毕业论文-单片机管线探测器设计与制作.doc

西安科技大学高新学院毕业设计系 别：机电信息学院专 业：计算机科学与技术学 生 姓 名：Xxxxx学 号：设计(论文)题目：单片机管线探测器设计与制作起 迄 日 期:2013年7月9日-2014年1月12日设计(论文)地点: xxxxxx指 导 教 师:xxxx专业教研室负责人:xxx发任务书日期: 2013年7月09日毕 业 设 计（论 文）任 务 书1本毕业设计（论文）课题应达到的目的：单片机管线探测器设计与制作题目，是为现代家居装修改水改电做原线路参考而设立的。题目要求熟悉和掌握单片机的原理、三点振荡器原理和LCD1602液晶显示器功能，利用合适的51（或52）系列单片机进行硬件和软件设计，完成单片机管线探测器的电路设计、主要线路制造和联机调试，达到实用目的。2本毕业设计（论文）课题任务的内容和要求（包括原始数据、技术要求、工作要求等）：技术要求：（1）采用电池供电，所完成装置应尽可能小体积；（2）装置要保证5厘米之内，正确探测出有色金属和黑金属的轨迹；（3）探测灵敏度可调。工作要求：（1）完成对单片机及电磁探测原理的调研和设计；（2）利用PROTEUS等工具软件完成管线探测器的硬件电路图设计；（3）利用C51等工具软件完成管线探测器的软件设计；（4）将整个程序下载到设计和制作好的硬件设备上；（5）完成组装与测试。毕 业 设 计（论 文）任 务 书3对本毕业设计（论文）课题成果的要求包括毕业设计、论文、图表、实物样品等：（1）提供一套比较完整的成品模型；和其相应的驱动软件。（2）论文：按照计算机工程的要求和论文写作规范，完成论文。4主要参考文献： 根据搜索和查找资料，具体填写！l 要求按国标GB 771487文后参考文献著录规则书写，例如：1 刘国钧，陈绍业，王凤翥.图书馆目录.第1版.北京：高等教育出版社，19572 傅承义，陈运泰，祁贵中.地球物理学基础.北京：科学出版社，1985，4473 华罗庚，王元.论一致分布与近似分析.中国科学，1973（4）：3393574 张筑生.微分半动力系统的不变集研究：学位论文，北京：数学系统学研究所，19835 Borko H，Bernier C LIndexing concepts and methods .New York:Academic Pr,1978 毕 业 设 计（论 文）任 务 书5本毕业设计（论文）课题工作进度计划：起 迄 日 期工 作 内 容2013年10月07至10月20日1.根据题目和毕业设计任务书的要求，采样应用考察或者网络搜索等方式进行调研，同时积累资料。2.完成开题报告。2013年10月21至11月03日1. 学习单片机原理与应用、C51软件，复习如PROTEUS等电路图绘制软件。2. 完成电路图设计。2013年11月04至12月01日1. 采购元器件，完成硬件电路焊接。2. 设计和加工（或采购）机械部分，完成组装3. 完成软件框图、流程图设计，完成控制程序编制。2013年12月02至12月22日1. 完成软件调试、硬件调试和联合调试。2. 整理资料，撰写论文。2013年12月23日至2014年01月05日修改论文，打印装订，准备答辩资料。教研室审查意见：教研室主任（签名）： 年 月 日 单片机管线探测器设计与制作 摘 要金属探测器是专门用来探测金属的仪器，广泛应用于工业生产、安检、娱乐等领域。采用新的原理，设计一个基于单片机的手持金属探测器，利用其检测人们随身携带的金属物品，如小刀、钢笔，甚至可以检测到香烟盒的铝薄。可随身携带，使用方便。本文设计的金属探测是根据电磁感应原理制成的，将一金属置于变化的磁场当中时，根据电磁感应原理就会在金属内部产生涡流，涡流产生的磁场反过来又影响原磁场，这种变化可以转换为频率和幅值的变化，供相关电路进行检测。由电容三点式振荡电路产生正弦波，对其放大和整形后，送入单片机，由单片机探测它频率的变化。当遇见金属时由于电磁感应原理原先建立起来的振荡将受到影响，频率将发生变化，单片机探测到这种变化后进行报警。本文的金属探测器设计了接口，可以和外围的系统进行通讯，实现了与AT89S52管理的液晶显示及键盘组成的外围数据处理与显示模块的通信。对前端探测到的数据进行再处理和分析，并将结果显示在液晶屏幕上，并可以通过键盘对前端的探测精度进行设置。本文完成了系统总体框架的设计，完成了硬件和软件的设计和联合调试。实验证明原理的应用，探测器的设计和制作是成功的，硬件线路设计和加工完好，软件编制正确，完成了操作功能。探测器具有稳定可靠的性能，待制作工艺改进后适于野外、户内和特殊场所的应用，具有应用价值、经济效益和社会效益。关键词：金属探测；电磁感应原理；单片机；涡流；振荡电路Single-chip design and production pipeline detectorABSTRACTMetal detector is designed to detect metal devices, widely used in industrial production, security, entertainment and other fields. The hand-held metal detector is designed by a new principle, based onMCU.It candetect metal objects carried by people, such as knives, pens, even the aluminum thin in cigarette box. It is portable and easy to use. The metal detector in this paper is designed and made on the principle of electromagnetic induction.A metal be placed in the variable magnetic field, in accordance with the principle of electromagnetic induction, eddy current will be generated internally in the metal, eddy current generates a magnetic field in turn affects the original magnetic field, which can be converted to the frequency and amplitude changes in the relevant circuit for testing.Three-point oscillator circuit by the capacitor generates a sine wave, through amplification and shaping, into the MCU.The MCU detects the frequency changes. When a metal object existence, the oscillation originally set up will be affected for electromagnetic induction, the frequency will change, the MCU will alarm after detecting the change. This metal detector is designed interface, and can communicate with peripheral systems, as well as implements communication of display module and peripheral data processing composed of liquid crystal display and keyboard of AT89S52management.It can re-process and analysis the data detected on the front end, display the results on the LCD screen, and can set the progress detected on the front by the keyboard .Based on the design principles and requirements,this article completes the design of the overall framework of the system, completes the six hardware design and general production, completes the software design and programming, achievesfeatures of metal detector measurements, of dynamic display of test results and data Output, completes the hardware and software co-debuggingand parameter measurement. This article basically achieves the expected goals of design and production, and plans a late development.Keywords: metal detector; electromagnetic induction; MCU; eddy current; oscillation circuit目录1 绪论11.1 研究背景与研究意义11.1.1发展过程11.1.2 研究意义21.1.3主要应用场所21.2研究现状31.3 主要研究内容及成果特色51.3.1 主要研究内容51.3.2 成果特色52 总体设计72.1 探测金属的理论依据72.2 传感器原理82.2.1 电涡流式传感器的工作原理82.2.2 基本特性92.2.3 电涡流形成范围102.2.4 低频透射式涡流厚度传感器122.3 基于单片机的金属探测器的设计方案152.4系统设计182.4.1 硬件电路设计182.4.2 软件结构设计193软件模块设计293.1 前端软件设计293.2 外围数据处理与显示模块设计324硬件单元电路设计214.1 振荡电路设计214.2 放大电路和脉冲变换电路224.3 单片机系统234.4 外围设置与显示系统245 实现与性能分析355.1 硬件电路焊接与调试355.1.1 振荡电路的焊接与调试355.1.2 放大电路与脉冲转换电路的焊接与调试365.1.3 单片机系统的焊接与调试375.1.4 外围数据处理与显示模块的焊接与调试385.2 软件模块的调试与集成405.2.1 前端金属探测模块的调试与集成405.2.2 外围数据处理与显示模块的调试与集成425.3 系统性能分析445.3.1 基准频率测定方法的优缺点分析445.3.2 金属探测的精度445.3.3 金属探测的功能测试45致谢49参考文献50附录一防抖动键盘处理源程序56附录二前端金属探测部分源程序59附录三外围金属探测精度设置源程序64441 绪论1.1 研究背景与研究意义金属探测器，顾名思义就是用来检测金属的仪器，在现今社会中有大量的需求和使用，例如矿业。在各种企业，机场会展中心，重要场合的安保，军工产业都需要用到金属探测器。国内的这方面还有大量需求，不论是经济还是科研方面都有研究的必要。1.1.1发展过程跟许多其他的科技一样，金属探测器也是诞生于军事。二战期间，为了避免地雷对部队的打击，科学家就已经有研制出金属探测器的雏形差拍式金属探测器。但是当时并没有广泛的用于工业方面。随着世界进入和平年代，并且逐步进入工业时代，矿业的飞速发展，金属探测器的可实用性受到重视。第一台工业用金属探测器在上世纪60年代诞生。航空业，航海业在70-80年代的兴起，以及80年代末电子时代的来临，金属探测器也开始大展身手。1.1.2 研究意义为了避免“9.11”的惨剧再次发生，高精度的金属探测是至关重要的。同时，犯罪的手段也在不断的变化，为了安全得到保障，也需要金属探测器。而重要的高考和各类国家级别考试，为了保证成绩的真实性，金属探测器的功能需要得到进一步的改进。1.1.3主要应用场所金属探测器基本分为四种类型：1）生活型金属探测器2）军用型金属探测器3）工业型金属探测器4）安全型金属探测器1.2研究现状金属探测器按其功能和市场应用的不同可分为以下几种： 通道式金属探测器； 手持式金属探测器； 便携式金属探测器； 台式金属探测器； 工业用金属探测器； 水下金属探测器。金属探测器是基于电磁感应原理工作的，依工作方式主要有： LC振荡型三类。 脉冲感应型； VLF(very low frequency)连续波型；1.3 主要研究内容及成果特色金属探测器的工作原理简单的讲就是利用电磁感应原理，让交流电通过电感线圈，产生迅速变化的磁场，该磁场能在被检测的金属物体内部产生感生涡流3。涡流反过来有影响原来的磁场，引发探测器报警。1.3.1 主要研究内容本课题主要有下列问题需要解决：1）原理分析收集金属探测器原理和产品的资料，进行金属探测器资料整理和分析利用。2）完成系统设计根据调研结果和可行性分析设计系统总体框架。初步设想探测信号的产生采用LC三点式振荡产生正弦波，经放大，滤波，整形产生所需信号。使得系统的探测信号有良好的抗干扰性。3）完成硬件方案的设计制作硬件设计包括：LC振荡器、放大器、滤波器、中断计时、单片机电路、输出电路（报警或显示）六部分组成。4）软件方案的设计软件设计要求完成：测量功能、动态显示检测结果、数据输出功能。5）系统联合调试与参数测试完成硬件和软件的联合调试，以及参数测量。1.3.2 成果特色该课题的关键技术在于信号的检测、传输和软件的识别，以及实现方法的讨论。该课题涉及传感器技术、通讯技术、单片机和C语言编程等，具有一定的综合性和复杂性。本文所完成的设计将要努力实现以下特点： 必须具有足够高的灵敏度，能检测出满足精度要求的金属杂质； 必须具有足够高的稳定度，能抵抗各种外界环境的干扰，维护方便； 快速完成检测数据采集、处理、显示、存储和标记等任务； 有良好的人机对话界面，可以灵活的修改参数，有记忆功能；易于扩展，有较好的灵活性。2 总体设计2.1 探测金属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，对于如图2-1所示的半径为R的单匝圆形电感线圈，当其中通过交变电流I=时，线圈周围空间会产生交变磁场D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，为介质的磁导率，为相对磁导率，为真空磁导率。图2-1 环形载流导线的磁场由公式（2-1）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，由于铁磁性金属的相对磁导率，所以，磁感应强度B也会随的增大而增大。当线圈有效探测范围内出现非铁磁性金属物时，因为非铁磁性金属的相对磁导率，所以，磁感应强度B也会随的减小而减小。另一方面，置于该交变磁场中的金属导体内会产生自行闭合的涡电流，涡流要产生附加的磁场$与外磁场方向相反$会削弱线圈磁场的变化。金属的电导率越大，线圈中通过的交变电流的频率越大，则涡电流强度就越大，对原磁场的抑制作用越强。通过以上分析可知，当有金属物靠近通电线圈平面附近时，无论是介质磁导率的变化$还是金属的涡流效应均能引起磁感应强度B的变化。本设计正是基于上述理论，寻找一种适合的传感器来感应金属的出现而引起的线圈磁场变化$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。2.2 传感器原理金属探测系统采用的是电涡流传感器涡流传感器，此类传感器具有体积小、灵敏度高、频率响应宽等等特点。电涡流传感器是基于电磁感应原理而工作的，但完全不同于电磁感应，并且在实际测量中要避免电磁感应对其的干扰。电涡流的形成：现假设有一线圈中的铁心是由整块铁磁材料制成的，此铁心可以看成是由许多与磁通相垂直的闭合细丝所组成，因而形成了许多闭合的回路。当给线圈通入交变的电流时，由于通过铁心的磁通是随着电流做周期性变化的，所以在这些闭合回路中必有感应电动势产生。在此电动势的作用下，形成了许多旋涡形的电流，这种电流就称为电涡流。电涡流传感器的工作原理如图2-2所示。当线圈中通过高频电流i时，线圈周围产生高频磁场，该磁场作用于金属体，但由于趋肤效应，不能透过具有一定厚度的金属体，而仅作用于金属表面的薄层内。在交变磁场的作用下金属表面产生了感应电流Ie，即为涡流。感应电流也产生一个交变磁场并反作用于线圈上，其方向与线圈原磁场方向相反。这两个磁场相互叠加，就改变了原来线圈的阻抗Z，Z的变化仅与金属导体的电阻率、导磁率u、激励电磁强度i、频率f、线圈的几何形状r以及线圈与金属导体之间的距离有关。线圈的阻抗可以用如下的函数式表示：Z=F（、u、i、f、d）。当被测对象的材料一定时，、u为常数，仪表中的i、f、d也为定值，于是Z就成为距离d的单值函数。2.2.1 电涡流式传感器的工作原理电涡流式传感器的原理图如图2-2所示。图2-2 传感器的原理图该图由传感器线圈和被测导体组成线圈导体系统。根据法拉第定律，当传感器线圈通以正弦交变电流I1时，线圈周围空间必然产生正弦交变磁场H1，使置于此磁场中的金属导体中感应电涡流I2，I2又产生新的交变磁场H2。根据愣次定律，H2的作用将反抗原磁场H1，导致传感器线圈的等效阻抗发生变化。由上可知，线圈阻抗的变化完全取决于被测金属导体的电涡流效应。而电涡流效应既与被测体的电阻率、磁导率以及几何形状有关，又与线圈几何参数、线圈中激磁电流频率有关，还与线圈与导体间的距离x有关。因此，传感器线圈受电涡流影响时的等效阻抗Z的函数关系式为：Z=F（，r，f，x）式中:r线圈与被测体的尺寸因子。如果保持上式中其它参数不变，而只改变其中一个参数，传感器线圈阻抗Z就仅仅是这个参数的单值函数。通过与传感器配用的测量电路测出阻抗Z的变化量，即可实现对该参数的测量。2.2.2 基本特性电涡流传感器简化模型如图2-3所示。模型中把在被测金属导体上形成的电涡流等效成一个短路环，即假设电涡流仅分布在环体之内，模型中h由以下公式求得：图2-3 电涡流传感器简化模型 （2-2）式中:f线圈激磁电流的频率。根据简化模型，可画出如图2-4所示等效电路图。图中R2为电涡流短路环等效电阻，其表达式为： （2-3） 图2-4 电涡流传感器等效电路根据基尔霍夫第二定律，可列出如下方程：R1+jL1-jL2=式中:线圈激磁电流角频率；R1、L1线圈电阻和电感；L2短路环等效电感；R2短路环等效电阻。等效阻抗Z的表达式为： （2-4）Req线圈受电涡流影响后的等效电阻；Leq线圈受电涡流影响后的等效电感。线圈的等效品质因数Q值为Q=综上所述，根据电涡流式传感器的简化模型和等效电路，运用电路分析的基本方法得到的方程式，即为电涡流基本特性。2.2.3 电涡流形成范围1）电涡流的径向形成范围线圈导体系统产生的电涡流密度既是线圈与导体间距离x的函数，又是沿线圈半径方向r的函数。当x一定时，电涡流密度J与半径r的关系曲线如图2-5所示。由图可知金属导体表面电涡流密度，即电涡流密度最大值。Jr为半径r处的金属导体表面电涡流密度。电涡流径向形成的范围大约在传感器线圈外径ras的1.82.5倍范围内，且分布不均匀。电涡流密度在短路环半径r=0处为零。图2-5 电涡流密度J与半径r的关系曲线电涡流的最大值在r=ras附近的一个狭窄区域内。可以用一个平均半径为ras（ras=（ri+ra）/2）的短路环来集中表示分散的电涡流（图中阴影部分）。2）电涡流强度与距离的关系理论分析和实验都已证明，当x改变时，电涡流密度发生变化，即电涡流强度随距离x的变化而变化。根据线圈导体系统的电磁作用，可以得到金属导体表面的电涡流强度中:I1线圈激励电流；I2金属导体中等效电流；x线圈到金属导体表面距离；ras线圈外径。分析表明:电涡强度与距离x呈非线性关系，且随着x/ras的增加而迅速减小。当利用电涡流式传感器测量位移时，只有在x/ras1(一般取0.050.15)的范围才能得到较好的线性和较高的灵敏度。2.2.4 低频透射式涡流厚度传感器图2-6所示为透射式涡流厚度传感器结构原理图。在被测金属的上方设有发射传感器线圈L1，在被测金属板下方设有接收传感器线圈L2。当在L1上加低频电压U1时，则L1上产生交变磁通1，若两线圈间无金属板，则交变磁场直接耦合至L2中，L2产生感应电压U2。如果将被测金属板放入两线圈之间，则L1线圈产生的磁通将导致在金属板中产生电涡流。此时磁场能量受到损耗，到达L2的磁通将减弱为l，从而使L2产生的感应电压U2下降。金属板越厚，涡流损失就越大，U2电压就越小。因此，可根据U2电压的大小得知被测金属板的厚度，透射式涡流厚度传感器检测范围可达1100mm，分辨率为0.1m，线性度为1%。图2-6 透射式涡流厚度传感器结构原理图2.3 基于单片机的金属探测器的设计方案金属探测器的设计方案根据它的应用的不同而不同，这里引入两种与本次设计应用相进的金属探测设计方案，拿它们与我们的设计方案进行对比，以突显出彼此的优缺。正如综述里所说的数字金属探测器的设计是顺应时代发展，本次设计所要完成的任务是实现一个基于单片机的手持金属探测器。其模型如图2-7所示。可以看出它由四部分组成：高频振荡、信号放大、脉冲转换和信号的处理与报警，下面简单论述以下各个模块的功能。初看上去在结构上和本次设计的金属探测器很相近，实际上它们存在本质的差别。首先，两者在设计思想上完全不同，1）高频振荡这一部分是金属探测的基础，金属探测器的原理是：当金属物体置于变化的磁场当中时，金属内部就会产生涡流，而涡流所产生的磁场又会影响原磁场。高频振荡部分的任务首先就是产生变化的磁场，它往往由一LC振荡电路组成。其次，在遇见金属后由于金属内部涡流的存在，它的磁场会影响原有磁场，使原有振荡电路的振幅和周期都发生改变。这种改变经转换后送入单片机，单片机中有相应的程序对其进行分析判断。2）放大电路振荡电路所产生的正弦波信号的幅值是比较小的，因此需要放大才能进行再处理。3）脉冲转换电路这是本套设计方案所独有的，它是实现本次金属探测数字化的桥梁，单片机只能处理数字脉冲信号，因此振荡电路所产生的信号经放大不能直接送入单片机，这一部分只需要一个TTL门电路对放大电路输出的波形进行转换就行，简单但很重要。4）信号处理与报警这一部分是整个电路的大脑，所有的电路都是为它服务，这一部分也是整个探测器实现网络化或其他功能的桥梁。作为整个电路的大脑，它对整个电路所产生的信号做最终的处理，并根据处理的结果决定是否存在金属，是否要发出警报。这一部分处理能力的强弱影响这整个系统的性能。作为与外部进行沟通的桥梁，它可以将金属探测的信息发送给外围模块供他们进行进一步的处理，它同时也接收外围模块传送过来的控制信号，如对金属探测的精度或其他方面进行设置。图2-7 手持数字金属探测器原理框图2.4 系统设计总体设计将影响整个项目的实现，对整个项目的开发起着指导性的作用，因此总体设计的好坏影响深远，这里的软硬件方案都是经过再三的比较与分析才确定的，硬件和软件两个互相影响，协同工作实现系统的基本功能。由于硬件系统是基础，是软件系统得以运行的平台，因此将它放在前面，先依据硬件的总体设计方案，完成各个单元电路的设计与实现，接下来再根据软件模块的总体方案设计程序流程，在硬件电路的基础之上进行调试。但在设计之初两个部分都需经过认真的分析，确定总体方案后再分阶段进行实现。2.4.1 硬件电路设计硬件电路设计是进行软件设计的基础，是整个金属探测器中最位重要的部分。它设计的好坏决定着系统的稳定性和可扩展性。本次设计的金属探测器的框图如图2-8所示，包括五大部分：线圈振荡、信号放大、脉冲产生、中央处理和外围设置显示模块。线圈振荡电路放 大电 路脉冲变换电路CPUAT89C2051CPUAT89S52报警液晶显示键盘图2-8 手持数字金属探测器硬件设计框图。2.4.2 软件结构设计1）前端程序结构设计图2-9就是前端软件的结构图，从图中可以看出前端软件的主要作用是，频率测定、声光报警和通讯。它分析判断前面功能电路传过来的频率信号对它进行分析判断最后决定是否发出检测到金属的警报。前端软件基准频率测定精度设置频率检 测频率比较声 光报 警通 讯频率测 定比 较图2-9 前端软件设计结构图2）外围数据处理与显示程序结构设计引入外围模块的目的是借助于PC机的强大资源或内置有大容量编程存储器的单片机进行数据分析与处理，从而加强和拓展金属探测器的功能。其次，引入了另一中金属探测的模式，那就是不需要一定去在现场进行金属探测，将这个任务分给在前端进行金属探测的探测小车，探测小车将探测到的信息通过无线模块即时的反馈给后台的处理系统，而这时的分析员只需坐在PC机前就回对前端的情况了如指掌。外围数据处理与显示模块的软件结构图如图2-10所示。外围数据处理与显示液 晶显 示键 盘接 收按 键处 理通 讯精度设 置建立连 接图2-10 外围数据处理与显示软件结构图3 软件设计硬件电路要完成的任务是，产生振荡，并将波形变换为能够被单片机处理的方波，接下来进行频率测定、报警、通讯等都要用程序实现最后烧入单片机。以下是各功能模块的软件设计。软件模块是整个系统的灵魂，软件部分设计的好坏直接影响到系统的精度、可用性、方便性和智能性。好的软件上在实现系统功能的前提下尽可能的友好，方便用户的使用。金属探测器中的程序分为两个部分，前端软件模块和外围数据处理与显示模块，前端软件完成的是一些比较基础的工作，如振荡频率的检测，比较，报警等，它与底层的硬件关系比较密切所以采用汇编语言进行编写，而外围数据处理与显示模块是进行数据的再处理的，是更高一层的分析与判断，它直接处理由前端模块传过来的数据，对其进行处理显示。它的程序量比较大，包括键盘的驱动和液晶的驱动，所以选择模块性比较强的c语言进行编写，两个模块结合起来实现了一个更加方便、智能的数字金属探测器。3.1 前端软件设计前端软件负责频率的测定、频率的比较、报警以及与外围模块的通信，程序流程图如图4-1所示。1）频率获得获得频率是通过定时器T0和计数器T1两个协同工作而完成的。程序中所使用的频率不论是基准频率还是新探测的频率，都是50ms内所获得的脉冲数。这对此次设计的手持式金属探测器已经足够了，要想提高精度，一是延长获得脉冲的时间，二是减小PRISE(它是频率波动的范围，如果超出此范围则报警)。2）获取基准频率基准频率的获得至关重要，因为它一经获得将作为判断有无金属的基准。其值的可靠性将影响整个程序的健壮性。基准频率的获得是按照如下方法获得的，如图4-2所示。F_COMM：标志是否进行通讯；F_COMP：标志比较的结果；F_FR：标志基准频率是否成功获得F_FR：标志是否已经顺利获得基准频率。F_COMM：后台是否发送通信请求。F_OK：标志通讯已建立。F1：新获取的频率。F基准频率。图3-1 前端金属探测主程序流程图图3-2 基准频率测定程序流程图3）比较模块比较模块的程序流程图如图4-3所示，比较模块比较重要，程序通过它它来判断是否要发出警报和发出什么样的警报，可以修改传入给它的参数来改变金属探测的精度。4）精度设置模块精度设置模块的程序流程图如图4-4所示，精度设置是通过改变传入给比较模块的PRISEH，PRISEL的值来改变精度的，如果PRISEH，PRISEL的值设置的都比较大则对微小的频率变化系统不会发出警报。图3-3 频率比较程序流程图（有起始框，不规范）图3-4 精度设置程序流程图3.2 外围数据处理与显示模块设计1）液晶显示液晶显示模块是严格按照产品操作的时序图编写的驱动函数，共分为两大类函数，指令的读写和数据的读写，只要将操作位和数据位按照时序严格的结合在一起就可以完成数据的显示。用户只需要调用封装好的显示函数：DisplayOneChar(显示单个字符)、DisplayListChar(显示一个字符串)、Displayarray(显示一字符数组)。2）键盘接收键盘是输入设备，用它来实现人机交互，让机器更好的按人的要求去工作。这里引入键盘的目的是，1进行金属探测精度的设置；2在进行数据通讯时进行控制。由于键盘普遍存在抖动现象，如果抖动现象处理不好，会发生意想不到的结果。为了防止抖动，在程序设计中采用了，一次键位判断，两次键位检测的方法，每一步骤间隔5ms，每次键位确定需要15ms，在检测与接受过程中每一步骤出现错误都将从新开始验证，因此保证了对用户输入的无误接受。键盘接受模块的程序流程图如图4-5所示。3）键盘处理模块键盘处理模块在判断是哪个键按下后，就立即引发相关的操作来满足用户的需求。同时键盘处理模块也展现出了系统提供给用户的所有功能。精度设置部分程序流程图如图4-6所示。图3-5 键盘接受处理程序流程图图3-6 设置数据与前端单片机的通讯图4 硬件电路设计单元电路设计是在硬件总体设计的指导下完成一个个小的功能电路的设计，在将各个部分组合起来实现一个整体的功能，因此每一个功能电路设计的好坏都将影响系统的整体功能。完成每一个功能电路的设计后，设计阶段才告以段落。这一部分的设计直接与实现紧密联系，器件参数的确定，电路板的焊接与调试，以及到最后的性能分析，都要用到这一部分的设计结果，因此这一部分的设计最有实际价值。4.1 振荡电路设计振荡电路部分采用的是电容三点式振荡电路，设计的主旨是在保证产生稳定振荡的前提下，使频率低于300KHz，这样的目的是为了金属探测器在进行工作时不受广播频段的影响。这部分的电路图如图4-1所示。图4-1 三点式震荡电路电路元器件参数是在满足主旨的情况下进行选取的。因此谐振回路中电容C1、C2和电感L的取值分别为0.22f、0.47f、500h。其中电感值只是理论计算的理想值，实际中是用半径0.31mm漆包线绕20圈直径为6cm的线圈而构成的，电感值接近500uf但有一定范围的偏差。偶合电容选用两个10f的独石电容，旁路电容Cb3选用47f的铝电解电容。共射极反馈放大电路中的晶体管选用放大倍数超过50倍的CS9014。组装调试后振荡电路的实际频率为33KHz满足我们的要求。电容三点式振荡电路的工作原理分析，假设将反馈回路断开，同时假如晶体管的基极以(+)极性信号，则BJT的集电极为(-)极性(共射极放大电路的反向放大特性)，由于谐振回路的两个电容的一端同时接地，另一端串一电感所以两个电容的极性相反，即反馈端的为(+)极性，因此满足相位平衡条件。电路中晶体管的放大倍数比较大且C1和C2的比值小于0.5，都有利于起振。由于反馈电压是从电容两端去出的对高次谐波的阻抗小，因此可将高次谐波滤除，所以输出的波形好。电容三点式振荡电路的频率为：(3-1)使用谐振回路中的电感线圈进行金属探测，当遇见金属是电感L1的Q值将发生变化，由电容三点式振荡电路的频率计算公式可以看出，电感增加时谐振频率减小，电感减小时谐振频率增加。电路的谐振频率同时也影响着检测金属的精度，当谐振频率高时线圈产生磁场的变化率也就越高，根据电磁感应原理在金属内部产生的涡流就越大，同是涡流产生磁场对原磁场的影响也就越大。4.2 放大电路和脉冲变换电路放大电路和脉冲产生电路合起来产生一定频率的脉冲供单片机进行处理。电路原理图如图4-2所示。从振荡回路传过来的正弦波信号经过电压跟随器传送到差分放大电路针对其交流信号进行放大，放大后产生的电压信号送给TTL门电路对其进行整形以产生规则的脉冲波送入单片机。电压跟随器和差分运放均选用LM358。将集成运放的输出端和它的反向输入端相连就构成了电压跟随器，由于它的电压增益为“1”所以叫电压跟随器，它的特点是输入阻抗高输出阻抗低，因此起到隔离的作用，对其后的工作电路如同一个恒压源，又由于它的输入阻抗高就相当与对前级电路开路，这里引入电压跟随器的目的也是为了使振荡信号的产生和处理分开，使其互不影响。图4-2 放大与脉冲转换电路放大部分的作用是对正弦交流信号进行无穷放大，LM358的反向端接受电压跟随器穿过来的电压信号，同向端和反向端接一5K的分压电阻，给与同向端并联的电阻并联一个10f的电解电容的目的是为了使同向端保持一个稳定的直流分压，这样送往集成运放的差分电压信号就只是交流信号，在交流信号进行无穷倍的放大，最终产生的是频率与正弦波频率相同的梯形波。门电路选用的是74LS08(与门)，用史密特触发器替换也可以，它对输入的梯形波进行逻辑运算在以TTL电平出运算结果，因此可以将梯形波转换成适合于单片机进行处理的脉冲波。使用LS08进行波形变换的原理图如图4-2所示，正弦波经过图4-2的放大模块后变为梯形波，梯形波经过74LS08（与门），最后变换为标准的方波，如图4-3所示。图4-3 波形转换4.3 单片机系统图4-4就是单片机处理系统，将频率探测、报警和通讯几个模块程序组合起来烧写进去，它就会按你事先编写好的步骤进行工作。图4-4 前端金属探测部分单片机系统1）复位电路REST引脚一但变成两个周期以上高电平所有的I/O口都将复位到“1”状态，编程地址计数器复位到000H，针对这一特点在按钮两端并联一10f的电解电容，正极接电源，这样在按钮按下又释放后由于电容的充电可以在电阻两端维持至少两个时钟周期以上的高电平。2）蜂鸣器在给蜂鸣器的正极和负极分别通上高电平和低电平时蜂鸣器就会发声，因此你可以通过给蜂鸣器不同频率的电平来使它发出不同的声音。3）单片机单片机选用的是AT89C2051高性能CMOSE8位单片机，内含2K的可反复檫写的FLASH只读存储器和128B的随机存储器。由于本次金属探测器的设计，包括前端金属探测部分和后台数据处理和显示两个部分，因此在前断只需要一个容量不大的单片机进行振荡频率的测量、报警和通信，2K的AT89C2051足以满足需求。2051的“1”号记数器记录由LS08发送过来的脉冲信号，联合“0”号计数器来检测振荡电路的频率。再根据频率的变化激活相应的发光二极管和峰鸣器进行报警。4.4 外围设置与显示系统图4-5和图4-6是外围设置与显示系统，它有三部分构成：键盘输入、液晶显示和单片机系统。1）键盘输入键盘采用的是23的按键阵列，如图4-5所示。该阵列键盘的工作原理是，将两条行线和3条列线接入AT89S52的一组I/O双向接口(比如：P1的低5为)，在程序中通过给行线和列线先后输入，高电平低电平、低电平和高电平来判断是哪个按钮按下。例如给P1的低5位的电平信号为11000，假如现在第2个按钮按下则此时的管脚电平信号为01000，所以判断为第一行。再将P1的低5位置为00111，由于第2个按钮被按下，则此时的管脚电压为00101，所以可以判断是第2列，到此就可以判断是第1行第2列的按钮被按下了。图4-5 阵列键盘原理图 2）单片机系统单片机使用的是有8K容量FLASH的AT89S5211，由于在这个模块要引进算法对数据进行再处理，在加上液晶和键盘的驱动程序，所以需要比较大的程序空间，故没有使用内部存储器小的AT89S51。图4-6 液晶显示器接线图 5 实现与性能分析前面所有的准备都是为这一阶段做准备，这一部分的内容也将是最重要，最烦琐，最能考验人意志的。首先需要准备器件，一次是绝对不会准备好所有的器件的，因为在调试时时常会发生与预想的结果不一致的情况，或许在这个阶段还要进行方案的局部修改。其次，调试工作考验人的细心与耐心，稍有不慎就可能烧毁器件，比如将单片机接反、电解电容接反、电源线接反、器件管脚焊接不对、电路板短路等等一系列由于不细心造成的后果。然而这个阶段也是最锻炼人的阶段，这一部分的经历最深刻最有意思。（这段可以写在总结部分）5.1 硬件电路焊接与调试硬件电路的调试我分为四个阶段：振荡电路的焊接与调试、脉冲转换电路的焊接与调试、单片机处理系统的焊接与调试和外围单片机系统的焊接与调试。5.1.1 振荡电路的焊接与调试1）所需器件面包板一个、三极管(CS9014)一个、10f耦合电容两个、47f旁路电容一个、谐振电容0.22f和0.47f各一个、自绕电感线圈一只、33K、20K、1.3K、2K电阻各一个。2）电感绕制选用半径为0.31mm的漆包线，绕成半径为3cm的线圈，绕制20圈。在电感测量仪上测量其电感值大约在500H左右，用手使线圈间距边小，线圈的电感值会相应的增大，最后用胶带纸将线圈缠在一起使它们之间的间距相对固定，这样电感值保持在500H，误差在10H以内。3）调试所有的器件准备好并焊接在万用PCB板上，按照电路图检查各器件件的连接情况无误后，进行上电调试。振荡电路的起振都没有问题，可以产生幅值越为0.2V、频率接近33KHz的正弦波。4）出现的问题与解决方法可以产生稳定的正弦波，频率符合，但是幅值偏小。将C1(0.47f)、C2(0.22f)的两个谐振电容进行调换以后，正弦波的幅值明显增加，增为0.5V，频率不变。信号的直流分量不是一个固定的值而是在2.0V2.4V之间进行周期性的变化，先从2.4V减到2.0V，再变为2.4V就这样周期性的变化。这个问题是在信号放大部分采用隔直流方法解决的。5.1.2 放大电路与脉冲转换电路的焊接与调试这一部分多为集成电路只需按照放大电路的要求进行连接连接就可以。1）所需器件万用PCB板同前面的电路共用，另加LM358(内置两个放大器)一片、74LS08(内置4个与门)一片、10f铝电解一个、5K、500K电阻各一个。2）调试振荡电路产生的正弦波不能直接进行脉冲波的变换，因为它的幅值太小，所以必须经过放大电路的放大。由于上面出现的电压不稳定问题，因此这里的放大电路只对信号的交流分量进行无穷放大。信号经电压跟随器进入LM358的反向端，同向端与反向端之间接一5K的电阻，而同向端则通过分压器分得与反向端成固定比例的电压。这样可以使同向与反向之间要进行差分放大的部分保持相对不变。在加上在同向端并联一10f的旁路电容，它可以短路交流信号，因此同向端可以保持一个固定的直流分量，而交流分量通过差分放大器进行无穷倍（实际40万倍左右）的放大。信经此放大电路后变换为与前面正弦波频率相等的梯形波幅值为3.7V，如图3-1。转换为幅值为3.7V梯形波后，在将其转换为单片机可以处理的脉冲波就相对容易了。简单的处理就是通过一TTL门电路，TTL门电路可以将逻辑运算的结果转换为TTL电平(5V)，这里选用的是74LS08(与门)，当然史密特出发器，其它的门电路都可以完成这样的转换。将与门的一端接入5V电源另一端接放大电路的输出端。转换的结果如图5-3所示。3）出现的问题与解决方案如果放大电路不是采用上面的接法，而是将同向端接一电阻接地或是从电源经一分压器得一固定的分压，那么也可以产生梯形波不过它是不稳定的，表现为波峰和波谷之间进行周期性的转换，比如开始波峰占2/3周期波谷占1/3周期，过一会波峰占1/3波谷占2/3，最后到波峰消失，而后又回到初始状态，这种现象对脉冲变换和最后的频率检测都是不利的，更可怕的是会由于波形的不稳定而造成意想不到的结果。比如在没有碰到金属时发出警报。5.1.3 单片机系统的焊接与调试单片机系统的焊接与调试往往是放在最后一个环节，这是由于单片机系统的作用是进行控制和数据的处理，因此在对它进行调试之前，被控制的功能电路必须已经调试完毕，并能将信号发送给单片机供单片机进行分析判断，最后将控制信号从I/O口输出。1