數(shù)顯金屬探測器的設(shè)計(jì)

摘要:以AT89S52單片機(jī)為核心，采用線性霍爾元件UGN3503作為傳感器，來感應(yīng)金屬渦流效應(yīng)引起的通電線圈磁場的變化，并將磁場變化轉(zhuǎn)化為電壓的變化，單片機(jī)測得電壓值，并與設(shè)定的電壓基準(zhǔn)值相比較后，決定是否探測到金屬。軟件采用了數(shù)字濾波技術(shù)消除干擾，提高了探測器的抗干擾能力，確保了系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。

關(guān)鍵詞:金屬探測器，線性霍爾元件，電磁感應(yīng)

中圖分類號:TP338文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A文章編號:1009-3044(2010)03-728-02

The Design of Digital Metal Detector

HU Fei， WANG Wen-yuan， LU Chao

(Department of Physics， Shaanxi University of Technology， Hanzhong 723000， China)

Abstract: This paper describes the composition of hardware and software， working principles and the functions of an intelligent metal detector which mainly consists of AT89S52 and linear Hall-Effect Sensor. The equipment adopts UGN3503U linear hall-effect sensor as probe to detect the magnetic field change of the centre of a search coil resulted from eddy current effect and turn this magnetic field change into voltage change. The MCU measures the peak alue of voltage and compares it with reference voltage. Then determine whether detect metal or not. In case of detection of a metallic mass， the Metal Detector provides an acoustical and optical alarm.

Key words: metal detector; linear hall-effect sensor; electric-magnetic induction

金屬探測器作為一種最重要的安全檢查設(shè)備，廣泛地應(yīng)用于社會生活和工業(yè)生產(chǎn)的諸多領(lǐng)域。為了能夠準(zhǔn)確判定金屬物品藏匿的位置，就需要金屬探測器具有較高的檢測精度。采用靈敏度極高的線性霍爾元件作為傳感器，感應(yīng)由于金屬出現(xiàn)引起的探測線圈周圍磁場的變化，提高了檢測精度，處理部件采用AT89S52單片機(jī)作為控制核心，對檢測結(jié)果進(jìn)行分析判斷，適用于對郵件、行李、包裹及人體夾帶的傷害性金屬物品(刀具、槍械、武器部件、彈藥和金屬包裝的炸藥等)的檢測，可用于海關(guān)、機(jī)場、車站、碼頭的安全檢查，也可用于探測隱藏于墻內(nèi)、護(hù)墻板內(nèi)側(cè)、空洞和土壤中的上述物品和其他金屬物。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)電磁理論，當(dāng)金屬物體被置于變化的磁場中時(shí)，金屬導(dǎo)體內(nèi)就會產(chǎn)生自行閉合的感應(yīng)電流，這就是金屬的渦流效應(yīng)。渦流要產(chǎn)生附加的磁場，與外磁場方向相反，削弱外磁場的變化。據(jù)此，將一交流正弦信號接入繞在骨架上的空心線圈上，流過線圈的電流會在周圍產(chǎn)生交變磁場，當(dāng)將金屬靠近線圈時(shí)，金屬產(chǎn)生的渦流磁場的去磁作用會削弱線圈磁場的變化。金屬的電導(dǎo)率越大，交變電流的頻率越大，則渦電流強(qiáng)度越大，對原磁場的抑制作用越強(qiáng)。故當(dāng)有金屬物靠近通電線圈平面附近時(shí)，無論是介質(zhì)磁導(dǎo)率的變化，還是金屬的渦流效應(yīng)均能引起磁感應(yīng)強(qiáng)度B的變化。整個探測系統(tǒng)以AT89S52作為控制核心，其硬件電路分為兩個部分，一部分作為線圈振蕩電路，包括:多諧振蕩電路，放大電路和探測線圈;另一部分為控制電路，包括:UGN3503型現(xiàn)行霍爾傳感器，前置放大電路，峰值檢波電路，ADC0809模數(shù)轉(zhuǎn)換器，AT89S52單片機(jī)，LED顯示電路，聲音報(bào)警電路及電源電路等。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

2 主要模塊硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 線圈震蕩電路

由555構(gòu)成一個多諧振蕩器，產(chǎn)生一頻率為24KHz脈沖信號，電路如圖2所示。選擇24KHz的超長波頻率是為了減弱土壤對電磁波的影響。從多諧振蕩器輸出的正脈沖信號經(jīng)過電容C8輸出到Q1的基極，使其導(dǎo)通，經(jīng)Q1放大后，就形成了頻率穩(wěn)定度高、功率較大的脈沖信號輸入到探測線圈L1中，在線圈內(nèi)產(chǎn)生瞬時(shí)較強(qiáng)的電流，從而使線圈周圍產(chǎn)生恒定的交變磁場。由于在脈沖信號作用下，Q1處于開關(guān)工作狀態(tài)，而導(dǎo)通時(shí)間又非常短，所以非常省電，可以利用9V電池供電。

2.2 放大和峰值檢波電路

由于UGN3503N線性霍爾傳感器采集到的電壓信號是一個很小的電信號，故在對其處理前要進(jìn)行放大。設(shè)計(jì)中信號放大電路采用輸入阻抗高、漂移較小、共模抑制比高的集成放大器LM324。如圖3所示，UGN3503線性霍爾傳感器輸出的微弱信號經(jīng)電容耦合到前級運(yùn)算放大器U2A的同相輸入端，運(yùn)算放大器U2A把霍爾傳感器的電壓轉(zhuǎn)換為對地電壓。在電路設(shè)計(jì)中運(yùn)放LM324采用+5V單電源供電，對于不同強(qiáng)度的信號均可通過調(diào)節(jié)前級放大電路的反饋電位器W1開改變放大倍數(shù)。經(jīng)前級運(yùn)算放大器放大的信號經(jīng)耦合電容C2輸入到后級峰值檢波器中。采用組容耦合的方法可以使前后級的電路的靜態(tài)工作點(diǎn)保持獨(dú)立，隔離各級靜態(tài)之間的相互影響，使得電路總漂移不會太大。

峰值檢波電路由兩級運(yùn)算放大器組成，第一級運(yùn)放U2B將輸入信號的峰值傳遞到電容C6上，并保持下來。第二級運(yùn)放U2C組成緩沖放大器，將輸出與電容隔離開來，在設(shè)計(jì)中，為了獲得優(yōu)良的保持性能和傳輸性能，采用LM324。當(dāng)輸入電壓V12上升時(shí)，V02電壓跟隨上升，使二極管D4、D5導(dǎo)通，D3截止，運(yùn)放U2B工作在深度負(fù)反饋狀態(tài)，給電容C6充電，Vc上升。當(dāng)輸入電壓V12下降時(shí)，V02電壓跟隨下降，D3導(dǎo)通，運(yùn)放U2B工作在深度負(fù)反饋狀態(tài)，深度負(fù)反饋保證了二極管D4、D5可靠截止，Vc值得以保持。當(dāng)V12再次上升時(shí)，V02在次上升使D4、D5導(dǎo)通，D3截止，再次對電容C6充電(Vc高于前次充電電壓)，V12下降時(shí)，D4、D5又截止，D3導(dǎo)通，Vc將峰時(shí)再次得以保持。輸出V0反應(yīng)Vc的大小，通過峰值檢波和后級緩沖放大電路，將采集到的微弱電壓信號放大至0v～5V的直流電平，以滿足A/D轉(zhuǎn)換器ADC0809所要求的輸入電壓變化范圍。

2.3 A/D轉(zhuǎn)換電路

如圖4所示，輸出的電壓信號送入ADC0809的模擬輸入通道IN0進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，將P2.7(地址總線的A15)作為片選信號，由AT89S52的寫信號WR和P2.7控制ADC0809的地址鎖存ALE和轉(zhuǎn)換啟動START，當(dāng)ADC0809的START啟動信號輸入端為高電平時(shí)，A/D開始轉(zhuǎn)換，在時(shí)鐘的控制下，一位一位的逼近，比較器一次次進(jìn)行比較，轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)，送出轉(zhuǎn)換信號EOC，并將8位數(shù)字量D7至D0鎖存到輸出緩沖器。AT89S52的讀信號RD端發(fā)出一個輸出允許命令輸入到ADC0809的ENABLE(即OE端)，ENABLE(即OE端)呈現(xiàn)高電平，用以打開三態(tài)輸出鎖存器，AT89S52從ADC0809讀取相應(yīng)點(diǎn)位數(shù)字量，然后存入數(shù)據(jù)緩沖器中。

一旦發(fā)現(xiàn)金屬出現(xiàn)，則被測量物理量超限由單片機(jī)I/O口的P1.0控制放光二極管進(jìn)行光報(bào)警的同時(shí)，P1.6還觸發(fā)蜂鳴器用聲報(bào)警提醒檢測人員注意。

3 系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

在工作過程中，由555定時(shí)器構(gòu)成的多些振蕩器產(chǎn)生一個脈沖為24KHz的脈沖信號，此脈沖信號經(jīng)緩沖放大后，形成頻率穩(wěn)定度高、功率放大的脈沖信號輸入到探測線圈中，通電的線圈會產(chǎn)生磁場，此時(shí)，固定在線圈L1中心的霍爾傳感器UGN3503U就會感應(yīng)到線圈周圍的磁場，并將磁場強(qiáng)度信號線性的轉(zhuǎn)變成電壓信號。在無金屬的情況下，假設(shè)霍爾輸出電壓為U0，該電壓信號U0很微弱，屬毫伏級信號，U0經(jīng)過放大電路放大，再經(jīng)過峰值檢波電路，得到相應(yīng)的0V～5V的峰值輸出電壓Ux，然后經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后，輸入到CPU，由CPU完成Ux與基準(zhǔn)電壓U0的比較，二者比較|Ux- U0|得到一個差值，次差值與預(yù)設(shè)的靈敏度u在做比較。當(dāng)然，u的大小設(shè)定決定著系統(tǒng)精度的高低。若|Ux- U0|>u，就確定為探測到金屬，CPU輸出口P1.0輸出信號驅(qū)動發(fā)光二極管發(fā)光報(bào)警，同時(shí)P1.6控制蜂鳴器發(fā)出聲響，進(jìn)行聲音報(bào)警。流程圖如圖5所示。

4 系統(tǒng)測試和結(jié)語

金屬探測器的工作頻率、靈敏度和穩(wěn)定性是儀器的主要技術(shù)指標(biāo)，探測器的靈敏度與探測線圈的尺寸大小有關(guān)，尺寸大即探測面積大，則線圈中心磁場強(qiáng)度低，在靠近線圈繞組附近磁場強(qiáng)度較高，霍爾元件固定在線圈中心，為了確保通過其磁通量，探測線圈的尺寸就不宜太大，具體尺寸通過實(shí)驗(yàn)確定。

設(shè)計(jì)的金屬探測器，可以在機(jī)場、大型運(yùn)動會 (如奧運(yùn)會)、展覽會進(jìn)行安全檢測，以排查行李、包裹及人體夾帶的刀具、槍支、彈藥等傷害性違禁金屬物品;工業(yè)部門 (包括手表、眼鏡、金銀首飾、電子等生產(chǎn)含有金屬產(chǎn)品的工廠)也可以使用金屬探測器對出入人員進(jìn)行檢測，以防止貴重金屬材料的丟失;考試也可使用金屬探測器來防止考生利用手機(jī)等工具進(jìn)行作弊，具有較好的應(yīng)用范圍。

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