DZ101基于單片機(jī)控制的金屬探測(cè)器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

DZ101基于單片機(jī)控制的金屬探測(cè)器系統(tǒng)的設(shè)計(jì),dz101,基于,單片機(jī),控制,節(jié)制,金屬探測(cè)器,系統(tǒng),設(shè)計(jì) 哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）I 摘要本文介紹的是基于單片機(jī)控制的金屬探測(cè)器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程和工作原理．這個(gè)系統(tǒng)是以 AT89C51 單片機(jī)為核心,首先由 555 定時(shí)器構(gòu)成多諧振蕩器產(chǎn)生脈沖信號(hào)送入探測(cè)線圈以形成交變磁場(chǎng),然后經(jīng)過(guò)線性霍爾器件UGN3503 將磁場(chǎng)變化轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)的變化,經(jīng)過(guò)放大電路和峰值檢測(cè)電路,經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換之后輸入到單片機(jī)中,由單片機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行軟件濾波之后,與基準(zhǔn)值比較之后,判斷是否存在金屬和報(bào)警顯示．系統(tǒng)的軟件部分采用匯編語(yǔ)言編寫(xiě)，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(duì)金屬探測(cè)器的靈敏度和穩(wěn)定性產(chǎn)生影響的因素進(jìn)行探討和分析．本文首先在緒論中對(duì)課題的背景和意義作了簡(jiǎn)單介紹。在第二章論述系統(tǒng)設(shè)計(jì)的理論依據(jù)，傳感器的相關(guān)的知識(shí)等總體設(shè)計(jì)過(guò)程．第三章著重描述了系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)包括各個(gè)模塊的設(shè)計(jì)和功能以及整機(jī)的工作原理和工程描述,在第四章中介紹了軟件的總體設(shè)計(jì)和子程序的編寫(xiě)。最后在結(jié)論中簡(jiǎn)單介紹了主要的設(shè)計(jì)指標(biāo)和設(shè)計(jì)的體會(huì)和本設(shè)計(jì)的優(yōu)缺點(diǎn)。關(guān)鍵詞：　 單片機(jī)，A/D 轉(zhuǎn)換，傳感器，探測(cè)線圈哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）畢業(yè)設(shè)計(jì)（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(xué)（威海）畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）III 目錄摘要 ..............................................................................................錯(cuò)誤！未定義書(shū)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(cè) 金 屬 的 理 論 依 據(jù) ...................................................................................52.2 系統(tǒng)中傳感器 UGN3503 簡(jiǎn)介 ........................................................................63. 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì) ...............................................................................................113.1 中央處理器 8051.........................................................................................113.2 硬件電路設(shè)計(jì) ..............................................................................................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(zhuǎn)換電路 ....................................................................................173.2.4 顯示報(bào)警電路 .....................................................................................223.2.5 電源電路 ............................................................................................224. 系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì) ...................................................................................................254.1 軟件設(shè)計(jì)思想 .............................................................................................254.2 數(shù)字濾波算法說(shuō)明 .....................................................................................254.3 系統(tǒng)主程 序的功 能 .....................................................................................264.4 子程序的模塊設(shè)計(jì) .....................................................................................285. 主要技術(shù)指標(biāo)……………………………………………………………..315.1 工作頻率………………………………………………………………31 5.2 靈敏度分析……………………………………………………………315.3 穩(wěn)定性分析結(jié) 論 ............................................................................................................................32致 謝 ........................................................................................................................33參考文獻(xiàn) ......................................................................................................................34哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）IV 1.緒論1.1 引言隨著電子技術(shù)的進(jìn)步，金屬探測(cè)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(yīng)用敢為幾乎擴(kuò)大到各個(gè)領(lǐng)域，對(duì)工業(yè)生產(chǎn)和人身安全起著重要的作用。目前，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，犯罪分子和恐怖分子也利用高新技術(shù)制造新式的武器，爆炸物等。各個(gè) 國(guó)家也對(duì)安檢閱越來(lái)越重視。金屬探測(cè)儀作為重要的安全檢查設(shè)備，已被廣泛的應(yīng)用與社會(huì)的生產(chǎn)和生活的諸多領(lǐng)域，如大型的運(yùn)動(dòng)會(huì)，展覽會(huì)，工業(yè)部門(mén)等。都用金屬探測(cè)器來(lái)對(duì)過(guò)往的人員進(jìn)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(mén)也使用金屬探測(cè)器對(duì)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(guó)外雖然已經(jīng)有較為完善的系列產(chǎn)品，但價(jià)格及其昂貴國(guó)內(nèi)傳統(tǒng)的金屬探測(cè)器利用模擬電路進(jìn)行檢測(cè)和控制的，其電路復(fù)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(shè)計(jì)本著設(shè)計(jì)簡(jiǎn)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(yīng)由于金屬出現(xiàn)引起的周?chē)拇艌?chǎng)的變化，控制部件采用 AT89C51 作為監(jiān)測(cè)和控制的核心，對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析和判斷有效的保證了檢測(cè)原理的實(shí)施，提高了檢測(cè)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?jǐn)y式金屬探測(cè)器，可以應(yīng)用于海關(guān)，機(jī)場(chǎng)，車(chē)站，碼頭等的安全檢查，也適用于探測(cè)隱藏于墻內(nèi)，護(hù)板，土壤中上述物品等金屬的探測(cè)和檢查。哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）5 2.系統(tǒng)的總體2．1 探測(cè)金屬的理論依據(jù)（1）根據(jù)電磁感應(yīng)的原理 當(dāng)有金屬靠近被置于變化的磁場(chǎng)中時(shí)，金屬導(dǎo)體內(nèi)就會(huì)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(chǎng)，與外界的磁場(chǎng)的方向相反，削弱外磁場(chǎng)的變化。以將一通有正弦的信號(hào)接入空心線圈上，流過(guò)線圈的電流就會(huì)在周?chē)a(chǎn)生交變磁場(chǎng)，當(dāng)有金屬靠近線圈時(shí)，金屬就會(huì)產(chǎn)生渦流磁場(chǎng)的去磁作用會(huì)削弱線圈磁場(chǎng)的變化，金屬的電導(dǎo)率越大，交變電流的頻率越大，則渦電流的強(qiáng)度就大，對(duì)原磁場(chǎng)的抑制作用就越強(qiáng)。圖 1-1同時(shí)根據(jù)畢奧-薩伐爾定律，當(dāng)有金屬靠近通電線圈時(shí)，將使通電線圈的周?chē)拇艌?chǎng)發(fā)生變化，當(dāng)通入交變電流正弦信號(hào)時(shí)，其中的磁應(yīng)強(qiáng)度是（1-1）由公式知，當(dāng)線圈有效探測(cè)范圍內(nèi)，非金屬的相對(duì)磁導(dǎo)率近似為 1，線圈中心的磁感應(yīng)強(qiáng)度保持不變，當(dāng)線圈有效探測(cè)范圍內(nèi)出現(xiàn)鐵磁性金屬時(shí)，相對(duì)磁導(dǎo)率就會(huì)變大，磁感應(yīng)強(qiáng)度就會(huì)變大。（2）渦流效應(yīng)： 根據(jù)電磁場(chǎng)理論，當(dāng)金屬物體置于變化的磁場(chǎng)中金屬203/cosrmRIBNtx????（ ）哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）6 到體內(nèi)就會(huì)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)成附加的磁場(chǎng),與外磁場(chǎng)方向相反，削弱外磁場(chǎng)的變化。因此，當(dāng)金屬靠近通有交變電流的探測(cè)線圈的時(shí)，金屬產(chǎn)生的渦流磁場(chǎng)的去磁作用就會(huì)削弱線圈磁場(chǎng)的變化。金屬的電導(dǎo)率越大，交變電流的頻率越大，則渦電流強(qiáng)度越大，對(duì)原磁場(chǎng)的抑制作用就越強(qiáng)。綜合分析，當(dāng)有金屬物體靠近探測(cè)線圈平面附近時(shí)，無(wú)論是介質(zhì)磁導(dǎo)率的變化，還是金屬的渦流效應(yīng)都能引起磁感應(yīng)強(qiáng)度的變化。對(duì)于鐵磁性金屬由于相對(duì)磁導(dǎo)率近似為 1，故認(rèn)為是主要產(chǎn)生渦流效應(yīng)，其磁效應(yīng)忽略不計(jì)；而鐵磁性金屬既要產(chǎn)生渦流效應(yīng)，同時(shí)其相對(duì)磁導(dǎo)率又較大，據(jù)實(shí)驗(yàn)知，磁效應(yīng)為主要因素，故認(rèn)為是導(dǎo)致原磁感應(yīng)強(qiáng)度變小。2．2 傳感器 UGN3503 簡(jiǎn)介根據(jù)以上的原理，選用線性的霍爾元件 UGN3503 作為檢測(cè)磁場(chǎng)變化的器件。UGN3503 是根據(jù)霍爾效應(yīng)測(cè)量磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度的原理制作。下面介紹通過(guò)霍爾效應(yīng)測(cè)量磁場(chǎng) ?；魻栃?yīng)裝置如圖所示。將一個(gè)半導(dǎo)體薄片放在垂直于它的磁場(chǎng)中(B 的方向沿 z 軸方向 )，當(dāng)沿 y 方向的電極 A、A’ 上施加電流 I 時(shí)，薄片內(nèi)定向移動(dòng)的載流子(設(shè)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(xué)（威海）畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）7 無(wú)論載流子是負(fù)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(chǎn)生電荷積累，從而在薄片 B、B’兩側(cè)產(chǎn)生一個(gè)電位差 VBB’,形成一個(gè)電場(chǎng) E。電場(chǎng)使載流子又受到一個(gè)與 FB 方向相反的電場(chǎng)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(dāng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)FE＝FB，即q uB = q VBB’ / b (2-3)這時(shí)在 B、B’兩側(cè)建立的電場(chǎng)稱為霍爾電場(chǎng)，相應(yīng)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(qiáng)度 I 與 u 的關(guān)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(yīng)大小。在應(yīng)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(xué)（威海）畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）8 由式(2-7)可見(jiàn)，若 I、K H 已知，只要測(cè)出霍爾電壓 VBB’，即可算出磁場(chǎng)的大?。徊⑶胰糁d流子類(lèi)型(n 型半導(dǎo)體多數(shù)載流子為電子，P 型半導(dǎo)體多數(shù)載流子為空穴),則由 VBB’的正負(fù)可測(cè)出磁場(chǎng)方向，反之，若已知磁場(chǎng)方向，則可判斷載流子類(lèi)型。任何引起磁感應(yīng)強(qiáng)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)?shù)奈恢?，?lái)檢測(cè)磁場(chǎng)的變化，根據(jù)霍爾輸出電壓的變化提取檢測(cè)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(cè)到的磁感應(yīng)強(qiáng)度信號(hào)線性的轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)。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(xué)（威海）畢業(yè)設(shè)計(jì)（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(dǎo)體基片上，為用戶提供了一個(gè)由外電源驅(qū)動(dòng)的，使用方便的磁敏傳感器。其輸出電壓與其感應(yīng)的磁感應(yīng)強(qiáng)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(jié)構(gòu)牢固，體積小，0.5kΩ inSIP?重量輕，乃震動(dòng)，功耗小，壽命長(zhǎng)，頻率高，輸出噪聲低等優(yōu)點(diǎn)。用它作探頭可以測(cè)量 的交變磁場(chǎng)和恒定磁場(chǎng)。在測(cè)量磁場(chǎng)時(shí)，將610T?元件的第一腳（面對(duì)標(biāo)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(cè)磁場(chǎng)中，因霍爾器件只對(duì)垂直于霍爾片的表面的磁感應(yīng)強(qiáng)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(cè)磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度。若不垂直，則應(yīng)求出其垂直分量來(lái)計(jì)算被測(cè)磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度值。當(dāng)沒(méi)有磁場(chǎng)時(shí)，靜態(tài)輸出的電壓是電源電壓的一半，當(dāng)外加磁場(chǎng)的南極靠近器件的表面時(shí)，會(huì)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(xué)（威海）畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）10 采集電路的前端，即可感應(yīng)到探測(cè)線圈的磁場(chǎng)的變化，并將磁場(chǎng)的變化信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)的變化而被后級(jí)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(xué)（威海）畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）11 三 系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì)3．1 中央處理器 8051系統(tǒng)采用單片機(jī) AT89C51 作為信號(hào)的處理和控制單元，模數(shù)轉(zhuǎn)換完成信號(hào)作為外部中斷信號(hào)，單片機(jī)響應(yīng)后對(duì)信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)的處理。下面簡(jiǎn)單的介紹單片機(jī) AT89C51 的結(jié)構(gòu)和組成原理。8051 單片機(jī)的管腳圖如下所示，圖 3-1 8051 單片機(jī)的管腳圖40 只引腳按其功能來(lái)分，可分為 3 類(lèi)：（1）電源及時(shí)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(gè)時(shí)鐘引腳 XTAL1、XTAL2 外接晶體與片內(nèi)的反相放大器構(gòu)成了 1個(gè)振蕩器，它為單片機(jī)提供了時(shí)鐘控制信號(hào)。2 個(gè)時(shí)鐘引腳也可外接獨(dú)立的晶體振蕩器。如果采用外接晶體振蕩器時(shí)，XTAL1（19 引腳）引腳應(yīng)接地，XTAL2（18 引腳）接收時(shí)鐘振蕩器的信號(hào)，即把此信號(hào)直接接到內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器的輸入端。哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）12 （2）控制引腳：/PSEN/、ALE、/EA/、RESERT。2.1、/PSEN/（29 引腳）：程序存儲(chǔ)器允許輸出控制端。在單片機(jī)訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器時(shí)，此引腳輸出脈沖負(fù)跳沿作為讀外部程序存儲(chǔ)器的選通信號(hào)。此引腳接外部程序存儲(chǔ)器的/OE/（輸出允許）端。/PSEN/端可以驅(qū)動(dòng) 8 位 LS型 TTL 負(fù)載。2.2、ALE、 /PROG/（30 引腳）：ALE 引腳輸出為地址鎖存允許信號(hào)，當(dāng)單片機(jī)上電正常工作后，ALE 引腳不斷輸出正脈沖信號(hào)。當(dāng)單片機(jī)訪問(wèn)外部存儲(chǔ)器時(shí)，ALE 輸出信號(hào)的負(fù)跳沿用于單片機(jī)發(fā)出的低 8 位地址經(jīng)外部鎖存的鎖存控制信號(hào)。即使不訪問(wèn)外部鎖存器，ALE 端仍有正脈沖信號(hào)輸出，此頻率為時(shí)鐘振蕩器頻率 f.osc 的 1/6。/PROG/為本引腳的第二功能。在對(duì)片內(nèi)EPROM 型單片機(jī)編程寫(xiě)入時(shí)，此引腳作為編程脈沖輸入端。2.3、/EA/、Vpp（31 引腳）：/EA/功能為內(nèi)部程序存儲(chǔ)器選擇端。當(dāng)/EA/引腳為高電平時(shí)，單片機(jī)訪問(wèn)內(nèi)部程序存儲(chǔ)器，但在 PC（程序計(jì)數(shù)器）值超過(guò) 0FFFH（對(duì)于 8051、8751）時(shí)，即超過(guò)片內(nèi)程序存儲(chǔ)器的4KB 地址范圍時(shí)，將自動(dòng)轉(zhuǎn)向執(zhí)行外部程序存儲(chǔ)器內(nèi)的程序。當(dāng)/EA/引腳為低電平時(shí)，單片機(jī)則只訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器，不論是否有內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。對(duì)于 8031 來(lái)說(shuō)，因其無(wú)內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。所以該引腳必須接地，這樣只能選擇外部程序存儲(chǔ)器。Vpp 為本引腳的第二功能2.4、RST、 Vpd（9 引腳）： RST（RESET）復(fù)位信號(hào)輸入端，高電平有效。當(dāng)單片機(jī)運(yùn)行時(shí)，在此引腳加上持續(xù)時(shí)間大于 2 個(gè)機(jī)器周期（24 個(gè)時(shí)鐘振蕩周期）的高電平時(shí)，就可以完成復(fù)位操作。在單片機(jī)正常工作時(shí)，此引腳應(yīng)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(dāng)主電源 Vcc 發(fā)生故障，降低到某一規(guī)定的低電壓時(shí)，將+5V 電源自動(dòng)接入 RST 端，為內(nèi)部 RAM 提供備用電源，以保證片內(nèi) RAM 中的信息不丟失，從而使單片機(jī)在復(fù)位后能繼續(xù)正常運(yùn)行。 （3）I/O 口引腳：P0、P1、P2 、P3，為 4 個(gè) 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(shí)復(fù)用口，可驅(qū)動(dòng) 8 個(gè) LS 型 TTL 負(fù)載。3.2、P1 口： 8 位準(zhǔn)雙向 I/O 口，可驅(qū)動(dòng) 4 個(gè) LS 型 TTL 負(fù)載。3.3、P2 口： 8 位準(zhǔn)雙向 I/O 口，與地址總線（高 8 位）復(fù)用，可驅(qū)動(dòng) 4個(gè) LS 型 TTL 負(fù)載。3.4、P3 口： 8 位準(zhǔn)雙向 I/O 口，雙功能復(fù)用口，可驅(qū)動(dòng) 4 個(gè) LS 型 TTL 負(fù)載。這里要特別注意準(zhǔn)雙向口與雙向三態(tài)口的差別：P1 口、P2 口、P3 口是 3 個(gè) 8 位準(zhǔn)雙向的 I/O 口，各口線在片內(nèi)均有固定 哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）13 上拉電阻。當(dāng)這 3 個(gè)準(zhǔn)雙向 I/O 口作輸入口使用時(shí)，要向該口先寫(xiě) 1，另外準(zhǔn)雙向 I/O 口無(wú)高阻的“浮空”狀態(tài)。而雙向口 P0 口線內(nèi)無(wú)固定上拉電阻，由兩個(gè) MOS 管串聯(lián)，既可開(kāi)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(jī)的片內(nèi)結(jié)構(gòu)圖哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）14 3．2 硬件電路的設(shè)計(jì)如圖所示，整個(gè)系統(tǒng)以 8 位的單片機(jī) AT89C51 作為控制的核心，其硬件電路分為兩個(gè)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(cè)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(zhuǎn)換器，單片機(jī) AT89C51，顯示電路，聲音報(bào)警和電源電路等。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(bào)警顯示電路探測(cè)線圈圖 3-3 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)塊圖3．2．1 線圈振蕩電路工作過(guò)程中，由 555 定時(shí)器構(gòu)成一個(gè)多諧振蕩器，產(chǎn)生一頻率為24KHz、占空比為 2/3 的脈沖信號(hào)。振蕩器的頻率計(jì)算公式為:（3-1）1212()fRCLn??圖示參數(shù)對(duì)應(yīng)的頻率為 24 KHz，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。從多諧振蕩器輸出的正脈沖信號(hào)經(jīng)過(guò)電容 C10 輸入到 的1Q基極(Q 為 125 的 9013H ).使其導(dǎo)通，經(jīng) 放大之后，就形成了頻率穩(wěn)??1Q哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）15 定度高、功率較大的脈沖信號(hào)輸入到探測(cè)線圈 L1 中，在線圈內(nèi)產(chǎn)生瞬間較強(qiáng)的電流，從而使線圈周?chē)a(chǎn)生恒定的交變磁場(chǎng)。由于在脈沖信號(hào)作用下，處于開(kāi)關(guān)工作狀態(tài)，而導(dǎo)通時(shí)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(yīng)探測(cè)線圈的磁感應(yīng)強(qiáng)度并將起轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電壓信號(hào)，經(jīng)放大和峰值檢測(cè)之后，形成能 ADC0809哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）16 要求的 0-5V 的電壓信號(hào)輸入模數(shù)轉(zhuǎn)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(cè)電路三部分組成。由于霍爾傳感器 UGN3503 采集到的信號(hào)到的電壓信號(hào)是一個(gè)毫伏級(jí)的信號(hào)，信號(hào)強(qiáng)度十分微弱，所以，在對(duì)其進(jìn)行處理之前，首先要進(jìn)行放大，之后經(jīng)過(guò)峰值檢測(cè)電路將信號(hào)轉(zhuǎn)換為模數(shù)轉(zhuǎn)換器所要求的輸入電壓的變換范圍（0-5 伏） 。信號(hào)放大電路采用輸入阻抗高，漂移小，共模抑制比高的集成運(yùn)算放大器 LM324。LM324 是四運(yùn)放集成電路，LM324 四運(yùn)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(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，因此被廣泛應(yīng)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(nèi)部包含四組形式完全相同的運(yùn)算放大器，外形和管腳排列如下圖所示圖圖圖 錄 放機(jī)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(hào)經(jīng)電容耦合到前級(jí)運(yùn)算放大器 U10A（1）的同相輸入端，運(yùn)算放大器 U10A（1）把霍爾哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）17 元件感應(yīng)到的電壓轉(zhuǎn)換為對(duì)地電壓。在電路設(shè)計(jì)中，運(yùn)放 LM324 采用+5V單電源供電，對(duì)于不同強(qiáng)度的信號(hào)均可通過(guò)調(diào)節(jié)前級(jí)放大電路的反饋電位器W1 來(lái)改變其放大倍數(shù)。經(jīng)前級(jí)運(yùn)算放大器放大的信號(hào)經(jīng)禍合電容 C2 輸入到后級(jí)峰值檢測(cè)電路中。采用阻容禍合的方法可以使前后級(jí)電路的靜態(tài)工作點(diǎn)保持獨(dú)立，隔離各級(jí)靜態(tài)之間的相互影響，使得電路總溫漂不會(huì)太大。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 U10A（2）將輸入信號(hào)的峰值傳遞到電容 C5 上，并保持下來(lái)。第二級(jí)運(yùn)放 U10A(3)組成緩沖放大器，將輸出與電容隔離開(kāi)來(lái)。在設(shè)計(jì)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)速度較快、跟隨精度較好的運(yùn)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(dāng)輸入電壓 上升時(shí)， 跟隨上升，使二極管 D3, D6 導(dǎo)通，D42iV2o截止，運(yùn)放 U10A（2）工作在深度負(fù)反饋狀態(tài)，給電容 C5 充電，代上升。當(dāng)輸入電壓 下降時(shí)， 跟隨下降，D4 導(dǎo)通，U10A（2）也工作在深度負(fù)反i 2O饋狀態(tài)，深負(fù)反饋保證了二極管 D3 , D6 可靠截止， 值得以保持。當(dāng)cV再次上升使 上升并使 D3, D6 導(dǎo)通，D4 截止，再次對(duì)電容 C5 充電2iV2O( 高于前次充電時(shí)電壓)， 下降時(shí)，D3, D6 又截止，D4 導(dǎo)通， 將峰值c 2iVc再次保持。輸出 反映代的大小，通過(guò)峰值檢波和后級(jí)緩沖放大電路，將采O集到的微弱電壓信號(hào)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范圍，然后通過(guò) A/D 轉(zhuǎn)換電路將檢測(cè)到的峰值轉(zhuǎn)化成數(shù)字量。3．2．3 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)中，將數(shù)據(jù)采集電路得到電壓信號(hào)為模擬信號(hào)，這就需要模數(shù)轉(zhuǎn)換器將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為單片機(jī)能夠是別的數(shù)字信號(hào)，輸入到單片集中進(jìn)行處理。這里采用 ADC0809 完成數(shù)模轉(zhuǎn)換的工作。下面是芯片的簡(jiǎn)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(zhuǎn)換器。其與單片機(jī)結(jié)合完成了模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)化和讀取。其引腳如圖所示：哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）18 圖 3-8 ADC0809 的引腳圖由引腳圖可見(jiàn)，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(duì)應(yīng) 8 個(gè)通道地址端口。C、B、A=000—111分別對(duì)應(yīng) IN0—IN7 通道的地址。其對(duì)應(yīng)關(guān)系如表 3—1 所示。這里要強(qiáng)調(diào)的是：ADC0809 雖然有 8 路模擬通道可以同時(shí)輸入 8 路模擬信號(hào)，但每個(gè)瞬間只能轉(zhuǎn)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(lái)實(shí)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(duì)應(yīng)關(guān)系哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）19 （4）OE 、START、CLK 為控制信號(hào)端，OE 為輸出允許端，START 為啟動(dòng)信號(hào)輸入端，CLK 為時(shí)鐘信號(hào)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(jié)構(gòu)及轉(zhuǎn)換原理ADC0809 的結(jié)構(gòu)框圖如圖下圖所示。ADC0809 是采用逐次比較的方法完成 A\D 轉(zhuǎn)換的，由單一的+5V 電源供電。片內(nèi)帶有鎖存功能的 8 路選 1 的模擬開(kāi)關(guān)，由 C、B 、A 引腳的編碼來(lái)決定所選的通道。0809 完成一次轉(zhuǎn)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(guò)適當(dāng)?shù)耐饨与娐罚?809 可對(duì) 0—5V 的模擬量進(jìn)行轉(zhuǎn)換。圖 3-9 ADC0809 內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖3、MCS—51 與 ADC0809 的接口單片機(jī)控制 ADC0809 的工作過(guò)程如下：首先用指令選擇 0809 的一個(gè)模擬輸入通道，當(dāng)執(zhí)行 MOVX @DPTR，A 時(shí)，單片機(jī)的 /W/R 信號(hào)有效，從而產(chǎn)生一個(gè)啟動(dòng)信號(hào)，給 0809的 START 引腳送入脈沖，開(kāi)始對(duì)選中通道進(jìn)行轉(zhuǎn)換。當(dāng)轉(zhuǎn)換結(jié)束后，0809發(fā)出轉(zhuǎn)換結(jié)束 EOC（高電平）信號(hào)，該信號(hào)可供單片機(jī)查詢，也可反相后作為向單片機(jī)發(fā)出的中斷請(qǐng)求信號(hào)；當(dāng)執(zhí)行指令：MOVX A,@DPTR，單片機(jī)發(fā)出讀控制/R/D 信號(hào)，OE 端有高電平，且把經(jīng)過(guò) 0809 轉(zhuǎn)換完畢的數(shù)字量讀到 A 累加器中。哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）20 由上述可見(jiàn)，用單片機(jī)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(jī)把啟動(dòng)信號(hào)送到 ADC 之后，執(zhí)行別的程序，同時(shí)對(duì) 0809 的 EOC 引腳的狀態(tài)進(jìn)行查詢，以檢查 ADC 變換是否已經(jīng)結(jié)束，如查詢到變換已經(jīng)結(jié)束，則讀入轉(zhuǎn)換完畢的數(shù)據(jù)。中斷控制方式是在啟動(dòng)信號(hào)送到 ADC 之后，單片機(jī)執(zhí)行別的程序。0809 轉(zhuǎn)換結(jié)束并向單片機(jī)發(fā)出中斷請(qǐng)求信號(hào)時(shí)，單片機(jī)響應(yīng)此中斷請(qǐng)求，進(jìn)入中斷服務(wù)程序，讀入轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)。中斷控制方式效率高，所以適合于變換時(shí)間較長(zhǎng)的 ADC如果對(duì)轉(zhuǎn)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(chǔ)器存取）的方法，這時(shí)可在 ADC 與單片機(jī)之間插入一個(gè) DMA 接口（例如 Intel 公司的 8237DMA 控制器） 。傳輸一開(kāi)始，A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)就可以從輸出寄存器經(jīng)過(guò) DMA 中的數(shù)據(jù)寄存器直接傳輸?shù)阶〈鎯?chǔ)器，因而不受程序的限制。本設(shè)計(jì)中采用的是中斷方式將信號(hào)送入單片機(jī)種的，選中模擬通道 3，將 EOC（高電平）信號(hào)的引腳接到單片機(jī)的外部中斷 1 信號(hào)的引腳，作為中斷信號(hào)，由單片機(jī) AT89C51 的寫(xiě)信號(hào) 和 P2.7 控制 ADC0809 的地址鎖存WRALE 和轉(zhuǎn)換啟動(dòng) START,當(dāng) ADC0809 的 START 啟動(dòng)信號(hào)輸入端為高電平時(shí)，A/D 開(kāi)始轉(zhuǎn)換，在時(shí)鐘的控制下，一位一位的逼近，比較器一次次進(jìn)行比較，轉(zhuǎn)換結(jié)束后送出轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào) 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(jī)的讀信號(hào) 端發(fā)出輸出允許信號(hào)輸入到 ADC0809 的RDOE 端， OE 端呈高電位，用以打開(kāi)三態(tài)輸出鎖存器，單片機(jī)從 ADC0809 讀取相應(yīng)的數(shù)字信號(hào)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(hào) ALE 經(jīng)計(jì)數(shù)器 74LS163(構(gòu)成的 4 分頻器分頻獲得。ALE 引腳的頻率是單片機(jī)時(shí)鐘頻率的 ，單片機(jī)時(shí)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(jìn)制同步計(jì)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(shí)序波形圖和功能表如下:哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）21 圖 3-10 74LS163 的引線排列圖圖 3-11 74LS163 的時(shí)序波形圖表 3-1 74LS163 的功能哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）22 ：哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）23 圖 3-12 ADC0809 與 AT89C51 連接的原理圖 3..2.4 報(bào)警顯示電路、經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換輸入到單片機(jī)的電壓信號(hào)，由單片機(jī) AT89C51 處理之后進(jìn)行判斷，一旦有金屬出現(xiàn)，則被測(cè)物理量超限由單片機(jī)的 I/O 口的 P3.0 置低電平控制發(fā)光二極管和無(wú)源蜂鳴器聲音進(jìn)行聲光報(bào)警,同時(shí)由 P3.2,P3.4 控制的數(shù)碼管顯示相應(yīng)的輸入值,粗略的判斷金屬的類(lèi)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(nèi)穩(wěn)壓電源組成 ,電路板內(nèi)采用三端穩(wěn)壓集成電路塊 LM7805 為板內(nèi)元件供電.LM7805 三端壓器具有內(nèi)部過(guò)流,過(guò)熱和輸出晶體管安全保護(hù)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,保證板內(nèi) 555 定時(shí)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(jī)工作原理描述在工作過(guò)程中，由 555 定時(shí)器構(gòu)成的多諧振蕩器產(chǎn)生一個(gè)頻率為 24KHz的脈沖信號(hào)，此脈沖信號(hào)經(jīng)過(guò)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(hào)輸入到探測(cè)線圈中，通電的線圈周?chē)蜁?huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，此時(shí)，固哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）24 定在線圈 L1 的霍爾元件 UGN3503U 就會(huì)感應(yīng)到線圈周?chē)拇艌?chǎng)，并將磁場(chǎng)強(qiáng)度信號(hào)線性地轉(zhuǎn)變成電壓信號(hào)。在無(wú)金屬的情況下,其霍爾輸出電壓為 ,該電壓信號(hào)是屬于 mv 級(jí), 經(jīng)0u0u過(guò)放大和峰值檢測(cè)之后,得到相應(yīng) 0-5V 的峰值輸出電壓 ,一滿足 ADC08090U的量程,經(jīng)過(guò) A/D 轉(zhuǎn)換之后,將 的數(shù)字量輸入到單片機(jī)中存儲(chǔ)起來(lái) ,作為電0U壓信號(hào)的基準(zhǔn)電壓,與以后采集到的電壓值進(jìn)行比較判斷.當(dāng)探測(cè)線圈 L;靠近金屬物體時(shí)，由于電磁感應(yīng)現(xiàn)象，會(huì)使探測(cè)電感值發(fā)生變化，從而使其周?chē)拇艌?chǎng)發(fā)生變化，霍爾元件感應(yīng)到該變化的磁場(chǎng)，并將其線性地轉(zhuǎn)變成電壓信號(hào) u 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 0-5V 的峰值輸出電壓 U，然后經(jīng) A/D 轉(zhuǎn)換后，輸入到 CPU，由CPU 完成 U 與基準(zhǔn)電壓 的比較，二者比較 得到一個(gè)差值，此差00?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 >△U，就確定為探測(cè)到金屬，CPU 輸出口 P3.0 輸出信號(hào)驅(qū)0?動(dòng)發(fā)光二極管發(fā)光報(bào)警和控制蜂鳴器發(fā)出聲響，進(jìn)行聲音報(bào)警,同時(shí)進(jìn)行數(shù)碼管顯示.下面是系統(tǒng)原理圖:哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）25 圖 3-14 系統(tǒng)原理圖四 系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)4．1 軟件設(shè)計(jì)思想軟件是本系統(tǒng)的靈魂，在設(shè)計(jì)軟件中，本文從系統(tǒng)的實(shí)用性、可靠性及方便靈活等幾個(gè)方面出發(fā)，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。軟件采用匯編語(yǔ)言編寫(xiě)，并采用模塊化設(shè)計(jì)，使程序結(jié)構(gòu)清晰，便于今后進(jìn)一步擴(kuò)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(kāi)放中斷。然后通過(guò)檢測(cè) RAM 中 30H 中數(shù)值的值來(lái)判斷是否采集基準(zhǔn)電壓 ，如果0U未采集過(guò) ，則啟動(dòng) ADC0809 對(duì) IN3 通道的模擬輸入量進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換。0U在電路設(shè)計(jì)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(wù)程序中完成的，從原理圖看出，ADC0809哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）26 的 EOC 端通過(guò)反相器接 AT89C51 的 INT 1 端，作為中斷申請(qǐng)。采用中斷方式，可大大節(jié)省 CPU 時(shí)間。軟件編程允許 AT89C51 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AT89C51 的 INT1 送入一個(gè)中斷申請(qǐng)信號(hào)，AT89C51 接此信號(hào)后響應(yīng)中斷請(qǐng)求，調(diào)用中斷服務(wù)子程序 INT1，中斷服務(wù)程序進(jìn)行壓棧，保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)，讀取來(lái)自 0809 數(shù)據(jù)輸出口的 8 位數(shù)字量，并將數(shù)字量?jī)?chǔ)存到單片機(jī) RAM 中，然后啟動(dòng) ADC0809 的下一次轉(zhuǎn)換。經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)軟件濾波之后將其存放在單片機(jī)RAM 30 H 中，作為基準(zhǔn)電壓 。0U經(jīng)反復(fù)實(shí)驗(yàn)測(cè)得的靈敏度△U 的值被存放在單片機(jī) RAM 地址為 20H 的存儲(chǔ)器中。在檢測(cè)過(guò)程中，將 A/D 轉(zhuǎn)換器采集到的電壓信號(hào)經(jīng)數(shù)據(jù)軟件濾波后存入內(nèi)部 RAM 以 31H 的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中，然后將此數(shù)據(jù) U 和基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，二者差值與靈敏度△U 進(jìn)行比較，以確定是否報(bào)警。04．2 數(shù)字濾波及算法說(shuō)明金屬探測(cè)器的噪聲抑制能力是金屬探測(cè)器的主要設(shè)計(jì)指標(biāo)。由于在采集電壓量時(shí)經(jīng)常會(huì)碰到各種瞬時(shí)干擾， ，而硬件濾波一方面是電路比較的復(fù)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(shè)計(jì)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(shí)間內(nèi)對(duì)它進(jìn)行 4 次采集，將它轉(zhuǎn)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(fù)雜的硬件，而且能夠取得好而精確的效果。在一個(gè)采樣周期內(nèi)，對(duì)信號(hào) X 的 N 次測(cè)量值進(jìn)行算術(shù)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(hào)平滑度越高，靈敏度就會(huì)降低，但是本設(shè)計(jì)中需要較高的靈敏度，所以 N 取值不易過(guò)大，又因?yàn)閰R編中運(yùn)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(lái)完成的，所以主要的判斷程序主要是在中斷服務(wù)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(chǔ)器，另一方面是完成響應(yīng)外部中斷 1 的中斷控制，主要是開(kāi)中斷等。完成初始化之后，主程序就等待中斷觸發(fā)信號(hào)，以響應(yīng)中斷服務(wù)子程序。哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）畢業(yè)設(shè)計(jì)（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(kāi)中斷SETB IT1 ;13MOV DPTR,#0FEF3H ；啟動(dòng) A/D 轉(zhuǎn)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(shù)平均值濾波等待轉(zhuǎn)換結(jié)束開(kāi)始置連續(xù)采樣數(shù)系統(tǒng)初始化，開(kāi)中斷采集 U0？選通道啟動(dòng) A/D連續(xù)采樣數(shù)？到？置數(shù)據(jù) U0 已采集標(biāo)志啟動(dòng) A/D等待轉(zhuǎn)換結(jié)束，讀取Ui連續(xù)采樣數(shù)到？算術(shù)平均值濾波保存 Ux 到數(shù)據(jù)緩沖區(qū)輸出報(bào)警信號(hào)N結(jié)束哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）28 圖 4-1 主程序流程圖4．4 子程序模塊的設(shè)計(jì)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(wù)子程序中是實(shí)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(bào)警子程序和數(shù)據(jù)數(shù)碼管顯示子程序等。下面是簡(jiǎn)單的介紹一些主要的子程序，具體的程序見(jiàn)附錄。4．4．1 中斷服務(wù)子程序INT1: PUSH DPL PUSH DPH MOV DPTR,#0FEF3H MOVX A,@DPTR MOV R5,A LCALL SHZLB ；調(diào)用數(shù)字濾波子程序 CJNE R7,#00H,NEXT LCALL PDXSH ；調(diào)用判斷顯示報(bào)警子程序MOV R1,#31H 兩者之差是否大于 Δu哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）畢業(yè)設(shè)計(jì)（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(kāi)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(xué)（威海）畢業(yè)設(shè)計(jì)（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(xué)（威海）畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）31 dav3: ret4．4．3 判斷顯示報(bào)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(bào)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(shù)指標(biāo)5．1 工作頻率金屬探測(cè)器的工作頻率為 24 KHz，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。頻率的選擇是通過(guò)選擇由 555 定時(shí)器組成的多諧振蕩器的如公式電阻和電容來(lái)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(shù)指標(biāo)。由公式(2-1)即:（1）探測(cè)線圈的尺寸對(duì)儀器的靈敏度有影響。探測(cè)器的靈敏度與探測(cè)線圈的尺寸大小有關(guān)，尺寸大即探測(cè)面積大，則線圈中心磁場(chǎng)強(qiáng)度低，在靠近線圈繞組附近磁場(chǎng)強(qiáng)度較高，霍爾元件固定在203/cosrmRIBNtx????（ ）哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）32 線圈中心，為了確保通過(guò)其磁通量，探測(cè)線圈的尺寸就不宜太大。（2） 當(dāng)檢測(cè)線圈尺寸一定時(shí)，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(cè)范圍，匝數(shù)應(yīng)該足夠大以滿足霍爾元件的要求，需通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)確定最佳匝數(shù)。綜合考慮這兩面的因素來(lái)確定探測(cè)線圈的尺寸和匝數(shù)等。5．3 穩(wěn)定性分析（1）金屬探測(cè)器的特性 包括探測(cè)磁場(chǎng)的強(qiáng)度，探測(cè)方法，工作頻率等（2）探測(cè)物的特性 包括測(cè)試物的質(zhì)量，大小，探測(cè)物的金屬種類(lèi)和合金成分和測(cè)試物進(jìn)入探測(cè)場(chǎng)的方向等。（3）有關(guān)測(cè)試者的因素 包括測(cè)試者的人體特性，測(cè)試者通過(guò)金屬探測(cè)器的速度，金屬在測(cè)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(shè)計(jì)和安裝過(guò)程中加以考慮，或者盡量避免這些因素影響，結(jié)論本論文以 MCS—51 系列單片機(jī)為核心，結(jié)合霍爾傳感器 UGN3503 設(shè)計(jì)了一種新的檢測(cè)金屬的探測(cè)器，較雙線圈原理的金屬探測(cè)器簡(jiǎn)單實(shí)用。 在查閱大量的相關(guān)資料的基礎(chǔ)上，按照設(shè)計(jì)要求及性能指標(biāo)完成了本設(shè)計(jì)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(zhuǎn)換為數(shù)字量，經(jīng)AT89C51 進(jìn)行濾波處理和判斷報(bào)警等同時(shí)將接收到的數(shù)字量經(jīng) LCD 數(shù)碼管進(jìn)行顯示，結(jié)合實(shí)驗(yàn)資料已粗略的檢測(cè)金屬的類(lèi)型。設(shè)計(jì)中的信號(hào)處理電路是比較通用的，適應(yīng)于多種傳感器輸出微弱的電壓信號(hào)的放大和峰值檢測(cè)。只是采用了軟件濾波的方法取代