智能金属探测仪的设计与实现.docx

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智能金属探测仪的设计与实现

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。

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UGN3503电磁感应灵敏度

ABSTRACT

Thispaperdescribesthecompositionofhardwareandsoftware，workingprinciplesandthefunctionsofanintelligentmetaldetectorwhichmainlyconsistsofAT89S52SingleChipMurochipandlinearHall-EffectSensor.TheequipmentadoptsUGN3503Ulinearhall-effectsensorasprobetodetectthemagneticfieldchangeofthecentreofasearchcoilresultedfromeddycurrenteffectandturnthismagneticfieldchangeintovoltagechange.TheSCMmeasuresthepeakvalueofvoltageandcomparesitwithreferencevoltage.Thendeterminewhetherdetectmetalornot.Incaseofdetectionofametallicmass,theMetalDetectorprovidesanacousticalandopticalalarm.Thesystemssoftwareadoptstheassemblerlanguagetobewritten.Insidethesoftware,thedigitalfiltertechnologyisutilizedtoeliminatethejamming.TheeffectofallfactorsonsensitivityandstabilityofMetalDetectorarediscussedinthispaper.Itisconcludedthattheoperatingfrequencythesizeofthesearchcoilandturnsarethemainfactorseffectedonthesensitivityoftheinstrument；theenvironmenttemperatureandhumidityinsite，thewindingtechnologyofcoilsandthestabilityofpowersupplyarethefactorseffectedonstabilityofinstrument.

KEYWORDS：

SCM（SingleChipMurochip），MetalDetector,UGN3503

Electric-MagneticInduction,Sensitivity

第一章绪论

1.1金属探测器的应用

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、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，国外虽然己有较为完善的系列产品（如EIPaso,CeiaUSA,Ranger&Metorex等厂商的产品），但价格极其昂贵；国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、行、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、护墙板侧、空洞和土壤中的上述物品和其他金属物。

1.2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，将发生如下现象和效应：

（1）线圈介质条件的变化：

当金属物接近通电线圈时，将使通电线圈周围的磁场发生变化，如图1-1，对于半径为R的单匝圆形电感线圈，当其过交变电流I=Iwcosωt时，线圈周围空间产生交变磁场，根据毕奥一萨伐尔定律可计算出线圈中心轴线上一点的磁感应强度B为：

图1.1电磁感应原理图

（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。

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，当线圈有效探测围无金属物时，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，当线圈有效探测围出现铁磁性金属物时，μr会变大，B随μr也会变大。

（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。

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=1,0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。

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。

第二章硬件电路设计

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。

图2.1系统结构块图

具体电路连接参见图2.2电路原理图。

图2-2电路原理图

2.2硬件电路功能描述

2.2.1线圈振荡电路：

图2.3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biz125的9013H）.使其导通，经Q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，可以利用9V电池供电。

2.2.2数据采集电路

图2.4数据采集原理图

（1）线性霍尔传感器

在电路设计中，选用了美国ALLEGRO公司生产的UGN3503U线性霍尔传感器，来检测通电线圈L，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2.5和图2.6。

图2.5UGN3503U的功能框图图2.6UGN3503U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2-7所示，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。

图2.7霍尔效应原理图

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：

（V）（2-2）

式中RH-霍尔常数（m3C-1）：

I——电流（A）；B——磁感应强度（T）：

d——霍尔元件的厚度（m）

令

，则得到

（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：

（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1MHz）：

输出噪声低等特点。

用它作探头可测量，10-6T-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=OG）时，静态输出电压是电源电压的一半（V/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L1的中心，即可感应线圈L1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UGN3503U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，它的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。

电路如图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W1来改变其放大倍数。

经前级运算放大器放大的信号经祸合电容C2输入到后级峰值检测电路中。

采用阻容祸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K2上升时，气：

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，V上升。

当输入电压V12下降时，V12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，K值得以保持。

当K2再次上升使气：

上升并使D4.D5导通，D3截止，再次对电容C6充电（K高于前次充电时电压），V12下降时，D4.D5又截止，D3导通，K将峰值再次保持。

输出V0反映V0YC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OV-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围，然后通过A/D转换电路将检测到的峰值转化成数字量。

（3）A/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芯片部结构和工作时序示于图2.8和图2.9。

图2.8ADC0809芯片的部结构

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INO，所以，地址译码器ABC直接接地为000，采用线选法寻址。

ADC0809片有三态输出缓冲器，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PO口相连接，AT89S52的PO口作为数据总线，又作为低8位地址总线。

ADC0809的片没有时钟，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）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INO进行AID转换。

将P2.7（地址总线的A15）作为片选信号，由AT89S52的写信号WR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DWDo锁存到输出缓存器。

AT89S52的读信号RD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

2.2.3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），芯片集成了通用8位中央处理器和ISPFlash存储单元。

图2.11AT89S52引脚结构图

AT89S52片结构如图2.12所示，它具有如下特点：

40个引脚，8KBytesFlash片程序存储器，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，片时钟振荡器。

此外，AT89S52设计和配置了振荡频率可为OHz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2.12AT89S52片结构

2.2.4显示告警电路

一旦发现金属出现，则被测物理量超限由单片机I/O口的P1.0控制发光二极管进行光报警的同时，P1.6还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。

2.2.5电源电路

电路如图2-13所示，电源供电由9V电池和板稳压电源组成。

电路板采用三端稳压集成电路块LM7805为板元器件供电。

LM7805三端正稳压器具有部过流、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+SV电压，最大输出电流O.SA，保证板555定时器、UGN3503U,AT89S52,ADC0809等芯片和元件可靠地工作。

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L，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u。

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OV～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OV～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–UO|得到一个差值，此差值与预设的灵敏度ΔU再作比较。

当然，ΔU大小的设定决定着系统精度的高低。

若|Ux–UO|>ΔU，就确定为探测到金属，CPU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。

第三章系统软件设计

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Uo，如果未采集过Uo，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2.2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，ADC0809的EOC端向AT89S52的INT1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Uo。

经反复实验测得的灵敏度ΔU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部RAM以30H为首址的数据存储器中，然后将此数据Ux和基准电压U0进行比较，二者差值U存放在单片机RAM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进行比较，以确定是否报警。

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。

在一个采样周期，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