3基于单片机的智能型金属探测器的设计

2006年3月内蒙古大学学报(自然科学版)M ar .2006第37卷第2期Acta Scientiarum Naturalium Univ ersitatis NeiM ongol Vol .37No .2 文章编号:1000-1638(2006)02-0185-05基于单片机的智能型金属探测器的设计范丽珍,李树华(内蒙古大学理工学院电子工程系,呼和浩特010021)摘要:介绍了一种基于A T 89S52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A T 89S 52单片机为核心,采用线性霍尔元件U GN 3503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.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.关键词:单片机;金属探测器;线性霍尔元件;电磁感应;涡流中图分类号:T P23 文献标识码:A引　言 金属探测器作为一种安全检查设备,已被广泛地应用于社会生活和工业生产的诸多领域,并对工业生产及人身安全起着极其重要的作用.目前,虽然国外已有较为完善的系列产品(如EI Paso 、Ceia U SA 、Ra nger &Metorex 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.1　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1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 =I m co s k t 时,线圈周围空间会产生交变磁场,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:B =∫d B x =∫d B sin θ=∫2πR 0_I 4πr 2R rd l =_IR 22r 3=_IR 22(x 2+R 2)3/2=_0_r R 2I m 2(x 2+R 2)3/2co s k t (1)其中,_=_0_r ,_为介质的磁导率,_r 为相对磁导率,_0为真空磁导率.图1　电流轴线上的磁场Fig.1　M ag ne tic field alo ngthe cur rent ax es 收稿日期:2005-05-10基金项目:内蒙古教育厅(ZC 0001)作者简介:范丽珍(1970～),女,工程师,硕士.研究方向:信息处理及ED A 开发设计. 由公式(1)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,由于铁磁性金属的相对磁导率μr >1,所以,磁感应强度B 也会随μr 的增大而增大.由此可见,金属的出现会使介质的磁导率发生变化,从而引起线圈周围的磁感应强度变化.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σ越大,线圈中通过的交变电流的频率ω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.2　硬件电路设计 如图2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、可编程放大电路、峰值检波电路、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.图2　系统结构块图Fig.2　Block diag ram o f the system2.1　线圈振荡电路在工作过程中,由多谐振荡器产生一个频率为24K Hz 的脉冲信号,此脉冲信号经过放大之后,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.2.2　控制电路(1)线性霍尔传感器(linear Hall-Effect Sensors):在电路设计中,选用了美国ALLEGRO 公司生产的灵敏度极高的U GN 3503U 线性霍尔传感器,来检测通电线圈周围的磁场变化.U GN 3503U 的功能框图如图3所示.它是将霍尔元件、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,其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.它的灵敏度典型值为13.5mV /m T,静态输出电压为2.5V,输出电阻为0.05k Ψ,mini -SIP 封撞.具有线性度好;结构牢固,体积小,重量轻,耐震动,功耗小,寿命长,频率高(可达1M Hz );输出噪声低等特点. 利用U GN3503U 的上述特性,将其固定在探测线圈中心,就会感应到线圈周围的磁场变化,并将磁场的变化信号线性地转化为电压信号的变化而被后级电路拾取.186内蒙古大学学报(自然科学版)2006年 (2)放大和峰值检波电路:U GN3503U 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.这里采用美国AD 公司生产的软件可编程放大器AD 526,将采集到的微弱电压信号根据要求自动调整到适合A /D 转换的最佳输入范围,然后通过峰值检波电路,将其变成0V ～5V 的直流电平,再进行A /D 转换,这样可有效保证在低输入时的转换精度,扩大了采集系统的动态范围.(3)A /D 转换:采用TI 公司生产的12位开关电容型逐次逼近模数转换器TLC2543,它具有三个控制输入端,采用简单的3线SPI 串行接口可方便地与单片机进行连接.图3　U GN 3503U 的功能框图Fig.3　Functio nal block diag ram o f U GN 3503U (4)AT89S52单片机:是ATM EL 公司生产的一种低功耗、高性能CMO S 8位单片机;它兼容标准M CS-51指令系统及80C51引脚结构;片内带有8K Bytes 可反复擦写1000次的ISP Flash 程序存储器和看门狗定时(W DT )电路,可有效地防止程序跑飞而陷入“死循环”.(5)显示和报警电路:一旦发现金属出现,则被测电压超限由单片机I /O 口的P1.0控制发光二极管进行光报警的同时,P1.6还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.3　系统软件设计 系统的软件包括主程序、一个外部中断服务程序、数字滤波程序及发光报警等若干个子程序.软件采用汇编语言编写,并采用模块化设计,使程序结构清晰,便于今后进一步扩展系统的功能.3.1　程序流程图 程序流程图见图4.3.2　程序工作思想主程序初始化以后置位AT 89S 52的中断控制位EA ,使CPU 开放中断.然后通过检测RAM 中21H 中数值的值来判断是否采集基准电压U 0,如果未采集过U 0,则启动TLC2543对通道0的模拟输入量进行A /D 转换,并将转换后的数字量经过数据软件滤波之后,存放在单片机RAM 21H 中,作为基准电压U 0.经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U x 和基准电压U 0进行比较,二者比较|U x -U 0|得到一个差值U 存放在单片机RAM 地址为22H 的存储器中.而后再通过判据算法将此差值U 与预设的灵敏度△U 再作比较,以确定是否报警.若|U x -U 0|>△U ,就确定为探测到金属,CPU 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.4　结束语 本文介绍的基于单片机的智能型金属探测器具有成本低、结构简单和可靠性高等优点,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,可用于机场、海关、车站、码头的安全检查中,具有较好的应用前景.187第2期范丽珍,李树华　基于单片机的智能型金属探测器的设计图4　主程序流程图Fig.4　T he flo w char t of main prog ra m参考文献:[1]　3503Ratiometric L inear Hall -Eff ect Sensors Data Sheet [S ].Alleg ro Micro Systems .Inc .,2002.[2]　涂有瑞.霍尔传感元器件及其应用[J ].电子元器件应用,2002,4(3):53～57.[3]　周省三.电磁场基本教程[M ].北京:高等教育出版社,1985.248～249.[4]　程守洙,江之水.普通物理学2[M ].北京:高等教育出版社,1989.132～133,180～182,204～205.188内蒙古大学学报(自然科学版)2006年[5]　A D 526Data Sheet [S].Ana lo g Dev ice Inc.,1999.[6]　杨振江,杜铁军,李群.流行单片机实用子程序及应用实例[M ].西安:西安电子科技大学出版社,2002.93～96.[7]　张毅刚,彭喜元,姜守达,等.新编M CS-51单片机应用设计[M ].哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社,2003.215～218.Desig n of an Intellig ent M etal Detector Based on A T89S52FAN Li -zhen ,LI Shu -hua(Department of Electronic Engineering ,College of Sciences and Technology ,Inner Mongolia University ,Hohhot 010021,China ) Abstract :The ha rdw are structure,so ftw are design,wo rking principles a nd the functio ns of a n intellig ent metal detecto r w hich mainly co nsists of Sing le Chip Micyo co A T 89S 52and linear Hall -effect Sensor are described .The equipm ent adopts UGN 3503U linea r H a ll -effect senso r as a probe to detect the mag netic cha nges of the centre o f a sea rch coil resulted fro m eddy current effect and transfers the magnetic chang e into vo ltag e signal.The SCM measures the peak v alue of v oltage.It is com pared with reference vo ltag e in order to determine w hether metal is detected o r not .In case of detection o f a metallic m ass,th e meta l detecto r provides a n acoustical and optical alarm.The softwa re w as w ritten in assem bler lang uag e.Digital filter techno logy is utilized to elimina te the jam ming and to improv e mea surem ent accuracy.Key words :SCM (Single Chip Micyoco );m etal detecto r ;linear Hall -effect senso r ;electric -magnetic induction;eddy cur rent 189第2期范丽珍,李树华　基于单片机的智能型金属探测器的设计。