【正文】 頻率測定程序流程圖 3）比較模塊 比較模塊的程序流程圖如圖 43所示 ，比較模塊比較重要，程序通過它它來判斷是否要 發(fā)出警報(bào)和發(fā)出什么樣的警報(bào)，可以修改傳入給它的參數(shù)來改變金屬探測的精度。 F1：新獲取的頻率。 F_COMM：后臺是否發(fā)送通信請求?；鶞?zhǔn)頻率的獲得是按照如下方法獲得的，如圖 42所示。 2）獲取基準(zhǔn)頻率 基準(zhǔn)頻率的獲得至關(guān)重要，因?yàn)樗唤?jīng)獲得將作為判斷有無金屬的基準(zhǔn)。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)。 前端軟件設(shè)計(jì) 前端軟件負(fù)責(zé)頻率的測定、頻率的比較、報(bào)警以及與外圍模塊的通信，程序流程圖如圖 41所示。金屬探測器中的程序分為兩個(gè)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(bào)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。 軟件模塊是整個(gè)系統(tǒng)的靈魂，軟件部分設(shè)計(jì)的好壞直接影響到系統(tǒng)的精度、可用性、方便性和智能性。 圖 210 外圍數(shù)據(jù)處理與顯示軟件結(jié)構(gòu)圖 外圍數(shù)據(jù)處理與顯示 液 晶 顯 示 鍵 盤 接 收 按 鍵 處 理 通 訊 精度設(shè) 置 建立連 接 14 3 軟件設(shè)計(jì) 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(bào)警、通訊等都要用程序?qū)崿F(xiàn)最后燒入單片機(jī)。其次，引入了另一中金屬探測的模式，那就是不需要一定去在現(xiàn)場進(jìn)行金屬探測，將這個(gè)任務(wù)分給在前端進(jìn)行金屬探測的探測小車，探測小車將探測到的信息通過無線模塊即時(shí)的反饋給后臺的處理系統(tǒng)，而這時(shí)的分析員只需坐在 PC機(jī)前就回對前端的情況了如指掌。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(bào)。 12 圖 28 手持?jǐn)?shù)字金屬探測器硬件設(shè)計(jì)框圖 。它設(shè)計(jì)的好壞決定著系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可擴(kuò)展性。但在設(shè)計(jì)之初兩個(gè)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(shí)現(xiàn)。 高 頻 振 蕩 信 號 放 大 脈 沖 轉(zhuǎn) 換信 號 處 理 與 報(bào)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(jì) 總體設(shè)計(jì)將影響整個(gè)項(xiàng)目的實(shí)現(xiàn)，對整個(gè)項(xiàng)目的開發(fā)起著指導(dǎo)性的作用，因此總體設(shè)計(jì)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(gè)互相影響，協(xié)同工作實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的基本功能。這一部分處理能力的強(qiáng)弱影響這整個(gè)系統(tǒng)的性能。 4）信號處理與報(bào)警 這一部分是整個(gè)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(gè)探測器實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化或其他功能的橋梁。 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。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。首先，兩者在設(shè)計(jì)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(shí)，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?？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(bào)警，下面簡單論述以下各個(gè)模塊的功能。 正如綜述里所說的數(shù)字金屬探測器的設(shè)計(jì)是順應(yīng)時(shí)代發(fā)展，本次設(shè)計(jì)所要完成的任務(wù)是實(shí)現(xiàn)一個(gè)基于單片機(jī)的手持金屬探測器。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%。此時(shí)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。當(dāng)在 L1上加低頻電壓 U1 時(shí) ，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。 圖 26所示為透射式渦流厚度傳感器結(jié)構(gòu)原理圖。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(lì)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。 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(gè)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）。 Jr 為半徑 r 處的金屬導(dǎo)體表面電渦流密度。當(dāng) x 一定時(shí) ， 電渦流密度 J 與半徑 r的關(guān)系曲線如圖 25 所示。 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。模型中把在被測金屬導(dǎo)體上形成的電渦流等效成一個(gè)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。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(shí)現(xiàn)對該參數(shù)的測量。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)。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。 電渦流式傳感器的原理圖如圖 22所示。線圈的阻抗可以用如下的函數(shù)式表示： Z=F（ ρ、 u、 i、 f、 d）。感應(yīng)電流也產(chǎn)生一個(gè)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。 當(dāng)線圈中通過高頻電流 i時(shí)，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)。在此電動(dòng)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。 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(diǎn)。 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(shí)，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。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。 當(dāng)線圈有效探測范圍內(nèi)出現(xiàn)鐵磁性金屬物時(shí)，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。 5 2 總體設(shè)計(jì) 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(shí)，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(jì)算出線圈中心軸線上一點(diǎn)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。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。 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。 3）完成硬件方案的設(shè)計(jì)制作 硬件設(shè)計(jì)包括： LC 振蕩器、放大器、濾波器、中斷計(jì)時(shí)、單片機(jī)電路、輸出電路（報(bào)警或顯示）六部分組成。初步設(shè)想探測信號的產(chǎn)生采用LC 三點(diǎn)式振蕩產(chǎn)生正弦波，經(jīng)放大，濾波，整形產(chǎn)生所需信號。 主要研究內(nèi)容 本課題主要有下列問題需要解決： 1）原理分析 收集金屬探測器原理和產(chǎn)品的資料，進(jìn)行金屬探測器資料整理和分析利用。 ? 脈沖感應(yīng)型 ； ? VLF(very low frequency)連續(xù)波型 ； 主要研究內(nèi)容及成果特色 金屬探測器的工作原理簡單的講就是利用電磁感應(yīng)原理，讓交流電通過電感線圈，產(chǎn)生迅速變化的磁場，該磁場能在被檢測的金屬物體內(nèi)部產(chǎn)生感生渦流 [3]。 主要應(yīng)用場所 金屬探測器 基本 分為四種類型： 1） 生活型金屬探測器 2） 軍用型金屬探測器 3） 工業(yè)型金屬探測器 4） 安全型金屬探測器 研究現(xiàn)狀 金屬探測器按其功能和市場應(yīng)用的不同可分為以下幾種： ? 通道式金屬探測器； ? 手持式金屬探測器； ? 便攜式金屬探測器； ? 臺式金屬探測器； ? 工業(yè)用金屬探測器； 4 ? 水下金屬探測器。同時(shí)，犯罪的手 段也在不斷的變化，為了安全得到保障，也需要金屬探測器。 航空業(yè)，航海業(yè)在 7080年代的興起，以及 80年代末電子時(shí)代的來臨，金屬探測器也開始大展身手。 隨著世界進(jìn)入和平年代，并且逐步進(jìn)入工業(yè)時(shí)代，礦業(yè)的飛速發(fā)展，金屬探測器的可實(shí)用性受到重視。二戰(zhàn)期間，為了避免地雷對部隊(duì)的打擊，科學(xué)家就已經(jīng)有研制出金屬探測器的雛形 —— 差拍式金屬探測器 。國內(nèi)的這方面還有大量需求，不論是經(jīng)濟(jì)還是科研方面都有研究的必要。 參考文獻(xiàn) .................................................................................................................................. 34 附錄 一 防抖動(dòng)鍵盤處理源程序 .............................................................................................. 36 附錄 二 前端金屬探測部分源程序 .......................................................................................... 39 附錄 三 外圍金屬探測精度設(shè)置源程序 .................................................................................. 44 3 1 緒論 研究背景 與研究意義 金屬探測器，顧名思義就是用來檢測金屬的儀器，在現(xiàn)今社會中有大量的需求和使用，例如礦業(yè)。 oscillation circuit I 目錄 1 緒論 ...................................................................................................................................... 3 研究背景與研究意義 ...................................................................................................... 3 發(fā)展過程 .................................................................................................................... 3 研究意義 ................................................................................................................... 3 主要應(yīng)用場所 ............................................................................................................ 3 研究現(xiàn)狀 ........................................................................................................................... 3 主要研究內(nèi)容及成果特色 ...........................................