基于單片機(jī)的金屬探測(cè)器的設(shè)計(jì)

基于單片機(jī)的金屬探測(cè)器的設(shè)計(jì)學(xué)生： 指導(dǎo)教師：內(nèi)容摘要：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。系統(tǒng)軟件采用匯編語(yǔ)言編寫。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 線性霍爾元件 電磁感應(yīng) 靈敏度Design for vending machines PLC system Abstract: This paper describes the composition of hardware and software,working principles and the functions of an intelligent metal detector which mainly consists of AT89S52 Single-Chip Microcomputer and linear Hall-Effect Sensor. The equipment adopts UGN3503U linear hall-effect sensor as probe to detect the magnetic field change of the centre of a search coil resulted from eddy current effect and turn this magnetic field change into voltage change.The Single-Chip Microcomputer measures the peak value of voltage and compares it with reference voltage.Then determine whether detect metel or not.In case of detection of a metallic mass,the Metal Detector porvides an acoustical and optical alarm.The systems software adopts the assmbler language to be written.Inside the software,the digital filter technology is utilized to eliminate the jamming.So the stability of system and measuring veracity are improved.The effect of all factors on sensitivity and stability of Metel Detetor are discussed in this paper.It is concluded that the operating frequency,the size of the search coil and turns are the main factors effected on the sensitivity of the instrument: the environment temperature and humidity in site,the winding technology of coils and the stability of power supply are the factors effected on stability of instrument.KEY WORDS: Single-Chip Microcomputer metal detector linear hall-effect sensor electric-magnetic induction sensitivity目 錄前 言 .11 分析探測(cè)金屬的理論根據(jù).21.1 理論描述.21.1.1線圈介質(zhì)條件變化. .21.1.2 渦流效應(yīng).32 硬件電路設(shè)計(jì).32.1 系統(tǒng)組成.32.2 硬件電路功能描述.42.2.1 線圈振蕩電路.42.2.2 數(shù)據(jù)采集.52.2.3 A/D轉(zhuǎn)換電路.8 2.2.4 系統(tǒng)控制單元.112.2.5 鍵盤控制電路.122.2.6 顯示報(bào)警電路132.2.7 電源電路142.3 整機(jī)工作原理描述153 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)163.1 軟件設(shè)計(jì)思想163.2 數(shù)字濾波及算法說(shuō)明163.3 主程序流程圖173.3.1 鍵盤控制程序設(shè)計(jì)183.3.2 數(shù)字濾波程序設(shè)計(jì)193.3.3 顯示與報(bào)警程序設(shè)計(jì)204 主要技術(shù)指標(biāo)分析.214.1 主要技術(shù)指標(biāo)分析214.4.1 工作頻率214.4.2 靈敏度分析214.4.3 穩(wěn)定性分析225 仿真、調(diào)試結(jié)果及分析.225.1 仿真、調(diào)試目的與內(nèi)容225.2 仿真結(jié)果及分析225.3 試驗(yàn)總結(jié)246 結(jié) 論.24附 錄1： 電路原理圖.25附 錄2： 各模塊程序清單26參考文獻(xiàn) .32基于單片機(jī)的金屬探測(cè)器的設(shè)計(jì)前 言隨著社會(huì)的發(fā)展金屬探測(cè)器已經(jīng)成為一種重要的檢查設(shè)備，廣泛地被應(yīng)用到社會(huì)生活和工業(yè)生產(chǎn)當(dāng)中。比如說(shuō)在機(jī)場(chǎng)、運(yùn)動(dòng)會(huì)、大型展覽會(huì)進(jìn)出口等我們都會(huì)看到金屬探測(cè)器被用來(lái)對(duì)過(guò)往人員進(jìn)行安全檢查排查行李、包裹還可以檢測(cè)到人體是否攜帶有刀具、槍支、子彈等安全隱患的物品;在工業(yè)生產(chǎn)部門(比如汽車、金銀首飾、電子產(chǎn)品等工廠)同樣也有使用到金屬探測(cè)器對(duì)出入人員進(jìn)行檢查，從而可以防止貴重的金屬物品流失;甚至連考試也開始采用金屬探測(cè)器檢測(cè)考生是否利用手機(jī)等代金屬的通信工具進(jìn)行作弊。由此可見(jiàn)，當(dāng)今社會(huì)金屬探測(cè)器對(duì)社會(huì)生活，生產(chǎn)，人身安全已經(jīng)有了極其重要的作用。但是要準(zhǔn)確定位金屬物品準(zhǔn)確的所在位置，我們就對(duì)金屬探測(cè)器的精度有比較高的要求。國(guó)外已經(jīng)有較成熟的產(chǎn)品(比如EIPaso、CeiaUSA、Ranger&Metoerx廠家都有類似產(chǎn)品)，但是它們的價(jià)格通常都非常昂貴;國(guó)內(nèi)也有利用模擬電路來(lái)檢測(cè)和控制的比較傳統(tǒng)一點(diǎn)的金屬探測(cè)器，它的缺點(diǎn)是電路比較復(fù)雜，探測(cè)靈敏度也不高，而且整個(gè)系統(tǒng)不穩(wěn)定很受環(huán)境因素如溫度、濕度、電焊等干擾很大。正是基于這樣的原因我給大家介紹這樣一個(gè)基于單片機(jī)控制的智能型金屬探測(cè)器，靈敏度方面它的傳感器采用了靈敏度極高的線性霍爾元件，能檢測(cè)金屬出現(xiàn)時(shí)探測(cè)線圈周圍磁場(chǎng)的變化，這樣可以大大的提高檢測(cè)的精度;數(shù)據(jù)處理方面采用的是AT89S52單片機(jī)作為控制單元，用它來(lái)處理檢測(cè)結(jié)果，能有效地保證檢測(cè)效果;我們還采用了軟件濾波的方法而不是已往的模擬電路濾波，這很大程度上提高了整套系統(tǒng)的可靠性、靈敏度和穩(wěn)定性。這樣它就可以適用于檢測(cè)各種郵件、包裹包括人體攜帶的各種金屬物品，尤其適用于海關(guān)、機(jī)場(chǎng)、車站等公共場(chǎng)所進(jìn)出口的安全檢查。還可以用來(lái)探測(cè)土壤中的物品（如地雷）。51 金屬探測(cè)器的理論根據(jù)1.1理論概述金屬探測(cè)器是采用的線圈的電磁感應(yīng)原理來(lái)進(jìn)行探測(cè)金屬的。由電磁感應(yīng)原理：當(dāng)金屬物體靠近通電線圈平面時(shí)，線圈介質(zhì)條件會(huì)發(fā)生變化并產(chǎn)生渦流效應(yīng)。11.1.1介質(zhì)條件變化當(dāng)有金屬物體接近通電線圈的時(shí)候，通電線圈周圍的磁場(chǎng)會(huì)發(fā)生變化，如圖1.1.1-1， 圖1.1.1-1 設(shè)圓形電感線圈半徑為R，通過(guò)的交變電流I=Imcos wt圈時(shí)線圈周圍空間會(huì)產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，由畢奧一薩伐爾定律可以計(jì)算出線圈中心軸線上任意一點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度： (1.1.1-1)上式當(dāng)中，=0r，代表介質(zhì)的磁導(dǎo)率，r代表的是相對(duì)磁導(dǎo)率，0代表真空磁導(dǎo)率。2對(duì)于緊密纏繞的N匝線圈，線圈中心軸線某一點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度可以算出： (1.1.1-2)由上式可得知，當(dāng)線圈有效探測(cè)范圍內(nèi)沒(méi)有金屬物出現(xiàn)時(shí)，r=1 (非金屬相對(duì)磁導(dǎo)率)，線圈中心磁感應(yīng)強(qiáng)度不會(huì)發(fā)生變化，線圈有效探測(cè)范圍內(nèi)如鐵磁性金屬出現(xiàn)，r會(huì)變大，磁感應(yīng)強(qiáng)度也會(huì)隨之變大。1.1.2渦流效應(yīng)再來(lái)說(shuō)說(shuō)渦流效應(yīng)，根據(jù)電磁理論可以知道，當(dāng)金屬物體出現(xiàn)在變化的磁場(chǎng)當(dāng)中，金屬導(dǎo)體內(nèi)形成自行閉合的感應(yīng)電流，既渦流效應(yīng)。渦流又會(huì)產(chǎn)生附加的磁場(chǎng)與外磁場(chǎng)方向相反，這樣就會(huì)削弱外磁場(chǎng)變化的速度。正是因?yàn)檫@樣，把交流的正弦信號(hào)輸入空心線圈，交變磁場(chǎng)就會(huì)在線圈周圍產(chǎn)生電流，線圈當(dāng)中出現(xiàn)金屬時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)渦流磁場(chǎng)同時(shí)磁作用又會(huì)阻礙磁場(chǎng)變化。越大，交變電流頻率也就變得越大，渦電流強(qiáng)度變大，阻礙原有磁場(chǎng)變化。這樣我們就可以理解，金屬接近通電線圈周圍，介質(zhì)磁導(dǎo)率發(fā)生變化和渦流效應(yīng)同時(shí)引起磁感應(yīng)強(qiáng)度發(fā)生改變。對(duì)于非鐵磁性金屬、順磁體r1，較大，它是導(dǎo)電不導(dǎo)磁的，主要作用是產(chǎn)生渦流效應(yīng)?；谶@個(gè)理論，只要找到適合的傳感器以感應(yīng)線圈磁場(chǎng)發(fā)生變化，然后把磁信號(hào)轉(zhuǎn)變成電信號(hào)變化信號(hào)，再來(lái)實(shí)現(xiàn)單片機(jī)控制。構(gòu)建了系統(tǒng)硬件電路。2 硬件電路2.1系統(tǒng)的組成如2.1-1圖所示，探測(cè)系統(tǒng)用AT89S528位單片機(jī)作控制核心，硬件電路有線圈振蕩電路（多諧振蕩電路、放大電路、探測(cè)線圈、控制電路）等。具體電路原理圖參看附錄一。多諧震蕩 器 圖2.1-1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖2.2硬件電路功能2.2.1線圈振蕩電路圖 圖2.2.1-1 線圈振蕩電路原理圖 工作過(guò)程中把555定時(shí)器作多諧振蕩器，以產(chǎn)生頻率為24KHz、占空比為2/3的脈沖信號(hào)。以下是振蕩器頻率計(jì)算公式： (2.2.1-1)如圖參數(shù)的頻率是24KHz， 24KHz的超長(zhǎng)波頻率可以減弱土壤對(duì)電磁波的影響。多諧振蕩器輸出正脈沖信號(hào)經(jīng)輸入到Q1基極(Q1為125的9013H)，這樣就可以使它導(dǎo)通， Q1放大過(guò)后，頻率穩(wěn)定度高、功率較大的脈沖信號(hào)輸入線圈L1線圈里面會(huì)產(chǎn)生較大的瞬間電流，這樣線圈周圍就會(huì)產(chǎn)生恒定的交變磁場(chǎng)。在脈沖信號(hào)作用下，Q1處于開關(guān)工作狀態(tài)，因?yàn)閷?dǎo)通時(shí)間極短，故它其實(shí)是很省電的。2.2.2數(shù)據(jù)采集分析a) 線性霍爾傳感器 選用UGN3503U線性霍爾傳感器，用來(lái)檢測(cè)通電線圈Ll周圍的磁場(chǎng)有沒(méi)有發(fā)生變化。UGN3503U主要功能可以將磁場(chǎng)強(qiáng)度信號(hào)線性地轉(zhuǎn)化成電壓信號(hào)。功能框圖輸出特性如圖2.2.2-1與圖2.2.2-2。3 圖2.2.2-1 UGN3503功能框圖 圖2.2.2-2 UGN350磁電轉(zhuǎn)換特性曲線圖依據(jù)霍爾效應(yīng)制成霍爾元件。如圖2.2.2-3: 圖2.2.2-3 霍爾效應(yīng)原理 半導(dǎo)體薄片兩端通以電流I再加與其表面垂直的磁場(chǎng)B，在薄片兩側(cè)就會(huì)出現(xiàn)電壓，如圖2-7 UH, 這就是所謂的霍爾效應(yīng)。它的產(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，分別向片子橫向兩側(cè)積聚，形成霍爾電場(chǎng)。它所產(chǎn)生的電場(chǎng)力和洛侖茲力方向剛好相反阻礙載流子的堆積當(dāng)霍爾電場(chǎng)力和洛侖茲力大小相等時(shí)，片子兩側(cè)建立起了一個(gè)穩(wěn)定的電壓既霍爾電壓UH。霍爾電壓UH可用下式表示： UH=RHIB/d （2.2.2-1）式中RH-霍爾常數(shù)； I電流； B是磁感應(yīng)強(qiáng)度； d代表霍爾元件厚度假設(shè)KH=RH/d(vAwbm)，那么： UH=KHIB (V) (2.2.2-2)由此我們便可以知道電壓的大小與正比控制電流I和磁感應(yīng)強(qiáng)度B。KH是霍爾元件靈敏度。在外加電壓源電壓一定時(shí)，通過(guò)的電流是恒值，輸出電壓只和加在霍爾元件上的磁場(chǎng)大小成正比如下： UH=KB (V) (2.2.2-3)K=KHI是常數(shù)。任何引起磁場(chǎng)強(qiáng)度變化的物理量也會(huì)引起霍爾輸出電壓發(fā)生變化。據(jù)這個(gè)原理將霍爾元件做成各種探頭固定在工作系統(tǒng)的適當(dāng)位置，就可以檢測(cè)到工作磁場(chǎng)，然后根據(jù)霍爾輸出電壓的變化提取檢測(cè)到的信息，線性霍爾元件的基本根據(jù)就是這樣的。這次設(shè)計(jì)中采用線性霍爾傳感器UGN3503U它將高增益線性差分放大器和射極跟隨器集成在一個(gè)半導(dǎo)體基片上，為用戶提供外電壓源驅(qū)動(dòng)、使用方便的磁敏傳感器。它的磁電轉(zhuǎn)換特性曲線如圖2-6所示，其輸出電壓和加在霍爾元件上的磁感強(qiáng)度B大小成比例。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0.05K，采用mini-SIP封裝形式。它可以測(cè)量，106-10T的磁場(chǎng)。在測(cè)量磁場(chǎng)時(shí)，將元件的第一腳接在5V的電源上，再把第二腳接地，第三腳用來(lái)接高輸入阻抗(>10K)電壓表，在通電后，將電路放在被測(cè)磁場(chǎng)中，由于霍爾器件只對(duì)垂直于霍爾片表面的磁感應(yīng)強(qiáng)度敏感，就一定要讓磁力線垂直于電路的表面，沒(méi)有磁場(chǎng)時(shí)，靜態(tài)輸出電壓等于電源電壓的一半，當(dāng)外加磁場(chǎng)的南極靠近器件標(biāo)志面，剛會(huì)導(dǎo)致輸出電壓比靜態(tài)輸出電壓高。 b) 放大和峰值檢波電路分析峰值檢測(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，并保持下來(lái)第二級(jí)運(yùn)放U2C組成緩沖放大器，它可以氫輸出與電容隔開。為了獲得優(yōu)良的傳輸性能和保持性能，有效地利用LM324的資源，減少使用元器件的數(shù)量，還可以使成本減少。圖2.2.2-4 LM324外形 和LM324引腳排列2.2.3 A/D轉(zhuǎn)換電路分析這里選用經(jīng)濟(jì)實(shí)用的ADC0809型A/D轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換。ADC0809芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)還有工作時(shí)序示如圖2.2.3-3和圖2.2.3-4所示。 圖 2.2.3-3 ADC0809芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 圖 2.2.3-4 ADC0809工作時(shí)序圖 ADC0809A/D轉(zhuǎn)換器是8位逐次逼近型的，它片內(nèi)有八路模擬開關(guān)，能對(duì)八路模擬電壓進(jìn)行分時(shí)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換速度可以達(dá)到100s(10千次/秒)。地址鎖存允許信號(hào)ALE=1，3位地址把信號(hào)A、B、C送入地址鎖存器，選擇8路模擬量中的一路來(lái)作A/D變換。 圖2.2.3-5 A/D轉(zhuǎn)換電路圖圖2.2.2-6 74LS163引腳2.2.4系統(tǒng)控制單元分析AT89S52是一個(gè)低功耗，高性能的8位單片機(jī)，它的片內(nèi)含8K Bytes ISP的可反復(fù)擦寫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)，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)、80C51引腳結(jié)構(gòu)，芯片內(nèi)還集成通用ISP Flash存儲(chǔ)單元和8位中央處理器。 圖 2.2.4-1 AT89S52引腳 圖2.2.4-2 AT89S52片內(nèi)結(jié)構(gòu)2.2.5鍵盤控制電路 鍵盤是一組按鍵的集合，它是最常用的單片機(jī)輸入設(shè)備。操作人員可以通過(guò)鍵盤輸入數(shù)據(jù)或命令，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的人-機(jī)通信。按鍵是一種常開型按鈕開關(guān)。常態(tài)時(shí)，按鍵的兩個(gè)觸點(diǎn)處于斷開狀態(tài)，按下鍵時(shí)他們才閉合。鍵盤控制電路如圖2.2.5-1所示，靈敏度是可調(diào)的，K1鍵作為功能鍵設(shè)置靈敏度U，K2和K3分別作為加1，減1鍵來(lái)調(diào)節(jié)靈敏度，K4是確定鍵，當(dāng)K4鍵按下時(shí)，靈敏度值確定。圖2.2.5-1 鍵盤控制電路2.2.6顯示報(bào)警電路 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；而同步移位時(shí)鐘由TXD（P3.1）端串行輸出，在同步時(shí)鐘作用下，實(shí)現(xiàn)由串行到并行的數(shù)據(jù)通信。在不需要使用串行通信的場(chǎng)合，利用串行口加外圍芯片74HC164就可構(gòu)成一個(gè)或多個(gè)并行輸入/輸出口，用于顯示器LED驅(qū)動(dòng)。單片機(jī)中通常使用7段LED構(gòu)成字型“8”，另外，還有一個(gè)小數(shù)點(diǎn)發(fā)光二極管，以顯示數(shù)字、符號(hào)及小數(shù)點(diǎn)。當(dāng)鍵盤控制部分各鍵按下時(shí)，LED顯示相對(duì)應(yīng)靈敏度數(shù)值，顯示電路如圖2.2.6-1。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P1.0輸出信號(hào)驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管發(fā)光報(bào)警，P1.6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，報(bào)警電路如圖2.2.6-2所示。圖2.2.6-1 顯示電路圖2.2.6-2 報(bào)警電路2.2.7電源電路介紹如圖2.2.6-2電源供電是板內(nèi)穩(wěn)壓電源和9V電池共同組成的。電路板內(nèi)是三端穩(wěn)壓集成電路塊LM7805作板內(nèi)元器件來(lái)供電的。LM7805三端正穩(wěn)壓器有熱過(guò)載內(nèi)部過(guò)流和輸出晶體管安全區(qū)保護(hù)的功能，它可以將9VDC的輸入電壓轉(zhuǎn)換為+5V電壓，這時(shí)它的最大輸出電流為0.5A，保證板內(nèi)AT89S52、555定時(shí)器、ADC0809等芯片和元件可靠工作。2.3整機(jī)工作原理工作的時(shí)候由555定時(shí)器作多諧振蕩器產(chǎn)生一個(gè)頻率為24KHz脈沖信號(hào)，再經(jīng)緩沖和放大過(guò)后，形成頻率穩(wěn)定度比較高、功率較大過(guò)后的脈沖信號(hào)輸入探測(cè)線圈里面，通電的線圈周圍產(chǎn)生磁場(chǎng)，固定在線圈L1中心的霍爾元件UGN3503U就會(huì)感應(yīng)到線圈周圍的磁場(chǎng)，同時(shí)再把磁場(chǎng)強(qiáng)度信號(hào)線性地轉(zhuǎn)變成電壓信號(hào)。圖2.2.7-1 電源電路圖3 系統(tǒng)軟件介紹3.1軟件設(shè)計(jì)思路軟件是系統(tǒng)的靈魂所在，本文從系統(tǒng)可靠性、實(shí)用性及方便靈活幾個(gè)方面考慮，程序既滿足設(shè)計(jì)的功能要求。整個(gè)系統(tǒng)的軟件包括了主程序、外部中斷服務(wù)程序、數(shù)字濾波程序等若干個(gè)子程序。軟件程序是用匯編語(yǔ)言來(lái)編寫的采用模塊化設(shè)計(jì)，使程序結(jié)構(gòu)清晰，這樣還可以便于以后可以進(jìn)一步擴(kuò)展系統(tǒng)功能。3.2數(shù)字濾波金屬探測(cè)器的噪聲抑制能力是它的主要設(shè)計(jì)指標(biāo)。在采集電壓時(shí)經(jīng)常會(huì)有各種瞬時(shí)干擾，而采用硬件濾波存在硬件電路復(fù)雜這些問(wèn)題，所以在設(shè)計(jì)中我采用算術(shù)平均濾波的方法。用軟件代替了硬件這就省去了復(fù)雜的硬件，這樣還能夠得到較好而精確的效果。10一個(gè)采樣周期里，信號(hào)X的N次測(cè)量值進(jìn)行算術(shù)平均就是K的輸出x(k)， （3.2-1）上式中N代表采樣次數(shù)，xi代表第i次的采樣的數(shù)值。顯然當(dāng)N越大，信號(hào)平滑度就越高，靈敏度則會(huì)隨著降低，在這次設(shè)計(jì)中要求較高的靈敏度，所以N取值最好不要太大，我們?cè)O(shè)N=6，這樣設(shè)定是因?yàn)樵趨R編中做計(jì)算是非常麻煩的，取6個(gè)數(shù)，去掉最大值和最小值后，取平均值除4，計(jì)算機(jī)的內(nèi)部計(jì)算采用的是二進(jìn)制，而二進(jìn)制每除以一個(gè)2，就是是向右移了一次。12所以出于計(jì)算方便考慮，我就選擇了6個(gè)數(shù)，在最后算除法的時(shí)候，用單片機(jī)自帶的右移位功能命令移2次這樣就可以了。3.3主程序流程圖如下a) 程序流程圖見(jiàn)下頁(yè)圖3.3-1 所示。b) 程序附錄2 (初始化子程序和中斷服務(wù))13圖3.3-1 主程序流程圖3.3.1鍵盤控制程序設(shè)計(jì)3.3.1.1程序流程圖如圖3.3.1.2-1所示。3.3.1.2鍵盤掃描控制程序清單(附錄2)。圖3.3.1.2-1 鍵盤控制流程圖3.3.2數(shù)字濾波程序設(shè)計(jì)假設(shè)一個(gè)采樣周期內(nèi)，對(duì)通道0連續(xù)采樣了6次，然后把最大最小值都去掉，再把剩余的數(shù)值累加求算術(shù)平均值得到本周期采樣值。存入到內(nèi)部RAM以30H為首址。其中，R2寄存器用來(lái)存放最大值，R3寄存器存用來(lái)放最小值，R4寄存器用來(lái)存放累加和，R0則存放連續(xù)采樣次數(shù)。a) 程序的流程圖，如圖3.3.2-1。b) 數(shù)字濾波程序清單（附錄2）。圖3.3.2-1 數(shù)字濾波流程圖3.3.3顯示與報(bào)警程序設(shè)計(jì)a) 程序流程圖如圖3.3.3-1所示。b) 顯示報(bào)警程序（附錄2）。圖3.3.3-1 顯示報(bào)警流程圖4 主要技術(shù)指標(biāo)分析4.1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)。4.4.1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。4.4.2靈敏度分析由公式(l.1.1-2)即： (1.1.1-2)可知：（1）檢測(cè)線圈的尺寸也對(duì)儀器的靈敏度有一定的影響。探測(cè)器的靈敏度和探測(cè)線圈的尺寸大小是有關(guān)系的，尺寸大就是探測(cè)面積大，那么線圈中心磁場(chǎng)強(qiáng)度就低，在靠近線圈繞組附近磁場(chǎng)則強(qiáng)度較高，霍爾元件固定在了線圈的中心，為了確保通過(guò)的磁通量，探測(cè)線圈的尺寸不能太大，具體尺寸需要通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)確定。（2）檢測(cè)線圈的匝數(shù)對(duì)儀器的靈敏度也有影響。當(dāng)檢測(cè)線圈尺寸是一定的時(shí)，則匝數(shù)越少它的靈敏度就越高。但為了保證通過(guò)霍爾元件的磁通量，匝數(shù)的減少只能是有限的，也需要通過(guò)試驗(yàn)來(lái)確定最終的匝數(shù)。4.4.3穩(wěn)定性分析（1）環(huán)境溫度變化，儀器元件參數(shù)也會(huì)隨之改變，影響儀器工作的穩(wěn)定。（2）還有應(yīng)盡量減少線圈與電路之間引線長(zhǎng)度，這樣可以減少分布電容，我們采用了屏蔽線減少外界對(duì)它的干擾。5 仿真、調(diào)試結(jié)果及分析5.1 仿真、調(diào)試目的與內(nèi)容仿真調(diào)試的內(nèi)容是要把程序修改正確，使編譯能夠通過(guò)，而且還要用Proteus仿真軟件中的一些功能來(lái)查看程序所實(shí)現(xiàn)的功能是否能夠和預(yù)期的功能相符合。需要反復(fù)調(diào)試，直到能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)期結(jié)果為止。本次設(shè)計(jì)是在仿真軟件Keil C51來(lái)進(jìn)行編譯和調(diào)試的。5.2 仿真結(jié)果及分析本次設(shè)計(jì)的仿真結(jié)果如下所述：a) 線性霍爾傳感器調(diào)試結(jié)果及分析外加磁場(chǎng)的南極靠近器件標(biāo)志面時(shí)R/mT 300 200 100輸出電壓（V） 2.1 2.3 2.8外加磁場(chǎng)的北極靠近器件標(biāo)志面時(shí) R/mT 100 200 300 輸出電壓（V） 4.3 4.8 5.1線性霍爾傳感器部分的調(diào)試結(jié)果基本是真確的，但由于外部環(huán)境的影響及硬件設(shè)備的不良等因素，調(diào)試過(guò)程中遇到了一些問(wèn)題，模擬出的結(jié)果存在一定的誤差，經(jīng)過(guò)多次采樣，我盡量使結(jié)果與理論值得差值縮小，達(dá)到了預(yù)期的結(jié)果。b) 振蕩電路調(diào)試結(jié)果及分析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(jié)果如圖5.2-1所示圖5.2-1 多諧輸出從調(diào)試的結(jié)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(jié)果可以看出與理論值有一定的誤差，這是由于調(diào)試過(guò)程中如環(huán)境、儀器設(shè)備等因素造成的，雖然結(jié)果有誤差，但基本上是正確的，說(shuō)明多諧振蕩器部分電路是正確的。c) 顯示部分仿真結(jié)果及分析顯示部分顯示的數(shù)據(jù)是設(shè)定的靈敏度值，當(dāng)按下各鍵盤部分各個(gè)鍵時(shí)，在顯示電路部分顯示相對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)，顯示結(jié)果如圖5.2-2所示。 初始狀態(tài) 加1顯示值 加15顯示值 減11顯示值圖5.2-2 顯示值經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)和從顯示的值可以看出仿真結(jié)果基本正確，由于繪制電路中出現(xiàn)了一些問(wèn)題，仿真過(guò)程中出現(xiàn)了顯示模糊、不穩(wěn)定等一些問(wèn)題，但最終還是得到了比較理想的顯示數(shù)據(jù)。d) 蜂鳴器顯示結(jié)果及分析從P1.6口接出來(lái)的蜂鳴器電路用來(lái)發(fā)出探測(cè)到金屬時(shí)的報(bào)警信號(hào)，由于電路搭接的不理想，蜂鳴器的叫聲不是很理想，但結(jié)果基本上是正確的。5.3 試驗(yàn)總結(jié) 綜上所述，在仿真調(diào)試過(guò)程中雖然遇到了一些問(wèn)題，但是經(jīng)過(guò)分析改正最終成功調(diào)試出了多諧振蕩電路的輸出、數(shù)據(jù)采集電路的輸出、顯示部分的顯示值和蜂鳴聲等結(jié)果。但是還存在一些問(wèn)題，如數(shù)碼管顯示器顯示數(shù)字時(shí)有些閃爍不定，多諧振蕩電路輸出脈沖的不穩(wěn)定等。 總的來(lái)說(shuō)還時(shí)比較成功的。6 結(jié) 論本設(shè)計(jì)首先介紹了探測(cè)金屬的理論依據(jù)，當(dāng)有金屬靠近通電線圈平面附近時(shí)將發(fā)生線圈介質(zhì)條件的變化和渦流效應(yīng)兩個(gè)現(xiàn)象，根據(jù)電磁感應(yīng)原理來(lái)設(shè)計(jì)金屬探測(cè)器。硬件電路的設(shè)計(jì)有兩部分，一部分是線圈振蕩電路，包括了：多諧振蕩電路、放大電路還有探測(cè)線圈;另一部分是控制電路，包括了：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(jī)、LED顯示電路、聲音報(bào)警電路及電源電路，這些電路將磁場(chǎng)強(qiáng)度信號(hào)變?yōu)殡妷盒盘?hào)，然后進(jìn)行電壓信號(hào)的拾取，放大等功能。軟件設(shè)計(jì)方面，對(duì)于系統(tǒng)實(shí)用性、可靠性還有方便靈活等幾個(gè)方面，使程序滿足設(shè)計(jì)的功能要求。整個(gè)系統(tǒng)的軟件包括了主程序、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，是采用匯編語(yǔ)言編寫的。最后還分析了設(shè)計(jì)中的主要技術(shù)指標(biāo)，包括金屬探測(cè)器的工作頻率（12KHZ），靈敏度（包括：檢測(cè)線圈的尺寸對(duì)儀器靈敏度的影響和匝數(shù)對(duì)靈敏度的影響）以及穩(wěn)定性等技術(shù)指標(biāo)。附 錄1: 電路原理圖附 錄2: 各模塊程序清單a初始化子程序22ADPORT EQU 7FF8HU EQU 20HU0 EQU 21HU EQU 22HORG 0000HLJMP MAINORG 0013HLJMP INT1ORG 0020HMAIN：MOV SP，#60MOV 20H，#NMOV R7，#FFH ; R7=1111111MOV 21H，00HMOV 22H，00HMOV Rl， #3OHRET;ADC0809通道0地址;靈敏度存放在20H;基準(zhǔn)電壓存放在21H;差值存放在22H;主程序起始地址;轉(zhuǎn)主程序;INT1中斷服務(wù)程序入口;轉(zhuǎn)NITI中斷服務(wù)程序;設(shè)置堆棧指針;放入靈敏度值(設(shè)靈敏度值為N);初始化讀數(shù)標(biāo)志;21H單元清零;22H單元清零;R1為緩沖區(qū)數(shù)據(jù)地址指針，送數(shù)據(jù)緩沖區(qū)首址; b中斷服務(wù)程序AD: SETB IT1SETB EASETB EX1MOV DPTR, #ADPORTMOV A #00HMOV R5，AMOVX DPTR，ACJNE R7，#00H，$LOOP: NOPAJMP LOOPORG 2100HNIT1:PUSH PSWPUSH APUSH DPLPUSH DPHMOV DPTR，#7FF8HMOVX A，DTPRMOV R5，ALCALL FILTERMOV A #00HMOVX DPTR，AMOV R7，#00HPOP DPH;當(dāng)ADC0809的EOC輸出電平上跳沿觸發(fā)中斷1;打開總中斷開關(guān)(片內(nèi)中斷允許寄存器IE.7=EA);允許外中斷1中斷;數(shù)據(jù)指針指向通道頂0通道;啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換;中斷服務(wù)程序入口;數(shù)據(jù)指針指向通道IN0;把該通道的A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果讀到累加器A中;將A/D結(jié)果存入R5 ;調(diào)用數(shù)字濾波程序;再次啟動(dòng)刀D轉(zhuǎn)換;置讀數(shù)標(biāo)志;POP DPLPOP APOP PSWRETIc.鍵盤掃描控制程序KEY: MOV P1,#0FFH MOV A,P1 CPL A ANL A,#0FH; JZ KEY LCALL D-10ms MOV A,P1 CPL A ANL A,#0FH JZ KEY MOV B,A; MOV A,P1; CPL A ANL A,#0FHKEY1: JNZ KEY1 LCACC D-10ms MOV A,B JB ACC.0,PKEY1 JB ACC.1,PKEY2 JB ACC.2,PKEY3 JB ACC.3,PKEY4EKEY: RETPKEY1:LCALL K1 RET;中斷返回;P1口為輸入,各位應(yīng)先置位為高電平;讀取按鍵狀態(tài);取正邏輯,高電平表示有鍵按下;A=0時(shí)無(wú)鍵按下,重新掃描鍵盤;有鍵按下時(shí)延時(shí)去抖動(dòng);讀取按鍵狀態(tài);取正邏輯,高電平表示有鍵按下;再判別是否有鍵按下;A=0時(shí)無(wú)鍵按下,重新掃描鍵盤;有鍵按下時(shí),鍵值送B暫存;判別按鍵釋放;按鍵未釋放,等待;釋放,延時(shí)去抖動(dòng);取鍵值送A;K1按轉(zhuǎn)PKEY1;K1命令處理程序PKEY2:LCALL K2RET PKEY3:LCALL K4 RETK1: MOV P1,U; MOV A,P1; RETK2: MOV P1,U; MOV A,P1; INC A RETK3: MOV P1, U; MOV A,P1; DEC A RET K4: MOV P1, U; MOV A,P1; JZ KEY SETB A RETD-10ms:MOV R7,#10HDS1: MOV R6,#0FFH;DS2: DJNZ R6,DS2 DJNZ R7,DS1 RET;10ms延時(shí)子程序 d數(shù)字濾波程序FILTER: CLR AMOV R2, AMOV R4， AMOV R3, #3FHMOV R1, #30HMOV R0, #06HDAV1: ADD A, R4MOV R4, ACLR CMOV A, R2SBBB A, R5JNC DAV2MOV A, R5MOV R2, ADAV2: CLR CMOV A，R5SBBB A，R3JNC DAV3MOV A, R5MOV R3, ADAV3: DJNZ R0, DAV1CLR CMOV A，R4SBBB A，R2SBBB A，R3;R2、R4清0;置最小值初態(tài);置數(shù)據(jù)區(qū)首地址;置連續(xù)采樣次數(shù)N=6;累加輸入值;累加和放入R4;清進(jìn)位標(biāo)志;取最大值;最大值一輸入值;輸入值>(R2) ?;更新最大值;取A/D結(jié)果;與最小值比較;判斷輸入值<(R3)? (若C=0,輸入值>(R3),則轉(zhuǎn)到DAV3);更新最小值;判斷N-1=0? (若輸入值介于最大,最小值之間,且R0-1不等于0時(shí)轉(zhuǎn)至DAV1);N個(gè)數(shù)減去最大最小;CLR CRRC AMOVX R1，ANIC R1RETe顯示與報(bào)警程序DISPLAY:SETB P3.0MOV A,P3JB ACC.1,DIS1JB ACC.2,DIS2JB ACC.3,DIS3JB ACC.4,DIS4LCALL DELAYCLR P3.0AJAMP DISPLAYDIS1: MOV P3,A; MOV A,U; RETDIS2: MOV P3,A; INC A MOV A, U+1; RETDIS3: MOV P3,A; DEC A MOV A,U-1; RET;將算術(shù)平均值存入以30H為首址的RAM緩沖單元中;修改數(shù)據(jù)區(qū)指針DIS4: MOV P3,A; SETB A RETALARM:SETB P1.6LCALL DELAYCLR P1.6AJAMP ALARMDELAY: MOV R5，#FFHD1: MOV R6，#FFHD2: DJNZ R6，D2DJNZ R5，D1RENEND28參考文獻(xiàn):1 周省三：電磁場(chǎng)基本教程,高等教育出版社,2003,P2-P112 程守洙、江之水：普通物理學(xué)2,高等教育出版社,2001,P2-P12 3 3503 RATIOMETRIC LINEAR HALL-EFFECT SENSORSCoPyright1985，2002 Allegro Mieorsystems，InC，P7-P174 涂有瑞：霍爾傳感元器件及其應(yīng)用，電子元器件應(yīng)用，高等教育出版社，2002 ，Vol.4 No.3 53-57，P2-P155 減春華：電子線路設(shè)計(jì)與應(yīng)用，高等教育出版社，2004，P5-P206 蔡明生：電子設(shè)計(jì)，高等教育出版社，2003，P10-P307 何立民：?jiǎn)纹瑱C(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)，北京航空航天大學(xué)出版社，2004，P24-P348 吳金戌、沈慶陽(yáng)、郭庭吉：8051單片機(jī)實(shí)踐與應(yīng)用，清華大學(xué)出版社，2004，P28-P329 張毅剛、彭喜元、姜守達(dá)等：新編MCS-51單片機(jī)應(yīng)用設(shè)計(jì)，哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2001，P29-P3310 李全利、遲榮強(qiáng)：?jiǎn)纹瑱C(jī)原理及接口技術(shù)，高等教育出版社，2003，P25-P34