单片机管线探测器设计与制作_毕业论文(编辑修改稿)

单片机管线探测器设计与制作_毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

、中断计时、单片机电路、输出电路（报警或显示）六部分组成。 4）软件方案的设计 软件设计要求完成：测量功能、动态显示检测结果、数据输出功能。 5）系统联合调试与参数测试 完成硬件和软件的联合调试，以及参数测量。 成果特色 该课题的关键技术在于信号的检测、传输和软件的识别，以及实现方法的讨论。 该课题涉及传感器技术、通讯技术、单片机和 C语言编程等，具有一定的综合性和复杂性。 本文所完成的设计将要努力实现以下特点： ① 必须具有足够高的灵敏度，能检测出满足精度要求的金属杂质 ； ② 必须具有足够高的稳定度，能抵抗各种外界环境的干扰，维护方便； ② 快速完成检测数据采集、处理、显示、存储和标记等任务 ； ④ 有良好的人机对话界面，可以灵活的修改参数，有记忆功能 ； ⑤易于扩展，有较好的灵活性。 5 2 总体设计 探测金属的理论依据 金属探测器是采用线圈的电磁感应原理来探测金属的，对于如图 21所示的半径为 R 的单匝圆形电感线圈，当其中通过交变电流 I= CoswlmI 时，线圈周围空间会产生交变磁场 D根据毕奥 萨伐尔定律可计算出线圈中心轴线上一点的磁感应强度 B为： wlRx IRRx IRrIRdlrRrIRdBdB mrx c o s)(2)(224s i n 2322 202322 23 220 22     （ 21） 其中 r 0 ，  为介质的磁导率， r 为相对磁导率， 0 为真空磁导率。 图 21 环形载流导线的磁场 由公式（ 21）可知，当线圈有效探测范围内无金属物时， 1r （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，由于铁磁性金属的相对磁导率1r ，所以，磁感应强度 B 也会随 r 的增大而增大。 当线圈有效探测范围内出现非铁磁性金属物时，因为非铁磁性金属的相对磁导率1r ，所以，磁感应强度 B 也会随 r 的减小而减小。 另一方面，置于该交变磁场中的金属导体内会产生自行闭合的涡电流，涡流要产生附加的磁场 $与外磁场方向相反$会削弱线圈磁场的变化。 金属的电导率  越大，线圈中通过的交变电流的频率  越大，则涡电流强度就越大，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。 本设计正是基于上述理论，寻找一种适合的传感器来感应金属的出现而引起的线圈磁场变化 $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。 6 传感器原理 金属探测系统采用的是电涡流传感器涡流传感器，此类传感器具有体积小、灵敏度高、频率响应宽等等特点。 电涡流传感器是基于电磁感应原理而工作的，但完全不同于电磁感应，并且在实际测量中要避免电磁感应对其的干扰。 电涡流的形成：现假设有一线圈中的铁心是由整块铁磁材料制成的，此铁心可以看成是由许多与磁通相垂直的闭合细丝所组成，因而形成了许多闭合的回路。 当给线圈通入交变的电流时，由于通过铁心的磁通是随着电流做周期性变化的，所以在这些闭合回路中必有感应电动势产生。 在此电动势的作用下，形成了许多旋涡形的电流，这种电流就称为电涡流。 电涡流传感器的工作原理如图 22所示。 当线圈中通过高频电流 i时，线圈周围产生高频磁场，该磁场 作用于金属体，但由于趋肤效应，不能透过具有一定厚度的金属体，而仅作用于金属表面的薄层内。 在交变磁场的作用下金属表面产生了感应电流 Ie，即为涡流。 感应电流也产生一个交变磁场并反作用于线圈上，其方向与线圈原磁场方向相反。 这两个磁场相互叠加，就改变了原来线圈的阻抗 Z， Z 的变化仅与金属导体的电阻率 ρ、导磁率 u、激励电磁强度 i、频率 f、线圈的几何形状 r 以及线圈与金属导体之间的距离有关。 线圈的阻抗可以用如下的函数式表示： Z=F（ ρ、 u、 i、 f、 d）。 当被测对象的材料一定时， ρ、 u 为常数，仪表中的 i、 f、 d 也为定值，于是 Z 就成为距 离 d 的单值函数。 电涡流式传感器的原理图如图 22所示。 图 22 传感器的原理图 该图由传感器线圈和被测导体组成线圈 — 7 根据法拉第定律 ， 当传感器线圈通以正弦交变电流 I1 时 ， 线圈周围空间必然产生正弦交变磁场 H1， 使置于此磁场中的金属导体中感应电涡流 I2， I2 又产生新的交变磁场 H2。 根据愣次定律 ， H2 的作用将反抗原磁场 H1， 导致传感器线圈的等效阻抗发生变化。 由上可知 ， 线圈阻抗的变化完全取决于被测金属导体的电涡流效应。 而电涡流效应既与被测体的电阻率ρ、磁导率μ以及几何形状有关 ， 又与线圈几何参数、线圈中激磁电流频率有关 ， 还与线圈与导体间的距离 x 有关。 因此 ， 传感器线圈受电涡流影响时的等效阻抗 Z的函数关系式为： Z=F（ρ ， μ ， r， f， x） 式中 :r—— 如果保持上式中其它参数不变 ， 而只改变其中一个参数 ， 传感器线圈阻抗 Z 就仅仅是这个参数的单值函数。 通过与传感器配用的测量电路测出阻抗 Z的变化量 ， 即可实现对该参数的测量。 基本特性 电涡流传感器简化模型如图 23 所示。 模型中把在被测金属导体上形成的电涡流等效成一个短路环 ， 即假设电涡流仅分布在环体之内 ， 模型中 h由以下公式求得： 图 23 电涡流传感器简化模型 210 )( fuh r （ 22） 式中 :f— 根据简化模型 ， 可画出如图 24 所示等效电路图。 图中 R2为电涡流短路环等效电阻 ， 其表达式为： 8 inrrhR ln22  （ 23） 图 24 电涡流传感器等效电路 根据基尔霍夫第二定律 ， 可列出如下方程： R1 1I +jω L11I jω L2 2I = 1U 式中 :ω —— 线圈激磁电流角频率 ； R L1—— 线圈电阻和电感 ； L2—— 短路环等效电感 ； R2—— 短路环等效电阻。 等效阻抗 Z的表达式为： ])([)( 222222212222221112 LwLRMwLjwRwLR MwRIUZ eqeq jwLR  （ 24） Req—— 线圈受电涡流影响后的等效电阻 ； Leq—— 线圈的等效品质因数 Q 值为 Q=eqeqRwL 综上所述 ， 根据电涡流式传感器的简化模型和等效电路 ， 运用电路分析的基本方法得到的方程式 ， 即为电涡流基本特性。 电涡流形成范围 1 线圈 — 导体系统产生的电涡流密度既是线圈与导体间距离 x的函数 ， 又是沿线圈半径方向 r的函数。 当 x 一定时 ， 电涡流密度 J 与半径 r的关系曲线如图 25 所示。 由图可知金属导体表面电涡流密度，即电涡流密度最大值。 Jr 为半径 r 处的金属导体表面电涡流密度。 ①电涡流径向形成的范围大约在传感器线圈外径 ras的 ～ 倍范围内 ， 且分 9 ②电涡流密度在短路环半径 r=0 处为零。 图 25 电涡流密度 J与半径 r的关系曲线 ③电涡流的最大值在 r=ras ④可以用一个平均半径为 ras（ ras=（ ri+ra） /2）的短路环来集中表示分散的电涡流（图中阴影部分）。 2 理论分析和实验都已证明 ， 当 x 改变时 ， 电涡流密度发生变化 ， 即电涡流强度随距离 x的变化而变化。 根据线圈 — 导体系统的电磁作用 ， 可以得到金属导体表面的电涡流强度中 : I1—— 线圈激励电流； I2—— 金属导体中等效电流； x—— 线圈到金属导体表面距离； ras—— 线圈外径。 分析表明 : ①电涡强度与距离 x 呈非线性关系 ， 且随着 x/ras ②当利用电涡流式传感器测量位移时 ， 只有在 x/ras1(一般取 ～ )的范围才能得到较好的线性和较高的灵敏度。 图 26所示为透射式涡流厚度传感器结构原理图。 在被测金属的上方设有发射传感器线圈 L1， 在被测金属板下方设有接收传感器线圈 L2。 当在 L1上加低频电压 U1 时 ，则 L1上产生交变磁通Φ 1， 若两线圈间无金属板 ， 则交变磁场直接耦合至 L2中 ， L2产生感应电压 U2。 如果将被测金属板放入两线圈之间 ， 则 L1 线圈产生的磁通将导致在金属板中产生电涡流。 此时磁场能量受到损耗 ， 到达 L2的磁通将减弱为Φ′ l， 从而 10 使 L2产生的感应电压 U2下降。 金属板越厚 ， 涡流损失就越大 ， U2电压就越小。 因此 ，可根据 U2 电压的大小得知被测金属板的厚度 ， 透射式涡流厚度传感器检测范围可达1～ 100mm， 分辨率为 m， 线性度为 1%。 图 26 透射式涡流厚度传感器结构原理图 基于单片机的金属探测器的设计方案 金属探测器的设计方案根据它的应用的不同而不同，这里引入两种与本次设计应用相进的金属探测设计方案，拿它们与我们的设计方案进行对比，以突显出彼此的优缺。 正如综述里所说的数字金属探测器的设计是顺应时代发展，本次设计所要完成的任务是实现一个基于单片机的手持金属探测器。 其模型如图 27所示。 可以看出它由四部分组成：高频振荡、信号放大、脉冲转换和信号的处理与报警，下面简单论述以下各个模块的功能。 初看上去在结构上和本次设计的金属探测器很相近，实际上它们存在本质的差别。 首先，两者在设计思想上完全不同， 1）高频振荡 这一部分是金属探测的基础，金属探测器的原理是：当金属物体置于变化的磁场当中时，金属内部就会产生涡流，而涡流所产生的磁场又会影响原磁场。 高频振荡部分的任务 首先就是产生变化的磁场，它往往由一 LC振荡电路组成。 其次，在遇见金属后由于金属内部涡流的存在，它的磁场会影响原有磁场，使原有振荡电路的振幅和周期都发生改变。 这种改变经转换后送入单片机，单片机中有相应的程序对其进行分析判断。 2）放大电路 振荡电路所产生的正弦波信号的幅值是比较小的，因此需要放大才能进行再处理。 3）脉冲转换电路 这是本套设计方案所独有的，它是实现本次金属探测数字化的桥梁，单片机只能处理数字脉冲信号，因此振荡电路所产生的信号经放大不能直接送入单片机，这一部 11 分只需要一个 TTL门电路对放大电路输出 的波形进行转换就行，简单但很重要。 4）信号处理与报警 这一部分是整个电路的大脑，所有的电路都是为它服务，这一部分也是整个探测器实现网络化或其他功能的桥梁。 作为整个电路的大脑，它对整个电路所产生的信号做最终的处理，并根据处理的结果决定是否存在金属，是否要发出警报。 这一部分处理能力的强弱影响这整个系统的性能。 作为与外部进行沟通的桥梁，它可以将金属探测的信息发送给外围模块供他们进行进一步的处理，它同时也接收外围模块传送过来的控制信号，如对金属探测的精度或其他方面进行设置。 高 频 振 荡 信 号 放 大 脉 冲 转 换信 号 处 理 与 报警电 源 图 27 手持数字金属探测器原理 框图 系统设计 总体设计将影响整个项目的实现，对整个项目的开发起着指导性的作用，因此总体设计的好坏影响深远，这里的软硬件方案都是经过再三的比较与分析才确定的，硬件和软件两个互相影响，协同工作实现系统的基本功能。 由于硬件系统是基础，是软件系统得以运行的平台，因此将它放在前面，先依据硬件的总体设计方案，完成各个单元电路的设计与实现，接下来再根据软件模块的总体方案设计程序流程，在硬件电路的基础之上进行调试。 但在设计之初两个部分都需经过认真的分析，确定总体方案后再分阶段进行实现。 硬件电路设计 硬件电路设计是进行软件设计的基础，是整个金属探测器中最位重要的部分。 它设计的好坏决定着系统的稳定性和可扩展性。 本次设计的金属探测器的框图如图 28所示，包括五大部分：线圈振荡、信号放大、脉冲产生、中央处理和外围设置显示模块。 12 图 28 手持数字金属探测器硬件设计框图。 软件结构设计 1）前端程序结构设计 图 29就是前端软件的结构图，从图中可以看出前端软件的主要作用是，频率测定、声光报警和通讯。 它分析判断前面功能电路传过来的频率信号对它进行分析判断最后决定是否发出检测到金属的警报。 图 29 前端软件设计结构图 前端软件 基准频率测定 精度设置频率检 测 频率比较 声 光 报 警 通 讯 频率测 定 比 较 线圈振荡电路 放 大 电 路 脉冲变换电路 CPU AT89C2051 CPU AT89S52 报警 液晶显示 键盘 13 2）外围数据处理与显示程序结构设计 引入外围模块的目的是借助于 PC机的强大资源或内置有大容量编程存储器。