基于單片機的金屬探測器的課程設計報告

1、<p><b>　　摘要</b></p><p>　　本文著重介紹了一種基于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UGN3503作為傳感器，來感應金屬渦流效應引起的通電線圈磁場的變化，并將磁場變化轉化為電壓的變化，單片機測得電壓值，并與設定的電壓基準值相比較后，決定是否探測到金屬

2、。系統(tǒng)軟件采用匯編語言編寫。在軟件設計中，采用了數(shù)字濾波技術消除干擾，提高了探測器的抗干擾能力，確保了系統(tǒng)的準確性。適用于對郵件、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，可用于海關、機場、車站、碼頭的安全檢查。</p><p><b>　　目錄</b></p><p>　　第1章 分析探測金屬的理論依據(jù)……………

3、…………………………………………… 1</p><p>　　第2章 硬件電路設計……………………………………………………………………… 1</p><p>　　2.1系統(tǒng)組成……………………………………………………………………………… 1</p><p>　　2.2硬件電路功能描述…………………………………………………………………… 1</p><

4、;p>　　2.3整機工作原理描述…………………………………………………………………… 4</p><p>　　第3章 系統(tǒng)軟件設計……………………………………………………………………… 5</p><p>　　3.1軟件設計思想………………………………………………………………………… 5</p><p>　　3.2數(shù)字濾波計算法說明…………………………………

5、……………………………… 6</p><p>　　3.3主程序流程圖………………………………………………………………………… 6</p><p>　　第4章 仿真、調(diào)試結果分析……………………………………………………………… 8</p><p>　　4.1仿真、調(diào)試目的與內(nèi)容……………………………………………………………… 8</p><p&g

6、t;　　4.2仿真結果分析………………………………………………………………………… 8</p><p>　　4.3試驗總結……………………………………………………………………………… 9</p><p>　　第5章 結論………………………………………………………………………………… 10</p><p>　　參考文獻…………………………………………………………………

7、………………… 10</p><p>　　附錄………………………………………………………………………………………… 11</p><p>　　第1章　分析探測金屬的理論依據(jù)</p><p>　　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)生線圈介質(zhì)條件的變化和渦流效應兩個現(xiàn)象。當有金屬物靠近通電線圈平面附近

8、時，無論是介質(zhì)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μr≈1，σ較大，可以認為是導電不導磁的物質(zhì)，主要產(chǎn)生渦流效應，磁效應可忽略不計;對于鐵磁性金屬μr很大，σ也較大，可認為是既導電又導磁物質(zhì)，主要產(chǎn)生磁效應，同時又有渦流效應。 本設計正是基于這樣的理論，來尋找一種適合的傳感器來感應線圈的磁場變化，并把磁場信號的變化轉變成電信號的變化，從而實現(xiàn)單片機的控制。</p><p>

9、;　　第2章　硬件電路設計</p><p><b>　　2.1　系統(tǒng)組成</b></p><p>　　如圖1所示，整個探測系統(tǒng)以8位單片機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，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)轉換器、AT89S

10、52單片機、LED顯示電路、聲音報警電路及電源電路等。具體電路原理圖參看附錄1。</p><p><b>　　圖1 系統(tǒng)結構框圖</b></p><p>　　2.2　硬件電路功能描述</p><p>　　2.2.1　線圈振蕩電路</p><p>　　圖2 線圈振蕩電路原理圖</p><p>　　電

11、路原理圖如圖2所示。工作過程中，由555定時器構成一個多諧振蕩器，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：</p><p>　　圖示參數(shù)對應的頻率為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Q1的基極(Q1為β≥125的9013H)，使其導通，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

12、線圈L1中，在線圈內(nèi)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。</p><p>　　2.2.2　數(shù)據(jù)采集電路</p><p><b>　　圖3 數(shù)據(jù)采集電路</b></p><p>　　電路原理圖如圖3所示。由線性霍爾傳感器、放大和峰值檢波電路構成。線性霍爾傳感器選用的是美國ALELGRO公司生產(chǎn)的UGN3503U，主要功能是可將感

13、應到的磁場強度信號線性地轉變?yōu)殡妷盒盘?。由于UGN35O3U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，在對其進行處理前，首先要進行放大。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。峰值檢測電路由兩級運算放大器組成，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。</p><p>　　2.2.3　A/D轉換電路</p>

14、<p>　　圖4　A/D轉換電路</p><p>　　為了將采集到的模擬量信息，轉換為單片機能夠直接處理的數(shù)字信息，這里選用了ADC0809型A/D轉換器，完成由模擬量到數(shù)字量的轉換。當?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。本設計使用通道NI0，所以，地址譯碼器ABC直接接地為000，采用線選法尋址。ADC0809的數(shù)據(jù)輸出口直接于單片

15、機的數(shù)據(jù)總線P0口相連接，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，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，設計中采用+5V單電源供電。電路原理圖如圖4所示。</p><p>　　2.2.4　系統(tǒng)控

16、制單元</p><p>　　單片機AT89S52與AT89C52相比較，其優(yōu)點在于AT89S52片內(nèi)含8K Bytes ISP的可反復擦寫1000次的Flash只讀程序存儲器，還兼具AT89C52的其他優(yōu)點：AT89S52是一個低功耗，高性能CMOS 8位單片機。40個引腳，8K Bytes Flash片內(nèi)程序存儲器，256 bytes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

17、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，片內(nèi)時鐘振蕩器。其工作電壓為5V，晶振頻率采用12MHz。</p><p>　　2.2.5　鍵盤控制電路</p><p>　　鍵盤控制電路K1鍵作為功能鍵設置靈敏度△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K4鍵按下時，靈敏度值確定。&l

18、t;/p><p>　　2.2.6　顯示報警電路</p><p>　　AT89S52的串行口RXD和TXD為一全雙工串行通信口，但在工作方式0下可作同步移位寄存器用，其數(shù)據(jù)由RXD（P3.0）端輸出或輸入；當鍵盤控制部分各鍵按下時，LED顯示相對應靈敏度數(shù)值，顯示電路如圖5所示。</p><p><b>　　圖5 顯示報警電路</b></p&g

19、t;<p>　　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P1.0輸出信號驅動發(fā)光二極管發(fā)光報警，P1.6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。</p><p>　　2.2.7　電源電路</p><p>　　電路原理圖如圖6所示，電源供電由9V電池和板內(nèi)穩(wěn)壓電源組成。</p><p><b>　　圖6 電源電

20、路</b></p><p>　　2.3整機工作原理描述</p><p>　　在工作過程中，由555定時器構成的多諧振蕩器產(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

21、。</p><p>　　在無金屬的情況下，假設霍爾輸出電壓為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，再通過峰值檢波電路，得到相應的0V~5V的峰值輸出電壓U0，以滿足ADC0809的量程，經(jīng)A/D轉換后，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轉換器采集到的電壓信號進行比較判斷。</p><p>　　當探測線圈L1靠近金屬物體時，

22、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(jīng)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Ux，然后經(jīng)A/D轉換后，輸入到CPU，由CPU完成Ux與基準電壓U0的比較，二者比較? Ux—U0?得到一個差值，此差值與預設的靈敏度△U再作比較。靈敏度由鍵盤控制電路中各鍵輸入，顯示電路部分則顯示各鍵按下后的相應數(shù)值，當然，△U大小

23、的設定決定著系統(tǒng)精度的高低。若|Ux-U0|>△U，就確定為探測到金屬，CUP輸出口P1.0輸出信號驅動發(fā)光二極管發(fā)光報警，同時P1.6控制蜂鳴器發(fā)出聲響，進行聲音報警。</p><p>　　第3章　系統(tǒng)軟件設計</p><p>　　3.1　軟件設計思想</p><p>　　主程序初始化以后置位AT89S52的中斷控制位EA，使CPU開放中斷。通過檢測RAM中

24、21H中數(shù)值的值來判斷是否采集基準電壓U0，如果未采集過U0，則啟動ADC0809對NIO通道的模擬輸入量進行A/D轉換。</p><p>　　在電路設計中，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程序中完成的，從原理圖看出，ADC0809的EOC端通過反相器接AT89S52的NIT1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

25、響應外部中斷1，且設置其響應方式為邊沿觸發(fā)。當A/D轉換完畢后，ADC0809的EOC端向AT89S52的INT1的返向端送入一個中斷申請信號，AT89S52接此信號后響應中斷請求，調(diào)用中斷服務子程序INTl，中斷服務程序進行壓棧，保護現(xiàn)場，讀取來自ADC0809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的下一次轉換。</p><p>　　經(jīng)過數(shù)據(jù)軟件濾波之后將其存放在單片機R

26、AM 21H中，作為基準電壓U0。反復實驗測得的靈敏度△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為首址的數(shù)據(jù)存儲器中，然后將此數(shù)據(jù)Ux二和基準電壓U0進行比較，二者差值U存放在單片機ARM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，以確定是否報警鍵盤控制電路各鍵控制靈敏度的值，并在顯示電路部分顯示按鍵后的對應數(shù)值。&

27、lt;/p><p>　　3.2　數(shù)字濾波及算法說明</p><p>　　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(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(nèi)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

28、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。</p><p>　　在一個采樣周期內(nèi)，對信號X的N次測量值進行算術平均，作為時刻K的輸出x(k)，即 （3-1）</p><p>　　其中N為采樣次數(shù)，xi為第i次的采樣值。</p><p>　　顯然N越

29、大，信號平滑度越高，靈敏度就會降低，但是本設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，計算機的內(nèi)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。</p><p>　　3.3　主

30、程序流程圖</p><p><b>　　圖7 主程序流程圖</b></p><p>　　3.3.1　鍵盤控制程序設計（如圖8所示）</p><p>　　圖8 鍵盤控制流程圖</p><p>　　圖10 顯示與報警流程圖 圖9 數(shù)字濾波流程圖</p><p>　　3

31、.3.2　數(shù)字濾波程序設計（如圖9所示）</p><p>　　3.3.3　顯示與報警程序設計（如圖10所示）</p><p>　　第4章　仿真、調(diào)試結果分析</p><p>　　4.1　仿真、調(diào)試目的與內(nèi)容</p><p>　　仿真調(diào)試的內(nèi)容是要把程序修改正確，使編譯能夠通過，而且還要用Proteus仿真軟件中的一些功能來查看程序所實現(xiàn)的功能

32、是否能夠和預期的功能相符合。需要反復調(diào)試，直到能夠實現(xiàn)預期結果為止。本次設計是在仿真軟件Keil來進行編譯和調(diào)試的。</p><p>　　4.2　仿真結果分析</p><p>　　本次設計的仿真結果如下所述：</p><p>　　振蕩電路輸出的是一方波，可以讀出占空比和輸出脈沖的頻率，其仿真結果如圖11所示</p><p><b>

33、　　圖11 多諧輸出</b></p><p>　　從調(diào)試的結果中可以讀出T1的值為：0.028ms,T2的值為：0.014ms。輸出頻率等于23.573KHZ，而理論上輸出脈沖的頻率是24KHZ，從讀出的結果可以看出與理論值有一定的誤差，這是由于調(diào)試過程中如環(huán)境、儀器設備等因素造成的，雖然結果有誤差，但基本上是正確的，說明多諧振蕩器部分電路是正確的。</p><p>　　顯示部

34、分顯示的數(shù)據(jù)是設定的靈敏度值，當按下各鍵盤部分各個鍵時，在顯示電路部分顯示相對應的數(shù)據(jù)，顯示結果如圖12所示。</p><p>　　初始狀態(tài) 加1顯示值</p><p>　　加15顯示值 減11顯示值</p><p><b>　　圖12 顯示值</b></p>

35、<p>　　蜂鳴器顯示部分，從P1.6口接出來的蜂鳴器電路用來發(fā)出探測到金屬時的報警信號，蜂鳴器的發(fā)出警告聲響。</p><p><b>　　4.3　實驗總結</b></p><p>　　由于未能找到合適部分芯片和器件，通過調(diào)試程序，電路仿真時出現(xiàn)了現(xiàn)實模糊、不穩(wěn)定等一些問題，但最終的結果基本正確，得到了較為理想的顯示數(shù)據(jù)。</p><

36、;p><b>　　第5章　結論</b></p><p>　　本設計首先介紹了探測金屬的理論依據(jù)，當有金屬靠近通電線圈平面附近時將發(fā)生線圈介質(zhì)條件的變化和渦流效應兩個現(xiàn)象，根據(jù)電磁感應原理來設計金屬探測器。</p><p>　　硬件電路的設計分為兩個部分，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，包括：線性霍爾元件、前置放大

37、電路、峰值檢波電路ADC0809模數(shù)轉換器、AT89S52單片機、LED顯示電路、聲音報警電路及電源電路，通過這些電路將磁場強度信號變?yōu)殡妷盒盘枺龠M行電壓信號的拾取，放大等。</p><p>　　軟件設計中，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。整個系統(tǒng)的軟件包括主程序、一個外部中斷服務程序、數(shù)字濾波程序、比較判斷子程序及發(fā)光報警等若干個子程序，采用匯編語言編寫。</p

38、><p>　　最后分析了設計中的主要技術指標，包括金屬探測器的工作頻率（12KHZ），靈敏度（包括：檢測線圈的尺寸對儀器靈敏度的影響和匝數(shù)對靈敏度的影響）以及穩(wěn)定性等技術指標。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1] 程守洙、江之水，《普通物理學2》，高等教育出版社，2001，180-182 204-205&l

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