摘 要

本文着重介绍了一种基于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。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。

关键词：单片机，金属探测器，线性霍尔元件，电磁感应，灵敏度

第1章 分析探测金属的理论依据

1.1理论描述

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，将发生线圈介质条件的变化和涡流效应两个现象。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μr≈1，σ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μr很大，σ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。

第2章 硬件电路设计

2.1系统组成

如图2-1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、前置放大电路、峰值检波电路TLC549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。具体电路原理图参看附录1。

图2-1 系统结构框图

2.2.1线圈振荡电路

工作过程中，由555定时器构成一个多谐振荡器，产生一频率为24KHz、占空比为2/3的脉冲信号。振荡器的频率计算公式为：

图示参数对应的频率为24KHz，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输入到Q1的基极(Q1为β≥125的9013H)，使其导通，经Q1放大之后，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，在线圈内产生瞬间较强的电流，从而使线圈周围产生恒定的交变磁场。

2.2.2数据采集电路

1． 线性霍尔传感器(linaer Hall-Eeffct Sensors)

在电路设计中，选用了美国ALELGRO公司生产的UGN3503U线性霍尔传感器，来检测通电线圈Ll周围的磁场变化。UGN3503U线性霍尔传感器的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。

2.2.3 A/D转换电路

由于采集到的信息是连续变化的模拟量，不能被单片机直接处理，所以，必须把这些模拟量转换成数字量后才能够输入到单片机中进行处理，这里选用了经济实用的TLC549型A/D转换器来完成模数转换。TLC549是 TI公司生产的一种低价位、高性能的8位 A/D转换器，它以8位开关电容逐次逼近的方法实现 A/D转换，其转换速度小于 17us，最大转换速率为 40000HZ，4MHZ典型内部系统时钟，电源为 3V至 6V。它能方便地采用三线串行接口方式与各种微处理器连接，构成各种廉价的测控应用系统。当CS为高时，数据输出（DATA OUT）端处于高电阻状态，此时I/0 CLOCK不起作用。这种CS控制作用容许在同时使用多片TLC549时，共用I/0 CLOCK,以减少多路（片）A/D并用时的I/0控制端口。

如图所示，放大后的电压信号送入TLC549的模拟输入通道进行A/D转换。

2.2.4系统控制单元

采用AT89S52单片机。AT89S52是一个低功耗，高性能CMOS 8位单片机，片内含8K Bytes ISP的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISP Flash存储单元。

AT89S52片内结构如图所示，它具有如下特点：40个引脚，8K Bytes Flash片内程序存储器，256 bytes的随机存取数据存储器(RAM)，32个外部双向输入/输出(I/O)口，看门狗定时(WDT)电路，2个数据指针，3个16位可编程定时计数器，5个中断优先级2层中断嵌套中断，2个全双工串行通信口，片内时钟振荡器。此外，AT89S52设计和配置了振荡频率可为0HZ并可通过软件设置省电模式。空闲模式下，CPU暂停工作，而RAM、定时计数器、串行口及外中断系统可继续工作，掉电模式冻结振荡器而保存RAM的数据，停止芯片其它功能直至外中断激活或硬件复位。其工作电压为5V，晶振频率采用12MHZ。

2.2.5键盘控制电路

键盘控制电路K1键作为功能键设置灵敏度△U，灵敏度是可调的，K2和K3分别作为加1，减1键来调节灵敏度，K4是确定键，当K4键按下时，灵敏度值确定。（图见附录一）

2.2.6显示报警电路

AT89S52的串行口RXD和TXD为一全双工串行通信口，但在工作方式0下可作同步移位寄存器用，其数据由RXD（P3.0）端输出或输入；当键盘控制部分各键按下时，LED显示相对应灵敏度数值，显示电路如图。

一旦发现金属出现，则被测物理量超限由单片机I/O口P1.0输出信号驱动发光二极管发光报警，P1.6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，报警电路如图2-16所示。

2.2.7电源电路

电路如图2-17所示，电源供电由9V电池和板内稳压电源组成。

2.3整机工作原理描述

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，此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L1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u0，该电压信号u0很微弱，属mV级信号，u0经过放大电路放大，再通过峰值检波电路，得到相应的0V~5V的峰值输出电压U0，以满足TLC549的量程，经A/D转换后，将U0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L1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ux，该变化的电压经放大电路、峰值检波电路后，得到相应的0V-5V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，此差值与预设的灵敏度△U再作比较。灵敏度由键盘控制电路中各键输入，显示电路部分则显示各键按下后的相应数值，当然，△U大小的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，CUP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。

第3章 系统软件设计

3.1软件设计思想

主程序初始化以后置位AT89S52的中断控制位EA，使CPU开放中断。在电路设计中，TLC549与AT89S52是采用中断方式连接的，所以系统的数据采集处理功能是在中断服务程序中完成的，从原理图看出，TLC549的SCLK端通过反相器接AT89S52的NIT1端，作为中断申请。采用中断方式，可大大节省CPU时间。软件编程允许AT89S52响应外部中断1，且设置其响应方式为边沿触发。

经过数据软件滤波之后将其存放在单片机RAM 21H中，作为基准电压U0。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Ux二和基准电压U0进行比较，二者差值U存放在单片机ARM地址为22H的存储器中。而后再通过判据算法将此差值U与灵敏度△U进行比较，以确定是否报警键盘控制电路各键控制灵敏度的值，并在显示电路部分显示按键后的对应数值。

3.3主程序流程图

第4章 仿真、调试结果及分析

4.1 仿真结果及分析

本次设计的仿真结果如下所述：

1. 线性霍尔传感器调试结果及分析

外加磁场的南极靠近器件标志面时

R/mT 300 200 100

输出电压（V） 2.1 2.3 2.8

外加磁场的北极靠近器件标志面时

R/mT 100 200 300

输出电压（V） 4.3 4.8 5.1

线性霍尔传感器部分的调试结果基本是真确的，但由于外部环境的影响及硬件设备的不良等因素，调试过程中遇到了一些问题，模拟出的结果存在一定的误差，经过多次采样，我尽量使结果与理论值得差值缩小，达到了预期的结果。

2. 振荡电路调试结果及分析

振荡电路输出的是一方波，可以读出占空比和输出脉冲的频率，其仿真结果如图5-1所示

图5-1 多谐输出

从调试的结果中可以读出T1的值为：0.028ms,T2的值为：0.014ms。输出频率等于23.573KHZ，而理论上输出脉冲的频率是24KHZ，从读出的结果可以看出与理论值有一定的误差，这是由于调试过程中如环境、仪器设备等因素造成的，虽然结果有误差，但基本上是正确的，说明多谐振荡器部分电路是正确的。

3. 显示部分仿真结果及分析

显示部分显示的数据是设定的灵敏度值，当按下各键盘部分各个键时，在显示电路部分显示相对应的数据，显示结果如图5-2所示。

初始状态 加1显示值

加15显示值 减11显示值

图5-2 显示值

经过多次试验和从显示的值可以看出仿真结果基本正确。

4. 蜂鸣器显示结果及分析

从P1.6口接出来的蜂鸣器电路用来发出探测到金属时的报警信号，由于电路搭接的不理想，蜂鸣器的叫声不是很理想，但结果基本上是正确的。

第5章 结 论

本设计首先介绍了探测金属的理论依据，当有金属靠近通电线圈平面附近时将发生线圈介质条件的变化和涡流效应两个现象，根据电磁感应原理来设计金属探测器。

硬件电路的设计分为两个部分，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：线性霍尔元件、前置放大电路、峰值检波电路TLC549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，通过这些电路将磁场强度信号变为电压信号，再进行电压信号的拾取，放大等。

软件设计中，从系统的实用性、可靠性及方便灵活等几个方面出发，使程序满足设计的功能要求。整个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、比较判断子程序及发光报警等若干个子程序，采用汇编语言编写。

参考文献

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[11] 张毅刚、彭喜元、彭宇，《单片机原理及应用》，高等教育出版社，2010

致 谢

在整个设计过程中，从设计项目的可行性论证、项目的确定、硬件电路的设计、元器件的选择、元器件参数的测试、硬件电路图的最终确定，我投入了相当多的精力，从图书馆和网上查阅了大量的资料，了解了硬件电路设计中涉及到的每个元器件的参数，了解了单片机资源的配置，掌握了单片机的各种指令的应用;熟悉了PROTEUS,KEIL等软件的应用，并快速重温了《模电》《数电》《单片机》等学过的知识。总体来说，在摸索该如何设计电路使之实现所需功能的过程中，使我学到了好多知识，受益匪浅。

衷心感谢我的胡蔷老师。整个设计过程胡老师以严谨的治学态度和渊博的知识指导我的设计和学习，使我有明确的设计思路和正确的学习方法，培养了我独立学习的能力，可以说，这段时间我取得的每一点进步都和老师的辛勤教诲密不可分。

设计之初，参考了大量的教材及专业资料，得到了胡老师和陶彪的热心指导和同学们的帮助，在此我对给予我帮助的老师和同学表示衷心地感谢。

附 录一 电路原理图