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基于单片机的金属探测器设计与制作(一)

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基于单片机的金属探测器设计与制作(一)

发布日期:2014-02-13 00:00 来源:http://www.sjzjinan.com 点击:

地下金属探测器     

      本文介绍了一种基于AT89C52单片机控制的智能型金属探测器重点研究了它的硬件组成、软件设计、工作原理及主要功能。该金属探测器以AT89C52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较后,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。

第一章 绪论 1
1.1探测器的发展状况及应用 
1.2本文研究的主要内容 
第二章 系统的总体设计 
2.1系统设计的理论依据 
2.1.1线圈介质条件的变化 
2.1.2涡流效应 
2.2系统组成 
第三章 硬件电路设计 
3.1系统组成框图 
3.2电路具体介绍 
3.2.1.线圈振荡电路 
3.2.2系统控制单元. 
3.2.3显示告警电路 
3.2.4.电源电路 
第四章 系统软件设计 
4.1软件算法 
4.2软件流程 
4.2.1主程序流程图 
4.2.2数字滤波程序设计 
第五章 结论     
 
第一章   绪论
 1.1
探测器的发展状况及应用
      全球第一台金属探测器诞生于1960年,步入工业时代最初的金属探测器也主要应用于工矿业,是检查矿产纯度、提高效益的得力帮手。随着社会的发展,犯罪案件的上升,1970年金属探测器被引入一个新的应用领域———安全检查,也就是今天我们所使用的安检探测门雏形,它的出现意味着人类对安全的认知已步入一个新纪元。一个产品的出现带动了一个行业的发展,于是安检这个既陌生又熟悉的行业开始进入市场。40多年过去了,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。
      70年代随着航空业迅速发展,劫机和危险事件的发生使航空及机场安全逐渐受到重视,于是在机场众多设备中金属探测门扮演着排查违禁物品的重要角色。同样在70年代,由于金属探测门在机场安检中的崭露头角,大型运动会(如奥运会)展览会及政府重要部门的安全保卫工作中开始启用金属探测门作为必不可少的安检仪器。
  发展到80年代,监狱暴力案件呈直线上升趋势,如何及早有效预防并阻止暴力案件发生成了监狱管理工作中的重中之重,在依靠警员对囚犯加强管理的同时,金属探测门再次成为了美国、英国、比利时等发达国家监狱管理机构必备的安检设备,形成平均每300个囚犯便使用一台金属探测门用于安检;与此同时西方兴起的“寻宝热”,也使手持式、便携地下探测式金属探测器得到长足的发展。
      进入90年代,迅速升温的电子制造业成了这个时代的宠儿,大型的电子公司为了减少产品流失、结束员工与公司之间的尴尬局面,陆续采用金属探测门和手持式金属探测器作为管理员工行为、减少产品流失的利刃。于是金属探测器又有了它新的角色——金属产品防盗。
      现如今各行各业都加强了保安工作的部署,正是受此影响金属探测器的应用领域也成功地渗透到其他行业。如:娱乐场所。公共娱乐场所的治安问题历来是社会各界关注的焦点,也是治安管理工作的难点。据统计,每年娱乐场所恶性打架斗殴事件和刑事案件发案率占60%以上,其作案凶器均是消费者随身带入娱乐场所。然而,此时简单的通道式金属探测门已不能完全满足安检的要求,安保人员需要的是一种能准确判定金属物品藏匿位置的安检产品。于是多区位金属探测技术孕育而生,它的诞生是金属探测器发展历史上的又一次变革,原来单一的磁场分布变成了现在相互叠和而又相对独立的多个磁场,再根据人体工程学原理把门体分为多个区段使之与人体相对应,相应的区段在金属探测门上形成相对的区域,这样金属探测门便拥有了报警定位功能。
     
1.2本文研究的主要内容
       本文介绍的基于单片机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AT89C52单片机作为检测和控制核心,对检测结果进行分析判断,有效地保证了检侧原理的实施;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、空洞和土壤的上述物品和金属物。


第二章 系统的总体设计

2.1系统设计的理论依据    

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,当有金属靠近通电线圈平面附近时,将发生如下现象和效应:
金属探测器
                             图2.1 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2.1
2.1.1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,金属产生的祸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,则祸电流强度越大,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)   , 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、钴、镍) 很大, 也较大,可认为是既可导电又导磁的物质,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。
2.2系统组成
     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。
金属探测仪
                                                         2.1 系统结构块图

2.3系统工作原理
      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 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 ,该电压信号 很微弱,属mV即信号, 经过放大电路放大,再通过峰值检波电路,得到响应的0V~5V的峰值输出电压 ,以满足ADC0809的量程,经A/D转换后,将 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较判断。
      当探测线圈 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 ,该变化的电压经过放大电路、峰值检波电路后,得到响应的0V~5V的峰值输出电压 ,然后经A/D转换后,输入到CPU,由CPU 完成 与基准电压 的比较,二者比较| - |得到一个差值,此差值与预设的灵敏度 再做比较。当然, 大小的设定决定着系统精度的高低。若| - |> ,就确定为探测金属,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。

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