基于單片機(jī)的金屬探測器的設(shè)計(jì)方案

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1、摘摘 要要金屬探測器是專門用來探測金屬的儀器。廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)、安檢、娛樂等領(lǐng)域。這里我們設(shè)計(jì)的是一個(gè)基于單片機(jī)的手持金屬探測器。它可以檢測到人隨身攜帶的金屬物品，如小刀、鋼筆甚至可以檢測到香煙盒(內(nèi)部有鋁薄膜)?？呻S身攜帶，使用方便。金屬探測是根據(jù)電磁感應(yīng)原理制成的，將一金屬置于變化的磁場當(dāng)中時(shí)，根據(jù)電磁感應(yīng)原理就會在金屬內(nèi)部產(chǎn)生渦流，渦流產(chǎn)生的磁場反過來又影響原磁場，這種變化可以轉(zhuǎn)換為電壓幅值的變化，供相關(guān)電路進(jìn)行檢測。它也可以表現(xiàn)為振蕩電路頻率的變化，用檢測頻率的辦法進(jìn)行檢測，這里使用的是后者，振蕩部分由電容三點(diǎn)式振蕩電路組成，產(chǎn)生的正弦波進(jìn)行放大和脈沖轉(zhuǎn)換電路，再送入單片機(jī)，由單片機(jī)

2、探測它頻率的變化。當(dāng)遇見金屬時(shí)由于電磁感應(yīng)原理原先建立起來的振蕩將受到影響，頻率將發(fā)生變化，單片機(jī)探測到這種變化后進(jìn)行報(bào)警。本次金屬探測器的設(shè)計(jì)還給它添加了接口可以和外圍的系統(tǒng)進(jìn)行通訊，這里實(shí)現(xiàn)了與液晶顯示，鍵盤和AT89S52組成的外圍數(shù)據(jù)處理與顯示模塊的通信，對前端探測到的數(shù)據(jù)進(jìn)行再處理和分析，并將結(jié)果顯示在液晶屏幕上，并可以通過鍵盤對前端的探測進(jìn)度進(jìn)行設(shè)置。關(guān)鍵字：關(guān)鍵字：金屬探測；電磁感應(yīng)原理；單片機(jī)；渦流；振蕩電路ABSTRACTMetal detector is an instrument which use for detecting metal specially. it ha

3、s been extensively used in produce ,Safety inspection, entertainment and so on. Here we designed a handheld metal detectors which based on the MCU. It can detect people carrying metal items such as knives,pens and even boxes of cigarettes (within the aluminum film). Portable, easy to use.It is made

4、according to principle of electromagnetism induction. when we put an metal object around magnetic field with changing series. there will produce vortex inner metal object. The vortex will create magnetic field too. The new magnetic field will affect the old. The change can be convert into voltage si

5、gnal for detecting by relative electrocircuit . It can also convert into frequency signal and be detected by frequency detector. Here we use the second method. The oscillation circuit part is composed by Capacitance three-point oscillation circuit. The signal created by the part is magnified first a

6、nd then convert into impulse signal. Then it can be processed by SCM. SCM detect its frequency ,compare with the base frequency and then determine whether to worn. We add an interface to the detector. So it can communicate with other SCM system which content a lcd,a keyboard,a SCM. The SCM system ca

7、n process the data more precisely and then display the result through lcd.the keyboard is used for user who want to set the detecting precision.Keywords:metaldetector;the principle of electromagnetism induction;SCM;vortex;oscillation circuitI目目 錄錄1 引言引言.12 綜述綜述.33 方案論證方案論證.53.1 基于單片機(jī)的金屬探測器的設(shè)計(jì)方案 .53.

8、2 MD898K 金屬探測器.63.3 基于霍爾器件的數(shù)字金屬探測器 .64 總體設(shè)計(jì)總體設(shè)計(jì).84.1 硬件電路設(shè)計(jì) .84.2 軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) .94.2.1 前端程序結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).94.2.2 外圍數(shù)據(jù)處理與顯示程序結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).105 單元電路設(shè)計(jì)單元電路設(shè)計(jì).115.1 振蕩電路設(shè)計(jì) .115.2 放大電路和脈沖變換電路 .125.3 單片機(jī)系統(tǒng) .145.4 外圍設(shè)置與顯示系統(tǒng) .156 軟件模塊設(shè)計(jì)軟件模塊設(shè)計(jì).176.1 前端軟件設(shè)計(jì) .176.2 外圍數(shù)據(jù)處理與顯示模塊設(shè)計(jì) .207 實(shí)現(xiàn)與性能分析實(shí)現(xiàn)與性能分析.237.1 硬件電路焊接與調(diào)試 .237.1.1 振蕩電路的焊接與調(diào)試.

9、237.1.2 放大電路與脈沖轉(zhuǎn)換電路的焊接與調(diào)試.247.1.3 單片機(jī)系統(tǒng)的焊接與調(diào)試.247.1.4 外圍數(shù)據(jù)處理與顯示模塊的焊接與調(diào)試.257.2 軟件模塊的調(diào)試與集成.II7.2.1 前端金屬探測模塊的調(diào)試與集成.287.2.2 外圍數(shù)據(jù)處理與顯示模塊的調(diào)試與集成.307.3 系統(tǒng)性能分析 .317.3.1 基準(zhǔn)頻率測定方法的優(yōu)缺點(diǎn)分析.327.3.2 金屬探測的精度.32總結(jié)總結(jié).33致謝致謝.34參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn).35-1-1 引引 言言金屬探測器是一中專門用來探測金屬的儀器，除了探測有金屬外殼或金屬部件的地雷以外，還可以用來探測隱蔽在墻壁內(nèi)部的電線、埋在地下的水管電纜，甚至能夠

10、地下探寶，發(fā)現(xiàn)埋藏在地下的金屬物體。目前還廣泛用于各種大型會議中心、匯展場管、體育場管公檢法、監(jiān)獄系統(tǒng)及娛樂場所的安全檢查和工廠企業(yè)的防偷檢查，甚至用于對高考禁帶物品的檢查。金屬探測器按其功能和市場應(yīng)用的不同可分為以下幾種：通道式金屬探測器(簡稱安檢門)、手持式金屬探測器、便攜式金屬探測器、臺式金屬探測器、工業(yè)用金屬探測器和水下金屬探測器4。世界上第一臺金屬探測器誕生與1960年，步入工業(yè)時(shí)代的最初的金屬探測器主要用于工礦業(yè)，是檢查礦產(chǎn)純度和提高效益的得力助手，隨著社會的發(fā)展，犯罪案件的上升，1970年金屬探測器被引入一個(gè)新的應(yīng)用領(lǐng)域安全檢查，也就是今天所使用的金屬探測門的雛形，它的出現(xiàn)意味著

11、人類對安全認(rèn)識已步入一個(gè)新紀(jì)元。20世紀(jì)70年代隨著航空工業(yè)的迅速發(fā)展，劫機(jī)和危險(xiǎn)事件的發(fā)生使航空和機(jī)場安全逐漸受到重視，于是在機(jī)場眾多設(shè)備中，金屬探測門排查違禁物品的重要角色。同樣再0世紀(jì)70年代，由于金屬探測門在機(jī)場安檢中嶄露頭角，大型運(yùn)動(dòng)會、展覽會及政府安全保衛(wèi)工作中開始啟用金屬探測門。20世紀(jì)80年代，監(jiān)獄暴力案件呈直線上升趨勢，如何及早預(yù)防并阻止暴力案件發(fā)生成了監(jiān)獄管理工作中的重中之重，在依靠警員對囚犯加強(qiáng)管理的同時(shí)，金屬探測門再次成為了美國、英國、比利時(shí)等發(fā)達(dá)國家監(jiān)獄管理機(jī)構(gòu)必備的安檢設(shè)備；與此同時(shí)西方興起的“探寶熱” ，也使金屬探測器取得了長足的發(fā)展。進(jìn)入20世紀(jì)90年代，迅速升

12、溫的電子制造業(yè)成了這個(gè)時(shí)代的寵兒，大型的電子公司為了減少產(chǎn)品的流失、結(jié)束員工與公司之間的尷尬局面，陸續(xù)采用了金屬探測門和手持金屬探測器，作為管理員工行為、減少產(chǎn)品流失的利刃，于是金屬探測器又有了它的新作用產(chǎn)品防盜?！?.11”事件發(fā)生后反恐成為國際社會的一個(gè)重要的議題。爆炸案、恐怖活動(dòng)的猖獗使恐怖分子成了各國安全部門重點(diǎn)打擊的對象。此時(shí)國際社會“安全防范”的認(rèn)識也提高到了一個(gè)新的高度，受“9.11”事件的影響各行各業(yè)加強(qiáng)了保安工作的部署，金屬探測器也成功滲透到公共娛樂場所等行業(yè)。然而此時(shí)簡單的通道式金屬探測門已不能完全滿足安檢要求，安檢人員需要的是一種能準(zhǔn)確判定物品藏匿位置的安檢產(chǎn)品。于是多區(qū)

13、位金屬探測技術(shù)孕育而生，它的誕生是金屬探測器歷史上又一次變革，原來-2-單一的磁場分布變成了現(xiàn)在互相疊加而又相對獨(dú)立的多個(gè)磁場，在根據(jù)人體工程學(xué)把人體分為多個(gè)區(qū)段使之與人體相對應(yīng)，相應(yīng)的區(qū)段在金屬探測門上形成相對的區(qū)域，這樣金屬探測門便擁有了報(bào)警定位功能。又根據(jù)國務(wù)院發(fā)布，監(jiān)考人員在高考考又根據(jù)國務(wù)院發(fā)布，監(jiān)考人員在高考考場里使用金屬探測器符合相關(guān)規(guī)定，它將作為一項(xiàng)常規(guī)措施載入我國考試監(jiān)考制度中4。金屬探測器的工作原理簡單的講就是利用電磁感應(yīng)原理，讓交流電通過電感線圈，產(chǎn)生迅速變化的磁場，該磁場能在被檢測的金屬物體內(nèi)部產(chǎn)生感生渦流3。渦流反過來有影響原來的磁場，引發(fā)探測器發(fā)聲。金屬探測器自誕生

14、至今40多年過去了，金屬探測器經(jīng)歷了幾代金屬探測的變革，從最初的信號模擬技術(shù)到連續(xù)波技術(shù)，再到今天的數(shù)字脈沖技術(shù)，金屬探測器簡單的磁場切割原理被引入多種技術(shù)成果中。無論是靈敏度、分辨率、探測精度還是在工作性能上都得到了質(zhì)的飛躍，應(yīng)用領(lǐng)域也隨著產(chǎn)品質(zhì)量的提高延伸到多個(gè)行業(yè)。-3-2 綜綜 述述金屬探測器是基于電磁感應(yīng)原理工作的，依工作方式主要有脈沖感應(yīng)型、VLF(very low frequency)連續(xù)波型和LC振蕩型三類。其中LC振蕩型主要應(yīng)用在小目標(biāo)近距探測方面，已較少使用，目前廣泛應(yīng)用的金屬探測器主要是脈沖感應(yīng)型和VLF連續(xù)波型。脈沖感應(yīng)型和連續(xù)波型金屬探測器都是通過探測被測金屬感應(yīng)電流

15、產(chǎn)生的二次磁場確定被測金屬的有無及種類。脈沖感應(yīng)型金屬探測器檢測波形為隨時(shí)間指數(shù)衰減的波形。由于脈沖感應(yīng)型檢測波形的特殊性，在很大程度上限制了數(shù)字信號處理技術(shù)在脈沖感應(yīng)型金屬探測器中的應(yīng)用。VLF連續(xù)波型檢測波形為有特定相位滯后的正弦波，當(dāng)前有很多數(shù)字信號處理算法適用于VLF連續(xù)波型，連續(xù)波型金屬探測器具有廣闊的發(fā)展前景。VLF連續(xù)波型金屬探測器中，接收線圈上的感生電壓主要受介質(zhì)的磁導(dǎo)率影響。鐵磁性物質(zhì)的磁導(dǎo)率很高，即1，如鑄鐵為200400。非鐵磁性物質(zhì)的磁導(dǎo)率近似等于真空中的磁導(dǎo)率，部分非鐵磁性物質(zhì)1，如銅、銀的相對磁導(dǎo)率分別為0.99990、0.999974。部分非鐵磁性物質(zhì)1，如鉑的相

16、對磁導(dǎo)率為1.00026。當(dāng)鐵磁性物質(zhì)接近線圈時(shí)，線圈間介質(zhì)磁導(dǎo)率偏大，接收線圈上的感生電壓顯著增大。當(dāng)1的非鐵磁性物質(zhì)(如銅、銀)接近線圈時(shí)，線圈間介質(zhì)磁導(dǎo)率減小，接收線圈上的感生電壓值減小。當(dāng)1的非鐵磁性物質(zhì)(如鉑)接近線圈時(shí)，線圈間介質(zhì)磁導(dǎo)率增加，接收線圈上的感生電壓的的電壓幅值微弱增加4。在技術(shù)進(jìn)步的前提下，今日的金屬探測器有能力作比以前更多、更為復(fù)雜的工作。整體來講，當(dāng)今的金屬探測器已經(jīng)出現(xiàn)了兩種最具特色的技術(shù)功能。其中之一是金屬探測器的網(wǎng)絡(luò)化功能。具備了這種技術(shù)，人們可以在任何一個(gè)地方撥打該金屬探測器，對儀器進(jìn)行維修，分析所通過的人流量，并可根據(jù)治安的好壞或威脅的大小，調(diào)整金屬探測

17、器的工作靈敏度。所有這一切都可以遠(yuǎn)距離進(jìn)行操作。金屬探測器的另一個(gè)技術(shù)進(jìn)步就是分段限時(shí)技術(shù)的出現(xiàn)，世界幾大著名的金屬探測器生產(chǎn)廠商，如EIPaso、CeiaUSA、Ranger&Metorex等，均投入了相當(dāng)?shù)馁Y金從事這項(xiàng)研究、開發(fā)工作。它利用探測器的側(cè)面或另一儀表盤上的燈光來指示或顯示出人體中金屬物品的近似位置，可以用在諸如法庭以及其他不允許發(fā)出聲音的地方，雖然關(guān)閉了探測器的音量，但它仍能顯示并提醒操作人員何時(shí)何處有金屬物品存在。金屬探測器可以與其他的出入控制裝置，如入口讀卡機(jī)等整合在一起。銀行業(yè)是該出入整合設(shè)備的最大客戶。美國CeiaUSA公司董事長ScootDennision不久前曾經(jīng)說

18、過，他們公司已經(jīng)開始著手為美國的幾大銀行安裝整合式金屬探測器。他們使用的是一種-4-雙門系統(tǒng)，它具備這樣的功能：在第二道門打開之前，銀行或其他機(jī)構(gòu)借助于該系統(tǒng)就能夠斷定正在進(jìn)入的人員是否攜帶有槍支等物品。在該系統(tǒng)中，金屬探測器與CCTV、對講電話系統(tǒng)、出入控制以及其他安全防范手段整合在一起。但是該金屬探測器，也可以在獨(dú)立的基礎(chǔ)上與出入控制整合在一起。CeiaUSA公司業(yè)已開發(fā)出了一種新技術(shù)，能夠在人員通過金屬探測器的時(shí)候自動(dòng)刷卡，不但能探測人員是否攜帶有武器，而且還能進(jìn)行讀寫校驗(yàn)以確定人員是否能合法進(jìn)入該場所。這種名叫MET卡的產(chǎn)品已于去年9月在美國上市，它借助于近發(fā)無線電技術(shù)，可使工作人員騰

19、出雙手，免去了手持勞作之苦。在讀卡的基礎(chǔ)上，該系統(tǒng)可根據(jù)工作性質(zhì)、對象調(diào)節(jié)安全報(bào)警信號的閥值。如果你是一個(gè)警察，依法可以持有槍支，那么該系統(tǒng)就會自動(dòng)降低報(bào)警的靈敏度；而對下一個(gè)通過探測器的一般人來說，金屬探測器將自動(dòng)提高或調(diào)整報(bào)警的靈敏度。MET卡也可以安裝在門框中充當(dāng)跟蹤設(shè)備，用以防止貴重物品的丟失和被盜。前面所講的是金屬探測器的最新情況，金屬探測契經(jīng)過40多年的發(fā)展其技術(shù)上已經(jīng)發(fā)生了幾次飛躍，人類已經(jīng)步入到數(shù)字化時(shí)代，金屬探測器也順應(yīng)這一時(shí)代的現(xiàn)狀，無論是金屬探測器的網(wǎng)絡(luò)化還是出入整合技術(shù)，都需要強(qiáng)大的數(shù)字電路對信息進(jìn)行分析處理，在進(jìn)行傳送控制。因此在這種前提下進(jìn)行數(shù)字金屬探測器的設(shè)計(jì)是順

20、應(yīng)時(shí)代發(fā)展和需求的，本次金屬探測器是一種基于單片機(jī)的數(shù)字金屬探測器，其對金屬的判斷報(bào)警都是在數(shù)字單片機(jī)內(nèi)完成的，可拓展性強(qiáng)，在對其加入外圍功能電路后也能實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化和和出入整合。-5-3 方案論證方案論證金屬探測器的設(shè)計(jì)方案根據(jù)它的應(yīng)用的不同而不同，這里引入兩種與本次設(shè)計(jì)應(yīng)用相進(jìn)的金屬探測設(shè)計(jì)方案，拿它們與我們的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行對比，以突顯出彼此的優(yōu)缺。3.1 基于單片機(jī)的金屬探測器的設(shè)計(jì)方案基于單片機(jī)的金屬探測器的設(shè)計(jì)方案正如綜述里所說的數(shù)字金屬探測器的設(shè)計(jì)是順應(yīng)時(shí)代發(fā)展，本次設(shè)計(jì)所要完成的任務(wù)是實(shí)現(xiàn)一個(gè)基于單片機(jī)的手持金屬探測器。其模型如圖3-1所示?？梢钥闯鏊伤牟糠纸M成：高頻振蕩、信號放大、

21、脈沖轉(zhuǎn)換和信號的處理與報(bào)警，下面簡單論述以下各個(gè)模塊的功能。1)高頻振蕩這一部分是金屬探測的基礎(chǔ)，金屬探測器的原理是：當(dāng)金屬物體置于變化的磁場當(dāng)中時(shí)，金屬內(nèi)部就會產(chǎn)生渦流，而渦流所產(chǎn)生的磁場又會影響原磁場。高頻振蕩部分的任務(wù)首先就是產(chǎn)生變化的磁場，它往往由一LC振蕩電路組成。其次，在遇見金屬后由于金屬內(nèi)部渦流的存在，它的磁場會影響原有磁場，使原有振蕩電路的振幅和周期都發(fā)生改變。這種改變經(jīng)轉(zhuǎn)換后送入單片機(jī)，單片機(jī)中有相應(yīng)的程序?qū)ζ溥M(jìn)行分析判斷。2)放大電路振蕩電路所產(chǎn)生的正弦波信號的幅值是比較小的，因此需要放大才能進(jìn)行再處理。3)脈沖轉(zhuǎn)換電路這是本套設(shè)計(jì)方案所獨(dú)有的，它是實(shí)現(xiàn)本次金屬探測數(shù)字化的

22、橋梁，單片機(jī)只能處理數(shù)字脈沖型號，因此振蕩電路所產(chǎn)生的信號經(jīng)放大不能直接送入單片機(jī)，這一部分只需要一個(gè)TTL門電路對放大電路輸出的波形進(jìn)行轉(zhuǎn)換就行，簡單但很重要。4)信號處理與報(bào)警這一部分是整個(gè)電路的大腦，所有的電路都是為它服務(wù)，這一部分也是整個(gè)探測器實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化或其他功能的橋梁。作為整個(gè)電路的大腦，它對整個(gè)電路所產(chǎn)生的信號做最終的處理，并根據(jù)處理的結(jié)果決定是否存在金屬，是否要發(fā)出警報(bào)。這一部分處理能力的強(qiáng)弱影響這整個(gè)系統(tǒng)的性能。作為與外部進(jìn)行溝通的橋梁，它可以將金屬探測的信息發(fā)送給外圍模塊供他們進(jìn)行進(jìn)一步的處理，它同時(shí)也接收外圍模塊傳送過來-6-的控制信號，如對金屬探測的精度或其他方面進(jìn)行設(shè)置

23、。3.2 MD898K 金屬探測器金屬探測器圖3-24為MD898K金屬探測器的組成模塊圖，看上去在結(jié)構(gòu)上和本次設(shè)計(jì)的金屬探測器很相近，實(shí)際上它們存在本質(zhì)的差別。首先，兩者在設(shè)計(jì)思想上完全不同，MD898K金屬探測器是模擬信號處理的模擬金屬探測器，而此次要實(shí)現(xiàn)的金屬探測器信號的處理和報(bào)警都在數(shù)字單片機(jī)內(nèi)完成。其次，在可拓展性方面MD898K沒有可拓展性而言，因?yàn)槊恳徊糠值膯卧娐肪o密的聯(lián)系在一起，即使可以擴(kuò)展也要對整個(gè)電路進(jìn)行從新設(shè)計(jì)，而且設(shè)計(jì)的難度相對很大，而本次設(shè)計(jì)，將頻率信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號供數(shù)字單片機(jī)進(jìn)行分析，單片機(jī)提供了很多I/O口可以很方便的和其他單片機(jī)進(jìn)行通訊，加入串口通信模塊后還

24、可以直接和PC機(jī)進(jìn)行通訊，借助于PC機(jī)強(qiáng)大存儲和網(wǎng)絡(luò)資源對數(shù)據(jù)進(jìn)行再分析在處理，就可以完善金屬探測的性能，并且借助于PC機(jī)的強(qiáng)大功能可以使探測的精度得到新的改善。3.3 基于霍爾器件的數(shù)字金屬探測器基于霍爾器件的數(shù)字金屬探測器圖3-31是另一種數(shù)字探測器的設(shè)計(jì)方案，雖然是基于單片機(jī)的數(shù)字式金屬探測器，但是在探測原理上與本次采用的方法存在這很大的差別，它的基本思想是這樣的，在電感線圈的中心固定一霍爾器件，用于探測磁場的變化并能將信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，這樣在沒有遇見金屬物體時(shí)送入單片機(jī)的電壓是一固定值，當(dāng)遇見金屬物體時(shí)，由于電磁感應(yīng)現(xiàn)象磁場強(qiáng)度會發(fā)生變化，這時(shí)霍爾器件將此變化轉(zhuǎn)換為電壓信號供單片機(jī)進(jìn)

25、行判斷，霍爾器件產(chǎn)生的是一些連續(xù)的電壓信號，磁場是周期性變化的因此傳出的電壓信號也是周期性連續(xù)變化的，所以需要波峰檢測將其峰值檢測出來通過模數(shù)轉(zhuǎn)換變?yōu)閿?shù)據(jù)信息送入單片機(jī)。因此單片機(jī)只是根據(jù)電壓值的變化就能判斷有無金屬。它與本次設(shè)計(jì)方案的不同在于，本次設(shè)計(jì)方案是檢測振蕩電路的頻率變化來判斷金屬的有無，而圖3-3所示的方案是檢測磁場的變化，而且它是通過將磁信號轉(zhuǎn)換為電信號，再通過波峰檢測模數(shù)轉(zhuǎn)換最后送入單片機(jī)，與此相比本此的設(shè)計(jì)方案就相對簡單，不用霍爾器件和A/D轉(zhuǎn)換這些昂貴的芯片，只需將振蕩電路產(chǎn)生的正弦波進(jìn)行放大，再用廉價(jià)的門電路對其進(jìn)行脈沖轉(zhuǎn)換就行。其次，在性能上還要優(yōu)于圖3-3的方案，因?yàn)?/p>

26、磁場很容易受到外界的影響而發(fā)生變化，這樣產(chǎn)生的電壓信號是很不穩(wěn)定的，相比之下進(jìn)行振蕩頻率的檢測就相對穩(wěn)定。-7-高頻振蕩信號放大脈沖轉(zhuǎn)換信號處理與報(bào)警電源圖3-1 手持?jǐn)?shù)字金屬探測器原理框圖電源高頻振蕩器振蕩檢測器音頻振蕩器功率放大器圖3-2 MD898K金屬探測器原理框圖多諧振蕩器放大電路探測線圈霍爾器件放大電路峰值檢波A/D轉(zhuǎn)換CPUAT89S52顯示電源報(bào)警線圈振蕩電路控制電路圖3-3 基于霍爾器件的數(shù)字金屬探測器-8-4 總體設(shè)計(jì)總體設(shè)計(jì)總體設(shè)計(jì)將影響整個(gè)項(xiàng)目的實(shí)現(xiàn)，對整個(gè)項(xiàng)目的開發(fā)起著指導(dǎo)性的作用，因此總體設(shè)計(jì)的好壞影響深遠(yuǎn)，這里的軟硬件方案都是經(jīng)過再三的比較與分析才確定的，硬件和軟

27、件兩個(gè)互相影響，協(xié)同工作實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的基本功能。由于硬件系統(tǒng)是基礎(chǔ)，是軟件系統(tǒng)得以運(yùn)行的平臺，因此將它放在前面，先依據(jù)硬件的總體設(shè)計(jì)方案，完成各個(gè)單元電路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，接下來再根據(jù)軟件模塊的總體方案設(shè)計(jì)程序流程，在硬件電路的基礎(chǔ)之上進(jìn)行調(diào)試。但在設(shè)計(jì)之初兩個(gè)部分都需經(jīng)過認(rèn)真的分析，確定總體方案后再分階段進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。4.1 硬件電路設(shè)計(jì)硬件電路設(shè)計(jì)硬件電路設(shè)計(jì)是進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，是整個(gè)金屬探測器中最位重要的部分。它設(shè)計(jì)的好壞決定著系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可擴(kuò)展性。本次設(shè)計(jì)的金屬探測器的框圖如圖4-1所示，包括五大部分：線圈振蕩、信號放大、脈沖產(chǎn)生、中央處理和外圍設(shè)置顯示模塊。線圈振蕩電路放 大電 路脈沖變換電

28、路CPUAT89C2051CPUAT89S52報(bào)警液晶顯示鍵盤圖4-1 手持?jǐn)?shù)字金屬探測器硬件設(shè)計(jì)框圖這四部分組合起來構(gòu)成了一個(gè)基于單片機(jī)的開環(huán)金屬探測模型。線圈振蕩電路是基礎(chǔ)，依靠它來進(jìn)行金屬探測，這一部分可以產(chǎn)生穩(wěn)定的正弦波，但在遇到金屬物體時(shí)正弦波的頻率和幅度會發(fā)生變化。振蕩部分產(chǎn)生的正弦波經(jīng)放大后送入脈沖變換電-9-路產(chǎn)生一定頻率的脈沖，然后將其送如單片機(jī)。因此在前端振蕩電路頻率變化時(shí)這種變化同時(shí)將送入單片機(jī)，單片機(jī)進(jìn)行分析判斷后進(jìn)行報(bào)警。外圍控制模塊的作用是，與前端單片機(jī)進(jìn)行通訊，將獲得的信息進(jìn)行分析運(yùn)算再進(jìn)行顯示并且通過鍵盤對前端金屬探測的精度進(jìn)行設(shè)置。4.2 軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件結(jié)構(gòu)

29、設(shè)計(jì)硬件完成信號的產(chǎn)生與處理后，接下來的工作就全部由軟件部分完成，軟件系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)才能真正體現(xiàn)系統(tǒng)的價(jià)值，軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是軟件實(shí)現(xiàn)的起點(diǎn)，它對整個(gè)軟件部分的實(shí)現(xiàn)起指導(dǎo)作用，同時(shí)它也羅列出系統(tǒng)的所有功能。4.2.1 前端程序結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)前端程序結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖4-2就是前端軟件的結(jié)構(gòu)圖，從圖中可以看出前端軟件的主要作用是，頻率測定、聲光報(bào)警和通訊。它是整個(gè)金屬探測模塊的大腦，它分析判斷前面功能電路傳過來的頻率信號對它進(jìn)行分析判斷最后決定是否發(fā)出檢測到金屬的警報(bào)。前端軟件基準(zhǔn)頻率測定精度設(shè)置頻率檢 測頻率比較聲 光報(bào) 警通 訊頻率測 定比 較圖4-2 前端軟件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖-10-4.2.2 外圍數(shù)據(jù)處理與顯示程序

30、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)外圍數(shù)據(jù)處理與顯示程序結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)外圍數(shù)據(jù)處理與顯示液 晶顯 示鍵 盤接 收按 鍵處 理通 訊精度設(shè) 置建立連 接圖4-3 外圍數(shù)據(jù)處理與顯示軟件結(jié)構(gòu)圖引入外圍模塊的目的是借助于PC機(jī)的強(qiáng)大資源或內(nèi)置有大容量編程存儲器的單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析與處理，從而加強(qiáng)和拓展金屬探測器的功能。其次，引入了另一中金屬探測的模式，那就是不需要一定去在現(xiàn)場進(jìn)行金屬探測，將這個(gè)任務(wù)分給在前端進(jìn)行金屬探測的探測小車，探測小車將探測到的信息通過無線模塊即時(shí)的反饋給后臺的處理系統(tǒng)，而這時(shí)的分析員只需坐在PC機(jī)前就回對前端的情況了如指掌。外圍數(shù)據(jù)處理與顯示模塊的軟件結(jié)構(gòu)圖如圖4-3所示。-11-5 單元電路設(shè)計(jì)單元電路設(shè)

31、計(jì)單元電路設(shè)計(jì)是在硬件總體設(shè)計(jì)的指導(dǎo)下完成一個(gè)個(gè)小的功能電路的設(shè)計(jì)，在將各個(gè)部分組合起來實(shí)現(xiàn)一個(gè)整體的功能，因此每一個(gè)功能電路設(shè)計(jì)的好壞都將影響系統(tǒng)的整體功能。完成每一個(gè)功能電路的設(shè)計(jì)后，設(shè)計(jì)階段才告以段落。這一部分的設(shè)計(jì)直接與實(shí)現(xiàn)緊密聯(lián)系，器件參數(shù)的確定，電路板的焊接與調(diào)試，以及到最后的性能分析，都要用到這一部分的設(shè)計(jì)結(jié)果，因此這一部分的設(shè)計(jì)最有實(shí)際價(jià)值。5.1 振蕩電路設(shè)計(jì)振蕩電路設(shè)計(jì)振蕩電路部分采用的是電容三點(diǎn)式振蕩電路，設(shè)計(jì)的主旨是在保證產(chǎn)生穩(wěn)定振蕩的前提下，使頻率低于300KHz，這樣的目的是為了金屬探測器在進(jìn)行工作時(shí)不受廣播頻段的影響。這部分的電路圖如圖5-1所示。電路元器件參數(shù)是

32、在滿足主旨的情況下進(jìn)行選取的。因此諧振回路中電容C1、C2和電感L的取值分別為0.22f、0.47f、500h。其中電感值只是理論計(jì)算的理想值，實(shí)際中是用半徑0.31mm漆包線繞20圈直徑為6cm的線圈而構(gòu)成的，電感值接近500uf但有一定范圍的偏差。偶合電容選用兩個(gè)10f的獨(dú)石電容，旁路電容Cb3選用47f的鋁電解電容。共射極反饋放大電路中的晶體管選用放大倍數(shù)超過50倍的cs9014。組裝調(diào)試后振蕩電路的實(shí)際頻率為33KHz滿足我們的要求。電容三點(diǎn)式振蕩電路的工作原理分析，假設(shè)將反饋回路斷開，同時(shí)假如晶體管的基極以(+)極性信號，則BJT的集電極為(-)極性(共射極放大電路的反向放大特性)，

33、由于諧振回路的兩個(gè)電容的一端同時(shí)接地，另一端串一電感所以兩個(gè)電容的極性相反，即反饋端的為(+)極性，因此滿足相位平衡條件15。電路中晶體管的放大倍數(shù)比較大且C1和C2的比值小于0.5，都有利于起振。由于反饋電壓是從電容兩端去出的對高次諧波的阻抗小，因此可將高次諧波濾除，所以輸出的波形好。電容三點(diǎn)式振蕩電路的頻率為：15(5-1)ccccfLf21210/21使用諧振回路中的電感線圈進(jìn)行金屬探測，當(dāng)遇見金屬是電感L1的Q值將發(fā)生變化，由電容三點(diǎn)式振蕩電路的頻率計(jì)算公式可以看出，電感增加時(shí)諧振頻率減小，電感減小時(shí)諧振頻率增加。電路的諧振頻率同時(shí)也影響著檢測金屬的精度，當(dāng)諧振頻率高時(shí)-12-線圈產(chǎn)圖

34、5-1 電容三點(diǎn)式振蕩電路生磁場的變化率也就越高，根據(jù)電磁感應(yīng)原理在金屬內(nèi)部產(chǎn)生的渦流就越大，同是渦流產(chǎn)生磁場對原磁場的影響也就越大。5.2 放大電路和脈沖變換電路放大電路和脈沖變換電路放大電路和脈沖產(chǎn)生電路合起來產(chǎn)生一定頻率的脈沖供單片機(jī)進(jìn)行處理。電路原理圖如圖5-2所示。從振蕩回路傳過來的正弦波信號經(jīng)過電壓跟隨器傳送到差分放大電路針對其交流信號進(jìn)行放大，放大后產(chǎn)生的電壓信號送給TTL門電路對其進(jìn)行整形以產(chǎn)生規(guī)則的脈沖波送入單片機(jī)。電壓跟隨器和差分運(yùn)放均選用LM358。將集成運(yùn)放的輸出端和它的反向輸入端相連就構(gòu)成了電壓跟隨器，由于它的電壓增益為“1”所以叫電壓跟隨器，它的特點(diǎn)是輸入阻抗高輸出

35、阻抗低，因此起到隔離的作用，對其后的工作電路如同一個(gè)恒壓源，又由于它的輸入阻抗高就相當(dāng)與對前級電路開路，這里引入電壓跟隨器的目的也是為了使振蕩信號的產(chǎn)生和處理分開，使其互不影響。放大部分的作用是對正玄交流信號進(jìn)行無窮放大，LM358的反向端接受電壓跟隨器穿過來的電壓信號，同向端和反向端接一5K的分壓電阻，給與同向端并聯(lián)的電阻并-13-聯(lián)一個(gè)10f的電解電容的目的是為了使同向端保持一個(gè)穩(wěn)定的直流分壓，這樣送往集成運(yùn)放的差分電壓信號就只是交流信號，在交流信號進(jìn)行無窮次的放大，最終產(chǎn)生的是頻率與正弦波頻率相同的梯形波。門電路選用的是74LS08(與門)，用史密特觸發(fā)器替換也可以，它對輸入的梯形波進(jìn)行

36、邏輯運(yùn)算在以TTL電平出運(yùn)算結(jié)果，因此可以將梯形波轉(zhuǎn)換成適合于單片機(jī)進(jìn)行處理的脈沖波。圖5-2 放大與脈沖轉(zhuǎn)換電路使用LS08進(jìn)行波形變換的原理圖如圖5-2所示，正弦波經(jīng)過上圖的放大模塊后變?yōu)樘菪尾?，梯形波?jīng)過LS08最后變換為標(biāo)準(zhǔn)的方波。YT梯形波脈沖波圖5-3 波形轉(zhuǎn)換-14-5.3 單片機(jī)系統(tǒng)單片機(jī)系統(tǒng)圖5-4就是單片機(jī)處理系統(tǒng)，將頻率探測、報(bào)警和通訊幾個(gè)模塊程序組合起來燒寫進(jìn)去，它就會按你事先編寫好的步驟進(jìn)行工作。1)復(fù)位電路REST引腳一但變成兩個(gè)周期以上高電平所有的I/O口都將復(fù)位到“1”狀態(tài)，編程地址計(jì)數(shù)器復(fù)位到000H，針對這一特點(diǎn)在按鈕兩端并聯(lián)一10f的電解電容，正極接電源，

37、這樣在按鈕按下又釋放后由于電容的充電可以在電阻兩端維持至少兩個(gè)時(shí)鐘周期以上的高電平。2)蜂鳴器在給蜂鳴器的正極和負(fù)極分別通上高電平和低電平時(shí)蜂鳴器就會發(fā)聲，因此你可以通過給蜂鳴器不同頻率的電平來使它發(fā)出不同的聲音。3)單片機(jī)單片機(jī)選用的是AT89C2051高性能CMOSE8位單片機(jī)，內(nèi)含2K的可反復(fù)檫寫的FLASH只讀存儲器和128B的隨機(jī)存儲器。由于本次金屬探測器的設(shè)計(jì)，包括前端金屬探測部分和后臺數(shù)據(jù)處理和顯示兩個(gè)部分，因此在前斷只需要一個(gè)容量不大的單片機(jī)進(jìn)行振蕩頻率的測量、報(bào)警和通信，2K的AT89C2051足以滿足需求。2051的“1”號記數(shù)器記錄由LS08發(fā)送過來的脈沖信號，聯(lián)合“0”

38、號計(jì)數(shù)器來檢測振蕩電路的頻率。再根據(jù)頻率的變化激活相應(yīng)的發(fā)光二極管和峰鳴器進(jìn)行報(bào)警。圖5-4 前端金屬探測部分單片機(jī)系統(tǒng)-15-5.4 外圍設(shè)置與顯示系統(tǒng)外圍設(shè)置與顯示系統(tǒng)圖5-5就是外圍設(shè)置與顯示系統(tǒng)，它有三部分構(gòu)成：鍵盤輸入、液晶顯示和單片機(jī)系統(tǒng)。1)鍵盤輸入鍵盤采用的是23的按鍵陣列，如圖5-6所示，該陣列鍵盤的工作原理是，將兩條行線和3條列線接入AT89S52的一組I/O雙向接口(比如：P1的低5為)，在程序中通過給行線和列線先后輸入，高電平低電平、低電平和高電平來判斷是哪個(gè)按鈕按下。例如給P1的低5位的電平信號為11000，假如現(xiàn)在第2個(gè)按鈕按下則此時(shí)的管腳電平信號為01000，所以

39、判斷為第一行。再將P1的低5位置為00111，由于第2個(gè)按鈕被按下，則此時(shí)的管腳電壓為00101，所以可以判斷是第2列，到此就可以判斷是第1行第2列的按鈕被按下了10。2)液晶顯示引入液晶顯示的目的主要是為了顯示頻率值、金屬類型、精度設(shè)置時(shí)的一些提示語，其次，有了顯示器對鍵盤的調(diào)試將更加方便。液晶顯示的要求比較低，1602A內(nèi)置有基本ASCII字符的顯示編碼，使用起來比較方便。且價(jià)格低廉可以滿足需求。3)單片機(jī)系統(tǒng)單片機(jī)使用的是有8K容量FLASH的AT89S52，由于在這個(gè)模塊要引進(jìn)算法對數(shù)據(jù)進(jìn)行再處理，在加上液晶和鍵盤的驅(qū)動(dòng)程序，所以需要比較大的程序空間。圖5-6 陣列鍵盤原理圖-16-圖

40、5-5 液晶顯示器接線圖-17-6 軟件模塊設(shè)計(jì)軟件模塊設(shè)計(jì)硬件電路要完成的任務(wù)是，產(chǎn)生振蕩，并將波形變換為能夠被單片機(jī)處理的方波，接下來進(jìn)行頻率測定、報(bào)警、通訊等都要用程序?qū)崿F(xiàn)最后燒入單片機(jī)。以下是各功能模塊的軟件設(shè)計(jì)。軟件模塊是整個(gè)系統(tǒng)的靈魂，軟件部分設(shè)計(jì)的好壞直接影響到系統(tǒng)的精度、可用性、方便性和智能性。好的軟件上在實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能的前提下盡可能的友好，方便用戶的使用。金屬探測器中的程序分為兩個(gè)部分，前端軟件模塊和外圍數(shù)據(jù)處理與顯示模塊，前端軟件完成的是一些比較基礎(chǔ)的工作，如振蕩頻率的檢測，比較，報(bào)警等，它與底層的硬件關(guān)系比較密切所以采用匯編語言進(jìn)行編寫，而外圍數(shù)據(jù)處理與顯示模塊是進(jìn)行數(shù)據(jù)的

41、再處理的，是更高一層的分析與判斷，它直接處理由前端模塊傳過來的數(shù)據(jù)，對其進(jìn)行處理顯示。它的程序量比較大，包括鍵盤的驅(qū)動(dòng)和液晶的驅(qū)動(dòng)，所以選擇模塊性比較強(qiáng)的c語言進(jìn)行編寫，兩個(gè)模塊結(jié)合起來實(shí)現(xiàn)了一個(gè)更加方便、智能的數(shù)字金屬探測器。6.1 前端軟件設(shè)計(jì)前端軟件設(shè)計(jì)前端軟件負(fù)責(zé)頻率的測定、頻率的比較、報(bào)警以及與外圍模塊的通信，程序流程圖如圖6-1所示。1)頻率獲得獲得頻率是通過定時(shí)器T0和計(jì)數(shù)器T1兩個(gè)協(xié)同工作而完成的。程序中所使用的頻率不論是基準(zhǔn)頻率還是新探測的頻率，都是50ms內(nèi)所獲得的脈沖數(shù)。這對此次設(shè)計(jì)的手持式金屬探測器已經(jīng)足夠了，要想提高精度，一是延長獲得脈沖的時(shí)間，二是減小PRISE(它

42、是頻率波動(dòng)的范圍，如果超出此范圍則報(bào)警)。2)獲取基準(zhǔn)頻率基準(zhǔn)頻率的獲得至關(guān)重要，因?yàn)樗唤?jīng)獲得將作為判斷有無金屬的基準(zhǔn)。其值的可靠性將影響整個(gè)程序的健壯性。基準(zhǔn)頻率的獲得是按照如下方法獲得的，如圖6-2所示。-18-初始化基準(zhǔn)頻率測定F_FR=1?探測當(dāng)前頻率F_COMM=1?調(diào)用精度設(shè)置頻率比較F_COMP=1F_COMM=1?發(fā)送頻率報(bào)警是否是否是否是否圖6-1 前端金屬探測主程序流程圖F_COMM：標(biāo)志是否進(jìn)行通訊；F_COMP：標(biāo)志比較的結(jié)果；F_FR：標(biāo)志基準(zhǔn)頻率是否成功獲得F_FR：標(biāo)志是否已經(jīng)順利獲得基準(zhǔn)頻率。F_COMM：后臺是否發(fā)送通信請求。F_OK：標(biāo)志通訊已建立。F1：

43、新獲取的頻率。F基準(zhǔn)頻率。-19-延延時(shí)時(shí)R0=10當(dāng)當(dāng)前前頻頻率率F獲獲得得當(dāng)當(dāng)前前頻頻率率F1F1-2F(42,43H)?(44,45H)0？n_plus0?SET=1延延時(shí)時(shí)F_OK=1?F_OK=0設(shè)設(shè)置置成成功功返返回回設(shè)設(shè)置置失失敗敗在在ADD口口發(fā)發(fā)送送n_plus個(gè)個(gè)脈脈沖沖在在DEC口口發(fā)發(fā)送送-n_plus個(gè)個(gè)脈脈沖沖否否是是否否否否否否是是是是是是圖6-6 設(shè)置數(shù)據(jù)與前端單片機(jī)的通訊圖-23-7 實(shí)現(xiàn)與性能分析實(shí)現(xiàn)與性能分析前面所有的準(zhǔn)備都是為這一階段作準(zhǔn)備，這一部分的內(nèi)容也將是最重要，最煩瑣，最能考驗(yàn)人意志的。首先你需要來回奔走于電子市場，去準(zhǔn)備器件，一次是絕對不會準(zhǔn)備

44、好所有的器件的，因?yàn)樵谡{(diào)試時(shí)時(shí)常會發(fā)生與你預(yù)想的結(jié)果不一致的情況，或許在這個(gè)階段你還要進(jìn)行方案的局部修改，我就是這樣。其次，調(diào)試工作考驗(yàn)人的細(xì)心與耐心，梢有不甚就可能燒毀器件，比如將單片機(jī)接反、電解電容接反、電源線接反、器件管腳焊接不對、電路板短路等等一系列由于不細(xì)心造成的后果。然而這個(gè)階段也是最鍛煉人的階段，這一部分的經(jīng)歷將最深刻最讓人難以忘懷。因?yàn)樵跊]有登山之前你絕對體會不到登山的滋味，只有親自爬一次山你才會體會到什么是爬山，而這個(gè)時(shí)候任何人對爬山的描述對你來說也都不重要了，這一階段就好比爬山，道路越艱險(xiǎn)，最后的成就感越大。7.1 硬件電路焊接與調(diào)試硬件電路焊接與調(diào)試硬件電路的調(diào)試我分為四

45、個(gè)階段：振蕩電路的焊接與調(diào)試、脈沖轉(zhuǎn)換電路的焊接與調(diào)試、單片機(jī)處理系統(tǒng)的焊接與調(diào)試和外圍單片機(jī)系統(tǒng)的焊接與調(diào)試。7.1.1 振蕩電路的焊接與調(diào)試振蕩電路的焊接與調(diào)試1)所需器件面包板一個(gè)、三極管(cs9014)一個(gè)、10f 偶合電容兩個(gè)、47f 旁路電容一個(gè)、諧振電容 0.22f 和 0.47f 各一個(gè)、自繞電感線圈一扎、33K、20K、1.3K、2K 電阻各一個(gè)。2)電感繞制選用半徑為 0.31mm 的漆包線，繞成半徑為 3cm 的線圈，繞制 20 圈。在電感測量儀上測量其電感值大約在 500f 左右，用手使線圈間距邊小，線圈的電感值會相應(yīng)的增大，最后用膠帶紙將線圈纏在一起使它們之間的間距相

46、對固定，這樣電感值保持在500f，誤差在 10f 以內(nèi)。3)調(diào)試所有的器件準(zhǔn)備好并焊接在面包板上，按照電路圖檢查各器件件的連接情況無誤后，進(jìn)行上電調(diào)試。振蕩電路的起振都沒有問題，可以產(chǎn)生幅值越為 0.2V、頻率接近33KHz 的正弦波。4)出現(xiàn)的問題與解決方法-24-(1)可以產(chǎn)生穩(wěn)定的正弦波，頻率符合，但是幅值偏小。將C1(0.47f)、C2(0.22f)的兩個(gè)諧振電容進(jìn)行調(diào)換以后，正弦波的幅值明顯增加，增為0.5V，頻率不變。(2)信號的直流分量不是一個(gè)固定的值而是在2.0V2.4V之間進(jìn)行周期性的變化，先從2.4V減到2.0V，再變?yōu)?.4V就這樣周期性的變化。這個(gè)問題是在信號放大部分解

47、決的。7.1.2 放大電路與脈沖轉(zhuǎn)換電路的焊接與調(diào)試放大電路與脈沖轉(zhuǎn)換電路的焊接與調(diào)試這一部分多為集成電路只需按照放大電路的要求進(jìn)行連接連接就可以。1)所需器件面包板與上面共用，LM358(內(nèi)置兩個(gè)放大器)一片、74LS08(內(nèi)置4個(gè)與門)一片、10f鋁電解一個(gè)、5K、500K電阻各一個(gè)。2)調(diào)試振蕩電路產(chǎn)生的正弦波不能直接進(jìn)行脈沖波的變換，因?yàn)樗姆堤?，所以必須?jīng)過放大電路的放大。由于上面出現(xiàn)的電壓不穩(wěn)定問題，因此這里的放大電路只對信號的交流分量進(jìn)行無窮放大。信號經(jīng)電壓跟隨器進(jìn)入LM358的反向端，同向端與反向端之間接一5K的電阻，而同向端則通過分壓器分得與反向端成固定比例的電壓。這樣可

48、以使同向與反向之間要進(jìn)行差分放大的部分保持相對不變。在加上在同向端并聯(lián)一10f的旁路電容，它可以短路交流信號，因此同向端可以保持一個(gè)固定的直流分量，而交流分量通過差分放大器進(jìn)行無窮次的放大。信經(jīng)此放大電路后變換為與前面正弦波頻率相等的梯形波幅值為3.7V，如圖3-1。轉(zhuǎn)換為幅值為3.7V梯形波后，在將其轉(zhuǎn)換為單片機(jī)可以處理的脈沖波就相對容易了。簡單的處理就是通過一TTL門電路，TTL門電路可以將邏輯運(yùn)算的結(jié)果轉(zhuǎn)換為TTL電平(5V)，這里選用的是74LS08(與門)，當(dāng)然史密特出發(fā)器，其它的門電路都可以完成這樣的轉(zhuǎn)換。將與門的一端接入5V電源另一端接放大電路的輸出端。轉(zhuǎn)換的結(jié)果如圖5-3所示。

49、3)出現(xiàn)的問題與解決方案如果放大電路不是采用上面的接法，而是將同向端接一電阻接地或是從電源經(jīng)一分壓器得一固定的分壓，那么也可以產(chǎn)生梯形波不過它是不穩(wěn)定的，表現(xiàn)為波峰和波谷之間進(jìn)行周期性的轉(zhuǎn)換，比如開始波峰占2/3周期波谷占1/3周期，過一會波峰占1/3波谷占2/3，最后到波峰消失，而后又回到初始狀態(tài)，這種現(xiàn)象對脈沖變換和最后的頻率檢測都是不利的，更可怕的是會由于波形的不穩(wěn)定而造成意想不到的結(jié)果。比如在沒有碰到金屬時(shí)發(fā)出警報(bào)。-25-7.1.3 單片機(jī)系統(tǒng)的焊接與調(diào)試單片機(jī)系統(tǒng)的焊接與調(diào)試單片機(jī)系統(tǒng)的焊接與調(diào)試往往是放在最后一個(gè)環(huán)節(jié)，這是由于單片機(jī)系統(tǒng)的作用是進(jìn)行控制和數(shù)據(jù)的處理，因此在對它進(jìn)行

50、調(diào)試之前，被控制的功能電路必須已經(jīng)調(diào)試完畢，并能將信號發(fā)送給單片機(jī)供單片機(jī)進(jìn)行分析判斷，最后將控制信號從I/O口輸出。1)所需器件AT89C20511個(gè)、30pf陶瓷電容兩個(gè)、12MHz石英晶體振蕩器1個(gè)用于振蕩電路，按鈕1個(gè)、10f鋁電解1個(gè)、10K電1個(gè)用于復(fù)位電路，1個(gè)蜂鳴器、2個(gè)發(fā)光二極管用于報(bào)警。2)調(diào)試要使單片機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行工作，必須要有振蕩電路，以提供時(shí)鐘信號給單片機(jī)。這里采用石英晶振，它有6MHz、12MHz、11.059MHz的不同類型，用戶可以根據(jù)需要進(jìn)行選擇，一旦確定，單片機(jī)的主頻就確定，機(jī)器周期為主頻的1/12。這里用到的無論是前端探測的單片機(jī)系統(tǒng)還是外圍數(shù)據(jù)處理與顯示的單

51、片機(jī)系統(tǒng)都選用12MHz的石英晶振。單片機(jī)系統(tǒng)的測試與其它電路的測試不同，你需寫一段小的測試程序，編譯后燒寫到單片機(jī)的程序存儲器中，看其運(yùn)行情況，這里我做了一個(gè)小小的燈光閃爍程序。3)AT89C2051介紹AT89C2051是ATMEL公司生產(chǎn)的低電壓，高CMOS8位單片機(jī)，片內(nèi)含有2KB的可反復(fù)察寫的只讀程序存儲器和128BYTES的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲器 (RAM)，15個(gè)I/O口線，兩個(gè)16位定時(shí)計(jì)數(shù)器，一個(gè)5向量兩極中斷結(jié)構(gòu)，一個(gè)全雙工串行通信口，內(nèi)置一個(gè)精密比較器，片內(nèi)振蕩器及時(shí)鐘電路。同時(shí)，AT89C2051可降至0HZ的靜態(tài)邏輯操作，并支持兩種軟件可選的節(jié)電工作模式?？臻e方式停止CP

52、U的工作，但允許RAM，定時(shí)/計(jì)數(shù)器，串行通信口及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。掉電方式保存RAM的內(nèi)容，但振蕩器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一個(gè)硬件復(fù)位。器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)生產(chǎn)，兼容MCS-51指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用8位中央處理器和flash存儲單元。4)出現(xiàn)的問題與解決方法要讓單片機(jī)執(zhí)行程序存儲器內(nèi)的指令，必須使單片機(jī)的EA/Vpp管腳置為高電平。開始沒有注意這一點(diǎn)，直接將閃爍程序燒入單片機(jī)，發(fā)現(xiàn)燈一直亮但不閃爍(復(fù)位后個(gè)管腳將置4為高電平)，開始還以為是延時(shí)的問題，但到后來延時(shí)已設(shè)的很長還是沒有閃爍。最終才發(fā)現(xiàn)上由于該管腳沒有接高電平。該管腳要是接地的話執(zhí)行的是片

53、外的程序。-26-7.1.4 外圍數(shù)據(jù)處理與顯示模塊的焊接與調(diào)試外圍數(shù)據(jù)處理與顯示模塊的焊接與調(diào)試1)所須器件單片機(jī)系統(tǒng)與前面焊接的單片機(jī)系統(tǒng)一樣，只不過這里的CPU用的是AT89S52，另外還需要型號為SMC1602A，容量為162個(gè)字符的液晶顯示器，和用于輸入用戶需求的23按鍵陣列。2)AT89S52介紹AT89S52是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K 在系統(tǒng)可編程Flash存儲器。使用Atmel公司高密度非易失性存儲器技術(shù)制造，與工業(yè)80C51產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。片上Flash允許程序存儲器在系統(tǒng)可編程，亦適于常規(guī)編程器。在單芯片上，擁有靈巧的8位CPU和在系統(tǒng)可編程

54、Flash，使得AT89S52為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。AT89S52具有以下標(biāo)準(zhǔn)功能：8k字節(jié)Flash，256字節(jié)RAM，32位I/O口線，看門狗定時(shí)器，2個(gè)數(shù)據(jù)指針，三個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，一個(gè)6向量2級中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口，片內(nèi)晶振及時(shí)鐘電路。另外，AT89S52可降至0Hz靜態(tài)邏輯操作，支持2種軟件可選擇節(jié)電模式。空閑模式下，CPU停止工作，允許RAM、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護(hù)方式下，RAM內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機(jī)一切工作停止，直到下一個(gè)中斷或硬件復(fù)位為止。3)調(diào)試液晶和鍵盤的調(diào)試都是建立在單片機(jī)系統(tǒng)的基礎(chǔ)之上的，也就是說它

55、們需要單片機(jī)執(zhí)行程序來進(jìn)行控制。在保證單片機(jī)系統(tǒng)正常運(yùn)行后首先調(diào)試的是液晶，這樣是為了調(diào)試鍵盤做準(zhǔn)備。液晶顯示器的調(diào)試主要在于編寫的液晶驅(qū)動(dòng)程序，因?yàn)椴煌囊壕э@示器它的控制時(shí)序和控制字是不同的，因此必須針對不同型號的液晶顯示器采用與之匹配的驅(qū)動(dòng)程序。1602A液晶顯示器的操作時(shí)序?yàn)椋鹤x狀態(tài)：輸入：RS=L，RW=H，E=H， 輸出：D0-D7=狀態(tài)字寫指令：輸入：RS=L，RW=L，E=高脈沖H， 輸出：無讀數(shù)據(jù)：輸入：RS=H，RW=H，E=H， 輸出：D0-D7=數(shù)據(jù)寫數(shù)據(jù)：輸入：RS=H，RW=L，E=高脈沖， 輸出：無1602A的初始化過程為：(1)延時(shí)15ms;(2)寫指令38H(

56、不檢測忙信號);(3)延時(shí)5ms;(4)寫指令38H(不檢測忙信號);-27-(5)延時(shí)5ms;(6)寫指令38H(不檢測忙信號以后每次讀/寫操作之前均要檢測忙信號);(7)寫指令38H顯示模式設(shè)置;(8)寫指令08H顯示關(guān)閉;(9)寫指令01H顯示清屏;(10)寫指令6H顯示光標(biāo)移動(dòng)設(shè)置;(11)寫指令0CH顯示開及光標(biāo)設(shè)置11;液晶顯示器的VDD和VO之間接了一個(gè)10K的電位器是用來調(diào)節(jié)對比度用的，在對液晶調(diào)試的過程中應(yīng)盡量使對比度大，也就是使VO端的輸出端電壓低。其次，液晶顯示器在沒有給它輸入正確的數(shù)據(jù)的時(shí)候，屏幕的一半是黑屏，這不能說液晶顯示器壞了，恰恰相反，它說明了液晶顯示器是好的你

57、需要檢查你的程序。最后液晶顯示器的初試化也很重要，應(yīng)按照datasheet上面所給的初始化順序和延時(shí)時(shí)間來嚴(yán)格進(jìn)行，如有不慎，也會出現(xiàn)半邊黑屏的情況。鍵盤采用的是23的按鍵陣列，鍵盤的調(diào)試，是在液晶調(diào)試完畢后，這樣可以借助于液晶來判斷鍵盤按下是否會有響應(yīng)。一遇到鍵盤都會涉及到鍵盤的防抖動(dòng)問題，鍵盤的防抖動(dòng)有兩種方法：一種是硬件方法，那就是在硬件電路里加延時(shí)來去掉抖動(dòng)。另一種方法是軟件方法，就是在對鍵盤掃描采用一定的方法和延時(shí)來防止抖動(dòng)。本次設(shè)計(jì)采用的是軟件的方法，將在軟件調(diào)試中進(jìn)行詳細(xì)的論述。4)出現(xiàn)的問題和解決方法(1)在一開始調(diào)試液晶時(shí)發(fā)現(xiàn)液晶屏幕上即沒有顯示的字符，也沒有出現(xiàn)半邊黑屏的現(xiàn)

58、象，以為是接法不當(dāng)將液晶顯示器給燒了，其實(shí)事實(shí)不是這樣，每個(gè)1602的使用電路中都會要求配一個(gè)電位器，它是用來調(diào)整液晶的偏壓的，最后的結(jié)果是可以提高或降低液晶的對比度，必須選擇適當(dāng)?shù)钠珘海驗(yàn)槠珘哼^大就會出現(xiàn)剛才所說的現(xiàn)象，偏壓過小就會出現(xiàn)“鬼影現(xiàn)象” ，兩個(gè)都不是我們所期望的。但是在一開始調(diào)試液晶的時(shí)候，建議將偏壓調(diào)制最小，這樣無論如何它會有所顯示，當(dāng)你將液晶全都驗(yàn)證好時(shí)再將偏壓調(diào)制適中。(2)也是液晶問題，出現(xiàn)黑屏以后，發(fā)現(xiàn)無論送給液晶什么數(shù)據(jù)它都是黑屏，沒顯示任何字符串，最終決定讓它只顯示一個(gè)字符，但是還是黑屏。檢查電路后發(fā)現(xiàn)，原來是將P0_9接為P0_10，由于P0_10是管腳EA/V

59、PP它是接電源的，也就是說給液晶顯示器第8位數(shù)據(jù)管腳的電平時(shí)刻為高，這樣在你將要顯示的字符送給液晶顯示器時(shí)，這個(gè)字符很可能就不是ASCII字符，所以無法顯示出現(xiàn)黑屏。因此總結(jié)出調(diào)試液晶時(shí)應(yīng)該注意的問題，首先，若在在調(diào)試時(shí)液晶出現(xiàn)黑屏，那說明液晶顯示器是好的，你應(yīng)檢查你的-28-程序和電路，如果沒有出現(xiàn)黑屏，你應(yīng)該調(diào)節(jié)電位器使偏壓減小以至有所顯示。其次，如果出現(xiàn)黑屏你應(yīng)該檢查三點(diǎn)兩點(diǎn)，一個(gè)是液晶顯示器的初始化，看初始化指令字調(diào)用的順序?qū)Σ粚Γ虚g必要的延時(shí)加沒加。另一個(gè)是保證向液晶傳入數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)端口無誤。最后一個(gè)是，看你讀寫的時(shí)序和控制字的電平是否嚴(yán)格按照產(chǎn)品說明書上的要求。7.2 軟件模塊的調(diào)

60、試與集成軟件模塊的調(diào)試與集成程序部分的調(diào)試采用的是從下到上逐步集成的思想，先將各個(gè)小的模塊驗(yàn)證成功，在將它們集成為一個(gè)大的模塊進(jìn)行驗(yàn)證，最后到整個(gè)系統(tǒng)的集成調(diào)試。這里進(jìn)行程序開發(fā)所使用的工具是 keil 第二版。在進(jìn)行調(diào)試時(shí)程序要不停的寫入單片機(jī)進(jìn)行即時(shí)的驗(yàn)證，所以必備燒寫程序的工具，這里使用的是 TOP2000 燒寫器和它的配套燒寫軟件。7.2.1 前端金屬探測模塊的調(diào)試與集成前端金屬探測模塊的調(diào)試與集成程序的作用是對硬件電路傳過來的電信號進(jìn)行分析、處理、判斷最后發(fā)出控制信號。這一部分軟件的主要功能是頻率的檢測與報(bào)警。由于這一部分所用的單片機(jī)編程存儲空間比較小，且程序的數(shù)據(jù)來自于底層的電路信

61、號所以選用MCS51匯編指令來進(jìn)行變成。1)頻率檢測從示波器上可以看到振蕩的頻率大約為33KHz，這里的頻率探測是以50ms為一個(gè)單位，也就是50ms內(nèi)計(jì)數(shù)器1所記錄的脈沖數(shù)。并以此值作為判斷有無金屬的依據(jù)。在程序中將每次獲得的頻率值存到兩個(gè)內(nèi)存單元中，一個(gè)存高8位，一個(gè)存低8位，使用的時(shí)候只需到固定的內(nèi)存單元中進(jìn)行讀取。2)頻率的分析計(jì)算由于頻率值分存在兩個(gè)內(nèi)存單元，為16位，因此對它的處理都是另外編寫的16位運(yùn)算，其中包括加法、比較。比較程序的程序流程圖詳見第二章，比較程序的結(jié)果保存在自定義的標(biāo)記中，主程序中就是根據(jù)比較子程序的結(jié)果來判斷是否有金屬。3)數(shù)據(jù)通信外圍與前端單片機(jī)之間通信的信

62、息多為16位的頻率值，在進(jìn)行數(shù)據(jù)接受時(shí)，使用一標(biāo)志，用來完整的接受16為數(shù)據(jù)。串口通訊的方式選擇方式2(異步通訊)，無奇偶校驗(yàn)。4)出現(xiàn)的問題與解決方法-29-(1)在用MCS51編寫程序時(shí)，立即尋址時(shí)，一定要在立即數(shù)前加“#”否則的程序?qū)⒁灾苯訉ぶ返姆绞綄Υ斐刹豢深A(yù)料的錯(cuò)誤。(2)頻率測定時(shí)要不停的使用定時(shí)器，因此不停的要引發(fā)定時(shí)器中斷，在編程的過程中曾經(jīng)出現(xiàn)過定時(shí)器中斷處理程序只能被引發(fā)一次，而后面即使發(fā)生中斷，也不會執(zhí)行中斷處理程序的現(xiàn)象。結(jié)果發(fā)現(xiàn)原來是將RETI寫為RET的原因，RETI除了執(zhí)行RET的指令功能外，還清除內(nèi)部響應(yīng)的中斷狀態(tài)寄存器因此中斷服務(wù)子程序必須以RETI為結(jié)束

63、指令。(3)寫延時(shí)指令時(shí)需小心死循環(huán)。此次調(diào)試過程中曾經(jīng)出現(xiàn)過這樣的情況，開始不知道問題的原因所在，最后在每一步設(shè)標(biāo)志才找出原因。5)定時(shí)計(jì)數(shù)器的使用介紹定時(shí)器的結(jié)構(gòu)圖如圖7-19所示，其中TCON用于控制定時(shí)/計(jì)數(shù)器T0和T1的啟動(dòng)和停止，同時(shí)包含定時(shí)/計(jì)數(shù)器的狀態(tài)，它屬于特殊功能寄存器其內(nèi)容靠軟件設(shè)置，系統(tǒng)復(fù)位時(shí)寄存器的所有位都被清零。定時(shí)計(jì)數(shù)器的工作方式是在TMOD寄存器中設(shè)置的，TMOD 圖7-1 定時(shí)/計(jì)數(shù)器原理框圖和TCON的格式如圖7-29所示，模式設(shè)置組合如表7-19由于這里只用到方式1所以對方式1加以說明，方式1的結(jié)構(gòu)如圖7-37所示，方式1為計(jì)數(shù)器THX作為高8位TLX作為

64、低8位，定時(shí)時(shí)間=(216T0初值)時(shí)鐘周期127，因此要定時(shí)50ms需給定時(shí)器T0的初值為D8F0H。圖7-2 定時(shí)/計(jì)數(shù)器的控制字格式TH1TL1TH0TL0TCONTCON微處理器CPUTF1TR1TF0TR0IE1IT1IE0IT0GATEC/TM1M0GATEC/TM1M0TCONTMOD-30-表7-1 模式設(shè)置組合M1M0功能選擇00方式0，13位定時(shí)/計(jì)數(shù)器01方式1，16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器10方式2常數(shù)自動(dòng)裝入寄存器11僅適用于T0，分為兩個(gè)8位計(jì)數(shù)器，對T1停止計(jì)數(shù)圖7-3 T0定時(shí)計(jì)數(shù)器的工作原理圖7.2.2 外圍數(shù)據(jù)處理與顯示模塊的調(diào)試與集成外圍數(shù)據(jù)處理與顯示模塊的調(diào)試與集

65、成這一部分的程序是用C語言來寫的，原因是這一部分的程序量，大傾向與數(shù)據(jù)處理而非底層的電路控制。1)鍵盤模塊的調(diào)試鍵盤模塊包括鍵盤輸入的接收和鍵盤輸入的處理，兩個(gè)部分相互依賴。鍵盤接收部分采用了軟件防抖動(dòng)技術(shù)其基本原理如圖7-4所示。2)出現(xiàn)的問題按鍵在按下的瞬間，它不是產(chǎn)生一個(gè)完整的脈沖信號，而是帶有無數(shù)個(gè)毛刺的信號序列，要是不加防抖動(dòng)處理或是防抖動(dòng)處理的不好，那么程序接收到的將是按鍵多-31-次按下，這樣會產(chǎn)生意想不到的錯(cuò)誤。在外圍處理模塊有一個(gè)精度設(shè)置模塊，一個(gè)精度“加”按鈕，一個(gè)精度“減”按鈕，一開始程序的防抖動(dòng)是這樣的，沒有延時(shí)，只有行列值確定和一次校驗(yàn)，最后按下“加”鍵后，液晶上顯示

66、的數(shù)值從初始值一直往上加，按下減值后數(shù)值有一直往下減。最后加二次檢驗(yàn)和延時(shí)后這種現(xiàn)象消失了。原因是改進(jìn)后的代碼每進(jìn)行一次鍵位的確定都要經(jīng)過3個(gè)步驟，每個(gè)步驟5ms，這三步驟必須同時(shí)滿足，才能確定一個(gè)鍵位的按下，要是其中那一步出現(xiàn)了問題都會重新開始，這樣就避免了很多干擾和脈沖中的毛刺。確確定定行行列列延延時(shí)時(shí)5ms行行列列確確定定成成功功？檢檢驗(yàn)驗(yàn)一一J1=R*3+C延延時(shí)時(shí)5ms檢檢驗(yàn)驗(yàn)一一通通過過？檢檢驗(yàn)驗(yàn)二二J2=R*3+C延延時(shí)時(shí)5ms檢檢驗(yàn)驗(yàn)一一通通過過？JI=J2?J=J1=J2返返回回J=7否否否否否否是是是是否否是是是是圖7-4 防抖動(dòng)鍵盤程序流程圖-32-R：表示確定的行值；C表示確定的列值；J：最終確定鍵值；J1：第一次確定的鍵值；J2第二次確定的鍵值；7.3 系統(tǒng)性能分析系統(tǒng)性能分析這里主要分析一下影響系統(tǒng)探測精度的因素以及提高探測精度的方法。7.3.1 基準(zhǔn)頻率測定方法的優(yōu)缺點(diǎn)分析基準(zhǔn)頻率測定方法的優(yōu)缺點(diǎn)分析基準(zhǔn)頻率測定所使用的程序流程圖如圖6-2所示，由圖可知基準(zhǔn)頻率不是一開始就設(shè)定的固定值，而是在系統(tǒng)開始運(yùn)行時(shí)進(jìn)行即時(shí)測定的。當(dāng)然在振蕩電路確定后系統(tǒng)的振蕩頻率