【正文】 蔽線減少外界對其干擾。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，需要通過試驗來確定最佳匝數(shù)。 2． 檢測線圈的匝數(shù)對儀器的靈敏度有影響。 靈敏度分析 由公式 (l2)即 ： 可知： 1． 檢測線圈的尺寸對儀器的靈敏度有影響。 開 始保 存 均 值 U x 到 數(shù) 據(jù) 緩 沖 區(qū)判 斷 |U x U o | Δ U i ?顯 示 ， C P U 發(fā) 出 報 警 信 號結(jié) 束YN 圖 34 顯示報警流程圖 26 第 4 章 主要技術(shù)指標(biāo)分析 主要技術(shù)指標(biāo)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(biāo)。 2(數(shù)字濾波程序 )[15] 24 開 始清 零 最 大 值 寄 存 器 R 2 和 累 加 和 寄存 器 R 4 ， 最 小 值 寄 存 器 R 3 置 初 值N → R 0讀 A / D → A( R 4 ) + ( A ) → A輸 入 值 ( R 2 ) ?輸 入 值 → R 2輸 入 值 （ R 3 ) ?輸 入 值 → R 3累 加 和 和 中 減 去 最 大 值 和 最 小 值得 值 除 以 4 求 均 值返 回N 1 = 0 ？NYNNYN 圖 33 數(shù)字濾波流程圖 25 顯示 與報警 程序設(shè)計 1． 程序流程圖如圖 34 所示。其中， R2 寄存器存放最大值， R3 寄存器存放最小值， R4 寄存器存放累加 和， R0存放連續(xù)采樣次 數(shù)。 2． 程序清單參看附錄 2(鍵盤掃描控制程序 ) [14] 開 始初 始 化 ， 開 中 斷調(diào) 用 鍵 盤 掃 描 子 程 序是 否 有 鍵 按 下 ？調(diào) 用 鍵 值 判 斷 子 程 序功 能 鍵 K 1 加 1 鍵 K 2 減 1 鍵 K 3 確 定 鍵 K 4返 回NY 圖 32 鍵盤控制流程圖 數(shù)字濾波程序設(shè)計 設(shè)一個采樣周期，對通道 0 連 續(xù)采樣 6次，然后去掉最大和最小值，把剩余的累加和求算術(shù)平均值作為本周期采樣值。 主程序流程圖 1． 程序 流程圖 見下頁 圖 31 所示。 顯然 N越大，信號平滑 度越高，靈敏度就會降低，但是本設(shè)計中需要較高的靈敏度，所以 N取值不易過大，這里我選擇了 N=6，選擇取 6個數(shù)進行計算的原因，就是因為在匯編中做計算是非常麻煩的，取 6個數(shù)，減去最大值和最小值后，取平均值是除 4，計算機的內(nèi)部計算都是二進制，而二進制每除一個 2，實際上是向右移一次。用 軟件代替硬件，從而省去了復(fù)雜的硬件，而且能夠取得好而精確的效果。 21 數(shù)字濾波及算法說明 金屬探測器的噪聲抑制能力是金屬探測器的主要設(shè)計指標(biāo)。在檢測過程中，將 A/D轉(zhuǎn)換器采集到的電壓信號經(jīng)數(shù)據(jù)軟 件濾波后存入內(nèi)部RAM 以 30H 為首址的數(shù)據(jù)存儲器中，然后將此數(shù)據(jù) Ux二和基準(zhǔn)電壓 U0進行比較，二者差值 U存放在單片機 ARM 地址為 22H 的存儲器中。經(jīng)過數(shù)據(jù)軟件濾波之后將其存放在單片機 RAM 21H 中，作為基準(zhǔn)電壓 U0。 [8]軟件編程允許AT89S52 響應(yīng)外部中斷 1，且設(shè)置其響應(yīng)方式為邊沿觸發(fā)。 [7]在電路設(shè)計中， ADC0809與 AT89S52是采用中斷方式連接的，所以系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集處理功能是在中斷服務(wù)程序中完成的，從原理圖 22看出， ADC0809 的 EOC 端通過反相器接 AT89S52的NIT1 端，作為中斷申請。 主程序初始化以后置位 AT89S52 的中斷 控制位 EA，使 CPU 開放中斷。整個系統(tǒng)的軟件包括主程序、一個外部中斷服務(wù)程序、數(shù)字濾波程序、比較判斷子程序及發(fā)光報警等若干個子程序。若 |UxU0|△ U，就 確定為探測到金屬， CUP 輸出口 輸出信號驅(qū)動發(fā)光二極管發(fā)光報警，同時 控制蜂鳴器發(fā)出聲響，進行聲音報警。 當(dāng)探測線圈 L1 靠近金屬物體時，由于電磁感應(yīng)現(xiàn)象，會使探測電感值發(fā)生變化，從而使其周圍的磁場發(fā)生變化，霍爾元件感應(yīng)到該變化的磁場，并將其線性地轉(zhuǎn)變成電壓信號 ux，該變化的電壓經(jīng)放大電路、峰值檢波電路后，得到相應(yīng)的 0V5V的峰值輸出電壓 Ux，然后經(jīng) A/D 轉(zhuǎn)換后，輸入到 CPU，由 CPU完成 Ux與基準(zhǔn)電壓 U0 的比較，二者比較 ? Ux— U0?得到一個差值，此差值與預(yù)設(shè)的靈敏度△ U 再作比較。 在無金屬的情況下，假設(shè)霍爾輸出電壓為 u0，該電壓信號 u0很微弱，屬 mV級信號， u0經(jīng)過放大電路放大，再通過峰值檢波電路，得到相應(yīng)的 0V~5V的峰值輸出電壓 U0，以滿足 ADC0809 的量程，經(jīng) A/D 轉(zhuǎn)換后，將 U0的數(shù)字量輸入到單片機儲存起來。 LM7805 三端正穩(wěn)壓器具有內(nèi)部過流、熱過載和輸出晶體管安全區(qū)保護功能，可將 9VDC 的輸入電壓轉(zhuǎn)換為 +5V電壓，最大輸出電流 ，保證板內(nèi) 555 定時器、 UGN3503U、 AT89S5 ADC0809等芯片和元件可靠地工作。 18 圖 215 顯示電路 圖 216 報警電路 電源電路 電路如圖 217 所示，電源供電由 9V 電池和板內(nèi)穩(wěn)壓電源組成。當(dāng)鍵盤控制部分 各鍵按下時， LED 顯示 相 對 應(yīng) 靈敏度 數(shù)值， 顯示電路如圖 215。在不需要使用串行通信的場合，利用串行口加外圍芯片 74HC164 就可 構(gòu)成一個或多個并行輸入 /輸出口，用于顯示器 LED驅(qū)動。 鍵盤控制電路如 圖 214 所示， K1 鍵作為功能鍵設(shè)置靈敏度△ U，靈敏度是可調(diào)的， K2 和 K3 分別作為加 1，減 1 鍵來調(diào)節(jié)靈敏度， K4 是確定鍵，當(dāng) K4 鍵按下時，靈敏度值確定。按鍵是一種常開型按鈕開關(guān)。 16 圖 213 AT89S52 片內(nèi)結(jié)構(gòu) 鍵盤控制電路 鍵盤是一組按鍵的集合，它是最常用的單片機輸入設(shè)備?？臻e模式下 ， CPU 暫停工作，而 RAM、定時計數(shù)器、串行口及外中斷系統(tǒng)可繼續(xù)工作，掉電模式凍結(jié)振蕩器而保存 RAM 的數(shù)據(jù)，停止芯片其它功能直至外中斷激活或硬件復(fù)位。 圖 212 AT89S52 引腳圖 AT89S52 片內(nèi)結(jié)構(gòu)如圖 212 所示，它具有如下特點 ： 40 個引腳， 8K Bytes Flash 片內(nèi)程序存儲器， 256 bytes 的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器 (RAM)， 32 個外部雙向輸入 /輸出 (I/O)口，看門狗定時 (WDT)電路， 2 個數(shù)據(jù)指針， 3 個 16 位可編程定時計數(shù)器， 5 個中斷優(yōu)先級 2 層中斷嵌套中斷， 2 個全雙工串行通信口，片內(nèi)時鐘振蕩器。 圖 210 A/D 轉(zhuǎn)換電路 表 21 74LS163 的邏輯功能表 圖 211 74LS163 引腳圖 15 系統(tǒng)控制單元 采用 AT89S52 單片機。將 (地址總線的 A15)作為片選信號，由 AT89S52 的寫信號 WR 和 控制 ADC0809 的地址鎖存 ALE 和轉(zhuǎn)換啟動 START，當(dāng) ADC0809 的 START 啟動信號輸入端為高電平時 A/D 開始轉(zhuǎn)換，在時鐘的控制下，一位一位地逼近，比較器一次次進行比較，轉(zhuǎn)換結(jié)束時，送出轉(zhuǎn)換結(jié)束信號 EOC(低到高 )，并將 8位數(shù)字量 D7D0鎖存到輸出緩存器。 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。 ADC0809 片內(nèi)有三態(tài)輸出緩沖器，可直接與單片機的數(shù)據(jù)總線相連接，這里將它的數(shù)據(jù)輸出口直接與單片機的數(shù)據(jù)總線 P0 口相連接，AT89S52 的 P0 口作為數(shù)據(jù)總線，又作為低 8 位地址總線 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，引腳圖見圖 211)構(gòu)成的 4分頻器分頻獲得。當(dāng)?shù)刂锋i存允許信號 ALE=1 時， 3 位地址信號 A、 B、 C送入地址鎖存器，選擇 8路模擬量中的一路實現(xiàn) A/D變換。 ADC0809 芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作時序示于圖 28 和圖 29。輸出Vo反映 Vc的大小，通過峰值檢波和后級緩沖放大電路，將采集到的微弱電壓信號放大至 0V5V 的直 流電平，以滿足 A/D 轉(zhuǎn)換器 ADC0809 所要求的輸入電壓變換范圍，然后通過 A/D 轉(zhuǎn)換電路將檢測到的峰值轉(zhuǎn)化成數(shù)字量。當(dāng)輸入電壓 Vi2下降時， Vo2跟隨下降， D3導(dǎo)通， U2B 也工作在深度負(fù)反饋狀態(tài)，深負(fù)反饋保證了二極管 D D5可靠截止， Vc值得以保持。在設(shè)計中，為了獲得優(yōu)良的保持性能和傳輸性能，同樣采用了輸入阻抗高、響應(yīng)速度較快、跟隨精度 較好的運算放大器 LM324，這樣可有效地利用LM324 的資源，減少使用元器件的數(shù)量，降低了成本。 [5] 峰值檢測電路由兩級運算放大器組成，第一級運放 U2B將輸入信號的峰值傳遞到電容 C6上，并保持下來。經(jīng)前級運算放大器放大的信號經(jīng)耦 合電容 C2 輸入到后級峰 值檢測電路中。如圖 24所示， UGN3503 線性霍爾元件輸出的微弱信號經(jīng)電容禍合到前級運算放大器 U2A的同相輸入端，運算放大器 U2A 把霍爾元件感應(yīng)到的電壓轉(zhuǎn)換為對地電壓。 LM324是四運放集成電路，它采用 14 腳雙列直插塑料封裝，外形和引腳排列如下 圖所示。 [4] 2． 放大和峰值檢波電路 11 由于 UGN35O3U 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，在對其進行處理前，首先要進行放大。在測量磁場時，將元件的第一腳 (面對標(biāo)志面從左到右數(shù) )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，因霍爾器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(dāng)沒有磁場 (B=0G)時，靜態(tài)輸出電壓是電源電壓的一半 (即 VCC/2)，當(dāng)外加磁場的南極靠近器件標(biāo)志面時，會使輸出電壓高于靜態(tài)輸出電壓 ； 當(dāng)外加磁場的北極靠近器件標(biāo)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，頻率高 (可達 IMHz)； 輸出噪聲低等特點。該器件的磁電轉(zhuǎn)換特性曲線如圖 26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(dāng)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(dāng)外加電壓源電壓一定時，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)。)，則得到 UH=KHIB (V) (23) 由上式可知，霍爾電壓的大小正比于控制電流 I 和磁感應(yīng)強度 B。wbˉ185?；魻栯妷?UH可用下式表示 ： UH=RHIB/d (V) （ 22） 式中 RH霍爾常數(shù) (m3cˉ185?；魻栯妶霎a(chǎn)生的電場力和洛侖茲力相反，它阻礙載流子繼續(xù)堆積，直到霍爾電場力和洛侖茲力相等。如圖 26 所示， 圖 26 霍爾效應(yīng)原理圖 在一塊半導(dǎo)體薄片上兩端通以電流 I,并加上和片子表面垂直的磁場 B，在薄片的橫向兩側(cè)會出現(xiàn)一個電壓，如圖 27 中的 UH, 這種現(xiàn)象就是霍爾效應(yīng)。它的功能框圖和輸出特性示于圖 24和圖 25。 8 數(shù)據(jù)采集電路 圖 23 數(shù)據(jù)采集電路 1． 線性霍爾傳感器 (linaer HallEeffct Sensors) 在電路設(shè)計中，選用了美國 ALELGRO 公司生產(chǎn)的 UGN3503U 線性霍爾傳感器，來檢測通電線圈 Ll周圍的磁場變化。從多諧振蕩器輸出的正脈沖信號經(jīng)過電容 C8輸入到 Q1的基極(Q1為 β≥ 125 的 9013H)，使其導(dǎo)通，經(jīng) Q1放大之后，就形成了頻率穩(wěn)定度高、功率較大的脈沖信號輸入到探測線圈 L1中，在線圈內(nèi)產(chǎn)生瞬間較強的電流，從而使線圈周圍產(chǎn)生恒定的交變磁場。 放 大 電 路多 謝 振 蕩 器霍 爾 元 件放 大 峰 值 檢 波A / DC P UA T 8 9 S 5 2報 警探 測線 圈鍵 盤 控 制電 源顯 示a 線 圈 震 蕩 電 路 b 控 制 電 路 圖 21 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 硬件電路功能描述 7 線圈振蕩電路 圖 22 線圈振蕩電路原理圖 工作過程中，由 555 定時器構(gòu)成一個多諧振蕩器，產(chǎn)生一頻率為 24KHz、占空比為 2/3 的脈沖信號。 6 第 2 章 硬件電路設(shè) 計 系統(tǒng)組成 如圖 21所示，整個探測系統(tǒng)以 8 位單片機 AT89S52 作為控制核心，其硬件電路分為兩個部分，一部分為線圈振蕩電路，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 ADC0