畢業設計基于單片機的金屬探測器的設計(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 線相連接，這里將它的數據輸出口直接與單片機的數據總線 P0 口相連接，AT89S52 的 P0 口作為 數據總線，又作為低 8 位地址總線 ADC0809 的片內沒有時鐘，時鐘信號必須由外部提供，這里利用 AT89S52 提供的地址鎖存允許信號 ALE經計數器 74LS163 邏輯功能見表 21，引腳圖見圖 211 構成的 4 分頻器分頻獲得。 ALE 引腳的頻率是單片機時鐘頻率的 1/6,單片機時鐘頻率為 12MHZ，則 ALE引腳頻率約為 2MHZ，再經 4 分頻后為 500kHZ，所以 ADC0809 能可靠工作。 ADC0809的模擬輸入范圍 :單極性 0~5V，設計中采用 +5V 單電源供電。 如圖 210 所示，放大后的電壓信號送入 ADC0809 的模 擬輸入通道 IN0 進行A/D 轉換。將 地址總線的 A15 作為片選信號，由 AT89S52 的寫信號和 控制 ADC0809 的地址鎖存 ALE 和轉換啟動 START，當 ADC0809 的 START 啟動信號輸入端為高電平時 A/D 開始轉換，在時鐘的控制下，一位一位地逼近，比較器一次次進行比較，轉換結束時，送出轉換結束信號 EOC 低到高 ，并將 8 位數字量D7D0 鎖存到輸出緩存器。 AT89S52 的讀信號端發出一個輸出允許命令輸入到ADC0809 的 ENABLE 即 OE 端， ENABLE OE 端呈高電位，用以打開三態 輸出鎖存器， AT89S52 從 ADC0809 讀取相應電壓數字量，然后存入數據緩沖器中。 圖 210 A/D 轉換電路 表 21 74LS163 的邏輯功能表 圖 211 74LS163 引腳圖 制單元 采用 AT89S52 單片機。 AT89S52 是一個低功耗，高性能 CMOS 8 位單片機，片內含 8K Bytes ISP Insystem programmable 的可反復擦寫 1000 次的 Flash只讀程序存儲器，器件采用 ATMEL 公司的高密度 ,非易失性存儲技術 制造，兼容標準 MCS51 指令系統及 80C51 引腳結構 引腳圖如圖 211 所示 ，芯片內集成了通用 8 位中央處理器和 ISP Flash 存儲單元。 圖 212 AT89S52 引腳圖 AT89S52片內結構如圖 212所示，它具有如下特點： 40個引腳， 8K Bytes Flash 片內程序存儲器， 256 bytes 的隨機存取數據存儲器 RAM ， 32 個外部雙向輸入 /輸出 I/O 口，看門狗定時 WDT 電路， 2 個數據指針， 3 個 16 位可編程定時計數器， 5 個中斷優先 級 2 層中斷嵌套中斷， 2 個全雙工串行通信口，片內時鐘振蕩器。此外， AT89S52 設計和配置了振蕩頻率可為 0HZ 并可通過軟件設置省電模式。空閑模式下， CPU 暫停工作，而 RAM、定時計數器、串行口及外中斷系統可繼續工作，掉電模式凍結振蕩器而保存 RAM 的數據，停止芯片其它功能直至外中斷激活或硬件復位。其工作電壓為 5V，晶振頻率采用 12MHZ。 圖 213 AT89S52 片內結構 制電路 鍵盤是一組按鍵的集合，它是最常用的單片機輸入設備。操作人員可以通過鍵盤輸入數據或命 令，實現簡單的人 機通信。按鍵是一種常開型按鈕開關。常態時，按鍵的兩個觸點處于斷開狀態，按下鍵時他們才閉合。 鍵盤控制電路如圖 214 所示， K1 鍵作為功能鍵設置靈敏度△ U，靈敏度是可調的， K2 和 K3 分別作為加 1，減 1 鍵來調節靈敏度， K4 是確定鍵，當 K4 鍵按下時，靈敏度值確定。 圖 214 鍵盤控制電路 警電路 AT89S52 的串行口 RXD 和 TXD 為一全雙工串行通信口，但在工作方式 0下可作同步移位寄存器用，其數據由 RXD（ ）） 圖 215 顯示電路 圖 216 報警電路 路 電路如圖 217 所 示，電源供電由 9V 電池和板內穩壓電源組成。電路板內采用三端穩壓集成電路塊 LM7805 為板內元器件供電。 LM7805 三端正穩壓器具有內部過流、熱過載和輸出晶體管安全區保護功能，可將 9VDC 的輸入電壓轉換為 +5V電壓，最大輸出電流 ，保證板內 555 定時器、 UGN3503U、 AT89S5 ADC0809等芯片和元件可靠地工作。 圖 217 電源電路 整機工作原理描述 在工作過程中，由 555 定時器構成的多諧振蕩器產生一個頻率為 24KHz 的脈沖信號，此脈沖信號經過緩沖和放大之后，形成頻率穩定度高、功率較 大的脈沖信號輸入到探測線圈中，通電的線圈周圍就會產生磁場，此時，固定在線圈 L1中心的霍爾元件 UGN3503U 就會感應到線圈周圍的磁場，并將磁場強度信號線性地轉變成電壓信號。 在無金屬的情況下，假設霍爾輸出電壓為 u0，該電壓信號 u0 很微弱，屬 mV級信號， u0 經過放大電路放大，再通過峰值檢波電路，得到相應的 0V~5V 的峰值輸出電壓 U0，以滿足 ADC0809 的量程，經 A/D 轉換后，將 U0 的數字量輸入到單片機儲存起來。此后，以該電壓信號作為基準電壓，與 A/D 轉換器采集到的電壓信號進行比較判斷。 當探測線圈 L1 靠近金 屬物體時，由于電磁感應現象，會使探測電感值發生變化，從而使其周圍的磁場發生變化，霍爾元件感應到該變化的磁場，并將其線性地轉變成電壓信號 ux，該變化的電壓經放大電路、峰值檢波電路后，得到相應的 0V5V 的峰值輸出電壓 Ux，然后經 A/D 轉換后，輸入到 CPU，由 CPU 完成Ux 與基準電壓 U0 的比較，二者比較 ? Ux― U0?得到一個差值，此差值與預設的靈敏度△ U 再作比較。靈敏度由鍵盤控制電路中各鍵輸入，顯示電路部分則顯示各鍵按下后的相應數值，當然，△ U 大小的設定決定著系統精度的高低。若|UxU0| △ U，就確定為探測到金屬， CUP 輸出口 輸出信號驅動發光二極管發光報警，同時 控制蜂鳴器發出聲響，進行聲音報警。 第 3 章 系統軟件設計 軟件設計思想 軟件是本系統的靈魂，在設計軟件中，本文從系統的實用性、可靠性及方便靈活等幾個方面出發，使程序滿足設計的功能要求。整個系統的軟件包括主程序、一個外部中斷服務程序、數字濾波程序、比較判斷子程序及發光報警等若 干個子程序。軟件采用匯編語言編寫，并采用模塊化設計，使程序結構清晰，便于今后進一步擴展系統的功能。 主程序初始化以后置位 AT89S52 的中斷控制位 EA，使 CPU 開放中斷。然后通過檢測 RAM 中 21H 中數值的值來判斷是否采集基準電壓 U0，如果未采集過 U0，則啟動 ADC0809 對 NIO 通道的模擬輸入量進行 A/D 轉換。 [7]在電路設計中，ADC0809 與 AT89S52 是采用中斷方式連接的，所以系統的數據采集處理功能是在中斷服務程序中完成的，從原理圖 22 看出， ADC0809 的 EOC 端通過反相器接AT89S52 的 NIT1 端，作為中斷申請。采用中斷方式，可大大節省 CPU 時間。 [8]軟件編程允許 AT89S52 響應外部中斷 1，且設置其響應方式為邊沿觸發。當 A/D轉換完畢后， ADC0809 的 EOC 端向 AT89S52 的 INT1 的返向端送入一個中斷申請信號， AT89S52 接此信號后響應中斷請求，調用中斷服務子程序 INTl，中斷服務程序進行壓棧，保護現場，讀取來自 ADC0809 數據輸出口的 8 位數字量，并將數字量儲存到單片機 RAM 中，然后啟動 ADC0809 的下一次轉換。經過數據軟件濾波之后將其存放在單片機 RAM 21H 中，作為基準電壓 U0。 [9] 經反復實驗測得的靈敏度△ U的值被存放在單片機 RAM地址為 20H的存儲器中。在檢測過程中，將 A/D 轉換器采集到的電壓信號經數據軟件濾波后存入內部RAM 以 30H 為首址的數據存儲器中，然后將此數據 Ux 二和基準電壓 U0 進行比較，二者差值 U 存放在單片機 ARM 地址為 22H 的存儲器中。而后再通過判據算法將此差值 U 與靈敏度△ U（靈敏度可調）進行比較，以確定是否報警鍵盤控制電路各鍵控制靈敏度的值，并在顯示電路部分顯示按鍵后的對應數值。 數字濾波及算法說明 金屬探測器的噪聲抑制能力是金屬探測器的主要設計指 標。由于在采集電壓量時經常會碰到各種瞬時干擾，而采用硬件濾波存在硬件電路復雜等諸多弊端，因此本設計中采用算術平均濾波法，即在一次電壓量的采集中，在很短的時間內對它進行 6 次采集，將它轉換為數字量后求和，分析出 6 次輸入中的最大值和最小值，然后減去最大值和最小值，除以 4 得到平均值的方法，完成一次數據采集的軟件濾波。用軟件代替硬件，從而省去了復雜的硬件，而且能夠取得好而精確的效果。 [10] 在一個采樣周期內，對信號 X 的 N 次測量值進行算術平均，作為時刻 K 的輸出 x k ，即