智能金属探测器的设计(5.27)

毕业论文：智能金属探测器的设计辽宁科技大学2013届毕业设计（论文）智能型金属探测器的设计学院电子与信息工程学院专业电子信息工程学生姓名谭龙班级电子091学号120093102075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。这里我们设计的是一个基于单片机的手持金属探测器。它可以检测到人随身携带的金属物品，如小刀、钢笔甚至可以检测到香烟盒(内部有铝薄膜)。可随身携带，使用方便。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电压幅值的变化，供相关电路进行检测。它也可以表现为振荡电路频率的变化，用检测频率的办法进行检测，这里使用的是后者，振荡部分由电容三点式振荡电路组成，产生的正弦波进行放大和脉冲转换电路，再送入单片机，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。本次金属探测器的设计还给它添加了接口可以和外围的系统进行通讯，这里实现了与液晶显示，键盘和AT89S52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进度进行设置。关键字：金属探测；电磁感应原理；单片机；涡流；振荡电路

ABSTRACTMetaldetectorisaninstrumentwhichusefordetectingmetalspecially.ithasbeenextensivelyusedinproduce,Safetyinspection,entertainmentandsoon.HerewedesignedahandheldmetaldetectorswhichbasedontheMCU.Itcandetectpeoplecarryingmetalitemssuchasknivespensandevenboxesofcigarettes(withinthealuminumfilm).Portableeasytouse.Itismadeaccordingtoprincipleofelectromagnetisminduction.whenweputanmetalobjectaroundmagneticfieldwithchangingseries.therewillproducevortexinnermetalobject.Thevortexwillcreatemagneticfieldtoo.Thenewmagneticfieldwillaffecttheold.Thechangecanbeconvertintovoltagesignalfordetectingbyrelativeelectrocircuit.Itcanalsoconvertintofrequencysignalandbedetectedbyfrequencydetector.Hereweusethesecondmethod.TheoscillationcircuitpartiscomposedbyCapacitancethree-pointoscillationcircuit.Thesignalcreatedbythepartismagnifiedfirstandthenconvertintoimpulsesignal.ThenitcanbeprocessedbySCM.SCMdetectitsfrequency,comparewiththebasefrequencyandthendeterminewhethertoworn.Weaddaninterfacetothedetector.SoitcancommunicatewithotherSCMsystemwhichcontentalcd,akeyboard,aSCM.TheSCMsystemcanprocessthedatamorepreciselyandthendisplaytheresultthroughlcdthekeyboardisusedforuserwhowanttosetthedetectingprecision.Keyword:metaldetector;theprincipleofelectromagnetisminduction;SCM;vortex;oscillationcircuit

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第一章绪论1.1引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。1.2探测器的发展状况及应用金属探测器因其功能和市场应用领域的不同，分为以下几种：通道式金属探测器（又称：金属探测门；简称：安检门）、手持式金属探测器、便携式金属探测器、台式金属探测器、工业用金属探测器和水下金属探测器。全球第一台金属探测器诞生于1960年，步入工业时代最初的金属探测器也主要应用于工矿业，是检查矿产纯度、提高效益的得力帮手。随着社会的发展，犯罪案件的上升，1970年金属探测器被引入一个新的应用领域———安全检查，也就是今天我们所使用的金属探测门雏形，它的出现意味着人类对安全的认知已步入一个新纪元。一个产品的出现带动了一个行业的发展，于是安检这个既陌生又熟悉的行业开始进入市场。40多年过去了，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。70年代随着航空业迅速发展，劫机和危险事件的发生使航空及机场安全逐渐受到重视，于是在机场众多设备中金属探测门扮演着排查违禁物品的重要角色。同样在70年代，由于金属探测门在机场安检中的崭露头角，大型运动会（如奥运会）展览会及政府重要部门的安全保卫工作中开始启用金属探测门作为必不可少的安检仪器。发展到80年代，监狱暴力案件呈直线上升趋势，如何及早有效预防并阻止暴力案件发生成了监狱管理工作中的重中之重，在依靠警员对囚犯加强管理的同时，金属探测门再次成为了美国、英国、比利时等发达国家监狱管理机构必备的安检设备，形成平均每300个囚犯便使用一台金属探测门用于安检；与此同时西方兴起的“寻宝热”，也使手持式、便携式金属探测器得到长足的发展。进入90年代，迅速升温的电子制造业成了这个时代的宠儿，大型的电子公司为了减少产品流失、结束员工与公司之间的尴尬局面，陆续采用金属探测门和手持式金属探测器作为管理员工行为、减少产品流失的利刃。于是金属探测器又有了它新的角色———产品防盗。9.11事件以后,反恐成为国际社会一个重要议题。爆炸案、恐怖活动的猖獗使恐怖分子成了各国安全部门誓要打击的对象。此时国际社会对“安全防范”的认知也被提到一个新的高度。受9.11事件影响，各行各业都加强了保安工作的部署，正是受此影响金属探测器的应用领域也成功地渗透到其他行业。如：娱乐场所。公共娱乐场所的治安问题历来是社会各界关注的焦点，也是治安管理工作的难点。据统计，每年娱乐场所恶性打架斗殴事件和刑事案件发案率占60%以上，其作案凶器均是消费者随身带入娱乐场所。然而，此时简单的通道式金属探测门已不能完全满足安检的要求，安保人员需要的是一种能准确判定金属物品藏匿位置的安检产品。于是多区位金属探测技术孕育而生，它的诞生是金属探测器发展历史上的又一次变革，原来单一的磁场分布变成了现在相互叠和而又相对独立的多个磁场，再根据人体工程学原理把门体分为多个区段使之与人体相对应，相应的区段在金属探测门上形成相对的区域，这样金属探测门便拥有了报警定位功能。1.3本文研究的主要内容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。第二章传感器2.1传统传感器2.1.1传感器的定义根据中华人民共和国国家标准（GB7665--87），传感器（Transducer/Sensor）的定义：“能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置，通常由敏感原件和转换器件组成。”这一定义包含了以下几个方面的含义：能感受（或响应）表示传感器要对被测量敏感，能灵敏的反映被测量量的变化；传感器的输入、输出之间满足一定的规律，且具有一定的精度；可用输出信号通常是指便于处理、转换、传输、显示和存储的信号。目前主要是电信号，电信号有很多种形式，如电压、电流、电阻、电容、频率等，输出信号的形式由传感器的原理确定。随着科学的发展，输出信号将来也可能是光信号或其他信号；被测量可以是物理信号，也可以是化学量、生物量。2.1.2传感器的结构传感器一般由敏感元件、转换元件、信号调理电路和其他辅助元件组成。传感器的组成如图所示。图2-1传感器组成框图敏感元件是指传感器中能直接感受（或响应）被测量的部分，它直接感受规定的被测量（一般为非电量）并按一定的规律转换成与被测量有确定关系的其他量（一般仍为非电量）。当然这里的其他量是比被测量更易转换成可用信号的量，故敏感元件又称为预变转换器。转换元件是指传感器中能将敏感元件感受（或响应）的被测量转化成适于传输和（或）测量的电信号部分，即将敏感元件的输出量转换成可用信号的元件，又称为变换器。信号调理电路是将转换元件输出的可用信号作为输入，将其进行处理、放大、显示和记录的电路。信号调理电路的类型和被测量、测量原理及转换元件有关。2.1.3传统传感器的发展趋势为了区分智能传感器，本文把通常用的传感器成为传统传感器。传统传感器技术未来的发展方向主要有两个方面：一是传感器本身的研究，二是和电子技术，计算机技术以及通信技术组合在一起的传感器系统的研究。前者是研究新型传感器，后者是研究新材料、新工艺及将检测功能与此信号处理技术相结合，向集成化、智能化及网络化方向发展2.2智能传感器2.2.1智能传感器的概念智能传感器这一概念，最初是在美国宇航局开发宇宙飞船过程中提出的，因为人们不仅需要知道宇宙飞船在太空中飞行的速度、位置、姿态等数据，而且为使宇航员在宇宙飞船内能够正常工作、生活，还需要控制舱内的温度、湿度、气压、空气成分等，因而需要安装各式各样的传感器。而宇航员在太空中进行各种实验也需要大量的传感器。这样一来，需要处理众多传感器获得的信息，即便使用一台大型计算机也很难处理如此庞大的数据，而且这在宇宙飞船上显然是行不通的。因此，宇航局的专家们就希望传感器本身就有信息处理的功能，于是把传感器和微处理器结合在一起，这样在20世纪70年代末就出现了智能传感器。只能传感器可以对信号进行检测、分析、处理、存储和通信，具备了人类的记忆、分析、思考和交流能力，即具备了人类的智能，所以称之为智能传感器。智能传感器是一种带有微处理器，兼有信息检测、信号处理、信息记忆、逻辑思维与判断等智能化功能，是传感器、计算机和通信技术相结合的产物。关于智能传感器目前尚无统一的定义，早起人们简单的认为智能传感器就是将传统传感器和微处理器集成在同一块芯片上，随着智能传感器技术的发展，比较多的学者认为智能传感器是将传统传感器和微处理器结合并赋予智能化功能的系统即智能传感器系统。关于传感器的中、英文称谓，目前也尚未统一。“InteligentSensor”是英国人对智能传感器的称谓，而“SmartSensor”是美国人对智能传感器的俗称。2.2.2智能传感器的基本功能智能传感器有以下几个基本功能。具有自校准和故障自诊断的功能。智能传感器不仅能自动检测各种被测参数，还能进行自动调零、自动标定校准，某些智能传感器还可进行故障的自动诊断和修复。具有数据存储、逻辑判断和信息处理的功能。智能传感器能对被测量进行信号调理或信号处理（包括对信号进行预处理、线性化，或对温度、静压力等参数进行自动补偿等）。例如，在带有温度补偿和静压力补偿的智能差压传感器中，当被测量的介质温度和静压力发生变化时，智能传感器中的补偿软件自动按照一定算法进行补偿，以保证测量精度。具有组态功能，使用灵活。在智能传感器系统中可设置多种模块的硬件和软件，用户可通过微处理器发出指令，改变智能传感器的硬件模块和软件模块的组合状态，完成不同的测量功能，实现多传感、多参数的符合测量。具有双向通信和数字化输出功能。智能传感器系统具有数字标准化数据通信接口，通过RS-232、RS-485、USB、I2C等标准总线接口，能与计算机总线接口相连，相互交换信息。人—机对话功能。智能传感器和仪表组合在一起，配合各种显示装置和输入键盘，使系统具有灵活的人—机对话功能。2.2.3智能传感器的特点与传统传感器相比，智能传感器具有如下特点。灵敏度和测量精度高。智能传感器有多项功能来保证它的精度。例如，通过自校零去除零点；与标准参考基准实时对比以自动进行整体系统标定；自动进行整体系统的非线性等系统误差的校正；通过对采集的大量数据的同济处理以消除偶然误差的影响等，从而保证了智能传感器有高的灵敏度和测量精度，可进行微弱信号测量，并能进行各种校正和补偿。宽量程。智能传感器的测量范围很宽，具有很强的过载能力。例如，没过ADI公司推出的ADXRS300型单片偏航觉速度陀螺仪，能精确测量转动物体的偏航角速度，测量范围是/s。用户只需并联一只合适的设定电阻，即可将测量转动物体测量范围扩张到。该传感器还能承受1000g的运动加速度或者2000g的静力加速度。可靠性与稳定性高。智能传感器能自动补偿因工作条件与环境参数发生变化后引起系统特性的飘移，如温度变化而产生的零点和灵敏度的漂移；当被测参数变化后能自动改变量程；能实时进行系统的自我检测，分析、判断所采集的数据的合理性，并给出异常情况的应急处理（报警或故障提示）。因此，有多项功能保证了智能传感器的高可靠性与高稳定性。美国Atemel公司推出的FCD4814、AT77C101B型单片硅晶体指纹传感器集成电路，抗磨损性强，在指纹传感器的表面有专门的保护层，手指接触磨损的次数课超过百万次。信噪比与分辨力高。由于智能传感器具有数据存储、记忆与信息处理功能，通过软件进行数字滤波、相关分析等处理，可以去除相关数据中的噪声将有用信号图区出来；通过数据融合、神经网络技术，可以消除多参数状态下交叉灵敏度的影响，从而保证在多参数状态下对特定参数测量的分辨能力，因此智能传感器具有较高的信噪比和高的分辨力。自适应性强。智能传感器具有很强的自适应能力，美国Microsemi公司相继推出能实现人眼仿真的集成化可见光亮度传感器，能代替人眼去感受环境亮度的明暗程度，自动控制LCD显示器背光源的亮度，以充分满足用户在不同时间、不同环境中对显示器亮度的取药。性价比高。智能传感器所具有的上述高性能，不想传统传感器技术追求传感器获得，而是通过与微处理器/微计算机相结合，采用廉价的集成电路工艺和芯片及强大的软件来实现的，所以具有高的性价比。2.2.4智能传感器的分类智能传感器有以下较常用的几种分类形式。按被测物理量的类型来分，有温度、压力、湿度、角速度、液位、磁场、生物、化学等智能传感器。按智能化程度来分，有初级形式、中级形式和高级形式三种。eq\o\ac(○,1)智能传感器的初级形式。初级智能传感器不含有微处理单元，仅仅包含敏感元件、补偿电路（如温度补偿、线性补偿等）、校正电路、信号调理电路。这类传感器具有简单的信号处理能力，提高了传统传感器的精度和性能。但其智能含量较少，这类传感器属于智能传感器的初级阶段（形式）。eq\o\ac(○,2)智能传感器的中级形式。这类传感器除包含初级智能传感器的功能外，还具有自诊断、自校准功能，并且带有数据通信接口和微处理器等。这类传感器以微处理器为核心，自成一个独立系统，智能化主要有强大的软件来实现。借助微处理器，该类传感器系统功能大大增加，性能进一步提高，自适应性加强，本身已是一个基本完善的传感器系统。eq\o\ac(○,3)智能传感器的高级形式。这类传感器除具有上述两种形式的所有功能外，还具有多维检测、图像识别、分析理解、模式识别、自学习和逻辑推理等功能。因此它涉及的理论领域也包括模糊理论、神经网络和人工智能等。该传感器具有人类“五官”的功能，能从复杂背景中提取有用信息，进行智能化处理，是真正意义上的智能传感器。按其结构可分为模块式智能传感器、混合式智能传感器和集成式智能传感器3种。1、模块式智能传感器模块式智能传感器有许多相互独立的模块组成。将微型计算机、信号处理模块、输出电路模块、显示电路模块和传感器装配在同一壳体内，组成模块式智能传感器。这种传感器的集成度不高、体积较大，但它是一种比较实用的智能传感器。2、混合式智能传感器将传感器微处理器和信号处理器电路等各个部分以不同的组合方式集成在几个芯片上，然后装配在同一壳体内。目前，混合式智能传感器作为智能传感器的主要类型而被广泛应用。3、集成式智能传感器集成式智能传感器主要是指利用集成电路工艺和微机械技术将传感器敏感元件与功能强大的嗲主线路集成在同一芯片上（或二次集成在同一外壳内）。通常具有信号提取、信号处理、逻辑判断、双向通信、决策、量程切换、功耗小、速度快、可靠性高、精度高及功能强等优点。集成智能传感器的优点使它成为目前传感器研究的热点和传感器发展的主要方向。2.2.5智能传感器系统的基本组成智能传感器系统主要由传感器、微处理器（或计算机）及相关电路组成，其原理框图如图2-5所示。传感器将被测的物理量、化学量转换成相应的电信号，经放大后送到信号调理电路中，进行滤波、放大、模数转换后送到数据采集电路中，经数据采集电路处理后再送到微处理器中。微处理器是智能传感器的核心，它不但可以对传感器测量数据进行计算、存储、数据处理，还可以通过反馈回路对传感器进行调节。由于微处理器充分发挥各种软件的功能，赋予传感器智能化，大大提高了传感器性能。图2-2智能传感器原理框图2.3电涡流式传感器2.3.1电涡流式传感器概述电涡流式传感器是利用电涡流效应进行工作的，它实质上也是通过改变电磁场强度来感受被测量的。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，适用范围广。目前，这种传感器已广泛用来测量位移、振动、厚度、转速、温度、硬度等参数，以及用于无损探伤领域。2.3.2电涡流式传感器的基本原理金属导体置于变化的磁场中，导体内就会有感应电流产生，这种电流的流线在金属体内自行闭，合通常称电涡流。电涡流的产生必然要消耗一部分磁场能量，从而使激励线圈的阻抗发生变化。电涡流式传感器是基于这种涡流效应制成的。电涡流式传感器的基本原理示意图如图3-1所示。有一通以交变电流I1的存在，线圈周围就产生一个交变磁场H1.若被测导体置于该磁场范围内，到体内便产生电=涡I2，I2也将产生一个新磁场H2与H1方向相反，力图削弱原磁场H1，从而导致线圈的电感、、阻抗和品质因数发生变化。这些参数变化与导体的几何形状、电导率、磁导率、线圈的几何参数、电流的频率以及线圈到被测导体间得距离有关。如果控制上述参数中一个参数改变其余参数不变，就能构成测量该参数的传感器。图2-3电涡流式传感器基本原理示意图将被测导体上形成的电涡流等效成一个短路环中的电流。这样，线圈与被测导体变等效为相互耦合的两个线圈，如图3-3所示。设线圈的电阻为R1,电感为L2，阻抗为Z1=R1+jQUOTEL1；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（3-1）：图2-4电涡流式传感器等效电路图(式3-1)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3-1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。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%。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。电涡流式传感器可用来测量各种形状金属导体试件的位移量。如汽轮机主轴的轴向位移，提升机盘式闸瓦间隙、液压先导阀的位移和金属试件的膨胀系数等。测量位移范围可以从0-22mm，分辨率为0.1*103mm。电涡流式传感器可以对这种振动的振幅频谱分布进行无接触的测量，可以进行金属元件合格检验，金属元件计数，轴的位移和径向、轴向振动的测量，磨床的精密定位等。电涡流式传感器的转速测量图3-3为电涡流式传感器用于测量旋转体转速示意图。在旋转体一条或数条槽或做成齿状，旁边安装一个电涡流式传感器，当转轴转动时，传感器在周期地改变与转轴边界之间的距离，于是它的输出也周期性地发生变化。此输出信号经放大、变换后，可以用频率计测出其变化频率，从而测出转轴的转速。若转轴上开Z个槽，频率记得读数为f（单位为Hz），则转轴的转速n（单位为r/min）的数值方程为：n=60（f/Z）利用电涡流式传感器还可以检查金属表面裂纹、热处理裂纹及焊接处的缺陷等。在探伤时，传感器应与被测物体保持距离不变。检测时，由于裂纹出现，将引起导体电导率、磁导率的变化，即引起涡流损耗改变，引起输出电压的突变，以此检查出金属材料的缺陷。此外，电涡流式传感器还可以探测金属表面温度、表面粗糙度、硬度，进行尺寸检测等，同时也可以制成开关量输出的检测元件，例如应用较广的有接近开关及用于金属零件的计数等。第三章硬件设计过程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2.1，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：=（3-1）.其中，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：（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随也会变大。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:U,GN3503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。电路组成及其引脚图3-4555计时器的电路组成图3-5555计时器的引脚(2)555的工作原理它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.(3)555电路的引脚功能eq\o(\s\up13(——),TR)触发eq\o(\s\up13(),TH)阈值eq\o(\s\up13(—),R)复位eq\o(\s\up13(),D)IS放电端eq\o(\s\up13(),OUT)输出>H导通LH原状态×H截止H××L导通L（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3.2.3和3.2.4。.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3.2.5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3.2.5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，霍尔电压可用下式表示：=（V）（3-2）式中—霍尔常数（）；I—电流（A）；B—磁感应强度（T）；d—霍尔元件的厚度(m)令，则得到.（V）(3-3)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：（3-4）此时K=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的同相输入端，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工作在深度负反馈状态，使电容充电，上升。当输入电压下降时，跟随下降，导通，U2B也工作在深度负反馈状态，深度负反馈保证了二极管、可靠截止，值得以保持。当再次上升时使上升并使、导通，截止，再次对电容充电（高于前次充电电压），下降时，、又截止，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3.2.6和图3.2.7。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（宽度10mS）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(复用时是双向口；不复用时也是准双向口)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）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