基于单片机的金属探测器设计.docx
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基于单片机的金属探测器设计
基于单片机的金属探测器设计
1.4探测器的分类…………………………………….………………………………………1
2.2系统组成.........................................................................................................4
2.3系统工作原理…………………………………………………………………4
3.3系统控制单元(AT89S52的介绍)………………………………………22
基于单片机的金属探测器设计
摘要
金属探测是根据电磁感应原理制成的,在变化的磁场中放置一块金属,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会影响原磁场,这种变化可以转换为电压幅值的变化,用检测电压的办法进行检测。
它可以变现为振荡电路频率的变化,供相关电路检测。
金属探测器被设计用来探测人或物体携带的金属物。
它可以探测出人所携带或包裹、行李、信件、织物等内所带武器、炸药或小块金属物品。
其敏感表面的特别外观令操作简易。
本文重点介绍后者,振荡部分由电容三端式振荡电路组成,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。
这种基于AT89S52单片机控制的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。
关键词:
金属探测器,电磁感应,单片机,涡流,振荡电路
ABSTRACT
Metaldetectionismadebasedontheprincipleofelectromagneticinduction,themagneticfieldchangeswereplacedinapieceofmetal,accordingtotheprincipleofelectromagneticinductioneddycurrentwillbegeneratedinternallyinthemetal,eddycurrentgeneratesamagneticfieldinturnaffectstheoriginal,magneticfield,thischangecanConvertedtothevoltageamplitudechangesinthewayofmeasuringthevoltagedetection.Itcanalsobeexpressedaschangesinfrequencyoscillatorcircuitfortherelevantcircuitfortesting.
Handheldmetaldetectorsaredesignedtodetectpersonorobjectofmetalcarry.Itcandetectpeoplecarryorpackage,baggage,mail,fabricwithweapons,explosivesinteriororsmallpieceofmetalitems.Itssensitivesurfaceofthespecialappearancemakesoperationssimpleandconvenient.
Thisarticlefocusesonthelatter,theoscillationpartofthethreeterminaltypeoscillationbythecapacitorcircuit,theresultingsinewavepulseamplificationandconversioncircuits,andthenintotheMCU,theMCUchangesthefrequencyofdetectingit.AT89S52Microcontroller-basedmetaldetectorfocusedonthecompositionofitshardware,softwaredesign,workingprincipleandmainfunctions.
KEYWORDS:
aldetectors,oscillationcircuit,vortex,electromagneticinduction.
第一章绪论
1.1引言
全球第一台金属探测器诞生于1960年,五十年过去了,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术成果。
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。
至今,它已经作为一个成熟的产品进入我们的生产生活。
超越今天的金属探测器是难以完成的任务,因此本设计致力于学习和研究探测器的基本原理,以进一步提高自身的水平。
1.2探测器的发展状况
金属探测器是一中专门用来探测金属的仪器,除了探测有金属外壳或金属部件的地雷以外,还可以用来探测隐蔽在墙壁内部的电线、埋在地下的水管电缆,甚至能够地下探宝,发现埋藏在地下的金属物体。
目前还广泛用于各种大型会议中心、汇展场管、体育场管公检法、监狱系统及娱乐场所的安全检查和工厂企业的防偷检查,甚至用于对高考禁带物品的检查。
世界上第一台金属探测器诞生与1960年,步入工业时代的最初的金属探测器主要用于工矿业,是检查矿产纯度和提高效益的得力助手,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,也就是今天所使用的金属探测门的雏形,它的出现意味着人类对安全认识已步入一个新纪元。
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。
20世纪70年代随着航空工业的迅速发展,劫机和危险事件的发生使航空和机场安全逐渐受到重视,于是在机场众多设备中,金属探测门排查违禁物品的重要角色。
同样再0世纪70年代,由于金属探测门在机场安检中崭露头角,大型运动会、展览会及政府安全保卫工作中开始启用金属探测门。
20世纪80年代,监狱暴力案件呈直线上升趋势,如何及早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;与此同时西方兴起的“探宝热”,也使金属探测器取得了长足的发展。
进入20世纪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的流失、结束员工与公司之间的尴尬局面,陆续采用了金属探测门和手持金属探测器,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的新作用产品防盗。
“9.11”事件发生后反恐成为国际社会的一个重要的议题。
爆炸案、恐怖活动的猖獗使恐怖分子成了各国安全部门重点打击的对象。
此时国际社会“安全防范”的认识也提高到了一个新的高度,受“9.11”事件的影响各行各业加强了保安工作的部署,金属探测器也成功渗透到公共娱乐场所等行业。
然而此时简单的通道式金属探测门已不能完全满足安检要求,安检人员需要的是一种能准确判定物品藏匿位置的安检产品。
2002年是国产探测器洗心革面,业绩辉煌的一年,政府对安防行业的大力支持,及“十五计划”指导思想的延伸使一些生产厂商越来越注重自身产品质量的提高,无论是产品性能还是外观都越来越接近于国外产品,甚至在某些功能上已超过国外产品。
在产品开发、生产过程中考虑最多的也是如何适应国内安检市场、满足客户要求。
实现安检设备国产化,符合中国国情
2003年的国内金属探测器市场可谓硝烟弥漫,无论是国外品牌还是国产品牌竞争异常激烈,都企图在大陆市场再多分一杯羹,重新划分现有市场格局。
于是国外某品牌率先打出了电脑联网功能的招牌。
国内厂家在自身产品尚不过关的情况下纷纷效仿,最终均战死沙场,惟独深圳某公司自主开发的SYSTEM(赛时特)金属探测门笑傲江湖,据了解,目前国内也只有该公司掌握此技术的核心部分,并且比国外产品所提出的电脑联网功能更具先进性、和实用性。
金属探测器自诞生至今40多年过去了,金属探测器经历了几代金属探测的变革,从最初的信号模拟技术到连续波技术,再到今天的数字脉冲技术,金属探测器简单的磁场切割原理被引入多种技术成果中。
无论是灵敏度、分辨率、探测精度还是在工作性能上都得到了质的飞跃,应用领域也随着产品质量的提高延伸到多个行业。
1.3探测器的应用
(1)安全型金属探测器
随着交通、旅游、金融和娱乐事业的发展,在机场、银行、珠宝店和珠宝制造厂、贵金属矿、贵金属加工厂等,需要对过往人员进行检测,以使贵重物品不丢失及排除危险物品、枪支等。
(2)军用型金属探测器
现代局部战争中,人们埋下了上亿颗地雷,只有利用军用型金属探测器排查和销毁这些地雷,才能保证居民的生命和财产的安全。
(3)工业型金属探测器
安装在冶金、烧结、水泥、玻璃、造纸、化工、卷纸等工厂和矿山生产线的自动传送皮带上,用以检测矿石、烟草等原料中混入的废金属,保护破碎及不受损坏。
(4)生活型金属探测器
随着人们生活水平的提高。
对于衣食住行的关注越来越多,在食品加工、食品包装、成衣制作、纺织制品、木料加工等,需要对其加工过程或者出厂产品进行检测,是否含有细微金属颗粒或金属碎屑,是否达到国际食品技术委员会HACCP(危害分析及临界控制点)基本准则的相应要求,纺织对人们的生命安全造成不必要的伤害。
城市的发展使得地下管道线越来越多,在一些原始资料确实的情况下,金属探测器可以帮助我们查清其走向。
随着人们居住条件的改善,房间装修是必修课,人们都会根据对原建的水电线路做修改和添加。
而这样的埋墙线路或管线是没有图纸和标识的,后期的安装如果钻打到电线和水管上时,轻者造成麻烦和损失,重者危及人的安全。
利用金属探测器查清位置是必要的。
一些人有探秘的梦想和热情,在野外游玩带有金属探测器,即使没有探到宝贝,也可以锻炼身体和满足好奇心。
1.4探测器的分类
金属探测器按其功能和市场应用的不同可分为以下几种:
(1)通道式金属探测器(简称安检门);
(2)手持式金属探测器
(3)台式金属探测武器
(4)工业金属探测器
(5)水下金属探测器
第二章系统的理论依据
2.1系统设计的理论依据
当磁性金属、非磁性金属及磁性物料出现在探测线圈平面附近时,依据电磁感应原理,将发生如下的现象和效应:
2.1.1线圈介质条件的变化
线圈介质的变化:
当磁性金属或磁性物料接近线圈时,将其周围的磁场发生变化。
对于圆形电感线圈,其中通过的交变电流i=IMcoswt时,中心磁感应强度为
B=(U/D)IMcoswt
式中:
u为介质磁导率,D为线圈直径。
对于紧密缠绕N匝的线圈,其等效电感为
式中:
为单匝线圈的磁通量。
当磁性金属或物料穿过线圈时,由于其磁导率较大,引起磁感应强度较大,此等效电感会有所增大。
2.1.2涡流效应和磁滞效应
涡流效应和磁滞效应:
电磁感应在金属中产生涡流,涡流又产生涡流磁场(与原磁场方向相反),涡流磁场削弱线圈原磁场的变化,从而使线圈的等效电感有减小的趋势。
此外,磁性金属还产生磁滞效应。
2.1.3涡流损耗和磁滞损耗
涡流损耗和磁滞损耗:
涡流在金属(磁性或非磁性)中流过必然产生损耗,其表达式如下
PC=WXFM2BM2
式中:
WX为涡流损耗因子,FM为磁场交变频率,BM为磁感应强度的幅值。
由于涡流效应和磁性金属的磁滞效应都将引起功率损耗,这将使线圈的等效电阻变大。
2.2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。
.
2.1系统结构块图
2.3系统工作原理
本设计中用AT89S52作为控制芯片,经ADC0809转换后的数字量送到该芯片中,通过编程判断该电压是不是有探测到金属时的电压,若是,则进行声音报警,驱动蜂鸣器工作,达到金属探测的功能。
第三章硬件电路设计
3.1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、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。
3.2电路具体介绍
3.2.1线圈振荡电路
工作过程中,由555定时器构成一个多谐振荡器,产生频率是24KHz,占空比为2/3的脉冲信号。
选择24KHz的超长波频率是为了减弱土壤对电磁波的影响。
振荡器的频率计算公式为
从多谐振荡器输出的正脉冲信号经过电容C7输入到Q1的基极(Q1为β>=125的9013H)图中用2N2222代替,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。
3.2.2放大电路
振荡电路所产生的正弦波信号的幅值是比较小的,因此需要放大才能进行再处理。
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。
3.2.3A/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的功能图如下:
ADC0809芯片有28条引脚,采用双列直插式封装,各引脚功能:
IN0~IN7:
8路模拟量输入端。
2-1~2-8:
8位数字量输出端。
ADDA、ADDB、ADDC:
3位地址输入线,用于选通8路模拟输入中的一路
ALE:
地址锁存允许信号,输入,高电平有效。
START:
A/D转换启动脉冲输入端,输入一个正脉冲(至少100ns宽)使其启动(脉冲上升沿使0809复位,下降沿启动A/D转换)。
EOC:
A/D转换结束信号,输出,当A/D转换结束时,此端输出一个高电平(转换期间一直为低电平)。
OE:
数据输出允许信号,输入,高电平有效。
当A/D转换结束时,此端输入一个高电平,才能打开输出三态门,输出数字量。
CLK:
时钟脉冲输入端。
要求时钟频率不高于640KHZ。
REF(+)、REF(-):
基准电压。
Vcc:
电源,单一+5V。
GND:
地。
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。
3.3系统控制单元(AT89S52的介绍)
AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器,共40个引脚,具有8K在系统可编程Flash存储器。
使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造,与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。
片上Flash允许程序存储器在系统可编程,亦适于常规编程器。
在单芯片上,拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash,使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。
AT89S52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。
其引脚图如下:
VCC:
电源
GND:
地
P0:
P0口是一个8位漏极开路的双向I/O口。
作为输出口,每位能驱动8个TTL逻辑电平。
对P0端口写“1”时,引脚用作高阻抗输入。
当访问外部程序和数据存储器时,P0口也被作为低8位地址/数据复用。
在这种模式下,P0具有内部上拉电阻。
在flash编程时,P0口也用来接收指令字节;在程序校验时,输出指令字节。
程序校验时,需要外部上拉电阻。
P1口:
P1口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口,p1输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。
对P1端口写“1”时,内部上拉电阻把端口拉高,此时可以作为输入口使用。
作为输入使用时,被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因,将输出电流。
此外,P1.0和P1.2分别作定时器/计数器2的外部计数输入(P1.0/T2)定时器/计数器2的触发输入(P1.1/T2EX),在flash编程和校验时,P1口接收低8位地址字节。
P2口:
P2口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口,P2输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。
对P2端口写“1”时,内部上拉电阻把端口拉高,此时可以作为输入口使用。
作为输入使用时,被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因,将输出电流(IIL)。
在访问外部程序存储器或用16位地址读取外部数据存储器(例如执行MOVX@DPTR)时,P2口送出高八位地址。
在这种应用中,P2口使用很强的内部上拉发送1。
在使用8位地址(如MOVX@RI)访问外部数据存储器时,P2口输出P2锁存器的内容。
在flash编程和校验时,P2口也接收高8位地址字节和一些控制信号。
P3口:
P3口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口,p2输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。
对P3端口写“1”时,内部上拉电阻把端口拉高,此时可以作为输入口使用。
作为输入使用时,被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因,将输出电流(IIL)。
P3口亦作为AT89S52特殊功能(第二功能)使用,如下表所示。
在flash编程和校验时,P3口也接收一些控制信号。
端口引脚第二功能
P3.0RXD(串行输入口)
P3.1TXD(串行输出口)
P3.2INTO(外中断0)
P3.3INT1(外中断1)
P3.4TO(定时/计数器0)
P3.5T1(定时/计数器1)
P3.6WR(外部数据存储器写选通)
P3.7RD(外部数据存储器读选通)
RST:
复位输入。
晶振工作时,RST脚持续2个机器周期高电平将使单片机复位。
看门狗计时完成后,RST脚输出96个晶振周期的高电平。
特殊寄存器AUXR(地址8EH)上的DISRTO位可以使此功能无效。
DISRTO默认状态下,复位高电平有效。
ALE/PROG——当访问外部程序存储器或数据存储器时,ALE(地址锁存允许)输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。
一般情况下,ALE仍以时钟振荡频率的1/6输出固定的脉冲信号,因此它可对外输出时钟或用于定时目的。
要注意的是:
每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE脉冲。
对FLASH存储器编程期间,该引脚还用于输入编程脉冲(PROG)。
PSEN:
外部程序存储器选通信号(PSEN)是外部程序存储器选通信号。
当AT89S52从外部程序存储器执行外部代码时,PSEN在每个机器周期被激活两次,而在访问外部数据存储器时,PSEN将不被激活。
EA/VPP——外部访问允许,欲使CPU仅访问外部程序存储器(地址为0000H-FFFFH),EA端必须保持低电平(接地)。
需注意的是:
如果加密位LB1被编程,复位时内部会锁存EA端状态。
如EA端为高电平(接Vcc端),CPU则执行内部程序存储器的指令。
FLASH存储器编程时,该引脚加上+12V的编程允许电源Vpp,当然这必须是该器件是使用12V编程电压Vpp。
第四章系统软件设计
4.1软件算法
软件是系统的灵魂,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中的21H中的数值的值来判断是否采集基准电压
如果未采集过
,则启动ADC0809对INO通道的模拟输入量进行A/D转换。
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,从原理图看出,ADC0809的EOC端通过反相器接AT89S52的INT1端,作为中断申请。
采用中断方式,可大大节省CPU的时间。
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,AD0809的EOC端向AT89S52的
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INT1,中断服务程序进行压栈,保护现场,读取来自0809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
。
经反复实验测得的灵敏度
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