基于单片机的金属探测器的课程设计报告

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。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。

目录

第1章分析探测金属的理论依据 (1)

第2章硬件电路设计 (1)

2.1系统组成 (1)

2.2硬件电路功能描述 (1)

2.3整机工作原理描述 (4)

第3章系统软件设计 (5)

3.1软件设计思想 (5)

3.2数字滤波计算法说明 (6)

3.3主程序流程图 (6)

第4章仿真、调试结果分析 (8)

4.1仿真、调试目的与内容 (8)

4.2仿真结果分析 (8)

4.3试验总结 (9)

第5章结论 (10)

参考文献 (10)

附录 (11)

第1章分析探测金属的理论依据

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。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。

第2章硬件电路设计

2.1 系统组成

如图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 线圈振荡电路原理图 电路原理图如图2所示。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：

2ln )2(1

111110C R R f +=

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。

2.2.2 数据采集电路

图3 数据采集电路 电路原理图如图3所示。由线性霍尔传感器、放大和峰值检波电路构成。线性霍尔传感器选用的是美国ALELGRO 公司生产的UGN3503U ，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。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。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。峰值检测电路由两级运算放大器组成，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。

2.2.3 A/D转换电路

图4 A/D转换电路

为了将采集到的模拟量信息，转换为单片机能够直接处理的数字信息，这里选用了ADC0809型A/D转换器，完成由模拟量到数字量的转换。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的数据输出口直接于单片机的数据总线P0口相连接，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。电路原理图如图4所示。

2.2.4 系统控制单元

单片机AT89S52与AT89C52相比较，其优点在于AT89S52片内含8K Bytes ISP的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，还兼具AT89C52的其他优点：AT89S52是一个低功耗，高性能CMOS 8位单片机。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。其工作电压为5V，晶振频率采用12MHz。

2.2.5 键盘控制电路

键盘控制电路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。

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；当键盘控制部分各键按下时，LED 显示相对应灵敏度数值，显示电路如图5所示。

图5 显示报警电路

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。

2.2.7 电源电路

电路原理图如图6所示，电源供电由9V电池和板内稳压电源组成。

图6 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，