金屬探測(cè)器是一中專門用來(lái)探測(cè)金屬的儀器
金屬探測(cè)器按其功能和市場(chǎng)應(yīng)用的不同可分為以下幾種：通道式金屬探測(cè)器(簡(jiǎn)稱安檢門)、手持式金屬探測(cè)器、便攜式金屬探測(cè)器、臺(tái)式金屬探測(cè)器、工業(yè)用金屬探測(cè)器和水下金屬探測(cè)器。
第一章 行業(yè)規(guī)范
金屬探測(cè)器是基于電磁感應(yīng)原理工作的，依工作方式主要有脈沖感應(yīng)型、VLF(very low frequency)連續(xù)波型和LC振蕩型三類。其中LC振蕩型主要應(yīng)用在小目標(biāo)近距探測(cè)方面，已較少使用，目前廣泛應(yīng)用的金屬探測(cè)器主要是脈沖感應(yīng)型和VLF連續(xù)波型。脈沖感應(yīng)型和連續(xù)波型金屬探測(cè)器都是通過(guò)探測(cè)被測(cè)金屬感應(yīng)電流產(chǎn)生的二次磁場(chǎng)確定被測(cè)金屬的有無(wú)及種類。脈沖感應(yīng)型金屬探測(cè)器檢測(cè)波形為隨時(shí)間指數(shù)衰減的波形。由于脈沖感應(yīng)型檢測(cè)波形的特殊性，在很大程度上限制了數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)在脈沖感應(yīng)型金屬探測(cè)器中的應(yīng)用。VLF連續(xù)波型檢測(cè)波形為有特定相位滯后的正弦波，當(dāng)前有很多數(shù)字信號(hào)處理算法適用于VLF連續(xù)波型，連續(xù)波型金屬探測(cè)器具有廣闊的發(fā)展前景。
VLF連續(xù)波型金屬探測(cè)器中，接收線圈上的感生電壓主要受介質(zhì)的磁導(dǎo)率影響。鐵磁性物質(zhì)的磁導(dǎo)率很高，即μ>>1，如鑄鐵為200～400。非鐵磁性物質(zhì)的磁導(dǎo)率近似等于真空中的磁導(dǎo)率，部分非鐵磁性物質(zhì)＜1，如銅、銀的相對(duì)磁導(dǎo)率分別為0.99990、0.999974。部分非鐵磁性物質(zhì)＞1，如鉑的相對(duì)磁導(dǎo)率為1.00026。當(dāng)鐵磁性物質(zhì)接近線圈時(shí)，線圈間介質(zhì)磁導(dǎo)率偏大，接收線圈上的感生電壓顯著增大。當(dāng)＜1的非鐵磁性物質(zhì)(如銅、銀)接近線圈時(shí)，線圈間介質(zhì)磁導(dǎo)率減小，接收線圈上的感生電壓值減小。當(dāng)＞1的非鐵磁性物質(zhì)(如鉑)接近線圈時(shí)，線圈間介質(zhì)磁導(dǎo)率增加，接收線圈上的感生電壓的電壓幅值微弱增加。
在技術(shù)進(jìn)步的前提下，今日的金屬探測(cè)器有能力作比以前更多、更為復(fù)雜的工作。整體來(lái)講，當(dāng)今的金屬探測(cè)器已經(jīng)出現(xiàn)了兩種最具特色的技術(shù)功能。其中之一是金屬探測(cè)器的網(wǎng)絡(luò)化功能。具備了這種技術(shù)，人們可以在任何一個(gè)地方撥打該金屬探測(cè)器，對(duì)儀器進(jìn)行維修，分析所通過(guò)的人流量，并可根據(jù)治安的好壞或威脅的大小，調(diào)整金屬探測(cè)器的工作靈敏度。所有這一切都可以遠(yuǎn)距離進(jìn)行操作。金屬探測(cè)器的另一個(gè)技術(shù)進(jìn)步就是分段限時(shí)技術(shù)的出現(xiàn)，世界幾大著名的金屬探測(cè)器生產(chǎn)廠商，如EIPaso、CeiaUSA、Ranger&Metorex等，均投入了相當(dāng)?shù)馁Y金從事這項(xiàng)研究、開發(fā)工作。它利用探測(cè)器的側(cè)面或另一儀表盤上的燈光來(lái)指示或顯示出人體中金屬物品的近似位置，可以用在諸如法庭以及其他不允許發(fā)出聲音的地方，雖然關(guān)閉了探測(cè)器的音量，但它仍能顯示并提醒操作人員何時(shí)何處有金屬物品存在。
金屬探測(cè)器可以與其他的出入控制裝置，如入口讀卡機(jī)等整合在一起。銀行業(yè)是該出入整合設(shè)備的最大客戶。美國(guó)CeiaUSA公司董事長(zhǎng)ScootDennision不久前曾經(jīng)說(shuō)過(guò)，他們公司已經(jīng)開始著手為美國(guó)的幾大銀行安裝整合式金屬探測(cè)器。他們使用的是一種雙門系統(tǒng)，它具備這樣的功能：在第二道門打開之前，銀行或其他機(jī)構(gòu)借助于該系統(tǒng)就能夠斷定正在進(jìn)入的人員是否攜帶有槍支等物品。在該系統(tǒng)中，金屬探測(cè)器與CCTV、對(duì)講電話系統(tǒng)、出入控制以及其他安全防范手段整合在一起。但是該金屬探測(cè)器，也可以在獨(dú)立的基礎(chǔ)上與出入控制整合在一起。CeiaUSA公司業(yè)已開發(fā)出了一種新技術(shù)，能夠在人員通過(guò)金屬探測(cè)器的時(shí)候自動(dòng)刷卡，不但能探測(cè)人員是否攜帶有武器，而且還能進(jìn)行讀寫校驗(yàn)以確定人員是否能合法進(jìn)入該場(chǎng)所。這種名叫MET卡的產(chǎn)品已于去年9月上市，它借助于近發(fā)無(wú)線電技術(shù)，可使工作人員騰出雙手，免去了手持勞作之苦。在讀卡的基礎(chǔ)上，該系統(tǒng)可根據(jù)工作性質(zhì)、對(duì)象調(diào)節(jié)安全報(bào)警信號(hào)的閥值。如果你是一個(gè)警察，依法可以持有槍支，那么該系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)降低報(bào)警的靈敏度；而對(duì)下一個(gè)通過(guò)探測(cè)器的一般人來(lái)說(shuō)，金屬探測(cè)器將自動(dòng)提高或調(diào)整報(bào)警的靈敏度。MET卡也可以安裝在門框中充當(dāng)跟蹤設(shè)備，用以防止貴重物品的丟失和被盜。
前面所講的是金屬探測(cè)器的最新情況，金屬探測(cè)器經(jīng)過(guò)40多年的發(fā)展其技術(shù)上已經(jīng)發(fā)生了幾次飛躍，人類已經(jīng)步入到數(shù)字化時(shí)代，金屬探測(cè)器也順應(yīng)這一時(shí)代的現(xiàn)狀，無(wú)論是金屬探測(cè)器的網(wǎng)絡(luò)化還是出入整合技術(shù)，都需要強(qiáng)大的數(shù)字電路對(duì)信息進(jìn)行分析處理，在進(jìn)行傳送控制。因此在這種前提下進(jìn)行數(shù)字金屬探測(cè)器的設(shè)計(jì)是順應(yīng)時(shí)代發(fā)展和需求的，本次金屬探測(cè)器是一種基于單片機(jī)的數(shù)字金屬探測(cè)器，其對(duì)金屬的判斷報(bào)警都是在數(shù)字單片機(jī)內(nèi)完成的，可拓展性強(qiáng)，在對(duì)其加入外圍功能電路后也能實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化和和出入整合。
第二章 可行性論證
金屬探測(cè)器的設(shè)計(jì)方案根據(jù)它的應(yīng)用的不同而不同，這里引入兩種與本次設(shè)計(jì)應(yīng)用相近的金屬探測(cè)設(shè)計(jì)方案，拿它們與我們的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行對(duì)比，以突顯出彼此的優(yōu)缺。
3.1 手持?jǐn)?shù)字金屬探測(cè)器
其模型如圖3-1所示。
圖3-1 手持?jǐn)?shù)字金屬探測(cè)器原理框圖
可以看出它由四部分組成：高頻振蕩、信號(hào)放大、脈沖轉(zhuǎn)換和信號(hào)的處理與報(bào)警，下面簡(jiǎn)單論述以下各個(gè)模塊的功能。
（1)高頻振蕩
這一部分是金屬探測(cè)的基礎(chǔ)，金屬探測(cè)器的原理是：當(dāng)金屬物體置于變化的磁場(chǎng)當(dāng)中時(shí)，金屬內(nèi)部就會(huì)產(chǎn)生渦流，而渦流所產(chǎn)生的磁場(chǎng)又會(huì)影響原磁場(chǎng)。高頻振蕩部分的任務(wù)首先就是產(chǎn)生變化的磁場(chǎng)，它往往由一LC振蕩電路組成。其次，在遇見金屬后由于金屬內(nèi)部渦流的存在，它的磁場(chǎng)會(huì)影響原有磁場(chǎng)，使原有振蕩電路的振幅和周期都發(fā)生改變。這種改變經(jīng)轉(zhuǎn)換后送入單片機(jī)，單片機(jī)中有相應(yīng)的程序?qū)ζ溥M(jìn)行分析判斷。
（2)放大電路
振蕩電路所產(chǎn)生的正弦波信號(hào)的幅值是比較小的，因此需要放大才能進(jìn)行再處理。
（3)脈沖轉(zhuǎn)換電路
這是本套設(shè)計(jì)方案所獨(dú)有的，它是實(shí)現(xiàn)本次金屬探測(cè)數(shù)字化的橋梁，單片機(jī)只能處理數(shù)字脈沖型號(hào)，因此振蕩電路所產(chǎn)生的信號(hào)經(jīng)放大不能直接送入單片機(jī)，這一部分只需要一個(gè)TTL門電路對(duì)放大電路輸出的波形進(jìn)行轉(zhuǎn)換就行，簡(jiǎn)單但很重要。
（4)信號(hào)處理與報(bào)警
這一部分是整個(gè)電路的大腦，所有的電路都是為它服務(wù)，這一部分也是整個(gè)探測(cè)器實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化或其他功能的橋梁。作為整個(gè)電路的大腦，它對(duì)整個(gè)電路所產(chǎn)生的信號(hào)做最終的處理，并根據(jù)處理的結(jié)果決定是否存在金屬，是否要發(fā)出警報(bào)。這一部分處理能力的強(qiáng)弱影響這整個(gè)系統(tǒng)的性能。作為與外部進(jìn)行溝通的橋梁，它可以將金屬探測(cè)的信息發(fā)送給外圍模塊供他們進(jìn)行進(jìn)一步的處理，它同時(shí)也接收外圍模塊傳送過(guò)來(lái)的控制信號(hào)，如對(duì)金屬探測(cè)的精度或其他方面進(jìn)行設(shè)置。
3.2 MD—898K金屬探測(cè)器
圖3-2為MD—898K金屬探測(cè)器的原理框圖，看上去在結(jié)構(gòu)上和本次設(shè)計(jì)的金屬探測(cè)器很相近，實(shí)際上它們存在本質(zhì)的差別。首先，兩者在設(shè)計(jì)思想上完全不同，MD—898K金屬探測(cè)器是模擬信號(hào)處理的模擬金屬探測(cè)器，而此次要實(shí)現(xiàn)的金屬探測(cè)器信號(hào)的處理和報(bào)警都在數(shù)字單片機(jī)內(nèi)完成。其次，在可拓展性方面MD—898K沒(méi)有可拓展性而言，因?yàn)槊恳徊糠值膯卧娐肪o密的聯(lián)系在一起，即使可以擴(kuò)展也要對(duì)整個(gè)電路進(jìn)行從新設(shè)計(jì)，而且設(shè)計(jì)的難度相對(duì)很大，而本次設(shè)計(jì)，將頻率信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)供數(shù)字單片機(jī)進(jìn)行分析，單片機(jī)提供了很多I/O口可以很方便的和其他單片機(jī)進(jìn)行通訊，加入串口通信模塊后還可以直接和PC機(jī)進(jìn)行通訊，借助于PC機(jī)強(qiáng)大存儲(chǔ)和網(wǎng)絡(luò)資源對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行再分析在處理，就可以完善金屬探測(cè)的性能，并且借助于PC機(jī)的強(qiáng)大功能可以使探測(cè)的精度得到新的改善。
圖3.2 MD—898K金屬探測(cè)器原理框圖
第三章 設(shè)計(jì)文檔
總體設(shè)計(jì)將影響整個(gè)項(xiàng)目的實(shí)現(xiàn)，對(duì)整個(gè)項(xiàng)目的開發(fā)起著指導(dǎo)性的作用，因此總體設(shè)計(jì)的好壞影響深遠(yuǎn)，這里的軟硬件方案都是經(jīng)過(guò)再三的比較與分析才確定的，硬件和軟件兩個(gè)互相影響，協(xié)同工作實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的基本功能。由于硬件系統(tǒng)是基礎(chǔ)，是軟件系統(tǒng)得以運(yùn)行的平臺(tái)，因此將它放在前面，先依據(jù)硬件的總體設(shè)計(jì)方案，完成各個(gè)單元電路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，接下來(lái)再根據(jù)軟件模塊的總體方案設(shè)計(jì)程序流程，在硬件電路的基礎(chǔ)之上進(jìn)行調(diào)試。但在設(shè)計(jì)之初兩個(gè)部分都需經(jīng)過(guò)認(rèn)真的分析，確定總體方案后再分階段進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。
5.1 硬件電路設(shè)計(jì)
硬件電路設(shè)計(jì)是進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，是整個(gè)金屬探測(cè)器中最位重要的部分。它設(shè)計(jì)的好壞決定著系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可擴(kuò)展性。本次設(shè)計(jì)的金屬探測(cè)器系統(tǒng)組成框圖如圖4-1所示，硬件控制電路包括兩個(gè)部分，一部分線圈振蕩電路,包括:多諧振蕩電路、放大電路和探測(cè)線圈;另一部分控制電路包括:UGN3503型線性霍爾元件、放大電路、峰值檢波電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、AT89S52單片機(jī)、LED顯示電路、聲音報(bào)警電路及電源電路等。在本次設(shè)計(jì)中考慮到產(chǎn)品成本、實(shí)用性以及整體大小，將LED顯示電路與線圈振蕩電路中的放大部分省略掉。
圖5-1系統(tǒng)組成框圖
5.1.1 總體電路圖
圖5-2 設(shè)計(jì)總體電路原理圖
5.1.2 線圈震蕩電路
圖5-3 線圈震蕩電路原理圖
工作過(guò)程中，由555定時(shí)器構(gòu)成一個(gè)多諧振蕩器，產(chǎn)生一個(gè)頻率為24KHZ、占空比為2/3的脈沖信號(hào)。振蕩器的頻率計(jì)算公式為：
（5-1）
圖示參數(shù)對(duì)應(yīng)的頻率為24KHZ，選擇24KHZ的超長(zhǎng)波頻率是為了減弱土壤對(duì)電磁波的影響。從多諧振蕩器輸出的正脈沖信號(hào)經(jīng)過(guò)電容輸入到的基極（為125的9013H),使其導(dǎo)通，經(jīng)放大之后，就形成了頻率穩(wěn)定度高、功率較大的脈沖信號(hào)輸入到人、探測(cè)線圈中，在線圈內(nèi)產(chǎn)生瞬間較強(qiáng)的電流，從而使線圈周圍產(chǎn)生恒定的交變磁場(chǎng)。由于在脈沖信號(hào)作用下，處于開關(guān)工作狀態(tài)，而導(dǎo)通時(shí)間又非常短，所以非常省電，可以利用9V電池供電。
5.1.3 數(shù)據(jù)采集放大電路
圖5-4 數(shù)據(jù)采集電路原理圖
（1）線性霍爾傳感器
在電路設(shè)計(jì)中，選用了美國(guó)公司生產(chǎn)的UGN3503U線性霍爾傳感器，來(lái)檢測(cè)通電線圈周圍的磁場(chǎng)變化。UGN3503U線性霍爾傳感器的主要功能是可將感應(yīng)到的磁場(chǎng)強(qiáng)度信號(hào)線性地轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?hào)。他的功能特性示于圖4-5和4-6。
圖5-5 UGN3503的功能框圖
圖5-6 UGN3503U的磁電轉(zhuǎn)換特性曲線
霍爾元件是依據(jù)霍爾效應(yīng)制成的器件。如圖4-7所示，在一塊半導(dǎo)體薄片上兩端通以電流I，并加以和片子表面垂直的磁場(chǎng)B，在薄片的橫向兩側(cè)會(huì)出現(xiàn)一個(gè)電壓，如圖3.2.5中的，這種現(xiàn)象就是霍爾效應(yīng)。這種現(xiàn)象的產(chǎn)生的洛倫茲力的作用下，分別向片子橫向兩側(cè)偏轉(zhuǎn)和積聚，因而形成一個(gè)電場(chǎng)，稱作霍爾電場(chǎng)�；魻栯妶�(chǎng)產(chǎn)生的電場(chǎng)力和洛倫茲力相反，它阻礙載流子繼續(xù)堆積，知道霍爾電場(chǎng)力和洛倫茲力相等，這時(shí)，片子兩端建立起一個(gè)穩(wěn)定的電壓，就是霍爾電壓，霍爾電壓可用下式表示：
= （V） （5-2）
式中—霍爾常數(shù)（）；I—電流（A）；B—磁感應(yīng)強(qiáng)度（T）；d—霍爾元件的厚度(m)。令 ，則得到：
（V） （5-3）
圖5-7 霍爾效應(yīng)原理圖
由上式可知，霍爾電壓的大小正比于控制電流I和磁感應(yīng)強(qiáng)度B。稱為霍爾元件的靈敏度，它與元件材料的性質(zhì)與幾何尺寸有關(guān)。因此當(dāng)外加電壓電源一定時(shí)，通過(guò)的電流I為一恒定值，此時(shí)輸出的電壓只與加在霍爾元件上的磁場(chǎng)B的大小成正比，即：
（5-4）
此時(shí)K=為常數(shù)。因此，任何引起磁場(chǎng)強(qiáng)度變化的物理量都將引起霍爾輸出電壓的變化。據(jù)此，將霍爾元件做成各種形式的探頭，固定在工作系統(tǒng)的適當(dāng)位置，用它去檢測(cè)工作磁場(chǎng)，再根據(jù)霍爾輸出電壓的變化提取別檢信息，這就是線性霍爾元件的基本物理依據(jù)和作用。
（2）放大和峰值檢波電路
由于UGN3503U線性霍爾元件采集到的電壓信號(hào)是一個(gè)毫伏級(jí)的信號(hào)，信號(hào)十分微弱，所以，在對(duì)其進(jìn)行處理前，首先要進(jìn)行放大。在設(shè)計(jì)中，信號(hào)放大電路采用輸入阻抗高、漂移較小、共模抑制比高的集成運(yùn)算放大器LM324。LM324是四運(yùn)放集成電路，它采用14腳雙列直插塑料封裝。它的內(nèi)部包含四組形式完全相同的運(yùn)算放大器，除電源共同，四組運(yùn)放相互獨(dú)立。
如圖所示，UGN3503線性霍爾元件輸出的微弱信號(hào)經(jīng)電容耦合到前級(jí)運(yùn)算放大器U2A的相同輸入端，運(yùn)算放大器U2A把霍爾元件感應(yīng)到的電壓轉(zhuǎn)換為對(duì)地電壓。在電路設(shè)計(jì)中，運(yùn)放 LM324采用+5V單電源供電，對(duì)于不同強(qiáng)度的信號(hào)均可通過(guò)調(diào)節(jié)前級(jí)放大電路的反饋電位器Rw來(lái)改變其放大倍數(shù)。經(jīng)前級(jí)運(yùn)算放大器放大的信號(hào)經(jīng)耦合電容輸入到后級(jí)峰值檢波電路中。采用阻容耦合的方法可以使前后級(jí)電路的靜態(tài)工作點(diǎn)保持獨(dú)立，隔離各級(jí)靜態(tài)之間的相互影響，使得電路總溫漂不會(huì)太大。峰值檢波電路由兩級(jí)運(yùn)算放大器組成，第一級(jí)運(yùn)放U2B將輸入信號(hào)的峰值傳遞到電容上，并保持下來(lái)。第二級(jí)運(yùn)放U2C組成緩沖放大器，將輸出與電容隔離開來(lái)。在設(shè)計(jì)中，為了獲得優(yōu)良的保持性能和傳輸性能，同樣采用了輸入阻抗高、響應(yīng)速度較快、跟隨精度較好的運(yùn)算放大器LM324，這樣可有效地利用LM324的資源，減少使用元器件的數(shù)量，降低了成本。當(dāng)輸入電壓上升時(shí)，跟隨上升，使二極管、導(dǎo)通，截止，運(yùn)放U2B工作在深度負(fù)反饋狀態(tài)，使電容充電，上升。當(dāng)輸入電壓下降時(shí)，跟隨下降，導(dǎo)通，U2B也工作在深度負(fù)反饋狀態(tài)，深度負(fù)反饋保證了二極管、可靠截止，值得以保持。當(dāng)再次上升時(shí)使上升并使、導(dǎo)通，
截止，再次對(duì)電容充電（高于前次充電電壓），下降時(shí)，、又截止，導(dǎo)通，將峰值再次保持。輸出反映的大小，通過(guò)峰值檢波和后級(jí)緩沖放大電路，將采集到的微弱信號(hào)放大至0V~5V的直流電平，以滿足A/D轉(zhuǎn)換器ADC0809所要求的輸入電壓變換范圍，然后通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換電路將檢測(cè)到的峰值轉(zhuǎn)化成數(shù)字量。
5.1.4 A/D轉(zhuǎn)換電路
圖5-8 A/D轉(zhuǎn)換及與單片機(jī)接口電路原理圖
由于采集到的信息是連續(xù)變化的模擬量，不能被單片機(jī)直接處理，所以，必須把這些模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量后才能夠輸入到單片機(jī)中進(jìn)行處理，這里選用了經(jīng)濟(jì)實(shí)用的ADC0809型A/D轉(zhuǎn)換器來(lái)完成模數(shù)轉(zhuǎn)換。ADC0809芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作時(shí)序示于圖4-9和圖4-10。
圖5-9 ADC0809的芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)
圖5-10 ADC0809的工作時(shí)序
ADC0809是8位逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器，片內(nèi)有八路模擬開關(guān)，可對(duì)八路模擬電壓量實(shí)現(xiàn)分時(shí)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換速度為100(即10千次/秒)。當(dāng)?shù)刂锋i存允許信號(hào)ALE=1時(shí)，3位地址信號(hào)A、B、C送入地址鎖存器，選擇8路模擬量中的一路實(shí)現(xiàn)A/D變換。本設(shè)計(jì)中只使用通道INO，所以，地址譯碼器ABC直接地址為000，采用線選法尋址。
ADC0809的模擬輸入范圍：?jiǎn)螛O性0~5V,設(shè)計(jì)中采用+5V單電源供電。放大后的電壓信號(hào)送入ADC0809的模擬輸入通道IN0進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。當(dāng)ADC0809的START啟動(dòng)信號(hào)輸入端為高電平時(shí)，A/D開始轉(zhuǎn)換，在時(shí)鐘的控制下，一位一位地逼近，比較器一次次進(jìn)行比較，轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)，送出轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)EOC(低到高)，并將8位數(shù)字量鎖存到輸出緩存器。AT89C51的讀信號(hào)端發(fā)出一個(gè)輸出允許命令輸入到ADC0809的ENABLE(即OE)端,ENABLE(OE)端呈高電位，用以打開三態(tài)輸出端鎖存器，AT89C51從ADC0809讀取相應(yīng)電壓數(shù)字量，然后存入數(shù)據(jù)緩沖器中。
5.1.5 其他電路
（1）單片機(jī)最小系統(tǒng)電路
圖5-11 單片機(jī)最小系統(tǒng)電路原理圖
采用AT89C51單片機(jī)。AT89C51是一個(gè)低功耗，高性能CMOS 8位單片機(jī)，片內(nèi)含4K Bytes ISP (In-system programmable)的可反復(fù)擦寫1000次的Flash只讀程序存儲(chǔ)器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)制造，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS—51指令系統(tǒng)及80C51引腳結(jié)構(gòu)，芯片內(nèi)集成了通用8位中央處理器和ISP Flash存儲(chǔ)單元。
AT89C61片內(nèi)結(jié)構(gòu)具有如下特點(diǎn)：40個(gè)引腳，4K Bytes Flash片內(nèi)程序存儲(chǔ)器，128 bytes的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(RAM)，32個(gè)外部雙向輸入/輸出(I/O)口， 2個(gè)數(shù)據(jù)指針，2個(gè)16位可編程定時(shí)計(jì)數(shù)器，5個(gè)中斷優(yōu)先級(jí)2層中斷嵌套中斷，2個(gè)全雙工串行通信口，片內(nèi)時(shí)鐘振蕩器。此外，AT89C51設(shè)計(jì)和配置了振蕩頻率可為0Hz并可通過(guò)軟件設(shè)置省電模式�？臻e模式下，CPU暫停工作，而RAM、定時(shí)計(jì)數(shù)器、串行口及外中斷系統(tǒng)可繼續(xù)工作，掉電模式凍結(jié)振蕩器而保存RAM的數(shù)據(jù)，停止芯片其它功能直至外中斷激活或硬件復(fù)位。其工作電壓為5V，晶振頻率采用12MHz。
（2）報(bào)警指示電路
圖5-12 報(bào)警指示電路
此電路僅采用兩個(gè)LED指示燈及一個(gè)蜂鳴器構(gòu)成。LED1采用綠色燈光，當(dāng)測(cè)量值在一定范圍內(nèi)，即未檢測(cè)到金屬時(shí)此燈亮起。當(dāng)檢測(cè)到存在金屬時(shí)，代表危險(xiǎn)的LED2燈亮起，此燈應(yīng)采用紅色，同時(shí)與LED2相并聯(lián)的蜂鳴器LS1由于上方管腳出現(xiàn)高電平而開始報(bào)警。為了使報(bào)警啟動(dòng)信號(hào)足夠驅(qū)動(dòng)蜂鳴器并能使蜂鳴器響聲足夠響亮，在此電路中引入一個(gè)PNP型三極管。
（3）LM7805三端穩(wěn)壓電路
圖5-13 LM7805三端穩(wěn)壓電路原理圖
X78XX 系列是三端正電源穩(wěn)壓電路，它的封裝形式為T0-220。它有一系列固定的電壓輸出，應(yīng)用十分廣泛。每種類型由于內(nèi)部電流的限制，以及過(guò)熱保護(hù)和安全工作區(qū)保護(hù)，使它基本上不會(huì)損壞，如果能提供足夠的散熱片，他們就能夠提供大于1.5A的輸出電流。雖然是按照固定電壓值來(lái)設(shè)計(jì)的，但是當(dāng)接入適當(dāng)?shù)耐獠科骷�，就能夠獲得各種不同的電壓和電流。其中LM7805是輸出5V DC的三端穩(wěn)壓電路，其相關(guān)參數(shù)見表4-1。
表5-1 LM7805電參數(shù)表
（注：除特別說(shuō)明，0<Tj<125℃，Io=500mA,Vi=10V,Ci=0.33μF，Co=0.1μF）
5.2 軟件設(shè)計(jì)
硬件完成信號(hào)的產(chǎn)生與處理后，接下來(lái)的工作就全部由軟件部分完成，軟件系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)才能真正體現(xiàn)系統(tǒng)的價(jià)值，軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是軟件實(shí)現(xiàn)的起點(diǎn)，它對(duì)整個(gè)軟件部分的實(shí)現(xiàn)起指導(dǎo)作用，同時(shí)它也羅列出系統(tǒng)的所有功能。
5.2.1 開發(fā)環(huán)境及工具
在本次設(shè)計(jì)中軟件設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)上，基于Windows7操作系統(tǒng)，在KeiluVision4軟件環(huán)境下，利用C語(yǔ)言進(jìn)行編程，程序簡(jiǎn)單易懂，可移植性強(qiáng)，利用“宏晶科技”的stc-isp-15xx-v6.85H軟件把對(duì).C源文件經(jīng)過(guò)編譯、鏈接后生成的.HEX文件導(dǎo)入AT89C51單片機(jī)中。利用Proteus7.8的仿真作用，將.HEX文件導(dǎo)入電路原理圖中的單片機(jī)中進(jìn)行仿真。
5.2.2 C語(yǔ)言源程序代碼
#include <reg52.h>
#include <math.h>
#define uint unsigned int
#define uchar unsigned char
sbit ST=P3^2;
sbit OE=P3^3;
sbit EOC=P3^4;
sbit led1=P2^0;
sbit led2=P2^1;
sbit led3=P2^2;
sbit led4=P2^3;
sbit dp=P2^4;
sbit ledg=P2^5;
uint temp1;
uchar ad_data;
uchar data dis[5]={0x00,0x00,0x00,0x00,0x00};
uchar code led_segment[ ]={0x3F,0x06,0x5B,0x4F,0x66,0x6D,0x7D,
0x07,0x7F,0x6F}; //共陰數(shù)碼管字碼表
void main(void); //主函數(shù)
void data_pro();
void delay(int count);
void display(); //顯示子程序
void main(void) //主程序
{
ad_data=0; //采樣值存儲(chǔ)單元初始化為0
while(1)
{
ST=0;
ST=1; //給START一個(gè)高電平，上升沿復(fù)位A/D內(nèi)部寄存器
ST=0; //給START一個(gè)低電平，啟動(dòng)ADC0809工作 //相當(dāng)于時(shí)鐘脈沖
while(EOC==0) //EOC為零，A/D轉(zhuǎn)換過(guò)程進(jìn)行中，等待轉(zhuǎn)換結(jié)束變?yōu)?
OE=1; //OE=1，允許A/D向外發(fā)送數(shù)據(jù)
ad_data=P0; //通過(guò)P0口讀取數(shù)A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)
data_pro();
display();
}
}
void delay(int count) //定義延時(shí)子函數(shù) ,利用循環(huán)來(lái)延時(shí)
{
int i,j;
for(i=0;i<count;i++)
for(j=0;j<120;j++);
}
void display(void) //LED顯示子程序
{
P1=led_segment[dis[2]]+0x80; //驅(qū)動(dòng)方法
led1=0; //開第一個(gè)數(shù)碼管
delay(1); //動(dòng)態(tài)顯示方法 進(jìn)行一個(gè)很小的延時(shí)
led1=1; //關(guān)第一個(gè)數(shù)碼管 這樣進(jìn)行動(dòng)態(tài)顯示
P1=led_segment[dis[1]];
led2=0;
delay(1);
led2=1;
P1=led_segment[dis[0]];
led3=0;
delay(1);
led3=1;
}
void data_pro(void) //數(shù)據(jù)處理子程序
{
temp1=(ad_data*1.0/255)*500;
if(temp1>=200 )
{dp=0 ;
ledg=1; }
else
{ dp=1;
ledg=0;}
dis[2]=temp1/100;
dis[1]=temp1/10%10;
dis[0]=temp1%10;
}
第四章 測(cè)試文檔
為了降低成本，在設(shè)計(jì)階段為了避免失敗造成的器件的浪費(fèi)，我們先采用電腦仿真技術(shù)來(lái)驗(yàn)證設(shè)計(jì)結(jié)果是否可行。本次設(shè)計(jì)中使用的仿真軟件為Proteus7.8。在仿真過(guò)程中我們發(fā)現(xiàn)了許多問(wèn)題并及時(shí)找到解決辦法，對(duì)出錯(cuò)的地方加以修正。
6.1 Proteus軟件介紹
Proteus軟件是英國(guó)Lab Center Electronics公司出版的EDA工具軟件。它不僅具有其他EDA工具軟件的仿真功能，還能仿真單片機(jī)和外圍器件。它是目前比較好的仿真單片機(jī)及外圍器件的工具。
Proteus是世界上最著名的EDA工具。從原理圖布圖、代碼調(diào)試到單片機(jī)與外圍電路協(xié)同仿真，一鍵切換到PCB設(shè)計(jì)，真正實(shí)現(xiàn)了從概念到產(chǎn)品的完整設(shè)計(jì)。是目前世界上唯一將電路仿真軟件、PCB設(shè)計(jì)軟件虛擬模仿軟件三合一的設(shè)計(jì)平臺(tái)，其處理器支持8051、HC11PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、AVR、ARM、8086和MSP430等，并持續(xù)增加其他系列處理器模型。在編譯方面，它也支持IAR、Keil和MPLAB等多種編譯器。
圖6-1 Proteus軟件界面
6.2 線圈振蕩電路仿真
圖6-2 線圈電路仿真原理圖
圖6-3 線圈電路仿真結(jié)果圖
由上圖仿真結(jié)果發(fā)現(xiàn)，輸入到示波器A通道的經(jīng)過(guò)放大后的震蕩信號(hào)（黃色波形）與直接由555振蕩器輸出的輸入到示波器B通道的原始震蕩信號(hào)（藍(lán)色波形）相比，存在較明顯的失真，且沒(méi)有放大，甚至有所衰減。而且原始震蕩信號(hào)輸出峰值約為5V，已足夠大，不需要再經(jīng)過(guò)放大，經(jīng)過(guò)多次嘗試和討論分析，最終決定在實(shí)際電路中放棄此電路中的NPN三極管放大電路。此方案經(jīng)驗(yàn)證確實(shí)可用。
6.3 檢測(cè)信號(hào)放大電路仿真
（1）單級(jí)放大
圖6-4 毫伏級(jí)交流信號(hào)單級(jí)放大仿真原理圖
圖6-5 毫伏級(jí)交流信號(hào)單級(jí)放大仿真結(jié)果圖
上圖單級(jí)放大為反相放大，放大倍數(shù)為10倍，信號(hào)輸出效果很好，無(wú)失真。但是放大倍數(shù)不足，若通過(guò)改變電阻改變放大倍數(shù)，當(dāng)倍數(shù)達(dá)到一定時(shí)會(huì)發(fā)生較嚴(yán)重失真，故決定采用雙級(jí)放大。
（2）雙級(jí)放大
圖6-6 雙級(jí)信號(hào)放大電路仿真原理圖
圖6-7 雙級(jí)信號(hào)放大電路仿真結(jié)果圖
如上圖可見，采用雙級(jí)放大時(shí)，當(dāng)輸入信號(hào)峰值較大時(shí)（約超過(guò)20mV時(shí)），就會(huì)出現(xiàn)非常嚴(yán)重的失真，（頂部失真與底部失真都會(huì)出現(xiàn)），所以此電路可放大信號(hào)峰值范圍有限，故不能采用此電路。
圖6-8 可適應(yīng)此次設(shè)計(jì)的雙級(jí)放大電路仿真原理圖
圖6-9 可適應(yīng)此次設(shè)計(jì)的雙級(jí)放大電路仿真結(jié)果圖
從上圖電路可看出，此放大電路放大倍數(shù)與放大信號(hào)峰值范圍（峰值在0-90mV范圍內(nèi)的交變信號(hào)能做到頂部不失真的放大輸出）都能達(dá)到預(yù)期要求，但是波形看起來(lái)有較大變化——信號(hào)負(fù)半軸部分全部失真（但是正半軸信號(hào)無(wú)明顯失真）。然而在本次設(shè)計(jì)中不必考慮，因?yàn)榻Y(jié)合后續(xù)的峰值檢波電路，只需要比較準(zhǔn)確的峰值就可以，此電路可以滿足設(shè)計(jì)要求。
6.4 峰值檢波電路仿真
圖6-10 峰值檢波電路仿真原理圖
圖6-11 峰值檢波電路仿真結(jié)果圖
此電路作用是將測(cè)量到的交變電壓信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)橐员粶y(cè)信號(hào)峰為參考的直流電壓信號(hào)，結(jié)合圖5-9的雙級(jí)放大電路使用，忽略圖5-9電路中底部的失真，輸出代表信號(hào)大小的峰值信號(hào)。
注意在此電路中對(duì)于C1電容的選擇，若選取過(guò)小，如100pF，則會(huì)出現(xiàn)圖5-12的現(xiàn)象，即由于放電過(guò)快，使得出現(xiàn)“鋸齒”。也不可選取過(guò)大，如0.1uF，則會(huì)出現(xiàn)圖5-13的現(xiàn)象，即由于放電太慢，峰值信號(hào)不能及時(shí)跟隨原信號(hào)。
圖6-12 電容C1選取過(guò)�。–1=100pF）
圖6-13 電容C1選取過(guò)大（C1=0.1uF）
圖6-14 雙級(jí)交流放大+峰值檢波電路
圖6-15 雙級(jí)交流放大+峰值檢波電路仿真結(jié)果
6.5 A/D轉(zhuǎn)換與單片機(jī)控制電路仿真
圖6-16 未報(bào)警時(shí)某時(shí)刻仿真結(jié)果圖
圖6-17 報(bào)警時(shí)某時(shí)刻仿真結(jié)果圖
在仿真源程序中，我設(shè)置報(bào)警的閾值輸入電壓為2.00V，當(dāng)輸入信號(hào)電壓超過(guò)2.00V時(shí)紅燈亮起，蜂鳴器報(bào)警；低于2.00V時(shí)紅燈滅，綠燈亮起，蜂鳴器停止報(bào)警。（此2.00V報(bào)警電壓為為了測(cè)試隨意設(shè)置的，實(shí)際報(bào)警電壓需要利用線圈震蕩電路和霍爾元件檢測(cè)電路實(shí)際測(cè)得后確定。）
在整體電路中，輸入ADC0809的IN0口的輸入信號(hào)由霍爾元件檢測(cè)到的并經(jīng)過(guò)放大和峰值檢波后的直流信號(hào)提供，ADC0809的時(shí)鐘信號(hào)CLOCK可由555震蕩電路輸出的24KHz，5V的矩形波提供。
第五章 風(fēng)險(xiǎn)預(yù)計(jì)
對(duì)于金屬探測(cè)器來(lái)說(shuō)，其風(fēng)險(xiǎn)來(lái)自于漏檢、多建或錯(cuò)檢。在安檢場(chǎng)所，漏檢會(huì)使入場(chǎng)人員攜帶有危險(xiǎn)物品如：小刀、匕首、槍支、炸彈等，這是十分嚴(yán)重的安全隱患。多檢和錯(cuò)檢將會(huì)增加安檢的工程量，使安檢過(guò)程變得復(fù)雜漫長(zhǎng)。
對(duì)于本次設(shè)計(jì)，其由于放大電路對(duì)微弱檢測(cè)信號(hào)的放大，以及A/D轉(zhuǎn)換和單片機(jī)處理電路的精確，使得本次設(shè)計(jì)的金屬探測(cè)器靈敏度較高，可以檢測(cè)出幾毫伏的電壓變化，大大降低了漏檢的概率，降低了安全隱患。
另一方面，本次設(shè)計(jì)中用來(lái)作為報(bào)警參考的電壓來(lái)自于預(yù)先對(duì)檢測(cè)電路的的信號(hào)采集，所以可以人為的在程序中根據(jù)需要更改設(shè)定值。
本次設(shè)計(jì)默認(rèn)大于兩枚一元硬幣的金屬物質(zhì)為危險(xiǎn)物品，故采用兩枚一元硬幣作為采樣標(biāo)準(zhǔn)，則在安檢過(guò)程中小于兩枚硬幣大小的金屬將不會(huì)被檢出，在保證安全的前提下大大減少安檢的工作量。
第六章 成本分析
本次設(shè)計(jì)在保證可靠性、靈敏度、精度和可用性的前提下，選用了性能較好、性價(jià)比較高的器件，降低了成本。
表8-1 所用器件價(jià)格報(bào)表
| | | | | | | | | C1, C2, C3, C7, C8, C9, C10, C11, C12 | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | R1, R2, R3, R4, R8, R9, R10, R11, R12, R13, R14, R15, R16, R17, R18 | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | |
由上表可見，此款金屬探測(cè)器在硬件器件上成本較低，使大規(guī)模生產(chǎn)成為可能。同時(shí)器件的價(jià)格也決定未來(lái)產(chǎn)品的價(jià)格，較低的價(jià)格會(huì)使產(chǎn)品在日后的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中處于優(yōu)勢(shì)。
第七章 用戶手冊(cè) 本設(shè)計(jì)電路由+9V單電源供電，在設(shè)計(jì)過(guò)程中用學(xué)生電源提供，在實(shí)際使用中考慮到便捷性，擬采用六節(jié)1.5V的5#干電池串聯(lián)使用，或利用可充電鋰電池作為電源供電。 9.1 使用說(shuō)明 電路中有一個(gè)開關(guān)（S1），是單片機(jī)復(fù)位開關(guān)，一般不需要使用，當(dāng)儀器出現(xiàn)故障時(shí)（如蜂鳴器始終在響或輸出值維持不變時(shí)），按一下此按鈕，即可使儀器恢復(fù)出廠設(shè)置，繼續(xù)使用。 為了節(jié)約電量，此設(shè)計(jì)在電源部分與電路部分之間將引入一個(gè)總電源開關(guān)，此開關(guān)閉合，儀器進(jìn)入工作狀態(tài)，開關(guān)斷開，儀器停止工作，節(jié)約了電源電量。 在檢測(cè)過(guò)程中若綠燈亮起，則證明無(wú)金屬；紅燈亮起，且伴隨蜂鳴器響起，則證明存在金屬物質(zhì)。 9.2 常見故障及解決辦法 （1）電源指示燈不亮？ 1.檢查電源開關(guān)是否打開。 2.檢查電池是否有電。 3.檢查指示燈是否損壞。 （2）打開電源后蜂鳴器一直在響？ 按下單片機(jī)復(fù)位按鍵（S1），重新檢測(cè)。 （3）檢測(cè)金屬物質(zhì)時(shí)蜂鳴器不響？ 1.檢查紅燈是否亮起，紅燈亮起則蜂鳴器損壞。 2.被測(cè)物體是否達(dá)到最小識(shí)別金屬大小。 （4）控制電路無(wú)反應(yīng)？ 檢查單片機(jī)和ADC0809是否燒壞(單片機(jī)明顯發(fā)熱)。
總 結(jié) 本次所做的項(xiàng)目為手持式金屬探測(cè)器，經(jīng)歷了金屬探測(cè)器原理分析、總體設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)調(diào)試和最后的項(xiàng)目改進(jìn)5個(gè)步驟，充分體會(huì)到了進(jìn)行電子產(chǎn)品開發(fā)的辛勞，也從中體悟到了如何從事工程項(xiàng)目的開發(fā)以及應(yīng)該具備的品質(zhì)。做完這次設(shè)計(jì)后我身有體會(huì)，我覺(jué)得作為一個(gè)自然科學(xué)研究與學(xué)習(xí)的人員，首要具備的品質(zhì)是冷靜，要冷靜的尋找問(wèn)題的根源，冷靜的面對(duì)任何突發(fā)的情況，只有這樣你才能尋找更好的方法擺脫目前的困境，解決現(xiàn)存的問(wèn)題。其次，要有足夠的耐心，在進(jìn)行工程的開發(fā)，尤其是電子產(chǎn)品的開發(fā)時(shí)，其過(guò)程中會(huì)暴露出許許多多的問(wèn)題，你必須耐心對(duì)待這些問(wèn)題，找出原因最后滿足項(xiàng)目的要求。如過(guò)沒(méi)有足夠的耐心和勇氣遇見挫折就開始心浮氣躁，不知所措。那么要想順利完成一件工程真是難上加難。 這里所使用的設(shè)計(jì)方案其實(shí)有很大的擴(kuò)展空間，既然金屬探測(cè)模塊對(duì)外提供了一個(gè)數(shù)據(jù)接口，我們可以在這個(gè)接口之上添加一個(gè)無(wú)線的收發(fā)模塊，單片機(jī)傳過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線發(fā)送模塊發(fā)送出去，接收模塊通過(guò)一個(gè)串口連接到PC機(jī)，在PC機(jī)中用軟件編寫一個(gè)接收器，對(duì)接收過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行再處理。PC機(jī)具有強(qiáng)大的存儲(chǔ)空間，這樣可以引入更加復(fù)雜的算法來(lái)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，進(jìn)一步準(zhǔn)確的判斷金屬的類型，況且通過(guò)PC機(jī)還可以獲得更加龐大的網(wǎng)絡(luò)資源，可以借此對(duì)金屬探測(cè)器的功能進(jìn)行在擴(kuò)大。還可以將前端金屬探測(cè)模塊做成一個(gè)探雷小車，小車在前方進(jìn)行探測(cè)，而操作人員只需在很遠(yuǎn)處借助于一臺(tái)PC機(jī)就會(huì)對(duì)前端的情形了如指掌。 其實(shí)還可以與更多的數(shù)字功能模塊相連實(shí)現(xiàn)更加強(qiáng)大的功能，這就是數(shù)字探測(cè)器的魅力所在。
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