智能金屬探測儀的設(shè)計與實現(xiàn)

.28/32編號本科生畢業(yè)設(shè)計智能金屬探測儀的設(shè)計與實現(xiàn)Designandimplementationofintelligentmetaldetector學(xué)生姓名專業(yè)學(xué)號指導(dǎo)教師學(xué)院2009年6月摘要本文著重介紹了一種基于AT89S52單片機控制的智能金屬探測儀的硬件組成、軟件設(shè)計、工作原理與主要功能。該金屬探測儀以AT89S52單片機為核心，采用線性霍爾元件UGN3503作為傳感器，來感應(yīng)金屬渦流效應(yīng)引起的通電線圈磁場的變化，并將磁場變化轉(zhuǎn)化為電壓的變化，單片機測得電壓值，并與設(shè)定的電壓基準值相比較后，決定是否探測到金屬。系統(tǒng)軟件采用匯編語言編寫。在軟件設(shè)計中，采用了數(shù)字濾波技術(shù)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。此外，文中還對影響金屬探測儀的靈敏度與穩(wěn)定性的因素進行了探討，認為儀器的工作頻率、檢測線圈的尺寸與匝數(shù)等是影響靈敏度的主要因素；而應(yīng)用現(xiàn)場的環(huán)境溫度、濕度與線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：單片機金屬探測儀線性霍爾元件電磁感應(yīng)靈敏度AbstractThispaperdescribesthecompositionsofhardwareandsoftware,workingprinciplesandthefunctionsofanintelligentmetaldetectorwhichmainlyconsistsofAT89S52SingleChipMicyocoandlinearHall-EffectSensor.TheequipmentadoptsUGN3503Ulinearhall-effectsensorasprobetodetectthemagneticfieldchangeofthecentreofasearchcoilresultedfromeddycurrenteffectandturnthismagneticfieldchangeintovoltagechange.TheSCMmeasuresthepeakvalueofvoltageandcomparesitwithreferencevoltage.Thendeterminewhetherdetectmetalornot.Incaseofdetectionofametallicmass,theMetalDetectorprovidesanacousticalandopticalalarm.Thesystemssoftwaredropstheassemblerlanguagetobewritten.Insidethesoftware,thedigitalfiltertechnologyisutilizedtoeliminatethejamming.Sothestabilityofsystemandthemeasuringveracityareimproved.TheeffectofallfactorsonsensitivityandstabilityofMetalDetectorarediscussedinthispaper.Itisconcludedthattheoperatingfrequency,thesizeofthesearchcoilandturnsarethemainfactorsaffectedonthesensitivityoftheinstrument;theenvironmenttemperatureandhumidityinsite,thewindingtechnologyofcoilsandthestabilityofpowersupplyarethefactorseffectedonstabilityofinstrument.KEYWORDS：SCM(SingleChipMicyoco)MetaldetectorLinearhall-effectsensorElectric-magneticinductionsensitivity目錄摘要IAbstractII第1章分析探測金屬的理論依據(jù)11．1金屬探測器的研究意義11．2金屬探測器的發(fā)展現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢11．3金屬探測器理論依據(jù)21．4主要性能分析3第2章硬件電路設(shè)計52．1系統(tǒng)組成52．2電路原理圖52．3硬件電路功能描述62．3．1線性霍爾傳感器72．3．2放大和峰值檢波電路92．3．3A/D轉(zhuǎn)換電路102．4系統(tǒng)控制單元132．5顯示警告電路152．6電源電路152．7整機工作原理描述16第三章系統(tǒng)軟件設(shè)計173．1軟件設(shè)計思想173．2數(shù)字濾波與算法說明173．3主程序流程圖193．4主要子程序模塊設(shè)計193．4．1初始化子程序193．4．2中斷服務(wù)程序203．4．3數(shù)字濾波程序設(shè)計213．4．4發(fā)光與報警模塊23第四章結(jié)論與展望254．1結(jié)論254．2展望25參考文獻27致28第1章分析探測金屬的理論依據(jù)1．1金屬探測器的研究意義金屬探測器作為一種最重要的安全檢查設(shè)備，己被廣泛地應(yīng)用于社會生活和工業(yè)生產(chǎn)的諸多領(lǐng)域。比如在機場、大型運動會(如奧運會)、展覽會等都用金屬探測器來對過往人員進行安全檢測，以排查行、包裹與人體夾帶的刀具、槍支、彈藥等傷害性違禁金屬物品；工業(yè)部門(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)也使用金屬探測器對出入人員進行檢測，以防止貴重金屬材料的丟失；目前，就連考試也開始啟用金屬探測器來防止考生利用手機等工具進行作弊[1]。由此可見，金屬探測器對工業(yè)生產(chǎn)與人身安全起著重要的作用。而為了能夠準確判定金屬物品藏匿的位置，就需要金屬探測器具有較高的檢測精度。目前，國外雖然己有較為完善的系列產(chǎn)品(如ElPaso,CeiaUSA,Ranger&Metorex等廠商的產(chǎn)品)，但價格極其昂貴；國傳統(tǒng)的金屬探測器則是利用模擬電路進行檢測和控制的，其電路復(fù)雜，探測靈敏度低，且整個系統(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控制的智能型金屬探測器，采用靈敏度極高的線性霍爾元件作為傳感器，感應(yīng)由于金屬出現(xiàn)引起的探測線圈周圍磁場的變化，提高了檢測精度；處理部件則采用AT89S52單片機作為檢測和控制核心，對檢測結(jié)果進行分析判斷，有效地保證了檢測原理的實施；此外，利用軟件濾波的方法代替了傳統(tǒng)探測器復(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、行、包裹與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，可用于海關(guān)、機場、車站、碼頭的安全檢查。也可用于探測隱藏于墻、護墻板側(cè)、空洞和土壤中的上述物品和其他金屬物[2]。1．2金屬探測器的發(fā)展現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢全球第一臺金屬探測器誕生于1960年，最初的金屬探測器主要應(yīng)用于工礦企業(yè)，其為檢查礦產(chǎn)純度和提高效益的得力幫手。隨后于1970年，隨著社會的不斷發(fā)展，金屬探測器被引入一個新的應(yīng)用領(lǐng)域—安全檢查，其廣泛運用于民航、公安、緝私和邊防等領(lǐng)域，也就是今天我們所使用的金屬探測器的雛形，它的出現(xiàn)意味著人類對安全的認知已步入了一個新的時代。一個產(chǎn)品的出現(xiàn)帶動了一個行業(yè)的發(fā)展，于是安檢這個既陌生又熟悉的行業(yè)開始進入市場。隨著全防護行業(yè)的蓬勃發(fā)展，在安檢領(lǐng)域，國出現(xiàn)了多個金屬探測器生產(chǎn)廠商，但在國市場占有率上來看國外品牌占有80%的市場份額，民航市場也一直是國金屬探測器的禁區(qū)。究其原因，大部分是因為產(chǎn)品質(zhì)量不過關(guān)導(dǎo)致相關(guān)質(zhì)量認證書拿不到。其實，國金屬探測器產(chǎn)品的研發(fā)、生產(chǎn)和推廣，近幾年已獲得較大進步。但是，猶如其他電子類產(chǎn)品一樣，金屬探測器同樣出現(xiàn)了電路仿制、性能一樣、功能繁多、華而不實的現(xiàn)象。某些所謂生產(chǎn)廠商這種投入小、研發(fā)周期短的商業(yè)行為勢必導(dǎo)致產(chǎn)品的一致性差，可靠性低以與安檢產(chǎn)品社會信譽度降低，設(shè)備從根本上保證不了安檢要求。在70年代，隨著航空業(yè)迅速發(fā)展，劫機和危險事件的發(fā)生使航空與機場安全逐漸受到重視，于是在機場眾多設(shè)備中金屬探測門扮演著排查違禁物品的重要角色。同樣在70年代，由于金屬探測門在機場安檢中的嶄露頭角，大型運動會(如奧運會)展覽會與政府重要部門的安全保衛(wèi)工作中開始啟用金屬探測門作為必不可少的安檢儀器。發(fā)展到80年代，監(jiān)獄暴力案件呈直線上升趨勢，如何與早有效預(yù)防并阻止暴力案件發(fā)生成了監(jiān)獄管理工作中的重中之重，在依靠警員對囚犯加強管理的同時，金屬探測門再次成為了美國、英國、比利時等發(fā)達國家監(jiān)獄管理機構(gòu)必備的安檢設(shè)備，形成平均每300個囚犯便使用一臺金屬探測門應(yīng)用于安全檢查;與此同時西方興起的“尋寶熱”，也使手持式、便攜式金屬探測器得到長足的發(fā)展。進入90年代，迅速升溫的電子制造業(yè)成了這個時代的寵兒，大型的電子公司為了減少產(chǎn)品流失、結(jié)束員工與公司之間的尷尬局面，陸續(xù)采用金屬探測門和手持式金屬探測器作為管理員工行為、減少產(chǎn)品流失的利刃，于是金屬探測器又有了它新的角色—產(chǎn)品防盜。40多年過去了，金屬探測器經(jīng)歷了幾代探測技術(shù)的變革，從最初的信號模擬技術(shù)到連續(xù)波技術(shù)直到今天所使用的數(shù)字脈沖技術(shù)，金屬探測器簡單的磁場切割原理被引入多種科學(xué)技術(shù)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(zhì)的飛躍。應(yīng)用領(lǐng)域也隨著產(chǎn)品質(zhì)量的提高延伸到了多個行業(yè)。1．3金屬探測器理論依據(jù)金屬探測器是采用線圈的電磁感應(yīng)原理來探測金屬的。根據(jù)電磁感應(yīng)原理，當(dāng)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(yīng)[3]；圖1-1通電線圈工作示意圖（1）線圈介質(zhì)條件的變化：當(dāng)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1-1，對于半徑為R的單匝圓形電感線圈，當(dāng)其過交變電流I=Imcosω時，線圈周圍空間產(chǎn)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(yīng)強度B為[4]：（1-1）其中，μ=μ0μr，μ為介質(zhì)的磁導(dǎo)率，μr為相對磁導(dǎo)率，μ0為真空磁導(dǎo)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(yīng)強度則為[5]：（1-2）由公式(1-2)可知，當(dāng)線圈有效探測圍無金屬物時，μr=1(非金屬的相對磁導(dǎo)率)，線圈中心磁感應(yīng)強度B保持不變，當(dāng)線圈有效探測圍出現(xiàn)鐵磁性金屬物時，μr會變大，B隨μr也會變大。（2）渦流效應(yīng)[6]：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中時，金屬導(dǎo)體就會產(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，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(chǎn)生交變磁場，當(dāng)將金屬靠近線圈時，金屬產(chǎn)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(dǎo)率σ越大，交變電流的頻率越大，則渦電流強度越大，對原磁場的抑制作用越強。通過以上分析可知，當(dāng)有金屬物靠近通電線圈平面附近時，無論是介質(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)μr≈1，σ較大，可以認為是導(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；對于鐵磁性金屬(如：鐵、鉆、鎳)μr很大，σ也較大，可認為是既導(dǎo)電又導(dǎo)磁物質(zhì)，主要產(chǎn)生磁效應(yīng)，同時又有渦流效應(yīng)[7]。本設(shè)計正是基于這樣的理論，來尋找一種適合的傳感器來感應(yīng)線圈的磁場變化，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。1．4主要性能分析金屬探測器的工作頻率、靈敏度和穩(wěn)定性是儀器的主要技術(shù)指標。1．工作頻率為24KHz，選擇24KHz的超長波頻率是為了減弱土壤對電磁波的影響。2．靈敏度分析由公式(1-2)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(guān)，尺寸大即探測面積大，則線圈中心磁場強度低，在靠近線圈繞組附近磁場強度較高，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(dāng)檢測線圈尺寸一定時，則匝數(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佳匝數(shù)[8][9]。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。Ⅱ.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。Ⅲ.應(yīng)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。第2章硬件電路設(shè)計2．1系統(tǒng)組成如圖2-1所示，整個探測系統(tǒng)以8位單片機AT89S52作為控制中心，其硬件電路分為兩個部分，一部分為線圈震蕩電路，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，包括：UGN3503型線性霍爾元件、前置放大電路、峰值檢波電路、ADC0809模數(shù)轉(zhuǎn)換器、AT89S52單片機、LED顯示電路、聲音報警電路與電源電路等[10][11]。a.線圈振蕩電路a.線圈振蕩電路探測線圈放大電路多諧振蕩器b.控制電路霍爾元件放大峰值檢波A/DCPUAT89S52報警顯示電源圖2-1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)塊圖和金屬探測器的特點，設(shè)計的整體電路圖如圖2-2所示圖2-2基于單片機控制的智能型金屬探測器原理圖2．3硬件電路功能描述（1）線圈振蕩電路圖2-3線圈振蕩電路原理圖工作過程中，由555定時器構(gòu)成一個多諧振蕩器，產(chǎn)生一頻率為24KHz、占空比為2/3的脈沖信號。振蕩器的頻率計算公式為[12]：（2-1）圖示參數(shù)對應(yīng)的頻率為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輸入到探測線圈L1中，再線圈產(chǎn)生瞬間較強的電流，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9V電池供電[13]。2．3．1線性霍爾傳感器在電路設(shè)計中，選用了美國ALLEGRO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)到的磁場強度信號線性地轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘朳14]。他的功能框圖和輸出特性示于圖2-4和圖2-5。圖2-4UGN3503U的功能框圖圖2-5UGN3503U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。如圖2-6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B，在薄片的橫向兩側(cè)會出現(xiàn)一個電壓，如圖2-6中的UH，這種現(xiàn)象就是霍爾效應(yīng)。UHUHdWIB圖2-6霍爾效應(yīng)原理圖I這種現(xiàn)象的產(chǎn)生，是因為通電半導(dǎo)體片中的載流子在磁場產(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，因而形成一個電場，稱作霍爾電場?；魻栯妶霎a(chǎn)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[11]。這時，片子兩側(cè)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：（V）（2-2）式中RH-霍爾常數(shù)（m3C-1）；I-電流（A）；B-磁感應(yīng)強度（T）；d-霍爾元件的厚度（m）令KH=RH/d(VA-1Wb-1m2)，得到UH=KHIB(V)(2-3)由上式可知，霍爾電壓的大小成正比于控制電流I和磁感應(yīng)強度B。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)。因此當(dāng)外加電壓電源電壓一定時，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：UH=KB(V)（2-4）此時K=KHI為常數(shù)。因此，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(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被檢信息，這就是線性霍爾元件的基本物理依據(jù)和作用。本設(shè)計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，為用戶提供了一個由外電源驅(qū)動、使用方便的磁敏傳感器。該器件的磁電轉(zhuǎn)換特性曲線如圖2-5所示，其輸出電壓和加在霍爾元件上的磁感強度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封裝。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，功耗小，壽命長，頻率高（可達1MHz）；輸出噪聲低等特點。用它做探頭可測量10-6—10T的交變和恒定磁場。在測量磁場時，將元件的第一腳（面對標志面從左到右）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，將電路放入被測磁場中，因霍爾元件只對垂直于霍爾片表面的磁感應(yīng)強度敏感，因而必須讓磁力線垂直于電路表面，當(dāng)沒有磁場（B=0G）時，靜態(tài)輸出電壓是電源電壓的一半（即VCC/2），當(dāng)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(dāng)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L1的中心，即可感應(yīng)線圈L1的磁場變化，并將磁場的變化信號轉(zhuǎn)化為電壓信號的變化而被后級電路時區(qū)和放大[15]。2．3．2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，再對其進行處理前，首先要進行放大。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算放大器LM324，LM324是四運放集成電路，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。它的部包含四組形式完全一樣的運算放大器，除電源共用，四組運放相互獨立。圖2-7LM324引腳圖圖2-8LM324外觀圖如圖2-9所示，UGN3503U線性霍爾元件輸出的微弱信號經(jīng)電容耦合到前級運算放大器U2A的同相輸入端，運算放大器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，運放LM324采用+5V單電源供電，對于不同強度的信號均可通過調(diào)解前級放大電路的反饋電位器W1來改變其放大倍數(shù)。經(jīng)前級運算放大器放大的信號經(jīng)耦合電容C2輸入到后級峰值檢測電路中。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。圖2-9數(shù)據(jù)采集電路原理圖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C6上，并保持下來。第二級運放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)速度快、跟隨精度較好的運算放大器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上升時，VO2跟隨上升，使二極管D4、D5導(dǎo)通，D3截止，運放U2B工作在深度負反饋狀態(tài)，給電容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也工作在深度負反饋狀態(tài)，深負反饋保證了二極管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高于前次充電時電壓），Vi2下降時，D4、D5又截止，D3導(dǎo)通，VC將峰值再次保持。輸出VO反映VC的大小，通過峰值檢波和后級緩沖放大電路，將采集到的微弱電壓信號放大至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[16]。2．3．3A/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中進行處理，這里選用了經(jīng)濟實用的ADC0809型A/D轉(zhuǎn)換器來完成模數(shù)轉(zhuǎn)換。ADC0809芯片部結(jié)構(gòu)和工作時序于圖2-10和圖2-11。比較器比較器A/DVREF(-)8路模擬開關(guān)地址鎖存記譯碼三態(tài)輸出寄存器電阻網(wǎng)絡(luò)豎狀開關(guān)逐位逼近寄存器SAR時序于控制STARTEOCCLKOED7D0IN7IN0ADDCADDBADDAALEVREF(+)圖2-10ADC0809芯片的部結(jié)構(gòu)圖圖2-11ADC0809的工作時序

ADC0809是8位逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器，片有八路模擬開關(guān)，可對八路模擬電壓量實現(xiàn)分時轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換速度為100μs(即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)計中只適用通道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（邏輯功能見表2-1）構(gòu)成的4分頻器分頻獲得。ALE引腳的頻率是單片機時鐘頻率的1/6，單片機時鐘頻率為12MHz，再經(jīng)4分頻后為500kHz，所以ADC0809能可靠工作。ADC0809的模擬輸入圍：單極性0~5V，設(shè)計中采用+5V單電源供電[17]。如圖2-12所示，放大后的電壓信號送入ADC0809的模擬輸入通道IN0進行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—D0所存到輸出緩存器。AT89S52的讀信號端發(fā)出一個三態(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2-12A/D轉(zhuǎn)換電路表2-174LS163邏輯功能表輸入輸出功能描述/CLEAR/LOADClockEnableQDQCQBQACOEpEr1111計數(shù)10××D3D2D1D0—數(shù)據(jù)置入0×××0000清零××××0111112．4系統(tǒng)控制單元采用AT89S52單片機。AT89S52是一個低功耗，高性能CMOS8位單片機，片含8KBytesISP(In-systemprogrammable)的可反復(fù)擦寫1000次的Flash只讀程序存儲器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)制造，兼容標準MCS-51指令系統(tǒng)與80C51引腳結(jié)構(gòu)（引腳圖如圖2-13所示），芯片集成了通用8位中央處理器和ISPFlash存儲單元[18][19]。圖2-13AT89S52引腳圖AT89S52片結(jié)構(gòu)如圖2-14所示，它具有如下特點：40個引腳，8KBytesFlash片程序存儲器，256Bytes的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器（RAM），32個外部雙向輸入/輸出（I/O）口，看門狗定時（WDT）電路，2個數(shù)據(jù)指針，3個16位可編程定時計數(shù)器，5個中斷優(yōu)先級2層中斷嵌套中斷，2個全雙工串行通信口，片時鐘振蕩器。此外，AT89S52設(shè)計和配置了振蕩頻率可為0Hz并可通過軟件設(shè)置省電模式。空閑模式下，CPU暫停工作，而RAM、定時計數(shù)器、串行口與外中斷系統(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)，停止芯片其他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2-14AT89S52片結(jié)構(gòu)圖2．5顯示警告電路一旦發(fā)現(xiàn)金屬出現(xiàn)，則被測物理量超限由單片機I/O口的P1.0控制發(fā)光二極管進行光報警的同時，P1.6還觸發(fā)無源蜂鳴器用聲報警提醒檢測人員注意，進行必要的定位搜身檢查。2．6電源電路電路如圖2-15所示，電源供電由9V電池和板穩(wěn)壓電源組成。電路板采用三端穩(wěn)壓集成電路塊LM7805為板元器件供電。LM7805三端正穩(wěn)壓器具有部過流，熱過載和輸出晶體管安全區(qū)保護功能，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555定時器、UGN3503U、AT89S52、ADC0809等芯片和元件可靠地工作。圖2-15電源電路2．7整機工作原理描述在工作過程中，由555定時器構(gòu)成的多諧振蕩器產(chǎn)生一個頻率為24KHz的脈沖信號，此脈沖信號經(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L1中心的霍爾元件UGN3503U就會感應(yīng)到線圈周圍的磁場，并將磁場強度信號線性地轉(zhuǎn)變成電壓信號[20]。在無金屬的情況下，假設(shè)霍爾輸出電壓為U0，該電壓信號U0很微弱，屬mv級信號，U0經(jīng)過放大電路放大，在經(jīng)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)字量輸入到單片機儲存起來。此后，以該電壓信號作為基準電壓，與A/D轉(zhuǎn)換器采集到的電壓信號進行比較判斷。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，并使其線性地轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘朥X，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與基準電壓UO的比較，二者比較|UX-UO|得到一個差值，此差值與預(yù)設(shè)的靈敏度△U再作比較。當(dāng)然，△U大小的設(shè)定決定著系統(tǒng)精度的高低。若|UX-UO|>△U，就確定為探測到金屬，CPU輸出口P1.0輸出信號驅(qū)動發(fā)光二極管發(fā)光警報，同時P1.6控制蜂鳴器發(fā)出聲響，進行聲音報警。

第三章系統(tǒng)軟件設(shè)計3．1軟件設(shè)計思想軟件是本系統(tǒng)的靈魂，在設(shè)計軟件中，本文從系統(tǒng)的實用性、可靠性與方便靈活等幾個方面出發(fā)，使程序滿足設(shè)計的功能要求。整個系統(tǒng)的軟件包括主程序、一個外部中斷服務(wù)程序、數(shù)字濾波程序、比較判斷子程序與發(fā)光報警等若干個子程序。軟件采用匯編語言編寫，并采用模塊化設(shè)計，使程序結(jié)構(gòu)清晰，便于今后進一步擴展系統(tǒng)的功能。主程序初始化以后置位AT89S52的中斷控制位EA，使CPU開放中斷。然后通過檢測RAM中21H中數(shù)值的值來判斷是否采集基準電壓Uo，如果未采集過Uo，則啟動ADC0809對IN0通道的模擬輸入量進行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2-2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，ADC0809的EOC端向AT89S52的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)程序進行壓棧，保護現(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RAM21H中，作為基準電壓Uo。經(jīng)反復(fù)實驗測得的靈敏度△U的值被存放在單片機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)軟件濾波后存入部RAM以30H為首址的數(shù)據(jù)存儲器中，然后將此數(shù)據(jù)UX和基準電壓U0進行比較，二者差值U存放在單片機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△U進行比較，以確定是否報警[21]。3．2數(shù)字濾波與算法說明金屬探測器的噪聲抑制能力是金屬探測器的主要設(shè)計指標。由于在采集電壓量時經(jīng)常會碰到各種瞬時干擾，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，在很短的時間對它進行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。在一個采樣周期，對信號X的N次測量值進行算術(shù)平均，作為時刻K的輸出X(k)，即式（3-1）(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，信號平滑度越高，靈敏度就會降低，但是本設(shè)計中需要較高的靈敏度，所以N取值不易過大，這里我選擇了N=6，選擇取6個數(shù)進行計算的原因，就是因為在匯編中做計算是非常麻煩的，取6個數(shù)，減去最大值和最小值后，取平均值是除4，計算機的部計算都是二進制，而二進制每除一個2，實際上是向右移一次。所以為了計算方便，我選擇取6個數(shù)，最后在算除法的時候，只需要用單片機自帶的右移位命令移2次就行了。3．3主程序流程圖YY圖3-1主程序流程圖3．4主要子程序模塊設(shè)計3．4．1初始化子程序ADPORTEQU7FF8H;ADC0809通道0地址△UEQU20H;靈敏度存放在20HU0EQU21H;基準電壓存放在21HUEQU22H;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)標志MOV21H,00H;21H單元清零MOV22H,00H;22H單元清零MOVR1,#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:SETB1T1;當(dāng)ADC0809的EOC輸出電平上跳沿觸發(fā)中斷1SETBEA:打開總中斷開關(guān)(片中斷允許寄存器IE.7=EA)SETBEXl;允許外中斷1中斷MOVDPTR,#ADPORT;數(shù)據(jù)指針指向通道IN0通道MOVA#00H;MOVR5，A;MOVXDPTR，A;啟動A/D轉(zhuǎn)換。CJNER7,#00H,$;LOOP:NOPAJMPLOOP;ORG2100H;中斷服務(wù)程序入口INT1:PUSHPSWPUSHAPUSHDPL;PUSHDPH;MOVDPTR,#7FF8H;數(shù)據(jù)指針指向通道IN0MOVXA，DPTR;把該通道的A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果讀到累加器A中MOVR5,A;將A/D結(jié)果存入R5LCALLFILTER;調(diào)用數(shù)字濾波程序MOVA#00H;MOVXDPTR，A;再次啟動A/D轉(zhuǎn)換MOVR7#001;置讀數(shù)標志POPPDH;POPPDL;POPA;POPPSW;RET1;中斷返回3．4．3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，把剩余的累加和求算術(shù)平均值作為本周期采樣值。存入部RAM以30H為首址的數(shù)據(jù)存儲器中。其中，R3寄存器存放最大值，R2寄存器存放最小值，R4寄存器存累加和，R0存放連續(xù)采樣次數(shù)[22]。（1）程序框圖YY圖3-2數(shù)字濾波程序框圖（2）程序清單FILTER:CLRA;R2，R4清零MOVR2,A;MOVR4,A;MOVR3,#3FH;置最小值初態(tài)MOVR1,#30H;置數(shù)據(jù)區(qū)首地址MOVR0,#06H;置連續(xù)采樣次數(shù)N=6DAV1:ADDA,R4;累加輸入值MOVR4,A;累加和放入R4CLRC;清進位標志MOVA,R2;取最大值SBBBA,R5;最大值-輸入值JNCDAV2;輸入值〉（R2）?MOVA,R5;MOVR2,A;更新最大值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,R5MOVR3,A；更新最小值DAV3:DJNZR0,DAV1;判斷N-1=0?(若輸入CLRC介于最大，最小值之間，且R0-1≠0時轉(zhuǎn)至DAV1)MOVA,R4;SBBBA,R2;SBBBA,R3;CLRC;RRCA;RRCA;MOVXR1，A;將算術(shù)平均值存入以30H為首址的RAM緩沖單元中INCR1；修改數(shù)據(jù)區(qū)指針RET；3．4．4發(fā)光與報警模塊DISPLAY:SETBP1.0；LCALLDELAYCLRP1.0AJAMPDISPLAYALARM:SETBP1.6LCALLDELAYCLRP1.6AJAMPALARMDELAY:MOVR5,#FFH;D1:MOVR6,#FFHD2:DJNZR6,D2DJNZR5,D1RENEND第四章結(jié)論與展望4．1結(jié)論數(shù)字式金屬探測器利用微控制器靈活的檢測方法和較強數(shù)據(jù)處理能力，為各種金屬檢測應(yīng)用提供了比較完整的解決方案。電路的工作頻率和模擬部分的工作點的變化基本上不會影響檢測精度，從而使得測設(shè)備具有良好的靈敏性和可靠性。本文結(jié)合國外現(xiàn)有金屬探測器技術(shù)給出了本課題研究的基于單片機控制的智能型金屬探測器設(shè)計的總體方案，通過對霍爾傳感器的工作原理研究，給出了檢測裝置金屬探測頭的工作原理與其模型；通過對控制裝置的系統(tǒng)分析，給出了控制裝置的硬件和軟件的實現(xiàn)方法和一些實例。本課題研究的智能型金屬探測器具有如下特點：(l)采用外接AD轉(zhuǎn)換器對檢測信號進行數(shù)據(jù)采樣和數(shù)據(jù)處理，進一步提高了檢測效果和檢測精度；(2)采用微處理機建立良好的人機對話界面，LCD液晶顯示，中文菜單式的畫面；(3)采用軟件設(shè)置光電管，起到良好的抗干擾作用。(4)具有記憶功能，可存儲20種產(chǎn)品的檢測參數(shù)；(5)能夠進行靈敏度調(diào)節(jié)，操作方便，運行可靠，檢測靈敏度可達到的指標為不銹鋼SUS達到Φ1.0mm、鐵FE達到Φ0.7mm；(6)能夠進行相位調(diào)節(jié)，手動設(shè)置檢測參數(shù)；(7)具有報警顯示功能，方便用戶識別不合格產(chǎn)品并與時排除；(8)符合HACCP認證，采用不銹鋼殼體與專門的固化技術(shù)，設(shè)備穩(wěn)定性好，對環(huán)境與人體無影響[23]。4．2展望金屬檢測器是集電、磁、機以與控制技術(shù)為一體的檢測設(shè)備?！捌胶饩€圈”，技術(shù)自19世紀被首次注冊專利以來，金屬探測器己出現(xiàn)了相當(dāng)大的發(fā)展。即使最近幾年中還出現(xiàn)過重大的進步：模擬探測器為數(shù)字探測器所替代以與功能強大的微處理器技術(shù)的采用均為最重要的發(fā)展。它們提供了更強的性能、更高的靈敏度與處理能力，現(xiàn)在即使在極為苛求應(yīng)用當(dāng)中，金屬探測器依然可按客戶需求進行開發(fā)并很好地使用。目前，中國食品工業(yè)已成為國民經(jīng)濟最重要的支柱產(chǎn)業(yè)，其總產(chǎn)值居國民經(jīng)濟各部門之首。進入九十年代以來，據(jù)不完全統(tǒng)計，有巧個省、市、自治區(qū)在制定“九五”，國民經(jīng)濟規(guī)劃時，把食品工業(yè)列為支柱產(chǎn)業(yè)或重要產(chǎn)業(yè)。另在食品工業(yè)中隨著消費者對產(chǎn)品質(zhì)量要求日趨嚴格，再加上多項標準的管制，食品生產(chǎn)制造商必須對產(chǎn)品做出品質(zhì)的保證。除了在生產(chǎn)的每個工序進行嚴格的管理之外，產(chǎn)品的檢驗亦是不可或缺的步驟。許多食品生產(chǎn)制造商在產(chǎn)品出廠之前必須經(jīng)過檢驗，由此可見作為應(yīng)用于食品檢測的金屬檢測器具有極大的市場前景，預(yù)示著在今后幾年將見到其飛速發(fā)展