DZ101基于单片机控制的金属探测器系统的设计
DZ101基于单片机控制的金属探测器系统的设计,dz101,基于,单片机,控制,节制,金属探测器,系统,设计
哈尔滨工业大学(威海)毕业设计(论文)I 摘要本文介绍的是基于单片机控制的金属探测器系统的设计过程和工作原理这个系统是以 AT89C51 单片机为核心,首先由 555 定时器构成多谐振荡器产生脉冲信号送入探测线圈以形成交变磁场,然后经过线性霍尔器件UGN3503 将磁场变化转换为电压信号的变化,经过放大电路和峰值检测电路,经数模转换之后输入到单片机中,由单片机对数据进行软件滤波之后,与基准值比较之后,判断是否存在金属和报警显示系统的软件部分采用汇编语言编写,其中采用了软件滤波替代常用的硬件滤波电路,提高系统的抗干扰的能力此外还对金属探测器的灵敏度和稳定性产生影响的因素进行探讨和分析本文首先在绪论中对课题的背景和意义作了简单介绍。在第二章论述系统设计的理论依据,传感器的相关的知识等总体设计过程第三章着重描述了系统硬件电路设计包括各个模块的设计和功能以及整机的工作原理和工程描述,在第四章中介绍了软件的总体设计和子程序的编写。最后在结论中简单介绍了主要的设计指标和设计的体会和本设计的优缺点。关键词: 单片机,A/D 转换,传感器,探测线圈哈尔滨工业大学(威海)毕业设计(论文)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哈尔滨工业大学(威海)毕业设计(论文)III 目录摘要 .错误!未定义书签。Abstract.II1. 绪论 .41.1 引言 .41.2 课题的背景和意义 .42. 系统的总体概述 .52.1 探 测 金 属 的 理 论 依 据 .52.2 系统中传感器 UGN3503 简介 .63. 系统硬件电路设计 .113.1 中央处理器 8051.113.2 硬件电路设计 .143.2.1 线圈振荡电路 .143.2.2 数据采集电路 .153.2.3 模数转换电路 .173.2.4 显示报警电路 .223.2.5 电源电路 .224. 系统软件的设计 .254.1 软件设计思想 .254.2 数字滤波算法说明 .254.3 系统主程 序的功 能 .264.4 子程序的模块设计 .285. 主要技术指标.315.1 工作频率31 5.2 灵敏度分析315.3 稳定性分析结 论 .32致 谢 .33参考文献 .34哈尔滨工业大学(威海)毕业设计(论文)IV 1.绪论1.1 引言随着电子技术的进步,金属探测器从电子管,晶体管乃至集成电路,有了更新换代的发展,其应用敢为几乎扩大到各个领域,对工业生产和人身安全起着重要的作用。目前,随着科学技术的不断发展,犯罪分子和恐怖分子也利用高新技术制造新式的武器,爆炸物等。各个 国家也对安检阅越来越重视。金属探测仪作为重要的安全检查设备,已被广泛的应用与社会的生产和生活的诸多领域,如大型的运动会,展览会,工业部门等。都用金属探测器来对过往的人员进行安检,以排查行李和包裹检查是否携带刀具,枪支,弹药等伤害性违禁金属物品;工业部门也使用金属探测器对工作人员检查,以防止贵重金属的丢失。12 课题的背景和意义目前,国外虽然已经有较为完善的系列产品,但价格及其昂贵国内传统的金属探测器利用模拟电路进行检测和控制的,其电路复杂,灵敏度低,且易受外界影响如温度,湿度,电焊等因素的影响。本设计本着设计简单,致力于提高其灵敏度和可靠性,采用灵敏度高的霍尔元件作为传感器,感应由于金属出现引起的周围的磁场的变化,控制部件采用 AT89C51 作为监测和控制的核心,对结果进行分析和判断有效的保证了检测原理的实施,提高了检测精度,采用软件滤波的方法代替易受外界影响的模拟电路滤波提高了系统的可靠性和抗干扰的能力,作为手携式金属探测器,可以应用于海关,机场,车站,码头等的安全检查,也适用于探测隐藏于墙内,护板,土壤中上述物品等金属的探测和检查。哈尔滨工业大学(威海)毕业设计(论文)5 2.系统的总体21 探测金属的理论依据(1)根据电磁感应的原理 当有金属靠近被置于变化的磁场中时,金属导体内就会产生自行闭合的感应电流,这就是金属的涡流效应。涡流要产生附加的磁场,与外界的磁场的方向相反,削弱外磁场的变化。以将一通有正弦的信号接入空心线圈上,流过线圈的电流就会在周围产生交变磁场,当有金属靠近线圈时,金属就会产生涡流磁场的去磁作用会削弱线圈磁场的变化,金属的电导率越大,交变电流的频率越大,则涡电流的强度就大,对原磁场的抑制作用就越强。图 1-1同时根据毕奥-萨伐尔定律,当有金属靠近通电线圈时,将使通电线圈的周围的磁场发生变化,当通入交变电流正弦信号时,其中的磁应强度是(1-1)由公式知,当线圈有效探测范围内,非金属的相对磁导率近似为 1,线圈中心的磁感应强度保持不变,当线圈有效探测范围内出现铁磁性金属时,相对磁导率就会变大,磁感应强度就会变大。(2)涡流效应: 根据电磁场理论,当金属物体置于变化的磁场中金属203/cosrmRIBNtx( )哈尔滨工业大学(威海)毕业设计(论文)6 到体内就会产生自行闭合的感应电流,这就是金属的涡流效应。涡流要产成附加的磁场,与外磁场方向相反,削弱外磁场的变化。因此,当金属靠近通有交变电流的探测线圈的时,金属产生的涡流磁场的去磁作用就会削弱线圈磁场的变化。金属的电导率越大,交变电流的频率越大,则涡电流强度越大,对原磁场的抑制作用就越强。综合分析,当有金属物体靠近探测线圈平面附近时,无论是介质磁导率的变化,还是金属的涡流效应都能引起磁感应强度的变化。对于铁磁性金属由于相对磁导率近似为 1,故认为是主要产生涡流效应,其磁效应忽略不计;而铁磁性金属既要产生涡流效应,同时其相对磁导率又较大,据实验知,磁效应为主要因素,故认为是导致原磁感应强度变小。22 传感器 UGN3503 简介根据以上的原理,选用线性的霍尔元件 UGN3503 作为检测磁场变化的器件。UGN3503 是根据霍尔效应测量磁场的磁感应强度的原理制作。下面介绍通过霍尔效应测量磁场 。霍尔效应装置如图所示。将一个半导体薄片放在垂直于它的磁场中(B 的方向沿 z 轴方向 ),当沿 y 方向的电极 A、A 上施加电流 I 时,薄片内定向移动的载流子(设平均速率为 u)受到洛伦兹力 FB 的作用,图 2-1 图 2-2FB = q u B (2-1)哈尔滨工业大学(威海)毕业设计(论文)7 无论载流子是负电荷还是正电荷,FB 的方向均沿着 x 方向,在磁力的作用下,载流子发生偏移,产生电荷积累,从而在薄片 B、B两侧产生一个电位差 VBB,形成一个电场 E。电场使载流子又受到一个与 FB 方向相反的电场力 FE,FEq E = q VBB / b (2-2)其中 b 为薄片宽度,FE 随着电荷累积而增大,当达到稳定状态时FEFB,即q uB = q VBB / b (2-3)这时在 B、B两侧建立的电场称为霍尔电场,相应的电压称为霍尔电压,电极 B、B称为霍尔电极。另一方面,射载流子浓度为 n,薄片厚度为 d,则电流强度 I 与 u 的关系为: (2-4)Ibdnqu由(2-3)和(2-4)可得到 (2-5)1BV令,则 (2-6)1RnqBIRd其中 R 称为霍尔系数,它体现了材料的霍尔效应大小。在应用中,(2-6)常以如下形式出现: 1HRKdnq式中 称为霍尔元件灵敏度,I 称为控制电流。1HRKdnq哈尔滨工业大学(威海)毕业设计(论文)8 由式(2-7)可见,若 I、K H 已知,只要测出霍尔电压 VBB,即可算出磁场的大小;并且若知载流子类型(n 型半导体多数载流子为电子,P 型半导体多数载流子为空穴),则由 VBB的正负可测出磁场方向,反之,若已知磁场方向,则可判断载流子类型。任何引起磁感应强度变化的物理量都将引起霍尔输出电压的变化。据此将霍尔元件做成各种形式的探头固定在工作系统的适当的位置,来检测磁场的变化,根据霍尔输出电压的变化提取检测信息。这就是霍尔元件的工作原理。线性霍尔传感器 UGN3503 主要功能是将检测到的磁感应强度信号线性的转换为电压信号。它的功能框图和输出特性如下图所示:图 2-3 UGN3503 功能框图哈尔滨工业大学(威海)毕业设计(论文)9 图 2-4 UGN3503 的输出特性图霍尔元件 UGN3503 就是将霍尔元件,高增益线性差分放大器和射极跟随器集成在同一块半导体基片上,为用户提供了一个由外电源驱动的,使用方便的磁敏传感器。其输出电压与其感应的磁感应强度成正比。它的灵敏度典型值为 ,静态输出电压为 2.5V,输出电阻为13.5/mVT, 封装,具有灵敏度高,线性度好,结构牢固,体积小,0.5k inSIP重量轻,乃震动,功耗小,寿命长,频率高,输出噪声低等优点。用它作探头可以测量 的交变磁场和恒定磁场。在测量磁场时,将610T元件的第一脚(面对标志面从左到右数)接电源(工作电压 5V),第二脚接地,第三脚接高输入阻抗( )电压表,通电后,将电路放入10k被测磁场中,因霍尔器件只对垂直于霍尔片的表面的磁感应强度敏感,因而必须令磁力线和器件表面垂直,通电后即可由输出电压得到被测磁场的磁感应强度。若不垂直,则应求出其垂直分量来计算被测磁场的磁感应强度值。当没有磁场时,静态输出的电压是电源电压的一半,当外加磁场的南极靠近器件的表面时,会使输出电压高于静态输出电压,但仍然是正值,利用线性霍尔传感器 UGN3503 的上述特性,将其接在数据哈尔滨工业大学(威海)毕业设计(论文)10 采集电路的前端,即可感应到探测线圈的磁场的变化,并将磁场的变化信号转换为电压信号的变化而被后级和放大。下面是 UGN3503 的安装示意图:图 2-5 UGN3503 安装示意图 表 2-1 线性传感器 UGN3503 的特性参数表哈尔滨工业大学(威海)毕业设计(论文)11 三 系统硬件电路的设计31 中央处理器 8051系统采用单片机 AT89C51 作为信号的处理和控制单元,模数转换完成信号作为外部中断信号,单片机响应后对信号进行相应的处理。下面简单的介绍单片机 AT89C51 的结构和组成原理。8051 单片机的管脚图如下所示,图 3-1 8051 单片机的管脚图40 只引脚按其功能来分,可分为 3 类:(1)电源及时钟引脚:Vcc、Vss ;XTAL1 、XTAL2 。1.1、Vcc(40 引脚)接+5V 电源、Vss(20 引脚)接地。1.2、个时钟引脚 XTAL1、XTAL2 外接晶体与片内的反相放大器构成了 1个振荡器,它为单片机提供了时钟控制信号。2 个时钟引脚也可外接独立的晶体振荡器。如果采用外接晶体振荡器时,XTAL1(19 引脚)引脚应接地,XTAL2(18 引脚)接收时钟振荡器的信号,即把此信号直接接到内部时钟发生器的输入端。哈尔滨工业大学(威海)毕业设计(论文)12 (2)控制引脚:/PSEN/、ALE、/EA/、RESERT。2.1、/PSEN/(29 引脚):程序存储器允许输出控制端。在单片机访问外部程序存储器时,此引脚输出脉冲负跳沿作为读外部程序存储器的选通信号。此引脚接外部程序存储器的/OE/(输出允许)端。/PSEN/端可以驱动 8 位 LS型 TTL 负载。2.2、ALE、 /PROG/(30 引脚):ALE 引脚输出为地址锁存允许信号,当单片机上电正常工作后,ALE 引脚不断输出正脉冲信号。当单片机访问外部存储器时,ALE 输出信号的负跳沿用于单片机发出的低 8 位地址经外部锁存的锁存控制信号。即使不访问外部锁存器,ALE 端仍有正脉冲信号输出,此频率为时钟振荡器频率 f.osc 的 1/6。/PROG/为本引脚的第二功能。在对片内EPROM 型单片机编程写入时,此引脚作为编程脉冲输入端。2.3、/EA/、Vpp(31 引脚):/EA/功能为内部程序存储器选择端。当/EA/引脚为高电平时,单片机访问内部程序存储器,但在 PC(程序计数器)值超过 0FFFH(对于 8051、8751)时,即超过片内程序存储器的4KB 地址范围时,将自动转向执行外部程序存储器内的程序。当/EA/引脚为低电平时,单片机则只访问外部程序存储器,不论是否有内部程序存储器。对于 8031 来说,因其无内部程序存储器。所以该引脚必须接地,这样只能选择外部程序存储器。Vpp 为本引脚的第二功能2.4、RST、 Vpd(9 引脚): RST(RESET)复位信号输入端,高电平有效。当单片机运行时,在此引脚加上持续时间大于 2 个机器周期(24 个时钟振荡周期)的高电平时,就可以完成复位操作。在单片机正常工作时,此引脚应为小于等于 0.5V 低电压。Vpd 为本引脚的第二功能,即备用电源的输入端。当主电源 Vcc 发生故障,降低到某一规定的低电压时,将+5V 电源自动接入 RST 端,为内部 RAM 提供备用电源,以保证片内 RAM 中的信息不丢失,从而使单片机在复位后能继续正常运行。 (3)I/O 口引脚:P0、P1、P2 、P3,为 4 个 8 位 I/O 口的外部引脚。3.1、P0 口:双向 8 位三态 I/O 口。此口为地址总线(低 8 位)及数据总线分时复用口,可驱动 8 个 LS 型 TTL 负载。3.2、P1 口: 8 位准双向 I/O 口,可驱动 4 个 LS 型 TTL 负载。3.3、P2 口: 8 位准双向 I/O 口,与地址总线(高 8 位)复用,可驱动 4个 LS 型 TTL 负载。3.4、P3 口: 8 位准双向 I/O 口,双功能复用口,可驱动 4 个 LS 型 TTL 负载。这里要特别注意准双向口与双向三态口的差别:P1 口、P2 口、P3 口是 3 个 8 位准双向的 I/O 口,各口线在片内均有固定 哈尔滨工业大学(威海)毕业设计(论文)13 上拉电阻。当这 3 个准双向 I/O 口作输入口使用时,要向该口先写 1,另外准双向 I/O 口无高阻的“浮空”状态。而双向口 P0 口线内无固定上拉电阻,由两个 MOS 管串联,既可开漏输出,又可处于高阻的“浮空” 状态,故称为双向三态 I/O 口。图 3-2 8051 单片机的片内结构图哈尔滨工业大学(威海)毕业设计(论文)14 32 硬件电路的设计如图所示,整个系统以 8 位的单片机 AT89C51 作为控制的核心,其硬件电路分为两个部分,一部分为线圈振荡电路,包括:多谐振荡器,放大电路和探测线圈;另一部分为控制电路,包括:数据采集电路,模数转换器,单片机 AT89C51,显示电路,声音报警和电源电路等。系统结构块图如下:放大电路多谐振荡器霍尔元件放大峰值检波A/D CPU电源报警显示电路探测线圈图 3-3 系统硬件结构块图321 线圈振荡电路工作过程中,由 555 定时器构成一个多谐振荡器,产生一频率为24KHz、占空比为 2/3 的脉冲信号。振荡器的频率计算公式为:(3-1)1212()fRCLn图示参数对应的频率为 24 KHz,选择 24KHz 的超长波频率是为了减弱土壤对电磁波的影响。从多谐振荡器输出的正脉冲信号经过电容 C10 输入到 的1Q基极(Q 为 125 的 9013H ).使其导通,经 放大之后,就形成了频率稳1Q哈尔滨工业大学(威海)毕业设计(论文)15 定度高、功率较大的脉冲信号输入到探测线圈 L1 中,在线圈内产生瞬间较强的电流,从而使线圈周围产生恒定的交变磁场。由于在脉冲信号作用下,处于开关工作状态,而导通时间又非常短,所以非常省电,可以利用 9V1Q电池供电。图 3-4 线圈振荡电路原理图322 数据采集电路数据采集电路主要的功能是:利用霍尔传感器感应探测线圈的磁感应强度并将起转换为相应的电压信号,经放大和峰值检测之后,形成能 ADC0809哈尔滨工业大学(威海)毕业设计(论文)16 要求的 0-5V 的电压信号输入模数转换器中。具体的原理图如下:图 3-5 数据采集电路原理图数据采集电路包括霍尔传感器 UGN3503,放大电路和峰值检测电路三部分组成。由于霍尔传感器 UGN3503 采集到的信号到的电压信号是一个毫伏级的信号,信号强度十分微弱,所以,在对其进行处理之前,首先要进行放大,之后经过峰值检测电路将信号转换为模数转换器所要求的输入电压的变换范围(0-5 伏) 。信号放大电路采用输入阻抗高,漂移小,共模抑制比高的集成运算放大器 LM324。LM324 是四运放集成电路,LM324 四运放电路具有电源电压范围宽,静态功耗小,可单电源使用,价格低廉等优点,因此被广泛应用在各种电路中。它采用 14 脚双列直插塑料封装,外形如图所示。它的内部包含四组形式完全相同的运算放大器,外形和管脚排列如下图所示图图图 录 放机撒 图 3-6LM324 外形图 图 3-7LM324 管脚排列图 如图 3-5 所示,UGN3503 线性霍尔元件输出的微弱信号经电容耦合到前级运算放大器 U10A(1)的同相输入端,运算放大器 U10A(1)把霍尔哈尔滨工业大学(威海)毕业设计(论文)17 元件感应到的电压转换为对地电压。在电路设计中,运放 LM324 采用+5V单电源供电,对于不同强度的信号均可通过调节前级放大电路的反馈电位器W1 来改变其放大倍数。经前级运算放大器放大的信号经祸合电容 C2 输入到后级峰值检测电路中。采用阻容祸合的方法可以使前后级电路的静态工作点保持独立,隔离各级静态之间的相互影响,使得电路总温漂不会太大。峰值检测电路由两级运算放大器组成,第一级运放 U10A(2)将输入信号的峰值传递到电容 C5 上,并保持下来。第二级运放 U10A(3)组成缓冲放大器,将输出与电容隔离开来。在设计中,为了获得优良的保持性能和传输性能,同样采用了输入阻抗高、响应速度较快、跟随精度较好的运算放大器 LM324,这样可有效地利用 LM324 的资源,减少使用元器件的数量,降低了成本。当输入电压 上升时, 跟随上升,使二极管 D3, D6 导通,D42iV2o截止,运放 U10A(2)工作在深度负反馈状态,给电容 C5 充电,代上升。当输入电压 下降时, 跟随下降,D4 导通,U10A(2)也工作在深度负反i 2O馈状态,深负反馈保证了二极管 D3 , D6 可靠截止, 值得以保持。当cV再次上升使 上升并使 D3, D6 导通,D4 截止,再次对电容 C5 充电2iV2O( 高于前次充电时电压), 下降时,D3, D6 又截止,D4 导通, 将峰值c 2iVc再次保持。输出 反映代的大小,通过峰值检波和后级缓冲放大电路,将采O集到的微弱电压信号放大至 0V-5V 的直流电平,以满足 A/D 转换器 ADC0809所要求的输入电压变换范围,然后通过 A/D 转换电路将检测到的峰值转化成数字量。323 模数转换电路设计中,将数据采集电路得到电压信号为模拟信号,这就需要模数转换器将模拟信号转换为单片机能够是别的数字信号,输入到单片集中进行处理。这里采用 ADC0809 完成数模转换的工作。下面是芯片的简单介绍:1、ADC0809 引脚及功能ADC0809 芯片 CMOS、八位、八通道、逐次比较型 AD 转换器。其与单片机结合完成了模拟量到数字量的转化和读取。其引脚如图所示:哈尔滨工业大学(威海)毕业设计(论文)18 图 3-8 ADC0809 的引脚图由引脚图可见,ADC0809 共有 28 脚,采用双列直插式封装,其主要引脚功能如下:(1)IN0-IN7 为 8 路输入通道的模拟量输入端口。(2)D0-D7 是 8 位数字量输出端。(3)A、B、C 与 ALE 控制 8 路模拟通道的切换,A 、B 、C 分别与 3 根地址线或数据线相连,3 位编码对应 8 个通道地址端口。C、B、A=000111分别对应 IN0IN7 通道的地址。其对应关系如表 31 所示。这里要强调的是:ADC0809 虽然有 8 路模拟通道可以同时输入 8 路模拟信号,但每个瞬间只能转换 1 路,各路之间的切换由软件改变 C、B、A 引脚上的代码来实现。选中模拟输入通道 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 路地址与模拟通道对应关系哈尔滨工业大学(威海)毕业设计(论文)19 (4)OE 、START、CLK 为控制信号端,OE 为输出允许端,START 为启动信号输入端,CLK 为时钟信号输入端。(5)REF( +)和 REF(-)为参考电压输入端。Vcc 为主电源输入端,GND 为接地端。一般 REF(+)与 Vcc 连接在一起, REF(-)与 GND 连接在一起。2、ADC0809 结构及转换原理ADC0809 的结构框图如图下图所示。ADC0809 是采用逐次比较的方法完成 AD 转换的,由单一的+5V 电源供电。片内带有锁存功能的 8 路选 1 的模拟开关,由 C、B 、A 引脚的编码来决定所选的通道。0809 完成一次转换需 100us 左右,输出具有 TTL 三态锁存缓冲器,可直接连到 MCS51 的数据总线上。通过适当的外接电路,0809 可对 05V 的模拟量进行转换。图 3-9 ADC0809 内部结构框图3、MCS51 与 ADC0809 的接口单片机控制 ADC0809 的工作过程如下:首先用指令选择 0809 的一个模拟输入通道,当执行 MOVX DPTR,A 时,单片机的 /W/R 信号有效,从而产生一个启动信号,给 0809的 START 引脚送入脉冲,开始对选中通道进行转换。当转换结束后,0809发出转换结束 EOC(高电平)信号,该信号可供单片机查询,也可反相后作为向单片机发出的中断请求信号;当执行指令:MOVX A,DPTR,单片机发出读控制/R/D 信号,OE 端有高电平,且把经过 0809 转换完毕的数字量读到 A 累加器中。哈尔滨工业大学(威海)毕业设计(论文)20 由上述可见,用单片机控制 ADC 之后,可采用查询和中断控制两种方式。查询方式是在单片机把启动信号送到 ADC 之后,执行别的程序,同时对 0809 的 EOC 引脚的状态进行查询,以检查 ADC 变换是否已经结束,如查询到变换已经结束,则读入转换完毕的数据。中断控制方式是在启动信号送到 ADC 之后,单片机执行别的程序。0809 转换结束并向单片机发出中断请求信号时,单片机响应此中断请求,进入中断服务程序,读入转换数据。中断控制方式效率高,所以适合于变换时间较长的 ADC如果对转换速度要求高,采用上述 ADC 控制方式往往不能满足要求,可采用 DNA(直接存储器存取)的方法,这时可在 ADC 与单片机之间插入一个 DMA 接口(例如 Intel 公司的 8237DMA 控制器) 。传输一开始,A/D转换的数据就可以从输出寄存器经过 DMA 中的数据寄存器直接传输到住存储器,因而不受程序的限制。本设计中采用的是中断方式将信号送入单片机种的,选中模拟通道 3,将 EOC(高电平)信号的引脚接到单片机的外部中断 1 信号的引脚,作为中断信号,由单片机 AT89C51 的写信号 和 P2.7 控制 ADC0809 的地址锁存WRALE 和转换启动 START,当 ADC0809 的 START 启动信号输入端为高电平时,A/D 开始转换,在时钟的控制下,一位一位的逼近,比较器一次次进行比较,转换结束后送出转换结束信号 EOC(由低到高) ,并将 8 位数字量锁存到输出缓存器中,单片机的读信号 端发出输出允许信号输入到 ADC0809 的RDOE 端, OE 端呈高电位,用以打开三态输出锁存器,单片机从 ADC0809 读取相应的数字信号电压量,然后存入数据缓冲器中。这里利用 AT89C51 提供的地址锁存允许信号 ALE 经计数器 74LS163(构成的 4 分频器分频获得。ALE 引脚的频率是单片机时钟频率的 ,单片机时钟频率为 12MHz,则1/6ALE 引脚频率约为 2MHz 再经 4 分频后为 500 kHz,所以 ADC0809 能可靠工作. 74LS163 是 4 位二进制同步计数器,它具有同步清零、同步置数的功能。74LS163 的外引线排列图,时序波形图和功能表如下:哈尔滨工业大学(威海)毕业设计(论文)21 图 3-10 74LS163 的引线排列图图 3-11 74LS163 的时序波形图表 3-1 74LS163 的功能哈尔滨工业大学(威海)毕业设计(论文)22 :哈尔滨工业大学(威海)毕业设计(论文)23 图 3-12 ADC0809 与 AT89C51 连接的原理图 3.2.4 报警显示电路、经模数转换输入到单片机的电压信号,由单片机 AT89C51 处理之后进行判断,一旦有金属出现,则被测物理量超限由单片机的 I/O 口的 P3.0 置低电平控制发光二极管和无源蜂鸣器声音进行声光报警,同时由 P3.2,P3.4 控制的数码管显示相应的输入值,粗略的判断金属的类型.3.2.5 电源电路电源电路图如下,电源供电由 9V 电池和板内稳压电源组成 ,电路板内采用三端稳压集成电路块 LM7805 为板内元件供电.LM7805 三端压器具有内部过流,过热和输出晶体管安全保护功能,可将 9VDC 的输入电压转换为 5V 电压,最大输出电流 0.5A,保证板内 555 定时器,UGN3503,ADC0809 等芯片和元件可靠的工作.图 3-13 电源电路原理图整机工作原理描述在工作过程中,由 555 定时器构成的多谐振荡器产生一个频率为 24KHz的脉冲信号,此脉冲信号经过缓冲和放大之后,形成频率稳定度高、功率较大的脉冲信号输入到探测线圈中,通电的线圈周围就会产生磁场,此时,固哈尔滨工业大学(威海)毕业设计(论文)24 定在线圈 L1 的霍尔元件 UGN3503U 就会感应到线圈周围的磁场,并将磁场强度信号线性地转变成电压信号。在无金属的情况下,其霍尔输出电压为 ,该电压信号是属于 mv 级, 经0u0u过放大和峰值检测之后,得到相应 0-5V 的峰值输出电压 ,一满足 ADC08090U的量程,经过 A/D 转换之后,将 的数字量输入到单片机中存储起来 ,作为电0U压信号的基准电压,与以后采集到的电压值进行比较判断.当探测线圈 L;靠近金属物体时,由于电磁感应现象,会使探测电感值发生变化,从而使其周围的磁场发生变化,霍尔元件感应到该变化的磁场,并将其线性地转变成电压信号 u 该变化的电压经放大电路、峰值检波电路后,得到相应的 0-5V 的峰值输出电压 U,然后经 A/D 转换后,输入到 CPU,由CPU 完成 U 与基准电压 的比较,二者比较 得到一个差值,此差00值与预设的灵敏度U 再作比较。当然,U 大小的设定决定着系统精度的高低。若 U,就确定为探测到金属,CPU 输出口 P3.0 输出信号驱0动发光二极管发光报警和控制蜂鸣器发出声响,进行声音报警,同时进行数码管显示.下面是系统原理图:哈尔滨工业大学(威海)毕业设计(论文)25 图 3-14 系统原理图四 系统软件的设计41 软件设计思想软件是本系统的灵魂,在设计软件中,本文从系统的实用性、可靠性及方便灵活等几个方面出发,使程序满足设计的功能要求。整个系统的软件包括主程序、一个外部中断服务程序、数字滤波程序、比较判断子程序及发光报警等若干个子程序。软件采用汇编语言编写,并采用模块化设计,使程序结构清晰,便于今后进一步扩展系统的功能。主程序初始化以后置位 AT89C51 的中断控制位 EA,使 CPU 开放中断。然后通过检测 RAM 中 30H 中数值的值来判断是否采集基准电压 ,如果0U未采集过 ,则启动 ADC0809 对 IN3 通道的模拟输入量进行 A/D 转换。0U在电路设计中,ADC0809 与 AT89C51 是采用中断方式连接的,所以系统的数据采集处理功能是在中断服务程序中完成的,从原理图看出,ADC0809哈尔滨工业大学(威海)毕业设计(论文)26 的 EOC 端通过反相器接 AT89C51 的 INT 1 端,作为中断申请。采用中断方式,可大大节省 CPU 时间。软件编程允许 AT89C51 响应外部中断 1,且设置其响应方式为边沿触发。当 A/D 转换完毕后,ADC0809 的 EOC 端向AT89C51 的 INT1 送入一个中断申请信号,AT89C51 接此信号后响应中断请求,调用中断服务子程序 INT1,中断服务程序进行压栈,保护现场,读取来自 0809 数据输出口的 8 位数字量,并将数字量储存到单片机 RAM 中,然后启动 ADC0809 的下一次转换。经过数据软件滤波之后将其存放在单片机RAM 30 H 中,作为基准电压 。0U经反复实验测得的灵敏度U 的值被存放在单片机 RAM 地址为 20H 的存储器中。在检测过程中,将 A/D 转换器采集到的电压信号经数据软件滤波后存入内部 RAM 以 31H 的数据存储器中,然后将此数据 U 和基准电压进行比较,二者差值与灵敏度U 进行比较,以确定是否报警。042 数字滤波及算法说明金属探测器的噪声抑制能力是金属探测器的主要设计指标。由于在采集电压量时经常会碰到各种瞬时干扰, ,而硬件滤波一方面是电路比较的复杂,另一方面是电子元器件受外界环境的影响比较的大,可靠性低。因此本设计中采用算术平均滤波法,即在一次电压量的采集中,在很短的时间内对它进行 4 次采集,将它转换为数字量后求和,分析出 4 次输入中的最大值和最小值,然后减去最大值和最小值,除以 2 得到平均值的方法,完成一次数据采集的软件滤波。用软件代替硬件,从而省去了复杂的硬件,而且能够取得好而精确的效果。在一个采样周期内,对信号 X 的 N 次测量值进行算术平均,作为刻 K 的输出 x(k),即 (4-1)1x(k)=Niix其中 N 为采样次数,x,为第 i 次的采样值。显然 N 越大,信号平滑度越高,灵敏度就会降低,但是本设计中需要较高的灵敏度,所以 N 取值不易过大,又因为汇编中运算比较麻烦,综合考虑取 N=4。43 系统主程序的功能由于本系统中采集数据是利用中断来完成的,所以主要的判断程序主要是在中断服务子程序中完成,而主程序主要是完成初始化功能,一方面是清零将要使用的数据存储器,另一方面是完成响应外部中断 1 的中断控制,主要是开中断等。完成初始化之后,主程序就等待中断触发信号,以响应中断服务子程序。哈尔滨工业大学(威海)毕业设计(论文)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;开中断SETB IT1 ;13MOV DPTR,#0FEF3H ;启动 A/D 转换MOV A,#00H MOVX DPTR,A 主程序的流程图如图:YYNN保存 U0 到 21H 中算术平均值滤波等待转换结束开始置连续采样数系统初始化,开中断采集 U0?选通道启动 A/D连续采样数?到?置数据 U0 已采集标志启动 A/D等待转换结束,读取Ui连续采样数到?算术平均值滤波保存 Ux 到数据缓冲区输出报警信号N结束哈尔滨工业大学(威海)毕业设计(论文)28 图 4-1 主程序流程图44 子程序模块的设计本系统的软件部分,除了初始化之外,主要的功能是在中断服务子程序中是实现的,主要的功能有数据采集,数字滤波子程序,判断子程序,声光报警子程序和数据数码管显示子程序等。下面是简单的介绍一些主要的子程序,具体的程序见附录。441 中断服务子程序INT1: PUSH DPL PUSH DPH MOV DPTR,#0FEF3H MOVX A,DPTR MOV R5,A LCALL SHZLB ;调用数字滤波子程序 CJNE R7,#00H,NEXT LCALL PDXSH ;调用判断显示报警子程序MOV R1,#31H 两者之差是否大于 u哈尔滨工业大学(威海)毕业设计(论文)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;再次开中断SETB IT1 MOV DPTR,#0FEF3HMOV A,#00HMOVX DPTR,APOP DPH POP DPL ;,.RETI 442 数字滤波子程序模块数字滤波子程序主要是将四次采集到的数字量判断其最大值和最小值,然后在四次相加和中减去最大值和最小值,再去平均值后存入 30H 或者 31H单元中。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哈尔滨工业大学(威海)毕业设计(论文)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哈尔滨工业大学(威海)毕业设计(论文)31 dav3: ret443 判断显示报警子程序PDXSH: CLR C MOV A,31H SUBB A,30Hjz next1JNC NEXT2CPL AINC ANEXT2: CLR C SUBB A,20H JC NEXT3LCALL XSH;报警子程序NEXT1:LCALL DISPLAY;显示子程序NEXT3:CLR P3.1 CLR P3.4RET五 主要的技术指标51 工作频率金属探测器的工作频率为 24 KHz,选择 24KHz 的超长波频率是为了减弱土壤对电磁波的影响。频率的选择是通过选择由 555 定时器组成的多谐振荡器的如公式电阻和电容来完成的。52.灵敏度分析灵敏度和稳定性是仪器的主要技术指标。由公式(2-1)即:(1)探测线圈的尺寸对仪器的灵敏度有影响。探测器的灵敏度与探测线圈的尺寸大小有关,尺寸大即探测面积大,则线圈中心磁场强度低,在靠近线圈绕组附近磁场强度较高,霍尔元件固定在203/cosrmRIBNtx( )哈尔滨工业大学(威海)毕业设计(论文)32 线圈中心,为了确保通过其磁通量,探测线圈的尺寸就不宜太大。(2) 当检测线圈尺寸一定时,则匝数越少其灵敏度越高。但需要考虑到霍尔元件本身的检测范围,匝数应该足够大以满足霍尔元件的要求,需通过实验来确定最佳匝数。综合考虑这两面的因素来确定探测线圈的尺寸和匝数等。53 稳定性分析(1)金属探测器的特性 包括探测磁场的强度,探测方法,工作频率等(2)探测物的特性 包括测试物的质量,大小,探测物的金属种类和合金成分和测试物进入探测场的方向等。(3)有关测试者的因素 包括测试者的人体特性,测试者通过金属探测器的速度,金属在测试者身上的位置等。(4) 使用环境 包括光磁和其他的干扰,附近的金属物品等这些因素都要在设计和安装过程中加以考虑,或者尽量避免这些因素影响,结论本论文以 MCS51 系列单片机为核心,结合霍尔传感器 UGN3503 设计了一种新的检测金属的探测器,较双线圈原理的金属探测器简单实用。 在查阅大量的相关资料的基础上,按照设计要求及性能指标完成了本设计的理论部分。该数据采集系统是将传感器采集的模拟量转换为数字量,经AT89C51 进行滤波处理和判断报警等同时将接收到的数字量经 LCD 数码管进行显示,结合实验资料已粗略的检测金属的类型。设计中的信号处理电路是比较通用的,适应于多种传感器输出微弱的电压信号的放大和峰值检测。只是采用了软件滤波的方法取代
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