基于AT89S52单片机的金属探测器设计
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1、 题 目： 基于单片机的金属探测器设计 所 属 系： 班 级： 学 生 姓 名： 学 号： 同 组 成 员： 指 导 教 师： 摘要：本文设计了一种以AT89S52单片机为核心的食品金属探测器。它可以排除食品原料中的混入异物、防止生产包装过程中混入的异物和检测已混入的异物。论文介绍食品金属探测器的方案设计、硬件选择、软件编写，并描述食品金属探测器系统的工作原理、系统设计、软件编程。金属探测器是根据电磁感应原理制成的，将一金属置于变化的磁场当中时，根据电磁感应原理就会在金属内部产生涡流，涡流产生的磁场反过来又影响原磁场，这种变化可以转换为电压幅值的变化以供相关电路进行检测，也可以表现为振荡电路频
2、率的变化来使用检测频率的办法进行检测，这里使用的是前者。AT89S52单片机将测得电压值与试验测定的基准电压值相比较，以确定是否探测到金属。关键词 食品金属探测；电磁感应原理；AT89S52单片机；振荡电路；报警电路2目录0引言31 总体设计方案31.1 设计要求31.2 设计背景31.3 课题分析31.4 技术路线41.4.1可选方案一41.4.2可选方案二41.5食品金属探测器的功能框图41.6系统设计52 单元设计62.1金属探测仪设计的理论依据62.1.1电磁感应62.1.2涡流效应72.2线圈震荡单元设计72.2.1线圈震荡方案讨论72.2.2线圈震荡和放大电路硬件设计72.3外围电
3、路单元设计82.3.1霍尔元件方案讨论82.3.2放大电路方案讨论92.3.3霍尔元件和放大电路硬件设计102.3.4峰值检波电路102.3.5 A/D转换电路方案讨论112.3.6 A/D转换电路硬件设计112.3.7 AT89S52单片机方案讨论132.3.8单片机内部电路143其他单元电路153.1键盘输入硬件设计153.2键盘输入程序流程图163.3显示电路硬件设计163.4报警电路硬件设计173.5显示报警程序流程图183.6电源电路硬件设计184单元整合194.1总原理图194.2元器件清单194.3 PCB设计194.4主程序设计244.4.1软件程序254.5工艺文件254.5
4、.1 编制工艺规程的依据及原则254.5.2 编制要领254.5.3 编制步骤及方法264.5.4工艺文件275总结28致谢29参考文献30附录31附录一： 单片机介绍31AT89S52芯片内部结构31附录二：元器件清单及封装形式36附录三：电路原理图40附录四：各模块程序清单421初始化子程序422中断服务程序423键盘扫描控制程序434显示与报警程序44附录五：工艺文件460引言金属探测器是一种专门用来探测金属的仪器，除了探测有金属外壳或金属部件的地雷以外，还可以用来探测隐蔽在墙壁内部的电线、埋在地下的水管电缆，甚至能够地下探宝，发现埋藏在地下的金属物体。目前还广泛用于各种大型会议中心、汇
5、展场馆、体育场馆、监狱系统及娱乐场所的安全检查和工厂企业的防偷检查，甚至用于对高考禁带物品的检查。世界上第一台金属探测器诞生与1960年，步入工业时代的最初的金属探测器主要用于工矿业，是检查矿产纯度和提高效益的得力助手，随着社会的发展，犯罪案件的上升，1970年金属探测器被引入一个新的应用领域安全检查，也就是今天所使用的金属探测门的雏形，它的出现意味着人类对安全认知已步入一个新纪元。金属探测器的工作原理简单的讲就是利用电磁感应原理，让交流电通过电感线圈，产生迅速变化的磁场，该磁场能在被检测的金属物体内部产生感生涡流。涡流反过来有影响原来的磁场，引发探测器发声。金属探测器自诞生至今40多年过去了
6、，金属探测器经历了几代金属探测的变革，从最初的信号模拟技术到连续波技术，再到今天的数字脉冲技术，金属探测器简单的磁场切割原理被引入多种技术成果中。无论是灵敏度、分辨率、探测精度还是在工作性能上都得到了质的飞跃，应用领域也随着产品质量的提高延伸到多个行业。1 总体设计方案1.1 设计要求设计的食品金属探测器能够有效地识别出食品和物料中混入的金属物质。要求具有高的检测灵敏度，很强的抗干扰能力，同时还要具有可靠的检测效果及报警能力。1.2 设计背景任何一种食品，在原料收获以及后续的加工过程中，都会由于方法不当或一些难以避免的因素混入异物，有些异物对人体健康并不存在潜在危险，但有些异物会对人的身体造成
7、严重伤害甚至危及生命，此类物质通常称为物理危害。目前，在日本和英国等发达国家，反馈到食品生产厂家的投诉意见当中，因异物混入而产生的投诉高达7080。因此，如何排除混入原料中的异物、防止生产包装过程中混入的异物、检测已混入的异物并加以剔除成为食品生产厂家迫切需要解决的问题。1.3 课题分析检测食品异物的手段有很多，主要手段有x射线探测、视觉检验等方法，但到目前为止，尚无一种检测方法能完全检出或剔除所有可能混入的异物。x射线检测系统利用异物和食品的密度对比来进行检测，可以检测异物的范围广泛，除了金属以外，还能检测食品中是否含有玻璃、石块和骨头等物质。但是使用费用昂贵，并不适合所有的食品生产厂商。本
8、课题特别讨论金属探测器的应用，目前来说，对于大部分生产厂商，金属探测器还是最广泛应用的检测食品异物的设备。它能够有效地识别出食品和物料中混入的金属物质，并通过适当方式将金属物质剔除掉。它的优点是易于操作，经济可靠，适用面广。当然，它只能用于金属异物的检测，所以无法满足所有食品生产厂商的需求，但可以满足大部分食品生产厂商的需求。金属探测器的缺点是它的敏感度不够，受环境的影响较大。由于传输线是单方向的，食品及物料仅通过金属探测器一次，这就要求理想的金属探测器不仅具有高的检测灵敏度，还应有很强的抗干扰能力，同时还要具有可靠的检测效果及报警能力。1.4 技术路线1.4.1可选方案一图1 方案一系统实现
9、框图如图1，本方案金属探测器由高频振荡器、振荡检测器、音频振荡器、功率放大器等组成。利用探测金属原理，使得振荡器处于临界振荡，金属导体中产生的涡电流使得振荡回路中的能量耗损增大，甚至无法维持振荡所需的最低能量而停振。检测出这种变化，并转换成声音信号，根据声音有无，判定是否有金属物体。此方案由于全是模拟器件，系统存在很多不稳定因素。1.4.2可选方案二图2 方案二系统实现框图如图2所示，整个探测系统以单片机作为控制核心，先将涡流产生的磁场变化转化为电压的变化，再将电路采集到的电压放大处理，再进行脉冲转换后送入单片机中，通过单片机程序设定程序的运行完成报警。本方案涉及到单片机、传感器、振荡器、AD
10、转换器等知识的运用，并且电路稳定，抗干扰性强，性能优越。看上去方案一在结构上和方案二的金属探测器很相近，实际上它们存在本质的差别。首先，两者在设计思想上完全不同，方案一金属探测器是模拟信号处理的模拟金属探测器，而此次要实现的金属探测器信号的处理和报警都在数字单片机内完成，故选择方案二。1.5食品金属探测器的功能框图如图3所示，该框完整的表现出食品金属探测器的每一个功能模块，从框图中也可以看出设计的基本思路。图3设计功能框图1.6系统设计如图4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
11、控制电路，包括:UGN3503型线性霍尔元件、放大电路、峰值检波电路、A/D转换、AT89S52单片机、键盘电路、LED显示电路、声音报警电路及电源电路等。图4系统结构框图2 单元设计2.1金属探测仪设计的理论依据 2.1.1电磁感应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，当有金属靠近通电线圈平面附近时，将发生如下现象和效应：图5电磁感应原理当金属物接近通电线圈时，将使通电线圈周围的磁场发生变化如图5，对于半径为R的单匝圆形电感线圈。当其中通过交变电流 时，线圈周围空间产生交变磁场，根据毕奥-萨伐尔定律可计算出线圈中心轴线上一点的磁感应强度B。为：=其中，为介质的磁导
