基于單片機控制的金屬探測器系統(tǒng)的設計

基于單片機控制的金屬探測器系統(tǒng)的設計,基于,單片機,控制,節(jié)制,金屬探測器,系統(tǒng),設計 哈爾濱工業(yè)大學（威海）畢業(yè)設計（論文）I 摘要本文介紹的是基于單片機控制的金屬探測器系統(tǒng)的設計過程和工作原理．這個系統(tǒng)是以 AT89C51 單片機為核心,首先由 555 定時器構成多諧振蕩器產生脈沖信號送入探測線圈以形成交變磁場,然后經(jīng)過線性霍爾器件UGN3503 將磁場變化轉換為電壓信號的變化,經(jīng)過放大電路和峰值檢測電路,經(jīng)數(shù)模轉換之后輸入到單片機中,由單片機對數(shù)據(jù)進行軟件濾波之后,與基準值比較之后,判斷是否存在金屬和報警顯示．系統(tǒng)的軟件部分采用匯編語言編寫，其中采用了軟件濾波替代常用的硬件濾波電路，提高系統(tǒng)的抗干擾的能力．此外還對金屬探測器的靈敏度和穩(wěn)定性產生影響的因素進行探討和分析．本文首先在緒論中對課題的背景和意義作了簡單介紹。在第二章論述系統(tǒng)設計的理論依據(jù)，傳感器的相關的知識等總體設計過程．第三章著重描述了系統(tǒng)硬件電路設計包括各個模塊的設計和功能以及整機的工作原理和工程描述,在第四章中介紹了軟件的總體設計和子程序的編寫。最后在結論中簡單介紹了主要的設計指標和設計的體會和本設計的優(yōu)缺點。關鍵詞：　 單片機，A/D 轉換，傳感器，探測線圈哈爾濱工業(yè)大學（威海）畢業(yè)設計（論文）II AbstractThis article introduces the design process and the working principle of a metal detector system which bases on the technology of one-chip computer This system is take the one-chip computer AT89C51 as a core. .First it produces the pulse signal by the multivibratorwhich is consisted of 555 timer and send in the detecting coil to form the alternating magnetic field, then it asopts UGN3503 linear half-effect as prode to the magnetic field change into the voltage signal change,after enlargement electric circuit and peak value examination electric circuit,the signal be treated to send into ADC0809 modulus converter change moduluses, then the digital signal after the modulus converter is changed is sent into AT89C51one-chip computers afterwards, after the digital filter, AT89C51one-chip computers afterwards compares the data to the reference voltage and judges whether to have detected the metal and alarm. The system software adopts the assembly language to be written, and use the software digital filter to substitute hardware filter circuit, enhancing the system ability of antijamming. In addition,this article also disscusses the influence factor to the metal detector sensitivity and the stability .This article first has made the simple introduction in the introduction to the topic background and the significance. In second chapter it elaboration the theory basisof system design, the related knowledge of sensor and the system design processes.In third chapter it described the system hardware circuit design e including each module design and the function as well as the complete machine principle of work and the description of complete machine, the software system design and the subroutine compilation are introduced in the fourth chapter. Finally we introduces the main design target , the design experience and the advantage and disadvantage of the design.Keywords：　 technology of the one-chip computer , A/D change, sensor,search coil哈爾濱工業(yè)大學（威海）畢業(yè)設計（論文）III 目錄摘要 ..............................................................................................錯誤！未定義書簽。Abstract..........................................................................................................................II1. 緒論 .........................................................................................................................41.1 引言 .................................................................................................................41.2 課題的背景和意義 .......................................................................................42. 系統(tǒng)的總體概述 .....................................................................................................52.1 探 測 金 屬 的 理 論 依 據(jù) ...................................................................................52.2 系統(tǒng)中傳感器 UGN3503 簡介 ........................................................................63. 系統(tǒng)硬件電路設計 ...............................................................................................113.1 中央處理器 8051.........................................................................................113.2 硬件電路設計 ..............................................................................................143.2.1 線圈振蕩電路 ....................................................................................143.2.2 數(shù)據(jù)采集電路 ....................................................................................153.2.3 模數(shù)轉換電路 ....................................................................................173.2.4 顯示報警電路 .....................................................................................223.2.5 電源電路 ............................................................................................224. 系統(tǒng)軟件的設計 ...................................................................................................254.1 軟件設計思想 .............................................................................................254.2 數(shù)字濾波算法說明 .....................................................................................254.3 系統(tǒng)主程 序的功 能 .....................................................................................264.4 子程序的模塊設計 .....................................................................................285. 主要技術指標……………………………………………………………..315.1 工作頻率………………………………………………………………31 5.2 靈敏度分析……………………………………………………………315.3 穩(wěn)定性分析結 論 ............................................................................................................................32致 謝 ........................................................................................................................33參考文獻 ......................................................................................................................34哈爾濱工業(yè)大學（威海）畢業(yè)設計（論文）IV 1.緒論1.1 引言隨著電子技術的進步，金屬探測器從電子管，晶體管乃至集成電路，有了更新?lián)Q代的發(fā)展，其應用敢為幾乎擴大到各個領域，對工業(yè)生產和人身安全起著重要的作用。目前，隨著科學技術的不斷發(fā)展，犯罪分子和恐怖分子也利用高新技術制造新式的武器，爆炸物等。各個 國家也對安檢閱越來越重視。金屬探測儀作為重要的安全檢查設備，已被廣泛的應用與社會的生產和生活的諸多領域，如大型的運動會，展覽會，工業(yè)部門等。都用金屬探測器來對過往的人員進行安檢，以排查行李和包裹檢查是否攜帶刀具，槍支，彈藥等傷害性違禁金屬物品；工業(yè)部門也使用金屬探測器對工作人員檢查，以防止貴重金屬的丟失。1．2 課題的背景和意義目前，國外雖然已經(jīng)有較為完善的系列產品，但價格及其昂貴國內傳統(tǒng)的金屬探測器利用模擬電路進行檢測和控制的，其電路復雜，靈敏度低，且易受外界影響如溫度，濕度，電焊等因素的影響。本設計本著設計簡單，致力于提高其靈敏度和可靠性，采用靈敏度高的霍爾元件作為傳感器，感應由于金屬出現(xiàn)引起的周圍的磁場的變化，控制部件采用 AT89C51 作為監(jiān)測和控制的核心，對結果進行分析和判斷有效的保證了檢測原理的實施，提高了檢測精度，采用軟件濾波的方法代替易受外界影響的模擬電路濾波提高了系統(tǒng)的可靠性和抗干擾的能力，作為手攜式金屬探測器，可以應用于海關，機場，車站，碼頭等的安全檢查，也適用于探測隱藏于墻內，護板，土壤中上述物品等金屬的探測和檢查。哈爾濱工業(yè)大學（威海）畢業(yè)設計（論文）5 2.系統(tǒng)的總體2．1 探測金屬的理論依據(jù)（1）根據(jù)電磁感應的原理 當有金屬靠近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，與外界的磁場的方向相反，削弱外磁場的變化。以將一通有正弦的信號接入空心線圈上，流過線圈的電流就會在周圍產生交變磁場，當有金屬靠近線圈時，金屬就會產生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，則渦電流的強度就大，對原磁場的抑制作用就越強。圖 1-1同時根據(jù)畢奧-薩伐爾定律，當有金屬靠近通電線圈時，將使通電線圈的周圍的磁場發(fā)生變化，當通入交變電流正弦信號時，其中的磁應強度是（1-1）由公式知，當線圈有效探測范圍內，非金屬的相對磁導率近似為 1，線圈中心的磁感應強度保持不變，當線圈有效探測范圍內出現(xiàn)鐵磁性金屬時，相對磁導率就會變大，磁感應強度就會變大。（2）渦流效應： 根據(jù)電磁場理論，當金屬物體置于變化的磁場中金屬203/cosrmRIBNtx????（ ）哈爾濱工業(yè)大學（威海）畢業(yè)設計（論文）6 到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。渦流要產成附加的磁場,與外磁場方向相反，削弱外磁場的變化。因此，當金屬靠近通有交變電流的探測線圈的時，金屬產生的渦流磁場的去磁作用就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，則渦電流強度越大，對原磁場的抑制作用就越強。綜合分析，當有金屬物體靠近探測線圈平面附近時，無論是介質磁導率的變化，還是金屬的渦流效應都能引起磁感應強度的變化。對于鐵磁性金屬由于相對磁導率近似為 1，故認為是主要產生渦流效應，其磁效應忽略不計；而鐵磁性金屬既要產生渦流效應，同時其相對磁導率又較大，據(jù)實驗知，磁效應為主要因素，故認為是導致原磁感應強度變小。2．2 傳感器 UGN3503 簡介根據(jù)以上的原理，選用線性的霍爾元件 UGN3503 作為檢測磁場變化的器件。UGN3503 是根據(jù)霍爾效應測量磁場的磁感應強度的原理制作。下面介紹通過霍爾效應測量磁場 ?；魻栃b置如圖所示。將一個半導體薄片放在垂直于它的磁場中(B 的方向沿 z 軸方向 )，當沿 y 方向的電極 A、A’ 上施加電流 I 時，薄片內定向移動的載流子(設平均速率為 u)受到洛倫茲力 FB 的作用，圖 2-1 圖 2-2FB = q u B (2-1)哈爾濱工業(yè)大學（威海）畢業(yè)設計（論文）7 無論載流子是負電荷還是正電荷，F(xiàn)B 的方向均沿著 x 方向，在磁力的作用下，載流子發(fā)生偏移，產生電荷積累，從而在薄片 B、B’兩側產生一個電位差 VBB’,形成一個電場 E。電場使載流子又受到一個與 FB 方向相反的電場力 FE，F(xiàn)E＝q E = q VBB’ / b (2-2)其中 b 為薄片寬度，F(xiàn)E 隨著電荷累積而增大，當達到穩(wěn)定狀態(tài)時FE＝FB，即q uB = q VBB’ / b (2-3)這時在 B、B’兩側建立的電場稱為霍爾電場，相應的電壓稱為霍爾電壓，電極 B、B’稱為霍爾電極。另一方面，射載流子濃度為 n,薄片厚度為 d,則電流強度 I 與 u 的關系為： (2-4)Ibdnqu?由(2-3)和(2-4)可得到 (2-5)1BV?令,則 (2-6)1Rnq?'BIRd?其中 R 稱為霍爾系數(shù)，它體現(xiàn)了材料的霍爾效應大小。在應用中，(2-6)常以如下形式出現(xiàn)： 1HRKdnq?式中 稱為霍爾元件靈敏度，I 稱為控制電流。1HRKdnq?哈爾濱工業(yè)大學（威海）畢業(yè)設計（論文）8 由式(2-7)可見，若 I、K H 已知，只要測出霍爾電壓 VBB’，即可算出磁場的大??；并且若知載流子類型(n 型半導體多數(shù)載流子為電子，P 型半導體多數(shù)載流子為空穴),則由 VBB’的正負可測出磁場方向，反之，若已知磁場方向，則可判斷載流子類型。任何引起磁感應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?shù)奈恢?，來檢測磁場的變化，根據(jù)霍爾輸出電壓的變化提取檢測信息。這就是霍爾元件的工作原理。線性霍爾傳感器 UGN3503 主要功能是將檢測到的磁感應強度信號線性的轉換為電壓信號。它的功能框圖和輸出特性如下圖所示：圖 2-3 UGN3503 功能框圖哈爾濱工業(yè)大學（威海）畢業(yè)設計（論文）9 圖 2-4 UGN3503 的輸出特性圖霍爾元件 UGN3503 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塊半導體基片上，為用戶提供了一個由外電源驅動的，使用方便的磁敏傳感器。其輸出電壓與其感應的磁感應強度成正比。它的靈敏度典型值為 ，靜態(tài)輸出電壓為 2.5V,輸出電阻為13.5/mVT, 封裝，具有靈敏度高，線性度好，結構牢固，體積小，0.5kΩ inSIP?重量輕，乃震動，功耗小，壽命長，頻率高，輸出噪聲低等優(yōu)點。用它作探頭可以測量 的交變磁場和恒定磁場。在測量磁場時，將610T?元件的第一腳（面對標志面從左到右數(shù)）接電源（工作電壓 5V）,第二腳接地，第三腳接高輸入阻抗（ ）電壓表，通電后，將電路放入10k?Ω被測磁場中，因霍爾器件只對垂直于霍爾片的表面的磁感應強度敏感，因而必須令磁力線和器件表面垂直，通電后即可由輸出電壓得到被測磁場的磁感應強度。若不垂直，則應求出其垂直分量來計算被測磁場的磁感應強度值。當沒有磁場時，靜態(tài)輸出的電壓是電源電壓的一半，當外加磁場的南極靠近器件的表面時，會使輸出電壓高于靜態(tài)輸出電壓，但仍然是正值，利用線性霍爾傳感器 UGN3503 的上述特性，將其接在數(shù)據(jù)哈爾濱工業(yè)大學（威海）畢業(yè)設計（論文）10 采集電路的前端，即可感應到探測線圈的磁場的變化，并將磁場的變化信號轉換為電壓信號的變化而被后級和放大。下面是 UGN3503 的安裝示意圖：圖 2-5 UGN3503 安裝示意圖 表 2-1 線性傳感器 UGN3503 的特性參數(shù)表哈爾濱工業(yè)大學（威海）畢業(yè)設計（論文）11 三 系統(tǒng)硬件電路的設計3．1 中央處理器 8051系統(tǒng)采用單片機 AT89C51 作為信號的處理和控制單元，模數(shù)轉換完成信號作為外部中斷信號，單片機響應后對信號進行相應的處理。下面簡單的介紹單片機 AT89C51 的結構和組成原理。8051 單片機的管腳圖如下所示，圖 3-1 8051 單片機的管腳圖40 只引腳按其功能來分，可分為 3 類：（1）電源及時鐘引腳：Vcc、Vss ；XTAL1 、XTAL2 。1.1、Vcc（40 引腳）接+5V 電源、Vss（20 引腳）接地。1.2、個時鐘引腳 XTAL1、XTAL2 外接晶體與片內的反相放大器構成了 1個振蕩器，它為單片機提供了時鐘控制信號。2 個時鐘引腳也可外接獨立的晶體振蕩器。如果采用外接晶體振蕩器時，XTAL1（19 引腳）引腳應接地，XTAL2（18 引腳）接收時鐘振蕩器的信號，即把此信號直接接到內部時鐘發(fā)生器的輸入端。哈爾濱工業(yè)大學（威海）畢業(yè)設計（論文）12 （2）控制引腳：/PSEN/、ALE、/EA/、RESERT。2.1、/PSEN/（29 引腳）：程序存儲器允許輸出控制端。在單片機訪問外部程序存儲器時，此引腳輸出脈沖負跳沿作為讀外部程序存儲器的選通信號。此引腳接外部程序存儲器的/OE/（輸出允許）端。/PSEN/端可以驅動 8 位 LS型 TTL 負載。2.2、ALE、 /PROG/（30 引腳）：ALE 引腳輸出為地址鎖存允許信號，當單片機上電正常工作后，ALE 引腳不斷輸出正脈沖信號。當單片機訪問外部存儲器時，ALE 輸出信號的負跳沿用于單片機發(fā)出的低 8 位地址經(jīng)外部鎖存的鎖存控制信號。即使不訪問外部鎖存器，ALE 端仍有正脈沖信號輸出，此頻率為時鐘振蕩器頻率 f.osc 的 1/6。/PROG/為本引腳的第二功能。在對片內EPROM 型單片機編程寫入時，此引腳作為編程脈沖輸入端。2.3、/EA/、Vpp（31 引腳）：/EA/功能為內部程序存儲器選擇端。當/EA/引腳為高電平時，單片機訪問內部程序存儲器，但在 PC（程序計數(shù)器）值超過 0FFFH（對于 8051、8751）時，即超過片內程序存儲器的4KB 地址范圍時，將自動轉向執(zhí)行外部程序存儲器內的程序。當/EA/引腳為低電平時，單片機則只訪問外部程序存儲器，不論是否有內部程序存儲器。對于 8031 來說，因其無內部程序存儲器。所以該引腳必須接地，這樣只能選擇外部程序存儲器。Vpp 為本引腳的第二功能2.4、RST、 Vpd（9 引腳）： RST（RESET）復位信號輸入端，高電平有效。當單片機運行時，在此引腳加上持續(xù)時間大于 2 個機器周期（24 個時鐘振蕩周期）的高電平時，就可以完成復位操作。在單片機正常工作時，此引腳應為小于等于 0.5V 低電壓。Vpd 為本引腳的第二功能，即備用電源的輸入端。當主電源 Vcc 發(fā)生故障，降低到某一規(guī)定的低電壓時，將+5V 電源自動接入 RST 端，為內部 RAM 提供備用電源，以保證片內 RAM 中的信息不丟失，從而使單片機在復位后能繼續(xù)正常運行。 （3）I/O 口引腳：P0、P1、P2 、P3，為 4 個 8 位 I/O 口的外部引腳。3.1、P0 口：雙向 8 位三態(tài) I/O 口。此口為地址總線（低 8 位）及數(shù)據(jù)總線分時復用口，可驅動 8 個 LS 型 TTL 負載。3.2、P1 口： 8 位準雙向 I/O 口，可驅動 4 個 LS 型 TTL 負載。3.3、P2 口： 8 位準雙向 I/O 口，與地址總線（高 8 位）復用，可驅動 4個 LS 型 TTL 負載。3.4、P3 口： 8 位準雙向 I/O 口，雙功能復用口，可驅動 4 個 LS 型 TTL 負載。這里要特別注意準雙向口與雙向三態(tài)口的差別：P1 口、P2 口、P3 口是 3 個 8 位準雙向的 I/O 口，各口線在片內均有固定 哈爾濱工業(yè)大學（威海）畢業(yè)設計（論文）13 上拉電阻。當這 3 個準雙向 I/O 口作輸入口使用時，要向該口先寫 1，另外準雙向 I/O 口無高阻的“浮空”狀態(tài)。而雙向口 P0 口線內無固定上拉電阻，由兩個 MOS 管串聯(lián)，既可開漏輸出，又可處于高阻的“浮空” 狀態(tài)，故稱為雙向三態(tài) I/O 口。圖 3-2 8051 單片機的片內結構圖哈爾濱工業(yè)大學（威海）畢業(yè)設計（論文）14 3．2 硬件電路的設計如圖所示，整個系統(tǒng)以 8 位的單片機 AT89C51 作為控制的核心，其硬件電路分為兩個部分，一部分為線圈振蕩電路，包括：多諧振蕩器，放大電路和探測線圈；另一部分為控制電路，包括：數(shù)據(jù)采集電路，模數(shù)轉換器，單片機 AT89C51，顯示電路，聲音報警和電源電路等。系統(tǒng)結構塊圖如下：放大電路多諧振蕩器霍爾元件放大峰值檢波A/D CPU電源報警顯示電路探測線圈圖 3-3 系統(tǒng)硬件結構塊圖3．2．1 線圈振蕩電路工作過程中，由 555 定時器構成一個多諧振蕩器，產生一頻率為24KHz、占空比為 2/3 的脈沖信號。振蕩器的頻率計算公式為:（3-1）1212()fRCLn??圖示參數(shù)對應的頻率為 24 KHz，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 C10 輸入到 的1Q基極(Q 為 125 的 9013H ).使其導通，經(jīng) 放大之后，就形成了頻率穩(wěn)??1Q哈爾濱工業(yè)大學（威海）畢業(yè)設計（論文）15 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。由于在脈沖信號作用下，處于開關工作狀態(tài)，而導通時間又非常短，所以非常省電，可以利用 9V1Q電池供電。圖 3-4 線圈振蕩電路原理圖3．2．2 數(shù)據(jù)采集電路數(shù)據(jù)采集電路主要的功能是：利用霍爾傳感器感應探測線圈的磁感應強度并將起轉換為相應的電壓信號，經(jīng)放大和峰值檢測之后，形成能 ADC0809哈爾濱工業(yè)大學（威海）畢業(yè)設計（論文）16 要求的 0-5V 的電壓信號輸入模數(shù)轉換器中。具體的原理圖如下：圖 3-5 數(shù)據(jù)采集電路原理圖數(shù)據(jù)采集電路包括霍爾傳感器 UGN3503，放大電路和峰值檢測電路三部分組成。由于霍爾傳感器 UGN3503 采集到的信號到的電壓信號是一個毫伏級的信號，信號強度十分微弱，所以，在對其進行處理之前，首先要進行放大，之后經(jīng)過峰值檢測電路將信號轉換為模數(shù)轉換器所要求的輸入電壓的變換范圍（0-5 伏） 。信號放大電路采用輸入阻抗高，漂移小，共模抑制比高的集成運算放大器 LM324。LM324 是四運放集成電路，LM324 四運放電路具有電源電壓范圍寬，靜態(tài)功耗小，可單電源使用，價格低廉等優(yōu)點，因此被廣泛應用在各種電路中。它采用 14 腳雙列直插塑料封裝，外形如圖所示。它的內部包含四組形式完全相同的運算放大器，外形和管腳排列如下圖所示圖圖圖 錄 放機撒 圖 3-6LM324 外形圖 圖 3-7LM324 管腳排列圖 如圖 3-5 所示，UGN3503 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 U10A（1）的同相輸入端，運算放大器 U10A（1）把霍爾哈爾濱工業(yè)大學（威海）畢業(yè)設計（論文）17 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)禍合電容 C2 輸入到后級峰值檢測電路中。采用阻容禍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 U10A（2）將輸入信號的峰值傳遞到電容 C5 上，并保持下來。第二級運放 U10A(3)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，降低了成本。當輸入電壓 上升時， 跟隨上升，使二極管 D3, D6 導通，D42iV2o截止，運放 U10A（2）工作在深度負反饋狀態(tài)，給電容 C5 充電，代上升。當輸入電壓 下降時， 跟隨下降，D4 導通，U10A（2）也工作在深度負反i 2O饋狀態(tài)，深負反饋保證了二極管 D3 , D6 可靠截止， 值得以保持。當cV再次上升使 上升并使 D3, D6 導通，D4 截止，再次對電容 C5 充電2iV2O( 高于前次充電時電壓)， 下降時，D3, D6 又截止，D4 導通， 將峰值c 2iVc再次保持。輸出 反映代的大小，通過峰值檢波和后級緩沖放大電路，將采O集到的微弱電壓信號放大至 0V-5V 的直流電平，以滿足 A/D 轉換器 ADC0809所要求的輸入電壓變換范圍，然后通過 A/D 轉換電路將檢測到的峰值轉化成數(shù)字量。3．2．3 模數(shù)轉換電路設計中，將數(shù)據(jù)采集電路得到電壓信號為模擬信號，這就需要模數(shù)轉換器將模擬信號轉換為單片機能夠是別的數(shù)字信號，輸入到單片集中進行處理。這里采用 ADC0809 完成數(shù)模轉換的工作。下面是芯片的簡單介紹：1、ADC0809 引腳及功能ADC0809 芯片 CMOS、八位、八通道、逐次比較型 A\D 轉換器。其與單片機結合完成了模擬量到數(shù)字量的轉化和讀取。其引腳如圖所示：哈爾濱工業(yè)大學（威海）畢業(yè)設計（論文）18 圖 3-8 ADC0809 的引腳圖由引腳圖可見，ADC0809 共有 28 腳，采用雙列直插式封裝，其主要引腳功能如下：（1）IN0--IN7 為 8 路輸入通道的模擬量輸入端口。（2）D0--D7 是 8 位數(shù)字量輸出端。（3）A、B、C 與 ALE 控制 8 路模擬通道的切換，A 、B 、C 分別與 3 根地址線或數(shù)據(jù)線相連，3 位編碼對應 8 個通道地址端口。C、B、A=000—111分別對應 IN0—IN7 通道的地址。其對應關系如表 3—1 所示。這里要強調的是：ADC0809 雖然有 8 路模擬通道可以同時輸入 8 路模擬信號，但每個瞬間只能轉換 1 路，各路之間的切換由軟件改變 C、B、A 引腳上的代碼來實現(xiàn)。選中模擬輸入通道 ADDA ADDB ADDCIN0 0 0 0IN1 0 0 1IN2 0 1 0IN3 0 1 1IN4 1 0 0IN5 1 0 1IN6 1 1 0IN7 1 1 1表 3-1 8 路地址與模擬通道對應關系哈爾濱工業(yè)大學（威海）畢業(yè)設計（論文）19 （4）OE 、START、CLK 為控制信號端，OE 為輸出允許端，START 為啟動信號輸入端，CLK 為時鐘信號輸入端。（5）REF（ +）和 REF（-）為參考電壓輸入端。Vcc 為主電源輸入端，GND 為接地端。一般 REF（+）與 Vcc 連接在一起， REF（-）與 GND 連接在一起。2、ADC0809 結構及轉換原理ADC0809 的結構框圖如圖下圖所示。ADC0809 是采用逐次比較的方法完成 A\D 轉換的，由單一的+5V 電源供電。片內帶有鎖存功能的 8 路選 1 的模擬開關，由 C、B 、A 引腳的編碼來決定所選的通道。0809 完成一次轉換需 100us 左右，輸出具有 TTL 三態(tài)鎖存緩沖器，可直接連到 MCS—51 的數(shù)據(jù)總線上。通過適當?shù)耐饨与娐罚?809 可對 0—5V 的模擬量進行轉換。圖 3-9 ADC0809 內部結構框圖3、MCS—51 與 ADC0809 的接口單片機控制 ADC0809 的工作過程如下：首先用指令選擇 0809 的一個模擬輸入通道，當執(zhí)行 MOVX @DPTR，A 時，單片機的 /W/R 信號有效，從而產生一個啟動信號，給 0809的 START 引腳送入脈沖，開始對選中通道進行轉換。當轉換結束后，0809發(fā)出轉換結束 EOC（高電平）信號，該信號可供單片機查詢，也可反相后作為向單片機發(fā)出的中斷請求信號；當執(zhí)行指令：MOVX A,@DPTR，單片機發(fā)出讀控制/R/D 信號，OE 端有高電平，且把經(jīng)過 0809 轉換完畢的數(shù)字量讀到 A 累加器中。哈爾濱工業(yè)大學（威海）畢業(yè)設計（論文）20 由上述可見，用單片機控制 ADC 之后，可采用查詢和中斷控制兩種方式。查詢方式是在單片機把啟動信號送到 ADC 之后，執(zhí)行別的程序，同時對 0809 的 EOC 引腳的狀態(tài)進行查詢，以檢查 ADC 變換是否已經(jīng)結束，如查詢到變換已經(jīng)結束，則讀入轉換完畢的數(shù)據(jù)。中斷控制方式是在啟動信號送到 ADC 之后，單片機執(zhí)行別的程序。0809 轉換結束并向單片機發(fā)出中斷請求信號時，單片機響應此中斷請求，進入中斷服務程序，讀入轉換數(shù)據(jù)。中斷控制方式效率高，所以適合于變換時間較長的 ADC如果對轉換速度要求高，采用上述 ADC 控制方式往往不能滿足要求，可采用 DNA（直接存儲器存?。┑姆椒?，這時可在 ADC 與單片機之間插入一個 DMA 接口（例如 Intel 公司的 8237DMA 控制器） 。傳輸一開始，A/D轉換的數(shù)據(jù)就可以從輸出寄存器經(jīng)過 DMA 中的數(shù)據(jù)寄存器直接傳輸?shù)阶〈鎯ζ?，因而不受程序的限制。本設計中采用的是中斷方式將信號送入單片機種的，選中模擬通道 3，將 EOC（高電平）信號的引腳接到單片機的外部中斷 1 信號的引腳，作為中斷信號，由單片機 AT89C51 的寫信號 和 P2.7 控制 ADC0809 的地址鎖存WRALE 和轉換啟動 START,當 ADC0809 的 START 啟動信號輸入端為高電平時，A/D 開始轉換，在時鐘的控制下，一位一位的逼近，比較器一次次進行比較，轉換結束后送出轉換結束信號 EOC（由低到高） ，并將 8 位數(shù)字量鎖存到輸出緩存器中，單片機的讀信號 端發(fā)出輸出允許信號輸入到 ADC0809 的RDOE 端， OE 端呈高電位，用以打開三態(tài)輸出鎖存器，單片機從 ADC0809 讀取相應的數(shù)字信號電壓量，然后存入數(shù)據(jù)緩沖器中。這里利用 AT89C51 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 ，單片機時鐘頻率為 12MHz，則1/6ALE 引腳頻率約為 2MHz 再經(jīng) 4 分頻后為 500 kHz，所以 ADC0809 能可靠工作. 74LS163 是 4 位二進制同步計數(shù)器，它具有同步清零、同步置數(shù)的功能。74LS163 的外引線排列圖,時序波形圖和功能表如下:哈爾濱工業(yè)大學（威海）畢業(yè)設計（論文）21 圖 3-10 74LS163 的引線排列圖圖 3-11 74LS163 的時序波形圖表 3-1 74LS163 的功能哈爾濱工業(yè)大學（威海）畢業(yè)設計（論文）22 ：哈爾濱工業(yè)大學（威海）畢業(yè)設計（論文）23 圖 3-12 ADC0809 與 AT89C51 連接的原理圖 3..2.4 報警顯示電路、經(jīng)模數(shù)轉換輸入到單片機的電壓信號，由單片機 AT89C51 處理之后進行判斷，一旦有金屬出現(xiàn)，則被測物理量超限由單片機的 I/O 口的 P3.0 置低電平控制發(fā)光二極管和無源蜂鳴器聲音進行聲光報警,同時由 P3.2,P3.4 控制的數(shù)碼管顯示相應的輸入值,粗略的判斷金屬的類型.3.2.5 電源電路電源電路圖如下,電源供電由 9V 電池和板內穩(wěn)壓電源組成 ,電路板內采用三端穩(wěn)壓集成電路塊 LM7805 為板內元件供電.LM7805 三端壓器具有內部過流,過熱和輸出晶體管安全保護功能,可將 9VDC 的輸入電壓轉換為 5V 電壓,最大輸出電流 0.5A,保證板內 555 定時器,UGN3503,ADC0809 等芯片和元件可靠的工作.圖 3-13 電源電路原理圖整機工作原理描述在工作過程中，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(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生磁場，此時，固哈爾濱工業(yè)大學（威海）畢業(yè)設計（論文）24 定在線圈 L1 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,其霍爾輸出電壓為 ,該電壓信號是屬于 mv 級, 經(jīng)0u0u過放大和峰值檢測之后,得到相應 0-5V 的峰值輸出電壓 ,一滿足 ADC08090U的量程,經(jīng)過 A/D 轉換之后,將 的數(shù)字量輸入到單片機中存儲起來 ,作為電0U壓信號的基準電壓,與以后采集到的電壓值進行比較判斷.當探測線圈 L;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 u 該變化的電壓經(jīng)放大電路、峰值檢波電路后，得到相應的 0-5V 的峰值輸出電壓 U，然后經(jīng) A/D 轉換后，輸入到 CPU，由CPU 完成 U 與基準電壓 的比較，二者比較 得到一個差值，此差00?值與預設的靈敏度△U 再作比較。當然，△U 大小的設定決定著系統(tǒng)精度的高低。若 >△U，就確定為探測到金屬，CPU 輸出口 P3.0 輸出信號驅0?動發(fā)光二極管發(fā)光報警和控制蜂鳴器發(fā)出聲響，進行聲音報警,同時進行數(shù)碼管顯示.下面是系統(tǒng)原理圖:哈爾濱工業(yè)大學（威海）畢業(yè)設計（論文）25 圖 3-14 系統(tǒng)原理圖四 系統(tǒng)軟件的設計4．1 軟件設計思想軟件是本系統(tǒng)的靈魂，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。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。軟件采用匯編語言編寫，并采用模塊化設計，使程序結構清晰，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 AT89C51 的中斷控制位 EA，使 CPU 開放中斷。然后通過檢測 RAM 中 30H 中數(shù)值的值來判斷是否采集基準電壓 ，如果0U未采集過 ，則啟動 ADC0809 對 IN3 通道的模擬輸入量進行 A/D 轉換。0U在電路設計中，ADC0809 與 AT89C51 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哈爾濱工業(yè)大學（威海）畢業(yè)設計（論文）26 的 EOC 端通過反相器接 AT89C51 的 INT 1 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 AT89C51 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AT89C51 的 INT1 送入一個中斷申請信號，AT89C51 接此信號后響應中斷請求，調用中斷服務子程序 INT1，中斷服務程序進行壓棧，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 的下一次轉換。經(jīng)過數(shù)據(jù)軟件濾波之后將其存放在單片機RAM 30 H 中，作為基準電壓 。0U經(jīng)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)軟件濾波后存入內部 RAM 以 31H 的數(shù)據(jù)存儲器中，然后將此數(shù)據(jù) U 和基準電壓進行比較，二者差值與靈敏度△U 進行比較，以確定是否報警。04．2 數(shù)字濾波及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， ，而硬件濾波一方面是電路比較的復雜，另一方面是電子元器件受外界環(huán)境的影響比較的大，可靠性低。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 4 次采集，將它轉換為數(shù)字量后求和，分析出 4 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 2 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。在一個采樣周期內，對信號 X 的 N 次測量值進行算術平均，作為刻 K 的輸出 x(k)，即 （4-1）1x(k)=Niix??其中 N 為采樣次數(shù)，x，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，但是本設計中需要較高的靈敏度，所以 N 取值不易過大，又因為匯編中運算比較麻煩，綜合考慮取 N=4。4．3 系統(tǒng)主程序的功能由于本系統(tǒng)中采集數(shù)據(jù)是利用中斷來完成的，所以主要的判斷程序主要是在中斷服務子程序中完成，而主程序主要是完成初始化功能，一方面是清零將要使用的數(shù)據(jù)存儲器，另一方面是完成響應外部中斷 1 的中斷控制，主要是開中斷等。完成初始化之后，主程序就等待中斷觸發(fā)信號，以響應中斷服務子程序。哈爾濱工業(yè)大學（威海）畢業(yè)設計（論文）27 MAIN: CLR P3.1CLR P3.4MOV SP,#60H MOV 20H,#28H MOV R1,#30H MOV R7,#0FFH MOV R0,#04H MOV 30H,#00H MOV 31H,#00H MOV R2,#00h MOV R3,#0FFH MOV R4,#00H MOV IE, #10000100B；開中斷SETB IT1 ;13MOV DPTR,#0FEF3H ；啟動 A/D 轉換MOV A,#00H MOVX @DPTR,A 主程序的流程圖如圖：YYNN保存 U0 到 21H 中算術平均值濾波等待轉換結束開始置連續(xù)采樣數(shù)系統(tǒng)初始化，開中斷采集 U0？選通道啟動 A/D連續(xù)采樣數(shù)？到？置數(shù)據(jù) U0 已采集標志啟動 A/D等待轉換結束，讀取Ui連續(xù)采樣數(shù)到？算術平均值濾波保存 Ux 到數(shù)據(jù)緩沖區(qū)輸出報警信號N結束哈爾濱工業(yè)大學（威海）畢業(yè)設計（論文）28 圖 4-1 主程序流程圖4．4 子程序模塊的設計本系統(tǒng)的軟件部分，除了初始化之外，主要的功能是在中斷服務子程序中是實現(xiàn)的，主要的功能有數(shù)據(jù)采集，數(shù)字濾波子程序，判斷子程序，聲光報警子程序和數(shù)據(jù)數(shù)碼管顯示子程序等。下面是簡單的介紹一些主要的子程序，具體的程序見附錄。4．4．1 中斷服務子程序INT1: PUSH DPL PUSH DPH MOV DPTR,#0FEF3H MOVX A,@DPTR MOV R5,A LCALL SHZLB ；調用數(shù)字濾波子程序 CJNE R7,#00H,NEXT LCALL PDXSH ；調用判斷顯示報警子程序MOV R1,#31H 兩者之差是否大于 Δu哈爾濱工業(yè)大學（威海）畢業(yè)設計（論文）29 mov r2,#00h ；再次初始化各寄存器mov r3,#0ffhmov r4,#00hmov r6,#00hmov r7,#0ffh ;198NEXT: MOV IE, #10000100B；再次開中斷SETB IT1 MOV DPTR,#0FEF3HMOV A,#00HMOVX @DPTR,APOP DPH POP DPL ;,...RETI 4．4．2 數(shù)字濾波子程序模塊數(shù)字濾波子程序主要是將四次采集到的數(shù)字量判斷其最大值和最小值，然后在四次相加和中減去最大值和最小值，再去平均值后存入 30H 或者 31H單元中。SHZLB: clr a clr c mov a,r2 subb a,r5 jnc dav1 mov a,r5 mov r2,a mov b,#04h div ab mov 41h,a mov 51h,b dav1:clr c mov a,r5 subb a,r3 jnc dav2mov a,r5mov r3,a哈爾濱工業(yè)大學（威海）畢業(yè)設計（論文）30 mov b,#04h div ab mov 42h,a mov 52h,b dav2:mov a,r5 mov b,#04h div ab add a,r4 mov r4,a mov a,b add a,r6mov r6,a djnz r0,dav3mov a,r4subb a,41h subb a,42h mov b,#02h div ab mov 50h,bmov b,#04hmul ab mov @r1,a mov a,50h mov b,#02hmul ab add a,@r1 mov @r1,a mov a,r6 subb a,51hsubb a,52h mov b,02h div abadd a,@r1 mov @r1,a mov 31h,a mov r7,#00Hmov r0,#04h哈爾濱工業(yè)大學（威海）畢業(yè)設計（論文）31 dav3: ret4．4．3 判斷顯示報警子程序PDXSH: CLR C MOV A,31H SUBB A,30Hjz next1JNC NEXT2CPL AINC ANEXT2: CLR C SUBB A,20H JC NEXT3LCALL XSH；報警子程序NEXT1:LCALL DISPLAY；顯示子程序NEXT3:CLR P3.1 CLR P3.4RET五 主要的技術指標5．1 工作頻率金屬探測器的工作頻率為 24 KHz，選擇 24KHz 的超長波頻率是為了減弱土壤對電磁波的影響。頻率的選擇是通過選擇由 555 定時器組成的多諧振蕩器的如公式電阻和電容來完成的。5．2.靈敏度分析靈敏度和穩(wěn)定性是儀器的主要技術指標。由公式(2-1)即:（1）探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，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203/cosrmRIBNtx????（ ）哈爾濱工業(yè)大學（威海）畢業(yè)設計（論文）32 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。（2） 當檢測線圈尺寸一定時，則匝數(shù)越少其靈敏度越高。但需要考慮到霍爾元件本身的檢測范圍，匝數(shù)應該足夠大以滿足霍爾元件的要求，需通過實驗來確定最佳匝數(shù)。綜合考慮這兩面的因素來確定探測線圈的尺寸和匝數(shù)等。5．3 穩(wěn)定性分析（1）金屬探測器的特性 包括探測磁場的強度，探測方法，工作頻率等（2）探測物的特性 包括測試物的質量，大小，探測物的金屬種類和合金成分和測試物進入探測場的方向等。（3）有關測試者的因素 包括測試者的人體特性，測試者通過金屬探測器的速度，金屬在測試者身上的位置等。（4） 使用環(huán)境 包括光磁和其他的干擾，附近的金屬物品等這些因素都要在設計和安裝過程中加以考慮，或者盡量避免這些因素影響，結論本論文以 MCS—51 系列單片機為核心，結合霍爾傳感器 UGN3503 設計了一種新的檢測金屬的探測器，較雙線圈原理的金屬探測器簡單實用。 在查閱大量的相關資料的基礎上，按照設計要求及性能指標完成了本設計的理論部分。該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是將傳感器采集的模擬量轉換為數(shù)字量，經(jīng)AT89C51 進行濾波處理和判斷報警等同時將接收到的數(shù)字量經(jīng) LCD 數(shù)碼管進行顯示，結合實驗資料已粗略的檢測金屬的類型。設計中的信號處理電路是比較通用的，適應于多種傳感器輸出微弱的電壓信號的放大和峰值檢測。只是采用了軟件濾波的方法取代