北京大學(xué)張志卿智能型金屬探測器的設(shè)計概要

北京大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）智能型金屬探測器的設(shè)計系（分院）機(jī)電工程系學(xué)生姓名學(xué)號.專業(yè)名稱指導(dǎo)教師張志卿1310101163機(jī)電一體化技術(shù)胡壽松2015年11月12日變化，并把磁場信號的變化轉(zhuǎn)變成電信號的變化，從而實現(xiàn)單片機(jī)的控制。正是本著這樣一個設(shè)計思路來構(gòu)建系統(tǒng)的硬件電路。（二）系統(tǒng)組成整個探測系統(tǒng)以8位單片機(jī)AT89S52作為控制核心，其硬件電路分為兩個部分，一部分為線圈振蕩電路，包括:多諧振蕩電路、放大電路和探測線圈；另一部分為控制電路。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)塊圖系統(tǒng)結(jié)構(gòu)塊圖（三）系統(tǒng)工作原理在工作過程中，由555定時器構(gòu)成的多諧振蕩器產(chǎn)生一個頻率為 24KHZLi中的脈沖信號經(jīng)過緩沖和放大之后，形成頻率穩(wěn)定度高、功率較大的脈沖信號輸入到探測線圈中，通電的線圈周圍就會產(chǎn)生磁場，此時，固定在線圈心的霍爾元件UGN3503U就會感應(yīng)到線圈周圍的磁場，并將磁場強(qiáng)度信號線Li中在無金屬的情況下，假設(shè)霍爾輸出電壓為卩0，該電壓信號卩0很微弱,屬mV即信號，卩0經(jīng)過放大電路放大，再通過峰值檢波電路，得到響應(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)儲存起來。此后，以該電壓信號作為基準(zhǔn)電壓，與A/D轉(zhuǎn)換器采集到的電壓信號進(jìn)行比較判斷。當(dāng)探測線圈L1靠近金屬物體時，由于電磁感應(yīng)現(xiàn)象，會使探測電感值發(fā)生變化，從而使其周圍的磁場發(fā)生變化，霍爾元件感應(yīng)到該變化的磁場，并將其線性地轉(zhuǎn)變成電壓信號匕，該變化的電壓經(jīng)過放大電路、峰值檢波電路后，得到響應(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|Ux-Uol得到一個差值，此差值與預(yù)設(shè)的靈敏度AU再做比較。當(dāng)然，AU大小的設(shè)定決定著系統(tǒng)精度的高低。若|Ux-U0|>AU，就確定為探測金屬，CPU輸出口P1.0輸出信號驅(qū)動發(fā)光二極管發(fā)光報警，同時 P1.6控制蜂鳴器發(fā)出聲響，進(jìn)行聲音報警。、硬件電路設(shè)計（一）系統(tǒng)組成框圖硬件控制電路包括兩個部分，一部分線圈振蕩電路，包括:多諧振蕩電路、放大電路和探測線圈；另一部分控制電路包括：U,GN3503型線性霍爾元件、可編程放大電路、峰值檢波電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、 AT89S52單片機(jī)、LED顯示電路、聲音報警電路及電源電路等。探斕系統(tǒng)組成框圖 珂口■卜■亠4— 呂: 七?d-?<hz2=r■*■c11||bibM?￡J-l-l-lJ-l-l IXEwrx扌jyk電路原理圖IrrrIHi11-]飛？nHFbPl.:kfezB-v*es*s??去?F“3卜卜卜卜"b.1、線圈振蕩電路線圈振蕩電路原理圖R16線圈振蕩電路原理圖R16200工作過程中，由 555定時器構(gòu)成一個多諧振蕩器，產(chǎn)生一個頻率為24KHZ、占空比為2/3的脈沖信號。振蕩器的頻率計算公式為:(Ri0+2Rii)Ciiln2(3-1)圖示參數(shù)對應(yīng)的頻率為24KHZ，選擇24KHZ的超長波頻率是為了減弱土壤對電磁波的影響。從多諧振蕩器輸出的正脈沖信號經(jīng)過電容 C8輸入到Q］的基極（Q1為P>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輸入到人、探測線圈 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。由于在脈沖信號作用下,Q1處于開關(guān)工作狀態(tài)，而導(dǎo)通時間又非常短，所以非常省電，可以利用

數(shù)據(jù)采集電路原理圖2、系統(tǒng)控制單元(1)線性霍爾傳感器(linearHall-EffectSensors在電路設(shè)計中，選用了美國公司生產(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。UGN3503U線性霍爾傳感器的主要功能是可將感應(yīng)到的磁場強(qiáng)度信號線性地轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?。他的功能特性示于圖3.2.3和324。OUTPUTGRDLiNDUGN3503的功能框圖OUTPUTGRDLiNDUGN3503的功能框圖+4.e#丸fi3m￡ODlOO0J+4.e#丸fi3m￡ODlOO0JDO200 3?R/rtiTUGN3503U的磁電轉(zhuǎn)換特性曲線霍爾元件是依據(jù)霍爾效應(yīng)制成的器件據(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，用它去檢測工作磁場，再根據(jù)霍爾輸出電壓的變化提取別檢信息，這就是線性霍爾元件的基本物理依據(jù)和作用。(2)放大和峰值檢波電路由于UGN3503U線性霍爾元件采集到的電壓信號是一個毫伏級的信號,信號十分微弱，所以，在對其進(jìn)行處理前，首先要進(jìn)行放大。在設(shè)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(yùn)算放大器LM324。LM324是四運(yùn)放集成電路，它采用14腳雙列直插塑料封裝。它的內(nèi)部包含四組形式完全相同的運(yùn)算放大器，除電源共同，四組運(yùn)放相互獨(dú)立。如圖所示，UGN3503線性霍爾元件輸出的微弱信號經(jīng)電容耦合到前級運(yùn)算放大器U2A的相同輸入端，運(yùn)算放大器U2A把霍爾元件感應(yīng)到的電壓轉(zhuǎn)換為對地電壓。在電路設(shè)計中，運(yùn)放 LM324采用+5V單電源供電，對于不同強(qiáng)度的信號均可通過調(diào)節(jié)前級放大電路的反饋電位器 W1來改變其放大倍數(shù)。經(jīng)前級運(yùn)算放大器放大的信號經(jīng)耦合電容 C2輸入到后級峰值檢波電路中。采用阻容耦合的方法可以使前后級電路的靜態(tài)工作點(diǎn)保持獨(dú)立，隔離各級靜態(tài)之間的相互影響，使得電路總溫漂不會太大。峰值檢波電路由兩級運(yùn)算放大器組成，第一級運(yùn)放U2B將輸入信號的峰值傳遞到電容C6上，并保持下來。第二級運(yùn)放U2C組成緩沖放大器，將輸出與電容隔離開來。在設(shè)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(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上升時，Vo2跟隨上升，使二極管D4、D5導(dǎo)通，D3截止，運(yùn)放U2B工作在深度負(fù)反饋狀態(tài)，使電容C6充電，Vc上升。當(dāng)輸入電壓Vi2下降時，Vo2跟隨下降，D3導(dǎo)通，U2B也工作在深度負(fù)反饋狀態(tài)，深度負(fù)反饋保證了二極管D4、D5可靠截止，Vc值得以保持。當(dāng)Vi2再次上升時使Vo2上升并使d4、d5導(dǎo)通，d3截止，再次對電容C6充電(Vc高于前次充電電壓)，Vi2下降時，D4、d5又截止，D3導(dǎo)通，Vc將峰值再次保持。輸出V。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。(3)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)實用的ADC0809型A/D轉(zhuǎn)換器來完成模數(shù)轉(zhuǎn)換。ADC0809芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作時序示于圖326和圖327。CLKSTIkKTEOC0EVKEF(+>VKEFCLKSTIkKTEOC0EVKEF(+>VKEF［一)ADC0809的芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)ADDA-ADDC st.MTtupALE/STARTDO-D7ADC0809的工作時序convejTsxtiDO-D7ADC0809的工作時序convejTsxtimeOEADC0809是8位逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器，片內(nèi)有八路模擬開關(guān)，可對八路模擬電壓量實現(xiàn)分時轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換速度為100曲（即卩10千次/秒）。當(dāng)?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。本設(shè)計中只使用通道INO，所以，地址譯碼器ABC直接地址為000,采用線選法尋址。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)沒有時鐘，時鐘信號必須由外部提供，這里利用AT89S52提供的地址鎖存允許信號ALE經(jīng)計數(shù)器74LS163構(gòu)成的4分頻器分頻獲得。ALE引腳的頻率是單片機(jī)時鐘頻率的 1/6,單片機(jī)的時鐘頻率為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。ADC0809的模擬輸入范圍：單極性0~5V,設(shè)計中采用+5V單電源供電。放大后的電壓信號送入ADC0809的模擬輸入通道IN0進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。將P2.7（地址總線的A15）作為片選信號，由AT89S52的寫信號WR和P2.7控制ADC0809的地址鎖存ALE和轉(zhuǎn)換啟動START，當(dāng)ADC0809的START啟動信號輸入端為高電平時，A/D開始轉(zhuǎn)換，在時鐘的控制下，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，送出轉(zhuǎn)換結(jié)束信號EOC（低到高），并將8位數(shù)字量D7~Do鎖存到輸出緩存器。AT89S52的讀信號RD端發(fā)出一個輸出允許命令輸入到ADC0809的ENABLE（即OE）端,ENABLE（OE）端呈高電位，用以打開三態(tài)輸出端鎖存器，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。波特率發(fā)生器通過設(shè)置T2CON中的TCLK或RCLK可選擇定時器2作為波特率發(fā)生器。如果定時器2作為發(fā)送或接收波特率發(fā)生器，定時器1可用作它用，發(fā)送和接收的波特率可以不同。設(shè)置RCLK和（或）TCLK可以使定時器2工作于波特率產(chǎn)生模式。波特率產(chǎn)生工作模式與自動重載模式相似，因此， TH2的翻轉(zhuǎn)使得定時器2寄存器重載被軟件預(yù)置16位值的RCAP2H和RCAP2L中的值。模式1和模式3的波特率由定時器2溢出速率決定，定時器可設(shè)置成定時器，也可為計數(shù)器。在多數(shù)應(yīng)用情況下，一般配置成定時方式。定時器2用于定時器操作與波特率發(fā)生器有所不同，它在每一機(jī)器周期（1/12晶振周期）都會增加;然而，作為波特率發(fā)生器，它在每一機(jī)器狀態(tài)（1/2晶振周期）都會增加。定時器2作為波特率發(fā)生器，圖中僅僅在T2CON中RCLK或TCLK=1才有效。特別強(qiáng)調(diào)，TH2的翻轉(zhuǎn)并不置位TF2，也不產(chǎn)生中斷；EXEN2置位后，T2EX引腳上1?0的下跳變不會使（RCAP2H,RCAP2L）重載到（TH2,TL2）中。因此，定時器2作為波特率發(fā)生器，T2EX也還可以作為一個額外的外部中斷。定時器2處于波特率產(chǎn)生模式，TR2=1，定時器2正常工作。TH2或TL2不應(yīng)該讀寫。在這種模式下，定時器在每一狀態(tài)都會增加，讀或?qū)懢筒粫?zhǔn)確。寄存器RCAP2可以讀，但不能寫，因為寫可能和重載交迭，造成寫和重載錯誤。在讀寫定時器2或RCAP2寄存器時，應(yīng)該關(guān)閉定時器（TR2清0）?？删幊虝r鐘輸出可以通過編程在P1.0引腳輸出一個占空比為50%的時鐘信號。這個引腳除了常規(guī)的I/O角外，還有兩種可選擇功能。它可以通過編程作為定時器 /計數(shù)器2的外部時鐘輸入或占空比為50%的時鐘輸出。當(dāng)工作頻率為16MHZ時，時鐘輸出頻率范圍為61HZ到4HZ。為了把定時器2配置成時鐘發(fā)生器，位C/T2（T2CON.1）必須清0,位T2OE（T2MOD.1）必須置1。位TR2（T2CON.2）啟動、停止定時器。時鐘輸出頻率取決于晶振頻率和定時器 2捕捉寄存器（RCAP2H，RCAP2L）的重載值在時鐘輸出模式下，定時器2不會產(chǎn)生中斷,這和定時器2用作波特率發(fā)生器一樣。定時器2也可以同時用作波特率發(fā)生器和時鐘產(chǎn)生。不過，波特率和輸出時鐘頻率相互并不獨(dú)立，它們都依賴于RCAP2H和RCAP2L。T2EX的跳變會引起T2CON中的EXF2置位。像TF2一樣，T2EX也會引起中斷。自動重載當(dāng)定時器2工作于16位自動重載模式，可對其編程實現(xiàn)向上計數(shù)或向下計數(shù)。中斷AT89S52有6個中斷源：兩個外部中斷（INT0和INT1），三個定時中斷（定時器0、1、2）和一個串行中斷。每個中斷源都可以通過置位或清除特殊IE還包括寄存器IEIE還包括個中斷允許總控制位EA，它能一次禁止所有中斷。IE.6位是不可用的。對于AT89S52，IE.5位也是不能用的。用戶軟件不應(yīng)給這些位寫1。它們?yōu)锳T89系列新產(chǎn)品預(yù)留。定時器2可以被寄存器T2C0N中的TF2和EXF2的邏輯觸發(fā)。程序進(jìn)入中斷服務(wù)后，這些標(biāo)志位都可以由硬件清 0。實際上，中斷服務(wù)程序必須判定是否是TF2或EXF2激活中斷，標(biāo)志位也必須由軟件清0。定時器0和定時器1標(biāo)志位TF0和TF1在計數(shù)溢出的那個周期的S5P2被置位。它們的值一直到下一個周期被電路捕捉下來。然而，定時器 2的標(biāo)志位TF2在計數(shù)溢出的那個周期的S2P2被置位，在同一個周期被電路捕捉下來。晶振特性AT89S52單片機(jī)有一個用于構(gòu)成內(nèi)部振蕩器的反相放大器， XTAL1和XTAL2分別是放大器的輸入、輸出端。石英晶體和陶瓷諧振器都可以用來起構(gòu)成自激振蕩器。從外部時鐘源驅(qū)動器件的話， XTAL2可以不接，而從XTAL1接入。由于外部時鐘信號經(jīng)過二分頻觸發(fā)后作為外部時鐘電路輸入的，所以對外部時鐘信號的占空比沒有其它要求，最長低電平持續(xù)時間和最少高電平持續(xù)時間等還是要符合要求的?？臻e模式在空閑工作模式下，CPU處于睡眠狀態(tài)，而所有片上外部設(shè)備保持激活狀態(tài)。這種狀態(tài)可以通過軟件產(chǎn)生。在這種狀態(tài)下，片上RAM和特殊功能寄存器的內(nèi)容保持不變?？臻e模式可以被任一個中斷或硬件復(fù)位終止。由硬件復(fù)位終止空閑模式只需兩個機(jī)器周期有效復(fù)位信號，在這種情況下，片上硬件禁止訪問內(nèi)部RAM，而可以訪問端口引腳?？臻e模式被硬件復(fù)位終止后,為了防止預(yù)想不到的寫端口，激活空閑模式的那一條指令的下一條指令不應(yīng)該是寫端口或外部存儲器。掉電模式在掉電模式下，晶振停止工作，激活掉電模式的指令是最后一條執(zhí)行指令。片上RAM和特殊功能寄存器保持原值，直到掉電模式終止。掉電模式可以通過硬件復(fù)位和外部中斷退出。復(fù)位重新定義了SFR的值，但不改變片上RAM的值。在Vcc未恢復(fù)到正常工作電壓時，硬件復(fù)位不能無效，并且應(yīng)保持足夠長的時間以使晶振重新工作和初始化。3、顯示告警電路一旦發(fā)現(xiàn)金屬出現(xiàn)。則被測物理量超限由單片機(jī) I/O口的P1.0控制發(fā)光二極管進(jìn)行光報警的同時，P1.6還觸發(fā)無源蜂鳴器用聲報警提醒檢測人員注意，進(jìn)行必要的定位搜身檢查。4、電源電路電源供電由9V電池和板內(nèi)穩(wěn)壓電源組成。電源板采用三端穩(wěn)壓集成電路塊LM7805為板內(nèi)元器件供電。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，最大輸出電流0.5A，保證板內(nèi)555定時器、UGN3503U、AT89S52、ADC0809等芯片和元件可靠地工作。三、系統(tǒng)軟件設(shè)計(—)、軟件算法主程序初始化以后置位AT89S52的中斷控制位EA，使CPU開放中斷。然后通過檢測RAM中的21H中的數(shù)值的值來判斷是否采集基準(zhǔn)電壓U。,如果未采集過Uo，貝加動ADC0809對INO通道的模擬輸入量進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。在電路設(shè)計中，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，從原理圖看出,ADC0809的EOC端通過反相器接AT89S52的INT1端，作為中斷申請。采用中斷方式,可大大節(jié)省CPU的時間。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)。當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換完畢后，AD0809的EOC端向AT89S52的INT1送入一個中斷申請信號，AT89S52接此信號后響應(yīng)中斷請求，調(diào)用中斷服務(wù)子程序INT1，中斷服務(wù)程序進(jìn)行壓棧，保護(hù)現(xiàn)場，讀取來自0809數(shù)據(jù)輸出口的8位數(shù)字量，并將數(shù)字量儲存到單片機(jī) RAM中,然后啟動ADC0809的下一次轉(zhuǎn)換。經(jīng)過數(shù)據(jù)軟件濾波之后將其存放在單片機(jī)RAM21H中，作為基準(zhǔn)電壓Uo。經(jīng)反復(fù)實驗測得的靈敏度AU的值被存放在單片機(jī)RAM地址為20H的存儲器中。在檢測過程中，將A/D轉(zhuǎn)換器采集到的電壓信號經(jīng)數(shù)據(jù)軟件濾波后存入內(nèi)部RAM以30H為首脂的數(shù)據(jù)存儲器中，然后將此數(shù)據(jù)Ux和基準(zhǔn)電壓Uo進(jìn)行比較，二者差值U存放在單片機(jī)RAM地址為22H的存儲器中。而后再通過判據(jù)算法將此差值U與靈敏度AU進(jìn)行比較，以確定是否報警。（二）、軟件流程1、主程序流程圖主程序流程圖2、數(shù)字濾波程序設(shè)計設(shè)一個采樣周期，對通道0連續(xù)采樣6次，然后去掉最大和最小值，把剩余的累加求算術(shù)平均值作為本周期采樣值。存入內(nèi)部 RAM以30H為首址的數(shù)據(jù)存儲器中。其中，R2寄存器存放最小值，R4寄存器存放累加和，Ro存放連續(xù)采樣次數(shù)。程序框圖如下:數(shù)字濾波程序流程圖三、結(jié)束語線性霍爾傳感器(linearHall-EffectSensors)在電路設(shè)計中，選用了美國ALLEGRO公司生產(chǎn)的靈敏度極高的UGN3503U線性霍爾傳感器，來檢測通電線圈周