金屬檢測(cè)報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究

邱玉泉　劉世偉　陳小波　蘇勇勇　段釗

摘 要：以C8051F350單片機(jī)為核心，采用線性霍爾傳感器CS3503檢測(cè)金屬對(duì)通電線圈磁場(chǎng)變化的影響，并將其轉(zhuǎn)化為電壓變化，再將霍爾傳感器檢測(cè)到的微弱電壓進(jìn)行放大和峰值檢波后，把輸出的電壓信號(hào)送入單片機(jī)進(jìn)行內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換，并與單片機(jī)內(nèi)部的預(yù)設(shè)定值進(jìn)行比較，從而判斷金屬是否屬于危險(xiǎn)品，進(jìn)而決定是否報(bào)警。

關(guān)鍵詞：金屬探測(cè)儀；線性霍爾元件；電磁感應(yīng)；靈敏度

中圖分類號(hào)：TP212；TP274 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2016）03-00-01

0 引 言

金屬探測(cè)儀是一種專門探測(cè)金屬的儀器，作為一種重要的檢測(cè)設(shè)備，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于社會(huì)生活和工業(yè)生產(chǎn)的諸多領(lǐng)域。由于金屬探測(cè)器具有反應(yīng)靈敏，體積小，使用方便等優(yōu)點(diǎn)，在各種使用場(chǎng)合中備受青瞇。

為了能夠準(zhǔn)確檢測(cè)到金屬物體，就需要金屬探測(cè)器具有較高的可靠性和檢測(cè)精度。采用極高的線性霍爾元件作為傳感器，感應(yīng)金屬對(duì)通電線圈的磁場(chǎng)變化，從而提高檢測(cè)精度；處理模塊則以單片機(jī)C8051F350作為核心，對(duì)接收模塊的信號(hào)進(jìn)行處理，分析判斷，有效保證了金屬檢測(cè)的實(shí)現(xiàn)。

1 總體設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)的總體設(shè)計(jì)方案如圖1所示。整個(gè)金屬檢測(cè)系統(tǒng)由三個(gè)部分組成：

（1）金屬探測(cè)模塊。該模塊包括高頻逆變電路，諧振電路；

（2）數(shù)據(jù)采集模塊。該模塊包括CS3503線性霍爾傳感元件，放大電路，峰值檢波電路；

（3）軟件設(shè)計(jì)部分。

在電感線圈的中心固定霍爾器件，可探測(cè)線圈磁場(chǎng)的變化，并將其轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)。當(dāng)無(wú)金屬通過(guò)時(shí)，輸出信號(hào)為一固定值，不報(bào)警；當(dāng)檢測(cè)到金屬時(shí)，霍爾元件根據(jù)磁場(chǎng)變化轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，在進(jìn)行放大和峰值檢波處理后，將輸出的穩(wěn)定峰值經(jīng)單片機(jī)內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)化后與單片機(jī)內(nèi)部預(yù)設(shè)值進(jìn)行運(yùn)算比較，以此判斷金屬的有無(wú)。

2 硬件電路的設(shè)計(jì)

2.1 金屬探測(cè)模塊

逆變振蕩器電路產(chǎn)生正弦信號(hào)，在經(jīng)過(guò)電容和電感組成的并聯(lián)諧振回路中產(chǎn)生高頻的正弦信號(hào)通過(guò)發(fā)射線圈產(chǎn)生一定的磁場(chǎng)。金屬探測(cè)電路如圖2所示。

型號(hào)完全相同的元器件，也無(wú)法保證他們的特性完全相同。電路中利用兩個(gè)MOS管在性能方面的不同，當(dāng)提供電壓時(shí)，兩個(gè)MOS管來(lái)來(lái)回回反復(fù)導(dǎo)通，因而便產(chǎn)生了這樣的高頻信號(hào)。雙管推挽電流饋電，逆變震蕩器產(chǎn)生正弦信號(hào)，并用線圈將能量發(fā)送出去。

2.2 數(shù)據(jù)采集模塊

由于CS3503線性霍爾元件采集到的電壓信號(hào)是一個(gè)十分微弱的毫伏級(jí)信號(hào)，所以在對(duì)其進(jìn)行處理前，首先要進(jìn)行放大。圖3所示為數(shù)據(jù)采集模塊。

如圖3所示，CS3503線性霍爾元件將輸出的微弱信號(hào)經(jīng)過(guò)電容到達(dá)前級(jí)運(yùn)算放大器NE5532的同相輸入端。經(jīng)前級(jí)運(yùn)算放大器放大的信號(hào)經(jīng)耦合電容輸入到后級(jí)的峰值檢測(cè)電路中。峰值檢測(cè)電路由兩級(jí)運(yùn)算放大器組成，第一級(jí)運(yùn)放將輸入的信號(hào)傳遞到電容C1上，進(jìn)行充電；第二級(jí)運(yùn)放組成緩沖電路，將輸出與電容隔離開(kāi)來(lái)。

2.3 軟件設(shè)計(jì)模塊

整個(gè)軟件設(shè)計(jì)模塊主要由單片機(jī)C8051F350來(lái)完成。由于C8051F350內(nèi)部自帶一個(gè)全差分24位的A/D轉(zhuǎn)換器，且支持片內(nèi)校準(zhǔn)功能，故不再需要從外部接A/D轉(zhuǎn)換模塊。

當(dāng)裝置啟動(dòng)時(shí)程序開(kāi)始運(yùn)行，進(jìn)行初始化，初始化主要包括對(duì)各種寄存器的狀態(tài)進(jìn)行初始化，對(duì)單片機(jī)I/O端口、內(nèi)部晶振的初始化。主程序進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、模/數(shù)轉(zhuǎn)換以及準(zhǔn)確判斷結(jié)果確定是否報(bào)警。單片機(jī)采用中斷方式運(yùn)行，當(dāng)單片機(jī)接收到信號(hào)時(shí)，中斷服務(wù)程序被執(zhí)行，就會(huì)對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，并與單片機(jī)內(nèi)部預(yù)設(shè)值進(jìn)行運(yùn)算比較，然后報(bào)警。

3 結(jié) 語(yǔ)

本系統(tǒng)從硬件和軟件方面設(shè)計(jì)了一套靈敏度較好的金屬檢測(cè)裝置。由于其成本和結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，穩(wěn)定性較好等優(yōu)點(diǎn)，可以很好地應(yīng)用于旅行安檢，食品等領(lǐng)域，該檢測(cè)裝置具有很大的發(fā)展前景。

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