发布时间 : 星期五 文章金属探测器论文设计更新完毕开始阅读b65f61ce370cba1aa8114431b90d6c85ec3a8818
3 硬件单元电路设计
单元电路设计是在硬件总体设计的指导下完成一个个小的功能电路的设计，在将各个部分组合起来实现一个整体的功能，因此每一个功能电路设计的好坏都将影响系统的整体功能。完成每一个功能电路的设计后，设计阶段才告以段落。这一部分的设计直接与实现紧密联系，器件参数的确定，电路板的焊接与调试，以及到最后的性能分析，都要用到这一部分的设计结果，因此这一部分的设计最有实际价值。
3.1 振荡电路设计
振荡电路部分采用的是电容三点式振荡电路，设计的主旨是在保证产生稳定振荡的前提下，使频率低于300KHz，这样的目的是为了金属探测器在进行工作时不受广播频段的影响。这部分的电路图如图3-1所示。
电路元器件参数是在满足主旨的情况下进行选取的。因此谐振回路中电容C1、C2和电感L的取值分别为0.22μf、0.47μf、500μh。其中电感值只是理论计算的理想值，实际中是用半径0.31mm漆包线绕20圈直径为6cm的线圈而构成的，电感值接近500uf但有一定范围的偏差。偶合电容选用两个10μf的独石电容，旁路电容Cb3选用47μf的铝电解电容。共射极反馈放大电路中的晶体管选用放大倍数超过50倍的CS9014。组装调试后振荡电路的实际频率为33KHz满足我们的要求。
电容三点式振荡电路的工作原理分析，假设将反馈回路断开，同时假如晶体管的基极以(+)极性信号，则BJT的集电极为(-)极性(共射极放大电路的反向放大特性)，由于谐振回路的两个电容的一端同时接地，另一端串一电感所以两个电容的极性相反，即反馈端的为(+)极性，因此满足相位平衡条件[15]。电路中晶体管的放大倍数比较大且C1和C2的比值小于0.5，都有利于起振。由于反馈电压是从电容两端去出的对高次谐波的阻抗小，因此可将高次谐波滤除，所以输出的波形好。电容三点式振荡电路的频率为：
f?f0?12?Lc1c2/c1?c2
(3-1) [15]
使用谐振回路中的电感线圈进行金属探测，当遇见金属是电感L1的Q值将发生变化，由电容三点式振荡电路的频率计算公式可以看出，电感增加时谐振频率减小，电感减小时谐振频率增加。电路的谐振频率同时也影响着检测金属的精度，当谐振频率高时线圈产生磁场的变化率也就越高，根据电磁感应原理在金属内部产生的涡流就越大，同是涡流产生磁场对原磁场的影响也就越大。
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图3-1 电容三点式振荡电路
3.2 放大电路和脉冲变换电路
放大电路和脉冲产生电路合起来产生一定频率的脉冲供单片机进行处理。电路原理图如图3-2所示。从振荡回路传过来的正弦波信号经过电压跟随器传送到差分放大电路针对其交流信号进行放大，放大后产生的电压信号送给TTL门电路对其进行整形以产生规则的脉冲波送入单片机。电压跟随器和差分运放均选用LM358[12]。将集成运放的输出端和它的反向输入端相连就构成了电压跟随器，由于它的电压增益为“1”所以叫电压跟随器，它的特点是输入阻抗高输出阻抗低，因此起到隔离的作用，对其后的工作电路如同一个恒压源，又由于它的输入阻抗高就相当与对前级电路开路，这里引入电压跟随器的目的也是为了使振荡信号的产生和处理分开，使其互不影响。
放大部分的作用是对正弦交流信号进行无穷放大，LM358的反向端接受电压跟随器穿过来的电压信号，同向端和反向端接一5K的分压电阻，给与同向端并联的电阻并联一个10μf的电解电容的目的是为了使同向端保持一个稳定的直流分压，这样送往集成运放的差分电压信号就只是交流信号，在交流信号进行无穷倍的放大，最终产生的是频率与正弦波频率相同的梯形波。
门电路选用的是74LS08(与门)，用史密特触发器替换也可以，它对输入的梯形波进行逻辑运算在以TTL电平出运算结果，因此可以将梯形波转换成适合于单片机进行处理
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的脉冲波。
图3-2 放大与脉冲转换电路
使用LS08进行波形变换的原理图如图3-2所示，正弦波经过图3-2的放大模块后变为梯形波，梯形波经过74LS08（与门）[14]，最后变换为标准的方波，如图3-3所示。
0 整形波形 振荡波形 0 图3-3 波形转换[21] 3.3 单片机系统
图3-4就是单片机处理系统，将频率探测、报警和通讯几个模块程序组合起来烧写进去，它就会按你事先编写好的步骤进行工作。
1）复位电路
REST引脚一但变成两个周期以上高电平所有的I/O口都将复位到“1”状态，编程地址计数器复位到000H，针对这一特点在按钮两端并联一10μf的电解电容，正极接电源，这样在按钮按下又释放后由于电容的充电可以在电阻两端维持至少两个时钟周期以上的高电平。
2）蜂鸣器
在给蜂鸣器的正极和负极分别通上高电平和低电平时蜂鸣器就会发声，因此你可以通过给蜂鸣器不同频率的电平来使它发出不同的声音。
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3）单片机
单片机选用的是AT89C2051高性能CMOSE8位单片机，内含2K的可反复檫写的FLASH只读存储器和128B的随机存储器[16][24][25]。由于本次金属探测器的设计，包括前端金属探测部分和后台数据处理和显示两个部分，因此在前断只需要一个容量不大的单片机进行振荡频率的测量、报警和通信，2K的AT89C2051足以满足需求。2051的“1”号记数器记录由LS08发送过来的脉冲信号，联合“0”号计数器来检测振荡电路的频率。再根据频率的变化激活相应的发光二极管和峰鸣器进行报警。
图3-4 前端金属探测部分单片机系统
3.4 外围设置与显示系统
图3-5和图3-6是外围设置与显示系统，它有三部分构成：键盘输入、液晶显示和单片机系统。
1）键盘输入
键盘采用的是2×3的按键阵列，如图3-5所示。该阵列键盘的工作原理是，将两条行线和3条列线接入AT89S52的一组I/O双向接口(比如：P1的低5为)，在程序中通过给行线和列线先后输入，高电平低电平、低电平和高电平来判断是哪个按钮按下。例如给P1的低5位的电平信号为11000，假如现在第2个按钮按下则此时的管脚电平信号为01000，
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