智能金属探测器的设计(6.10)

辽宁科技大学本科生毕业设计第L1；短路环的电阻为R2，电感为L2；线圈与短路环之间的互感系数为M，M随它们之间的距离X减小而增大。经推导，电涡流线圈受被测金属导体影响后的等效阻抗可表示为（式2.1）：(式2.1)式中：R—电涡流线圈工作时的等效电阻；L—电涡流线圈工作是的等效电感。从公式2.1中可知，等效电阻、等效电感都是此系统互感系数的平方的函数，因此只有当测距范围较小时，才能保证一定的线性度。2.3.3电涡流式传感器的特点电涡流式传感器由于结构简单、灵敏度高、频响范围宽、不受油污等介质的影响，并能进行非接触测量，使用范围比较广。2.3.4电涡流式传感器的应用（1）电涡流式传感器由于结构简单，又可实现非接触测量，因此得到广泛的应用，可用来测量位移动、厚度、转速、温度、温度、硬度等参数，以及用于无损探伤领域。（2）电涡流式传感器测量位移。电涡流式传感器可以用来测量各种形状试件的位移量。如汽轮机主轴的轴向位移、磨床换向阀及先导阀的轴位移和金属试件的膨胀系数等，测量位移范围可以从0-1mm到0-30mm，分辨率为满量程的0.1%。（3）电涡流式接近开关。电涡流式接近开关属于一种有开关量输出的位置传感器，他有LC高频振荡器和放大处理电路组成，利用金属物体在接近这个能产生电磁场的震荡感应头时，使物体内部差生涡流。这个涡流反作用于接近开关，是接近开关振荡能力衰减，内部电路的参数发生变化，由此识别出有无金属物体接近，进而控制开关的通断。这种接近开关能检测的物体必须是金属物体。3硬件设计3.1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:图3.1线圈介质条件的变化3.1.1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3.1，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：（式3.1）其中，，为介质的磁导率，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：（式3.2）由公式（3.2）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随的变大而变大。3.1.2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。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，磁效应可忽略不计；对于铁磁性金属（如：铁、钴、镍）很大，也较大，可认为是既可导电又导磁的物质，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，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。3.2系统组成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:UGN3503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。.图3.2系统结构块图3.3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。3.4电路具体介绍3.4.1.线圈振荡电路图3.3线圈振荡电路原理图（1）555定时器555定时器电路是一种中规模集成定时器，目前应用十分广泛。通常只需外接几个阻容元件,就可以构成各种不同用途的脉冲电路,如多谐振荡器、单稳态触发器以及施密特触发器等。555定时电路有TTL集成定时电路和CMOS集成定时电路,它们的逻辑功能与外引线排列都完全相同。双极型产品型号最后数码为555，CMOS型产品型号最后数码为7555。电路组成及其引脚器的引脚图图3.4555计时器的电路组成图3.5555计时555的工作原理如图3.4所示，555计时器含有两个电压比较器，一个基本RS触发器，一个放电开关T，比较器的参考电压由三只5KΩ的电阻器构成分压，它们分别使高电平比较器C1同相比较端和低电平比较器C2的反相输入端的参考电平为和。C1和C2的输出端控制RS触发器状态和放电管开关状态。当输入信号输入并超过时，触发器复位，555的输出端3脚输出低电平，同时放电，开关管导通；当输入信号自2脚输入并低于时，触发器置位，555的3脚输出高电平，同时放电，开关管截止。是复位端，当其为0时，555输出低电平。平时该端开路或接。Vco是控制电压端（5脚），平时输出作为比较器A1的参考电平，当5脚外接一个输入电压，即改变了比较器的参考电平，从而实现对输出的另一种控制，在不接外加电压时，通常接一个0.01的电容器到地，起滤波作用，以消除外来的干扰，以确保参考电平的稳定。T为放电管，当T导通时，将给接于脚7的电容器提供低阻放电电路.（2）线圈震荡电路工作原理工作过程中，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9V电池供电。3.4.2数据采集电路图3.6数据采集电路原理图（1）线性霍尔传感器在电路设计中，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3-7和3-8。.图3.7UGN3503的功能框图图3.8UGN3503U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。如图3.9所示，在一块半导体薄片上两端通以电流I，并加以和片子表面垂直的磁场B，在薄片的横向两侧会出现一个电压，如图3.9中的，这种现象就是霍尔效应。这种现象的产生的洛伦兹力的作用下，分别向片子横向两侧偏转和积聚，因而形成一个电场，称作霍尔电场。霍尔电场产生的电场力和洛伦兹力相反，它阻碍载流子继续堆积，知道霍尔电场力和洛伦兹力相等，这时，片子两端建立起一个稳定的电压，就是霍尔电压UH。图3.9霍尔效应原理图由上式可知，霍尔电压的大小正比于控制电流I和磁感应强度B。称为霍尔元件的灵敏度，它与元件材料的性质与几何尺寸有关。因此当外加电压电源一定时，通过的电流I为一恒定值，此时输出的电压只与加在霍尔元件上的磁场B的大小成正比，即：此时为常数。因此，任何引起磁场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3.6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U8C的同相输入端，运算放大器U8C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C13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U8A将输入信号的峰值传递到电容上，并保持下来。第二级运放U8B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Vi2上升时，VO2跟随上升，使二极管D6、D5导通，D7截止，运放U8A工作在深度负反馈状态，使电容C6充电，VC上升。当输入电压Vi2下降时，VO2跟随下降，D7导通，U8A也工作在深度负反馈状态，深度负反馈保证了二极管D5、D6可靠截止，值得以保持。当再次上升时使上升并使D5、D6导通，D7截止，再次对电容充电（高于前次充电电压），Vi2下降时，D5、D6又截止，D7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3.10和图3.11。图3.10ADC0809的芯片内部结构图3.11ADC0809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。3.4.3系统控制单元(AT89S52简介采用AT89S52单片机。AT89S52是一个低功耗，高性能CMOS8位单片机，片内含8KBytesISP(In-systemprogrammable)的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS—51指令系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISPFlash存储单元。AT89S62片内结构具有如下特点：40个引脚，8KBytesFlash片内程序存储器，256bytes的随机存取数据存储器(RAM)，32个外部双向输入/输出(I/O)口，看门狗定时(WDT)电路，2个数据指针，3个16位可编程定时计数器，5个中断优先级2层中断嵌套中断，2个全双工串行通信口，片内时钟振荡器。此外，AT89S52设计和配置了振荡频率可为0Hz并可通过软件设置省电模式。空闲模式下，CPU暂停工作，而RAM、定时计数器、串行口及外中断系统可继续工作，掉电模式冻结振荡器而保存RAM的数据，停止芯片其它功能直至外中断激活或硬件复位。其工作电压为5V，晶振频率采用12MHz。图3.12AT89S52单片机的引脚图（1）51单片机的8个特殊引脚Vcc,GND:电源端XTAL1,XTAL2:片内振荡电路输入、输出端RESET:复位端(正脉冲有效)EA/Vpp:寻址外部ROM控制端。低有效(片内有ROM时应当接高电平)。ALE/PROG:地址锁存允许控制端。PSEN：选通外部ROM的读(OE)控制端。低有效（2）51单片机的4个8位的I/O口P0.0—P0.7:8位数据口和输出低8位地址复用口(双向口)。P1.0—P1.7:通用I/O口（准双向口）P2.0—P2.7:输出高8位地址（用于寻址时是输出口；不寻址时是准双向口）P3.0—P3.7:具有特定的第二功能（准双向口）表3.1单片机引脚第二功能引脚第二功能P3.0RXD:串行口接收数据输入端P3.1TXD:串行口发送数据输出端P3.2INT0:外部中断0输入端P3.3INT1:外部中断1输入端P3.4T0:外部计数0脉冲输入端P3.5T1:外部计数1脉冲输入端P3.6WR:写外设控制信号输出端P3.7RD:读外设控制信号输出端注意：在不外扩ROM/RAM时，P0～P3均可作通用I/O口使用，而且都是准双向I/O口。P0口需外接上拉电阻P1—P3可接也可不接，在用作输入时都需要先置“1”。3.4.4.电源电路图3.13电源电路电源供电由9V电池和板内稳压电源组成。电源板采用降压型开关稳压器集成电路块LM2576为板内元器件供电。LM2576具有非常小的电压调整率和电流调整率，具有3A的负载驱动能力，LM2576能够输出3.3V、5V、12V、15V的固定电压和电压可调节的可调电压输出方式，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。LM2576应用时比较简单且外围元件较少，内置频率补偿电路和固定频率振荡器。LM2576系列产品的开关频率为52KHz，所以应用时可以使用小尺寸的滤波元件。LM2576可以高效的取代一般的三端线性稳压器，它能够充分的减小散热片的面积，在一些应用条件下甚至可以不使用散热片。在规定的输入电压和输出负载的条件下，LM2576输出电压的误差范围为±4％；振荡器的振荡频率误差范围为±10％；典型的待机电流为50μA，芯片内置过流保护电路和过热保护电路。4软件设计4.1软件算法软件是系统的灵魂，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。4.2软件流程4.2.1主程序流程图4.1主程序流程图4.2.2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：4.2数字滤波程序流程图结论线性霍尔传感器(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”。显示和报警电路:一旦发现金属出现，则被测电压超限由单片机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。致谢我的整