基于51单片机的金属探测器本科毕业(论文)设计论文

基于51单片机的金属探测器西安工程大学本科毕业设计(论文)PAGE基于51单片机的金属探测器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

ABSTRCTThispaperdescribesthecompositionofhardwareandsoftware,workingprinciplesandthefunctionsofanintelligentmetaldetectorwhichmainlyconsistsofAT89S52Single-ChipMicrocomputerandlinearHall-EffectSensor.TheequipmentadoptsUGN3503Ulinearhall-effectsensorasprobetodetectthemagneticfieldchangeofthecentreofasearchcoilresultedfromeddycurrenteffectandturnthismagneticfieldchangeintovoltagechange.TheSingle-ChipMicrocomputermeasuresthepeakvalueofvoltageandcomparesitwithreferencevoltage.Thendeterminewhetherdetectmetelornot.Incaseofdetectionofametallicmass,theMetalDetectorporvidesanacousticalandopticalalarm.Thesystemssoftwareadoptstheassmblerlanguagetobewritten.Insidethesoftware,thedigitalfiltertechnologyisutilizedtoeliminatethejamming.Sothestabilityofsystemandmeasuringveracityareimproved.TheeffectofallfactorsonsensitivityandstabilityofMetelDetetorarediscussedinthispaper.Itisconcludedthattheoperatingfrequency,thesizeofthesearchcoilandturnsarethemainfactorseffectedonthesensitivityoftheinstrument:theenvironmenttemperatureandhumidityinsite,thewindingtechnologyofcoilsandthestabilityofpowersupplyarethefactorseffectedonstabilityofinstrument.KEYWORDS:Single-ChipMicrocomputer,metaldetector,linearhall-effectsensor,electric-magneticinduction,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 82.2.3A/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 233.3.3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代做本论文毕业设计实物。代做专科、本科各个专业毕业论文。代做电子、机械类专业毕业设计。完全按照毕业设计指导书做，指导毕业答辩。淘宝交易：QQ:1226388638PAGE1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。PAGE40

第1章分析探测金属的理论依据1.1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。[1]1.1.1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=Imcoswt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，μ=μ0μr，μ为介质的磁导率，μr为相对磁导率，μ0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属物时，μr=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，μr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σ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)〕μr≈1，σ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)μr很大，σ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β≥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(linaerHall-EeffctSensors)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]图2-4UGN3503的功能框图图2-5UGN350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2-6所示，图2-6霍尔效应原理图在一块半导体薄片上两端通以电流I,并加上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2-7中的UH,这种现象就是霍尔效应。这种现象的产生，是因为通电半导体片中的载流子在磁场产生的洛仑兹力的作用下，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仑兹力相反，它阻碍载流子继续堆积，直到霍尔电场力和洛仑兹力相等。这时，片子两侧建立起一个稳定的电压，这就是霍尔电压UH。霍尔电压UH可用下式表示：UH=RHIB/d(V)（2-2）式中RH霍尔常数(m3cˉ¹，)；I电流(A)；B磁感应强度(T)；d霍尔元件的厚度(m)令KH=RH/d(vAˉ¹wbˉ¹m²)，则得到UH=KHIB(V)(2-3)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。KH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。因此当外加电压源电压一定时，通过的电流I为一恒值，此时输出电压只与加在霍尔元件上的磁场B的大小成正比，即：UH=KB(V)(2-4)此时K=KHI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被检信息，这就是线性霍尔元件的基本物理依据和作用。本设计中采用的线性霍尔传感器UGN3503U就是将霍尔元件、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。该器件的磁电转换特性曲线如图2-6所示，其输出电压和加在霍尔元件上的磁感强度B成比例。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。具有灵敏度高，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IMHz)；输出噪声低等特点。用它作探头可测量，10ˉ6-10T的交变和恒定磁场。在测量磁场时，将元件的第一脚(面对标志面从左到右数)接电源(工作电压为5V)，第二脚接地，第三脚接高输入阻抗(>10KΩ)电压表，通电后，将电路放入被测磁场中，因霍尔器件只对垂直于霍尔片表面的磁感应强度敏感，因而必须让磁力线垂直于电路表面，当没有磁场(B=0G)时，静态输出电压是电源电压的一半(即VCC/2)，当外加磁场的南极靠近器件标志面时，会使输出电压高于静态输出电压；当外加磁场的北极靠近器件标志面时，会使输出电压低于静态输出电压，但仍然是正值。利用线性霍尔传感器UGN3503U的上述特性，将其接在数据采集电路的前端，并固定在探测线圈Ll的中心，即可感应线圈Ll的磁场变化，并将磁场的变化信号转化为电压信号的变化而被后级电路拾取和放大。2．放大和峰值检波电路由于UGN35O3U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，外形和引脚排列如下图所示。它的内部包含四组形式完全相同的运算放大器，除电源共用，四组运放相互独立。如图2-4所示，UGN3503线性霍尔元件输出的微弱信号经电容祸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Wl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C2输入到后级峰值检测电路中。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。峰值检测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C6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Vi2上升时，Vo2跟随上升，使二极管D4、D5导通，D3截止，运放U2B工作在深度负反馈状态，给电容C6充电，Vc上升。当输入电压Vi2下降时，Vo2跟随下降，D3导通，U2B也工作在深度负反馈状态，深负反馈保证了二极管D4、D5可靠截止，Vc值得以保持。当Vi2再次上升使Vo2上升并使D4、D5导通，D3截止，再次对电容C6充电(Vc高于前次充电时电压)，Vi2下降时，D4、D5又截止，D3导通，Vc将峰值再次保持。输出Vo反映Vc的大小，通过峰值检波和后级缓冲放大电路，将采集到的微弱电压信号放大至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。LM324外形图LM324引脚排列图图2-72.2.3A/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2-8和图2-9。图2-8ADC0809芯片的内部结构图2-9ADC0809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100μs(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NI0，所以，地址译码器ABC直接接地为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(逻辑功能见表2-1，引脚图见图2-11)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。如图2-10所示，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D7-D0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。图2-10A/D转换电路表2-174LS163的逻辑功能表图2-1174LS163引脚图2.2.4系统控制单元采用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(引脚图如图2-11所示)，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISP图2-12AT89S52引脚图AT89S52片内结构如图2-12所示，它具有如下特点：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2-13AT89S52片内结构2.2.5键盘控制电路键盘是一组按键的集合，它是最常用的单片机输入设备。操作人员可以通过键盘输入数据或命令，实现简单的人-机通信。按键是一种常开型按钮开关。常态时，按键的两个触点处于断开状态，按下键时他们才闭合。键盘控制电路如图2-14所示，K1键作为功能键设置灵敏度△U，灵敏度是可调的，K2和K3分别作为加1，减1键来调节灵敏度，K4是确定键，当K4键按下时，灵敏度值确定。图2-14键盘控制电路2.2.6显示报警电路AT89S52的串行口RXD和TXD为一全双工串行通信口，但在工作方式0下可作同步移位寄存器用，其数据由RXD（P3.0）端输出或输入；而同步移位时钟由TXD（P3.1）端串行输出，在同步时钟作用下，实现由串行到并行的数据通信。在不需要使用串行通信的场合，利用串行口加外围芯片74HC164就可构成一个或多个并行输入/输出口，用于显示器LED驱动。单片机中通常使用7段LED构成字型“8”，另外，还有一个小数点发光二极管，以显示数字、符号及小数点。当键盘控制部分各键按下时，LED显示相对应灵敏度数值，一旦发现金属出现，则被测物理量超限由单片机I/O口P1.0输出信号驱动发光二极管发光报警，P1.6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，报警电路如图2-16所示。图2-15显示电路图2-16报警电路2.2.7电源电路电路如图2-17所示，电源供电由9V电池和板内稳压电源组成。电路板内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、ADC0809等芯片和元件可靠地工作。图2-17电源电路2.3整机工作原理描述在工作过程中，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，此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L1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u0，该电压信号u0很微弱，属mV级信号，u0经过放大电路放大，再通过峰值检波电路，得到相应的0V~5V的峰值输出电压U0，以满足ADC0809的量程，经A/D转换后，将U0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L1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ux，该变化的电压经放大电路、峰值检波电路后，得到相应的0V-5V的峰值输出电压Ux，然后经A/D转换后，输入到CPU，由CPU完成Ux与基准电压U0的比较，二者比较׀Ux—U0׀得到一个差值，此差值与预设的灵敏度△U再作比较。灵敏度由键盘控制电路中各键输入，显示电路部分则显示各键按下后的相应数值，当然，△U大小的设定决定着系统精度的高低。若|Ux-U0|>△U，就确定为探测到金属，CUP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。

第3章系统软件设计3.1软件设计思想软件是本系统的灵魂，在设计软件中，本文从系统的实用性、可靠性及方便灵活等几个方面出发，使程序满足设计的功能要求。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21H中数值的值来判断是否采集基准电压U0，如果未采集过U0，则启动ADC0809对NIO通道的模拟输入量进行A/D转换。[7]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2-2看出，ADC0809的EOC端通过反相器接AT89S52的NIT1端，作为中断申请。采用中断方式，可大大节省CPU时间。[8]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，ADC0809的EOC端向AT89S52的INT1的返向端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INTl，中断服务程序进行压栈，保护现场，读取来自ADC0809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U0。[9]经反复实验测得的灵敏度△U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为首址的数据存储器中，然后将此数据Ux二和基准电压U0进行比较，二者差值U存放在单片机ARM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△U（灵敏度可调）进行比较，以确定是否报警键盘控制电路各键控制灵敏度的值，并在显示电路部分显示按键后的对应数值。3.2数字滤波及算法说明金属探测器的噪声抑制能力是金属探测器的主要设计指标。由于在采集电压量时经常会碰到各种瞬时干扰，而采用硬件滤波存在硬件电路复杂等诸多弊端，因此本设计中采用算术平均滤波法，即在一次电压量的采集中，在很短的时间内对它进行6次采集，将它转换为数字量后求和，分析出6次输入中的最大值和最小值，然后减去最大值和最小值，除以4得到平均值的方法，完成一次数据采集的软件滤波。用软件代替硬件，从而省去了复杂的硬件，而且能够取得好而精确的效果。[10]在一个采样周期内，对信号X的N次测量值进行算术平均，作为时刻K的输出x(k)，即（3-1）其中N为采样次数，xi为第i次的采样值。显然N越大，信号平滑度越高，灵敏度就会降低，但是本设计中需要较高的灵敏度，所以N取值不易过大，这里我选择了N=6，选择取6个数进行计算的原因，就是因为在汇编中做计算是非常麻烦的，取6个数，减去最大值和最小值后，取平均值是除4，计算机的内部计算都是二进制，而二进制每除一个2，实际上是向右移一次。[12]所以为了计算方便，我选择取6个数，最后在算除法的时候，只需要用单片机自带的右移位命令移2次就行了。3.3主程序流程图1．程序流程图见下页图3-1所示。2．程序参看附录2(初始化子程序和中断服务)[13]图3-1主程序流程图3.3.1键盘控制程序设计1．程序流程图如图3-2所示。2．程序清单参看附录2(键盘扫描控制程序)[14]图3-2键盘控制流程图3.3.2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，把剩余的累加和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，R2寄存器存放最大值，R3寄存器存放最小值，R4寄存器存放累加和，R0存放连续采样次数。1.程序流程图，如图3-3所示。2.程序清单参看附录2(数字滤波程序)[15]图3-3数字滤波流程图3.3.3显示与报警程序设计1．程序流程图如图3-4所示。2．程序参看附录2(显示报警程序)[16]。图3-4显示报警流程图

第4章主要技术指标分析4.1主要技术指标分析金属探测器的工作频率、灵敏度和稳定性是仪器的主要技术指标。4.4.1工作频率为24KHz，选择24KHz的超长波频率是为了减弱土壤对电磁波的影响。4.4.2灵敏度分析由公式(l-2)即：可知：1．检测线圈的尺寸对仪器的灵敏度有影响。探测器的灵敏度与探测线圈的尺寸大小有关，尺寸大即探测面积大，则线圈中心磁场强度低，在靠近线圈绕组附近磁场强度较高，霍尔元件固定在线圈中心，为了确保通过其磁通量，探测线圈的尺寸就不宜太大，具体尺寸通过实验确定。2．检测线圈的匝数对仪器的灵敏度有影响。当检测线圈尺寸一定时，则匝数越少其灵敏度越高。但为了确保通过霍尔元件的磁通量，匝数的减少也是有限的，需要通过试验来确定最佳匝数。4.4.3稳定性分析1．环境温度的变化，仪器元件参数也会改变，影响仪器工作的稳定。2．应尽量减少线圈与电路之间引线的长度，以减少分布电容，采用屏蔽线减少外界对其干扰。第5章仿真、调试结果及分析5.1仿真、调试目的与内容仿真调试的内容是要把程序修改正确，使编译能够通过，而且还要用Proteus仿真软件中的一些功能来查看程序所实现的功能是否能够和预期的功能相符合。需要反复调试，直到能够实现预期结果为止。本次设计是在仿真软件KeilC51来进行编译和调试的。5.2仿真结果及分析本次设计的仿真结果如下所述：线性霍尔传感器调试结果及分析外加磁场的南极靠近器件标志面时R/mT300200100输出电压（V）2.12.32.8外加磁场的北极靠近器件标志面时R/mT100200300输出电压（V）4.34.85.1线性霍尔传感器部分的调试结果基本是真确的，但由于外部环境的影响及硬件设备的不良等因素，调试过程中遇到了一些问题，模拟出的结果存在一定的误差，经过多次采样，我尽量使结果与理论值得差值缩小，达到了预期的结果。振荡电路调试结果及分析振荡电路输出的是一方波，可以读出占空比和输出脉冲的频率，其仿真结果如图5-1所示图5-1多谐输出从调试的结果中可以读出T1的值为：0.028ms,T2的值为：0.014ms。输出频率等于23.573KHZ，而理论上输出脉冲的频率是24KHZ，从读出的结果可以看出与理论值有一定的误差，这是由于调试过程中如环境、仪器设备等因素造成的，虽然结果有误差，但基本上是正确的，说明多谐振荡器部分电路是正确的。显示部分仿真结果及分析显示部分显示的数据是设定的灵敏度值，当按下各键盘部分各个键时，在显示电路部分显示相对应的数据，显示结果如图5-2所示。初始状态加1显示值加15显示值减11显示值图5-2显示值经过多次试验和从显示的值可以看出仿真结果基本正确，由于绘制电路中出现了一些问题，仿真过程中出现了显示模糊、不稳定等一些问题，但最终还是得到了比较理想的显示数据。4.蜂鸣器显示结果及分析从P1.6口接出来的蜂鸣器电路用来发出探测到金属时的报警信号，由于电路搭接的不理想，蜂鸣器的叫声不是很理想，但结果基本上是正确的。5.3试验总结综上所述，在仿真调试过程中虽然遇到了一些问题，但是经过分析改正最终成功调试出了多谐振荡电路的输出、数据采集电路的输出、显示部分的显示值和蜂鸣声等结果。但是还存在一些问题，如数码管显示器显示数字时有些闪烁不定，多谐振荡电路输出脉冲的不稳定等。总的来说还时比较成功的。

第6章结论本设计首先介绍了探测金属的理论依据，当有金属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，根据电磁感应原理来设计金属探测器。硬件电路的设计分为两个部分，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：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，通过这些电路将磁场强度信号变为电压信号，再进行电压信号的拾取，放大等。软件设计中，从系统的实用性、可靠性及方便灵活等几个方面出发，使程序满足设计的功能要求。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，采用汇编语言编写。最后分析了设计中的主要技术指标，包括金属探测器的工作频率（12KHZ），灵敏度（包括：检测线圈的尺寸对仪器灵敏度的影响和匝数对灵敏度的影响）以及稳定性等技术指标。

参考文献[1]周省三，《电磁场基本教程》，高等教育出版社，2003，248-249[2]程守洙、江之水，《普通物理学2》，高等教育出版社，2001，180-182204-205[3]3503RATIOMETRICLINEARHALL-EFFECTSENSORS.CoPyright1985，2002AllegroMieorsystems，InC[4]涂有瑞，《霍尔传感元器件及其应用》，《电子元器件应用》，高等教育出版社，2002，Vol.4No.353-57[5]减春华，《电子线路设计与应用》，高等教育出版社，2004，9-73[6]蔡明生，《电子设计》，高等教育出版社，2003，3-846[7]何立民，《单片机应用系统设计》，北京航空航天大学出版社，2004，32-65[8]吴金戌、沈庆阳、郭庭吉，《8051单片机实践与应用》，清华大学出版社，2004，153-158[9]张毅刚、彭喜元、姜守达等，《新编MCS-51单片机应用设计》，哈尔滨工业大学出版社，2001，215-218[10]李全利、迟荣强，《单片机原理及接口技术》，高等教育出版社，2003，61-83[11]沙占友、王彦朋、孟志永等，《单片机外围电路设计》，电子工业出版社，86-92[12]房小翠，《单片机实用系统设计技术》，国防工业出版社，2006，142-159[13]杨振江、杜铁军、李群，《流行单片机实用子程序及应用实例》，西安电子科技大学出版社，2004，93-96[14]孙涵芳、徐爱卿等，《MCS-51196系列单片机原理及应用》，北京航空航天大学出版社，2005，1-72[15]ATMEL：8-bitMicrocontrollerwith8KBytesin-SystemProgrammableFlash,AT89S52,2001[16]李伯成，基于MCS-51单片机的嵌入式系统设计，北京电子工业出版社，2004，1-146致谢在整个设计过程中，从设计项目的可行性论证、项目的确定、硬件电路的设计、元器件的选择、元器件参数的测试、硬件电路图的最终确定，乃至利用PROTEL99绘制原理图和PCB板，邮购元器件和定制PCB板，到利用KEILC编程等，我投入了相当多的精力，从图书馆和网上查阅了大量的资料，了解了硬件电路设计中涉及到的每个元器件的参数，了解了单片机资源的配置，掌握了单片机的各种指令的应用;熟悉了PROTEL99、KEILC及单片机下载编写等软件的应用，并快速重温了《模拟》《数字》《单片机》《高频》等学过的知识。总体来说，在摸索该如何设计电路使之实现所需功能的过程中，使我学到了好多知识，受益匪浅。四年的本科学习生活即将结束，在论文完成之际，我衷心地感谢在这四年的学习和生活中培养过我、帮助过我以及在论文写作期间给予指导和支持的所有老师和同学。衷心感谢我的导师王延年老师。整个设计过程王老师以严谨的治学态度和渊博的知识指导我的设计和学习，使我有明确的设计思路和正确的学习方法，培养了我独立学习的能力，可以说，这段时间我取得的每一点进步都和设计之初，参考了大量的教材及中英文专业资料，得到了王老师的热心指导和同学们的帮助，在此我对给予我帮助的老师和同学表示衷心地感谢。附录1电路原理图附录2各模块程序清单1．初始化子程序ADPORTEQU7FF8H△UEQU20HU0EQU21HUEQU22HORG0000HLJMPMAINORG0013HLJMPINT1ORG0020HMAIN：MOVSP，#60MOV20H，#NMOVR7，#FFH;R7=1111111MOV21H，00HMOV22H，00HMOVRl，#3OHRET;ADC0809通道0地址;灵敏度存放在20H;基准电压存放在21H;差值存放在22H;主程序起始地址;转主程序;INT1中断服务程序入口;转NITI中断服务程序;;设置堆栈指针;放入灵敏度值(设灵敏度值为N);初始化读数标志;21H单元清零;22H单元清零;R1为缓冲区数据地址指针，送数据缓冲区首址;2．中断服务程序AD:SETBIT1SETBEASETBEX1MOVDPTR,#ADPORTMOVA#00HMOVR5，AMOVX@DPTR，ACJNER7，#00H，$LOOP:NOPAJMPLOOPORG2100HNIT1:PUSHPSWPUSHAPUSHDPLPUSHDPHMOVDPTR，#7FF8HMOVXA，@DTPRMOVR5，ALCALLFILTERMOVA#00HMOVX@DPTR，AMOVR7，#00HPOPDPH;当ADC0809的EOC输出电平上跳沿触发中断1;打开总中断开关(片内中断允许寄存器IE.7=EA);允许外中断1中断;数据指针指向通道顶0通道;;;启动A/D转换;;;中断服务程序入口;;;数据指针指向通道IN0;把该通道的A/D转换结果读到累加器A中;将A/D结果存入R5;调用数字滤波程序;;再次启动刀D转换;置读数标志;POPDPLPOPAPO