智能金属探测仪的设计与实现(编辑修改稿)

智能金属探测仪的设计与实现(编辑修改稿)内容摘要：

C CU 5 AU 5 BL S 2B U Z Z E RV C CR751KR682KD2L E DV C CV C CY112 M H zC230 P FC330 P FC410 μ FR551KD1L E DV C C+ 5V2Vm1GND3U9L M 78 05 C K+ 9VB T 1+ 9VC 1210 μ FV C CT R I G2Q3R4C V ol t5T H R6D I S7VCC8GND1V C C V C CR 102KR 112KR 1218KR 13675R 14 KR 15200C7 1μ F C 11 1μ FC9 1μ FC 101μ FC8 1μ FQ190 1 3HR 16200L1I N D U C T O R 1 图 22 基于单片机控制的智能型金属探测器原理图 2． 3 硬件电路功能描述 （ 1）线圈振荡电路 T R I G2Q3R4C V ol t5T H R6D IS7VCC8GND1V C C V C CR 1 02KR 1 12KR 1 218KR 1 3675R 1 4 KR 1 5200C7 1μ F C 1 1 1μ FC9 1μ FC 1 01μ FC8 1μ FQ190 1 3HR 1 6200L1I N D U C T O R 1 图 23 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 [12]： 长春理工大学毕业设计 7 2ln)2( 1 111110 CRRf  （ 21） 图示参数对应的频率为 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，再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，可以利用 9V 电池供电 [13]。 2． 3． 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 L1 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 [14]。 他的功能框图和输出特性示于图 24 和图 25。 图 24 UGN3503U 的功能框图 图 25 UGN3503U 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 26 所示，在一块半导体薄片上两端通一电流 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 26 中的 UH， 这种现象就是霍尔效应。 长春理工大学毕业设计 8 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 [11]。 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： dIBRU HH / （ V） （ 22） 式中 RH霍尔常数（ m3C1） ； I电流（ A） ； B磁感应强度（ T） ； d霍尔元件的厚度（ m） 令 KH=RH/d(VA1Wb1m2)， 得到 UH=KHIB(V) (23) 由上式可知，霍尔电压的大小成正比 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。 因此当外加电压电源电压一定时，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) （ 24） 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 25 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，静态输出电压为 ，输出电阻为 ， miniSIP 封装。 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，d W I B 图 26 霍尔效应原理 图 I UH 长春理工大学毕业设计 9 频率高（可达 1MHz）；输出噪声低等特点。 用它做探头可测量 106— 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）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，因霍尔元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=0 G）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 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时区和放大[15]。 2． 3． 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，再对其进行处理前，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 引脚双列直插塑料封装，外形和引脚排列如图所示。 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。 图 27 LM324 引脚图 图 28 LM324 外观图 如图 29 所示， UGN3503U 线性霍尔元件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解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。 长春理工大学毕业设计 10 321411U 2 AL M 3 2 4w150kR14 7 0 kR410kR210kR310kC12 2 μ FVCCV C CC51 0 μ F321411U 2 B AL M 3 2 4V C CD4I N 9 1 4D5I N 9 1 4D3I N 9 1 4R820KR95 0 0 K321411U 2 C AL M 3 2 4V C CC6 1 0 0 0 P FW25KV03GND2VCC1U13 5 0 3 图 29 数据采集电路原理图 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、响应速度快、跟随精度较好的运算放大器 LM324，这样可有效地利用LM324 资源，减少使用原件元件的数量，降低了成本。 当输入电压 Vi2上升时，VO2跟随上升，使二极管 D 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 D D5可靠截止， VC值得以保持。 当 Vi2 再次上升使 VO2 上升并使 D 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， D 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 [16]。 2． 3． 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 芯片内部结构和工作时序于图 210 和图 211。 长春理工大学毕业设计 11 图 210 ADC0809 芯片的内部结构图 图 211 ADC0809 的工作时序 比较器 A/D VREF() 8 路模拟开关 地址锁存记译码 三态输出寄存器 电阻网络 竖状开关 逐位逼近寄存器 SAR 时序于控制 START EOC CLK OE D7 D0 IN7 IN0 ADDC ADDB ADDA ALE VREF(+) 长春理工大学毕业设计 12 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。 本设计中只适用通道 IN0，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 21）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，再经 4 分频后为500kHz，所以 ADC0809 能可靠工作。 ADC0809 的模拟输入范围：单极性 0~5V，设计中采用 +5V 单电源供电 [17]。 如图 212 所示，放大后的电压信号送入 ADC0809 的模拟输入通道 IN0进行A/D 转换。 将 （地址 总线的 A15）作为片选信号，由 AT89S52 的写信号 WR 和 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，。