)定的電壓，這就是霍爾電壓UH，霍爾電壓 UH可用下式表示： dIBRU HH /? （ V） （ 22） 式中 RH霍爾常數(shù)（ m3C1） ； I電流（ A） ； B磁感應(yīng)強度（ T） ； d霍爾元件的厚度（ m） 令 KH=RH/d(VA1Wb1m2)， 得到 UH=KHIB(V) (23) 由上式可知，霍爾電壓的大小成正比 于 控制電流 I 和磁感應(yīng)強度 B。 長春理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 8 這種現(xiàn)象的產(chǎn)生，是因為通電半導(dǎo)體片中的載流子在磁場產(chǎn)生的洛侖茲力的作用下，分別向片子橫向兩側(cè)偏轉(zhuǎn)和積聚，因而形成一個電場，稱作霍爾電場。 圖 24 UGN3503U 的功能框圖 圖 25 UGN3503U 的磁電轉(zhuǎn)換特性曲線 霍爾元件是依據(jù)霍爾效應(yīng)制成的器件。 UGN3503U 線性霍爾傳感器的主要功能是可將感應(yīng)到的磁場強度信號線性地轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?[14]。由于在脈沖信號作用下， Q1處于開關(guān)工作狀態(tài)，而導(dǎo)通時間又非常短，所以非常省電，可以利用 9V 電池供電 [13]。振蕩器的頻率計算公式為 [12]： 長春理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 7 2ln)2( 1 111110 CRRf ?? （ 21） 圖示參數(shù)對應(yīng)的頻率為 24KHz 的超長波頻率是為了減弱土壤對電磁波的影響。 長春理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 5 第 2 章 硬件電路設(shè)計 2． 1 系統(tǒng)組成 如圖 21 所示，整個探測系統(tǒng)以 8 位單片機 AT89S52 作為控制中心，其硬件電路分為兩個部分，一部分為線圈震蕩電路，包括：多諧振蕩電路，放大電路和探測 線圈 ；另一部分為控制電路，包括： UGN3503 型線性霍爾元件、前置放大電路、峰值檢波電路、 ADC0809 模數(shù)轉(zhuǎn)換器、 AT89S52 單片機、 LED 顯示電路、聲音報警電路及電 源電路等 [10][11]。 Ⅱ .環(huán)境溫度的變化，儀器元件參數(shù)也會改變，影響儀器工作的穩(wěn)定。但為了確保通過霍爾元件的磁通量，匝數(shù)的減少也是有限的，需通過實驗來確定最佳匝數(shù) [8][9]。 （ 2）檢測線圈的匝數(shù)對儀器的靈敏度有影響。 2．靈敏度分析 長春理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 4 由公式 (12)即 ： tRxIRNB mr ??? c o s)(2 232220?? 可知： （ 1）檢測 線圈的尺寸對儀器的靈敏度有影響。 1． 4 主要性能分析 金屬探測器的工作頻率、靈敏度和穩(wěn)定性是儀器的主要技術(shù)指標。 本設(shè)計正是基于這樣的理論，來尋找一種適合的傳感器來感應(yīng)線圈的磁場變化，并把磁場信號的變化轉(zhuǎn)變成電信號的變化，從而實現(xiàn)單片機的控制。 通過以上分析可知，當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)強度 B 的變化。據(jù)此，將一交流正弦信號接入繞在骨架上的空心線圈上，流過線圈的電流會在周圍產(chǎn)生交變磁場，當將金屬靠近線圈時， 金屬產(chǎn)生的渦流磁場的去磁作用會削弱線圈磁場的變化。 （ 2）渦流效應(yīng) [6]：根據(jù)電磁理論，我們知道，當金屬物體被置于變化的磁場中時，金屬導(dǎo)體內(nèi)就會產(chǎn)生自行閉合的感應(yīng)電流，這就是金屬的渦流效應(yīng)。根據(jù)電磁感應(yīng)原理，當有金屬物靠近通電線圈平面附近時，將發(fā)生如下現(xiàn)象和效應(yīng) [3]； 長春理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 3 圖 11 通電線圈工作示意圖 （ 1）線圈介質(zhì)條件的變化 ： 當金屬物接近通電線圈時，將使通電線 圈周圍的磁場發(fā)生變化，如圖 11，對于半徑為 R 的單匝圓形電感線圈，當其中通過交變電流 I=Imcosω 時，線圈周圍空間產(chǎn)生交變磁場，根據(jù)畢奧一薩伐爾定律可計算出線圈中心軸線上一點的磁感應(yīng)強度 B 為 [4]： tRx IRRx IRrIRdlrRrIdBdBB mrRx ???????? ? c o s)(2)(224s i n 2322 202322 23 220 2 ???????? ?? ? （ 11） 其中， μ=μ0μr ， μ 為介質(zhì)的磁導(dǎo)率， μr為相對磁導(dǎo)率， μ0為真空磁導(dǎo)率。應(yīng)用領(lǐng)域也隨著產(chǎn)品質(zhì)量的提高延伸到了多個行業(yè)。 40 多年過去了， 金屬探測器經(jīng)歷了幾代探測技術(shù)的變革，從最初的信號模擬技術(shù)到連續(xù)波技術(shù)直到今天所使用的數(shù)字脈沖技術(shù)，金屬探測器簡單的磁場切割原理被引入多種科學(xué)技術(shù)成果。與此同時西方興起的 “尋寶熱 ”，也使手持式、便攜式金屬探測器得到長足的發(fā)展 。同樣在 70 年代，由于金屬探測門在機場安檢中的嶄露頭角，大型運動會 (如奧運會 )展覽會及政府重要部門的安全保衛(wèi)工作中開始啟用金屬探測門作為必不可少的安檢儀器。某些所謂生產(chǎn)廠商這種投入小、研發(fā)周期短的商業(yè)行為勢必導(dǎo)致產(chǎn)品的一致性差，可靠性低以及安檢產(chǎn)品社會信譽度降低，設(shè)備從根本上保證不了安檢要求。其實，國內(nèi)金屬探測器產(chǎn)品的研發(fā)、生產(chǎn)和推廣，近幾年已獲得較大進步。隨著國內(nèi)安全防護行業(yè)的蓬勃發(fā)展，在安檢領(lǐng)域，國內(nèi)出現(xiàn)了多個金屬探測器生產(chǎn)廠商，但在國內(nèi)市場占有率上來看國外品牌占有 80%的市場份長春理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 2 額，民航市場也一直是國內(nèi)金屬探測器的禁區(qū)。 隨后于 1970 年，隨著社會的不斷發(fā)展，金屬探測器被引入一個新的應(yīng)用領(lǐng)域 — 安全檢查，其廣泛運用于民航、公安、緝私和邊防等領(lǐng)域，也就是今天我們所使用的金屬探測器的雛形，它的出現(xiàn)意味著人類對安全的認知 已步入了一個新的時代。也可用于探測隱藏于墻內(nèi)、護墻板內(nèi)側(cè)、空洞和土壤中的上述物品和其他金屬物 [2]。 本文介紹的基于單片機控制的智能型金屬探測器，采用靈敏度極高的線性霍爾元件作為傳感器，感應(yīng)由于金屬出現(xiàn)引起的探測線圈周圍磁場的變化，提高了檢測精度 ； 處理部件則采用 AT89S52 單片機作為檢測和控制核心，對檢測結(jié)果進行分析判斷，有效地保證了檢測原理的實施 ； 此外，利用軟件濾波的方法代替了傳統(tǒng)探測器復(fù)雜的模擬電路器件，大大提高了系統(tǒng)的可靠性、靈敏度和抗干擾性。目前，國外雖然己有較為完善的系列產(chǎn)品 (如 ElPaso,CeiaUSA,Rangeramp。 由此可見，金屬探測器對工業(yè)生產(chǎn)及人身安全起著重要的作用。 the environment temperature and humidity in site, the winding technology of coils and the stability of power supply are the factors effected on stability of instrument. KEY WORDS： SCM (Single Chip Micyoco) Metal detector Linear halleffect sensor Electricmagic induction sensitivity 長春理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 I 目 錄 摘 要 .............................................................................................................................. I Abstract......................................................................................................................... II 第 1 章 分析探測金屬的理論依據(jù) ..............................................................................1 1． 1 金屬探測器的研究意義 ...............................................................................1 1． 2 金屬探測器的發(fā)展現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 ...........................................................1 1． 3 金屬探測器理論依據(jù) .............................................................................