本科毕业设计论文基于单片机的金属探测器的设计Word文件下载.docx

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关键词：

单片机金属探测器线性霍尔元件电磁感应灵敏度

Designforvendingmachine'

sPLCsystem

Abstract:

Thispaperdescribesthecompositionofhardwareandsoftware,workingprinciplesandthefunctionsofanintelligentmetaldetectorwhichmainlyconsistsofAT89S52Single-ChipMicrocomputerandlinearHall-EffectSensor.TheequipmentadoptsUGN3503Ulinearhall-effectsensorasprobetodetectthemagneticfieldchangeofthecentreofasearchcoilresultedfromeddycurrenteffectandturnthismagneticfieldchangeintovoltagechange.TheSingle-ChipMicrocomputermeasuresthepeakvalueofvoltageandcomparesitwithreferencevoltage.Thendeterminewhetherdetectmetelornot.Incaseofdetectionofametallicmass,theMetalDetectorporvidesanacousticalandopticalalarm.Thesystemssoftwareadoptstheassmblerlanguagetobewritten.Insidethesoftware,thedigitalfiltertechnologyisutilizedtoeliminatethejamming.Sothestabilityofsystemandmeasuringveracityareimproved.TheeffectofallfactorsonsensitivityandstabilityofMetelDetetorarediscussedinthispaper.Itisconcludedthattheoperatingfrequency,thesizeofthesearchcoilandturnsarethemainfactorseffectedonthesensitivityoftheinstrument:

theenvironmenttemperatureandhumidityinsite,thewindingtechnologyofcoilsandthestabilityofpowersupplyarethefactorseffectedonstabilityofinstrument.

KEYWORDS:

Single-ChipMicrocomputermetaldetectorlinearhall-effectsensorelectric-magneticinductionsensitivity

参考文献…………………………………………………………………………………...32

前言

随着社会的发展金属探测器已经成为一种重要的检查设备，广泛地被应用到社会生活和工业生产当中。

比如说在机场、运动会、大型展览会进出口等我们都会看到金属探测器被用来对过往人员进行安全检查排查行李、包裹还可以检测到人体是否携带有刀具、枪支、子弹等安全隐患的物品;

在工业生产部门（比如汽车、金银首饰、电子产品等工厂）同样也有使用到金属探测器对出入人员进行检查，从而可以防止贵重的金属物品流失;

甚至连考试也开始采用金属探测器检测考生是否利用手机等代金属的通信工具进行作弊。

由此可见，当今社会金属探测器对社会生活，生产，人身安全已经有了极其重要的作用。

但是要准确定位金属物品准确的所在位置，我们就对金属探测器的精度有比较高的要求。

国外已经有较成熟的产品（比如EIPaso、CeiaUSA、Ranger&

Metoerx厂家都有类似产品），但是它们的价格通常都非常昂贵;

国内也有利用模拟电路来检测和控制的比较传统一点的金属探测器，它的缺点是电路比较复杂，探测灵敏度也不高，而且整个系统不稳定很受环境因素如温度、湿度、电焊等干扰很大。

正是基于这样的原因我给大家介绍这样一个基于单片机控制的智能型金属探测器，灵敏度方面它的传感器采用了灵敏度极高的线性霍尔元件，能检测金属出现时探测线圈周围磁场的变化，这样可以大大的提高检测的精度;

数据处理方面采用的是AT89S52单片机作为控制单元，用它来处理检测结果，能有效地保证检测效果;

我们还采用了软件滤波的方法而不是已往的模拟电路滤波，这很大程度上提高了整套系统的可靠性、灵敏度和稳定性。

这样它就可以适用于检测各种邮件、包裹包括人体携带的各种金属物品，尤其适用于海关、机场、车站等公共场所进出口的安全检查。

还可以用来探测土壤中的物品（如地雷）。

1金属探测器的理论根据

1.1理论概述

金属探测器是采用的线圈的电磁感应原理来进行探测金属的。

由电磁感应原理：

当金属物体靠近通电线圈平面时，线圈介质条件会发生变化并产生涡流效应。

[1]

1.1.1介质条件变化

当有金属物体接近通电线圈的时候，通电线圈周围的磁场会发生变化，如图1.1.1-1，

图1.1.1-1

设圆形电感线圈半径为R，通过的交变电流I=Imcoswt圈时线圈周围空间会产生交变磁场，由毕奥一萨伐尔定律可以计算出线圈中心轴线上任意一点的磁感应强度：

（1.1.1-1）

上式当中，μ=μ0μr，μ代表介质的磁导率，μr代表的是相对磁导率，μ0代表真空磁导率。

[2]对于紧密缠绕的N匝线圈，线圈中心轴线某一点的磁感应强度可以算出：

（1.1.1-2）

由上式可得知，当线圈有效探测范围内没有金属物出现时，μr=1（非金属相对磁导率），线圈中心磁感应强度不会发生变化，线圈有效探测范围内如铁磁性金属出现，μr会变大，磁感应强度也会随之变大。

1.1.2涡流效应

再来说说涡流效应，根据电磁理论可以知道，当金属物体出现在变化的磁场当中，金属导体内形成自行闭合的感应电流，既涡流效应。

涡流又会产生附加的磁场与外磁场方向相反，这样就会削弱外磁场变化的速度。

正是因为这样，把交流的正弦信号输入空心线圈，交变磁场就会在线圈周围产生电流，线圈当中出现金属时，就会出现涡流磁场同时磁作用又会阻碍磁场变化。

σ越大，交变电流频率也就变得越大，涡电流强度变大，阻碍原有磁场变化。

这样我们就可以理解，金属接近通电线圈周围，介质磁导率发生变化和涡流效应同时引起磁感应强度发生改变。

对于非铁磁性金属、顺磁体μr≈1，σ较大，它是导电不导磁的，主要作用是产生涡流效应。

基于这个理论，只要找到适合的传感器以感应线圈磁场发生变化，然后把磁信号转变成电信号变化信号，再来实现单片机控制。

构建了系统硬件电路。

2硬件电路

2.1系统的组成

如2.1-1图所示，探测系统用AT89S528位单片机作控制核心，硬件电路有线圈振荡电路（多谐振荡电路、放大电路、探测线圈、控制电路）等。

具体电路原理图参看附录一。

图2.1-1系统结构框图

2.2硬件电路功能

2.2.1线圈振荡电路图

图2.2.1-1线圈振荡电路原理图

工作过程中把555定时器作多谐振荡器，以产生频率为24KHz、占空比为2/3的脉冲信号。

以下是振荡器频率计算公式：

（2.2.1-1）

如图参数的频率是24KHz，24KHz的超长波频率可以减弱土壤对电磁波的影响。

多谐振荡器输出正脉冲信号经输入到Q1基极（Q1为β≥125的9013H），这样就可以使它导通，Q1放大过后，频率稳定度高、功率较大的脉冲信号输入线圈L1线圈里面会产生较大的瞬间电流，这样线圈周围就会产生恒定的交变磁场。

在脉冲信号作用下，Q1处于开关工作状态，因为导通时间极短，故它其实是很省电的。

2.2.2数据采集分析

a）线性霍尔传感器

选用UGN3503U线性霍尔传感器，用来检测通电线圈Ll周围的磁场有没有发生变化。

UGN3503U主要功能可以将磁场强度信号线性地转化成电压信号。

功能框图输出特性如图2.2.2-1与图2.2.2-2。

[3]

图2.2.2-1UGN3503功能框图图2.2.2-2UGN350磁电转换特性曲线图

依据霍尔效应制成霍尔元件。

如图2.2.2-3:

图2.2.2-3霍尔效应原理

半导体薄片两端通以电流I再加与其表面垂直的磁场B，在薄片两侧就会出现电压，如图2-7UH,这就是所谓的霍尔效应。

它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，分别向片子横向两侧积聚，形成霍尔电场。

它所产生的电场力和洛仑兹力方向刚好相反阻碍载流子的堆积当霍尔电场力和洛仑兹力大小相等时，片子两侧建立起了一个稳定的电压既霍尔电压UH。

霍尔电压UH可用下式表示：

UH=RHIB/d（2.2.2-1）

式中RH---霍尔常数；

I电流；

B是磁感应强度；

d代表霍尔元件厚度

假设KH=RH/d（vAˉ¹

wbˉ¹

m²

），那么：

UH=KHIB（V）（2.2.2-2）

由此我们便可以知道电压的大小与正比控制电流I和磁感应强度B。

KH是霍尔元件灵敏度。

在外加电压源电压一定时，通过的电流是恒值，输出电压只和加在霍尔元件上的磁场大小成正比如下：

UH=KB（V）（2.2.2-3）

K=KHI是常数。

任何引起磁场强度变化的物理量也会引起霍尔输出电压发生变化。

据这个原理将霍尔元件做成各种探头固定在工作系统的适当位置，就可以检测到工作磁场，然后根据霍尔输出电压的变化提取检测到的信息，线性霍尔元件的基本根据就是这样的。

这次设计中采用线性霍尔传感器UGN3503U它将高增益线性差分放大器和射极跟随器集成在一个半导体基片上，为用户提供外电压源驱动、使用方便的磁敏传感器。

它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大小成比例。

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，采用mini-SIP封装形式。

它可以测量，10ˉ6-10T的磁场。

在测量磁场时，将元件的第一脚接在5V的电源上，再把第二脚接地，第三脚用来接高输入阻抗（>

10KΩ）电压