【正文】 司為了減少產(chǎn)品流失、結束員工與公司之間的尷尬局面，陸續(xù)采用金屬探測門和手持式金屬探測器作為管理員工行為、減少產(chǎn)品流失的利刃 ， 于是金屬探測器又有了它新的角色 — 產(chǎn)品防盜。無論是靈敏度、分辨率、探測精確度還是工作性能上都有了質(zhì)的飛躍。 1． 3 金屬探測器理論依據(jù) 金屬探測器是采用線圈的電磁感應原理來探測金屬的。對于緊密纏繞 N 匝的線圈，線圈中心軸線上一點的磁感應強度則為 [5]： tRx IRNB mr ??? c o s)(2 2322 20 ?? （ 12） 由公式 (12)可知，當線圈有效探測范圍內(nèi)無金屬物時， μr =1(非金屬的相對磁導率 )，線圈中心磁感應強度 B 保持不變，當線圈有效探測范圍內(nèi)出現(xiàn)鐵磁性金屬物時， μr會變大， B 隨 μr也會變大。渦流要產(chǎn)生附加的磁場，與外磁場方向相反，削弱外磁場的變化。金屬的電導率 σ 越大，交變電流的頻率越大，則渦電流強度越大，對原磁場的抑制作用越強。對于非鐵磁性的金屬 ， 包括抗磁體 (如 ： 金、銀、銅、鉛、鋅等 )和順磁體 (如錳、鉻、欽等 ) μr ≈ 1， σ 較大，可以認為是導電不導磁的物質(zhì)，主要產(chǎn)生渦流效應，磁效應可忽略不計 ； 對于鐵磁性金屬 (如 ： 鐵、鉆、鎳 ) μr 很大， σ 也較大，可認為是既導電又導 磁物質(zhì)，主要產(chǎn)生磁效應，同時又有渦流效應 [7]。正是本著這樣一個設計思路來構建系統(tǒng)的硬件電路。 1．工作頻率 為 24KHz，選擇 24KHz 的超長波頻率是為了減弱土壤對電磁波的影響。 探測器的靈敏度與探測線圈的尺寸大小有關，尺寸大即探測面積大，則線圈中心磁場強度低，在靠近線圈繞組附近磁場強度較高，霍爾元件固定在線圈中心，為了確保通過其磁通量，探測線圈的尺寸就不宜太大，具體尺寸通過實驗確定。 當檢測線圈尺寸一定時，則匝數(shù)越少其靈敏度越高。 3．穩(wěn)定性分析 Ⅰ .線圈的雜散電容與人體感應電容均可引起頻率變化而產(chǎn)生偽信號。 Ⅲ .應盡量減少線圈與電路之間引線的長度，以減少分布電容，采用屏蔽線減少外界對其干擾。 圖 21 系統(tǒng)結構塊圖 2． 2 電路原理圖 根據(jù)系統(tǒng)結構塊圖和金屬探測器的特點，設計的整體電路圖如圖 22 所示 探測 線圈 放大電路 多諧振 蕩器 霍爾 元件 放大 峰值 檢波 A/D CPU AT89S52 報警 顯示 電源 長春理工大學畢業(yè)設計 6 321411U 2 Alm 3 24w150kR147 0 kR410kR210kR310kC122 μ FVCCV C CC510 μ F321411U 2 B AL M 32 4V C CD4I N 9 14D5I N 9 14D3I N 9 14R820KR950 0 K321411U 2 C AL M 32 4V C CC6 10 0 0P FW25KV03GND2VCC1U135 0 3E A /V P31X119X218R E S E T9RD17WR16I N T 012I N T 113T014T115P 101P 112P 123P 134P 145P 156P 167P 178P 0039P 0138P 0237P 0336P 0435P 0534P 0633P 0732P 2021P 2122P 2223P 2324P 2425P 2526P 2627P 2728P S E N29A L E /P30T X D11R X D10V C C40G N D20U3A T 89 S 52I N 026m sb2 1212 220I N 1272 3192 418I N 2282 582 615I N 312 714ls b2 817I N 42E O C7I N 53A D D A25I N 64A D D B24A D D C23I N 75A L E22r e f( )16E N A B L E9S T A R T6r e f( + )12C L O C K10U4A D C 08 0 9123U 6 B A74 L S 02P46P35P24P13Q411Q312Q213Q114CO15PE7TE10C L K2C L R1LD9U774 L S 16 3 AD1D2D3D4D5D7D6D0 D0D1D2D3D4D5D6D7V C C123U 6 A A74 A L S 16 3V C CV C CU 5 AU 5 BL S 2B U Z Z E RV C CR751KR682KD2L E DV C CV C CY112 M H zC230 P FC330 P FC410 μ FR551KD1L E DV C C+ 5V2Vm1GND3U9L M 78 05 C K+ 9VB T 1+ 9VC 1210 μ FV C CT R I G2Q3R4C V ol t5T H R6D I S7VCC8GND1V C C V C CR 102KR 112KR 1218KR 13675R 14 KR 15200C7 1μ F C 11 1μ FC9 1μ FC 101μ FC8 1μ FQ190 1 3HR 16200L1I N D U C T O R 1 圖 22 基于單片機控制的智能型金屬探測器原理圖 2． 3 硬件電路功能描述 （ 1）線圈振蕩電路 T R I G2Q3R4C V ol t5T H R6D IS7VCC8GND1V C C V C CR 1 02KR 1 12KR 1 218KR 1 3675R 1 4 KR 1 5200C7 1μ F C 1 1 1μ FC9 1μ FC 1 01μ FC8 1μ FQ190 1 3HR 1 6200L1I N D U C T O R 1 圖 23 線圈振蕩電路原理圖 工作過程中，由 555 定時器構成一個多諧振蕩器，產(chǎn)生一頻率為 24KHz、占空比為 2/3 的脈沖信號。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，再線圈內(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。 2． 3． 1 線性霍爾傳 感器 在電路設計中，選用了美國 ALLEGRO 公司生產(chǎn)的 UGN3503U 線性霍爾傳感器，來檢測通電線圈 L1 周圍的磁場變化。他的功能框圖和輸出特性示于圖 24 和圖 25。如圖 26 所示，在一塊半導體薄片上兩端通一電流 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 26 中的 UH， 這種現(xiàn)象就是霍爾效應?；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 [11]。 KH稱 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。因此，任何引起磁場強度變化的物理量都將引起霍爾輸出電壓的變化。 本設計中采用的線性霍爾傳感器 UGN3503U 就是將霍爾元件、高增益線性差 分放大器和射極跟隨器集成在同一半導體基片上，為用戶提供了一個由外電源驅(qū)動、使用方便的磁敏傳感器。它的靈敏度典型值為，靜態(tài)輸出電壓為 ，輸出電阻為 ， miniSIP 封裝。用它做探頭可測量 106— 10T 的交變和恒定磁場。利用線性霍爾傳感器 UGN3503U 的上述特性，將其接在數(shù)據(jù)采集電路的前端，并固定在探測線圈 L1的中心，即可感應線圈 L1的磁場變化，并將磁場的變化信號轉(zhuǎn)化為電壓信號的變化而被后級電路時區(qū)和放大[15]。在設計中，信號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算放大器 LM324， LM324是四運放集成電路，它采用 14 引腳雙列直插塑料封裝，外形和引腳排列如圖所示。 圖 27 LM324 引腳圖 圖 28 LM324 外觀圖 如圖 29 所示， UGN3503U 線性霍爾元件輸出的微弱信號經(jīng)電容耦合到前級運算放大器 U2A 的同相輸入端 ， 運算放大器 U2A 把霍爾元件感應到的電壓轉(zhuǎn)換為對地電壓。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。 長春理工大學畢業(yè)設計 10 321411U 2 AL M 3 2 4w150kR14 7 0 kR410kR210kR310kC12 2 μ FVCCV C CC51 0 μ F321411U 2 B AL M 3 2 4V C CD4I N 9 1 4D5I N 9 1 4D3I N 9 1 4R820KR95 0 0 K321411U 2 C AL M 3 2 4V C CC6 1 0 0 0 P FW25KV03GND2VCC1U13 5 0 3 圖 29 數(shù)據(jù)采集電路原理圖 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。在設計中，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、響應速度快、跟隨精度較好的運算放大器 LM324，這樣可有效地利用LM324 資源，減少使用原件元件的數(shù)量，降低了成本。當輸入電壓 Vi2下降時， VO2跟隨下降， D3導通，U2B 也工作在深度負反饋狀態(tài)，深負反饋保證了二極管 D D5可靠截止， VC值得以保持。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 0V～ 5V 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 [16]。 ADC0809 芯片內(nèi)部結構和工作時序于圖 210 和圖 211。當?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 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。 ALE 引腳的頻率是單片機時鐘頻率的 1/6，單片機時鐘頻率為 12MHz，再經(jīng) 4 分頻后為500kHz，所以 ADC0809 能可靠工作。 如圖 212 所示，放大后的電壓信號送入 ADC0809 的模擬輸入通道 IN0進行A/D 轉(zhuǎn)換。 AT89S52 的讀信號 RD端發(fā)出一個三態(tài)輸出鎖存器， AT89S52 從 ADC0809 讀取相應電壓 數(shù)字量，然后存入數(shù)據(jù)緩沖