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1、参赛作品参赛作品班级：电气班级：电气 0906姓名：徐金磊姓名：徐金磊学号：学号：04010906030401090603电气工程系电气工程系河南工业职业技术学院河南工业职业技术学院1.1 摘要摘要本文介绍的是一种基于 AT89S52 单片机控制的智能型金属探测器重点研究了它的硬件组成、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
2、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。1.2 简介简介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
3、位置，就需要金属探测器具有较高的灵敏度。目前。国外虽然已有较为完善的系列产品，但价格及其昂贵；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干扰。本文介绍的基于单片机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，有效地保证了检侧原理的实施；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
4、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、空洞和土壤的上述物品和金属物。2.1 系统组成系统组成整个探测系统以 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。.系统结构块图2.2 系统工作原理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
5、定在线圈中心的霍L1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00mV 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 0V5V0的峰值输出电压，以满足 ADC0809 的量程，经 A/D 转换后，将的数字U0U0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L1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
6、压经过放大电路、峰值检波电路后，得x到响应的 0V5V 的峰值输出电压，然后经 A/D 转换后，输入到 CPU，由UxCPU 完成与基准电压的比较，二者比较|-|得到一个差值，此差UxU0UxU0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UU低。若|-|，就确定为探测金属，CPU 输出口 P1.0 输出信号驱动发UxU0U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。2.3 系统组成框图系统组成框图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:U,GN3503 型线性霍尔元件、可编程放大电路、
7、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。 系统组成框图3.1 电路具体介绍电路具体介绍（1）线圈振荡电路）线圈振荡电路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：()2lnCR2+R1=f 111110（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C8Q1（为125 的 9013H),使其导通，经放大之后，就形成了频率稳定度高、Q1Q
8、1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，L1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Q1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。（2）线性霍尔传感器）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L1感应到的磁场强度信号线性地转变为电压信号。（3）放大和峰值检波电路）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
9、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。数据采集电路原理图如图所示，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 U2A 的相同输入端，运算放大器 U2A 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输入到后级峰值
10、检波电路中。采用阻容C2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 U2B 将输入信号的峰值传递到电容上，并保持下来。第二级运放 U2C 组成缓冲放大器，将输出与C6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。当输入电压上升时，跟随上升，使二极管、导通，截止，运放 U2B 工V2iV2oD4D5D3作在深度负反馈状态，使电容充电，上升。
11、当输入电压下降时，C6VcV2i跟随下降，导通，U2B 也工作在深度负反馈状态，深度负反馈保证了V2oD3二极管、可靠截止，值得以保持。当再次上升时使上升并D4D5VcV2iV2o使、导通，截止，再次对电容充电（高于前次充电电压） ，D4D5D3C6Vc下降时，、又截止，导通，将峰值再次保持。输出反映V2iD4D5D3VcVo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Vc0V5V 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。（4）A/D 转换电路转换电路由于采集到的信息是连续变化的模拟
12、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 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s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，
13、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 05V,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
14、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WRADC0809 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DD07RD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
15、ADC0809 读取相应电压数字量，然后存入数据缓冲器中。（5）显示告警电路）显示告警电路一旦发现金属出现。则被测物理量超限由单片机 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。（6）电源电路）电源电路 电源供电由 9V 电池和板内稳压电源组成。电源板采用三端稳压集成电路块 LM7805 为板内元器件供电。LM7805 三端正稳压器具有内部过流、热过载和输出晶体管安全区保护功能，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、
16、ADC0809 等芯片和元件可靠地工作。3.2 系统控制单元系统控制单元(AT89S52 简介简介)采用 AT89S52 单片机。AT89S52 是一个低功耗，高性能 CMOS 8 位单片机，片内含 8K Bytes ISP (In-system programmable)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 MCS51 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 ISP Flash 存储单元。AT89S62 片内结构具有如下特点：40 个引脚，8K Bytes Flash 片内程序存储器，256 bytes 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
