智能金屬探測(cè)儀的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

PAGE26-摘要本文著重介紹了一種基于AT89S52單片機(jī)控制的智能型金屬探測(cè)器的硬件組成、軟件設(shè)計(jì)、工作原理及主要功能。該金屬探測(cè)器以AT89S52單片機(jī)為核心，采用線(xiàn)性霍爾元件UGN3503作為傳感器，來(lái)感應(yīng)金屬渦流效應(yīng)引起的通電線(xiàn)圈磁場(chǎng)的變化，并將磁場(chǎng)變化轉(zhuǎn)化為電壓的變化，單片機(jī)測(cè)得電壓值，并與設(shè)定的電壓基準(zhǔn)值相比較后，決定是否探測(cè)到金屬。在軟件設(shè)計(jì)中，采用了數(shù)字濾波技術(shù)消除干擾，提高了探測(cè)器的抗干擾能力，確保了系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。此外，文中還對(duì)影響金屬探測(cè)器的靈敏度與穩(wěn)定性的因素進(jìn)行了探討，認(rèn)為儀器的工作頻率、檢測(cè)線(xiàn)圈的尺寸及匝數(shù)等是影響靈敏度的主要因素；而應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境溫度、濕度及線(xiàn)圈的制作工藝和供電電源的穩(wěn)定程度是儀器穩(wěn)定性的影響因素。關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī)金屬探測(cè)器UGN3503電磁感應(yīng)靈敏度ABSTRACTThispaperdescribesthecompositionofhardwareandsoftware，workingprinciplesandthefunctionsofanintelligentmetaldetectorwhichmainlyconsistsofAT89S52SingleChipMurochipandlinearHall-EffectSensor.TheequipmentadoptsUGN3503Ulinearhall-effectsensorasprobetodetectthemagneticfieldchangeofthecentreofasearchcoilresultedfromeddycurrenteffectandturnthismagneticfieldchangeintovoltagechange.TheSCMmeasuresthepeakvalueofvoltageandcomparesitwithreferencevoltage.Thendeterminewhetherdetectmetalornot.Incaseofdetectionofametallicmass,theMetalDetectorprovidesanacousticalandopticalalarm.Thesystemssoftwareadoptstheassemblerlanguagetobewritten.Insidethesoftware,thedigitalfiltertechnologyisutilizedtoeliminatethejamming.TheeffectofallfactorsonsensitivityandstabilityofMetalDetectorarediscussedinthispaper.Itisconcludedthattheoperatingfrequencythesizeofthesearchcoilandturnsarethemainfactorseffectedonthesensitivityoftheinstrument；theenvironmenttemperatureandhumidityinsite，thewindingtechnologyofcoilsandthestabilityofpowersupplyarethefactorseffectedonstabilityofinstrument.KEYWORDS：SCM(SingleChipMurochip)，MetalDetector,UGN3503,Electric-MagneticInduction,Sensitivity目錄第一章緒論 -1-1.1金屬探測(cè)器的應(yīng)用 -1-1.2分析探測(cè)金屬的理論依據(jù) -1-第二章硬件電路設(shè)計(jì) -4-2.1系統(tǒng)組成 -4-2.2硬件電路功能描述 -6-2.2.1線(xiàn)圈振蕩電路 -6-2.2.2數(shù)據(jù)采集電路 -6-2.2.3系統(tǒng)控制單元 -12-2.2.4告警電路 -13-2.2.5電源電路 -13-2.3整機(jī)工作原理描述 -14-第三章系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) -15-3.1軟件設(shè)計(jì)思想 -15-3.2數(shù)字濾波及算法說(shuō)明 -15-3.3主程序流程圖 -16-3.4主要子程序模塊設(shè)計(jì) -17-3.4.1初始化子程序 -17-3.4.2中斷服務(wù)程序 -18-3.4.3數(shù)字濾波程序設(shè)計(jì) -19-3.4.4發(fā)光與報(bào)警模塊 -22-第四章主要技術(shù)指標(biāo)分析 -23-4.1工作頻率 -23-4.2靈敏度分析 -23-4.3穩(wěn)定性分析 -23-結(jié)論 -24-參考文獻(xiàn) -25-致謝 -26-第一章緒論1.1金屬探測(cè)器的應(yīng)用金屬探測(cè)器作為一種最重要的安全檢查設(shè)備，己被廣泛地應(yīng)用于社會(huì)生活和工業(yè)生產(chǎn)的諸多領(lǐng)域。比如在機(jī)場(chǎng)、大型運(yùn)動(dòng)會(huì)(如奧運(yùn)會(huì))、展覽會(huì)等都用金屬探測(cè)器來(lái)對(duì)過(guò)往人員進(jìn)行安全檢測(cè)，以排查行李、包裹及人體夾帶的刀具、槍支、彈藥等傷害性違禁金屬物品；工業(yè)部門(mén)(包括手表、眼鏡、金銀首飾、電子等生產(chǎn)含有金屬產(chǎn)品的工廠)也使用金屬探測(cè)器對(duì)出入人員進(jìn)行檢測(cè)，以防止貴重金屬材料的丟失；目前，就連考試也開(kāi)始啟用金屬探測(cè)器來(lái)防止考生利用手機(jī)等工具進(jìn)行作弊。由此可見(jiàn)，金屬探測(cè)器對(duì)工業(yè)生產(chǎn)及人身安全起著重要的作用。而為了能夠準(zhǔn)確判定金屬物品藏匿的位置，就需要金屬探測(cè)器具有較高的檢測(cè)精度。目前，國(guó)外雖然己有較為完善的系列產(chǎn)品(如EIPaso,CeiaUSA,Ranger&Metorex等廠商的產(chǎn)品)，但價(jià)格極其昂貴；國(guó)內(nèi)傳統(tǒng)的金屬探測(cè)器則是利用模擬電路進(jìn)行檢測(cè)和控制的，其電路復(fù)雜，探測(cè)靈敏度低，且整個(gè)系統(tǒng)易受外界環(huán)境如溫度、濕度、電焊等諸因素的干擾。本文介紹的基于單片機(jī)控制的智能型金屬探測(cè)器，采用靈敏度極高的線(xiàn)性霍爾元件作為傳感器，感應(yīng)由于金屬出現(xiàn)引起的探測(cè)線(xiàn)圈周?chē)艌?chǎng)的變化，提高了檢測(cè)精度；處理部件則采用AT89S52單片機(jī)作為檢測(cè)和控制核心，對(duì)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析判斷，有效地保證了檢測(cè)原理的實(shí)施；此外，利用軟件濾波的方法代替了傳統(tǒng)探測(cè)器復(fù)雜的模擬電路器件，大大提高了系統(tǒng)的可靠性、靈敏度和抗干擾性。適用于對(duì)郵件、行李、包裹及人體夾帶的傷害性金屬物品(如：刀具、槍械、武器部件、彈藥和金屬包裝的炸藥等)的檢測(cè)，可用于海關(guān)、機(jī)場(chǎng)、車(chē)站、碼頭的安全檢查。也可用于探測(cè)隱藏于墻內(nèi)、護(hù)墻板內(nèi)側(cè)、空洞和土壤中的上述物品和其他金屬物。1.2分析探測(cè)金屬的理論依據(jù)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。根據(jù)電磁感應(yīng)原理，當(dāng)有金屬物靠近通電線(xiàn)圈平面附近時(shí)，將發(fā)生如下現(xiàn)象和效應(yīng)：線(xiàn)圈介質(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)圈周?chē)拇艌?chǎng)發(fā)生變化，如圖1-1，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=Iwcosωt時(shí)，線(xiàn)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)算出線(xiàn)圈中心軸線(xiàn)上一點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度B為：圖1.1電磁感應(yīng)原理圖（1-1）其中，μ=μ0μr，μ為介質(zhì)的磁導(dǎo)率，μr為相對(duì)磁導(dǎo)率，μ0為真空磁導(dǎo)率。對(duì)于緊密纏繞N匝的線(xiàn)圈，線(xiàn)圈中心軸線(xiàn)上一點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度則為：(1-2)由公式((1-2)可知，當(dāng)線(xiàn)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(xiàn)圈中心磁感應(yīng)強(qiáng)度B保持不變，當(dāng)線(xiàn)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。(2)渦流效應(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)。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。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。金屬的電導(dǎo)率。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)。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。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=1,0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。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)。本設(shè)計(jì)正是基于這樣的理論，來(lái)尋找一種適合的傳感器來(lái)感應(yīng)線(xiàn)圈的磁場(chǎng)變化，并把磁場(chǎng)信號(hào)的變化轉(zhuǎn)變成電信號(hào)的變化，從而實(shí)現(xiàn)單片機(jī)的控制。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。第二章硬件電路設(shè)計(jì)2.1系統(tǒng)組成如圖2-1所示，整個(gè)探測(cè)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(gè)部分，一部分為線(xiàn)圈振蕩電路，包括：多諧振蕩電路、放大電路和探測(cè)線(xiàn)圈；另一部分為控制電路，包括：UGN3503型線(xiàn)性霍爾元件、前置放大電路、峰值檢波電路、ADC0809模數(shù)轉(zhuǎn)換器、AT89S52單片機(jī)、LED顯示電路、聲音報(bào)警電路及電源電路等。圖2.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)塊圖具體電路連接參見(jiàn)圖2.2電路原理圖。圖2-2電路原理圖2.2硬件電路功能描述2.2.1線(xiàn)圈振蕩電路：圖2.3線(xiàn)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)。振蕩器的頻率計(jì)算公式為：(2-1)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。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biz125的9013H).使其導(dǎo)通，經(jīng)Q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(xiàn)圈L1中，在線(xiàn)圈內(nèi)產(chǎn)生瞬間較強(qiáng)的電流，從而使線(xiàn)圈周?chē)a(chǎn)生恒定的交變磁場(chǎng)。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，可以利用9V電池供電。2.2.2數(shù)據(jù)采集電路圖2.4數(shù)據(jù)采集原理圖（1）線(xiàn)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(xiàn)性霍爾傳感器，來(lái)檢測(cè)通電線(xiàn)圈L，周?chē)拇艌?chǎng)變化。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)。它的功能框圖和輸出特性示于圖2.5和圖2.6。圖2.5UGN3503U的功能框圖圖2.6UGN3503U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。如圖2-7所示，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2.7中的UH。圖2.7霍爾效應(yīng)原理圖這種現(xiàn)象就是霍爾效應(yīng)。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)。霍爾電場(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。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?；魻栯妷篣H可用下式表示：(V)(2-2)式中RH-霍爾常數(shù)(m3C-1)：I——電流(A)；B——磁感應(yīng)強(qiáng)度(T)：d——霍爾元件的厚度（m令，則得到(V)(2-3)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。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)。因此當(dāng)外加電壓源電壓一定時(shí)，通過(guò)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：(V)(2-4)此時(shí)K=KHI為常數(shù)。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。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(xiàn)性霍爾元件的基本物理依據(jù)和作用。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。該器件的磁電轉(zhuǎn)換特性曲線(xiàn)如圖2-6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。它的靈敏度典型值為13.5mV/mT，靜態(tài)輸出電壓為2.5V,輸出電阻為0.05kΩ,mini-SIP封撞。具有靈敏度高，線(xiàn)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)1MHz)：輸出噪聲低等特點(diǎn)。用它作探頭可測(cè)量，10-6T-10T的交變和恒定磁場(chǎng)。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(xiàn)垂直于電路表面，當(dāng)沒(méi)有磁場(chǎng)(B=OG)時(shí)，靜態(tài)輸出電壓是電源電壓的一半(V/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。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L1的中心，即可感應(yīng)線(xiàn)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)電路拾取和放大。（2）放大和峰值檢波電路由于UGN3503U線(xiàn)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。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，除電源共用，四組運(yùn)放相互獨(dú)立。電路如圖2.4所示，UGN3503線(xiàn)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。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W1來(lái)改變其放大倍數(shù)。經(jīng)前級(jí)運(yùn)算放大器放大的信號(hào)經(jīng)禍合電容C2輸入到后級(jí)峰值檢測(cè)電路中。采用阻容禍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。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)。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)。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K2上升時(shí)，氣：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)，給電容C6充電，V上升。當(dāng)輸入電壓V12下降時(shí)，V12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D4.D5可靠截止，K值得以保持。當(dāng)K2再次上升使氣：上升并使D4.D5導(dǎo)通，D3截止，再次對(duì)電容C6充電(K高于前次充電時(shí)電壓)，V12下降時(shí)，D4.D5又截止，D3導(dǎo)通，K將峰值再次保持。輸出V0反映V0YC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OV-5V的直流電平，以滿(mǎn)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。(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(shí)用的ADC0809型A/D轉(zhuǎn)換器來(lái)完成模數(shù)轉(zhuǎn)換。ADC0809芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作時(shí)序示于圖2.8和圖2.9。圖2.8ADC0809芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖2.9ADC0809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100μs(即10千次/秒)。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。本設(shè)計(jì)中只使用通道INO，所以，地址譯碼器ABC直接接地為000，采用線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)PO口相連接，AT89S52的PO口作為數(shù)據(jù)總線(xiàn)，又作為低8位地址總線(xiàn)。ADC0809的片內(nèi)沒(méi)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(jiàn)表2-1)構(gòu)成的4分頻器分頻獲得。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。ADC0809的模擬輸入范圍：?jiǎn)螛O性0～5V，設(shè)計(jì)中采用+5V單電源供電。如圖2.10所示，放大后的電壓信號(hào)送入ADC0809的模擬輸入通道INO進(jìn)行AID轉(zhuǎn)換。將P2.7(地址總線(xiàn)的A15)作為片選信號(hào)，由AT89S52的寫(xiě)信號(hào)WR和P2.7控制ADC0809的地址鎖存ALE和轉(zhuǎn)換啟動(dòng)START，當(dāng)ADC0809的START啟動(dòng)信號(hào)輸入端為高電平時(shí)，A/D開(kāi)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DWDo鎖存到輸出緩存器。AT89S52的讀信號(hào)RD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。圖2-10A/D轉(zhuǎn)換電路2.2.3系統(tǒng)控制單元采用AT89S52單片機(jī)。AT89S52是一個(gè)低功耗，高性能CMOS8位單片機(jī)，片內(nèi)含8KBytesISP(In-systemprogrammable)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)MCS-51指令系統(tǒng)及80C51引腳結(jié)構(gòu)(引腳圖如圖2.11所示)，芯片內(nèi)集成了通用8位中央處理器和ISPFlash存儲(chǔ)單元。圖2.11AT89S52引腳結(jié)構(gòu)圖AT89S52片內(nèi)結(jié)構(gòu)如圖2.12所示，它具有如下特點(diǎn)：40個(gè)引腳，8KBytesFlash片內(nèi)程序存儲(chǔ)器，256bytes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(mén)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。此外，AT89S52設(shè)計(jì)和配置了振蕩頻率可為OHz并可通過(guò)軟件設(shè)置省電模式?？臻e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。其工作電壓為5V，晶振頻率采用12MHz。圖2.12AT89S52片內(nèi)結(jié)構(gòu)2.2.4顯示告警電路一旦發(fā)現(xiàn)金屬出現(xiàn)，則被測(cè)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(bào)警的同時(shí)，P1.6還觸發(fā)無(wú)源蜂鳴器用聲報(bào)警提醒檢測(cè)人員注意，進(jìn)行必要的定位搜身檢查。2.2.5電源電路電路如圖2-13所示，電源供電由9V電池和板內(nèi)穩(wěn)壓電源組成。電路板內(nèi)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(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+SV電壓，最大輸出電流O.SA，保證板內(nèi)555定時(shí)器、UGN3503U,AT89S52,ADC0809等芯片和元件可靠地工作。2.3整機(jī)工作原理描述在工作過(guò)程中，由555定時(shí)器構(gòu)成的多諧振蕩器產(chǎn)生一個(gè)頻率為24KHz的脈沖信號(hào)，此脈沖信號(hào)經(jīng)過(guò)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(hào)輸入到探測(cè)線(xiàn)圈中，通電的線(xiàn)圈周?chē)蜁?huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，此時(shí)，固定在線(xiàn)圈L，中心的霍爾元件UGN3503U就會(huì)感應(yīng)到線(xiàn)圈周?chē)拇艌?chǎng)，并將磁場(chǎng)強(qiáng)度信號(hào)線(xiàn)性地轉(zhuǎn)變成電壓信號(hào)。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)u。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OV～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)。此后，以該電壓信號(hào)作為基準(zhǔn)電壓，與A/D轉(zhuǎn)換器采集到的電壓信號(hào)進(jìn)行比較判斷。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OV～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U0的比較，二者比較|Ux–UO|得到一個(gè)差值，此差值與預(yù)設(shè)的靈敏度ΔU再作比較。當(dāng)然，ΔU大小的設(shè)定決定著系統(tǒng)精度的高低。若|Ux–UO|>ΔU，就確定為探測(cè)到金屬，CPU輸出口P1.0輸出信號(hào)驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管發(fā)光報(bào)警，同時(shí)P1.6控制蜂鳴器發(fā)出聲響，進(jìn)行聲音報(bào)警。第三章系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)3.1軟件設(shè)計(jì)思想軟件是本系統(tǒng)的靈魂，在設(shè)計(jì)軟件中，本文從系統(tǒng)的實(shí)用性、可靠性及方便靈活等幾個(gè)方面出發(fā)，使程序滿(mǎn)足設(shè)計(jì)的功能要求。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。軟件采用匯編語(yǔ)言編寫(xiě)，并采用模塊化設(shè)計(jì)，使程序結(jié)構(gòu)清晰，便于今后進(jìn)一步擴(kuò)展系統(tǒng)的功能。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。然后通過(guò)檢測(cè)RAM中21H中數(shù)值的值來(lái)判斷是否采集基準(zhǔn)電壓Uo，如果未采集過(guò)Uo，則啟動(dòng)ADC0809對(duì)INO通道的模擬輸入量進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。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2.2看出，ADC0809的EOC端通過(guò)反相器接AT89S52的INT1端，作為中斷申請(qǐng)。采用中斷方式，可大大節(jié)省CPU時(shí)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，ADC0809的EOC端向AT89S52的INT1送入一個(gè)中斷申請(qǐng)信號(hào)，AT89S52接此信號(hào)后響應(yīng)中斷請(qǐng)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(chǎng)，讀取來(lái)自0809數(shù)據(jù)輸出口的8位數(shù)字量，并將數(shù)字量?jī)?chǔ)存到單片機(jī)RAM中，然后啟動(dòng)ADC0809的下一次轉(zhuǎn)換。經(jīng)過(guò)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(shí)驗(yàn)測(cè)得的靈敏度ΔU的值被存放在單片機(jī)RAM地址為20H的存儲(chǔ)器中。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。而后再通過(guò)判據(jù)算法將此差值U與靈敏度△U進(jìn)行比較，以確定是否報(bào)警。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)。由于在采集電壓量時(shí)經(jīng)常會(huì)碰到各種瞬時(shí)干擾，而采用硬件濾波存在硬件電路復(fù)雜等諸多弊端，因此本設(shè)計(jì)中采用算術(shù)平均濾波法，即在一次電壓量的采集中，在很短的時(shí)間內(nèi)對(duì)它進(jìn)行6次采集，將它轉(zhuǎn)換為數(shù)字量后求和，分析出6次輸入中的最大值和最小值，然后減去最大值和最小值，除以4得到平均值的方法，完成一次數(shù)據(jù)采集的軟件濾波。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。在一個(gè)采樣周期內(nèi)，對(duì)信號(hào)X的N次測(cè)量值進(jìn)行算術(shù)平均，作為時(shí)刻K的輸出x(k)，即(3-1)其中N為采樣次數(shù)，xi為第i次的采樣值。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)中需要較高的靈敏度，所以N取值不易過(guò)大，這里我選擇了N=6，選擇取6個(gè)數(shù)進(jìn)行計(jì)算的原因，就是因?yàn)樵趨R編中做計(jì)算是非常麻煩的，取6個(gè)數(shù)，減去最大值和最小值后，取平均值是除4，計(jì)算機(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。所以為了計(jì)算方便，我選擇取6個(gè)數(shù)，最后在算除法的時(shí)候，只需要用單片機(jī)自帶的右移位命令移2次就行了。3.3主程序流程圖圖3.1主程序流程圖3.4主要子程序模塊設(shè)計(jì)3.4.1初始化子程序：ADPORTEQU7FF8H；ADC0809通道0地址ΔUEQU20H；靈敏度存放在20HUoEQU21H；基準(zhǔn)電壓存放在21HUoEQU22H：差值存放在22HORG0000H；主程序起始地址LJMPMAIN；轉(zhuǎn)主程序ORG0013H；INT1中斷服務(wù)程序入口LJMPINT1；轉(zhuǎn)INT1中斷服務(wù)程序ORG0020HMAIN：MOVSP，＃60；設(shè)置堆棧指針MOV20H#N；放入靈敏度值(設(shè)靈敏度值為N)MOVR7，#FFH；R7=11111111，初始化讀數(shù)標(biāo)志MOV21H，OOH；21H單元清零MOV22H，OOH；22H單元清零MOVR,，#30H；R；為緩沖區(qū)數(shù)據(jù)地址指針，送數(shù)據(jù)緩沖區(qū)首址RET；3.4.2中斷服務(wù)程序：AD：SETBIT1；當(dāng)ADC0809的EOC輸出電平上跳沿觸發(fā)中斷1SETBEA：打開(kāi)總中斷開(kāi)關(guān)(片內(nèi)中斷允許寄存器IE.7=EA)SETBEX1；允許外中斷1中斷MOVDPTR,#ADPORT：數(shù)據(jù)指針指向通道INO通道MOVA#00H；MOVRS，A；MOVX@DPTR，A；啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換。CJNER7，#00H，$；LOOP：NOPAJMPLOOPORG2100H；中斷服務(wù)程序入口INT1：PUSHPSWPUSHAPUSHDPL；PUSHDPH；MOVDPTR,#7FF8H；數(shù)據(jù)指針指向通道INOMOVXA,@DPTR；把該通道的A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果讀到累加器A中MOVRs,A；將A/D結(jié)果存入RsLCALLFILTER；調(diào)用數(shù)字濾波程序MOVA#00H；MOVX@DPTR，A；再次啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換MOVR7,#00H；置讀數(shù)標(biāo)志POPDPH；POPDPL；POPA；POPPSW；RETI；中斷返回3.4.3數(shù)字濾波程序設(shè)計(jì)設(shè)一個(gè)采樣周期，對(duì)通道0連續(xù)采樣6次，然后去掉最大和最小值，把剩余的累加和求算術(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(chǔ)器中。其中，R2寄存器存放最大值，R3寄存器存放最小值，R4寄存器存放累加和，R0存放連續(xù)采樣次數(shù)。(1)程序框圖圖3.2數(shù)字濾波程序流程圖（2)程序清單FILTER：CLRAR2、R4清0MOVR2，AMOVR4，AMOV#3FH；置最小值初態(tài)MOV#30H；置數(shù)據(jù)區(qū)首地址MOV#06H；置連續(xù)采樣次數(shù)N=6DAV1：ADDA，R4；累加輸入值MOVR4A；CLRC；清進(jìn)位標(biāo)志MOVAR2；取最大值SBBBAR5；最大值一輸入值JNCDAV2；輸入值>(R2)MOVAR5MOVR2A；DAV2：CLRCMOVA，R5；取A/D結(jié)果SBBBA，R3；與最小值比較JNCDAV3：判斷輸入值<(R3)?(若C=0，輸入值>(R3)，則轉(zhuǎn)到DAV3)MOVA,R5；MOVR3A；DAV3：DJNZR0，DAV1；判斷N-1=0?(若輸入值介于最大、最小值之間，且Ro-1≠0時(shí)轉(zhuǎn)至DAV1)CLRCMOVA，R4；SBBBA，R2；N個(gè)數(shù)減去最大最小SBBBA，R3：CLRCRRCARRCAMOVX@R1，A；將算術(shù)平均值存入以30H為首址的緩沖單元中INCR1；修改數(shù)據(jù)區(qū)指針RET3.4.4發(fā)光與報(bào)警模塊DISPLAY：SETBP1.0LCALLDELAYCLRP1.0AJAMPDISPLAYALARM：SETBP1.6LCALLDELAYCLRP1.6AJAMPALARMDELAY：MOVR5，#FFHD1：MOVR6,#FFHD2：DJNZR6,D2DJNZR5，D1RENEND第四章主要技術(shù)指標(biāo)分析主要技術(shù)指標(biāo)分析：金屬探測(cè)器的工作頻率、靈敏度和穩(wěn)定性是儀器的主要技術(shù)指標(biāo)。4.1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。4.2靈敏度分析由公式(1.2)即：可知:①檢測(cè)線(xiàn)圈的尺寸對(duì)儀器的靈敏度有影響。探測(cè)器的靈敏度與探測(cè)線(xiàn)圈的尺寸大小有關(guān)，尺寸大即探測(cè)面積大，則線(xiàn)圈中心磁場(chǎng)強(qiáng)度低，在靠近線(xiàn)圈繞組附近磁場(chǎng)強(qiáng)度較高，霍爾元件固定在線(xiàn)圈中心，為了確保通過(guò)其磁通量，探測(cè)線(xiàn)圈的尺寸就不宜太大，具體尺寸通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定。②檢測(cè)線(xiàn)圈的匝數(shù)對(duì)儀器的靈敏度有影響。當(dāng)檢測(cè)線(xiàn)圈尺寸一定時(shí)，則匝數(shù)越少其靈敏度越高。但為了確保通過(guò)霍爾元件的磁通量，匝數(shù)的減少也是有限的，需通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)確定最佳匝數(shù)。4.3穩(wěn)定性分析①線(xiàn)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)。②環(huán)境溫度的變化，儀器元件參數(shù)也會(huì)改變，影響儀器工作的穩(wěn)定。③應(yīng)盡量減少線(xiàn)圈與電路之間引線(xiàn)的長(zhǎng)度，以減少分布電容，采用屏蔽線(xiàn)減少外界對(duì)其干擾。結(jié)論金屬探測(cè)器的重要作用，是通過(guò)對(duì)有害的金屬細(xì)小碎屑實(shí)施靈敏而可靠的探測(cè)來(lái)對(duì)產(chǎn)品提供可靠的保護(hù)。目前國(guó)際上對(duì)于食品安全的認(rèn)證有HACCP，全