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1、数显金属探测器的设计ComputerKnowledgeandTechnology电脑知识与技术第6卷第3期(2020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拟后，决定能否探测到金属。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：1009-3
2、044(2020)03-728-02TheDesignofDigitalMetalDetectorHUFei,WANGWen-yuan,LUChao(DepartmentofPhysics,ShaanxiUniversityofTechnology,Hanzhong723000,China)Abstract:Thispaperdescribesthecompositionofhardwareandsoftware,workingprinciplesandthefunctionsofanintelligentmetalde-tectorwhichmainlyconsistsofAT89S52an
3、dlinearHall-EffectSensor.TheequipmentadoptsUGN3503Ulinearhall-effectsensorasprobetodetectthemagneticfieldchangeofthecentreofasearchcoilresultedfromeddycurrenteffectandturnthismagneticfieldchangeintovoltagechange.TheMCUmeasuresthepeakalueofvoltageandcomparesitwithreferencevoltage.Thendeterminewhether
4、detectmetalornot.Incaseofdetectionofametallicmass,theMetalDetectorprovidesanacousticalandopticalalarm.Keywords:metaldetector;linearhall-effectsensor;electric-magneticinduction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众多领域。为了能够准确断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
5、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定，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、机场、车站、码头的安全检查，可以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，将一沟通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
6、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，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，
7、产生一频率为24KHz脉冲信号，电路如图2所示。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，就构成了频率稳定度高、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：2020-12-09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，陕西理工学院讲师，硕士，从事电子技术，测控技术方面的
8、研究。图1系统原理框图图2线圈震荡电路ISSN1009-3044ComputerKnowledgeandTechnology电脑知识与技术Vol.6,No.3,January2020,pp.728-729，735E-mail:kfyj电流，进而使线圈周围产生恒定的交变磁场。由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，能够利用9V电池供电。2.2放大和峰值检波电路由于UGN3503N线性霍尔传感器收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
9、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大电路的反应电位器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能够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互相影响，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
10、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工作在深度负反应状态，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工作在深度负反应状态，深度负反应保证了二极管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反响Vc的大小，通过峰值检波和后级缓冲放大电路，将收集到的微弱电压信号放大至0v5V的直流电平，以知足A/D转换器
11、ADC0809所要求的输入电压变化范围。2.3A/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常，A/D开场转换，在时钟的控制下，一位一位的逼近，比拟器一次次进行比拟，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命令输入到ADC0809的ENABLE即OE端，ENABLE即OE端呈现高电平，用以
12、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经过中，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，构成频率稳定度高、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，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
13、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的比拟，二者比拟|Ux-U0|得到一个差值，次差值与预设的灵敏度u在做比拟。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
14、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，详细尺寸通过实验确定。设计的金属探测器，能够在机场、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、金银首饰、电子等生产含有金属产品的工厂)可以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；考试可以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4A/D转换电路图5程序流程图1.3.2单件形式的实现Log_channel*Log_chann
15、el:instance_=0;/定义类静态指针变量Log_channel*Log_channel:instance()/实例化指针变量，保证明例的唯一性if(instance_=0)instance_=newOut_channel;returninstance_;2结论与总结通过设计形式中单件形式、观察者形式两者结合，一方面，能够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，同时在模型中参加智能指针、引用计数的技术管理对象的内存空间的释放，能够有效地避免内存泄露问题。另一方面，在解决实际问题时，可以以通过继承Channel主题抽象类，定制符合实际要求的主题
16、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，2007.5StevenJohnMetsker.设计形式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.软件设计形式的研究及其在影碟出租系统中的应用D.武汉
17、：华中科技大学硕士学位论文，2007.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,2003:74-82.2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,2020(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,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.负反应放大电路的仿真分析J.当代电子技术,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,2020(6):6-10.