基于51单片机的金属探测器本科毕业设计(论文)(编辑修改稿)

基于51单片机的金属探测器本科毕业设计(论文)(编辑修改稿)内容摘要：

) 14 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 210 A/D 转换电路 表 21 74LS163 的逻辑功能表 图 211 74LS163 引脚图 基于 51 单片机的金属探测器 西安工程大学本科毕业设计 (论文 ) 15 系统控制单元 采用 AT89S52单片机。 AT89S52 是一个低功耗，高性能 CMOS 8 位单片机，片内含 8K Bytes ISP(Insystem programmable)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 MCS51 指令系统及 80C51 引脚结构 (引脚图如图 211 所示 )，芯片内集成了通用 8位中央处理器和 ISP Flash 存储单元。 图 212 AT89S52 引脚图 AT89S52 片内结构如图 212 所示，它具有如下特点 ： 40 个引脚， 8K Bytes Flash 片内程序存储器， 256 bytes 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，片内时钟振荡器。 此外， AT89S52 设计和配置了振荡频率可为 0HZ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。 基于 51 单片机的金属探测器 西安工程大学本科毕业设计 (论文 ) 16 图 213 AT89S52 片内结构 键盘控制电路 键盘是一组按键的集合，它是最常用的单片机输入设备。 操作人员可以通过键盘输入数据或命令，实现简单的人 机通信。 按键是一种常开型按钮开关。 常态时，按键的两个触点处于断开状态，按下键时他们才闭合。 键盘控制电路如图 214 所示， K1 键作为功能键设置灵敏度△ U，灵敏度是可调的， K2 和 K3 分别作为加 1，减 1 键来调节灵敏度， K4 是确定键，当 K4 键按下时，灵敏度值确定。 基于 51 单片机的金属探测器 西安工程大学本科毕业设计 (论文 ) 17 图 214 键盘控制电路 显示报 警电路 AT89S52 的 串行口 RXD 和 TXD 为一全双工串行通信口，但在工 作方式 0下可作同步移位寄存器用，其数据由 RXD（ ） 端输出或输入；而同步移位时钟 由TXD（ ） 端串行输出，在同步时钟作用下，实现由串行到并行的数据通信。 在不需要使用串行通信的场合，利用串行口加外围芯片 74HC164 就可构成一个或多个并行输入 /输出口，用于显示器 LED 驱动。 单片机中通常使用 7 段 LED 构成字型“ 8”，另外，还有一个小数点发光二极管，以显示数字、符号及小数点。 当键盘控制部分 各键按下时， LED 显示 相 对 应 灵敏度 数值， 显示电路如图 215。 一旦发现金属出现，则被测物理量超限由单片机 I/O 口 输出信号驱动发光二极管发光报警， 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，报警电路如图 216 所示。 基于 51 单片机的金属探测器 西安工程大学本科毕业设计 (论文 ) 18 图 215 显示电路 图 216 报警电路 电源电路 电路如图 217 所示，电源供电由 9V 电池和板内稳压电源组成。 电路板内采用三端稳压集成电路块 LM7805 为板内元器件供电。 LM7805 三端正稳压器具有内部过流、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 +5V电压，最大输出电流 ，保证板内 555 定时器、 UGN3503U、 AT89S5 ADC0809等芯片和元件可靠地工作。 基于 51 单片机的金属探测器 西安工程大学本科毕业设计 (论文 ) 19 图 217 电源电路 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 L1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 u0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 0V~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 0V5V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— U0׀得到一个差值，此差值与预设的灵敏度△ U 再作比较。 灵敏度由键盘控制电路 中各键输入 ， 显示电路部分则显示各键按下后的相应数值 ， 当然，△ U 大小的设定决定着系统精度的高低。 若 |UxU0|△ U，就确定为探测到金属， CUP 输出口 输出信号驱动发光二极管发光报警，同时 控制蜂鸣器发出声响，进行声音报警。 基于 51 单片机的金属探测器 西安工程大学本科毕业设计 (论文 ) 20 第 3 章 系统软件设计 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 U0，如果未采集过 U0，则启动 ADC0809对 NIO通道的模拟输入量进行 A/D转换。 [7]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 22看出， ADC0809 的 EOC 端通过反相器接 AT89S52 的NIT1 端，作为中断申请。 采用中断方式，可大大节省 CPU 时间。 [8]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 的返向端 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 INTl，中断服务程序进行压栈，保护现场，读取来自 ADC0809 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 RAM 21H 中，作为基准电压 U0。 [9] 经反复实验测得的灵敏度△ U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内部RAM 以 30H 为首址的数据存储器中，然后将此数据 Ux二和基准电压 U0进行比较，二者差值 U存放在单片机 ARM 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（灵敏度可调） 进行比较， 以确定是否报警键盘控制电路各键控制灵敏度的值，并在显示电路部分显示按键后 的对应数值。 基于 51 单片机的金属探测器 西安工程大学本科毕业设计 (论文 ) 21 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，在很短的时间内对它进行 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。 [10] 在一个采样周期内，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  Ni ixNkx11)( （ 31） 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，取平均值是除 4，计算机的内部计算都是二进制，而二进制每除一个 2，实际上是向右移一次。 [12]所以为了计算方便，我选择取 6 个数，最后在算除法的时候，只需要用单片机自带的右移位命令移 2 次就行了。 主程序流程图 1． 程序 流程图 见下页 图 31 所示。 2． 程序参看附录 2 (初始化子程序和中断服务 )[13] 基于 51 单片机的金属探测器 西安工程大学本科毕业设计 (论文 ) 22 开 始系 统 初 始 化 ， 开 中 断键 盘 控 制选 通 道置 连 续 采 样 个 数启 动 A / D 转 换 器等 待 转 换 完 毕连 续 采 样 个 数 到。 采 集 数 据 U 0。 算 术 平 均 值 滤 波保 存 U 0 到 2 1 H 中置 数 据 U 0 已 采 样 标 志启 动 A / D等 待 转 换 完 毕 ， 读 取 U x连 续 采 样 个 数 到 ?算 术 平 均 值 滤 波保 存 平 均 值 U x 到 数 据 缓 冲 区判 断 | U x U 0 | ∆ U i ?显 示 ， C P U 发 出 报 警 信 号结 束NNYNYNY 图 31 主程序流程图 基于 51 单片机的金属探测器 西安工程大学本科毕业设计 (论文 ) 23 键盘控制程序设计 1． 程序 流程图如图 32 所示。 2． 程序清单参看附录 2(键盘扫描控制程序 ) [14] 开 始初 始 化 ， 开 中 断调 用 键 盘 扫 描 子 程 序是 否 有 键 按 下。 调 用 键 值 判 断 子 程 序功 能 键 K 1 加 1 键 K 2 减 1 键 K 3 确 定 键 K 4返 回NY 图 32 键盘控制流程图 数字 滤波程序设计 设一个采样周期，对通道 0 连 续采样 6 次，然后去掉最大和最小值，把剩余的累加和求算术平均值作为本周期采样值。 存入内部 RAM 以 30H 为首址的数据存储器中。 其中， R2 寄存器存放最大值， R3 寄存器存放最小值， R4 寄存器存放累加和， R0 存放连续采样次 数。 ，如图 33所示。 2(数字滤波程序 )[15] 基于 51 单片机的金属探测器 西安工程大学本科毕业设计 (论文 ) 24 开 始清 零 最 大 值 寄 存 器 R 2 和 累 加 和 寄存 器 R 4 ， 最 小 值 寄 存 器 R 3 置 初 值N → R 0读 A / D → A( R 4 ) + ( A ) → A输 入 值 ( R 2 ) ?输 入 值 → R 2输 入 值 （ R 3 ) ?输 入 值 → R 3累 加 和 和 中 减 去 最 大 值 和 最 小 值得 值 除 以 4 求 均 值返 回N 1 = 0。 NYNNYN 图 33 数字滤波流程图 基于 51 单片机的金属探测器 西安工程大学本科毕业设计 (论文 ) 25 显示 与报警 程序设计 1． 程序流程图如图 34 所示。 2． 程序参看附录 2(显 示报警程序 )[16]。 开 始保 存 均 值 U x 到 数 据 缓 冲 区判 断 |U x U o | Δ U i ?显。