霍爾接近開關金屬探測器系統設計

陳 蕩，陳 杰，連 晟，王祥力，吳 浩

(武漢工程大學電氣信息學院，湖北武漢430074)

0 引言

由于生活中旅行、冶金、食品和藥品等方面對安全問題的要求越來越高，而這些方面時常有來自金屬物質的安全威脅，因此，設計一種金屬探測器對人們的衣食住行來進行保護和檢測變得越來越重要，怎樣提升和完善金屬探測器的性能也成為了國內該領域的一個亟待解決的問題[1］。隨著霍爾接近開關的發展，使得金屬探測方法得到了快速的更新，在小車保護系統[2］以及工業位移監測裝置等領域得到了極大的應用，但是大多缺乏穩定的軟件算法，其檢測的穩定性和實時性受到了極大的限制[3］。

為提升和完善金屬探測器的性能以及探測的有效性[4］，本文采用了軟硬件結合的方法，運用霍爾接近開關元件來對金屬進行檢測，當檢測到金屬，輸出數字量，然后傳送到單片機進行數據處理，通過單片機控制檢測指示燈的亮滅，最后通過串口總線與電腦相連，在PC機上編程實現遠程監控金屬的檢測情況。

1 系統工作原理和整體構架

1.1 工作原理

本文采用霍爾接近開關對金屬進行檢測，霍爾接近開關是根據霍爾效應制成的一種傳感器，當一塊通有電流的金屬或半導體薄片垂直放在磁場中，薄片的兩端就會產生電位差，這種現象就稱為霍爾效應[5］。常見的接近開關有機械式、電磁感應式和永磁式，本文采用的是電磁感應式接近開關之中的電感式霍爾接近開關，該類型的傳感器是一種金屬感應器件，當金屬物體靠近振蕩感應頭時，物體內部產生渦流。這個渦流反作用于接近開關，使接近開關振蕩能力衰減，開關內的振蕩器由于外界環境發生變化而引起頻率偏移或停振，由此識別有無金屬物體靠近，進而使開關通或斷。

本文采用南通杰諾公司的霍爾接近開關HJ12-ZNK10，其檢測距離可以達到10 mm，反應頻率達到10 kHz，其輸入輸出口均用連接線引出，方便與后置電路的連接。霍爾接近開關如圖1所示。

圖1 霍爾接近開關

1.2 系統構架

本文設計系統可以分為3個部分。第1部分是數據的采集，由霍爾接近開關傳感器檢測到金屬后，輸出數字量;第2部分是數據的處理，霍爾傳感器產生的數據送到單片機后，經單片機的處理，輸出控制信號，對檢測指示燈的亮滅進行控制;第3部分是上位機通信模塊，通過RS-485總線與PC機通信，通過VC編程實現遠程監控檢測裝置。整體框圖如圖2所示。

圖2 系統整體框圖

2 硬件設計及實現

2.1 電源模塊的設計

本文設計系統分為3部分，每部分所用的電源電壓不盡相同。單片機的工作電壓是3.3 V，而霍爾元件和RS485總線模塊的工作電壓是5 V，故需要額外的電壓轉換電路，其中3.3 V電壓用VDD來表示，5 V電壓用VCC來表示[2］，其電源電壓轉換的電路如圖3所示。

2.2 RS-485 總線

本文設計采用異步串行通信的方式，而單片機UART可以實現單片機與PC機之間的通信[6］。為了提高串行通訊的可靠性，增大通訊距離，本文設計采用RS-485的標準串行接口來與PC機進行通訊，RS-485為半雙工，采用一對平衡差分信號線。RS-485傳輸速率最高為10 Mbit/s，最長電纜長度為1 200 m[7］。本文設計采用的RS-485驅動器和接收器芯片為MAX485，其引腳圖如圖4所示。

圖3 電源電壓轉換電路圖

圖4 MAX485封裝引腳圖

2.3 單片機控制電路的設計

根據霍爾接近開關元件以及單片機的特點，單片機控制電路設計如圖5所示。霍爾接近開關的輸出端與單片機的P1.0相連，用于對輸出開關量的采集;單片機P1.1用于控制指示燈，當檢測到了金屬，輸出高電平，使發光二極管D3亮，沒檢測到金屬，則輸出低電平，使發光二極管D3保持熄滅狀態;單片機的AGND、AV+、P2.0、RST口用于與C2仿真器的連接，下載程序到單片機進行在線調試，其中RST用作復位。單片機的P0.4，P0.5使用第二功能，用于串行口接收與發送，與MAX485的DI和RO相連;單片機P0.6與串口芯片MAX485的使能端DE相連，用于控制MAX485的工作狀態。

3 軟件實現部分

基于C8051F350單片機的指令系統比較簡單，實現的功能更加強大，對輸入開關量的處理以及與PC機的通訊采用C語言編程實現，軟件開發環境采用Silicon Laboratories IDE[4］。

3.1 主程序流程設計

主程序流程如圖6所示，按下開關S1，程序開始運行，先對各寄存器的狀態、單片機I/O端口、內部晶振以及液晶顯示屏進行初始化。主程序進行數據的采集、處理并與上位機進行通訊。單片機采用中斷方式運行，當檢測到金屬時，霍爾接近開關輸出高電平1，單片機檢測到P1.0為高電平后，立即產生中斷，進行串行通訊，把數據傳送到上位機，并控制P1.1為高電平，使檢測指示燈D3發亮。

圖5 單片機控制電路圖

3.2 PC機遠程監控結果

根據上面的概述，當檢測到金屬時，單片機的P1.0會變為高電平1，從而控制指示燈D3發亮，表明檢測到了金屬，然而這種情況下，在不同地方檢測金屬時，往往需要現場有人去觀測指示燈的亮滅，既耗費人力，也降低了檢測效率。為了解決這個問題，可以在PC機上用VC++編程實現遠程模擬監控指示燈的狀態，這樣既高效又人性化[8-11］。

VC++是在Windows平臺下構建32位應用程序的強大而又復雜的開發工具。當在PC機遠程模擬監控指示燈時，就達到了遠程監控的目的，當現場D3燈發亮時，其相對應的虛擬指示燈同步發亮，這樣操作人員在監控室里就能監控多處的金屬探測器，從而做出相應的處理，這樣的方法實時高效。

假設檢測10個不同地點的金屬情況，對各個節點標號為LED#1～LED#10，當沒有檢測到金屬時，各虛擬指示燈均處于熄滅狀態。當10處節點都檢測到了金屬，則所有的虛擬指示燈均發亮顯示。

圖6 主程序流程圖

當只有節點1、2、5、7檢測到了金屬時，LED#1、LED#2、LED#5、LED#7 虛擬指示燈發亮，顯示如圖7所示。

本文設計系統采用霍爾接近開關與金屬接觸輸出開關量來對金屬進行檢測，距離越近，霍爾接近開關越靈敏，其輸出端的電壓也越大。在實驗階段，標定霍爾接近開關與金屬之間的距離，通過萬用表測量輸出端的電壓，測得位移-電壓的數據如表1所示。

圖7 虛擬指示燈部分亮顯示圖

表1 霍爾接近開關與金屬位移－電壓關系

由上面的分析與實驗得出:當在現場本節點檢測出了金屬，其對應監控室指示燈做出反應發亮，精確指示哪個節點檢測到了金屬。從而驗證了此方案的可行性，提高了金屬檢測的效率。

4 結束語

本文設計過程中，采用了軟硬件結合的方式，利用金屬的霍爾效應來實現對金屬的檢測，硬件部分的設計采用了比較成熟的單片機檢測與控制系統，此方案的重點和難點在于軟件部分的設計，采用此種通訊方式實現下位機與上位機的通訊，以及上位機界面如何更直觀化地顯示檢測結果。此方案實現的成本相對低廉，檢測的準確性高，還可應用于一些管道堵點的檢測。此方法將會得到越來越廣泛的應用。

[1]黃勇.金屬探測器的研究與設計[D］.廣州:華南理工大學，2010.

[2]許慶.基于MSP430的小車自動保護系統[J］.科學視界，2013(8):46-48.

[3]羅學恒.接近開關與金屬探測研究[J］.武漢職業技術學院學報，2012(11):76-79.

[4]陳杰，陳蕩，熊雄.C8051單片機與霍爾傳感器系統設計[J］.武漢工程大學學報，2012(7):61-65.

[5]秦玉偉，張瑩.磁阻式與霍爾式接近開關性能比較[J］.河南科學，2011(5):77-81.

[6]林游，張俊杰，易凡.霍爾傳感器信號采集與顯示系統設計[J］.現代電子技術，2009，291(4):191-194.

[7]張毅剛，彭喜元，姜守達，等.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，2008:257-260.

[8]孫鑫，余安萍.VC++深入詳解[M］.北京:電子工業出版社，2006:228-230.

[9]張忠祥.基于ATmega8515控制的金屬探測器研究[D］.濟南:山東大學，2009.

[10]范麗珍，李樹華.基于單片機的智能型金屬探測器的設計[J］.內蒙古大學學報，2006(37):185-189.

[11]劉慧娟，李志剛.一種基于電壓和頻率的金屬探測方法[J］.儀器儀表學報，2006(7):769-772.