北京大学张志卿智能型金属探测器的设计剖析.docx
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北京大学张志卿智能型金属探测器的设计剖析
北京大学
毕业设计（论文）
题目智能型金属探测器的设计
系（分院）机电工程系
学生姓名张志卿
学号1310101163
专业名称机电一体化技术
指导教师胡寿松
2015年11月12日
河南职业技术学院机电工程系（分院）
毕业设计（论文）任务书
姓名
张志卿
专业
机电一体化技术
班级
机电131
毕业设计（论文）
题目
智能型金属探测器的设计
毕业设计（论文）选题的目的与意义
金属探测器作为一种最重要的安全检查设备，己被广泛地应用于社会生活和工业生产的诸多领域。
比如在机场、大型运动会（如奥运会）、展览会等都用金属探测器来对过往人员进行安全检测，以排查行李、包裹及人体夹带的刀具、枪支、弹药等伤害性违禁金属物品;工业部门（包括手表、眼镜、金银首饰、电子等生产含有金属产品的工厂）也使用金属探测器对出入人员进行检测，以防止贵重金属材料的丢失;目前，就连考试也开始启用金属探测器来防止考生利用手机等工具进行作弊。
毕业设计（论文）的资料收集情况（含指定参考资料）
李小强,屈芳升,单片机实用技术,河南科学技术出版社2014
房小翠,王金凤,单片机实用系统设计技术,国防工业出版社2002
毕业设计（论文）工作进度计划
2015年10月15号接受《毕业论文任务书》，根据要求在图书馆和网上查阅和和搜集相关资料；
2015年10月16号至2015年10月28号整理收集到的资料，写初稿；
2015年10月29号至2015年11月20号交初稿，并在老师的指导下修改和完善初稿；
2015年11月21号至2015年11月25号进一步完善后，交定稿。
接受任务日期2015年10月15日
要求完成日期2015年11月25日
学生签名：
年月日
指导教师签名：
年月日
系（分院）
主任（院长）签名：
年月日
毕业设计（论文）指导教师评阅意见表
姓名
张志卿
学号
1310101163
性别
男
专业
机电一体化技术
班级
机电131
毕业设计（论文）
题目
智能型金属探测器的设计
评
阅
意
见
成绩
指导教师签字
年月日
毕业设计（论文）答辩意见表
姓名
张志卿
学号
1310101163
性别
男
专业
机电一体化技术
班级
机电131
毕业设计（论文）
题目
智能型金属探测器的设计
答辩时间
地点
答辩
小组
成员
姓名
职称
学历
从事专业
组长
成员
秘书
答
辩
小
组
意
见
答辩成绩：
答辩小组组长签名：
年月日
基于单片机的智能型金属探测器的设计
摘要：
本文介绍了一种基于AT89S52单片机控制的智能型金属探测器重点研究了它的硬件组成、软件设计、工作原理及主要功能。
该金属探测器以AT89S52单片机为核心，采用线性霍尔元件UGN3503作为传感器，来感应金属涡流效应引起的通电线圈磁场的变化，并将磁场变化转化为电压的变化，单片机测得电压值，并与设定的电压基准值相比较后，决定是否探测到金属。
系统软件采用汇编语言编写。
在软件设计中，采用了数字滤波技术消除干扰，提高了探测器的抗干扰能力，确保了系统的准确性。
关键词：
单片机金属探测器线性霍尔元件电磁感应.
金属探测器作为一种最重要的安全检查设备，己被广泛地应用于社会生活和工业生产的诸多领域。
比如在机场、大型运动会（如奥运会）、展览会等都用金属探测器来对过往人员进行安全检测，以排查行李、包裹及人体夹带的刀具、枪支、弹药等伤害性违禁金属物品;工业部门（包括手表、眼镜、金银首饰、电子等生产含有金属产品的工厂）也使用金属探测器对出入人员进行检测，以防止贵重金属材料的丢失;目前，就连考试也开始启用金属探测器来防止考生利用手机等工具进行作弊。
由此可见，金属探测器对工业生产及人身安全起着重要的作用。
而为了能够准确判定金属物品藏匿的位置，就需要金属探测器具有较高的灵敏度。
目前。
国外虽然已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则是利用模拟电路进行检测和控制的，其电路复杂，探测灵敏度低，且整个系统易受外界干扰。
一、系统的总体设计
（1）系统设计的理论依据
金属探测器是采用线圈的电磁感应原理来探测金属的.根据电磁感应原理，当有金属靠近通电线圈平面附近时，将发生如下现象和效应:
线圈介质条件的变化
1、线圈介质条件的变化
当金属物接近通电线圈时，将使通电线圈周围的磁场发生变化如图2.1，对于半径为R的单匝圆形电感线圈。
当其中通过交变电流
时，线圈周围空间产生交变磁场，根据毕奥-萨伐尔定律可计算出线圈中心轴线上一点的磁感应强度B为：
=
（2-1）.
其中，
磁导率，
为相对磁导率，
为真空磁导率。
对于紧密缠绕N匝的线圈，线圈中心轴线上一点的磁感应强度则为：
（2-2）
由公式（2-2）可知，当线圈有效探测范围内无金属物时，
（非金属的相对磁导率），线圈中心磁感应强度B保持不变，当线圈有效探测范围内出现铁磁性金属物时，
会变大，B随
也会变大。
2、涡流效应
根据电磁理论，我们知道，当金属物体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，与外磁场方向相反，削弱外磁场的变化。
据此，将一交流正弦信号接入绕在骨架上的空心线圈上，流过线圈的电流会在周围产生交变磁场，当将金属靠近线圈时，金属产生的祸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，则祸电流强度越大，对原磁场的抑制作用越强。
本设计正是基于这样的理论，来寻找一种适合的传感器来感应线圈的磁场变化，并把磁场信号的变化转变成电信号的变化，从而实现单片机的控制。
正是本着这样一个设计思路来构建系统的硬件电路。
（二）系统组成
整个探测系统以8位单片机AT89S52作为控制核心,其硬件电路分为两个部分,一部分为线圈振荡电路,包括:
多谐振荡电路、放大电路和探测线圈;另一部分为控制电路。
.
系统结构块图
（三）系统工作原理
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，固定在线圈
中心的霍尔元件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，假设霍尔输出电压为
，该电压信号
很微弱，属mV即信号，
经过放大电路放大，再通过峰值检波电路，得到响应的0V~5V的峰值输出电压
，以满足ADC0809的量程，经A/D转换后，将
的数字量输入到单片机储存起来。
此后，以该电压信号作为基准电压，与A/D转换器采集到的电压信号进行比较判断。
当探测线圈
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
，该变化的电压经过放大电路、峰值检波电路后，得到响应的0V~5V的峰值输出电压
，然后经A/D转换后，输入到CPU，由CPU完成
与基准电压
的比较，二者比较|
-
|得到一个差值，此差值与预设的灵敏度
再做比较。
当然，
大小的设定决定着系统精度的高低。
若|
-
|>
，就确定为探测金属，CPU输出口P1.0输出信号驱动发光二极管发光报警，同时P1.6控制蜂鸣器发出声响，进行声音报警。
二、硬件电路设计
（一）系统组成框图
硬件控制电路包括两个部分，一部分线圈振荡电路,包括:
多谐振荡电路、放大电路和探测线圈;另一部分控制电路包括:
U,GN3503型线性霍尔元件、可编程放大电
路、峰值检波电路、模数转换器、AT89S52单片机、LED显示电路、声音报警电路及电源电路等。
系统组成框图
（二）电路具体介绍
电路原理图
1、线圈振荡电路
线圈振荡电路原理图
工作过程中，由555定时器构成一个多谐振荡器，产生一个频率为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）
图示参数对应的频率为24KHZ，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
输入到
的基极（
为
125的9013H）,使其导通，经
放大之后，就形成了频率稳定度高、功率较大的脉冲信号输入到人、探测线圈
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
数据采集电路原理图
2、系统控制单元
（1）线性霍尔传感器（linearHall-EffectSensors）
在电路设计中，选用了美国公司生产的UGN3503U线性霍尔传感器，来检测通电线圈
周围的磁场变化。
UGN3503U线性霍尔传感器的主要功能是可将感应到的磁场强度信号线性地转变为电压信号。
他的功能特性示于图3.2.3和3.2.4。
.
UGN3503的功能框图
UGN3503U的磁电转换特性曲线
霍尔元件是依据霍尔效应制成的器件。
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位置，用它去检测工作磁场，再根据霍尔输出电压的变化提取别检信息，这就是线性霍尔元件的基本物理依据和作用。
（2）放大和峰值检波电路
由于UGN3503U线性霍尔元件采集到的电压信号是一个毫伏级的信号，信号十分微弱，所以，在对其进行处理前，首先要进行放大。
在设计中，信号放大电路采用输入阻抗高、漂移较小、共模抑制比高的集成运算放大器LM324。
LM324是四运放集成电路，它采用14脚双列直插塑料封装。
它的内部包含四组形式完全相同的运算放大器，除电源共同，四组运放相互独立。
如图所示，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U2A的相同输入端，运算放大器U2A把霍尔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耦合电容
输入到后级峰值检波电路中。
采用阻容耦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。
峰值检波电路由两级运算放大器组成，第一级运放U2B将输入信号的峰值传递到电容
上，并保持下来。
第二级运放U2C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
、
导通，
截止，运放U2B工作在深度负反馈状态，使电容
充电，
上升。
当输入电压
下降时，
跟随下降，
导通，U2B也工作在深度负反馈状态，深度负反馈保证了二极管
、
可靠截止，
值得以保持。
当
再次上升时使
上升并使
、
导通，
截止，再次对电容
充电（
高于前次充电电压），
下降时，
、
又截止，
导通，
将峰值再次保持。
输出
反映
的大小，通过峰值检波和后级缓冲放大电路，将采集到的微弱信号放大至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。
（3）A/D转换电路
由于采集到的信息是连续变化的模拟量，不能被单片机直接处理，所以，必须把这些模拟量转换成数字量后才能够输入到单片机中进行处理，这里选用了经济实用的ADC0809型A/D转换器来完成模数转换。
ADC0809芯片内部结构和工作时序示于图3.2.6和图3.2.7。
ADC0809的芯片内部结构
ADC0809的工作时序
ADC0809是8位逐次逼近型A/D转换器，片内有八路模拟开关，可对八路模拟电压量实现分时转换，转换速度为100
（即10千次/秒）。
当地址锁存允许信号ALE=1时，3位地址信号A、B、C送入地址锁存器，选择8路模拟量中的一路实现A/D变换。
本设计中只使用通道INO，所以，地址译码器ABC直接地址为000，采用线选法寻址。
ADC0809片内有三态输出缓冲器，可直接与单片机的数据总线相连接，这里将它的数据输出口直接与单片机的数据总线P0口相连接，AT89S52的P0口作为数据总线，又作为低8位地址总线。
ADC0809的片内没有时钟，时钟信号必须由外部提供，这里利用AT89S52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1/6,单片机的时钟频率为12MHz，则ALE引脚频率约为2MHz，再经4分频后为500kHz，所以ADC0809能可靠工作。
ADC0809的模拟输入范围：
单极性0~5V,设计中采用+5V单电源供电。
放大后的电压信号送入ADC0809的模拟输入通道IN0进行A/D转换。
将P2.7（地址总线的A15）作为片选信号，由AT89S52的写信号
和P2.7控制ADC0809的地址锁存ALE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，一位一位地逼近，比较器一次次进行比较，转换结束时，送出转换结束信号EOC（低到高），并将8位数字量
锁存到输出缓存器。
AT89S52的读信号
端发出一个输出允许命令输入到ADC0809的ENABLE（即OE）端,ENABLE（OE）端呈高电位，用以打开三态输出端锁存器，AT89S52从ADC0809读取相应电压数字量，然后存入数据缓冲器中。
波特率发生器
通过设置T2CON中的TCLK或RCLK可选择定时器2作为波特率发生器。
如果定时器2作为发送或接收波特率发生器，定时器1可用作它用，发送和接收的波特率可以不同。
设置RCLK和（或）TCLK可以使定时器2工作于波特率
产生模式。
波特率产生工作模式与自动重载模式相似，因此，TH2的翻转使得定时器2寄存器重载被软件预置16位值的RCAP2H和RCAP2L中的值。
模式1和模式3的波特率由定时器2溢出速率决定，定时器可设置成定时器，也可为计数器。
在多数应用情况下，一般配置成定时方式。
定时器2用于定时器操作与波特率发生器有所不同，它在每一机器周期（1/12晶振周期）都会增加；然而，作为波特率发生器，它在每一机器状态（1/2晶振周期）都会增加。
定时器2作为波特率发生器，图中仅仅在T2CON中RCLK或TCLK＝1
才有效。
特别强调，TH2的翻转并不置位TF2，也不产生中断；EXEN2置位后，T2EX引脚上1～0的下跳变不会使（RCAP2H，RCAP2L）重载到（TH2，TL2）中。
因此，定时器2作为波特率发生器，T2EX也还可以作为一个额外的外部中断。
定时器2处于波特率产生模式，TR2=1，定时器2正常工作。
TH2或TL2不应该读写。
在这种模式下，定时器在每一状态都会增加，读或写就不会准确。
寄存器RCAP2可以读，但不能写，因为写可能和重载交迭，造成写和重载错误。
在读写定时器2或RCAP2寄存器时，应该关闭定时器（TR2清0）。
可编程时钟输出
可以通过编程在P1.0引脚输出一个占空比为50%的时钟信号。
这个引脚除了常规的I/O角外，还有两种可选择功能。
它可以通过编程作为定时器/计数器2的
外部时钟输入或占空比为50%的时钟输出。
当工作频率为16MHZ时，时钟输出频率范围为61HZ到4HZ。
为了把定时器2配置成时钟发生器，位C/T2（T2CON.1）必须清0，位T2OE（T2MOD.1）必须置1。
位TR2（T2CON.2）启动、停止定时器。
时钟输出频率取决于晶振频率和定时器2捕捉寄存器（RCAP2H，RCAP2L）的重载值在时钟输出模式下，定时器2不会产生中断，这和定时器2用作波特率发生器一样。
定时器2也可以同时用作波特率发生器和时钟产生。
不过，波特率和输出时钟频率相互并不独立，它们都依赖于RCAP2H和RCAP2L。
T2EX的跳变会引起T2CON中的EXF2置位。
像TF2一样，T2EX也会引起中断。
自动重载
当定时器2工作于16位自动重载模式，可对其编程实现向上计数或向下计数。
中断
AT89S52有6个中断源：
两个外部中断（INT0和INT1），三个定时中断（定时器0、1、2）和一个串行中断。
每个中断源都可以通过置位或清除特殊寄存器IE中的相关中断允许控制位分别使得中断源有效或无效。
IE还包括一个中断允许总控制位EA，它能一次禁止所有中断。
IE.6位是不可用的。
对于AT89S52，IE.5位也是不能用的。
用户软件不应给这些位写1。
它们为AT89系列新产品预留。
定时器2可以被寄存器T2CON中的TF2和EXF2的逻辑触发。
程序进入中断服务后，这些标志位都可以由硬件清0。
实际上，中断服务程序必须判定是否是TF2或EXF2激活中断，标志位也必须由软件清0。
定时器0和定时器1标志位TF0和TF1在计数溢出的那个周期的S5P2被置位。
它们的值一直到下一个周期被电路捕捉下来。
然而，定时器2的标志位TF2在计数溢出的那个周期的S2P2被置位，在同一个周期被电路捕捉下来。
晶振特性
AT89S52单片机有一个用于构成内部振荡器的反相放大器，XTAL1和
XTAL2分别是放大器的输入、输出端。
石英晶体和陶瓷谐振器都可以用来一起构成自激振荡器。
从外部时钟源驱动器件的话，XTAL2可以不接，而从XTAL1接入。
由于外部时钟信号经过二分频触发后作为外部时钟电路输入的，所以对外部时钟信号的占空比没有其它要求，最长低电平持续时间和最少高电平持续时间等还是要符合要求的。
空闲模式
在空闲工作模式下，CPU处于睡眠状态，而所有片上外部设备保持激活状态。
这种状态可以通过软件产生。
在这种状态下，片上RAM和特殊功能寄存器的内容保持不变。
空闲模式可以被任一个中断或硬件复位终止。
由硬件复位终止空闲模式只需两个机器周期有效复位信号，在这种情况下，片上硬件禁止访问内部RAM，而可以访问端口引脚。
空闲模式被硬件复位终止后，为了防止预想不到的写端口，激活空闲模式的那一条指令的下一条指令不应该是写端口或外部存储
器。
掉电模式
在掉电模式下，晶振停止工作，激活掉电模式的指令是最后一条执行指令。
片上RAM和特殊功能寄存器保持原值，直到掉电模式终止。
掉电模式可以通过硬件复位和外部中断退出。
复位重新定义了SFR的值，但不改变片上RAM的值。
在VCC未恢复到正常工作电压时，硬件复位不能无效，并且应保持足够长的时间以使晶振重新工作和初始化。
3、显示告警电路
一旦发现金属出现。
则被测物理量超限由单片机I/O口的P1.0控制发光二极管进行光报警的同时，P1.6还触发无源蜂鸣器用声报警提醒检测人员注意，进行必要的定位搜身检查。
4、电源电路
电源供电由9V电池和板内稳压电源组成。
电源板采用三端稳压集成电路块LM7805为板内元器件供电。
LM7805三端正稳压器具有内部过流、热过载和输出晶体管安全区保护功能，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、UGN3503U、AT89S52、ADC0809等芯片和元件可靠地工作。
三、系统软件设计
（—）、软件算法
主程序初始化以后置位AT89S52的中断控制位EA，使CPU开放中断。
然后通过检测RAM中的21H中的数值的值来判断是否采集基准电压
如果未采集过
，则启动ADC0809对INO通道的模拟输入量进行A/D转换。
在电路设计中，ADC0809与AT89S52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的EOC端通过反相器接AT89S52的INT1端，作为中断申请。
采用中断方式，可大大节省CPU的时间。
软件编程允许AT89S52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，AD0809的EOC端向AT89S52的
送入一个中断申请信号，AT89S52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RAM21H中，作为基准电压
。
经反复实验测得的灵敏度
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30H为首脂的数据存储器中，然后将此数据
和基准电压
进行比较，二者差值U存放在单片机RAM地址为22H的存储器中。
而后再通过判据算法将此差值U与灵敏度
进行比较，以确定是否报警。
（二）、软件流程
1、主程序流程图
主程序流程图
2、数字滤波程序设计
设一个采样周期，对通道0连续采样6次，然后去掉最大和最小值，把剩余的累加求算术平均值作为本周期采样值。
存入内部RAM以30H为首址的数据存储器中。
其中，
寄存器存放最小值，
寄存器存放累加和，
存放连续采样次数。
程序框图如下：
数字滤波程序流程图
三、结束语
线性霍尔传感器（linearHall-EffectSensors）:
在电路设计中，选用了美国ALLEGRO公司生产的灵敏度极高的UGN3503U线性霍尔传感器，来检测通电线圈周围的磁场变化。
它是将霍尔元件、高增益线性差分放大器和射极跟随器集成在同一半导体基片上，为用户提供了一个由外电压源驱动、使用方便的磁敏传感器，其主要功能是可将感应到的磁场强度信号线性地转变为电压信号。
它的灵敏度典型值为13.5mV/mT，静态输出电压为2.5V，输出电阻为0.05kΩ,mini-SIP封撞。
具有线性度好，结构牢固，体积小、重量轻、耐震动、功耗小、寿命长、频率高（可达1MHz），输出噪声低等特点.利用UGN3503U的上述特性,将其固定在探测线圈中心，就会感应到线圈周围的磁场变化，并将磁场的变化信号线性地转化为电压信号的变化而被后级电路拾取。
放大和峰值检波电路:
UGN3503U线性霍尔元件采集到的电压信号是一个毫伏级的信号，信号十分微弱，所以，在对其进行处理前,首先要进行放大.这里采用美国AD公司生产的软件可编程放大器AD0809，将采集到的微弱电压信号根据要求自动调整到适合A/D转换的最佳输入范围,然后通过峰值检波电路，将其变成0V~5V的直流电平，再进行A/D转换,这样可有效保证在低输入时的转换精度，扩大了采集系统的动态范围。
AT89S52单片机:
是ATMEL公司生产的一种低功耗、高性能CMOS8位单片机;它兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，片内带有8KBytes可反复擦写1000次的ISPFlash程序存储器和看门狗定时（WDT）电路，可有效地防止程序跑飞而陷入“死循环”
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