基于單片機的金屬探測器的設(shè)計（design for vending machine's plc system）

1、<p>　　基于單片機的金屬探測器的設(shè)計</p><p>　　學(xué)生： 指導(dǎo)教師：</p><p>　　內(nèi)容摘要：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(shè)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(yīng)金屬渦流效應(yīng)引起的通電線圈磁場的變化，并將磁

2、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器的靈敏度與穩(wěn)定性的因素進行了探討，認為儀器的工作頻率、檢測線圈的尺寸及匝數(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。</p>

3、<p>　　關(guān)鍵詞：單片機 金屬探測器 線性霍爾元件 電磁感應(yīng) 靈敏度</p><p>　　Design for vending machine's PLC system</p><p>　　Abstract: This paper describes the composition of hardware and software,working princ

4、iples 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 detec

5、t 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 pea</p><p>　　KE

6、Y WORDS: Single-Chip Microcomputer metal detector linear hall-effect sensor electric-magnetic induction sensitivity</p><p><b>　　目 錄</b></p><p>　　前 言 …………………………………………………

7、………………………………….1</p><p>　　1 分析探測金屬的理論根據(jù)………………………………………… …………………...2</p><p>　　1.1 理論描述………………………………………………………………….…………..2</p><p>　　1.1.1線圈介質(zhì)條件變化.............................. ........

8、...........................................................2</p><p>　　1.1.2 渦流效應(yīng)…………………………………………………….……….………….3</p><p>　　2 硬件電路設(shè)計………………………………………..………………………………….3</p><p>　　2.1 系統(tǒng)

9、組成.......................................................................................................................3</p><p>　　2.2 硬件電路功能描述………………………………………….……………….….……4</p><p>　　2.2.1 線圈振

10、蕩電路…………………………………………….……………....……..4</p><p>　　2.2.2 數(shù)據(jù)采集…………………………………………………………..…….………5</p><p>　　2.2.3 A/D轉(zhuǎn)換電路…………………………………………………..…………...…..8 </p><p>　　2.2.4 系統(tǒng)控制單元...........

11、..........................................................................................11</p><p>　　2.2.5 鍵盤控制電路………………………….……………………….…………...…12</p><p>　　2.2.6 顯示報警電路13</p><p>

12、　　2.2.7 電源電路14</p><p>　　2.3 整機工作原理描述15</p><p>　　3 系統(tǒng)軟件設(shè)計…………………………………………………………………………16</p><p>　　3.1 軟件設(shè)計思想16</p><p>　　3.2 數(shù)字濾波及算法說明16</p><p>　　3.

13、3 主程序流程圖17</p><p>　　3.3.1 鍵盤控制程序設(shè)計18</p><p>　　3.3.2 數(shù)字濾波程序設(shè)計19</p><p>　　3.3.3 顯示與報警程序設(shè)計20</p><p>　　4 主要技術(shù)指標分析………………………………………………………………..…….21</p><p&

14、gt;　　4.1 主要技術(shù)指標分析21</p><p>　　4.4.1 工作頻率21</p><p>　　4.4.2 靈敏度分析21</p><p>　　4.4.3 穩(wěn)定性分析22</p><p>　　5 仿真、調(diào)試結(jié)果及分析……………………………………………………………...….22</p><p&g

15、t;　　5.1 仿真、調(diào)試目的與內(nèi)容22</p><p>　　5.2 仿真結(jié)果及分析22</p><p>　　5.3 試驗總結(jié)24</p><p>　　6 結(jié) 論………………………………………………………………………….........24</p><p>　　附 錄1： 電路原理圖………………………………………………

16、…………………...25</p><p>　　附 錄2： 各模塊程序清單………………………………………………………………26</p><p>　　參考文獻 …………………………………………………………………………………...32</p><p>　　基于單片機的金屬探測器的設(shè)計</p><p><b>　　前 言</b

17、></p><p>　　隨著社會的發(fā)展金屬探測器已經(jīng)成為一種重要的檢查設(shè)備，廣泛地被應(yīng)用到社會生活和工業(yè)生產(chǎn)當中。比如說在機場、運動會、大型展覽會進出口等我們都會看到金屬探測器被用來對過往人員進行安全檢查排查行李、包裹還可以檢測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器對出入人員進行檢查，從而可以防止貴重的金屬物品流失;甚至

18、連考試也開始采用金屬探測器檢測考生是否利用手機等代金屬的通信工具進行作弊。</p><p>　　由此可見，當今社會金屬探測器對社會生活，生產(chǎn)，人身安全已經(jīng)有了極其重要的作用。但是要準確定位金屬物品準確的所在位置，我們就對金屬探測器的精度有比較高的要求。國外已經(jīng)有較成熟的產(chǎn)品(比如EIPaso、CeiaUSA、Ranger&Metoerx廠家都有類似產(chǎn)品)，但是它們的價格通常都非常昂貴;國內(nèi)也有利用模擬電路

19、來檢測和控制的比較傳統(tǒng)一點的金屬探測器，它的缺點是電路比較復(fù)雜，探測靈敏度也不高，而且整個系統(tǒng)不穩(wěn)定很受環(huán)境因素如溫度、濕度、電焊等干擾很大。</p><p>　　正是基于這樣的原因我給大家介紹這樣一個基于單片機控制的智能型金屬探測器，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，能檢測金屬出現(xiàn)時探測線圈周圍磁場的變化，這樣可以大大的提高檢測的精度;數(shù)據(jù)處理方面采用的是AT89S52單片機作為控制單元，用它

20、來處理檢測結(jié)果，能有效地保證檢測效果;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)、機場、車站等公共場所進出口的安全檢查。還可以用來探測土壤中的物品（如地雷）。</p><p>　　1 金屬探測器的理論根據(jù)</p><p><b>　　1.1

21、理論概述</b></p><p>　　金屬探測器是采用的線圈的電磁感應(yīng)原理來進行探測金屬的。由電磁感應(yīng)原理：當金屬物體靠近通電線圈平面時，線圈介質(zhì)條件會發(fā)生變化并產(chǎn)生渦流效應(yīng)。[1]</p><p>　　1.1.1介質(zhì)條件變化</p><p>　　當有金屬物體接近通電線圈的時候，通電線圈周圍的磁場會發(fā)生變化，如圖1.1.1-1，</p>&

22、lt;p><b>　　圖1.1.1-1</b></p><p>　　設(shè)圓形電感線圈半徑為R，通過的交變電流I=Imcos wt圈時線圈周圍空間會產(chǎn)生交變磁場，由畢奧一薩伐爾定律可以計算出線圈中心軸線上任意一點的磁感應(yīng)強度：</p><p><b>　　(1.1.1-1)</b></p><p>　　上式當中，μ=μ0

23、μr，μ代表介質(zhì)的磁導(dǎo)率，μr代表的是相對磁導(dǎo)率，μ0代表真空磁導(dǎo)率。[2]對于緊密纏繞的N匝線圈，線圈中心軸線某一點的磁感應(yīng)強度可以算出： </p><p><b>　　(1.1.1-2)</b></p><p>　　由上式可得知，當線圈有效探測范圍內(nèi)沒有金屬物出現(xiàn)時，μr=1 (非金屬相對磁導(dǎo)率)，線圈中心磁感應(yīng)強度不會發(fā)生變化，線圈有效探測范圍內(nèi)如鐵磁性金屬出現(xiàn)

24、，μr會變大，磁感應(yīng)強度也會隨之變大。</p><p><b>　　1.1.2渦流效應(yīng)</b></p><p>　　再來說說渦流效應(yīng)，根據(jù)電磁理論可以知道，當金屬物體出現(xiàn)在變化的磁場當中，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)。渦流又會產(chǎn)生附加的磁場與外磁場方向相反，這樣就會削弱外磁場變化的速度。正是因為這樣，把交流的正弦信號輸入空心線圈，交變磁場就會在線圈周圍

25、產(chǎn)生電流，線圈當中出現(xiàn)金屬時，就會出現(xiàn)渦流磁場同時磁作用又會阻礙磁場變化。σ越大，交變電流頻率也就變得越大，渦電流強度變大，阻礙原有磁場變化。</p><p>　　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)同時引起磁感應(yīng)強度發(fā)生改變。對于非鐵磁性金屬、順磁體μr≈1，σ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)。</p><p>　　基于這個理論，只要找到適

26、合的傳感器以感應(yīng)線圈磁場發(fā)生變化，然后把磁信號轉(zhuǎn)變成電信號變化信號，再來實現(xiàn)單片機控制。構(gòu)建了系統(tǒng)硬件電路。</p><p><b>　　2 硬件電路</b></p><p><b>　　2.1系統(tǒng)的組成</b></p><p>　　如2.1-1圖所示，探測系統(tǒng)用AT89S528位單片機作控制核心，硬件電路有線圈振蕩電路

27、（多諧振蕩電路、放大電路、探測線圈、控制電路）等。具體電路原理圖參看附錄一。</p><p>　　圖2.1-1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖</p><p><b>　　2.2硬件電路功能</b></p><p>　　2.2.1線圈振蕩電路圖</p><p>　　圖2.2.1-1 線圈振蕩電路原理圖</p><p&

28、gt;　　工作過程中把555定時器作多諧振蕩器，以產(chǎn)生頻率為24KHz、占空比為2/3的脈沖信號。以下是振蕩器頻率計算公式：</p><p><b>　　(2.2.1-1)</b></p><p>　　如圖參數(shù)的頻率是24KHz， 24KHz的超長波頻率可以減弱土壤對電磁波的影響。多諧振蕩器輸出正脈沖信號經(jīng)輸入到Q1基極(Q1為β≥125的9013H)，這樣就可以使它

29、導(dǎo)通， Q1放大過后，頻率穩(wěn)定度高、功率較大的脈沖信號輸入線圈L1線圈里面會產(chǎn)生較大的瞬間電流，這樣線圈周圍就會產(chǎn)生恒定的交變磁場。在脈沖信號作用下，Q1處于開關(guān)工作狀態(tài)，因為導(dǎo)通時間極短，故它其實是很省電的。</p><p>　　2.2.2數(shù)據(jù)采集分析</p><p><b>　　線性霍爾傳感器</b></p><p>　　選用UGN3503

30、U線性霍爾傳感器，用來檢測通電線圈Ll周圍的磁場有沒有發(fā)生變化。UGN3503U主要功能可以將磁場強度信號線性地轉(zhuǎn)化成電壓信號。功能框圖輸出特性如圖2.2.2-1與圖2.2.2-2。[3]</p><p>　　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</p><p>　　依據(jù)霍爾效應(yīng)制成霍爾元件。如圖2.2.2-3:&l

31、t;/p><p>　　圖2.2.2-3 霍爾效應(yīng)原理</p><p>　　半導(dǎo)體薄片兩端通以電流I再加與其表面垂直的磁場B，在薄片兩側(cè)就會出現(xiàn)電壓，如圖2-7 UH, 這就是所謂的霍爾效應(yīng)。它的產(chǎn)生是因為通電半導(dǎo)體片中的載流子在磁場產(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。它所產(chǎn)生的電場力和洛侖茲力方向剛好相反阻礙載流子的堆積當霍爾電場力和洛侖茲力大小相等時，片子兩側(cè)建立起了一個

32、穩(wěn)定的電壓既霍爾電壓UH?；魻栯妷篣H可用下式表示：</p><p>　　UH=RHIB/d （2.2.2-1）</p><p>　　式中RH---霍爾常數(shù)； I電流； B是磁感應(yīng)強度； d代表霍爾元件厚度</p><p>　　假設(shè)KH=RH/d(vAˉ¹wbˉ¹m²)，那么：</

33、p><p>　　UH=KHIB (V) (2.2.2-2)</p><p>　　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)強度B。KH是霍爾元件靈敏度。在外加電壓源電壓一定時，通過的電流是恒值，輸出電壓只和加在霍爾元件上的磁場大小成正比如下：</p><p>　　UH=KB (V)

34、 (2.2.2-3)</p><p>　　K=KHI是常數(shù)。任何引起磁場強度變化的物理量也會引起霍爾輸出電壓發(fā)生變化。據(jù)這個原理將霍爾元件做成各種探頭固定在工作系統(tǒng)的適當位置，就可以檢測到工作磁場，然后根據(jù)霍爾輸出電壓的變化提取檢測到的信息，線性霍爾元件的基本根據(jù)就是這樣的。</p><p>　　這次設(shè)計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

35、跟隨器集成在一個半導(dǎo)體基片上，為用戶提供外電壓源驅(qū)動、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0.05KΩ，采用mini-SIP封裝形式。它可以測量，10ˉ6-10T的磁場。在測量磁場時，將元件的第一腳接在5V的電源上，再把第二腳接地，第三腳用來接高輸入阻抗(>10KΩ)電壓表，在通電后，將電

36、路放在被測磁場中，由于霍爾器件只對垂直于霍爾片表面的磁感應(yīng)強度敏感，就一定要讓磁力線垂直于電路的表面，沒有磁場時，靜態(tài)輸出電壓等于電源電壓的一半，當外加磁場的南極靠近器件標志面，剛會導(dǎo)致輸出電壓比靜態(tài)輸出電壓高。 </p><p>　　放大和峰值檢波電路分析</p><p>　　峰值檢測電路由兩級

37、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，并保持下來第二級運放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。</p><p>　　圖2.2.2-4 LM324外形 和LM324引腳排列</p><p>　　2.2.3 A/D轉(zhuǎn)換電路分析</p><

38、;p>　　這里選用經(jīng)濟實用的ADC0809型A/D轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換。ADC0809芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)還有工作時序示如圖2.2.3-3和圖2.2.3-4所示。</p><p>　　圖 2.2.3-3 ADC0809芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　圖 2.2.3-4 ADC0809工作時序圖</p><p>　　ADC0809A/D轉(zhuǎn)換器是8位逐次逼近型的，它

39、片內(nèi)有八路模擬開關(guān)，能對八路模擬電壓進行分時轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換速度可以達到100μs(10千次/秒)。地址鎖存允許信號ALE=1，3位地址把信號A、B、C送入地址鎖存器，選擇8路模擬量中的一路來作A/D變換。</p><p>　　圖2.2.3-5 A/D轉(zhuǎn)換電路圖</p><p>　　圖2.2.2-6 74LS163引腳</p><p>　　2.2.4系統(tǒng)控制單元分析&

40、lt;/p><p>　　AT89S52是一個低功耗，高性能的8位單片機，它的片內(nèi)含8K Bytes ISP的可反復(fù)擦寫1000次的Flash只讀程序存儲器，器件采用ATMEL公司的高密度,非易失性存儲，兼容標準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存儲單元和8位中央處理器。</p><p>　　圖 2.2.4-1 AT89S52引腳</p>

41、<p>　　圖2.2.4-2 AT89S52片內(nèi)結(jié)構(gòu)</p><p>　　2.2.5鍵盤控制電路</p><p>　　鍵盤是一組按鍵的集合，它是最常用的單片機輸入設(shè)備。操作人員可以通過鍵盤輸入數(shù)據(jù)或命令，實現(xiàn)簡單的人-機通信。按鍵是一種常開型按鈕開關(guān)。常態(tài)時，按鍵的兩個觸點處于斷開狀態(tài)，按下鍵時他們才閉合。</p><p>　　鍵盤控制電路如圖2.2.

42、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鍵來調(diào)節(jié)靈敏度，K4是確定鍵，當K4鍵按下時，靈敏度值確定。</p><p>　　圖2.2.5-1 鍵盤控制電路</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)

43、據(jù)由RXD（P3.0）端輸出或輸入；而同步移位時鐘由TXD（P3.1）端串行輸出，在同步時鐘作用下，實現(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合，利用串行口加外圍芯片74HC164就可構(gòu)成一個或多個并行輸入/輸出口，用于顯示器LED驅(qū)動。單片機中通常使用7段LED構(gòu)成字型“8”，另外，還有一個小數(shù)點發(fā)光二極管，以顯示數(shù)字、符號及小數(shù)點。當鍵盤控制部分各鍵按下時，LED顯示相對應(yīng)靈敏度數(shù)值，顯示電路如圖2.2.6-1。</

44、p><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(qū)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，報警電路如圖2.2.6-2所示。</p><p>　　圖2.2.6-1 顯示電路</p><p>　　圖2.2.6-2 報警電路</p><p>　　2.2.7電源電

45、路介紹</p><p>　　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)元器件來供電的。LM7805三端正穩(wěn)壓器有熱過載內(nèi)部過流和輸出晶體管安全區(qū)保護的功能，它可以將9VDC的輸入電壓轉(zhuǎn)換為+5V電壓，這時它的最大輸出電流為0.5A，保證板內(nèi)AT89S52、555定時器、ADC0809等芯片和元件可靠工作。</p><p>&

46、lt;b>　　2.3整機工作原理</b></p><p>　　工作的時候由555定時器作多諧振蕩器產(chǎn)生一個頻率為24KHz脈沖信號，再經(jīng)緩沖和放大過后，形成頻率穩(wěn)定度比較高、功率較大過后的脈沖信號輸入探測線圈里面，通電的線圈周圍產(chǎn)生磁場，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，同時再把磁場強度信號線性地轉(zhuǎn)變成電壓信號。</p><p>　　圖

47、2.2.7-1 電源電路圖</p><p><b>　　3 系統(tǒng)軟件介紹</b></p><p><b>　　3.1軟件設(shè)計思路</b></p><p>　　軟件是系統(tǒng)的靈魂所在，本文從系統(tǒng)可靠性、實用性及方便靈活幾個方面考慮，程序既滿足設(shè)計的功能要求。整個系統(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

48、子程序。軟件程序是用匯編語言來編寫的采用模塊化設(shè)計，使程序結(jié)構(gòu)清晰，這樣還可以便于以后可以進一步擴展系統(tǒng)功能。</p><p><b>　　3.2數(shù)字濾波</b></p><p>　　金屬探測器的噪聲抑制能力是它的主要設(shè)計指標。在采集電壓時經(jīng)常會有各種瞬時干擾，而采用硬件濾波存在硬件電路復(fù)雜這些問題，所以在設(shè)計中我采用算術(shù)平均濾波的方法。用軟件代替了硬件這就省去了復(fù)雜

49、的硬件，這樣還能夠得到較好而精確的效果。[10]</p><p>　　一個采樣周期里，信號X的N次測量值進行算術(shù)平均就是K的輸出x(k)， </p><p><b>　?。?.2-1）</b></p><p>　　上式中N代表采樣次數(shù)，xi代表第i次的采樣的數(shù)值。</p><p>　　顯然當N越大，信號平滑度就越高，

50、靈敏度則會隨著降低，在這次設(shè)計中要求較高的靈敏度，所以N取值最好不要太大，我們設(shè)N=6，這樣設(shè)定是因為在匯編中做計算是非常麻煩的，取6個數(shù)，去掉最大值和最小值后，取平均值除4，計算機的內(nèi)部計算采用的是二進制，而二進制每除以一個2，就是是向右移了一次。[12]所以出于計算方便考慮，我就選擇了6個數(shù)，在最后算除法的時候，用單片機自帶的右移位功能命令移2次這樣就可以了。</p><p>　　3.3主程序流程圖如下<

51、;/p><p>　　程序流程圖見下頁圖3.3-1 所示。</p><p>　　程序附錄2 (初始化子程序和中斷服務(wù))[13]</p><p>　　圖3.3-1 主程序流程圖</p><p>　　3.3.1鍵盤控制程序設(shè)計</p><p>　　3.3.1.1程序流程圖如圖3.3.1.2-1所示。</p>&

52、lt;p>　　3.3.1.2．鍵盤掃描控制程序清單(附錄2)。</p><p>　　圖3.3.1.2-1 鍵盤控制流程圖</p><p>　　3.3.2數(shù)字濾波程序設(shè)計</p><p>　　假設(shè)一個采樣周期內(nèi)，對通道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

53、存放最大值，R3寄存器存用來放最小值，R4寄存器用來存放累加和，R0則存放連續(xù)采樣次數(shù)。</p><p>　　程序的流程圖，如圖3.3.2-1。</p><p>　　數(shù)字濾波程序清單（附錄2）。</p><p>　　圖3.3.2-1 數(shù)字濾波流程圖</p><p>　　3.3.3顯示與報警程序設(shè)計</p><p>

54、　　程序流程圖如圖3.3.3-1所示。</p><p>　　顯示報警程序（附錄2）。</p><p>　　圖3.3.3-1 顯示報警流程圖</p><p>　　4 主要技術(shù)指標分析</p><p>　　4.1主要技術(shù)指標分析</p><p>　　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。</

55、p><p><b>　　4.4.1工作頻率</b></p><p>　　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。</p><p>　　4.4.2靈敏度分析</p><p>　　由公式(l.1.1-2)即：</p><p><b>　　(1.1.1-2)</

56、b></p><p><b>　　可知：</b></p><p>　?。?）檢測線圈的尺寸也對儀器的靈敏度有一定的影響。</p><p>　　探測器的靈敏度和探測線圈的尺寸大小是有關(guān)系的，尺寸大就是探測面積大，那么線圈中心磁場強度就低，在靠近線圈繞組附近磁場則強度較高，霍爾元件固定在了線圈的中心，為了確保通過的磁通量，探測線圈的尺寸不能太

57、大，具體尺寸需要通過實驗來確定。</p><p>　　（2）檢測線圈的匝數(shù)對儀器的靈敏度也有影響。</p><p>　　當檢測線圈尺寸是一定的時，則匝數(shù)越少它的靈敏度就越高。但為了保證通過霍爾元件的磁通量，匝數(shù)的減少只能是有限的，也需要通過試驗來確定最終的匝數(shù)。</p><p>　　4.4.3穩(wěn)定性分析</p><p>　?。?）環(huán)境溫度變化

58、，儀器元件參數(shù)也會隨之改變，影響儀器工作的穩(wěn)定。</p><p>　　（2）還有應(yīng)盡量減少線圈與電路之間引線長度，這樣可以減少分布電容，我們采用了屏蔽線減少外界對它的干擾。</p><p>　　5 仿真、調(diào)試結(jié)果及分析</p><p>　　5.1 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

59、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)計是在仿真軟件Keil C51來進行編譯和調(diào)試的。</p><p>　　5.2 仿真結(jié)果及分析</p><p>　　本次設(shè)計的仿真結(jié)果如下所述：</p><p>　　線性霍爾傳感器調(diào)試結(jié)果及分析</p><p&

60、gt;　　外加磁場的南極靠近器件標志面時</p><p>　　R/mT 300 200 100</p><p>　　輸出電壓（V） 2.1 2.3 2.8</p><p>　　外加磁場的北極靠近器件標志面時</p><p>　　R/mT 100 200

61、 300</p><p>　　輸出電壓（V） 4.3 4.8 5.1</p><p>　　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)試過程中遇到了一些問題，模擬出的結(jié)果存在一定的誤差，經(jīng)過多次采樣，我盡量使結(jié)果與理論值得差值縮小，達到了預(yù)期的結(jié)果。</p><p>　　振蕩電路調(diào)試結(jié)果及分析&l

62、t;/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(jié)果如圖5.2-1所示</p><p>　　圖5.2-1 多諧輸出</p><p>　　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

63、過程中如環(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，說明多諧振蕩器部分電路是正確的。</p><p>　　顯示部分仿真結(jié)果及分析</p><p>　　顯示部分顯示的數(shù)據(jù)是設(shè)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(yīng)的數(shù)據(jù)，顯示結(jié)果如圖5.2-2所示。</p><p>　　初始狀態(tài) 加1

64、顯示值</p><p>　　加15顯示值 減11顯示值</p><p>　　圖5.2-2 顯示值</p><p>　　經(jīng)過多次試驗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)了一些問題，仿真過程中出現(xiàn)了顯示模糊、不穩(wěn)定等一些問題，但最終還是得到了比較理想的顯示數(shù)據(jù)。</p><p>　　蜂鳴器顯示結(jié)

65、果及分析</p><p>　　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，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。</p><p><b>　　5.3 試驗總結(jié)</b></p><p>　　綜上所述，在仿真調(diào)試過程中雖然遇到了一些問題，但是經(jīng)過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

66、的輸出、顯示部分的顯示值和蜂鳴聲等結(jié)果。但是還存在一些問題，如數(shù)碼管顯示器顯示數(shù)字時有些閃爍不定，多諧振蕩電路輸出脈沖的不穩(wěn)定等。</p><p>　　總的來說還時比較成功的。</p><p><b>　　6 結(jié) 論</b></p><p>　　本設(shè)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

67、應(yīng)兩個現(xiàn)象，根據(jù)電磁感應(yīng)原理來設(shè)計金屬探測器。</p><p>　　硬件電路的設(shè)計有兩部分，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、LED顯示電路、聲音報警電路及電源電路，這些電路將磁場強度信號變?yōu)殡妷盒盘枺缓筮M行電壓信號的拾取，放大等功能。</p><

68、;p>　　軟件設(shè)計方面，對于系統(tǒng)實用性、可靠性還有方便靈活等幾個方面，使程序滿足設(shè)計的功能要求。整個系統(tǒng)的軟件包括了主程序、一個外部中斷服務(wù)程序、數(shù)字濾波程序、比較判斷子程序及發(fā)光報警等若干個子程序，是采用匯編語言編寫的。</p><p>　　最后還分析了設(shè)計中的主要技術(shù)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(shù)指標。&

69、lt;/p><p>　　附 錄1: 電路原理圖</p><p>　　附 錄2: 各模塊程序清單</p><p><b>　　a．初始化子程序</b></p><p>　　ADPORT EQU 7FF8H</p><p>　　△U EQU 20H</p><p>　　U0

70、 EQU 21H</p><p>　　U EQU 22H</p><p>　　ORG 0000H</p><p>　　LJMP MAIN</p><p>　　ORG 0013H</p><p>　　LJMP INT1</p><p>　　ORG 0020H</p>

71、<p>　　MAIN：MOV SP，#60</p><p>　　MOV 20H，#N</p><p>　　MOV R7，#FFH ; R7=1111111</p><p>　　MOV 21H，00H</p><p>　　MOV 22H，00H</p><p>　　MOV Rl， #3OH</p>

72、<p><b>　　RET</b></p><p>　　;ADC0809通道0地址</p><p>　　;靈敏度存放在20H</p><p>　　;基準電壓存放在21H</p><p><b>　　;差值存放在22H</b></p><p><b>　

73、　;主程序起始地址</b></p><p><b>　　;轉(zhuǎn)主程序</b></p><p>　　;INT1中斷服務(wù)程序入口</p><p>　　;轉(zhuǎn)NITI中斷服務(wù)程序</p><p><b>　　;</b></p><p><b>　　;設(shè)置堆棧指針&

74、lt;/b></p><p>　　;放入靈敏度值(設(shè)靈敏度值為N)</p><p><b>　　;初始化讀數(shù)標志</b></p><p><b>　　;21H單元清零</b></p><p><b>　　;22H單元清零</b></p><p>　

75、　;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</p><p><b>　　;</b></p><p><b>　　b．中斷服務(wù)程序</b></p><p>　　AD: SETB IT1</p><p><b>　　SETB EA</b></p><p>

76、;<b>　　SETB EX1</b></p><p>　　MOV DPTR, #ADPORT</p><p>　　MOV A #00H</p><p><b>　　MOV R5，A</b></p><p>　　MOVX @DPTR，A</p><p>　　CJNE

77、 R7，#00H，$</p><p><b>　　LOOP: NOP</b></p><p>　　AJMP LOOP</p><p>　　ORG 2100H</p><p><b>　　NIT1:</b></p><p><b>　　PUSH PSW</

78、b></p><p><b>　　PUSH A</b></p><p><b>　　PUSH DPL</b></p><p><b>　　PUSH DPH</b></p><p>　　MOV DPTR，#7FF8H</p><p>　　MOV

79、X A，@DTPR</p><p><b>　　MOV R5，A</b></p><p>　　LCALL FILTER</p><p>　　MOV A #00H</p><p>　　MOVX @DPTR，A</p><p>　　MOV R7，#00H</p><p&g

80、t;<b>　　POP DPH</b></p><p>　　;當ADC0809的EOC輸出電平上跳沿觸發(fā)中斷1</p><p>　　;打開總中斷開關(guān)(片內(nèi)中斷允許寄存器IE.7=EA)</p><p><b>　　;允許外中斷1中斷</b></p><p>　　;數(shù)據(jù)指針指向通道頂0通道</

81、p><p><b>　　;</b></p><p><b>　　;</b></p><p><b>　　;啟動A/D轉(zhuǎn)換</b></p><p><b>　　;</b></p><p><b>　　;</b><

82、;/p><p><b>　　;中斷服務(wù)程序入口</b></p><p><b>　　;</b></p><p><b>　　;</b></p><p>　　;數(shù)據(jù)指針指向通道IN0</p><p>　　;把該通道的A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果讀到累加器A中</p&g

83、t;<p>　　;將A/D結(jié)果存入R5 </p><p><b>　　;調(diào)用數(shù)字濾波程序</b></p><p><b>　　;</b></p><p><b>　　;再次啟動刀D轉(zhuǎn)換</b></p><p><b>　　;置讀數(shù)標志</b>

84、</p><p><b>　　;</b></p><p><b>　　POP DPL</b></p><p><b>　　POP A</b></p><p><b>　　POP PSW</b></p><p><b>

85、;　　RETI</b></p><p>　　c.鍵盤掃描控制程序</p><p>　　KEY: MOV P1,#0FFH</p><p>　　MOV A,P1</p><p><b>　　CPL A</b></p><p>　　ANL A,#0FH;</p>

86、;<p><b>　　JZ KEY</b></p><p>　　LCALL D-10ms</p><p>　　MOV A,P1</p><p><b>　　CPL A</b></p><p>　　ANL A,#0FH</p><p><b

87、>　　JZ KEY</b></p><p>　　MOV B,A;</p><p>　　MOV A,P1;</p><p><b>　　CPL A</b></p><p>　　ANL A,#0FH</p><p>　　KEY1: JNZ KEY1</

88、p><p>　　LCACC D-10ms</p><p><b>　　MOV A,B</b></p><p>　　JB ACC.0,PKEY1</p><p>　　JB ACC.1,PKEY2</p><p>　　JB ACC.2,PKEY3</p><p&g

89、t;　　JB ACC.3,PKEY4</p><p><b>　　EKEY: RET</b></p><p>　　PKEY1:LCALL K1</p><p><b>　　RET</b></p><p><b>　　;</b></p><p>&l

90、t;b>　　;</b></p><p><b>　　;</b></p><p><b>　　;中斷返回</b></p><p>　　;P1口為輸入,各位應(yīng)先置位為高電平</p><p><b>　　;讀取按鍵狀態(tài)</b></p><p>

91、;　　;取正邏輯,高電平表示有鍵按下</p><p>　　;A=0時無鍵按下,重新掃描鍵盤</p><p>　　;有鍵按下時延時去抖動</p><p><b>　　;讀取按鍵狀態(tài)</b></p><p>　　;取正邏輯,高電平表示有鍵按下</p><p>　　;再判別是否有鍵按下</p>

92、;<p>　　;A=0時無鍵按下,重新掃描鍵盤</p><p>　　;有鍵按下時,鍵值送B暫存</p><p><b>　　;判別按鍵釋放</b></p><p><b>　　;按鍵未釋放,等待</b></p><p><b>　　;釋放,延時去抖動</b><

93、;/p><p><b>　　;取鍵值送A</b></p><p>　　;K1按轉(zhuǎn)PKEY1</p><p><b>　　;K1命令處理程序</b></p><p>　　PKEY2:LCALL K2</p><p><b>　　RET </b></p&g

94、t;<p>　　PKEY3:LCALL K4 </p><p><b>　　RET</b></p><p>　　K1: MOV P1,△U;</p><p>　　MOV A,P1;</p><p><b>　　RET</b></p><p>　　K2

95、: MOV P1,△U;</p><p>　　MOV A,P1;</p><p><b>　　INC A</b></p><p><b>　　RET</b></p><p>　　K3: MOV P1, △U;</p><p>　　MOV A,P1;

96、</p><p><b>　　DEC A</b></p><p><b>　　RET </b></p><p>　　K4: MOV P1, △U;</p><p>　　MOV A,P1;</p><p><b>　　JZ KEY</b&g

97、t;</p><p><b>　　SETB A</b></p><p><b>　　RET</b></p><p>　　D-10ms:MOV R7,#10H</p><p>　　DS1: MOV R6,#0FFH;</p><p>　　DS2: DJNZ R6,

98、DS2</p><p>　　DJNZ R7,DS1</p><p><b>　　RET</b></p><p>　　;10ms延時子程序 </p><p><b>　　d．數(shù)字濾波程序</b></p><p>　　FILTER: CLR A</p><

99、;p>　　MOV R2, A</p><p>　　MOV R4， A</p><p>　　MOV R3, #3FH</p><p>　　MOV R1, #30H</p><p>　　MOV R0, #06H</p><p>　　DAV1: ADD A, R4</p><

100、p>　　MOV R4, A</p><p><b>　　CLR C</b></p><p>　　MOV A, R2</p><p>　　SBBB A, R5</p><p><b>　　JNC DAV2</b></p><p>　　MOV A, R5

101、</p><p>　　MOV R2, A</p><p>　　DAV2: CLR C</p><p><b>　　MOV A，R5</b></p><p>　　SBBB A，R3</p><p><b>　　JNC DAV3</b></p><

102、p>　　MOV A, R5</p><p>　　MOV R3, A</p><p>　　DAV3: DJNZ R0, DAV1</p><p><b>　　CLR C</b></p><p><b>　　MOV A，R4</b></p><p>　　SB

103、BB A，R2</p><p>　　SBBB A，R3</p><p><b>　　;R2、R4清0</b></p><p><b>　　;</b></p><p><b>　　;</b></p><p><b>　　;置最小值初態(tài)<

104、/b></p><p><b>　　;置數(shù)據(jù)區(qū)首地址</b></p><p>　　;置連續(xù)采樣次數(shù)N=6</p><p><b>　　;累加輸入值</b></p><p><b>　　;累加和放入R4</b></p><p><b>　　

105、;清進位標志</b></p><p><b>　　;取最大值</b></p><p><b>　　;最大值一輸入值</b></p><p>　　;輸入值>(R2) ?</p><p><b>　　;</b></p><p><b&

106、gt;　　;更新最大值</b></p><p><b>　　;取A/D結(jié)果</b></p><p><b>　　;與最小值比較</b></p><p>　　;判斷輸入值<(R3)? (若C=0,輸入值>(R3),則轉(zhuǎn)到DAV3)</p><p><b>　　;<

107、;/b></p><p><b>　　;更新最小值</b></p><p>　　;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時轉(zhuǎn)至DAV1)</p><p><b>　　;</b></p><p>　　;N個數(shù)減去最大最小</p><p>&l

108、t;b>　　;</b></p><p><b>　　CLR C</b></p><p><b>　　RRC A</b></p><p>　　MOVX @R1，A</p><p><b>　　NIC R1</b></p><p>&l

109、t;b>　　RET</b></p><p><b>　　e．顯示與報警程序</b></p><p><b>　　DISPLAY:</b></p><p>　　SETB P3.0</p><p>　　MOV A,P3</p><p>　　JB AC

110、C.1,DIS1</p><p>　　JB ACC.2,DIS2</p><p>　　JB ACC.3,DIS3</p><p>　　JB ACC.4,DIS4</p><p>　　LCALL DELAY</p><p><b>　　CLR P3.0</b></p>

111、;<p>　　AJAMP DISPLAY</p><p>　　DIS1: MOV P3,A;</p><p>　　MOV A,△U;</p><p><b>　　RET</b></p><p>　　DIS2: MOV P3,A;</p><p><b&g

112、t;　　INC A</b></p><p>　　MOV A, △U+1;</p><p><b>　　RET</b></p><p>　　DIS3: MOV P3,A;</p><p><b>　　DEC A</b></p><p>　　MOV

113、A,△U-1;</p><p><b>　　RET</b></p><p>　　;將算術(shù)平均值存入以30H為首址的RAM緩沖單元中</p><p><b>　　;修改數(shù)據(jù)區(qū)指針</b></p><p>　　DIS4: MOV P3,A;</p><p><b&

114、gt;　　SETB A</b></p><p><b>　　RET</b></p><p><b>　　ALARM:</b></p><p>　　SETB P1.6</p><p>　　LCALL DELAY</p><p><b>　　CLR P

115、1.6</b></p><p>　　AJAMP ALARM</p><p>　　DELAY: MOV R5，#FFH</p><p>　　D1: MOV R6，#FFH</p><p>　　D2: DJNZ R6，D2</p><p>　　DJNZ R5，D1<

116、/p><p><b>　　REN</b></p><p><b>　　END</b></p><p><b>　　參考文獻:</b></p><p>　　[1] 周省三：電磁場基本教程,高等教育出版社,2003,P2-P11</p><p>　　[2] 程守

117、洙、江之水：普通物理學(xué)2,高等教育出版社,2001,P2-P12 </p><p>　　[3] 3503 RATIOMETRIC LINEAR HALL-EFFECT SENSORSCoPyright1985，2002 Allegro Mieorsystems，InC，P7-P17</p><p>　　[4] 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 ，Vo

118、l.4 No.3 53-57，P2-P15</p><p>　　[5] 減春華：電子線路設(shè)計與應(yīng)用，高等教育出版社，2004，P5-P20</p><p>　　[6] 蔡明生：電子設(shè)計，高等教育出版社，2003，P10-P30</p><p>　　[7] 何立民：單片機應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計，北京航空航天大學(xué)出版社，2004，P24-P34</p><p&