【正文】 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，在線圈內(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)。圖23 數(shù)據(jù)采集電路1． 線性霍爾傳感器(linaer HallEeffct Sensors) 在電路設(shè)計(jì)中，選用了美國(guó)ALELGRO公司生產(chǎn)的UGN3503U線性霍爾傳感器，來檢測(cè)通電線圈Ll周圍的磁場(chǎng)變化。它的功能框圖和輸出特性示于圖24和圖25。如圖26所示， 圖26 霍爾效應(yīng)原理圖 在一塊半導(dǎo)體薄片上兩端通以電流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27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?；魻栯妷篣H可用下式表示： UH=RHIB/d (V) （22）式中RH霍爾常數(shù) (m3cˉ185。wbˉ185。)，則得到UH=KHIB (V) (23)由上式可知，霍爾電壓的大小正比于控制電流I和磁感應(yīng)強(qiáng)度B。因此當(dāng)外加電壓源電壓一定時(shí)，通過的電流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)。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。該器件的磁電轉(zhuǎn)換特性曲線如圖26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。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)IMHz)；輸出噪聲低等特點(diǎn)。在測(cè)量磁場(chǎng)時(shí)，將元件的第一腳(面對(duì)標(biāo)志面從左到右數(shù))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，因霍爾器件只對(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)沒有磁場(chǎng)(B=0G)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。[4]2．放大和峰值檢波電路 由于UGN35O3U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，在對(duì)其進(jìn)行處理前，首先要進(jìn)行放大。LM324是四運(yùn)放集成電路，它采用14腳雙列直插塑料封裝，外形和引腳排列如下圖所示。如圖24所示，UGN3503線性霍爾元件輸出的微弱信號(hào)經(jīng)電容禍合到前級(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。[5]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。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)速度較快、跟隨精度較好的運(yùn)算放大器LM324，這樣可有效地利用LM324的資源，減少使用元器件的數(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0V5V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(cè)到的峰值轉(zhuǎn)化成數(shù)字量。ADC0809芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作時(shí)序示于圖28和圖29。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ADC0809的片內(nèi)沒有時(shí)鐘，時(shí)鐘信號(hào)必須由外部提供，這里利用AT89S52提供的地址鎖存允許信號(hào)ALE經(jīng)計(jì)數(shù)器74LS163(邏輯功能見表21，引腳圖見圖211)構(gòu)成的4分頻器分頻獲得。ADC0809的模擬輸入范圍:單極性0~5V，設(shè)計(jì)中采用+5V單電源供電。(地址總線的A15)作為片選信號(hào)，當(dāng)ADC0809的START啟動(dòng)信號(hào)輸入端為高電平時(shí)A/D開始轉(zhuǎn)換，在時(shí)鐘的控制下，一位一位地逼近，比較器一次次進(jìn)行比較，轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)，送出轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)EOC(低到高)，并將8位數(shù)字量D7D0鎖存到輸出緩存器。 圖210 A/D轉(zhuǎn)換電路表 21 74LS163的邏輯功能表圖211 74LS163引腳圖采用AT89S52單片機(jī)。 圖 212 AT89S52引腳圖 AT89S52片內(nèi)結(jié)構(gòu)如圖212所示，它具有如下特點(diǎn)：40個(gè)引腳，8K Bytes Flash片內(nèi)程序存儲(chǔ)器，256 bytes的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(RAM)，32個(gè)外部雙向輸入/輸出(I/O)口，看門狗定時(shí)(WDT)電路，2個(gè)數(shù)據(jù)指針，3個(gè)16位可編程定時(shí)計(jì)數(shù)器，5個(gè)中斷優(yōu)先級(jí)2層中斷嵌套中斷，2個(gè)全雙工串行通信口，片內(nèi)時(shí)鐘振蕩器。空閑模式下，CPU暫停工作，而RAM、定時(shí)計(jì)數(shù)器、串行口及外中斷系統(tǒng)可繼續(xù)工作，掉電模式凍結(jié)振蕩器而保存RAM的數(shù)據(jù)，停止芯片其它功能直至外中斷激活或硬件復(fù)位。 圖213 AT89S52片內(nèi)結(jié)構(gòu) 鍵盤是一組按鍵的集合，它是最常用的單片機(jī)輸入設(shè)備。按鍵是一種常開型按鈕開關(guān)。鍵盤控制電路如圖214所示，K1鍵作為功能鍵設(shè)置靈敏度△U，靈敏度是可調(diào)的，K2和K3分別作為加1，減1鍵來調(diào)節(jié)靈敏度，K4是確定鍵，當(dāng)K4鍵按下時(shí)，靈敏度值確定。在不需要使用串行通信的場(chǎng)合，利用串行口加外圍芯片74HC164就可構(gòu)成一個(gè)或多個(gè)并行輸入/輸出口，用于顯示器LED驅(qū)動(dòng)。當(dāng)鍵盤控制部分各鍵按下時(shí)，LED顯示相對(duì)應(yīng)靈敏度數(shù)值，顯示電路如圖215。圖215 顯示電路圖216 報(bào)警電路電路如圖217所示，電源供電由9V電池和板內(nèi)穩(wěn)壓電源組成。LM7805三端正穩(wěn)壓器具有內(nèi)部過流、熱過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，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)過放大電路放大，再通過峰值檢波電路，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。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)，并將其線性地轉(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。若|UxU0|△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開放中斷。[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端通過反相器接AT89S52的NIT1端，作為中斷申請(qǐng)。[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)。經(jīng)過數(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。在檢測(cè)過程中，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。 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，從而省去了復(fù)雜的硬件，而且能夠取得好而精確的效果。顯然N越大，信號(hào)平滑度越高，靈敏度就會(huì)降低，但是本設(shè)計(jì)中需