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1、西安工程大学本科毕业设计(论文)摘 要本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，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。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，认为仪器的工作频率、检测线圈的尺寸及匝数等是影响灵敏度
2、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，电磁感应，灵敏度ABSTRCT This 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 Microcomputer and linear Hall-Effect
3、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 Single-Chip Microcomputer measures the peak value of voltage and c
4、ompares it with reference voltage.Then determine whether detect metel or not.In case of detection of a metallic mass,the Metal Detector porvides an acoustical and optical alarm.The systems software adopts the assmbler language to be written.Inside the software,the digital filter technology is utiliz
5、ed to eliminate the jamming.So the stability of system and measuring veracity are improved.The effect of all factors on sensitivity and stability of Metel Detetor are discussed in this paper.It is concluded that the operating frequency,the size of the search coil and turns are the main factors effec
6、ted 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.KEY WORDS: Single-Chip Microcomputer, metal detector, linear hall-effect sensor, electric-m
7、agnetic induction, sensitivity目 录前 言1第1章 分析探测金属的理论依据31.1理论描述31.1.1线圈介质条件的变化31.1.2涡流效应4第2章 硬件电路设计62.1系统组成62.2硬件电路功能描述62.2.1线圈振荡电路72.2.2数据采集电路82.2.3 A/D转换电路122.2.4系统控制单元152.2.5键盘控制电路162.2.6显示报警电路172.2.7电源电路182.3整机工作原理描述19第3章 系统软件设计203.1软件设计思想203.2数字滤波及算法说明213.3主程序流程图213.3.1键盘控制程序设计233.3.2数字滤波程序设计233.3
8、.3显示与报警程序设计25第4章 主要技术指标分析264.1主要技术指标分析264.4.1工作频率264.4.2灵敏度分析264.4.3稳定性分析26第5章 仿真、调试结果及分析275.1 仿真、调试目的与内容275.2 仿真结果及分析275.3 试验总结29第6章 结 论30参考文献31致 谢32附 录1 电路原理图33附 录2 各模块程序清单34前 言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
9、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检测精度。目前，国外虽然已有较为完善的系列产品(如EIPaso、CeiaUSA、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。本文介绍的基于
10、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，感应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。适用于对邮件、行李、包裹及人体夹带的伤害性金属物品(如:刀具、枪械、武器部件、弹药和金属包装的炸药等)的检测，可用于海关、机场、车站、码头的安全检查。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。1第1章 分析探测金属的理论依据1.1
11、理论描述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，将发生线圈介质条件的变化和涡流效应两个现象。11.1.1线圈介质条件的变化当金属物接近通电线圈时，将使通电线周围的磁场发生变化，如图1-1， 图1-1 对于半径为R的单匝圆形电感线圈，当其中通过交变电流I=Imcos wt圈周围空间产生交变磁场，根据毕奥一萨伐尔定律可计算线圈中心轴线上一点的磁感应 (1-1)其中，=0r，为介质的磁导率，r为相对磁导率，0为真空磁导率。2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： (1-2)由公式(1-2)可知，当线圈有效探测范围内无金
12、属物时，r=1 (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，r会变大，B随之也会变大。1.1.2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
13、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)r1，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、钻、镍) r很大，也较大，可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，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。第2章 硬件电路设计2.1系统组成如图2-1所示，整个探测系统以8
14、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。具体电路原理图参看附录1。 图2-1 系统结构框图2.2硬件电路功能描述2.2.1线圈振荡电路 图2-2 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2/3的脉冲信号。振荡器的频率计算公式为： (2-1)图示参数对应的频率为24KHz，选择24KHz的
15、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C8输入到Q1的基极(Q1为125的9013H)，使其导通，经Q1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探测线圈L1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，Q1处于开关工作状态，而导通时间又非常短，所以非常省电。2.2.2数据采集电路图2-3 数据采集电路1 线性霍尔传感器(linaer Hall-Eeffct Sensors) 在电路设计中，选用了美国ALELGRO公司生产的UGN3503U线性霍尔传感器，来检测通电线圈Ll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。它的功能框图和输出特性示于图2-4和图2-5。3
