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、械、武器部件、弹药和金属包装的等)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。
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
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。
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