【正文】 2)可知，當(dāng)線圈有效探測(cè)范圍內(nèi)無(wú)金屬物時(shí)，μr =1(非金屬的相對(duì)磁導(dǎo)率)，線圈中心磁感應(yīng)強(qiáng)度B保持不變，當(dāng)線圈有效探測(cè)范圍內(nèi)出現(xiàn)鐵磁性金屬物時(shí)，μr會(huì)變大，B隨μr也會(huì)變大。渦流要產(chǎn)生附加的磁場(chǎng)，與外磁場(chǎng)方向相反，削弱外磁場(chǎng)的變化。金屬的電導(dǎo)率σ越大，交變電流的頻率越大，則渦電流強(qiáng)度越大，對(duì)原磁場(chǎng)的抑制作用越強(qiáng)。對(duì)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(rèn)為是導(dǎo)電不導(dǎo)磁的物質(zhì)，主要產(chǎn)生渦流效應(yīng)，磁效應(yīng)可忽略不計(jì)；對(duì)于鐵磁性金屬(如：鐵、鉆、鎳) μr 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)[7]。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。1．工作頻率為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。探測(cè)器的靈敏度與探測(cè)線圈的尺寸大小有關(guān)，尺寸大即探測(cè)面積大，則線圈中心磁場(chǎng)強(qiáng)度低，在靠近線圈繞組附近磁場(chǎng)強(qiáng)度較高，霍爾元件固定在線圈中心，為了確保通過(guò)其磁通量，探測(cè)線圈的尺寸就不宜太大，具體尺寸通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定。當(dāng)檢測(cè)線圈尺寸一定時(shí)，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(yīng)電容均可引起頻率變化而產(chǎn)生偽信號(hào)。Ⅲ.應(yīng)盡量減少線圈與電路之間引線的長(zhǎng)度，以減少分布電容，采用屏蔽線減少外界對(duì)其干擾。探測(cè)線圈放大電路多諧振蕩器 霍爾元件放大峰值檢波A/DCPUAT89S52報(bào)警顯示電源圖21 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)塊圖2．2 電路原理圖根據(jù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)塊圖和金屬探測(cè)器的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)的整體電路圖如圖22所示圖22 基于單片機(jī)控制的智能型金屬探測(cè)器原理圖2．3 硬件電路功能描述（1）線圈振蕩電路圖23 線圈振蕩電路原理圖工作過(guò)程中，由555定時(shí)器構(gòu)成一個(gè)多諧振蕩器，產(chǎn)生一頻率為24KHz、占空比為2/3的脈沖信號(hào)。從多諧振蕩器輸出的正脈沖信號(hào)經(jīng)過(guò)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(hào)輸入到探測(cè)線圈L1中，再線圈內(nèi)產(chǎn)生瞬間較強(qiáng)的電流，從而使線圈周圍產(chǎn)生恒定的交變磁場(chǎng)。2．3．1 線性霍爾傳感器在電路設(shè)計(jì)中，選用了美國(guó)ALLEGRO公司生產(chǎn)的UGN3503U線性霍爾傳感器，來(lái)檢測(cè)通電線圈L1周圍的磁場(chǎng)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(dǎo)體薄片上兩端通一電流I，并加上和片子表面垂直的磁場(chǎng)B，在薄片的橫向兩側(cè)會(huì)出現(xiàn)一個(gè)電壓，如圖26中的UH，這種現(xiàn)象就是霍爾效應(yīng)?；魻栯妶?chǎng)產(chǎn)生的電場(chǎng)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(chǎng)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(guān)。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。本設(shè)計(jì)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(dǎo)體基片上，為用戶提供了一個(gè)由外電源驅(qū)動(dòng)、使用方便的磁敏傳感器。miniSIP封裝。用它做探頭可測(cè)量106—10T的交變和恒定磁場(chǎng)。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(cè)線圈L1的中心，即可感應(yīng)線圈L1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)電路時(shí)區(qū)和放大[15]。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，LM324是四運(yùn)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(hào)經(jīng)電容耦合到前級(jí)運(yùn)算放大器U2A的同相輸入端，運(yùn)算放大器U2A把霍爾元件感應(yīng)到的電壓轉(zhuǎn)換為對(duì)地電壓。經(jīng)前級(jí)運(yùn)算放大器放大的信號(hào)經(jīng)耦合電容C2 輸入到后級(jí)峰值檢測(cè)電路中。圖29 數(shù)據(jù)采集電路原理圖峰值檢測(cè)電路由兩級(jí)運(yùn)算放大器組成，第一級(jí)運(yùn)放U2B將輸入信號(hào)的峰值傳遞到電容C6上，并保持下來(lái)。在設(shè)計(jì)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)速度快、跟隨精度較好的運(yùn)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(dāng)輸入電壓Vi2下降時(shí)，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DD5可靠截止，VC值得以保持。輸出VO反映VC的大小，通過(guò)峰值檢波和后級(jí)緩沖放大電路，將采集到的微弱電壓信號(hào)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(guò)A/D轉(zhuǎn)換電路將檢測(cè)到的峰值轉(zhuǎn)化成數(shù)字量[16]。ADC0809芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作時(shí)序于圖210和圖211。當(dāng)?shù)刂锋i存允許信號(hào)ALE=1時(shí)，3位地址信號(hào)A、B、C送入地址鎖存器，選擇8路模擬量中的一路實(shí)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(jī)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(jī)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(jī)時(shí)鐘頻率的1/6，單片機(jī)時(shí)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(hào)送入ADC0809的模擬輸入通道IN0進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。AT89S52的讀信號(hào)端發(fā)出一個(gè)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。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80 C51引腳結(jié)構(gòu)（引腳圖如圖213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[18][19]。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。其工作電壓為5V，晶振頻率采用12MHz。2．6 電源電路電路如圖215所示，電源供電由9V電池和板內(nèi)穩(wěn)壓電源組成。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， A，保證板內(nèi)555定時(shí)器、UGN3503U、AT89S5ADC0809等芯片和元件可靠地工作。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，在經(jīng)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)。當(dāng)探測(cè)線圈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，從而使其周圍的磁場(chǎng)發(fā)生變化，霍爾元件感應(yīng)到該變化的磁場(chǎng)，并使其線性地轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?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0V~5V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UO的比較，二者比較|UXUO|得到一個(gè)差值，此差值與預(yù)設(shè)的靈敏度△U再作比較。若|UXUO|△U，就確定為探測(cè)到金屬，進(jìn)行聲音報(bào)警。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。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。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INT1端，作為中斷申請(qǐng)。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)。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Uo。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和基準(zhǔn)電壓U0進(jìn)行比較，二者差值U存放在單片機(jī)RAM地址為22H的存儲(chǔ)器中。3．2 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)。用軟件代替硬件，從而