基于单片机的金属探测器的设计阅读毕业设计论文.docx

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基于单片机的金属探测器的设计阅读毕业设计论文

毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明

原创性声明

本人郑重承诺：

所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。

尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。

对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。

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指导教师签名：

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使用授权说明

本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：

按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。

作者签名：

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学位论文原创性声明

本人郑重声明：

所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。

除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。

对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。

本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。

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日期：

年月日

学位论文版权使用授权书

本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。

本人授权　　　　大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。

涉密论文按学校规定处理。

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日期：

年月日

导师签名：

日期：

年月日

注意事项

1.设计（论文）的内容包括：

1）封面（按教务处制定的标准封面格式制作）

2）原创性声明

3）中文摘要（300字左右）、关键词

4）外文摘要、关键词

5）目次页（附件不统一编入）

6）论文主体部分：

引言（或绪论）、正文、结论

7）参考文献

8）致谢

9）附录（对论文支持必要时）

2.论文字数要求：

理工类设计（论文）正文字数不少于1万字（不包括图纸、程序清单等），文科类论文正文字数不少于1.2万字。

3.附件包括：

任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）。

4.文字、图表要求：

1）文字通顺，语言流畅，书写字迹工整，打印字体及大小符合要求，无错别字，不准请他人代写

2）工程设计类题目的图纸，要求部分用尺规绘制，部分用计算机绘制，所有图纸应符合国家技术标准规范。

图表整洁，布局合理，文字注释必须使用工程字书写，不准用徒手画

3）毕业论文须用A4单面打印，论文50页以上的双面打印

4）图表应绘制于无格子的页面上

5）软件工程类课题应有程序清单，并提供电子文档

5.装订顺序

1）设计（论文）

2）附件：

按照任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）次序装订

指导教师评阅书

指导教师评价：

一、撰写（设计）过程

1、学生在论文（设计）过程中的治学态度、工作精神

□优□良□中□及格□不及格

2、学生掌握专业知识、技能的扎实程度

□优□良□中□及格□不及格

3、学生综合运用所学知识和专业技能分析和解决问题的能力

□优□良□中□及格□不及格

4、研究方法的科学性；技术线路的可行性；设计方案的合理性

□优□良□中□及格□不及格

5、完成毕业论文（设计）期间的出勤情况

□优□良□中□及格□不及格

二、论文（设计）质量

1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？

□优□良□中□及格□不及格

2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？

□优□良□中□及格□不及格

三、论文（设计）水平

1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义

□优□良□中□及格□不及格

2、论文的观念是否有新意？

设计是否有创意？

□优□良□中□及格□不及格

3、论文（设计说明书）所体现的整体水平

□优□良□中□及格□不及格

建议成绩：

□优□良□中□及格□不及格

（在所选等级前的□内画“√”）

指导教师：

（签名）单位：

（盖章）

年月日

评阅教师评阅书

评阅教师评价：

一、论文（设计）质量

1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？

□优□良□中□及格□不及格

2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？

□优□良□中□及格□不及格

二、论文（设计）水平

1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义

□优□良□中□及格□不及格

2、论文的观念是否有新意？

设计是否有创意？

□优□良□中□及格□不及格

3、论文（设计说明书）所体现的整体水平

□优□良□中□及格□不及格

建议成绩：

□优□良□中□及格□不及格

（在所选等级前的□内画“√”）

评阅教师：

（签名）单位：

（盖章）

年月日

教研室（或答辩小组）及教学系意见

教研室（或答辩小组）评价：

一、答辩过程

1、毕业论文（设计）的基本要点和见解的叙述情况

□优□良□中□及格□不及格

2、对答辩问题的反应、理解、表达情况

□优□良□中□及格□不及格

3、学生答辩过程中的精神状态

□优□良□中□及格□不及格

二、论文（设计）质量

1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？

□优□良□中□及格□不及格

2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？

□优□良□中□及格□不及格

三、论文（设计）水平

1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义

□优□良□中□及格□不及格

2、论文的观念是否有新意？

设计是否有创意？

□优□良□中□及格□不及格

3、论文（设计说明书）所体现的整体水平

□优□良□中□及格□不及格

评定成绩：

□优□良□中□及格□不及格

教研室主任（或答辩小组组长）：

（签名）

年月日

教学系意见：

系主任：

（签名）

年月日

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。

系统软件采用汇编语言编写。

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，线性霍尔元件，电磁感应，灵敏度

ABSTRCT

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

theenvironmenttemperatureandhumidityinsite,thewindingtechnologyofcoilsandthestabilityofpowersupplyarethefactorseffectedonstabilityofinstrument.

KEYWORDS:

Single-ChipMicrocomputer,metaldetector,linearhall-effectsensor,electric-magneticinduction,sensitivity

前言

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,以排查行李、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，国外虽然已有较为完善的系列产品（如EIPaso、CeiaUSA、Ranger&Metoerx等厂商的产品），但价格极其昂贵;国内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。

适用于对邮件、行李、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内、护墙板内侧、空洞和土壤中的上述物品和其他金属物。

第1章分析探测金属的理论依据

1.1理论描述

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，将发生线圈介质条件的变化和涡流效应两个现象。

[1]

1.1.1线圈介质条件的变化

当金属物接近通电线圈时，将使通电线周围的磁场发生变化，如图1-1，

图1-1

对于半径为R的单匝圆形电感线圈，当其中通过交变电流I=Imcoswt圈周围空间产生交变磁场，根据毕奥一萨伐尔定律可计算线圈中心轴线上一点的磁感应

（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。

[2]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，当线圈有效探测范围内无金属物时，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，当线圈有效探测范围内出现铁磁性金属物时，μr会变大，B随之也会变大。

1.1.2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，金属导体内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σ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，σ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，σ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2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。

具体电路原理图参看附录1。

图2-1系统结构框图

2.2硬件电路功能描述

2.2.1线圈振荡电路

图2-2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β≥125的9013H），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。

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。

2.2.2数据采集电路

图2-3数据采集电路

1．线性霍尔传感器（linaerHall-EeffctSensors）

在电路设计中，选用了美国ALELGRO公司生产的UGN3503U线性霍尔传感器，来检测通电线圈Ll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2-4和图2-5。

[3]

图2-4UGN3503的功能框图

图2-5UGN350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2-6所示，

图2-6霍尔效应原理图

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,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：

UH=RHIB/d（V）（2-2）

式中RH---霍尔常数（m3cˉ¹，）；I---电流（A）；B---磁感应强度（T）；d---霍尔元件的厚度（m）

令KH=RH/d（vAˉ¹wbˉ¹m²），则得到

UH=KHIB（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：

UH=KB（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IMHz）；输出噪声低等特点。

用它作探头可测量，10ˉ6-10T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=0G）时，静态输出电压是电源电压的一半（即VCC/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Ll的中心，即可感应线圈Ll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。

[4]

2．放大和峰值检波电路

由于UGN35O3U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，外形和引脚排列如下图所示。

它的内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。

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Wl来改变其放大倍数。

经前级运算放大器放大的信号经耦合电容C2输入到后级峰值检测电路中。

采用阻容耦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。

[5]

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Vi2上升时，Vo2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Vi2下降时，Vo2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，Vc值得以保持。

当Vi2再次上升使Vo2上升并使D4、D5导通，D3截止，再次对电容C6充电（Vc高于前次充电时电压），Vi2下降时，D4、D5又截止，D3导通，Vc将峰值再次保持。

输出Vo反映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换范围，然后通过A/D转换电路将检测到的峰值转化成数字量。

[6]

LM324外形图LM324引脚排列图

图2-7

2.2.3A/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芯片内部结构和工作时序示于图2-8和图2-9。

图2-8ADC0809芯片的内部结构

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NI0，所以，地址译码器ABC直接接地为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（逻辑功能见表2-1，引脚图见图2-11）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