完整版基于51单片机的金属探测器本科毕业论文设计40论文41Word格式文档下载.docx
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ThispaperdescribesthecompositionofintelligentmetaldetectorwhichmainlyconsistsofAT89S52Single-ChipMicrocomputerandlinearHall-EffectSensor.TheequipmentadoptsUGN3503Ulinearthismagneticfieldchangeintovoltagechange.TheSingle-ChipMicrocomputermeasuresthepeakvalueofvoltageandcomparesitwithreferencevoltage.Thendeterminewhetherdetectmetelornot.Incaseofdetectionofametallicmass,theMetalDetectorporvidesanacousticalandopticalalarm.Thesystemssoftwareadoptstheassmblerlanguagetobewritten.Insidethesoftware,thedigitalfiltertechnologyisutilizedtoeliminatethejamming.Sothestabilityofsystemandmeasuringveracityareimproved.TheeffectofallfactorsonsensitivityandstabilityofMetelDetetorarediscussedinthispaper.Itisconcludedthattheoperatingfrequency,thesizeofthesearchcoilandturnsarethemainfactorseffectedonthesensitivityoftheinstrument:
theenvironmenttemperatureandsite,thewindingtechnologyofcoilsandthestabilityofpowersupplyarethefactorseffectedonstabilityofinstrument.
KEYWORDS:
Single-ChipMicrocomputer,metaldetector,linear,sensitivity
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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。
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
(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:
(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=1(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,μr会变大,B随之也会变大。
1.1.2涡流效应
根据电磁理论,我们知道,当金属物体被置于变化的磁场中时,金属导体内就会产生自行闭合的感应电流,这就是金属的涡流效应。
涡流要产生附加的磁场,与外磁场方向相反,削弱外磁场的变化。
据此,将一交流正弦信号接入绕在骨架上的空心线圈上,流过线圈的电流会在周围产生交变磁场,当将金属靠近线圈时,金属产生的涡流磁场的去磁作用会削弱线圈磁场的变化。
金属的电导率σ越大,交变电流的频率越大,则涡电流强度越大,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。
对于非铁磁性的金属〔包括抗磁体(如:
金、银、铜、铅、锌等)和顺磁体(如锰、铬、钦等)〕μr≈1,σ较大,可以认为是导电不导磁的物质,主要产生涡流效应,磁效应可忽略不计;
对于铁磁性金属(如:
铁、钻、镍)μr很大,σ也较大,可认为是既导电又导磁物质,主要产生磁效应,同时又有涡流效应。
本设计正是基于这样的理论,来寻找一种适合的传感器来感应线圈的磁场变化,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。
正是本着这样一个设计思路来构建系统的硬件电路。
第2章硬件电路设计
2.1系统组成
如图2-1所示,整个探测系统以8位单片机AT89S52作为控制核心,其硬件电路分为两个部分,一部分为线圈振荡电路,包括:
多谐振荡电路、放大电路和探测线圈;
另一部分为控制电路,包括:
UGN3503型线性霍尔元件、前置放大电路、峰值检波电路ADC0809模数转换器、AT89S52单片机、LED显示电路、声音报警电路及电源电路等。
具体电路原理图参看附录1。
图2-1系统结构框图
2.2硬件电路功能描述
2.2.1线圈振荡电路
图2-2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23的脉冲信号。
振荡器的频率计算公式为:
(2-1)
图示参数对应的频率为24KHz,选择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,在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。
2.2.2数据采集电路
图2-3数据采集电路
1.线性霍尔传感器(linaerHall-EeffctSensors)
在电路设计中,选用了美国ALELGRO公司生产的UGN3503U线性霍尔传感器,来检测通电线圈Ll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。
它的功能框图和输出特性示于图2-4和图2-5。
[3]
图2-4UGN3503的功能框图
图2-5UGN350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2-6所示,
图2-6霍尔效应原理图
在一块半导体薄片上两端通以电流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2-7中的UH,这种现象就是霍尔效应。
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。
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:
UH=RHIBd(V)(2-2)
式中RH---霍尔常数(m3cˉ¹
,);
I---电流(A);
B---磁感应强度(T);
d---霍尔元件的厚度(m)
令KH=RHd(vAˉ¹
wbˉ¹
m²
),则得到
UH=KHIB(V)(2-3)
由上式可知,霍尔电压的大小正比于控制电流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)(2-4)
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压源驱动、使用方便的磁敏传感器。
该器件的磁电转换特性曲线如图2-6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13.5mVmT,静
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