金屬探測器是一中專門用來探測金屬的儀器
金屬探測器按其功能和市場應(yīng)用的不同可分為以下幾種：通道式金屬探測器(簡稱安檢門)、手持式金屬探測器、便攜式金屬探測器、臺式金屬探測器、工業(yè)用金屬探測器和水下金屬探測器。
第一章 行業(yè)規(guī)范
金屬探測器是基于電磁感應(yīng)原理工作的，依工作方式主要有脈沖感應(yīng)型、VLF(very low frequency)連續(xù)波型和LC振蕩型三類。其中LC振蕩型主要應(yīng)用在小目標(biāo)近距探測方面，已較少使用，目前廣泛應(yīng)用的金屬探測器主要是脈沖感應(yīng)型和VLF連續(xù)波型。脈沖感應(yīng)型和連續(xù)波型金屬探測器都是通過探測被測金屬感應(yīng)電流產(chǎn)生的二次磁場確定被測金屬的有無及種類。脈沖感應(yīng)型金屬探測器檢測波形為隨時間指數(shù)衰減的波形。由于脈沖感應(yīng)型檢測波形的特殊性，在很大程度上限制了數(shù)字信號處理技術(shù)在脈沖感應(yīng)型金屬探測器中的應(yīng)用。VLF連續(xù)波型檢測波形為有特定相位滯后的正弦波，當(dāng)前有很多數(shù)字信號處理算法適用于VLF連續(xù)波型，連續(xù)波型金屬探測器具有廣闊的發(fā)展前景。
VLF連續(xù)波型金屬探測器中，接收線圈上的感生電壓主要受介質(zhì)的磁導(dǎo)率影響。鐵磁性物質(zhì)的磁導(dǎo)率很高，即μ>>1，如鑄鐵為200～400。非鐵磁性物質(zhì)的磁導(dǎo)率近似等于真空中的磁導(dǎo)率，部分非鐵磁性物質(zhì)＜1，如銅、銀的相對磁導(dǎo)率分別為0.99990、0.999974。部分非鐵磁性物質(zhì)＞1，如鉑的相對磁導(dǎo)率為1.00026。當(dāng)鐵磁性物質(zhì)接近線圈時，線圈間介質(zhì)磁導(dǎo)率偏大，接收線圈上的感生電壓顯著增大。當(dāng)＜1的非鐵磁性物質(zhì)(如銅、銀)接近線圈時，線圈間介質(zhì)磁導(dǎo)率減小，接收線圈上的感生電壓值減小。當(dāng)＞1的非鐵磁性物質(zhì)(如鉑)接近線圈時，線圈間介質(zhì)磁導(dǎo)率增加，接收線圈上的感生電壓的電壓幅值微弱增加。
在技術(shù)進(jìn)步的前提下，今日的金屬探測器有能力作比以前更多、更為復(fù)雜的工作。整體來講，當(dāng)今的金屬探測器已經(jīng)出現(xiàn)了兩種最具特色的技術(shù)功能。其中之一是金屬探測器的網(wǎng)絡(luò)化功能。具備了這種技術(shù)，人們可以在任何一個地方撥打該金屬探測器，對儀器進(jìn)行維修，分析所通過的人流量，并可根據(jù)治安的好壞或威脅的大小，調(diào)整金屬探測器的工作靈敏度。所有這一切都可以遠(yuǎn)距離進(jìn)行操作。金屬探測器的另一個技術(shù)進(jìn)步就是分段限時技術(shù)的出現(xiàn)，世界幾大著名的金屬探測器生產(chǎn)廠商，如EIPaso、CeiaUSA、Ranger&Metorex等，均投入了相當(dāng)?shù)馁Y金從事這項研究、開發(fā)工作。它利用探測器的側(cè)面或另一儀表盤上的燈光來指示或顯示出人體中金屬物品的近似位置，可以用在諸如法庭以及其他不允許發(fā)出聲音的地方，雖然關(guān)閉了探測器的音量，但它仍能顯示并提醒操作人員何時何處有金屬物品存在。
金屬探測器可以與其他的出入控制裝置，如入口讀卡機(jī)等整合在一起。銀行業(yè)是該出入整合設(shè)備的最大客戶。美國CeiaUSA公司董事長ScootDennision不久前曾經(jīng)說過，他們公司已經(jīng)開始著手為美國的幾大銀行安裝整合式金屬探測器。他們使用的是一種雙門系統(tǒng)，它具備這樣的功能：在第二道門打開之前，銀行或其他機(jī)構(gòu)借助于該系統(tǒng)就能夠斷定正在進(jìn)入的人員是否攜帶有槍支等物品。在該系統(tǒng)中，金屬探測器與CCTV、對講電話系統(tǒng)、出入控制以及其他安全防范手段整合在一起。但是該金屬探測器，也可以在獨立的基礎(chǔ)上與出入控制整合在一起。CeiaUSA公司業(yè)已開發(fā)出了一種新技術(shù)，能夠在人員通過金屬探測器的時候自動刷卡，不但能探測人員是否攜帶有武器，而且還能進(jìn)行讀寫校驗以確定人員是否能合法進(jìn)入該場所。這種名叫MET卡的產(chǎn)品已于去年9月上市，它借助于近發(fā)無線電技術(shù)，可使工作人員騰出雙手，免去了手持勞作之苦。在讀卡的基礎(chǔ)上，該系統(tǒng)可根據(jù)工作性質(zhì)、對象調(diào)節(jié)安全報警信號的閥值。如果你是一個警察，依法可以持有槍支，那么該系統(tǒng)就會自動降低報警的靈敏度；而對下一個通過探測器的一般人來說，金屬探測器將自動提高或調(diào)整報警的靈敏度。MET卡也可以安裝在門框中充當(dāng)跟蹤設(shè)備，用以防止貴重物品的丟失和被盜。
前面所講的是金屬探測器的最新情況，金屬探測器經(jīng)過40多年的發(fā)展其技術(shù)上已經(jīng)發(fā)生了幾次飛躍，人類已經(jīng)步入到數(shù)字化時代，金屬探測器也順應(yīng)這一時代的現(xiàn)狀，無論是金屬探測器的網(wǎng)絡(luò)化還是出入整合技術(shù)，都需要強(qiáng)大的數(shù)字電路對信息進(jìn)行分析處理，在進(jìn)行傳送控制。因此在這種前提下進(jìn)行數(shù)字金屬探測器的設(shè)計是順應(yīng)時代發(fā)展和需求的，本次金屬探測器是一種基于單片機(jī)的數(shù)字金屬探測器，其對金屬的判斷報警都是在數(shù)字單片機(jī)內(nèi)完成的，可拓展性強(qiáng)，在對其加入外圍功能電路后也能實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化和和出入整合。
第二章 可行性論證
金屬探測器的設(shè)計方案根據(jù)它的應(yīng)用的不同而不同，這里引入兩種與本次設(shè)計應(yīng)用相近的金屬探測設(shè)計方案，拿它們與我們的設(shè)計方案進(jìn)行對比，以突顯出彼此的優(yōu)缺。
3.1 手持?jǐn)?shù)字金屬探測器
其模型如圖3-1所示。
圖3-1 手持?jǐn)?shù)字金屬探測器原理框圖
可以看出它由四部分組成：高頻振蕩、信號放大、脈沖轉(zhuǎn)換和信號的處理與報警，下面簡單論述以下各個模塊的功能。
（1)高頻振蕩
這一部分是金屬探測的基礎(chǔ)，金屬探測器的原理是：當(dāng)金屬物體置于變化的磁場當(dāng)中時，金屬內(nèi)部就會產(chǎn)生渦流，而渦流所產(chǎn)生的磁場又會影響原磁場。高頻振蕩部分的任務(wù)首先就是產(chǎn)生變化的磁場，它往往由一LC振蕩電路組成。其次，在遇見金屬后由于金屬內(nèi)部渦流的存在，它的磁場會影響原有磁場，使原有振蕩電路的振幅和周期都發(fā)生改變。這種改變經(jīng)轉(zhuǎn)換后送入單片機(jī)，單片機(jī)中有相應(yīng)的程序?qū)ζ溥M(jìn)行分析判斷。
（2)放大電路
振蕩電路所產(chǎn)生的正弦波信號的幅值是比較小的，因此需要放大才能進(jìn)行再處理。
（3)脈沖轉(zhuǎn)換電路
這是本套設(shè)計方案所獨有的，它是實現(xiàn)本次金屬探測數(shù)字化的橋梁，單片機(jī)只能處理數(shù)字脈沖型號，因此振蕩電路所產(chǎn)生的信號經(jīng)放大不能直接送入單片機(jī)，這一部分只需要一個TTL門電路對放大電路輸出的波形進(jìn)行轉(zhuǎn)換就行，簡單但很重要。
（4)信號處理與報警
這一部分是整個電路的大腦，所有的電路都是為它服務(wù)，這一部分也是整個探測器實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化或其他功能的橋梁。作為整個電路的大腦，它對整個電路所產(chǎn)生的信號做最終的處理，并根據(jù)處理的結(jié)果決定是否存在金屬，是否要發(fā)出警報。這一部分處理能力的強(qiáng)弱影響這整個系統(tǒng)的性能。作為與外部進(jìn)行溝通的橋梁，它可以將金屬探測的信息發(fā)送給外圍模塊供他們進(jìn)行進(jìn)一步的處理，它同時也接收外圍模塊傳送過來的控制信號，如對金屬探測的精度或其他方面進(jìn)行設(shè)置。
3.2 MD—898K金屬探測器
圖3-2為MD—898K金屬探測器的原理框圖，看上去在結(jié)構(gòu)上和本次設(shè)計的金屬探測器很相近，實際上它們存在本質(zhì)的差別。首先，兩者在設(shè)計思想上完全不同，MD—898K金屬探測器是模擬信號處理的模擬金屬探測器，而此次要實現(xiàn)的金屬探測器信號的處理和報警都在數(shù)字單片機(jī)內(nèi)完成。其次，在可拓展性方面MD—898K沒有可拓展性而言，因為每一部分的單元電路緊密的聯(lián)系在一起，即使可以擴(kuò)展也要對整個電路進(jìn)行從新設(shè)計，而且設(shè)計的難度相對很大，而本次設(shè)計，將頻率信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號供數(shù)字單片機(jī)進(jìn)行分析，單片機(jī)提供了很多I/O口可以很方便的和其他單片機(jī)進(jìn)行通訊，加入串口通信模塊后還可以直接和PC機(jī)進(jìn)行通訊，借助于PC機(jī)強(qiáng)大存儲和網(wǎng)絡(luò)資源對數(shù)據(jù)進(jìn)行再分析在處理，就可以完善金屬探測的性能，并且借助于PC機(jī)的強(qiáng)大功能可以使探測的精度得到新的改善。
圖3.2 MD—898K金屬探測器原理框圖
第三章 設(shè)計文檔
總體設(shè)計將影響整個項目的實現(xiàn)，對整個項目的開發(fā)起著指導(dǎo)性的作用，因此總體設(shè)計的好壞影響深遠(yuǎn)，這里的軟硬件方案都是經(jīng)過再三的比較與分析才確定的，硬件和軟件兩個互相影響，協(xié)同工作實現(xiàn)系統(tǒng)的基本功能。由于硬件系統(tǒng)是基礎(chǔ)，是軟件系統(tǒng)得以運行的平臺，因此將它放在前面，先依據(jù)硬件的總體設(shè)計方案，完成各個單元電路的設(shè)計與實現(xiàn)，接下來再根據(jù)軟件模塊的總體方案設(shè)計程序流程，在硬件電路的基礎(chǔ)之上進(jìn)行調(diào)試。但在設(shè)計之初兩個部分都需經(jīng)過認(rèn)真的分析，確定總體方案后再分階段進(jìn)行實現(xiàn)。
5.1 硬件電路設(shè)計
硬件電路設(shè)計是進(jìn)行軟件設(shè)計的基礎(chǔ)，是整個金屬探測器中最位重要的部分。它設(shè)計的好壞決定著系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可擴(kuò)展性。本次設(shè)計的金屬探測器系統(tǒng)組成框圖如圖4-1所示，硬件控制電路包括兩個部分，一部分線圈振蕩電路,包括:多諧振蕩電路、放大電路和探測線圈;另一部分控制電路包括:UGN3503型線性霍爾元件、放大電路、峰值檢波電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、AT89S52單片機(jī)、LED顯示電路、聲音報警電路及電源電路等。在本次設(shè)計中考慮到產(chǎn)品成本、實用性以及整體大小，將LED顯示電路與線圈振蕩電路中的放大部分省略掉。
圖5-1系統(tǒng)組成框圖
5.1.1 總體電路圖
圖5-2 設(shè)計總體電路原理圖
5.1.2 線圈震蕩電路
圖5-3 線圈震蕩電路原理圖
工作過程中，由555定時器構(gòu)成一個多諧振蕩器，產(chǎn)生一個頻率為24KHZ、占空比為2/3的脈沖信號。振蕩器的頻率計算公式為：
（5-1）
圖示參數(shù)對應(yīng)的頻率為24KHZ，選擇24KHZ的超長波頻率是為了減弱土壤對電磁波的影響。從多諧振蕩器輸出的正脈沖信號經(jīng)過電容輸入到的基極（為125的9013H),使其導(dǎo)通，經(jīng)放大之后，就形成了頻率穩(wěn)定度高、功率較大的脈沖信號輸入到人、探測線圈中，在線圈內(nèi)產(chǎn)生瞬間較強(qiáng)的電流，從而使線圈周圍產(chǎn)生恒定的交變磁場。由于在脈沖信號作用下，處于開關(guān)工作狀態(tài)，而導(dǎo)通時間又非常短，所以非常省電，可以利用9V電池供電。
5.1.3 數(shù)據(jù)采集放大電路
圖5-4 數(shù)據(jù)采集電路原理圖
（1）線性霍爾傳感器
在電路設(shè)計中，選用了美國公司生產(chǎn)的UGN3503U線性霍爾傳感器，來檢測通電線圈周圍的磁場變化。UGN3503U線性霍爾傳感器的主要功能是可將感應(yīng)到的磁場強(qiáng)度信號線性地轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘枴Ｋ墓δ芴匦允居趫D4-5和4-6。
圖5-5 UGN3503的功能框圖
圖5-6 UGN3503U的磁電轉(zhuǎn)換特性曲線
霍爾元件是依據(jù)霍爾效應(yīng)制成的器件。如圖4-7所示，在一塊半導(dǎo)體薄片上兩端通以電流I，并加以和片子表面垂直的磁場B，在薄片的橫向兩側(cè)會出現(xiàn)一個電壓，如圖3.2.5中的，這種現(xiàn)象就是霍爾效應(yīng)。這種現(xiàn)象的產(chǎn)生的洛倫茲力的作用下，分別向片子橫向兩側(cè)偏轉(zhuǎn)和積聚，因而形成一個電場，稱作霍爾電場。霍爾電場產(chǎn)生的電場力和洛倫茲力相反，它阻礙載流子繼續(xù)堆積，知道霍爾電場力和洛倫茲力相等，這時，片子兩端建立起一個穩(wěn)定的電壓，就是霍爾電壓，霍爾電壓可用下式表示：
= （V） （5-2）
式中—霍爾常數(shù)（）；I—電流（A）；B—磁感應(yīng)強(qiáng)度（T）；d—霍爾元件的厚度(m)。令 ，則得到：
（V） （5-3）
圖5-7 霍爾效應(yīng)原理圖
由上式可知，霍爾電壓的大小正比于控制電流I和磁感應(yīng)強(qiáng)度B。稱為霍爾元件的靈敏度，它與元件材料的性質(zhì)與幾何尺寸有關(guān)。因此當(dāng)外加電壓電源一定時，通過的電流I為一恒定值，此時輸出的電壓只與加在霍爾元件上的磁場B的大小成正比，即：
（5-4）
此時K=為常數(shù)。因此，任何引起磁場強(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)位置，用它去檢測工作磁場，再根據(jù)霍爾輸出電壓的變化提取別檢信息，這就是線性霍爾元件的基本物理依據(jù)和作用。
（2）放大和峰值檢波電路
由于UGN3503U線性霍爾元件采集到的電壓信號是一個毫伏級的信號，信號十分微弱，所以，在對其進(jìn)行處理前，首先要進(jìn)行放大。在設(shè)計中，信號放大電路采用輸入阻抗高、漂移較小、共模抑制比高的集成運算放大器LM324。LM324是四運放集成電路，它采用14腳雙列直插塑料封裝。它的內(nèi)部包含四組形式完全相同的運算放大器，除電源共同，四組運放相互獨立。
如圖所示，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U2A的相同輸入端，運算放大器U2A把霍爾元件感應(yīng)到的電壓轉(zhuǎn)換為對地電壓。在電路設(shè)計中，運放 LM324采用+5V單電源供電，對于不同強(qiáng)度的信號均可通過調(diào)節(jié)前級放大電路的反饋電位器Rw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)耦合電容輸入到后級峰值檢波電路中。采用阻容耦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。峰值檢波電路由兩級運算放大器組成，第一級運放U2B將輸入信號的峰值傳遞到電容上，并保持下來。第二級運放U2C組成緩沖放大器，將輸出與電容隔離開來。在設(shè)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(yīng)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(dāng)輸入電壓上升時，跟隨上升，使二極管、導(dǎo)通，截止，運放U2B工作在深度負(fù)反饋狀態(tài)，使電容充電，上升。當(dāng)輸入電壓下降時，跟隨下降，導(dǎo)通，U2B也工作在深度負(fù)反饋狀態(tài)，深度負(fù)反饋保證了二極管、可靠截止，值得以保持。當(dāng)再次上升時使上升并使、導(dǎo)通，
截止，再次對電容充電（高于前次充電電壓），下降時，、又截止，導(dǎo)通，將峰值再次保持。輸出反映的大小，通過峰值檢波和后級緩沖放大電路，將采集到的微弱信號放大至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A/D轉(zhuǎn)換電路將檢測到的峰值轉(zhuǎn)化成數(shù)字量。
5.1.4 A/D轉(zhuǎn)換電路
圖5-8 A/D轉(zhuǎn)換及與單片機(jī)接口電路原理圖
由于采集到的信息是連續(xù)變化的模擬量，不能被單片機(jī)直接處理，所以，必須把這些模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量后才能夠輸入到單片機(jī)中進(jìn)行處理，這里選用了經(jīng)濟(jì)實用的ADC0809型A/D轉(zhuǎn)換器來完成模數(shù)轉(zhuǎn)換。ADC0809芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作時序示于圖4-9和圖4-10。
圖5-9 ADC0809的芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)
圖5-10 ADC0809的工作時序
ADC0809是8位逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器，片內(nèi)有八路模擬開關(guān)，可對八路模擬電壓量實現(xiàn)分時轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換速度為100(即10千次/秒)。當(dāng)?shù)刂锋i存允許信號ALE=1時，3位地址信號A、B、C送入地址鎖存器，選擇8路模擬量中的一路實現(xiàn)A/D變換。本設(shè)計中只使用通道INO，所以，地址譯碼器ABC直接地址為000，采用線選法尋址。
ADC0809的模擬輸入范圍：單極性0~5V,設(shè)計中采用+5V單電源供電。放大后的電壓信號送入ADC0809的模擬輸入通道IN0進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。當(dāng)ADC0809的START啟動信號輸入端為高電平時，A/D開始轉(zhuǎn)換，在時鐘的控制下，一位一位地逼近，比較器一次次進(jìn)行比較，轉(zhuǎn)換結(jié)束時，送出轉(zhuǎn)換結(jié)束信號EOC(低到高)，并將8位數(shù)字量鎖存到輸出緩存器。AT89C51的讀信號端發(fā)出一個輸出允許命令輸入到ADC0809的ENABLE(即OE)端,ENABLE(OE)端呈高電位，用以打開三態(tài)輸出端鎖存器，AT89C51從ADC0809讀取相應(yīng)電壓數(shù)字量，然后存入數(shù)據(jù)緩沖器中。
5.1.5 其他電路
（1）單片機(jī)最小系統(tǒng)電路
圖5-11 單片機(jī)最小系統(tǒng)電路原理圖
采用AT89C51單片機(jī)。AT89C51是一個低功耗，高性能CMOS 8位單片機(jī)，片內(nèi)含4K Bytes ISP (In-system programmable)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、非易失性存儲技術(shù)制造，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS—51指令系統(tǒng)及80C51引腳結(jié)構(gòu)，芯片內(nèi)集成了通用8位中央處理器和ISP Flash存儲單元。
AT89C61片內(nèi)結(jié)構(gòu)具有如下特點：40個引腳，4K Bytes Flash片內(nèi)程序存儲器，128 bytes的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲器(RAM)，32個外部雙向輸入/輸出(I/O)口， 2個數(shù)據(jù)指針，2個16位可編程定時計數(shù)器，5個中斷優(yōu)先級2層中斷嵌套中斷，2個全雙工串行通信口，片內(nèi)時鐘振蕩器。此外，AT89C51設(shè)計和配置了振蕩頻率可為0Hz并可通過軟件設(shè)置省電模式。空閑模式下，CPU暫停工作，而RAM、定時計數(shù)器、串行口及外中斷系統(tǒng)可繼續(xù)工作，掉電模式凍結(jié)振蕩器而保存RAM的數(shù)據(jù)，停止芯片其它功能直至外中斷激活或硬件復(fù)位。其工作電壓為5V，晶振頻率采用12MHz。
（2）報警指示電路
圖5-12 報警指示電路
此電路僅采用兩個LED指示燈及一個蜂鳴器構(gòu)成。LED1采用綠色燈光，當(dāng)測量值在一定范圍內(nèi)，即未檢測到金屬時此燈亮起。當(dāng)檢測到存在金屬時，代表危險的LED2燈亮起，此燈應(yīng)采用紅色，同時與LED2相并聯(lián)的蜂鳴器LS1由于上方管腳出現(xiàn)高電平而開始報警。為了使報警啟動信號足夠驅(qū)動蜂鳴器并能使蜂鳴器響聲足夠響亮，在此電路中引入一個PNP型三極管。
（3）LM7805三端穩(wěn)壓電路
圖5-13 LM7805三端穩(wěn)壓電路原理圖
X78XX 系列是三端正電源穩(wěn)壓電路，它的封裝形式為T0-220。它有一系列固定的電壓輸出，應(yīng)用十分廣泛。每種類型由于內(nèi)部電流的限制，以及過熱保護(hù)和安全工作區(qū)保護(hù)，使它基本上不會損壞，如果能提供足夠的散熱片，他們就能夠提供大于1.5A的輸出電流。雖然是按照固定電壓值來設(shè)計的，但是當(dāng)接入適當(dāng)?shù)耐獠科骷螅湍軌颢@得各種不同的電壓和電流。其中LM7805是輸出5V DC的三端穩(wěn)壓電路，其相關(guān)參數(shù)見表4-1。
表5-1 LM7805電參數(shù)表
（注：除特別說明，0<Tj<125℃，Io=500mA,Vi=10V,Ci=0.33μF，Co=0.1μF）
5.2 軟件設(shè)計
硬件完成信號的產(chǎn)生與處理后，接下來的工作就全部由軟件部分完成，軟件系統(tǒng)的實現(xiàn)才能真正體現(xiàn)系統(tǒng)的價值，軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計是軟件實現(xiàn)的起點，它對整個軟件部分的實現(xiàn)起指導(dǎo)作用，同時它也羅列出系統(tǒng)的所有功能。
5.2.1 開發(fā)環(huán)境及工具
在本次設(shè)計中軟件設(shè)計環(huán)節(jié)上，基于Windows7操作系統(tǒng)，在KeiluVision4軟件環(huán)境下，利用C語言進(jìn)行編程，程序簡單易懂，可移植性強(qiáng)，利用“宏晶科技”的stc-isp-15xx-v6.85H軟件把對.C源文件經(jīng)過編譯、鏈接后生成的.HEX文件導(dǎo)入AT89C51單片機(jī)中。利用Proteus7.8的仿真作用，將.HEX文件導(dǎo)入電路原理圖中的單片機(jī)中進(jìn)行仿真。
5.2.2 C語言源程序代碼
#include <reg52.h>
#include <math.h>
#define uint unsigned int
#define uchar unsigned char
sbit ST=P3^2;
sbit OE=P3^3;
sbit EOC=P3^4;
sbit led1=P2^0;
sbit led2=P2^1;
sbit led3=P2^2;
sbit led4=P2^3;
sbit dp=P2^4;
sbit ledg=P2^5;
uint temp1;
uchar ad_data;
uchar data dis[5]={0x00,0x00,0x00,0x00,0x00};
uchar code led_segment[ ]={0x3F,0x06,0x5B,0x4F,0x66,0x6D,0x7D,
0x07,0x7F,0x6F}; //共陰數(shù)碼管字碼表
void main(void); //主函數(shù)
void data_pro();
void delay(int count);
void display(); //顯示子程序
void main(void) //主程序
{
ad_data=0; //采樣值存儲單元初始化為0
while(1)
{
ST=0;
ST=1; //給START一個高電平，上升沿復(fù)位A/D內(nèi)部寄存器
ST=0; //給START一個低電平，啟動ADC0809工作 //相當(dāng)于時鐘脈沖
while(EOC==0) //EOC為零，A/D轉(zhuǎn)換過程進(jìn)行中，等待轉(zhuǎn)換結(jié)束變?yōu)?
OE=1; //OE=1，允許A/D向外發(fā)送數(shù)據(jù)
ad_data=P0; //通過P0口讀取數(shù)A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)
data_pro();
display();
}
}
void delay(int count) //定義延時子函數(shù) ,利用循環(huán)來延時
{
int i,j;
for(i=0;i<count;i++)
for(j=0;j<120;j++);
}
void display(void) //LED顯示子程序
{
P1=led_segment[dis[2]]+0x80; //驅(qū)動方法
led1=0; //開第一個數(shù)碼管
delay(1); //動態(tài)顯示方法 進(jìn)行一個很小的延時
led1=1; //關(guān)第一個數(shù)碼管 這樣進(jìn)行動態(tài)顯示
P1=led_segment[dis[1]];
led2=0;
delay(1);
led2=1;
P1=led_segment[dis[0]];
led3=0;
delay(1);
led3=1;
}
void data_pro(void) //數(shù)據(jù)處理子程序
{
temp1=(ad_data*1.0/255)*500;
if(temp1>=200 )
{dp=0 ;
ledg=1; }
else
{ dp=1;
ledg=0;}
dis[2]=temp1/100;
dis[1]=temp1/10%10;
dis[0]=temp1%10;
}
第四章 測試文檔
為了降低成本，在設(shè)計階段為了避免失敗造成的器件的浪費，我們先采用電腦仿真技術(shù)來驗證設(shè)計結(jié)果是否可行。本次設(shè)計中使用的仿真軟件為Proteus7.8。在仿真過程中我們發(fā)現(xiàn)了許多問題并及時找到解決辦法，對出錯的地方加以修正。
6.1 Proteus軟件介紹
Proteus軟件是英國Lab Center Electronics公司出版的EDA工具軟件。它不僅具有其他EDA工具軟件的仿真功能，還能仿真單片機(jī)和外圍器件。它是目前比較好的仿真單片機(jī)及外圍器件的工具。
Proteus是世界上最著名的EDA工具。從原理圖布圖、代碼調(diào)試到單片機(jī)與外圍電路協(xié)同仿真，一鍵切換到PCB設(shè)計，真正實現(xiàn)了從概念到產(chǎn)品的完整設(shè)計。是目前世界上唯一將電路仿真軟件、PCB設(shè)計軟件虛擬模仿軟件三合一的設(shè)計平臺，其處理器支持8051、HC11PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、AVR、ARM、8086和MSP430等，并持續(xù)增加其他系列處理器模型。在編譯方面，它也支持IAR、Keil和MPLAB等多種編譯器。
圖6-1 Proteus軟件界面
6.2 線圈振蕩電路仿真
圖6-2 線圈電路仿真原理圖
圖6-3 線圈電路仿真結(jié)果圖
由上圖仿真結(jié)果發(fā)現(xiàn)，輸入到示波器A通道的經(jīng)過放大后的震蕩信號（黃色波形）與直接由555振蕩器輸出的輸入到示波器B通道的原始震蕩信號（藍(lán)色波形）相比，存在較明顯的失真，且沒有放大，甚至有所衰減。而且原始震蕩信號輸出峰值約為5V，已足夠大，不需要再經(jīng)過放大，經(jīng)過多次嘗試和討論分析，最終決定在實際電路中放棄此電路中的NPN三極管放大電路。此方案經(jīng)驗證確實可用。
6.3 檢測信號放大電路仿真
（1）單級放大
圖6-4 毫伏級交流信號單級放大仿真原理圖
圖6-5 毫伏級交流信號單級放大仿真結(jié)果圖
上圖單級放大為反相放大，放大倍數(shù)為10倍，信號輸出效果很好，無失真。但是放大倍數(shù)不足，若通過改變電阻改變放大倍數(shù)，當(dāng)倍數(shù)達(dá)到一定時會發(fā)生較嚴(yán)重失真，故決定采用雙級放大。
（2）雙級放大
圖6-6 雙級信號放大電路仿真原理圖
圖6-7 雙級信號放大電路仿真結(jié)果圖
如上圖可見，采用雙級放大時，當(dāng)輸入信號峰值較大時（約超過20mV時），就會出現(xiàn)非常嚴(yán)重的失真，（頂部失真與底部失真都會出現(xiàn)），所以此電路可放大信號峰值范圍有限，故不能采用此電路。
圖6-8 可適應(yīng)此次設(shè)計的雙級放大電路仿真原理圖
圖6-9 可適應(yīng)此次設(shè)計的雙級放大電路仿真結(jié)果圖
從上圖電路可看出，此放大電路放大倍數(shù)與放大信號峰值范圍（峰值在0-90mV范圍內(nèi)的交變信號能做到頂部不失真的放大輸出）都能達(dá)到預(yù)期要求，但是波形看起來有較大變化——信號負(fù)半軸部分全部失真（但是正半軸信號無明顯失真）。然而在本次設(shè)計中不必考慮，因為結(jié)合后續(xù)的峰值檢波電路，只需要比較準(zhǔn)確的峰值就可以，此電路可以滿足設(shè)計要求。
6.4 峰值檢波電路仿真
圖6-10 峰值檢波電路仿真原理圖
圖6-11 峰值檢波電路仿真結(jié)果圖
此電路作用是將測量到的交變電壓信號轉(zhuǎn)變?yōu)橐员粶y信號峰為參考的直流電壓信號，結(jié)合圖5-9的雙級放大電路使用，忽略圖5-9電路中底部的失真，輸出代表信號大小的峰值信號。
注意在此電路中對于C1電容的選擇，若選取過小，如100pF，則會出現(xiàn)圖5-12的現(xiàn)象，即由于放電過快，使得出現(xiàn)“鋸齒”。也不可選取過大，如0.1uF，則會出現(xiàn)圖5-13的現(xiàn)象，即由于放電太慢，峰值信號不能及時跟隨原信號。
圖6-12 電容C1選取過小（C1=100pF）
圖6-13 電容C1選取過大（C1=0.1uF）
圖6-14 雙級交流放大+峰值檢波電路
圖6-15 雙級交流放大+峰值檢波電路仿真結(jié)果
6.5 A/D轉(zhuǎn)換與單片機(jī)控制電路仿真
圖6-16 未報警時某時刻仿真結(jié)果圖
圖6-17 報警時某時刻仿真結(jié)果圖
在仿真源程序中，我設(shè)置報警的閾值輸入電壓為2.00V，當(dāng)輸入信號電壓超過2.00V時紅燈亮起，蜂鳴器報警；低于2.00V時紅燈滅，綠燈亮起，蜂鳴器停止報警。（此2.00V報警電壓為為了測試隨意設(shè)置的，實際報警電壓需要利用線圈震蕩電路和霍爾元件檢測電路實際測得后確定。）
在整體電路中，輸入ADC0809的IN0口的輸入信號由霍爾元件檢測到的并經(jīng)過放大和峰值檢波后的直流信號提供，ADC0809的時鐘信號CLOCK可由555震蕩電路輸出的24KHz，5V的矩形波提供。
第五章 風(fēng)險預(yù)計
對于金屬探測器來說，其風(fēng)險來自于漏檢、多建或錯檢。在安檢場所，漏檢會使入場人員攜帶有危險物品如：小刀、匕首、槍支、炸彈等，這是十分嚴(yán)重的安全隱患。多檢和錯檢將會增加安檢的工程量，使安檢過程變得復(fù)雜漫長。
對于本次設(shè)計，其由于放大電路對微弱檢測信號的放大，以及A/D轉(zhuǎn)換和單片機(jī)處理電路的精確，使得本次設(shè)計的金屬探測器靈敏度較高，可以檢測出幾毫伏的電壓變化，大大降低了漏檢的概率，降低了安全隱患。
另一方面，本次設(shè)計中用來作為報警參考的電壓來自于預(yù)先對檢測電路的的信號采集，所以可以人為的在程序中根據(jù)需要更改設(shè)定值。
本次設(shè)計默認(rèn)大于兩枚一元硬幣的金屬物質(zhì)為危險物品，故采用兩枚一元硬幣作為采樣標(biāo)準(zhǔn)，則在安檢過程中小于兩枚硬幣大小的金屬將不會被檢出，在保證安全的前提下大大減少安檢的工作量。
第六章 成本分析
本次設(shè)計在保證可靠性、靈敏度、精度和可用性的前提下，選用了性能較好、性價比較高的器件，降低了成本。
表8-1 所用器件價格報表
| | | | | | | | | C1, C2, C3, C7, C8, C9, C10, C11, C12 | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | R1, R2, R3, R4, R8, R9, R10, R11, R12, R13, R14, R15, R16, R17, R18 | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | |
由上表可見，此款金屬探測器在硬件器件上成本較低，使大規(guī)模生產(chǎn)成為可能。同時器件的價格也決定未來產(chǎn)品的價格，較低的價格會使產(chǎn)品在日后的市場競爭中處于優(yōu)勢。
第七章 用戶手冊 本設(shè)計電路由+9V單電源供電，在設(shè)計過程中用學(xué)生電源提供，在實際使用中考慮到便捷性，擬采用六節(jié)1.5V的5#干電池串聯(lián)使用，或利用可充電鋰電池作為電源供電。 9.1 使用說明 電路中有一個開關(guān)（S1），是單片機(jī)復(fù)位開關(guān)，一般不需要使用，當(dāng)儀器出現(xiàn)故障時（如蜂鳴器始終在響或輸出值維持不變時），按一下此按鈕，即可使儀器恢復(fù)出廠設(shè)置，繼續(xù)使用。 為了節(jié)約電量，此設(shè)計在電源部分與電路部分之間將引入一個總電源開關(guān)，此開關(guān)閉合，儀器進(jìn)入工作狀態(tài)，開關(guān)斷開，儀器停止工作，節(jié)約了電源電量。 在檢測過程中若綠燈亮起，則證明無金屬；紅燈亮起，且伴隨蜂鳴器響起，則證明存在金屬物質(zhì)。 9.2 常見故障及解決辦法 （1）電源指示燈不亮？ 1.檢查電源開關(guān)是否打開。 2.檢查電池是否有電。 3.檢查指示燈是否損壞。 （2）打開電源后蜂鳴器一直在響？ 按下單片機(jī)復(fù)位按鍵（S1），重新檢測。 （3）檢測金屬物質(zhì)時蜂鳴器不響？ 1.檢查紅燈是否亮起，紅燈亮起則蜂鳴器損壞。 2.被測物體是否達(dá)到最小識別金屬大小。 （4）控制電路無反應(yīng)？ 檢查單片機(jī)和ADC0809是否燒壞(單片機(jī)明顯發(fā)熱)。
總 結(jié) 本次所做的項目為手持式金屬探測器，經(jīng)歷了金屬探測器原理分析、總體設(shè)計、實現(xiàn)調(diào)試和最后的項目改進(jìn)5個步驟，充分體會到了進(jìn)行電子產(chǎn)品開發(fā)的辛勞，也從中體悟到了如何從事工程項目的開發(fā)以及應(yīng)該具備的品質(zhì)。做完這次設(shè)計后我身有體會，我覺得作為一個自然科學(xué)研究與學(xué)習(xí)的人員，首要具備的品質(zhì)是冷靜，要冷靜的尋找問題的根源，冷靜的面對任何突發(fā)的情況，只有這樣你才能尋找更好的方法擺脫目前的困境，解決現(xiàn)存的問題。其次，要有足夠的耐心，在進(jìn)行工程的開發(fā)，尤其是電子產(chǎn)品的開發(fā)時，其過程中會暴露出許許多多的問題，你必須耐心對待這些問題，找出原因最后滿足項目的要求。如過沒有足夠的耐心和勇氣遇見挫折就開始心浮氣躁，不知所措。那么要想順利完成一件工程真是難上加難。 這里所使用的設(shè)計方案其實有很大的擴(kuò)展空間，既然金屬探測模塊對外提供了一個數(shù)據(jù)接口，我們可以在這個接口之上添加一個無線的收發(fā)模塊，單片機(jī)傳過來的數(shù)據(jù)通過無線發(fā)送模塊發(fā)送出去，接收模塊通過一個串口連接到PC機(jī)，在PC機(jī)中用軟件編寫一個接收器，對接收過來的數(shù)據(jù)進(jìn)行再處理。PC機(jī)具有強(qiáng)大的存儲空間，這樣可以引入更加復(fù)雜的算法來對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，進(jìn)一步準(zhǔn)確的判斷金屬的類型，況且通過PC機(jī)還可以獲得更加龐大的網(wǎng)絡(luò)資源，可以借此對金屬探測器的功能進(jìn)行在擴(kuò)大。還可以將前端金屬探測模塊做成一個探雷小車，小車在前方進(jìn)行探測，而操作人員只需在很遠(yuǎn)處借助于一臺PC機(jī)就會對前端的情形了如指掌。 其實還可以與更多的數(shù)字功能模塊相連實現(xiàn)更加強(qiáng)大的功能，這就是數(shù)字探測器的魅力所在。
|
QQ好友和群
QQ空間
騰訊微博
騰訊朋友
收藏
淘帖
頂
踩
