AT89S52单片机控制的智能型金属探测器毕业论文

目录摘 要 .1ABSTRACT.2第一章 绪论 .31.1 选题的意义 .31.2 国内外研究现状及存在问题 .31.3 设计的基本思路 .4第二章 分析探测金属的理论依据 .52.1 线圈介质条件的变化 .52.2 涡流效应 .6第三章 硬件电路设计 .73.1 系统组成 .73.2 硬件电路功能描述 .83.3 整机工作原理描述 .28第四章 系统软件设计 .294.1 软件设计思想 .294.2 数字滤波及算法说明 .304.3 主程序流程图 .314.4 主要子程序模块设计 .32第五章 主要技术指标分析 .42总结 .43致谢 .44参考文献 .45附录 .461摘 要木文着重介绍了一种基于 AT89S52 单片机控制的智能型金属探测器的硬件组成、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，并与设定的电压基准值相比较后，判定是否探测到金属。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。此外，文中还对影响金属探测器的灵敏度与稳定性的因素进行了探讨，仪器的工作频率、检测线圈的尺寸及匝数等是影响灵敏度的主要因素；而应用现场的环境温度、湿度及线圈的制作工艺和供电电源的稳定程度是仪器稳定性的影响因素。关键词：单片机；金属探测器；线性霍尔元件2ABSTRACTThis paper describes the composition of hardware and software,working principles and the functions of an intelligent metal detector which mainly consists of AT89S52 single Chip Micyoco and linear Hall-Effect Sensor. The equipment adopts UGN3503U linear hall-effect sensor as probe to detect the magnetic field change of the centre of a search coil resulted from eddy current effect and turn this magnetic field change into voltage change. The SCM measures the peak value of voltage and compares it with reference voltage. The determine whether detect metal or not. In case of detection of metallic mass,the Metal Detector provides an acoustical and optical alarm. The systems software adopts the assembler language to be written. Inside the software,the digital filter technology is utilized to eliminate the jamming. So the stability of system and the measuring veracity are improved. The effect of all factors on sensitivity and stability of Metal Detector are discussed in this paper. It is concluded that the operating frequency,the size of the search coil and turns are the main factors effected on the sensitivity of the instrument,the environment temperature and humidity in site,the winding technology of coils and the stability of power supply are the factors effected on stability of instrument.KEYWORDS:SCM (Single Chip Micyoco);metal detector;linear hall-effect sensor3第一章 绪论1.1 选题的意义金属检测系统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。在食品生产过程中对金属混入物的检测或交通部门对旅客的安全检查主要靠金属探测仪。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通讯工具进行作弊。食品在生产加工过程中，常因设备的磨损、零件的脱落等造成金属粉末、金属粒子或针状不定形的金属异物混入食品中，给食品安全性带来极大危害，对食品生产企业的信誉造成极大损失。因此，常采用金属探测器对产品进行检测，杜绝金属异物在产品中的存在。为了人们能够吃到安全的食品，设计一种智能金属检测系统来检测对人们身体健康构成危害的金属异物势在必行。1.2 国内外研究现状及存在问题1.2.1 国内外研究现状随着科学技术的发展，金属探测器经历了几代探测技术的变革，从最初的信号模拟技术到连续波技术直到今天所使用的数字脉冲技术，金属探测器简单的磁场切割原理被引入多种科学技术成果。无论是灵敏度、分辨率、探测精确度还是工作性能上都有了质的飞跃。应用领域也随着产品质量的提高延伸到了多个行业。金属探测器的一个重大技术进步就是分段限时技术的出现，世界几大著名的金属探测器生产厂商，如 EIPaso、Ceia USA、Ranger & Metorex 等，均投入了相当的资金从事这项研究、开发工作。它利用探测器的侧面或另一仪表盘上的灯光来指示或显示出人体中金属物品的近似位置，可以用在诸如法庭以及其4他不允许发出声音的地方，虽然关闭了探测器的音量，但它仍能显示并提醒操作人员何时何处有金属物品存在。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检测精度。目前，国外虽然已有较为完善的系列产品（如 EIPaso、Ceia USA、Ranger & Metoerx 等厂商的产品） ，但价格极其昂贵；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环境如温度、湿度、电焊等诸因素的干扰。1.2.2 存在问题传统的方法是传感器探头由 LC 正弦波振荡电路组成，当金属物经过探头或将探头在金属物附近移动时，由于磁场变化在金属体内产生涡流，导致 LC振荡电路失谐，从而使振荡输出电压发生改变，据此信号系统可探测到附近金属物的存在。这种电路一般采用模拟电路设计，抗干扰能力差，影响整个系统的稳定性，导致波形失真甚至停止振荡。由于模拟电路比较复杂，所用的器件太多，导致在金属接近磁敏探头时，探测的灵敏度低，环境变化或元件老化造成电路工作点漂移。1.3 设计的基本思路本文介绍的基于单片机控制的智能型金属探测器，采用灵敏度极高的线性霍尔元件作为传感器，检测由于金属出现引起的探测线圈周围磁场的变化，提高了检测精度；处理部件则采用 AT89S52 单片机作为检测和控制核心，对检测结果进行分析判断，有效地保证了检测原理的实施；此外，利用软件滤波的方法代替了传统探测器复杂的模拟电路器件，大大提高了系统的可靠性、灵敏度和抗干扰性。适用于固体食品生产过程中对金属混入物的检测，也可用于探测隐藏于墙内、护墙板内侧、空洞和土壤中的上述物品和其他金属物。5第二章 分析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。根据电磁感应原理，当有金属物靠近通电线圈平面附近时，将出现涡流效应。2.1 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 的单匝与圆形电感线圈，当其中通过交变电流 时，线cosmIwt圈周围空间产生交变磁场，根据毕奥一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：2230sin4Rx IIRddlrr= （2-1）2233cos()()rmIIwtx式中 ；0r介质的磁导率；相对磁导率；r真空磁导率。0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）203cos()rmRIBwtx由公式（2-2 ）可知，当在线圈有效探测范围内没有金属物存在时， 1r（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6范围内出现铁磁性金属物时， 会变大，B 随 也会变大。rr图 2-1 圆形电感线圈轴线上磁场的计算2.2 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，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，则涡电流强度越大，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。对于非铁磁性的金属，包括抗磁体（如:金、银、铜、铅、锌等）和顺磁体（如锰、铬、钦等） ， ， 较大，可以认为是导电不导磁的物质，主要产生涡流效应，磁1r效应可忽略不计；对于铁磁性金属（如：铁、钻、镍） 很大， 也较大，可r认为是既导电又导磁物质，主要产生磁效应，同时又有涡流效应。本设计正是基于这样的理论，寻找一种适合的传感器检测感应线圈磁场的7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。第三章 硬件电路设计3.1 系统组成如图 3-1 所示，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，包括：UGN3503 型线性霍尔元件、前置放大电路、峰值检波电路、ADC0809 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。图 3-1 系统结构框图具体电路连接见附录所示电路原理图。83.2 硬件电路功能描述3.2.1 线圈振荡电路C10.01uFC30.01uFC20.01uFL1INDUCTORTRIG2OUT34CVOLT 5THOLD 6DISCHG 781RESET VCCGND555VCCQ19013HC41uFC50.01uF+9VR12KR22KR318KR43.3KR7200R5675R6200BCE图 3-2 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，产生一频率为 24KHz、占空比为 的脉冲信号。振荡器的频率计算公式为：23(3-1)123()lnfRC图示参数对应的频率为 24KHz。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 的 9013H） ，使其导通，经 放大之后，就形1C1Q151Q成了频率稳定度高、功率较大的脉冲信号输入到探测线圈 中，在线圈内产生L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