基于单片机的金属探测器的设计

西安工程大学本科毕业设计(论文)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，灵敏度西安工程大学本科毕业设计(论文)ABSTRCTThispaperdescribesthecompositionofhardwareandsoftware,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西安工程大学本科毕业设计(论文)目录前言...............................................................1第1章分析探测金属的理论依据.......................................31.1理论描述.....................................................31.1.1线圈介质条件的变化.....................................31.1.2涡流效应...............................................4第2章硬件电路设计.................................................62.1系统组成.....................................................62.2硬件电路功能描述.............................................62.2.1线圈振荡电路...........................................72.2.2数据采集电路...........................................82.2.3A/D转换电路..........................................122.2.4系统控制单元..........................................152.2.5键盘控制电路..........................................162.2.6显示报警电路..........................................172.2.7电源电路..............................................182.3整机工作原理描述............................................19第3章系统软件设计................................................203.1软件设计思想................................................203.2数字滤波及算法说明..........................................213.3主程序流程图................................................213.3.1键盘控制程序设计......................................233.3.2数字滤波程序设计......................................233.3.3显示与报警程序设计....................................25第4章主要技术指标分析............................................264.1主要技术指标分析............................................264.4.1工作频率..............................................26西安工程大学本科毕业设计(论文)4.4.2灵敏度分析............................................264.4.3稳定性分析............................................26第5章仿真、调试结果及分析........................................275.1仿真、调试目的与内容.......................................275.2仿真结果及分析.............................................275.3试验总结...................................................29第6章结论.......................................................30参考文献...........................................................31致谢.............................................................32附录1电路原理图.................................................33附录2各模块程序清单.............................................34西安工程大学本科毕业设计(论文)1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。西安工程大学本科毕业设计(论文)2西安工程大学本科毕业设计(论文)3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西安工程大学本科毕业设计(论文)4tRxIRRxIRrIRdlrRrIdBdBBmrrxcos)(2)(224sin2/322202/322232202(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：tBcos)R2(xIRμNμ3/222m2r0(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