基于单片机控制的金属探测器

基于单片机控制的金属探测器声明本人郑重声明：所呈交的毕业设计（论文）是本人在指导教师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。其中除加以标注和致谢的地方，以及法律规定允许的之外，不包含其他人已经发表或撰写完成并以某种方式公开过的研究成果，也不包含为获得其他教育机构的学位或证书而作的材料。其他同志对本研究所做的任何贡献均已在文中作了明确的说明并表示谢意。本毕业设计（论文）成果是本人在江西师范大学读书期间在指导教师指导下取得的，成果归江西师范大学所有。特此声明。声明人（毕业设计（论文）作者）学号：声明人（毕业设计（论文）作者）签名：签名日期：年月日基于单片机控制的金属探测器I摘要本文介绍了一种基于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UGN3503U作为传感器来感应金属涡流效应引起的通电线圈周围磁场的变化，并将磁场变化转化为电压的变化，单片机将测得的电压值与试验测定的基准电压值相比较，以确定是否探测到金属。该系统软件采用C语言来写，在软件设计中，采用了算术平均值滤波消除干扰，提高了探测器的抗干扰能力，确保了系统的准确性。关键词：单片机，金属探测器，线性霍尔元件，电磁感应，涡流IIAbstractThispaperdescribesthecompositionofhardwareandsoftware，workingprinciplesandthefunctionsofanintelligentmetaldetectorwhichmainlyconsistsofAT89S52SingleChipMicyocoandlinearHall-EffectSensor.TheequipmentadoptsUGN3503Ulinearhall-effectsensorasprobetodetectthemagneticfieldchangeofthecentreofasearchcoilresultedfromeddycurrenteffectandturnthismagneticfieldchangeintovoltagechange.TheSCMmeasuresthepeakvalueofvoltageandcomparesitwithreferencevoltage.Thendeterminewhetherdetectmetalornot.Incaseofdetectionofametallicmass,theMetalDetectorprovidesanacousticalandopticalalarm.ThesystemssoftwareadoptstheClanguagetobewritten.Insidethesoftware,theArithmeticmeanfiltertechnologyisutilizedtoeliminatethejamming.Sothestabilityofsystemandthemeasuringveracityareimproved.Keywords:SCM(SingleChipMicyoco)，metaldetector,linearhall-effectsensor,electric-magneticinduction,eddycurrent.基于单片机控制的金属探测器目录摘要............................................................................IAbstract........................................................................II1引言...........................................................................12设计要求.......................................................................13探测金属的理论依据.............................................................14方案论证.......................................................................34.1方案一...................................................................34.2方案二...................................................................35硬件部分的设计.................................................................45.1线圈振荡电路：...........................................................45.2控制电路：...............................................................55.2.1线性霍尔传感器....................................................55.2.2放大和峰值检波电路.................................................75.3AD及单片机报警部分......................................................85.3.1ADC0809...........................................................95.3.2AT89S52..........................................................105.4基准电压采集结束部分....................................................135.5报警部分................................................................135.6显示部分................................................................135.7电源部分................................................................136工作原理简述..................................................................147系统软件设计..................................................................158设计部分仿真..................................................................169主要技术指标分析..............................................................189.1金属探测器的工作频率....................................................189.2灵敏度分析..............................................................189.3稳定性分析..............................................................19参考文献........................................................................20附录一电路原理图...............................................................21附录二源程序...................................................................22基于单片机控制的金属探测器11引言全球第一台金属探测器诞生于1960年，五十年过去了，金属探测器经历了几代探测技术的变革，从最初的信号模拟技术到连续波技术直到今天所使用的数字脉冲技术，金属探测器简单的磁场切割原理被引入多种科学技术成果。无论是灵敏度、分辨率、探测精确度还是工作性能上都有了质的飞跃，应用领域也随着产品质量的提高延伸到了多个行业。至今，它已经作为一个成熟的产品进入我们的生产生活。超越今天的金属探测器是难以完成的任务，因此本设计致力于学习和研究探测器的基本原理，以进一步提高自身的水平。2设计要求1.有较高的灵敏度，用它探测大块金属时，探头距金属物体20cm扬声器就会发出声音，小到曲别针，甚至一枚大头针都能检测到。2．可以透过非金属物体，比如纸张、木材、塑料、砖石、土壤、甚至水层，探测到被遮盖的金属物体。3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，将发生如下现象和效应：1.线圈介质条件的变化：当金属物接近通电线圈时，将使通电线圈周围的磁场发生变化：如图1，对于半径为R的单匝圆形电感中，通过交变电流I=Imcost时，线圈周围空间产生交变磁场，根据毕奥一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：图3-1磁感应强度2tRxIRuuRxuIRrIRdlRrIdBdBBmrRcos)(2)(22r4sin2322202322232202x（3-1）其中，u=u0ur,u为介质的磁导率，ur为相对磁导率，u0为真空磁导率。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：tRxIRuNuBmrcos)(2232220（3-2）由公式(1-2)可知，当线圈有效探测范围内无金属物时，ur=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，ur会变大，B随ur也会变大。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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)]ur1，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)ur很大，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，来寻找一种方法来体现这种变化。34方案论证4.1方案一图4-1方案一系统实现框图如图4-1，本方案金属探测器由高频振荡器、振荡检测器、音频振荡器和功率放大器等组成.利用探测金属的原理，使得振荡器处于临界振荡，金属导体中产生的涡电流使得