数显金属探测器的设计.pdf

1、Computer Knowledge and Technology 电脑知识 与技术本栏目责任编辑 ：贾薇薇计算机工程应用技术第 6 卷第 3 期 (2010 年 1 月 )数显金属探测器的设计胡飞 ，王文渊 ，卢超（陕西理工学院 物理系 ，陕西 汉中 723000）摘要 ：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较后 ，决定是否探测到金属 。 软件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

2、键词 ：金属探测器 ，线性霍尔元件 ，电磁感应中图分类号 ：TP338 文献标识码 ：A 文章编号 ：1009-3044(2010)03-728-02The Design of Digital Metal DetectorHU 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, worki

3、ng principles and the functions of an intelligent metal de-tector which mainly consists of AT89S52 and linear Hall-Effect Sensor. The equipment adopts UGN3503U linear hall-effect sensor asprobe to detect the magnetic field change of the centre of a search coil resulted from eddy current effect and t

4、urn this magnetic field changeinto voltage change. The MCU measures the peak alue of voltage and compares it with reference voltage. Then determine whether detectmetal or not. In case of detection of a metallic mass, the Metal Detector provides an acoustical and optical alarm.Key words: metal detect

5、or; linear hall-effect sensor; electric-magnetic induction金属探测器作为一种最重要的安全检查设备 ，广泛地应用于社会生活和工业生产的诸多领域 。 为了能够准确判定金属物品藏匿的位置 ，就需要金属探测器具有较高的检测精度 。 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 ，处理部件采用 AT89S52 单片机作为控制核心 ，对检测结果进行分析判断 ，适用于对邮件 、行李 、包裹及人体夹带的伤害性金属物品 （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

6、 、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 、空洞和土壤中的上述物品和其他金属物 。1 系统设计根据电磁理论 ，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 。故当有金属物靠近通电线圈平面附近时

7、 ， 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 。 整个探测系统以 AT89S52 作为控制核心 ，其硬件电路分为两个部分 ，一部分作为线圈振荡电路 ，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 型现行霍尔传感器 ，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 。 系统框图如图 1 所示 。2 主要模块硬件电路设计2.1 线圈震荡电路由 555 构成一个多谐振荡器 ， 产生一频率为 24KHz 脉冲信号 ， 电路如图 2 所示

8、 。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 输出到 Q1 的基极 ，使其导通 ，经 Q1 放大后 ，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 ，在线圈内产生瞬时较强的收稿日期 ：2009-12-09基金项目 ：陕西理工学院科研项目 （SLG0816）作者简介 ：胡飞 （1986-），男 ， 陕西商洛人 ，陕西理工学院物理系 ，研究方向 ：电子信息科学技术 ；王文渊 （1986-），男 ， 陕西汉中人 ，陕西理工学院物理系 ，研究方向 ：电子信息科学技术 ；卢超 （1979-），男 ，陕西汉中人 ，陕西理

9、工学院讲师 ，硕士 ，从事电子技术 ，测控技术方面的研究 。图 1 系统原理框图图 2 线圈震荡电路ISSN 1009-3044Computer Knowledge and Technology 电脑知识 与技术Vol.6,No.3,January 2010, pp.728-729，735E-mail: http:/Tel:+86-551-5690963 5690964728Computer Knowledge and Technology 电脑知识 与技术计算机工程应用技术本栏目责任编辑 ：贾薇薇第 6 卷第 3 期 (2010 年 1 月 )电流 ，从而使线圈周围产生恒定的交变磁场 。 由

10、于在脉冲信号作用下 ，Q1 处于开关工作状态 ，而导通时间又非常短 ，所以非常省电 ，可以利用 9V 电池供电 。2.2 放大和峰值检波电路由于 UGN3503N 线性霍尔传感器采集到的电压信号是一个很小的电信号 ，故在对其处理前要进行放大 。 设计中信号放大电路采用输入阻抗高 、漂移较小 、共模抑制比高的集成放大器 LM324。 如图 3 所示 ，UGN3503 线性霍尔传感器输出的微弱信号经电容耦合到前级运算放大器 U2A 的同相输入端 ，运算放大器 U2A 把霍尔传感器的电压转换为对地电压 。 在电路设计中运放 LM324 采用 +5V 单电源供电 ，对于不同强度的信号均可通过调节前级放

11、大电路的反馈电位器 W1 开改变放大倍数 。 经前级运算放大器放大的信号经耦合电容 C2 输入到后级峰值检波器中 。 采用组容耦合的方法可以使前后级的电路的静态工作点保持独立 ，隔离各级静态之间的相互影响 ，使得电路总漂移不会太大 。峰值检波电路由两级运算放大器组成 ，第一级运放 U2B 将输入信号的峰值传递到电容 C6 上 ，并保持下来 。 第二级运放 U2C 组成缓冲放大器 ，将输出与电容隔离开来 ，在设计中 ，为了获得优良的保持性能和传输性能 ，采用 LM324。当输入电压 V12 上升时 ，V02电压跟随上升 ，使二极管 D4、D5 导通 ,D3 截止 ，运放 U2B 工作在深度负反馈

12、状态 ，给电容 C6 充电 ，Vc 上升 。 当输入电压 V12 下降时 ，V02 电压跟随下降 ，D3 导通 ，运放 U2B 工作在深度负反馈状态 ，深度负反馈保证了二极管 D4、D5 可靠截止 ，Vc 值得以保持 。 当V12 再次上升时 ，V02 在次上升使 D4、D5 导通 ,D3 截止 ,再次对电容 C6 充电 （Vc 高于前次充电电压 ），V12 下降时 ，D4、D5 又截止 ，D3 导通 ，Vc 将峰时再次得以保持 。 输出 V0 反应 Vc 的大小 ，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0v5V 的直流电平 ，以满足 A/D 转换器 ADC0809 所

13、要求的输入电压变化范围 。2.3 A/D 转换电路如图 4 所示 ，输出的电压信号送入 ADC0809 的模拟输入通道IN0 进行 A/D 转换 ，将 P2.7（地址总线的 A15）作为片选信号 ，由AT89S52 的写信号 WR 和 P2.7 控制 ADC0809 的地址锁存 ALE 和转换启动 START， 当 ADC0809 的 START 启动信号输入端为高电平时 ，A/D 开始转换 ，在时钟的控制下 ，一位一位的逼近 ，比较器一次次进行比较 ，转换结束时 ，送出转换信号 EOC，并将 8 位数字量D7 至 D0 锁存到输出缓冲器 。 AT89S52 的读信号 RD 端发出一个输出允许

14、命令输入到 ADC0809 的 ENABLE （即 OE 端 ），ENABLE（即 OE 端 ） 呈现高电平 ， 用以打开三态输出锁存器 ，AT89S52 从ADC0809 读取相应点位数字量 ，然后存入数据缓冲器中 。一旦发现金属出现 ， 则被测量物理量超限由单片机 I/O 口的P1.0 控制放光二极管进行光报警的同时 ，P1.6 还触发蜂鸣器用声报警提醒检测人员注意 。3 系统程序设计在工作过程中 ， 由 555 定时器构成的多些振荡器产生一个脉冲为 24KHz 的脉冲信号 ，此脉冲信号经缓冲放大后 ，形成频率稳定度高 、功率放大的脉冲信号输入到探测线圈中 ，通电的线圈会产生磁场 ，此时

15、，固定在线圈 L1 中心的霍尔传感器 UGN3503U 就会感应到线圈周围的磁场 ，并将磁场强度信号线性的转变成电压信号 。 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 ，属毫伏级信号 ，U0经过放大电路放大 ，再经过峰值检波电路 ，得到相应的 0V5V 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的比较 ，二者比较 |Ux- U0|得到一个差值 ，次差值与预设的灵敏度 u 在做比较 。 当然 ，u的大小设定决定着系统精度的高低 。 若 |Ux- U0|u，就确定为探测到金属 ，CPU 输出口 P1.0 输出

16、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 。 流程图如图 5 所示 。4 系统测试和结语金属探测器的工作频率 、灵敏度和稳定性是仪器的主要技术指标 ，探测器的灵敏度与探测线圈的尺寸大小有关 ，尺寸大即探测面积大 ，则线圈中心磁场强度低 ，在靠近线圈绕组附近磁场强度较高 ，霍尔元件固定在线圈中心 ，为了确保通过其磁通量 ，探测线圈的尺寸就不宜太大 ，具体尺寸通过实验确定 。设计的金属探测器 ，可以在机场 、大型运动会 (如奥运会 )、展览会进行安全检测 ，以排查行李 、包裹及人体夹带的刀具 、枪支 、弹药等伤害性违禁金属物品 ；工业部门 (包括手表 、眼镜

17、 、金银首饰 、电子等生产含有金属产品的工厂 )也可以使用金属探测器对出入人员进行检测 ，以防止贵重金属材料的丢失 ；考试也可使用金属探测器来防止考生利用手机等工具进行作弊 ，具有较好的应用范围 。 （下转第 735 页 ）图 3 放大和峰值检波电路图 4 A/D 转换电路图 5 程序流程图729Computer Knowledge and Technology 电脑知识 与技术计算机工程应用技术本栏目责任编辑 ：贾薇薇第 6 卷第 3 期 (2010 年 1 月 )（上接第 729 页 ）参考文献 ：1 徐薇莉 ,曹柱中 .控制理论与设计 M.上海 :上海交大出版社 ,2003:74-82.

18、2 卢超 .基于 AT89C51 多路信号检测和语音报警器的设计 J.佳木斯大学学报 ,2009(2):181-184.3 先锋工作室 .单片机程序设计实例 M.北京 :清华大学出版社 ,2003.14-30.4 王幸之 ,钟爱琴等 .AT89 系列单片机原理及接口技术 M.北京 :北京航天大学出版社 ,2004:39-54.5 卢超 .单片机同 PC 机通信的一种新方法 J.矿山机械 ,2007(4):105-107.6 卢超 .分布式矿井温度监测系统的设计 J.煤炭科学技术 ,2007(12):51-547 李华 .MCS- 51 系列单片机实用接口技术 M.北京 :北京航空航天大学出版社

19、 ,2001.8 卢超 .单片机与 PC 机的通信设计 J.工矿自动化 ,2007(5):116-118.9 卢超 .负反馈放大电路的仿真分析 J.现代电子技术 ,2006(16):115-117.10 卢超 .PVDF 型脉搏传感器信号处理电路的设计 J.齐齐哈尔大学学报 :自然科学版 ,2009(6):6-10.1.3.2 单件模式的实现Log_channel* Log_channel:instance_ = 0; / 定义类静态指针变量Log_channel* Log_channel:instance() / 实例化指针变量 ，保证实例的唯一性if(instance_ = 0) inst

20、ance_ = new Out_channel;return instance_;2 结论与总结通过设计模式中单件模式 、观察者模式两者结合 ，一方面 ，可以很好的解决储层算法类库设计开发中算法实时报错 、算法参数记录 、算法处理进度显示等问题 ，同时在模型中加入智能指针 、引用计数的技术管理对象的内存空间的释放 ，可以有效地避免内存泄露问题 。 另一方面 ，在解决实际问题时 ，也可以通过继承 Channel 主题抽象类 ，定制符合实际要求的主题类 ，扩展性强 。目前存在的问题 ，是模型中智能指针在循环引用方面没有解决 ，还需要进一步的研究 。参考文献 ：1 揣锦华 ,李军民 . C+程序设计

21、语言 M. 西安 :西安电子科技大学出版社 ,2002.2 蓝雯飞 . C+面向对象程序设计中的多态性研究 J. 计算机工程与应用 ,2002.3 (美 )利普曼 , 加 劳乔 . C+ Primer 中文版 M（第三版 ）. 潘爱民 , 张丽 译 . 北京 ：中国电力出版社 ,2002.4 张龙祥 .UML 与系统分析设计 M. 北京 ：人民邮电出版社 ，2007.5 Steven John Metsker. 设计模式 java 手册 M. 龚波 ，冯军 , 程群梅 译 .北京 ：机械工业出版社 ，2006.6 周威 .软件设计模式的研究及其在影碟出租系统中的应用 D. 武汉 ：华中科技大学硕士学位论文 ，2007.735