智能输出多功率LED驱动设计.docx

智能输出多功率LED驱动设计.docx

《智能输出多功率LED驱动设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《智能输出多功率LED驱动设计.docx（11页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

智能输出多功率LED驱动设计

智能输出多功率LED驱动设计

学院：

信息学院

专业：

信息工程

姓名：

屈俊豪学号：

100103031004

指导老师：

李克勤职称：

副教授

中国•珠海

二○一四年五月

诚信承诺书

本人郑重承诺：

1.本人郑重地承诺所呈交的毕业论文（设计），是在指导教师的指导下严格按照学校和学院有关规定完成的。

2.本人在毕业论文（设计）中引用他人的观点和参考资料均加以注释和说明。

3.本人承诺在毕业论文（设计）选题和研究内容过程中没有抄袭他人研究成果和伪造相关数据等行为。

4.在毕业论文（设计）中对侵犯任何方面知识产权的行为，由本人承担相应的法律责任。

本人签名：

日期：

年月日

摘要

随着微电子和计算机技术的迅速发展，传统的金属探测系统也向着新的方向快速更新和发展。

金属探测器在现代社会生活和工业生产中的应用越来越广泛，从最初应用在探雷和探测地下金属开始发展到现在的旅行安检、食品、反恐、冶金和药品等方面保护性检测与质量安全检测。

在科学技术不断进步及金属探测器在现代社会生活和工业生产中的作用不断凸现的时代背景下，怎么提升和完善金属探测器的性能，已成为本领域一个亟待解决的问题。

文中首先对金属探测的理论分析做了具体的阐述，然后从硬件和软件两方面对系统的设计进行了详细的介绍。

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。

软件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。

关键词：

金属探测器，线性霍尔元件，电磁感应，电涡流传感器

Abstract

Withtherapiddevelopmentofmicro-electronicsandcomputertechnology,thetraditionalmetaldetectionsystemsaremovingtowardanewdirectionofrenovatinganddeveloping.Metaldetectornowcomesintomanyaspectsofoutsociallifeandindustrialproduction,fromtheinitialapplicationinthedetectionofundergroundmetalmineandmilitarymine-detectiontothecurrenttravelsecurity,food,terrorism,metallurgy,andmedicineandsoon.Withthecontinuousadvancementoftechnologyandtheeffectofmetaldetectorinsociallifeandindustrialproduction,howtoenhancethecapabilityofmetaldetectionequipments,becomeanurgentissueinthatarea.

Firstlyonthetheoreticalanalysisofthemetaldetectortodoaspecificelaboration,andfromthehardwareandsoftwareaspectsofthedesignofthesystemwereintroducedindetail.AT89S52microcontrollercore,usinglinearHallelementUGN3503assensorsforsensingthemetalvortexeffectcausedbythemagneticfieldofthecoilisenergized,andthemagneticfieldchangeintoavoltagechangeinthemeasuredvoltagemicrocontroller,andwiththesetvoltagecomparedwiththereferencevaluetodeterminewhetherthedetectedmetal.Softwareusesdigitalfilteringtechniquestoeliminateinterference,improveanti-interferenceabilityofthedetectortoensuretheaccuracyofthesystem.

KeyWords:

Metaldetectors,linearHallelement,electromagneticinduction,eddycurrentsensor

目录

1绪论1

1.1研究背景及意义1

1.2金属探测器的国内外研究现状2

1.3本文的主要工作3

2金属探测器的工作原理4

2.1电磁感应原理4

2.2涡流效应5

2.3涡流传感器的工作原理5

2.4金属探测器的设计方案7

3硬件设计8

3.1发射线圈震荡电路8

3.2放大和峰值检波电路9

3.3A/D转换电路10

4软件部分11

参考文献11

谢辞12

1绪论

1.1研究背景及意义

金属探测器出现于20世纪60年代,随着社会的不断发展及犯罪案件的不断增多,金属探测器由最初用来检查矿产纯度逐渐被引入到安全检查领域,金属探测门的最初形态也就形成了,金属探测器的出现意味着人类的安全认识已经步入到了一个新纪元。

在迅速发展的航空工业中,劫机及危险事件的发生使金属探测器逐渐的受到人们的重视,于是在机场中,使用金属探测门来对违禁物品进行排查。

由于金属探测门在机场安检中薪露头角,金属探测门也开始被适用于大型运动会、展览会及政府安全保卫工作。

在上世纪八十年代,监狱暴力案件越来越频繁的发生,在美国、英国、比利时等发达国家的监狱管理机构,为了防范并阻止暴力案件的发生,除了依靠增加警员来加强管理外,还利用金属探测门来进行安检。

上世纪九十年代,电子制造业如雨后春笋般迅猛发展,许多大型的电子出现产品流失的情况,为了保障公司的安全,但同时又避免员工与公司之间的尴尬局面的发生,很多公司及企业陆续地采用金属探测门和便携式手持金属探测器来进行安全检查,这样产品的流失现象得到了有效的抑制,这就演变出了金属探测器的新作用——产品防盗。

“9.11”事件的发生使反恐被提为国际社会的一项重要议题。

爆炸案、恐怖活动日益猖獗,各国安全部门重点严厉打击恐怖分子。

此时“安全防范”的认识也被国际社会提高到了新的高度,各行各业都对保安工作的部署实施加强,在公共娱乐场所等行业也出现了金属探测器。

随着人们的需求的逐渐提高,安检人员不但要求探测器能检测出物品,并目.要求能准确的判断出物品藏匿的位置,此时的通道式金属探测门已经满足不了安检的要求。

继而多区位的金属探测技术孕育而生,它的诞生是金属探测器历史上的乂一次大的变革,原来单一的磁场分布变成了现在互相叠加而又相对的独立的多个磁场,再依据人体工程学原理,把人体分成多个区段使之同人体相对应,相应区段在探测门上边形成相对的区域,这样金属探测门便拥有了报警定位功能。

金属探测器的诞生己经有40多年的历史,它的发展经历了信号模拟、连续波技术、数字脉冲技术这几代的变革,金属探测器采用的简单的磁场切割原理被引入到多种技术成果中。

金属探测器的灵敏度、分辨率、探测精度和工作性能等都得到了质的飞跃,随着产品质量的提高应用领域也延伸到了多个行业。

金属探测器是依据电磁感应原理进行的,当线圈当中通过变化的电流时会产生迅速变化的磁场,如果金属物体靠近该变化的磁场中时便会产生闭合的感应电流,也就是金属的祸流效应,而祸流效应产生的电磁场又会倒过来影响原来的磁场,使探测器发出警报来告知金厲物体的存在。

金属探测器具有以下使用功能:

探测具有金展外壳或带有金属部件的物体、隐埋在墙壁内部的屯线、埋于地下的水管电缆,甚至还能够探测出深埋于地下的金属物体进行地下寻宝。

鉴于金属探测器的以上功能,目前各种大型会议中心、汇展场管、体育场管、监狱系统以及娱乐场所的安检和工厂或企业的防偷防盗检查都利用金厲探测器来进行,在目前的各种考试中金属探测器还用来对考试中违禁物品进行检查。

金属探测器按照功能和市场应用的不同可分为如下几种:

通道式金属探测器（简称安检门）、手持式金属探测器、便携式金属探测器、台式金属探测器、工业用金属探测器和水下金属探测器。

按照工作方式的不同金属探测器可以分为:

脉冲感应型、LC振荡型和VLF（verylowfrequency）连续波型三类。

LC振荡型主要用在较小目标的近距离探测方而,现已经较少使用,目前被广泛应用的金域探测器主要足VLF连续波型和脉冲感应型,这两种金属探测器确定被测金诚的有无及种类都足通过探测被测金属感应电流产生的二次磁场来实现的。

脉冲感应喷的金属探测器检测的波形随时间做指数型衰减,这种检测波形的方法比较特殊性因此它在很大程度上对数字信号处理技术在脉冲感应型金属探测器中的应用进行了限制。

VLF连续波金属探测器检测出的波形是有特定的相位滞后的正弦波形,目前VLF连续波型对很多数字信号处理算法都适用,具有非常广阔的发展前景。

传统的金属探测器的方法是传感器探头由正弦波振荡电路组成,若金属物经过探头或把探头在金属物附近移动,由于磁场变化会在金属体内产生涡流,导致振荡电路震荡失谐,从而使振荡电路的输出电压发生变化,根据此信号系统可探测到附近是否有金属物存在。

这种电路一般采用模拟电路进行设计,抗干扰能力较差,环境的变化或元件的老化都会造成电路工作点的漂移,影响系统的稳定性,结果会导致波形失真甚至停止震荡。

因此,必须采用较为复杂的反馈补偿电路才能提高系统的稳定性。

本文介绍的金属探测仪,选用高灵敏度的霍尔元件祸流传感器作为磁敏探头;选用性能优良的AT89CS52毕片机作为主控部件,电路设计由模拟化转为数字化,充分利用了单片机强大的函数运算和数据处理能力,从而大大提高了系统的抗干扰性能、稳定性及实时检测能力和智能化程度。

1.2金属探测器的国内外研究现状

21世纪的今天，金属探测器的应用随处可见，并且应用日益广泛，效益可观。

一台的金属探测器可以保护价值数十万元的矿石破碎机，一套安全门式金属探测器可以保护价值上千万元乃至上亿元的飞机及人身安全。

一台手持式金属探测器可以有效的探测发现金属矿产，大大地提高了探测矿产效率。

因此对金属探测器的研究和生产引起国内外的高度重视。

早在20世纪50年代，国外就成功计算出多种形式的探测线圈在检测不同形状工件时的阻抗特性，并研制出了以阻抗分析法为原理的涡流仪器，推动了涡流检测技术在工业中的应用。

我国对涡流检测理论的研究起步较晚，近年来，我国在人工神经网络技术和三维缺陷阻抗图的研究方面取得了很大进展。

在该领域国内的研究已接近发达国家水平，推动了我国涡流检测理论的发展。

内金属探测器的研究和发展目前多集中在安检领域，出现了多个金属探测器生产厂商，但从国内市场占有率看，国外品牌占有80%的市场份额，民航市场也一直没有国产金属探测器的出现。

其原因主要是，大部分产品因质量不过关，而拿不到相关的认证。

国内金属探测器产品的研发、生产和推广在近几年已获得较大进步，但同其他电子类产品一样，也出现了电路仿制、性能趋同、功能繁多和华而不实的现象。

目前，国内用于安检的金属探测器只能检测金属物品，而像炸药、毒品等非金属危险品却无法检测，虽然某些公司现已进入实验开发阶段，但真正推出使用还需要一段时间。

国外的金属探测器传感器大多采用流、电磁场，超声波、图像扫描等方式，其如日本、美国、英国和德国生产的金属探测装置。

但适合于食品、纺织行业的金属探测器比较少，且价格比较贵。

其中性能比较突出的是日本安利公司的Duw系列金属探测器，具备较高的检测灵敏度和稳定性，而且采用了自动算法设定和相位跟踪功能，在国际上是较为先进的。

最近，金属探测技术也逐步趋向复杂化、多功能化和灵敏度高化，像南非生产的GOLDFINGER型金属探测器，它通过二维信号检测，在监视屏幕上可显示被检测者身上所携带的金属物体的位置，灵敏度最高可检出0.5克的黄金。

X光红外测器系列的金属探测器，能使在食品中金属杂质所在的位置和大小指示并显示出来。

金属探测器的另一个技术进步就是分段限时技术的出现，世界几大著名的金属探测器生产厂商，比如ElPaso、CeiaUS、Ranger&Metorex等，均投入了大量的资金从事这方面的研究和开发工作。

它利用探测器侧面或另一仪表盘上的灯光来指示或显示出人体中金属物品的近似位置。

从整体上说，虽然国内企业推出了很多自己研发的金属探测器，但从整体上来说，无论是检测精度还是自动化水平都和国外先进的金属检测设备存在一定的差距。

1.3本文的主要工作

文中首先对金属探测的理论分析做了具体的阐述，然后从硬件和软件两方面对系统的设计进行了详细的介绍。

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。

软件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。

2金属探测器的工作原理

2.1电磁感应原理

电磁感应的本质可以追溯到麦克斯韦电磁场理论：

变化的磁场在周围空间产生电场，当导体处在此电场中时，导体中的自由电子在电场力作用下作定向移动而产生电流即感应电流；如果不是闭合回路，则导体中自由电子的定向移动使断开处两端积累正、负电荷而产生电势差。

线圈之所以能探测到金属物体的存在是因为电磁感应。

1820年，丹麦物理学家奥斯特发现了电流的磁效应，同年法国物理科学家毕奥、萨伐尔和拉普拉斯总结出了毕奥--萨伐定律，其描述的是电流产生磁场的规律。

如图2-1（a）所示，有一长直导体，内部通有电流，大小为I。

导体元dl在A点产生的磁感强度dB为。

μ0为真空磁导率，点P与导体元dl之间的距离为r，夹角为α。

整个导体在P点产生的磁感强度B为。

穿过某一面积的磁感线条数，就叫做穿过这个面积的磁通量，记为φ。

如果一个平面的面积为S，置于磁感强度为B的匀强磁场中，且线圈截面垂直于磁场方向，则通过平面B的磁通量φ为：

1831年，法拉第总结出电磁感应的定律:

当通过回路包围的面积的磁通量发生改变时，回路中将产生感生电动势ε，其大小与穿过回路的磁通量对时间的变化率成正比。

ε数学表达式如下：

其中，N为感应线圈匝数，Δφ/Δt为磁通量的变化率。

在实际情况中，如图2-1（b）所示，线圈A的电流Ia发生改变时，穿过线圈B的磁通量φb发生改变，在线圈B里面产生感生电动势，势必引起线圈B中的电流发生改变。

同理线圈B的电流Ib发生改变时，穿过线圈A的磁通量φa发生改变，在线圈A里面产生感生电动势，引起线圈A中的电流发生改变。

此种现象称为互感。

互感系数M与线圈几何形状、相互位置等有关，其满足以下数学关系

2-1电磁示意图

2.2涡流效应

电磁感应作用在导体内部感应的电流，又称为傅科电流。

导体在磁场中运动，或者导体静止但有着随时间变化的磁场，或者两种情况同时出现，都可以造成磁力线与导体的相对切割。

按照电磁感应定律，在导体中就产生感应电动势，从而驱动电流。

这样引起的电流在导体中的分布随着导体的表面形状和磁通的分布而不同，其路径往往有如水中的漩涡，因此称为涡流。

导体在非均匀磁场中移动或处在随时间变化的磁场中时，因涡流而导致能量损耗称为涡流损耗。

涡流损耗的大小与磁场的变化方式、导体的运动、导体的几何形状、导体的磁导率和电导率等因素有关。

涡流损耗的计算需根据导体中的电磁场的方程式，结合具体问题的上述诸因素进行。

2.3涡流传感器的工作原理

涡流现象的发现及利用至今已有上百年的历史，涡流仪器的发展经历了三代，第一代涡流仪器为模拟类，主要采用分立元件，这往往具有体积庞大、操作复杂、维护困难和抗干扰能力差等特点。

第二代涡流仪器为数字类，将原来的模拟信号采样并量化成数字信号，以数字形式显示或打印最终结果，这样提高了系统运行的可靠性，减小了系统的体积，抗干扰能力较模拟类仪器有所增强，具有响应速度快、测量精度高和易于维护等优点。

第三代涡流仪器为智能类，这种仪器一般由微处理器控制，具有数据采集、数据处理、显示记录和传输测量等一系列自动控制功能，如今，伴随着电子技术的快速发展，智能类涡流仪器还具有参数控制、数据分析和图像处理等功能。

涡流传感器是建立在电磁场理论基础之上的，发射线圈产生的交变磁场，该磁场又称一次场，在无金属通过产生的磁场时，接收线圈的等效阻抗是不变化的，当有金属通过时，在交变磁场中的金属由于涡流效应，将产生一个附加磁场，方向与交变的磁场相反，破坏交变磁场的磁力线分布，该附加的磁场又称二次场，金属物体所产生的二次场会使接收线圈中电流的大小和相位发生变化，也就是接收线圈的等效阻抗发生变化，可用接收线圈等效阻抗的变化来反映被测金属物体的属性。

如图2-2所示，当线圈通以交流电流I1时，根据电磁场理论，由于电流的存在，线圈周围就会产生一个交变的磁场H1，当被测金属物体置于该磁场内时，金属物体内便会产生涡流I2，同时涡流的存在将产生一个新的交变磁场H2，在线圈和涡流回路的中心处H2与H1方向相反，削弱原磁场H1，因而抵消了部分原磁场，从而导致探头中线圈的电感量、阻抗和品质因数发生变化。

图2-2中可以清晰的看出线圈与金属物体之间存在的磁场联系。

显然，线圈阻抗的变化既与电涡流有关，又与静磁学有关，即线圈阻抗的变化量的大小与导体的几何形状、电导率、磁导率、线圈参数、电源频率及线圈至导体间的距离有关。

假定金属导体是均质的，其性能是线性和各向同性的，则线圈与金属导体系统的物理性质通常可由磁导率μ、电导率σ、尺寸因子r、t及X、激励电流I和频率ω等参数来描述。

线圈的阻抗Z可用如下函数表示。

如果控制式中的某些参数恒定不变，而仅仅改变其中的一个参数，这样阻抗Z就成为与这个参数为变量的单值函数，因此，完整的电涡流传感器应该是一个截流线圈加上金属物体。

2.4金属探测器的设计方案

金属探测技术的发展是伴随着电子技术的发展而发展的，其核心技术检测金属物体切割磁场而引起的磁场变化。

发展向由模拟向数字化，由笨重向轻便，由功能简单向智能化发展。

目前国内的金属探测装置大都采用差拍式、自激感应式和耗能式三种。

而在国外金属探测装置中更多的是采用平衡式，而且平衡式的结构更稳定可靠，性能更佳，更能很好的结合现有的先进控制技术。

下面以差拍式金属探测技术的工作原理作简要介绍。

差拍式金属探测器：

检测电路框图如图2-3所示，如图中所示，差拍式检测电路中包括了两个振荡频率，其中探测振荡器一般选用电容三点式振荡器，振荡频率记为f1，参考振荡器可以选用电容三点式振荡器或阻容RC振荡器，其振荡频率记f2，经过混频器对频率进行处理后，得到（f2+f1）和（f2-f1），再经过高频滤波得到需要的差频信号，送给输出电路。

图2-3差拍式金属探测器框图

从表达式中可知，当振荡电路中元件的参数确定以后，振荡频率f1只与电感量L和电容C有关，电感量的增减与被测物体的性质和大小有关。

当被测物体是铁磁性材料时，由于导磁率较高，使探测线圈的总电感量L增加，增加为L+ΔL1；而当被测物体是非磁性材料的金属时，由于金属物体的涡流损耗，使探测线圈的电感量L减少，减少为L-ΔL2。

通常ΔL1≠ΔL2，它们数值大小取决于被测物体的性质和形状。

参考振荡器的振荡频率f2略大于f1，f1与f2在混频器中混频，可得到（f2+f1）和（f2-f1）两种频率。

混频器输出的信号通过滤波器选取差频信号声光报警（f2-f1），然后进行F/V变换，将信号的频率变化转换为电压的变化，经放大后输出，推动灯光显示或报警。

3硬件设计

3.1发射线圈震荡电路

对于发射线圈，为了产生交变的磁场，需要有正弦信号作为激励源，一般而言，控制器较难产生正弦信号，较易产生一定频率的方波。

因此，大多数正弦信号的产生都是通过电路把方波信号转换而来。

图3-1为正弦波发生电路。

图3-1正弦发生电路

高频的最大磁感应强度低于低频的最大磁感应强度，低频情况下的金属物体中产生的电涡流较大，因而本系统选择7.8KHZ较低频率的方波产生7.8KHZ的正弦信号。

在该频段下，可以获得良好的灵敏度特性，又不会对其它元器件的选择产生额外的条件。

通过计算可知，该频率可由4MHZ的晶振经29分频获得。

方波信号经正弦波发生电路后可获得波形较好的正弦波，其频率由方波信号的频率决定。

由555构成一个多谐振荡器，产生一频率为24KHz脉冲信号，电路如图3-2所示。

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输出到Q1的基极，使其导通，经Q1放大后，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，在线圈内产生瞬时较强的电流，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。

图3-2线圈震荡电路

3.2放大和峰值检波电路

由于UGN3503N线性霍尔传感器采集到的电压信号是一个很小的电信号，故在对其处理前要进行放大。

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放大器LM324。

如图3所示，UGN3503线性霍尔传感器输出的微弱信号经电容耦合到前级运算放大器U2A的同相输入端，运算放大器U2A把霍尔传感器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来改变放大倍数。

经前级运算放大器放大的信号经耦合电容C2输入到后级峰值检波器中。

采用组容耦合的方法可以使前后级的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，使得电路总漂移不会太大。

峰值检波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，采用LM324。

当输入电压V12上升时，V02电压跟随上升，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，Vc上升。

当输入电压V12下降时，V02电压跟随下降，D3导通，运放U2B工作在深度负反馈状态，深度负反馈保证了二极管D4、D5可靠截止，Vc值得以保持。

当V12再次上升时，V02在次上升使D4、D5导通,D3截止,再次对电容C6充电（Vc高于前次充电电压），V12下降时，D4、D5又截止，D3导通，Vc将峰时再次得以保持。

输出V0反应Vc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0v～5V的直流电平，以满足A/D转换器ADC0809所要求的输入电压变化范围。

图3-2放大和峰值检波电路

3.3A/D转换电路