單片機金屬檢測器系統研究

摘 要:傳統的金屬檢測器系統中是采用模擬電路和數字電路相結合的方法來進行A/D轉換，在采集數據的同時干擾信號也進入了后續處理電路，有抗干擾能力差的缺點。采用單片機控制的A/D數據采集系統能有效地排除干擾信號帶來的影響，減少了金屬檢測器誤報警的次數，提高金屬檢測器的靈敏度。該電路已在金屬探測設備中得到了很好的應用，目前金屬檢測儀已經是機場、食品、醫藥、木材、煙草、塑料、服裝、化工等行業中一種不可或缺的重要設備。

關鍵詞:金屬檢測;單片機;數據采集;A/D轉換;抗干擾

中圖分類號:TP368.1文獻標識碼:A

文章編號:1004-373X(2010)04-183-04

Research on Metal Detector System of Single chip Microcomputer

YIN Jianguo

(Hefei General Machine Institute，Hefei，230031，China)

Abstract:Simulation circuit and numeric circuit are often used for conventional metal detector system to process simulating and numeral converting，the interference signal appears in the following processing circuit when gathering data，which shows the poor feature for anti-interference of this system.However，A/D data acquisition system that controlled by single chip microcomputer can eliminate the affection caused by interference effectively，decrease times that metal detector make alarming，and enhance the metal detector sensitive.This circuit has been utilized well in metal detective devices.Now，metal detector has been the key important device in the industries such as airport，food，medicine，wood，tobacco，plastic，rag trade and chemistry and son on.

Keywords:metal detection;single chip microcomputer;data acquisition;A/D conversion;anti-interference

收稿日期:2009-09-24

0 引 言

金屬檢測器最早是由探雷器等軍用設備發展而來，現代很多工業生產加工企業，如食品、醫藥、木材、煙草、橡膠、塑料、化工等，其加工的原材料中不允許混雜有金屬雜物，否則會危及人體健康、降低產品質量，損壞機器設備。金屬檢測器就是用于檢測各種非金屬不導電材料中的金屬雜物，從而保證生產加工產品的質量和保護機器設備及人身的安全。早期的軍用探雷器是通過聲音來判斷地下是否有金屬，這種方法必須要有非常專業的人員來做出判斷，不是很直觀;現在金屬檢測器是直接判斷有或沒有金屬且靈敏度可調，這兩者之間就有本質的區別。

1 金屬檢測器系統概述

金屬檢測器是利用控制器內部的振蕩器向傳感器發送一定頻率的交流電壓，使傳感器檢測窗口內產生一個中頻穩幅磁場。當移動金屬通過傳感器檢測窗口時，穩幅磁場受到金屬擾動，于是產生一個微弱的變化信號，經過控制器內部電路采集放大、A/D變換、CPU處理，判斷是金屬后，發出報警信號同時CPU通過驅動電路對輸送機發出停止指令，達到檢測金屬雜物的目的。

采用單片機控制的A/D數據采集電路能有效的排除干擾信號帶來的影響，減少了金屬檢測器誤報警的次數，提高金屬檢測器的靈敏度。該套電路已在實際應用中得到了很好的證實。

金屬檢測器系統由下列部分組成，如圖1所示。信號發射放大單元、信號接收單元、A/D數據采集、CPU信號處理單元、輸出單元、驅動單元。

圖1 金屬檢測器系統的組成

信號發射是由石英晶體正弦波震蕩電路發出一定頻率的信號經過一系列的放大處理輸送到傳感器內部形成一個中頻穩幅磁場。信號接收是通過傳感器內部線圈接收到這個電磁場信號經過A/D數據采集轉化成一個電壓信號，送入CPU處理。當此電壓信號有變化時，CPU立即啟動判斷程序，判斷是否有金屬通過，如是金屬CPU將輸出信號到驅動單元，讓輸送機停止輸送或啟動剔除裝置進行剔除金屬作業;如不是金屬CPU將繼續等待下一個電壓信號變化。通過事先編制好的程序，區別金屬信號和干擾信號的特點，就能有效區分是金屬信號還是干擾信號。

2 A/D數據采集

由CPU控制的A/D數據采集是該套檢測系統中的核心，其作用就是將從接收單元接接收到的電磁場信號由模擬信號轉換成適合于數字處理的二進制數。系統中CPU采用Atmel公司生產的AT89C52芯片實現A/D轉換系統。AT89C52與MCS-51單片機完全兼容，采用靜態時鐘方式，可以降低耗電量。其內部有FLASH存儲器，在系統開發時可以十分容易地進行程序修改。而且在系統工作中，突然掉電也能有效地保存一些數據信息[1]。

A/D數據采集采用美國MAXIM近年的新產品MAX197芯片。MAX197是一款新型A/D轉換芯片，采用逐次逼近工作方式，有標準的微機接口;12位高精度的A/D轉換;轉換時間為6 μs，100 KB/s采樣速率;三態數據I/O口用作8位數據總線，數據總線的時序與大多數通用的微處理器兼容;全部邏輯輸入/輸出與TTL/CMOS電平兼容;多路輸入錯誤保護，過壓容限可達±16.5 V;八路模擬通道;可用軟件選擇內部或外部時鐘;可選擇兩種低功耗工作方式，同時具有兩種電壓基準模式，本系統中采用外部電壓基準模式，此模式需要+5 V的供電電壓和2.5 V的基準電壓[2]。

電源電路部分是通過線性穩壓器MAX8875和電壓基準芯片MAX6192來實現的。關于這兩款芯片的特點限于篇幅在這里就不一一做介紹，下面將介紹金屬檢測系統中A/D數據采集的硬件和軟件設計。

2.1 硬件電路設計

硬件電路設計分成三個模塊:單片機模塊部分的電路原理圖、電源模塊部分的電路原理圖及A/D模塊部分的電路原理圖。單片機模塊部分電路原理圖如圖2所示[3]。

由圖2可以看出，單片機的P0.0~P0.7口與MAX197的D0~D7相連，單片機的P1.0腳和A/D芯片MAX197的中斷輸出腳INT相連。連接的目的是單片機通過查詢此因腳的高低電平檢測是否完成一次A/D轉換;P1.1腳和MAX197的HBEN引腳相連，單片機通過設置此引腳可以讀取12位數據的高低位;P2.0腳的作用是通過反相器74LS04向MAX197提供片選信號ADCS;START非為外部控制腳，它通過觸發單片機的外部中斷0啟動A/D轉換[4]。

電源模塊部分的電路原理圖如圖3所示[5]。

圖2 單片機模塊部分的電路原理圖

圖3 電源模塊部分的電路原理圖[7]

A/D模塊部分的電路原理圖如圖4所示。

圖4 A/D模塊部分的電路原理圖

選擇MAX197為軟件設置低功耗工作方式，所以置SHDN腳為高電平。該系統采用內部基準電壓，所以REF，REFDJ均通過電容接地。單片機的P2.1腳用作判斷高、低位數據的選擇線，直接與HBEN腳相連。因而讀低8位時，MAX197的地址為OFCFFH，讀高4位數據時，MAX197的地址為OFDFFH。MAX197的INT腳與用戶接口中的XINT相連，作為轉換識別信號，當數據轉換完畢時，MAX197的INT腳產生中斷信號，從而使處理器進入INT0中斷處理程序進行一路轉換數據的讀入操作[6]。

2.2 軟件設計

在金屬檢測環節中，必須不停地采集數據送入CPU中處理，以判斷是否有金屬通過傳感器。在整個檢測過程中A/D轉換程序是最關鍵的一步。以下介紹MAX197芯片的A/D轉換程序。

MAX197 A/D轉換芯片的突出特點在于它的很多硬件功能都是利用內部控制字來實現的，如通道選擇、模擬信號量程、極性等。它的輸出數據方式有兩種:一種是采用無符號二進制(單極性輸入方式);另一種是二進制補碼形式(雙極性輸入方式)。

在正確進行采集轉換并讀取數據之前，要正確設置控制字以及MAX197的各種控制信號。當CS和RD都有效時，HBEN為低電平，低8位數據被讀出;HBEN為高電平，復用的高4位被讀出，另外4位保持低電平(在單極性方式下)，或另外4位為符號位(在雙極性方式下)。該系統中，進行數據采集轉換前需要對MAX197進行初始化，以便確定其采集轉換的通道、量程和極性等各種參數。

2.2.1 MAX197控制字

MAX197控制字的PD1，PD0有兩種，分別為時鐘和低功耗模式。ACQMOD0為內部控制采集，ACQMOD1為外部控制采集;RNG選擇輸入端的滿量程電壓范圍;BIP選擇單極性、雙極性轉換模式;A2，A1，A0這三位是用于選擇多路輸入通道的地址。采用內部采集控制模式時，在WR的上升沿T/H進入跟蹤模式，當內部定時采集過程結束時進入保持模式。

對于下降速率小于1.5 s的低阻輸入源，在最大轉換速率時能保證轉換精度。在外部采集控制模式下，在第一個WR上升沿T/H進入跟蹤模式;當檢測到第二個WR的上升沿用D5=0時，進入保持模式。其輸入量程及保護方式為:在VEF=4.96 V時，MAX197通過軟件設置控制字的D3，D4位，可選擇輸入量程為±10 V，±5 V，0~10 V，0~5 V。MAX197控制字內容如表1所示[7]。

表1 MAX197控制字內容

D7(MSB)D6D5D4D3D2D1D0

PD1PD0ACQMODRNGBIPA2A1A0

2.2.2 A/D轉換的控制與讀取程序流程

為了提高程序編寫效率，該系統采用目前廣泛使用的MCS-51單片機高級語言C51作為軟件開發工具[8]。

A/D轉換的控制與讀取程序流程如圖5所示[9]。

圖5 A/D轉換程序流程圖

2.2.3 A/D數據采集主程序說明

A/D數據采集主程序代碼及其說明如下:

#include

#include

#define uchar unsigned char;//MAX197片外地址定義

uchar CH0DataL，CH0DataH;

#define adch0 XBYTE[0x0100]

sbit ADINT=P1^0;//MAX197片外地址定義

sbit HBEN=P1^1;//MAX197數據總線復用控制

#endif

main()

{

EA=1;

EX0=1;//打開外部中斷0

While(1);//無限循環，等待外部中斷0啟動模/數轉換

}

void int0svr(void) interrupt using 1;//外部中斷0服務子程序;

{

EX0=0;//關閉外部中斷0

Adch0=0x40;//向MAX197的控制字寄存器寫入控制字0x40;

//PD1=0，PD0=1:正常工作，內部時鐘模式;

//ACQMOD=0:內部控制采集;

//RNG=0，BIP=0:0~5 V測量范圍;

//A2=A1=A0=0:測量通道為0號

While (ADINT!=0);//查詢MAX197的中斷輸出ADINT，檢測是否完成了

//信號的一次模/數轉換

{

HBEN=0;//當轉換完成時，先設置HBEN=0，即先讀低位

}

CH0Datal=adch0;

HBEN=1;//設置HBEN=1，再讀高位

CH0DataH=adch0;

HBEN=0;

EX0=1;//打開外部中斷0

}

3 系統抗干擾措施

在A/D數據采集過程中，由于傳感器安裝現場電磁環境復雜，機電設備安裝緊湊，電磁干擾強烈，這就要求在系統軟件和硬件上都要采取一些抗干擾的措施。首先在硬件上做PCB設計時采用六層板設計技術，分別為布線和元件層、模擬地和±12 V電源層、數字地以及ECL的VCC信號層、模擬+5 V和數字+5 V和+3.3 V層、模擬-5 V和數字-5 V和+2.5 V層、布線和元件層，并且使用了大面積的電源和地層可以使各信號與地或電源平面之間形成一個緊耦合以達到減少信號線之間的共模干擾[10]。模擬信號與數字信號相互隔離，并單獨供電。這些措施的采用，有效地抑制了信號間的共模干擾。其次在軟件上編寫數據處理程序時增加了一段判斷采集數據是否屬于干擾信號的子程序。因為干擾信號與金屬信號在信號特點上會有差別，所以在事先編寫程序時把干擾信號與金屬信號的特征量進行比較。該程序很復雜，限于篇幅在這里不做一一介紹。

4 結 語

A/D數據采集在金屬檢測器系統中的應用已經很成熟，目前金屬檢測器已經是機場、食品、醫藥、木材、煙草、塑料、服裝、化工等行業中一種不可或缺的重要設備。隨著單片機控制技術的發展，各種設備智能化發展是一種趨勢。這里就金屬檢測器的A/D數據采集與單片機的接口做了簡單介紹，具有一定的參考價值，經過實踐證實其實用可靠。當然還有很多的相關技術都有待進一步的研究和開發，特別是對抗干擾特性的認識，會促進金屬檢測這一技術的完善和發展。

參 考 文 獻

[1]Atmel Microcontroller handbook[Z].2007.

[2]蘭吉昌.單片機C51完全學習手冊[M].北京:化學工業出版社，2008.

[3]張毅剛.新編MCS-51單片機應用設計[M].哈爾濱:哈爾濱工業大學出版社，2003.

[4]戴佳，戴衛恒.C51單片機C語言應用程序設計實例精講[M].北京:電子工業出版社，2006.

[5]邊春元.C51單片機典型模塊設計與應用[M].北京:機械工業出版社，2008.[6]劉文濤.單片機語言C51典型應用設計[M].北京:人民郵電出版社，2005.

[7]郭天祥.新概念51單片機C語言教程:入門、提高、開發拓展全攻略[M].北京:電子工業出版社，2009.

[8]馬忠梅.單片機的C語言應用程序設計[M].北京:北京航空航天大學出版社，1999.

[9]張友德.單片微型機原理、應用與實驗[M].上海:復旦大學出版社，1999.

[10]楊克俊.電磁兼容原理與設計技術[M].北京:人民郵電出版社，2004.