【正文】 電阻網(wǎng)絡(luò)豎狀開(kāi)關(guān)逐位逼近寄存器SAR時(shí)序于控制STARTEOCCLKOED7D0IN7IN0ADDCADDBADDAALEVREF(+)圖210 ADC0809芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖圖211 ADC0809的工作時(shí)序ADC0809是8位逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器，片內(nèi)有八路模擬開(kāi)關(guān)，可對(duì)八路模擬電壓量實(shí)現(xiàn)分時(shí)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(jī)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(jī)中進(jìn)行處理，這里選用了經(jīng)濟(jì)實(shí)用的ADC0809型A/D轉(zhuǎn)換器來(lái)完成模數(shù)轉(zhuǎn)換。當(dāng)Vi2再次上升使VO2上升并使DD5導(dǎo)通，D3截止，再次對(duì)電容C6充電（VC高于前次充電時(shí)電壓），Vi2下降時(shí)，DD5又截止，D3導(dǎo)通，VC將峰值再次保持。當(dāng)輸入電壓Vi2上升時(shí)，VO2跟隨上升，使二極管DD5導(dǎo)通，D3截止，運(yùn)放U2B工作在深度負(fù)反饋狀態(tài)，給電容C6充電，VC上升。第二級(jí)運(yùn)放U2C組成緩沖放大器，將輸出與電容隔離開(kāi)來(lái)。采用阻容耦合的方法可以使前后級(jí)電路的靜態(tài)工作點(diǎn)保持獨(dú)立，隔離各級(jí)靜態(tài)之間的相互影響，使得電路總溫漂不會(huì)太大。在電路設(shè)計(jì)中，運(yùn)放LM324采用+5V單電源供電，對(duì)于不同強(qiáng)度的信號(hào)均可通過(guò)調(diào)解前級(jí)放大電路的反饋電位器W1來(lái)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(yùn)算放大器，除電源共用，四組運(yùn)放相互獨(dú)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(hào)是一個(gè)毫伏級(jí)的信號(hào)，信號(hào)十分微弱，所以，再對(duì)其進(jìn)行處理前，首先要進(jìn)行放大。在測(cè)量磁場(chǎng)時(shí)，將元件的第一腳（面對(duì)標(biāo)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(cè)磁場(chǎng)中，因霍爾元件只對(duì)垂直于霍爾片表面的磁感應(yīng)強(qiáng)度敏感，因而必須讓磁力線垂直于電路表面，當(dāng)沒(méi)有磁場(chǎng)（B=0 G）時(shí)，靜態(tài)輸出電壓是電源電壓的一半（即VCC/2），當(dāng)外加磁場(chǎng)的南極靠近器件標(biāo)志面時(shí)，會(huì)使輸出電壓高于靜態(tài)輸出電壓；當(dāng)外加磁場(chǎng)的北極靠近器件標(biāo)志面時(shí)，會(huì)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(dòng)，功耗小，壽命長(zhǎng)，頻率高（可達(dá)1MHz）；輸出噪聲低等特點(diǎn)。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(qiáng)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(cè)工作磁場(chǎng)，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)外加電壓電源電壓一定時(shí)，通過(guò)的電流I為一恒值，此時(shí)輸出電壓只與加在霍爾元件上的磁場(chǎng)B的大小成正比，即：UH=KB(V) （24）此時(shí)K=KHI為常數(shù)。這時(shí)，片子兩側(cè)建立起一個(gè)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： （V） （22）式中RH霍爾常數(shù)（m3C1）；I電流（A）；B磁感應(yīng)強(qiáng)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(qiáng)度B。UHdWIB圖26 霍爾效應(yīng)原理圖I這種現(xiàn)象的產(chǎn)生，是因?yàn)橥姲雽?dǎo)體片中的載流子在磁場(chǎng)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(gè)電場(chǎng)，稱作霍爾電場(chǎng)。 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(chǎng)強(qiáng)度信號(hào)線性地轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?hào)[14]。由于在脈沖信號(hào)作用下，Q1處于開(kāi)關(guān)工作狀態(tài)，而導(dǎo)通時(shí)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(jì)算公式為[12]： （21）圖示參數(shù)對(duì)應(yīng)的頻率為24KHz的超長(zhǎng)波頻率是為了減弱土壤對(duì)電磁波的影響。第2章 硬件電路設(shè)計(jì)2．1 系統(tǒng)組成如圖21所示，整個(gè)探測(cè)系統(tǒng)以8位單片機(jī)AT89S52作為控制中心，其硬件電路分為兩個(gè)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(cè)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(jī)、LED顯示電路、聲音報(bào)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(huì)改變，影響儀器工作的穩(wěn)定。但為了確保通過(guò)霍爾元件的磁通量，匝數(shù)的減少也是有限的，需通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)確定最佳匝數(shù)[8][9]。（2）檢測(cè)線圈的匝數(shù)對(duì)儀器的靈敏度有影響。2．靈敏度分析 由公式(12)即： 可知：（1）檢測(cè)線圈的尺寸對(duì)儀器的靈敏度有影響。1．4 主要性能分析金屬探測(cè)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)。本設(shè)計(jì)正是基于這樣的理論，來(lái)尋找一種適合的傳感器來(lái)感應(yīng)線圈的磁場(chǎng)變化，并把磁場(chǎng)信號(hào)的變化轉(zhuǎn)變成電信號(hào)的變化，從而實(shí)現(xiàn)單片機(jī)的控制。通過(guò)以上分析可知，當(dāng)有金屬物靠近通電線圈平面附近時(shí)，無(wú)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。據(jù)此，將一交流正弦信號(hào)接入繞在骨架上的空心線圈上，流過(guò)線圈的電流會(huì)在周圍產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，當(dāng)將金屬靠近線圈時(shí)，金屬產(chǎn)生的渦流磁場(chǎng)的去磁作用會(huì)削弱線圈磁場(chǎng)的變化。（2）渦流效應(yīng)[6]：根據(jù)電磁理論，我們知道，當(dāng)金屬物體被置于變化的磁場(chǎng)中時(shí)，金屬導(dǎo)體內(nèi)就會(huì)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(dāng)有金屬物靠近通電線圈平面附近時(shí)，將發(fā)生如下現(xiàn)象和效應(yīng)[3]；圖11 通電線圈工作示意圖（1）線圈介質(zhì)條件的變化：當(dāng)金屬物接近通電線圈時(shí)，將使通電線圈周圍的磁場(chǎng)發(fā)生變化，如圖11，對(duì)于半徑為R的單匝圓形電感線圈，當(dāng)其中通過(guò)交變電流I=Imcosω時(shí)，線圈周圍空間產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，根據(jù)畢奧一薩伐爾定律可計(jì)算出線圈中心軸線上一點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度B為[4]： （11）其中，μ=μ0μr ，μ為介質(zhì)的磁導(dǎo)率，μr為相對(duì)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(gè)行業(yè)。40多年過(guò)去了，金屬探測(cè)器經(jīng)歷了幾代探測(cè)技術(shù)的變革，從最初的信號(hào)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(cè)器簡(jiǎn)單的磁場(chǎng)切割原理被引入多種科學(xué)技術(shù)成果。與此同時(shí)西方興起的“尋寶熱”，也使手持式、便攜式金屬探測(cè)器得到長(zhǎng)足的發(fā)展。同樣在70年代，由于金屬探測(cè)門(mén)在機(jī)場(chǎng)安檢中的嶄露頭角，大型運(yùn)動(dòng)會(huì)(如奧運(yùn)會(huì))展覽會(huì)及政府重要部門(mén)的安全保衛(wèi)工作中開(kāi)始啟用金屬探測(cè)門(mén)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(shì)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(huì)信譽(yù)度降低，設(shè)備從根本上保證不了安檢要求。其實(shí)，國(guó)內(nèi)金屬探測(cè)器產(chǎn)品的研發(fā)、生產(chǎn)和推廣，近幾年已獲得較大進(jìn)步。隨著國(guó)內(nèi)安全防護(hù)行業(yè)的蓬勃發(fā)展，在安檢領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)出現(xiàn)了多個(gè)金屬探測(cè)器生產(chǎn)廠商，但在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)占有率上來(lái)看國(guó)外品牌占有80%的市場(chǎng)份額，民航市場(chǎng)也一直是國(guó)內(nèi)金屬探測(cè)器的禁區(qū)。隨后于1970年，隨著社會(huì)的不斷發(fā)展，金屬探測(cè)器被引入一個(gè)新的應(yīng)用領(lǐng)域—安全檢查，其廣泛運(yùn)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(cè)器的雛形，它的出現(xiàn)意味著人類對(duì)安全的認(rèn)知已步入了一個(gè)新的時(shí)代。也可用于探測(cè)隱藏于墻內(nèi)、護(hù)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(jī)控制的智能型金屬探測(cè)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(cè)線圈周圍磁場(chǎng)的變化，提高了檢測(cè)精度；處理部件則采用AT89S52單片機(jī)作為檢測(cè)和控制核心，對(duì)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析判斷，有效地保證了檢測(cè)原理的實(shí)施；此外，利用軟件濾波的方法代替了傳統(tǒng)探測(cè)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(guó)外雖然己有較為完善的系列產(chǎn)品(如ElPaso,CeiaUSA,Rangeramp。由此可見(jiàn)，金屬探測(cè)器對(duì)工業(yè)生產(chǎn)及人身安全起著重要的作用。 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