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  • 数显金属探测器的设计

    时间:2022-12-03 20:35:13 来源:正远范文网 本文已影响 正远范文网手机站

    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)03-728-02

    The Design of Digital Metal Detector

    HU 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, working principles and the functions of an intelligent metal detector which mainly consists of AT89S52 and linear Hall-Effect Sensor. The equipment adopts UGN3503U linear hall-effect sensor as probe to detect the magnetic field change of the centre of a search coil resulted from eddy current effect and turn this magnetic field change into voltage change. The MCU measures the peak alue of voltage and compares it with reference voltage. Then determine whether detect metal or not. In case of detection of a metallic mass, the Metal Detector provides an acoustical and optical alarm.

    Key words: metal detector; 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、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,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。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电流,从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,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0v~5V的直流电平,以满足A/D转换器ADC0809所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,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,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、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。

    参考文献:

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