基于單片機控制的金屬探測器

聲明本人鄭重聲明：所呈交的畢業(yè)設計〔論文〕是本人在指導教師指導下進行的研究工作及取得的研究成果。其中除加以標注和致謝的地方，以及法律規(guī)定允許的之外，不包含其他人已經發(fā)表或撰寫完成并以某種方式公開過的研究成果，也不包含為獲得其他教育機構的學位或證書而作的材料。其他同志對本研究所做的任何奉獻均已在文中作了明確的說明并表示謝意。本畢業(yè)設計〔論文〕成果是本人在江西師范大學讀書期間在指導教師指導下取得的，成果歸江西師范大學所有。特此聲明。聲明人〔畢業(yè)設計〔論文〕作者〕學號：聲明人〔畢業(yè)設計〔論文〕作者〕簽名：簽名日期：年月日摘要本文介紹了一種基于AT89S52單片機控制的智能型金屬探測器的硬件組成、軟件設計、工作原理及主要功能。該金屬探測器以AT89S52單片機為核心，采用線性霍爾元件UGN3503U作為傳感器來感應金屬渦流效應引起的通電線圈周圍磁場的變化，并將磁場變化轉化為電壓的變化，單片機將測得的電壓值與試驗測定的基準電壓值相比擬，以確定是否探測到金屬。該系統(tǒng)軟件采用C語言來寫，在軟件設計中，采用了算術平均值濾波消除干擾，提高了探測器的抗干擾能力，確保了系統(tǒng)的準確性。關鍵詞：單片機，金屬探測器，線性霍爾元件，電磁感應，渦流AbstractThispaperdescribesthecompositionofhardwareandsoftware，workingprinciplesandthefunctionsofanintelligentmetaldetectorwhichmainlyconsistsofAT89S52SingleChipMicyocoandlinearHall-EffectSensor.TheequipmentadoptsUGN3503Ulinearhall-effectsensorasprobetodetectthemagneticfieldchangeofthecentreofasearchcoilresultedfromeddycurrenteffectandturnthismagneticfieldchangeintovoltagechange.TheSCMmeasuresthepeakvalueofvoltageandcomparesitwithreferencevoltage.Thendeterminewhetherdetectmetalornot.Incaseofdetectionofametallicmass,theMetalDetectorprovidesanacousticalandopticalalarm.ThesystemssoftwareadoptstheClanguagetobewritten.Insidethesoftware,theArithmeticmeanfiltertechnologyisutilizedtoeliminatethejamming.Sothestabilityofsystemandthemeasuringveracityareimproved.Keywords:SCM(SingleChipMicyoco)，metaldetector,linearhall-effectsensor,electric-magneticinduction,eddycurrent.目錄摘要IAbstractII1引言12設計要求13探測金屬的理論依據(jù)14方案論證34.1方案一34.2方案二35硬件局部的設計45.1線圈振蕩電路：45.2控制電路：55.2.1線性霍爾傳感器55.2.2放大和峰值檢波電路75.3AD及單片機報警局部85.3.1ADC080995.3.2AT89S52105.4基準電壓采集結束局部135.5報警局部135.6顯示局部135.7電源局部136工作原理簡述147系統(tǒng)軟件設計158設計局部仿真169主要技術指標分析189.1金屬探測器的工作頻率189.2靈敏度分析189.3穩(wěn)定性分析19參考文獻20附錄一電路原理圖21附錄二源程序221引言全球第一臺金屬探測器誕生于1960年，五十年過去了，金屬探測器經歷了幾代探測技術的變革，從最初的信號模擬技術到連續(xù)波技術直到今天所使用的數(shù)字脈沖技術，金屬探測器簡單的磁場切割原理被引入多種科學技術成果。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的飛躍，應用領域也隨著產品質量的提高延伸到了多個行業(yè)。至今，它已經作為一個成熟的產品進入我們的生產生活。超越今天的金屬探測器是難以完成的任務，因此本設計致力于學習和研究探測器的根本原理，以進一步提高自身的水平。2設計要求1.有較高的靈敏度，用它探測大塊金屬時，探頭距金屬物體20cm揚聲器就會發(fā)出聲音，小到曲別針，甚至一枚大頭針都能檢測到。2．可以透過非金屬物體，比方紙張、木材、塑料、磚石、土壤、甚至水層，探測到被遮蓋的金屬物體。3探測金屬的理論依據(jù)金屬探測器是采用線圈的電磁感應原理來探測金屬的。根據(jù)電磁感應原理，當有金屬物靠近通電線圈平面附近時，將發(fā)生如下現(xiàn)象和效應：1.線圈介質條件的變化：當金屬物接近通電線圈時，將使通電線圈周圍的磁場發(fā)生變化：如圖1，對于半徑為R的單匝圓形電感中，通過交變電流I=Imcost時，線圈周圍空間產生交變磁場，根據(jù)畢奧一薩伐爾定律可計算出線圈中心軸線上一點的磁感應強度B為：圖3-1磁感應強度〔3-1〕其中，=0r,為介質的磁導率，r為相對磁導率，0為真空磁導率。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那么為：〔3-2〕由公式(1-2)可知，當線圈有效探測范圍內無金屬物時，r=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出現(xiàn)鐵磁性金屬物時，r會變大，B隨r也會變大。2.渦流效應：根據(jù)電磁理論，我們知道，當金屬物體被置于變化的磁場中時，金屬導體內就會產生自行閉合的感應電流，這就是金屬的渦流效應。渦流要產生附加的磁場，與外磁場方向相反，削弱外磁場的變化。據(jù)此，將一交流正弦信號接入繞在骨架上的空心線圈上，流過線圈的電流會在周圍產生交變磁場，當將金屬靠近線圈時，金屬產生的渦流磁場的去磁作用會削弱線圈磁場的變化。金屬的電導率越大，交變電流的頻率越大，那么渦電流強度越大，對原磁場的抑制作用越強。通過以上分析可知，當有金屬物靠近通電線圈平面附近時，無論是介質磁導率的變化，還是金屬的渦流效應均能引起磁感應強度B的變化。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)]r1，較大，可以認為是導電不導磁的物質，主要產生渦流效應，磁效應可忽略不計;對于鐵磁性金屬(如:鐵、鉆、鎳)r很大，也較大，可認為是既導電又導磁物質，主要產生磁效應，同時又有渦流效應。本設計正是基于這樣的理論，來尋找一種方法來表達這種變化。4方案論證4.1方案一高頻振蕩器功率放大器高頻振蕩器功率放大器聲控報警裝置探測線圈音頻振蕩器振蕩檢測器如圖4-1，本方案金屬探測器由高頻振蕩器、振蕩檢測器、音頻振蕩器和功率放大器等組成.利用探測金屬的原理，使得振蕩器處于臨界振蕩，金屬導體中產生的渦電流使得振蕩回路中的能量損耗增大，甚至無法維持振蕩所需的最低能量而停振。檢測出這種變化，并轉換成聲音信號，根據(jù)聲音有無，判定探測線圈下面是否有金屬物體。此方案由于全是模擬器件，系統(tǒng)存在很多不穩(wěn)定因素。4.2方案二多諧振蕩器和放大ADC0809多諧振蕩器和放大ADC0809AT89S52探測線圈放大和峰值檢波報警顯示裝置霍爾元件如圖4-2所示,整個探測系統(tǒng)以8位單片機AT89S52作為控制核心,先將磁場的變化轉化為電壓的變化，再將電路采集到的電壓處理后送入單片機中，通過程序的設定完成報警局部。本方案涉及到單片機、傳感器、振蕩器、AD轉換器等知識的運用，并且電路較穩(wěn)定，抗干擾性強，有更好的數(shù)據(jù)處理靈活度，減少了漏判、錯判的機率。應選擇方案二。5硬件局部的設計硬件電路分為兩大局部,一局部為線圈振蕩電路,包括：多諧振蕩電路、放大電路和探測線圈；另一局部為控制電路,包括：3503型線性霍爾元件、放大和峰值檢波電路、模數(shù)轉換器、AT89S52單片機控制芯片，顯示電路、聲音報警電路及電源電路。具體的電路圖參照附錄一。5.1線圈振蕩電路：圖5-1線圈震蕩電路工作過程中，由555定時器構成一個多諧振蕩器，產生頻率是24KHz，占空比為2/3的脈沖信號。選擇24KHz的超長波頻率是為了減弱土壤對電磁波的影響。振蕩器的頻率計算公為〔5-1〕從多諧振蕩器輸出的正脈沖信號經過電容C7輸入到Q1的基極(Q1為β>=125的9013H)圖中用2N2222代替，使其導通，經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，在線圈內產生瞬間較強的電流，從而使線圈周圍產生恒定的交變磁場。5.2控制電路：5.2.1線性霍爾傳感器在電路設計中，選用了UGN3503U線性霍爾傳感器，來檢測通電線圈Ll周圍的磁場變化。UGN3503U線性霍爾傳感器的主要功能：將感應到的磁場強度信號線性地轉變?yōu)殡妷盒盘?。它是將霍爾元件、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壓源驅動、使用方便的磁敏傳感器,如圖5-3，其主要功能是可將感應到的磁場強度信號線性地轉變?yōu)殡妷盒盘?。它圖5-2UGN3505圖5-3UGN3505內部結構圖的靈敏度典型值為13.5mV/mT,靜態(tài)輸出電壓為2.5V,輸出電阻為0.05Ω,mini-SIP封撞。具有靈敏度高，線性度好，結構牢固,體積小,重量輕,耐震動,功耗小,壽命長,頻率高〔可達1MHz〕,輸出噪聲低等特點.用它作探頭可測量10-6T—10T的交變和恒定磁場。如圖5-2，在測量磁場時，將元件的第一腳(面對標志面從左到右數(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)的電壓表，通電后，將電路放入被測磁場中，因霍爾器件只對垂直于霍爾片外表的磁感應強度敏感，因而必須讓磁力線垂直于電路外表，當沒有磁場B=0G時，靜態(tài)輸出電壓是電源電壓的一半，當外加磁場的南極靠近器件標志面時，會使輸出電壓高于靜態(tài)輸出電壓;當外加磁場的北極靠近器件標志面時，會使輸出電壓低于靜態(tài)輸出電壓，但仍然是正值。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Ll的中心，即可感應線圈Ll的磁場變化，并將磁場的變化信號轉化為電壓信號的變化而被后級電路拾取和放大?；魻栐且罁?jù)霍爾效應制成的器件。置于磁場中的靜止載流導體，當它的電流方向與磁場方向不一致時，載流導體上垂直于電流和磁場的方向上將產生電動勢，這種現(xiàn)象稱霍爾效應。如圖5-4通電半導體片中的載流子在磁場產生的洛侖茲力的作用下，分別向片子橫向兩側偏轉和積聚，因而形成一個電圖5-4霍爾電壓場，稱作霍爾電場?；魻栯妶霎a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。這時，片子兩側建立起一個穩(wěn)定的電壓，這就是霍爾電壓UH。霍爾電壓UH，可用下式表示：(5-2)其中RH是霍爾常數(shù)(m3c-1)，I是電流(A)，B是磁感應強度(T);d是霍爾元件的厚度(m)假設令，那么得到(5-3)由〔2-3〕可以得出，霍爾電壓的大小正比于控制電流I和磁感應強度B。KH稱為霍爾元件的靈敏度，它與元件材料的性質與幾何尺寸有關。因此當外加電壓源電壓一定時，通過的電流I為一恒值，此時輸出電壓只與加在霍爾元件上的磁場B的大小成正比，即：(5-4)K為常數(shù)，可見，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。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被檢信息，這就是線性霍爾元件的根本物理依據(jù)和作用。5.2.2放大和峰值檢波電路圖5-5放大和峰值檢波電路UGN3503U輸出的電壓是一個只有毫伏級的信號，信號十分微弱，因此，假設要對此信號進行分析，必須先進行放大。如圖5-5所示，UGN3503線性霍爾元件輸出的微弱信號〔圖中用小電壓源模擬〕經C1R7組成的高通濾波電路無損耗到前級運算放大器U1A的同相輸入端，運算放大器U1A把霍爾元件感應到的電壓轉換為對地電壓。在電路設計中，運放LM324采用+5V單電源供電，對于不同強度的信號均可通過調節(jié)前級放大電路的反應電位器R4來改變其放大倍數(shù)。經放大器放大后的輸出電壓:(5-5)該信號經耦合電容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)工作點保持獨立，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C3上，并保持下來。第二級運放U3C組成緩沖放大器，將輸出與電容隔離開來。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、響應速度較快、跟隨精度較好的運算放大器LM324，這樣可有效地利用LM324的資源，減少使用元器件的數(shù)量，降低了本錢。當輸入電壓Vi上升時，Vo2跟隨上升，使二極管D1、D2導通，D3截止，運放U2B工作在深度負反應狀態(tài)，給電容C3充電。當輸入電壓Vi下降時，D3導通，U2B也工作在深度負反應狀態(tài)，深負反應保證了二極管D1、D2可靠截止，峰值得以保持。當Vi再次上升使Vo2上升并使D1、D2導通，D3截止，再次對電容C3充電(等高于前次充電時電壓)，Vi下降時，D1、D2又截止，D3導通，Vc將峰值再次保持。輸出Vo反映的大小，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一5V的直流電平，以滿足轉換器ADC0809所要求的輸入電壓變換范圍，然后通過轉換電路將檢測到的峰值轉化成數(shù)字量。5.3AD及單片機報警局部圖5-6控制局部電路經放大和峰值檢波電路處理過的電壓輸入到ADC0809的IN0中，圖中此電壓用滑動變阻器的電壓代替用以仿真,經過AD轉換好的8位數(shù)字量經輸出口送到AT89S52的P1腳，進入單片機內部進行處理。如圖5-6，圖中顯示局部為方便調試電路所用，START和ALE互連可使ADC0809在接收模擬量路數(shù)地址時啟開工作。START啟動信號，ALE地址鎖存，EOC轉換結束信號以及OE數(shù)字輸出允許信號都由AT89S52的內部程序提供，詳細見程序分析。顯示局部P0腳接數(shù)碼管位選，P2腳接數(shù)碼管的段選。P3.0接發(fā)光二極管，P3.1接蜂鳴器。5.3.1ADC0809圖5-7ADC0809功能圖ADC0809芯片有28條引腳，采用雙列直插式封裝，如圖2-8所示。各引腳功能：IN0～IN7：8路模擬量輸入端。2-1～2-8：8位數(shù)字量輸出端。ADDA、ADDB、ADDC：3位地址輸入線，用于選通8路模擬輸入中的一路ALE：地址鎖存允許信號，輸入，高電平有效。START：A／D轉換啟動脈沖輸入端，輸入一個正脈沖〔至少100ns寬〕使其啟動〔脈沖上升沿使0809復位，下降沿啟動A/D轉換〕。EOC：A／D轉換結束信號，輸出，當A／D轉換結束時，此端輸出一個高電平〔轉換期間一直為低電平〕。OE：數(shù)據(jù)輸出允許信號，輸入，高電平有效。當A／D轉換結束時，此端輸入一個高電平，才能翻開輸出三態(tài)門，輸出數(shù)字量。CLK：時鐘脈沖輸入端。要求時鐘頻率不高于640KHZ。REF〔+〕、REF〔-〕：基準電壓。Vcc：電源，單一＋5V。GND：地。ADC0809是8位逐次逼近型A/D轉換器，片內有八路模擬開關，可對八路模擬電壓量實現(xiàn)分時轉換，轉換速度為100ps(即，0千次/秒)。當?shù)刂锋i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)AD變換。本設計中只使用通道IN0，所以，地址譯碼器ABC直接接地為000，采用線選法尋址。ADC0809片內有三態(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PO口相連接，AT89S52的PO口作為數(shù)據(jù)總線，又作為低8位地址總線。ADC0809的片內沒有時鐘，時鐘信號必須由外部提供，這里利用AT89S52內部的T0定時器提供，T0直接與ADC0809的CLOCK連接，省去了分頻電路，充分利用單片機的功能。5.3.2AT89S52AT89S52是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，共40個引腳如圖5-8，具有8K在系統(tǒng)可編程Flash存儲器。使用Atmel公司高密度非易失性存儲器技術制造，與工業(yè)80C51產品指令和引腳完全兼容。片上Flash允許程序存儲器在系統(tǒng)可編程，亦適于常規(guī)編程器。在單芯片上，擁有靈巧的8位CPU和在系統(tǒng)可編程Flash，使得AT89S52為眾多嵌入式控制應用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。AT89S52具有以下標準功能：8k字節(jié)Flash，256字節(jié)RAM，圖5-8AT89S52引腳圖32位I/O口線，看門狗定時器，2個數(shù)據(jù)指針，三個16位定時器/計數(shù)器，一個6向量2級中斷結構，全雙工串行口，片內晶振及時鐘電路。P0口：P0口是一個8位漏極開路的雙向I/O口。作為輸出口，每位能驅動8個TTL邏輯電平。對P0端口寫“1〞時，引腳用作高阻抗輸入。當訪問外部程序和數(shù)據(jù)存儲器時，P0口也被作為低8位地址/數(shù)據(jù)復用。在這種模式下，P0具有內部上拉電阻。在flash編程時，P0口也用來接收指令字節(jié)；在程序校驗時，輸出指令字節(jié)。程序校驗時，需要外部上拉電阻。P1口：P1口是一個具有內部上拉電阻的8位雙向I/O口，p1輸出緩沖器能驅動4個TTL邏輯電平。對P1端口寫“1〞時，內部上拉電阻把端口拉高，此時可以作為輸入口使用。作為輸入使用時，被外部拉低的引腳由于內部電阻的原因，將輸出電流。此外，P1.0和P1.2分別作定時器/計數(shù)器2的外部計數(shù)輸入〔P1.0/T2〕定時器/計數(shù)器2的觸發(fā)輸入〔P1.1/T2EX〕，在flash編程和校驗時，P1口接收低8位地址字節(jié)。P2口：P2口是一個具有內部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2輸出緩沖器能驅動4個TTL邏輯電平。對P2端口寫“1〞時，內部上拉電阻把端口拉高，此時可以作為輸入口使用。作為輸入使用時，被外部拉低的引腳由于內部電阻的原因，將輸出電流〔IIL〕。在訪問外部程序存儲器或用16位地址讀取外部數(shù)據(jù)存儲器〔例如執(zhí)行MOVX@DPTR〕時，P2口送出高八位地址。在這種應用中，P2口使用很強的內部上拉發(fā)送1。在使用8位地址〔如MOVX@RI〕訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，P2口輸出P2鎖存器的內容。在flash編程和校驗時，P2口也接收高8位地址字節(jié)和一些控制信號。P3口：P3口是一個具有內部上拉電阻的8位雙向I/O口，p2輸出緩沖器能驅動4個TTL邏輯電平。對P3端口寫“1〞時，內部上拉電阻把端口拉高，此時可以作為輸入口使用。作為輸入使用時，被外部拉低的引腳由于內部電阻的原因，將輸出電流〔IIL〕。P3口亦作為AT89S52特殊功能〔第二功能〕使用，如下表所示。在flash編程和校驗時，P3口也接收一些控制信號。端口引腳第二功能P3.0RXD(串行輸入口)P3.1TXD(串行輸出口)P3.2INTO(外中斷0)P3.3INT1(外中斷1)P3.4TO(定時/計數(shù)器0)P3.5T1(定時/計數(shù)器1)P3.6WR(外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通)P3.7RD(外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通)RST——復位輸入。當振蕩器工作時，RST引腳出現(xiàn)兩個機器周期以上高電平將是單片機復位。ALE/PROG——當訪問外部程序存儲器或數(shù)據(jù)存儲器時，ALE〔地址鎖存允許〕輸出脈沖用于鎖存地址的低8位字節(jié)。一般情況下，ALE仍以時鐘振蕩頻率的1/6輸出固定的脈沖信號，因此它可對外輸出時鐘或用于定時目的。要注意的是：每當訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時將跳過一個ALE脈沖。對FLASH存儲器編程期間，該引腳還用于輸入編程脈沖〔PROG〕。PSEN——程序儲存允許〔PSEN〕輸出是外部程序存儲器的讀選通信號，當AT89S52由外部程序存儲器取指令〔或數(shù)據(jù)〕時，每個機器周期兩次PSEN有效，即輸出兩個脈沖，在此期間，當訪問外部數(shù)據(jù)存儲器，將跳過兩次PSEN信號。EA/VPP——外部訪問允許，欲使CPU僅訪問外部程序存儲器〔地址為0000H-FFFFH〕，EA端必須保持低電平〔接地〕。需注意的是：如果加密位LB1被編程，復位時內部會鎖存EA端狀態(tài)。如EA端為高電平〔接Vcc端〕，CPU那么執(zhí)行內部程序存儲器的指令。FLASH存儲器編程時，該引腳加上+12V的編程允許電源Vpp，當然這必須是該器件是使用12V編程電壓Vpp。圖5-9單片機內部框圖本設計中用AT89S52作為控制芯片，經ADC0809轉換后的數(shù)字量送到該芯片中，通過編程判斷該電壓是不是有探測到金屬時的電壓，假設是，那么進行聲音報警，驅動蜂鳴器工作，到達金屬探測的功能。5.4基準電壓采集結束局部圖5-6中的P3.0腳經一個5.1k的電阻跟發(fā)光二極管相連。程序中當基準電壓已經采集結束會輸出給P3.0低電平，使得發(fā)光二極管發(fā)光，從而到達提示可以探測金屬的目的。5.5報警局部圖5-6中的P3.1腳跟蜂鳴器相連，當程序中此刻得出電壓與基準電壓的差值超過設定的差值時，說明此刻探測到周圍有金屬，那么P3.1輸出高電平，使得蜂鳴器工作，到達報警的功能。5.6顯示局部為了便于調試和了解電路的運行情況，在單片機AT89S52的根底上加了四位的數(shù)碼管顯示電路。利用P2口作為數(shù)碼管的段選端，P0口作為數(shù)碼管的位選端，顯示出的即是此刻采集進來的電壓值。5.7電源局部圖5-10變壓電路圖圖5-11LM7805引腳圖由于該金屬探測器是屬于便攜式，需要在移動的情況下工作，所以電源必須由電池來提供。市場上的電池電壓不能直接滿足電壓要求，需要經過變換電路來實現(xiàn)穩(wěn)定的5V電壓。根據(jù)以前接觸過的穩(wěn)壓芯片，選用LM7805，將9V的電池電壓變壓為設計所需的5V電壓。LM7805的管腳功能如圖5-11，從正面看，1腳是輸入，2腳接地，3腳輸出，從3腳輸出穩(wěn)定的5V電壓。6工作原理簡述工作過程中，由555定時器構成的多諧振蕩器產生一個頻率為24KHz的脈沖信號。此脈沖信號經過緩沖和放大之后，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生磁場。此時，固定在線圈L1中心的霍爾元件UGN3503U就會感應到線圈周圍的磁場，并將磁場強度信號線性地轉變成電壓信號。在無金屬的情況下，假設霍爾輸出電壓為u0，該電壓信號很微弱，屬mv級信號，u0經過放大電路放大，再通過峰值檢波電路，得到相應的0V-5V的峰值輸出電壓，以滿足ADC0809的量程，經AD轉換后，將此輸出電壓的數(shù)字量輸入到單片機儲存起來。繼續(xù)采集，當采集到的數(shù)據(jù)有六個時，單片機通過算出算術平均根的方式得到此時的平均值U0作為基準電壓，并輸出低電平到P3.0驅動發(fā)光二極管，以提示探測者采集完基準電壓，可以進行金屬探測。此后，以該電壓信號作為基準電壓，與A/D轉換器采集到的電壓信號進行比擬判斷。當探測線圈L1靠近金屬物體時，由于電磁感應現(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，霍爾元件感應到該變化的磁場，并將其線性地轉變成電壓信號ux該變化的電壓經放大電路、峰值檢波電路后，得到相應的0V-5V的峰值輸出電壓，然后經AD轉換后，輸入到單片機，繼續(xù)采集。采集的數(shù)據(jù)到達六個后，經單片機處理算出此時的Ux，再與基準電壓U。的比擬，二者比擬得到一個差值，此差值與預設的靈敏度△U再作比擬。當然，△U大小的設定決定著系統(tǒng)精度的上下。假設(Ux一U0)>△U，就確定為探測到金屬，CUP輸出口P3.1控制蜂鳴器發(fā)出聲響，進行聲音報警。除此，該電路還設計了四個數(shù)碼管顯示局部，以顯示此時輸入的電壓值，方便檢測。7系統(tǒng)軟件設計YYYNNYNYY開始系統(tǒng)初始化是否已采集U0采集的數(shù)據(jù)采集到的數(shù)據(jù)=6算術平均值濾波基準電壓采集結束采集數(shù)據(jù)采集到的數(shù)據(jù)=6算術平均值濾波并保存Ux|Ux-U0|>△U蜂鳴器報警N圖7-1程序原理框圖軟件是本系統(tǒng)最重要的局部，在設計軟件中，本文從系統(tǒng)的實用性、可靠性及方便靈活等幾個方面出發(fā)，使程序滿足設計的功能要求。根本思想流程如圖7-1，在實際編寫中，靈活運用C語言的優(yōu)勢，充分利用了AT89S52所具備的功能，完成了定時器T0提供ADC0809一定周期的信號供其工作，軟件處理數(shù)據(jù)進行濾波，實時顯示輸入電壓值等功能。詳細程序見附錄二。金屬探測器的噪聲抑制能力是金屬探測器的主要設計指標。由于在采集電壓量時經常會碰到各種瞬時干擾，而采用硬件濾波存在硬件電路復雜等諸多弊端，因此本設計中采用算術平均濾波法，即在一次電壓量的采集中，在很短的時間內對它進行6次采集，將它轉換為數(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，從而省去了復雜的硬件，而且能夠取得好而精確的效果。8設計局部仿真由于設計中霍爾傳感器那局部不方便仿真，故直接給控制電路提供一個0V-5V之間的電壓。圖8-1采集到基準電壓仿真圖如圖8-1，此狀態(tài)是剛啟動電路后的顯示，此時數(shù)碼管顯示2.549V，電壓表的電壓為2.55V，在誤差允許范圍內數(shù)碼管顯示的是此時輸入的電壓值。P3.0腳接的二極管此時是亮著的，說明基準電壓U0已經采集，即為此時的2.55V.P3.1接的蜂鳴器的兩端都是低電平，說明此時蜂鳴器不工作，不報警。圖8-2未探測到金屬仿真圖在軟件仿真中此時程序設定的靈敏度為1V，因此，如果此時電壓|UX-U0|>1V，那么應該報警，如圖8-2，此時電壓為3.549V，差值未超過靈敏度，所以P3.1腳依然是低電平，不報警，為探測過程中未探測到金屬的狀態(tài)圖。圖8-3探測到金屬仿真圖數(shù)碼管顯示此時電壓值為3.607V，差值大于靈敏度，應為報警狀態(tài)，圖中此時顯示蜂鳴器報警，即仿真結果判斷此時探測到金屬，符合本設計要求。9主要技術指標分析9.1金屬探測器的工作頻率24KHz，選擇24KHz的超長波頻率是為了減少土壤對電磁波的影響。9.2靈敏度分析儀器的靈敏度受到磁場變化幅度的影響，故由公式(3-2)，即可知：1.檢測線圈的尺寸對儀器的靈敏度有影響。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，那么線圈中心磁場強度低，在靠近線圈附近磁場強度較高，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。2.檢測線圈的匝數(shù)對儀器的靈敏度有影響。當檢測線圈尺寸一定時，那么匝數(shù)越少其靈敏度越高。但為了確保通過霍爾元件的磁通量，匝數(shù)的減少也是有限的，需通過實驗來確定最正確匝數(shù)。9.3穩(wěn)定性分析工作過程中存在的局部干擾：1.線圈的雜散電容與人體感應電容均可引起頻率變化而產生偽信號。2.環(huán)境溫度的變化，儀器元件參數(shù)也會改變，影響儀器工作的穩(wěn)定。3.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。本設計中，為提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，采用了以下兩種方法：1.一次電壓量的采集中，在很短的時間內采集6次，轉換為數(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得到的平均值作為一次的電壓值。這種方法能夠濾除偽信號，使得得到的數(shù)據(jù)更準確，更具科學性。2.對于不一樣的環(huán)境，單片機采集到的基準電壓是不一樣的，這樣的設計使得環(huán)境對檢查結果的干擾大大降低了。另外，靈敏度△U的數(shù)值是可以通過編程調節(jié)的，對于特定的環(huán)境，可以根據(jù)實際實驗的結果設定最適宜的△U，使得儀器滿足設計中探測大塊金屬時，探頭距金屬物體20cm揚聲器就會發(fā)出聲音的要求，甚至可以滿足能夠檢測到曲別針、一枚大頭針的要求。參考文獻[1]3503RATIOMETRICLINEARHALL-EFFECTSENSORS.Copyright@19852002AllegroMicroSystems,Inc.[2]童詩白,華成英.模擬電子技術根底〔第三版〕[Z].北京:高等教育出版社249-272[3]周省三.電磁場根本教程[Z].北京:高等教育出版社248-249[4]胡漢才.單片機原理及接口技術[Z].北京:清華大學出版社〔第二版〕北京:清華大學出版社49-64313-320[5]程守沫,江之永.普通物理學2[Z].北京:高等教育出版社180-182204-205[6]減春華.電子線路設計與應用[Z].北京高等教育出版社9-73[7]郁有為,常健,程繼紅.傳感器原理及工程應用[Z].西安電子科技大學出版社116-123[8]范麗華,李樹華.基于單片機控制的只能型金屬探測器的設計[J].內蒙古大學學報,2006,37〔2〕185-189[9]沙占友，王彥朋，孟志永.單片機外圍電路設計[Z].電子工業(yè)出版社86-92[10]金戌，沈慶陽，郭庭吉吳.8051單片機實踐與應用[Z].清華大學出版社153-158[11]張毅剛，彭喜元，姜守達.新編MCS-51單片機應用設計[Z].哈爾濱工業(yè)大學出版社215-218附錄一電路原理圖附錄二源程序#include"reg51.h"#defineucharunsignedchar#defineuintunsignedint#defineLED_DIGPORTP0；//數(shù)碼管位選接上拉電阻#defineAD_DATAPORTP1；//A/D數(shù)據(jù)口#defineLED_WORDPORTP2；//數(shù)碼管段碼sbitAD_EOC=P3^3;//A/D轉換結束信號輸出端sbitAD_CLK=P3^4;//A/D時鐘信號輸入端sbitAD_START=P3^6;//啟動A/D轉換控制信號輸入端sbitAD_OE=P3^7;//A/D輸出允許控制端sbitWARM=P3^1;//控制蜂鳴器輸出端sbitLED=P3^0;//基準電壓采集結束顯示燈ucharcodeSeg_Code[10]={0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82,0xf8,0x80,0x90};//共陽極段碼ucharcodeSegNode_Code[10]={0x40,0x79,0x24,0x30,0x19,0x12,0x02,0x78,0x00,0x10};//有小數(shù)點段碼uchara[4],dig=0x01;ucharflag;uchari,max,min,count;longintsum=0,sum1,sum2;uchartab[6];voidDelay(uchart1,uchart2)//延時子程序，t1，t2是無符號的字符型全局變量{ for(;t1>0;t1--)for(;t2>0;t2--);}voidLed_Display()//數(shù)碼管顯示子程序{uchari;for(i=0;i<4;i++)//4個數(shù)碼管{LED_WORDPORT=0xff;//顯示清屏LED_DIGPORT=dig<<i;//位碼LED_WORDPORT=a[i];//段碼Delay(1,200);//延時}}voidtime0()interrupt1{AD_CLK=~AD_CLK;//A/D時鐘信號}voidAD_init(){for(count=0;count<6;count++)//采集六次轉換后的數(shù)字量{while(!AD_EOC);//假設AD_EOC為低電平，即轉換期間，等待，直到轉換結束AD_START=1;//給START一個高電平，上升沿復位內部存放器AD_OE=1;//數(shù)據(jù)輸出有效，允許輸出tab[count]=AD_DATAPORT;//轉換后的數(shù)字量放tab里Delay(1,10);//延時，給START一個正脈沖AD_OE=0;//數(shù)據(jù)輸出無效，不允許輸出AD_START=0;//給START一個低電平，啟動ADC0809工作Delay(1,10);//延時一段時間，使得AD轉換次數(shù)少些，等待AD轉換}for(i=0;i<6;i++)//將tab內數(shù)字量最大的存MAX里，最小的存MIN內{max=tab[0];min=tab[0];if(max<tab[i]){max=tab[i];}if(min>tab[i]){min=tab[i];}}sum1=(tab[0]+tab[1]+tab[2]+tab[3]+tab[4]+tab[5]-max-min)/4;//TAB內數(shù)字量去掉最大和最小的總和放sum1中sum1=(sum1*50000)/255;//將總和*10000轉換為整數(shù)，再轉換為跟模擬量對應的數(shù)值，以便顯示程序調用sum1count=0;//清零LED=0;//基準電壓采集結束顯示燈亮}voidAD_chuli()//A/D信號處理{AD_START=1;//又上升沿復位內部存放器AD_OE=1;//OE為高電平時,允許輸出，轉換結果出現(xiàn)D7~D0if(count<6)