基于单片机的金属探测器的课程设计报告毕业论文.docx
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基于单片机的金属探测器的课程设计报告毕业论文
摘要
本文着重介绍了一种基于AT89S52单片机控制的智能型金属探测器的硬件组成、软件设计、工作原理及主要功能。
该金属探测器以AT89S52单片机为核心,采用线性霍尔元件UGN3503作为传感器,来感应金属涡流效应引起的通电线圈磁场的变化,并将磁场变化转化为电压的变化,单片机测得电压值,并与设定的电压基准值相比拟后,决定是否探测到金属。
系统软件采用汇编语言编写。
在软件设计中,采用了数字滤波技术消除干扰,提高了探测器的抗干扰能力,确保了系统的准确性。
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、码头的平安检查。
第1章分析探测金属的理论依据…………………………………………………………1
第2章硬件电路设计………………………………………………………………………1
………………………………………………………………………………1
……………………………………………………………………1
……………………………………………………………………4
第3章系统软件设计………………………………………………………………………5
…………………………………………………………………………5
…………………………………………………………………6
…………………………………………………………………………6
第4章仿真、调试结果分析………………………………………………………………8
4.1仿真、调试目的与内容………………………………………………………………8
…………………………………………………………………………8
………………………………………………………………………………9
第5章结论…………………………………………………………………………………10
参考文献……………………………………………………………………………………10
附录…………………………………………………………………………………………11
第1章 分析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。
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。
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。
第2章 硬件电路设计
2.1 系统组成
如图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局部,一局部为线圈振荡电路,包括:
多谐振荡电路、放大电路和探测线圈;另一局部为控制电路,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线圈振荡电路原理图
电路原理图如图2所示。
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:
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。
2.2.2 数据采集电路
图3数据采集电路
电路原理图如图3所示。
由线性霍尔传感器、放大和峰值检波电路构成。
线性霍尔传感器选用的是美国ALELGRO公司生产的UGN3503U,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。
由于UGN35O3U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,在对其进行处理前,首先要进行放大。
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。
峰值检测电路由两级运算放大器组成,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。
2.2.3 A/D转换电路
图4 A/D转换电路
为了将采集到的模拟量信息,转换为单片机能够直接处理的数字信息,这里选用了ADC0809型A/D转换器,完成由模拟量到数字量的转换。
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。
本设计使用通道NI0,所以,地址译码器ABC直接接地为000,采用线选法寻址。
ADC0809的数据输出口直接于单片机的数据总线P0口相连接,这里利用AT89S52提供的地址锁存允许信号ALE经计数器74LS163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,那么ALE引脚频率约为2MHZ,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。
电路原理图如图4所示。
2.2.4 系统控制单元
单片机AT89S52与AT89C52相比拟,其优点在于AT89S52片内含8KBytesISP的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器,还兼具AT89C52的其他优点:
AT89S52是一个低功耗,高性能CMOS8位单片机。
40个引脚,8KBytesFlash片内程序存储器,256bytes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。
其工作电压为5V,晶振频率采用12MHz。
2.2.5 键盘控制电路
键盘控制电路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。
2.2.6 显示报警电路
〕端输出或输入;当键盘控制局部各键按下时,LED显示相对应灵敏度数值,显示电路如图5所示。
图5显示报警电路
一旦发现金属出现,那么被测物理量超限由单片机I/O口P1.0输出信号驱动发光二极管发光报警,P1.6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。
2.2.7 电源电路
电路原理图如图6所示,电源供电由9V电池和板内稳压电源组成。
图6电源电路
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拟判断。
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0V-5V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的比拟,二者比拟׀Ux—U0׀得到一个差值,此差值与预设的灵敏度△U再作比拟。
灵敏度由键盘控制电路中各键输入,显示电路局部那么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上下。
假设|Ux-U0|>△U,就确定为探测到金属,CUP输出口P1.0输出信号驱动发光二极管发光报警,同时P1.6控制蜂鸣器发出声响,进行声音报警。
第3章 系统软件设计
3.1 软件设计思想
主程序初始化以后置位AT89S52的中断控制位EA,使CPU开放中断。
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,那么启动ADC0809对NIO通道的模拟输入量进行A/D转换。
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效劳程序中完成的,从原理图看出,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。
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,调用中断效劳子程序INTl,中断效劳程序进行压栈,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RAM21H中,作为基准电压U0。
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进行比拟,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进行比拟,以确定是否报警键盘控制电路各键控制灵敏度的值,并在显示电路局部显示按键后的对应数值。
3.2 数字滤涉及算法说明
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。
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
〔3-1〕
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。
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。
3.3 主程序流程图
图7主程序流程图
3.3.1 键盘控制程序设计〔如图8所示〕
图8键盘控制流程图
图10显示与报警流程图图9数字滤波流程图
3.3.2 数字滤波程序设计〔如图9所示〕
3.3.3 显示与报警程序设计〔如图10所示〕
第4章 仿真、调试结果分析
4.1 仿真、调试目的与内容
仿真调试的内容是要把程序修改正确,使编译能够通过,而且还要用Proteus仿真软件中的一些功能来查看程序所实现的功能是否能够和预期的功能相符合。
需要反复调试,直到能够实现预期结果为止。
本次设计是在仿真软件Keil来进行编译和调试的。
4.2 仿真结果分析
本次设计的仿真结果如下所述:
振荡电路输出的是一方波,可以读出占空比和输出脉冲的频率,其仿真结果如图11所示
图11多谐输出
从调试的结果中可以读出T1的值为:
0.028ms,T2的值为:
0.014ms。
输出频率等于23.573KHZ,而理论上输出脉冲的频率是24KHZ,从读出的结果可以看出与理论值有一定的误差,这是由于调试过程中如环境、仪器设备等因素造成的,虽然结果有误差,但根本上是正确的,说明多谐振荡器局部电路是正确的。
显示局部显示的数据是设定的灵敏度值,当按下各键盘局部各个键时,在显示电路局部显示相对应的数据,显示结果如图12所示。
初始状态加1显示值
加15显示值减11显示值
图12显示值
蜂鸣器显示局部,从P1.6口接出来的蜂鸣器电路用来发出探测到金属时的报警信号,蜂鸣器的发出警告声响。
4.3 实验总结
由于未能找到适宜局部芯片和器件,通过调试程序,电路仿真时出现了现实模糊、不稳定等一些问题,但最终的结果根本正确,得到了较为理想的显示数据。
第5章 结论
本设计首先介绍了探测金属的理论依据,当有金属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,根据电磁感应原理来设计金属探测器。
硬件电路的设计分为两个局部,一局部为线圈振荡电路,包括:
多谐振荡电路、放大电路和探测线圈;另一局部为控制电路,包括:
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,通过这些电路将磁场强度信号变为电压信号,再进行电压信号的拾取,放大等。
软件设计中,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、一个外部中断效劳程序、数字滤波程序、比拟判断子程序及发光报警等假设干个子程序,采用汇编语言编写。
最后分析了设计中的主要技术指标,包括金属探测器的工作频率〔12KHZ〕,灵敏度〔包括:
检测线圈的尺寸对仪器灵敏度的影响和匝数对灵敏度的影响〕以及稳定性等技术指标。
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附录:
电路原理图
附件
毕业学位论文结构与格式标准
毕业学位论文是一种严肃的科学研究文体,其逻辑结构与写作格式必须要符合学术的标准化要求。
毕业学位论文必须是作者在充分占有第一手研究资料的根底上的实证的原创性研究,综述和思考感想之类不能作为毕业学位论文。
学士毕业论文字数要求10000字以上,硕士毕业论文字数要求30000字以上。
一、论文的根本结构
毕业论文通常由论文标题、作者署名、原创性声明、摘要、关键词、正文〔包括引言、本论、结论〕、鸣谢、参考文献、注释、附录等局部构成。
。
〔一〕标题
标题即文章的题目,标题通常概括性地表达了文章的主题。
标题的主题要明确、严谨、简练,最多不超过20个字。
一篇论文只能有一个主题,一般不设副标题。
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毕业论文要求一人一题。
导师指导的论文应同时标明由谁指导。
单位名称要署全称〔含大学名称、学院名称、专业名称〕,不能省写。
〔三〕论文内容目录
目录是为了让读者在阅读论文前,对整个文章的内容与结构有一个大概的了解和初步的印象。
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硕士论文和博士论文的目录要列出章、节以及一、二级观点,本科毕业论文的目录不用章节标注,只用中文序号标注到二级观点即可,目录页中要标明相应的页码。
〔四〕摘要
摘要就是对论文内容的概括性陈述,一般包括研究课题和撰写论文的目的、研究对象与方法、研究结果和结论等。
本科论文摘要一般在200-300字,硕士论文摘要字数为800-1000字。
英文摘要可以是中文摘要的翻译,也可以是意译。
〔五〕关键词
关键词又叫主题词,是从论文中选出的最能代表论文中心内容特征的名词和术语。
关键词一般为3-5个,每词间要用空格间隔开。
〔六〕引言
写引言,目的在于引出论题。
引言主要说明本课题的缘由、任务及预期到达的目标。
有时,作者还可以把国内外同行对本课题研究情况略作回忆和展望,指出存在的问题,从而说明本课题研究的必要性和创新性。
引言应写得言简意赅,一般在200-500字内。
〔七〕研究对象与方法
介绍纳入本研究对象或数据的来源、选择标准、原因、数量、分布;介绍研究的方法有哪些?
自己作了何种改良?
常见的方法有问卷调查、现场访谈、文献研究、实验研究、数学模型等。
如有计量研究就应介绍所使用的统计学方法和软件。
〔八〕研究的结果
习惯上用表格将研究的结果表达出来,研究结果的表达一般与调查研究或实验研究的要点相对应起来,分点或分图表进行表述。
在这一局部作者只需要客观地表达研究数据和结果,无需加以分析和评价。
〔九〕分析与讨论
讨论主要是针对研究结果所进行的充分的、全面的分析和有说服力的论述,提出自己有创见性的见解。
一般包括对研究结果原因的解释、与国内外同类研究结果的比拟、有什么新的发现等。
〔十〕结论
结论又叫结束语,是作者对论文全文的论点作总结性的说明。
一般包括本研究得出的主要观点、强调自己的新发现和重要论点、及有待进一步研究的内容或方法改良等。
〔十一〕建议
作者可就研究现象的某些问题和需要改良的方面,提出如何改良的措施和思路。
这一局部并非每篇论文都需要。
〔十二〕鸣谢
鸣谢主要是作者对在课题研究和写作过程中给予自己具体帮助的导师和其他老师、同学、同事等公开表示谢意的文字。
致谢词可以短至一句话,长可以是一篇小的短文。
〔十三〕参考文献
参考文献应是正式出版或公开发表过的著作或文章。
参考文献的排序要与论文中被引用的顺序相对应,并且论文中应该标明序号。
参考文献的内容应按作者、论文或著作的题目、出版社或杂志社的城市名、出版社或杂志社的全称、出版日期、卷、期数、页码、依序排列。
硕士生毕业论文参考文献不少于30篇〔并且要求有5篇以上的外文参考文献〕,本科生不少于15篇。
建议参考核心期刊。
参考文献一般置于文章的结尾。
文献期刊的格式为:
[序号]、作者名、文章题目、期刊名、年份、卷号、期数、页码;如:
[1]李胡希.区域公费医疗费用实行目标综合控制设想.卫生软件科学杂志,1999,25(7):
1-3
文献是图书时,其格式为:
[序号]、作者、书名、出版单位、年份、版次、页码。
如:
[1]劳伦斯·巴顿.组织危机管理.北京:
清华大学出版社,2002,57-59
文献是未发表的科研成果时,其格式为:
[序号]、作者、工程名、授奖、鉴定单位、时间。
当引文作者在3人以内〔含3个〕均要列出,作者姓名之间用“,〞隔开;3人以上的,那么只需列出前3位作者姓名,并在最后一位作者姓名后加“等〞。
英文格式:
作者,文章题目名.期刊名.年份,期数:
页码。
如PolskyD,GlickHA,WilikeR,SchulmanK:
Confidenceintervalsforcost-effectivenessratio:
Acomparisonoffourmethods.HealthEconomics1997,6:
243-252
〔十四〕注释
注释,就是作者对毕业论文中的有些字、词、句加以必要的解释和注明来源出处。
可分夹注、脚注和尾注。
它不同于参考文献,是否有注释根据实际需要而定。
〔十五〕附录
附录,就是指论文中有些内容与正文关系密切,而这些内容又具有相对独立性、不宜在正文中出现的内容。
例如调查表、问卷、公式、图表等。
是否有附录要根据需要而定。
二、论文的根本格式
论文结构排序:
1、封面〔含题目、作者单位、署名、学号与年级〕见附录1
2、目录〔只列一、〔一〕二级目录〕
3、中英文摘要〔含英文摘要,先中后英〕
4、关键词〔中英文关键词应一一对应〕
5、引言〔研究背景与目的〕
6、研究对象与方法
7、研究结果
8、讨论与结论或主要观点
9、参考文献或注释
10、鸣谢
11、附录
三、论文排版、装订要求
1、论文要用标准简体汉字打印,不可用繁体和艺术体。
论文题目一般用三号宋体加粗,居中;外文用小二号TimeNewRoman,加粗。
中文摘要内容用五号楷体〔其中“论文摘要〞四字用五号黑体并加方括号〕,英文摘要用小四号TimeNewRoman。
正文内各主要局部的大标题用四号黑体,正文内文用小四号宋体。
外文论文用小四号TimeNewRoman。
关键词局部用小四号楷体加粗;注释、参考文献、附录均用小四号宋体〔其中具有标题性质的“注释〞、“参考文献〞左边不空格,采用同号黑体加冒号〕。
2、论文必须用阿拉伯数字连续编排页码,页码居中显示。
3、文章标题层次采用标准编号。
从大到小顺序为:
一〔一〕1〔1〕①。
“一〞后面要加顿号,“
(一)〞后面那么不要加任何符号,“1”后面加圆点。
在“一〞、“〔一〕〞、“1”后面的一句话如果加上句号,这句话之后的局部就不用另起一段;如果不加句号,那么这句话之后的局部要另起一段。
4、学位论文定稿后用A4纸双面打印,上、下、左、右边距为,页眉页脚1厘米,行距固定值20磅。
学位论文一律在左侧装订,要求装订、剪切整齐。
5、论文一、二、三稿全部要交打印稿〔双面打印〕,评审与写作期间不受理电子版。
附录1论文封面格式
**大学本科生毕业论文
题目:
***********企业的营销策略分析
学院:
经济与管理学院
专业:
公共事业管理
年级:
2003级
学号:
20030910**
姓名:
********
成绩:
〔封面不要出现页码〕
附录2
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本人郑重声明:
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