【正文】 機(jī)的內(nèi)部計(jì)算都是二進(jìn)制，而二進(jìn)制每除一個(gè) 2，實(shí)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。 數(shù)字濾波及算法說(shuō)明 金屬探測(cè)器的噪聲抑制能力是金屬探測(cè)器的主要設(shè)計(jì)指 標(biāo)。在檢測(cè)過(guò)程中，將 A/D 轉(zhuǎn)換器采集到的電壓信號(hào)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(chǔ)器中，然后將此數(shù)據(jù) Ux 二和基準(zhǔn)電壓 U0 進(jìn)行比較，二者差值 U 存放在單片機(jī) ARM 地址為 22H 的存儲(chǔ)器中。經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)軟件濾波之后將其存放在單片機(jī) 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(jì)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(guò)反相器接AT89S52 的 NIT1 端，作為中斷申請(qǐng)。 主程序初始化以后置位 AT89S52 的中斷控制位 EA，使 CPU 開(kāi)放中斷。整個(gè)系統(tǒng)的軟件包括主程序、一個(gè)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(bào)警等若 干個(gè)子程序。若|UxU0| △ U，就確定為探測(cè)到金屬， CUP 輸出口 輸出信號(hào)驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管發(fā)光報(bào)警，同時(shí) 控制蜂鳴器發(fā)出聲響，進(jìn)行聲音報(bào)警。 當(dāng)探測(cè)線(xiàn)圈 L1 靠近金 屬物體時(shí)，由于電磁感應(yīng)現(xiàn)象，會(huì)使探測(cè)電感值發(fā)生變化，從而使其周?chē)拇艌?chǎng)發(fā)生變化，霍爾元件感應(yīng)到該變化的磁場(chǎng)，并將其線(xiàn)性地轉(zhuǎn)變成電壓信號(hào) 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(gè)差值，此差值與預(yù)設(shè)的靈敏度△ U 再作比較。 在無(wú)金屬的情況下，假設(shè)霍爾輸出電壓為 u0，該電壓信號(hào) u0 很微弱，屬 mV級(jí)信號(hào)， u0 經(jīng)過(guò)放大電路放大，再通過(guò)峰值檢波電路，得到相應(yīng)的 0V~5V 的峰值輸出電壓 U0，以滿(mǎn)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(jī)儲(chǔ)存起來(lái)。 LM7805 三端正穩(wěn)壓器具有內(nèi)部過(guò)流、熱過(guò)載和輸出晶體管安全區(qū)保護(hù)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(shí)器、 UGN3503U、 AT89S5 ADC0809等芯片和元件可靠地工作。 圖 214 鍵盤(pán)控制電路 警電路 AT89S52 的串行口 RXD 和 TXD 為一全雙工串行通信口，但在工作方式 0下可作同步移位寄存器用，其數(shù)據(jù)由 RXD（ ）） 圖 215 顯示電路 圖 216 報(bào)警電路 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。常態(tài)時(shí)，按鍵的兩個(gè)觸點(diǎn)處于斷開(kāi)狀態(tài)，按下鍵時(shí)他們才閉合。操作人員可以通過(guò)鍵盤(pán)輸入數(shù)據(jù)或命 令，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的人 機(jī)通信。其工作電壓為 5V，晶振頻率采用 12MHZ。此外， AT89S52 設(shè)計(jì)和配置了振蕩頻率可為 0HZ 并可通過(guò)軟件設(shè)置省電模式。 AT89S52 是一個(gè)低功耗，高性能 CMOS 8 位單片機(jī)，片內(nèi)含 8K Bytes ISP Insystem programmable 的可反復(fù)擦寫(xiě) 1000 次的 Flash只讀程序存儲(chǔ)器，器件采用 ATMEL 公司的高密度 ,非易失性存儲(chǔ)技術(shù) 制造，兼容標(biāo)準(zhǔn) MCS51 指令系統(tǒng)及 80C51 引腳結(jié)構(gòu) 引腳圖如圖 211 所示 ，芯片內(nèi)集成了通用 8 位中央處理器和 ISP Flash 存儲(chǔ)單元。 AT89S52 的讀信號(hào)端發(fā)出一個(gè)輸出允許命令輸入到ADC0809 的 ENABLE 即 OE 端， ENABLE OE 端呈高電位，用以打開(kāi)三態(tài) 輸出鎖存器， AT89S52 從 ADC0809 讀取相應(yīng)電壓數(shù)字量，然后存入數(shù)據(jù)緩沖器中。 如圖 210 所示，放大后的電壓信號(hào)送入 ADC0809 的模 擬輸入通道 IN0 進(jìn)行A/D 轉(zhuǎn)換。 ALE 引腳的頻率是單片機(jī)時(shí)鐘頻率的 1/6,單片機(jī)時(shí)鐘頻率為 12MHZ，則 ALE引腳頻率約為 2MHZ，再經(jīng) 4 分頻后為 500kHZ，所以 ADC0809 能可靠工作。本設(shè)計(jì)中只使用通道 NI0，所以，地址譯碼器 ABC 直接接地為 000，采用線(xiàn)選法尋址。 圖 28 ADC0809 芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu) 圖 29 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 100μ s 即 10 千次 /秒 。 [6] LM324 外形圖 LM324 引腳排列圖 圖 27 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 D D5 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)， D D5 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 D D5 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)節(jié)前級(jí)放大電路的反饋電位器 Wl 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。在設(shè)計(jì)中，信號(hào)放大電路采用輸入阻抗高、漂移較小、共模抑制比高的集成運(yùn)算放大器 LM324。利用線(xiàn)性霍爾傳感器 UGN3503U 的上述特性，將其接在數(shù)據(jù)采集電路的前端，并固定在探測(cè)線(xiàn)圈 Ll 的中心，即可感應(yīng)線(xiàn)圈 Ll 的磁場(chǎng)變化，并將磁場(chǎng)的變化信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)的變化而被后級(jí)電路拾取和放大。用它作探頭可測(cè)量， 10ˉ 610T 的交變和恒定磁場(chǎng)。它的靈敏度典型值為 ，靜態(tài)輸出電壓為 ，輸出電阻為 ， miniSIP 封撞。 本設(shè)計(jì)中采用的線(xiàn)性霍爾傳感器 UGN3503U 就是將霍爾元件、高增益線(xiàn)性差分放大器和射極跟隨器集成在同一半導(dǎo)體基片上，為用戶(hù)提供了一個(gè)由外電壓源驅(qū)動(dòng)、使用方便的磁敏傳感器。因此，任何引起磁場(chǎng)強(qiáng)度變化的物理量都將引起霍爾輸出電壓的變化。 KH 稱(chēng)為霍爾元件的靈敏度，它與元件材料的性質(zhì)與幾何尺寸有關(guān)。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。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(chēng)作霍爾電場(chǎng)。 [3] 圖 24 UGN3503 的功能框圖 圖 25 UGN350 的磁電轉(zhuǎn)換特性曲線(xiàn) 霍爾元件是依據(jù)霍爾效應(yīng)制成的器件。 UGN3503U 線(xiàn)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(xiàn)性地 轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?hào)。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。振蕩器的頻率計(jì)算公式為： 21 圖示參數(shù)對(duì)應(yīng)的頻率為 24KHz，選擇 24KHz 的超長(zhǎng)波頻率是為了減弱土壤對(duì)電磁波的影響。具體電路原理圖參看附錄 1。正是本著這樣一個(gè)設(shè)計(jì)思路來(lái)構(gòu)建系統(tǒng)的硬件電路。對(duì)于鐵磁性金屬 如 :鐵、鉆、鎳 μ r 很大，σ也較大，可認(rèn)為是既導(dǎo)電又導(dǎo)磁物質(zhì)，主要產(chǎn)生磁效應(yīng)，同時(shí)又有渦流效應(yīng)。 通 過(guò)以上分析可知，當(dāng)有金屬物靠近通電線(xiàn)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(xiàn)圈上，流過(guò)線(xiàn)圈的電流會(huì)在周?chē)a(chǎn)生交變磁場(chǎng)，當(dāng)將金屬靠近線(xiàn)圈時(shí)，金屬產(chǎn)生的渦流磁場(chǎng)的去磁作用會(huì)削弱線(xiàn)圈磁場(chǎng)的變化。 應(yīng) 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)。 [1] 質(zhì)條件的變化 當(dāng)金屬物接近通電線(xiàn)圈時(shí)，將使通電線(xiàn)周?chē)拇艌?chǎng)發(fā)生變化，如圖 11， 圖 11 對(duì)于半徑為 R 的單匝圓形電感線(xiàn)圈，當(dāng)其中通過(guò)交變電流 I Imcos wt圈周?chē)臻g產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，根據(jù)畢奧一薩伐爾定律可計(jì)算線(xiàn)圈中心軸線(xiàn)上一點(diǎn)的磁感應(yīng) 11 其中，μ μ 0μ r，μ為介質(zhì)的磁導(dǎo)率，μ r 為相對(duì)磁導(dǎo)率，μ 0 為真空磁導(dǎo)率。 第 1 章 分析探測(cè)金屬的理論依據(jù) 理論描述 金屬探測(cè)器是采用線(xiàn)圈的電磁感應(yīng)原理來(lái)探測(cè)金屬的。適用于