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1、摘 要传统的金属探测方法存在干扰能力差、容易产生误动作的缺点。本设计是基于AT89S52单片机控制的智能型金属探测器。该金属探测器采用LJ12A3-4-Z/BX作为传感器，来感应金属涡流效应引起的通电线圈磁场的变化，并将磁场变化转化为电压的变化，单片机测得电压值，并与设定的电压基准值相比较后，决定是否探测到金属。在软件设计中，采用了数字滤波技术消除干扰，提高了探测器的抗干扰能力，确保了系统的准确性。关键词：单片机，金属探测器，电磁感应，灵敏度ABSTRCTT The traditional metal detection methods exist interference ability i
2、s poor, easy to produce the misoperation shortcomings. This design is based on the intelligent AT89S52 SCM control metal detectors. The metal detector using LJ12A3-4 - Z/BX as sensor and to induction metal eddy current effect caused by the magnetic field changes, electricity coil and magnetic field
3、changes into voltage change, SCM measured voltage values, and with setting the voltage value, decide whether compared to detect metals. In software design, using a digital filtering technology eliminate interference, improve the anti-interference ability of a probe, to ensure the accuracy of the sys
4、tem.Keywords: microcontroller, metal detectors, electromagnetic induction, sensitivity目录摘 要1ABSTRCT2目录3第一章 绪 论411 金属探测器的历史发展与现状42金属探测器方案设计72.1 方案设计依据72.2 系统总体设计框图73 金属探测系统主要器件简介93.1 LJ12A3-4-Z/BX传感器93.1.1 LJ12A3-4-Z/BX简介93.1.2 LJ12A3-4-Z/BX 分类及特点93.2主控制器89C51103.2.1 89C51主要特性113.2.2 89C51程序存储器133.3
5、ADC0809153.3.1 ADC0809主要特性153.3.2 ADC0809内部结构153.3.3 ADC0809引脚功能164 金属探测器总体设计184.1 硬件电路设计184.1.1 单片机最小系统184.1.2 金属探测电路214.1.3 报警电路214.1.4 程序下载电路224.1.5 电源电路224.2 软件设计234.1.1 主程序流程图234.1.2 程序清单23总 结24参考文献25附录一：金属探测器原理图26附录二：程序清单27第一章 绪 论11 金属探测器的历史发展与现状 70年代随着航空业迅速发展，却机各危险事件的发生使航空及机场安全逐渐受重视，于是在机场众多设备
6、中金属探测门扮演着排查违禁物品的重要角色。同样在70年代，由于金属探测门在机场安检中的崭露头角，大型运动会（如奥运会）展览会及政府重要部门的安全保卫工作中开始启用金属探测门作为必不可少的安检仪器。七十年代起，随着航空业的迅速发展，航空及机场安全逐渐受到重视，为防止旅客携带武器上机，避免动机或危险事件的发生，金属探测门便成为各机场必备的安防设备，金属探测技术也得到了新的应用，并进而逐步发展至其他领域的应用。1 金属探测器的历史发展金属探测器因其功能和市场应用领域的不同，分为以下几种：通道式金属探测器（又称：金属探测门；简称：安检门）、手持式金属探测器、便携式金属探测器、台式金属探测器、工业用金属
7、探测器和水下金属探测器。全球第一台金属探测器诞生于1960年，步入工业时代最初的金属探测器也只要应用于工矿业，是检查矿产纯度、提高效益的得力帮手。随着社会的发展，犯罪案件的上升，1970年金属探测器被引入一个新的应用领域-安全检查，也就是今天我们所使用的金属探测门的雏形，它的出现意味着人类对安全的认知已步入一个新纪元。一个产品的初选带动了一个行业的发展，于是安检这个既陌生又熟悉的行业开始进入市场，40多年过去了，金属探测器经历了几代探测技术的变革，从最初的信号模拟技术到连续波技术直到今天所使用的数字脉冲技术，金属探测器简单的磁场切割原理被引入多种科学技术成果。无论是灵敏度、分辨率、探测精确度还
8、是工作性能上都有了质的飞跃，应用领域也随着产品质量的提高延伸到了多个行业。70年代随着航空业迅速发展，劫机和危险事件的发生使航空及机场安全逐渐受到重视，于是在机场众多设备中金属探测门扮演着排查违禁物品的重要角色。同样在70年代，由于金属探测门在机场安检中的崭露头角，大型运动会（如奥运会）展览会及政府重要部门的安全保卫工作中开始启用金属探测门作为必不可少的安检仪器。发展到80年代，监狱暴力案件呈直线上升趋势，如何及早有效预防并阻止暴力案件发生成了监狱管理工作中的重中之重，在依靠警员对囚犯加强管理的同时，金属探测门再次成为了美国、英国、比利时等发达国家监狱管理机构必备的安检设备，形成平均每300个
9、囚犯使用一台金属探测门用于安检；遇刺同时西方兴起的“寻宝热”，也使手持式、便携式金属探测器得到长足的发展。进入90年代，迅速升温的电子制造业成了这个时代的宠儿，大型的电子公司为了减少产品的流失、结束员工与公司的尴尬局面，陆续采用金属探测门和手持式金属探测器作为管理员工行为、减少产品流失的利刃。于是金属探测器又有了它新的角色产品防盗。9.11时间以后，反恐成为国际社会一个重要议题。爆炸案、恐怖活动的猖狂使恐怖分子成了各国安全部门誓要打击的对象。此时国际社会对“安全防范”的认知也被提到一个新的高度。受9.11事件影响，各行各业都增加了保安工作的部署，正是受此影响金属探测器的应用领域成功地渗透到其他
10、行业。如：娱乐场所。公共娱乐场所的治安问题历来是社会各界关注的焦点。据统计，每年娱乐场所恶性打架斗殴时间和刑事案件法案率占60%以上，其他案凶器均是消费者随身带入娱乐场所。然而此时简单的通道式金属探测门已不能完全满足安检的要求，安保人员需要的是一种能准确判定金属物品藏匿位置的安检产品。于是多区位金属探测技术孕育而生，它的诞生是金属探测器发展历史上的又一次变革，原来单一的磁场分布变成了现在相互和而又相对独立的多个磁场，再根据人体工程学原理把探测门体分为多个区域使之与人体相对应，相应的区域在金属探测门上形成相对的区域，这样金属探测门便拥有了报警定位功能。2 国内金属探测器的发展状态随着国内安防行业
11、的蓬勃发展，在安检领域，国内出现了多个金属探测器生产厂家，但在国内市场占有率上来看国外品牌占有80%的市场份额，民航市场也一直是国内金属探测器的禁区。究其原因，大部分是因为产品质量部过关导致相关认证拿不到。其实，国内金属探测器产品的研发、生产和推广，近几年已获得较大进步。但是，犹如其他电子类产品一样，金属探测器同样出现了电路仿制、性能相同、功能繁多、华而不实的现象。某些所谓生产厂商这种投入小、研发周期短的商业行为势必导致产品的一致性差，可靠性低一级安检产品社会信誉度降低，设备从根本上保证不了安检要求。2002年是国产探测器洗心革面，业绩辉煌的一年，政府对安防行业的大力支持，及“十五计划”指导思
12、想的延伸使一些生产厂商越来越注重自身产品质量的提高，无论是产品性能还是外观都越来越接近国外产品，甚至在某些功能上已超过国外产品。在产皮开发、生产过程中考虑最多的也是如何适应国内安检市场、满足客户要求。实现安检设备国产化，符合中国国情。2003年的国内金属探测器市场可谓硝烟弥漫，无论是国外品牌还是国内品牌竞争异常激烈，都企图在大陆市场在多分一杯羹，重新划分现有市场格局。于是国内品牌率先打出了电脑联网功能的招牌。最终赢得了这场技术战。本文介绍的基于单片机的智能型金属探测器，采用灵敏度极高的线性霍尔元件作为传感器，感应由于金属出现引起的探测线圈周围磁场的变化，提高了检测精度:处理部件则采用AT89S
13、52单片机作为检测和控制核心，对检测结果进行分析判断，有效地保证了检侧原理的实施；此外，利用软件滤波的方法代替了传统探测器复杂的模拟电路器件，大大提高了系统的可靠性、灵敏度和抗干扰性。2金属探测器方案设计2.1 方案设计依据金属探测器是采用线圈的电磁感应原理来探测金属的。根据电磁感应原理，当有金属物靠近通电线圈平面附近时，将发生线圈介质条件的变化和涡流效应两个现象。当有金属靠近通电线圈平面附近时，将使通电线周围的磁场发生变化。根据电磁理论，当金属物体被置于变化的磁场中时，金属导体内就会产生自行闭合的感应电流，这就是金属的涡流效应。涡流要产生附加的磁场，与外磁场方向相反，削弱外磁场的变化。据此，
14、将一交流正弦信号接入绕在骨架上的空心线圈上，流过线圈的电流会在周围产生交变磁场，当将金属靠近线圈时，金属产生的祸流磁场的去磁作用会削弱线圈磁场的变化。金属的电导率越大，交变电流的频率越大，则祸电流强度越大，对原磁场的抑制作用越强。 通过以上分析可知，当有金属物靠近通电线圈平面附近时，无论是介质磁导率的变化，还是金属的涡流效应均能引起磁感应强度B的变化。对于非铁磁性的金属包括抗磁体(如:金、银、铜、铅、锌等)和顺磁体(如锰、铬、钦等) ，较大，可以认为是导电不导磁的物质，主要产生涡流效应，磁效应可忽略不计；对于铁磁性金属（如：铁、钴、镍）很大，也较大，可认为是既可导电又导磁的物质，主要产生磁效应
15、，同时又有涡流效应。本设计正是基于这样的理论，采用LJ12A3-4-Z/BX（接近开关传感器）来感应线圈的磁场变化，并把磁场信号的变化转变成电信号的变化，从而实现51单片机控制的金属探测控制。2.2 系统总体设计框图如图2.1所示，整个探测系统以8位单片机AT89S51作为控制核心，包括：金属传感器、AT89S51单片机、声光报警电路及电源电路等。ATS89C51金属传感器器电源声光报警复位 图4.1 系统结构框图3 金属探测系统主要器件简介3.1 LJ12A3-4-Z/BX传感器3.1.1 LJ12A3-4-Z/BX简介LJ12A3-4-Z/BX(接近开关传感器)集成电路接近开关,亦称无触点
16、接近开关,它由振荡器和整形放大器组成振荡器起振后在开关的感应头上产生一个交变的磁场,当金属体接近感应区时，在金属体内产生了涡流,从而吸收了振荡的能量,使振荡幅度减弱以至于停振使接近开关达到反转的目的,由整形放大器换成二进制的开关电信号,从而达 到检测的目的. 接近开关为高频振荡型,它以无接触、无压力、无火花，迅速地发出检测信号，用以驱动继电器或逻辑门，它具有灵敏度高，频率响应快，重复定位精度高，舜变过程短，输出功率大，抗干扰性能好，工作稳定性可靠，使用寿命长等优点，开关内充以树脂，使其全封闭，具有耐振、耐腐蚀及防水等特点。广泛用于现代轻工、机械、冶金、交通、电力、军工、纺织、化工、矿山、科研等
17、部门的机床和工业生产自动线上，作定位、检测、测速、记数等用，是理想的位置传感器。本厂生产的交直流接近开关，内在功能和外壳安装尺寸，均与日、德、法、美等国同类产品相似，可直接代替进口产品。3.1.2 LJ12A3-4-Z/BX 分类及特点接近传感器可以在不与目标物实际接触的情况下检测靠近传感器的金属目标物。根据操作原理，接近传感器大致可以分为以下三类：利用电磁感应的高频振荡型，使用磁铁的磁力型和利用电容变化的电容型。特点：1) 非接触检测，避免了对传感器自身和目标物的损坏。2) 无触点输出，操作寿命长。3) 即使在有水或油喷溅的苛刻环境中也能稳定检测。4) 反应速度快。5) 小型感测头，安装灵活
18、。 接近开关是一种毋需与运动部件进行机械接触而可以操作的位置开关，当物体接近开关的感应面到动作距离时，不需要机械接触及施加任何压力即可使开关动作，从而驱动交流或直流电器或给计算机装置提供控制指令。接近开关是种开关型传感器（即无无触点开关），它即有行程开关、微动开关的特性，同时具有传感性能，且动作可靠，性能稳定，频率响应快，应用寿命长，抗干扰能力强等、并具有防水、防震、耐腐蚀等特点。产品有电感式、电容式、霍尔式、交、直流型。 接近开关又称无触点接近开关，是理想的电子开关量传感器。当金属检测体接近开关的感应区域，开关就能无接触，无压力、无火花、迅速发出电气指令，准确反应出运动机构的位置和行程，即使
19、用于一般的行程控制，其定位精度、操作频率、使用寿命、安装调整的方便性和对恶劣环境的适用能力，是一般机械式行程开关所不能相比的。它广泛地应用于机床、冶金、化工、轻纺和印刷等行业。在自动控制系统中可作为限位、计数、定位控制和自动保护环节。接近开关具有使用寿命长、工作可靠、重复定位精度高、无机械磨损、无火花、无噪音、抗振能力强等特点。因此到目前为止，接近开关的应用范围日益广泛，其自身的发展和创新的速度也是极其迅速。主要功能：（1）检验距离检测电梯、升降设备的停止、起动、通过位置；检测车辆的位置，防止两物体相撞检测；检测工作机械的设定位置，移动机器或部件的极限位置；检测回转体的停止位置，阀门的开或关位
20、置；检测气缸或液压缸内的活塞移动位置。（2）尺寸控制金属板冲剪的尺寸控制装置；自动选择、鉴别金属件长度；检测自动装卸时堆物高度；检测物品的长、宽、高和体积。（3）检测物体存在有否检测生产包装线上有无产品包装箱；检测有无产品零件。（4）转速与速度控制控制传送带的速度；控制旋转机械的转速；与各种脉冲发生器一起控制转速和转数。（5）计数及控制检测生产线上流过的产品数；高速旋转轴或盘的转数计量；零部件计数。（6）检测异常检测瓶盖有无；产品合格与不合格判断；检测包装盒内的金属制品缺乏与否；区分金属与非金属零件；产品有无标牌检测；起重机危险区报警；安全扶梯自动启停。（7）计量控制产品或零件的自动计量；检测
21、计量器、仪表的指针范围而控制数或流量；检测浮标控制测面高度，流量；检测不锈钢桶中的铁浮标；仪表量程上限或下限的控制；流量控制，水平面控制。（8）识别对象根据载体上的码识别是与非。（9）信息传送ASI（总线）连接设备上各个位置上的传感器在生产线（50-100米）中的数据往返传送等。3.接近开关分类及结构接近开关的作用是当某物体与接近开关接近并达到一定距离时，能发出信号。它不需要外力施加，是一种无触点式的主令电器。它的用途已远远超出行程开关所具备的行程控制及限位保护。接近开关可用于高速计数、检测金属体的存在、测速、液位控制、检测零件尺寸以及用作无触点式按钮等。就目前应用较为广泛的接近开关按工作原理
22、可以分为以下几种类型：高频振荡型：用以检测各种金属体电容型：用以检测各种导电或不导电的液体或固体光电型：用以检测所有不透光物质超声波型：用以检测不透过超声波的物质电磁感应型：用以检测导磁或不导磁金属按其外型形状可分为园柱型、方型、沟型、穿孔（贯通）型和分离型。园柱型比方型安装方便，但其检测特性相同，沟型的检测部位是在槽内侧，用于检测通过槽内的物体，贯通型在我国很少生产，而日本则应用较为普遍，可用于小螺钉或滚珠之类的小零件和浮标组装成水位检测装置等。接近开关按供电方式可分为；直流型和交流型，按输出型式又可分为直流两线制、直流三线制、直流四线制、交流两线制和交流三线制。（1）两线制接近开关两线制接
23、近开关安装简单，接线方便；应用比较广泛，但却有残余电压和漏电流大的缺点。（2）直流三线式直流三线式接近开关的输出型有NPN和PNP两种，70年代日本产品绝大多数是NPN输出，西欧各国NPN、PNP两种输出型都有。PNP输出接近开关一般应用在PLC或计算机作为控制指令较多，NPN输出接近开关用于控制直流继电器较多，在实际应用中要根据控制电路的特性进行选择其输出形式。4.接近开关的选型和检测（1）接近开关的选型对于不同的材质的检测体和不同的检测距离，应选用不同类型的接近开关，以使其在系统中具有高的性能价格比，为此在选型中应遵循以下原则：1）当检测体为金属材料时，应选用高频振荡型接近开关，该类型接近
24、开关对铁镍、A3钢类检测体检测最灵敏。对铝、黄铜和不锈钢类检测体，其检测灵敏度就低。2）当检测体为非金属材料时，如；木材、纸张、塑料、玻璃和水等，应选用电容型接近开关。3）金属体和非金属要进行远距离检测和控制时，应选用光电型接近开关或超声波型接近开关。4）对于检测体为金属时，若检测灵敏度要求不高时，可选用价格低廉的磁性接近开关或霍尔式接近开关。（2）接近开关技术指标检测 1）动作距离测定；当动作片由正面靠近接近开关的感应面时，使接近开关动作的距离为接近开关的最大动作距离，测得的数据应在产品的参数范围内。2）释放距离的测定；当动作片由正面离开接近开关的感应面，开关由动作转为释放时，测定动作片离开
25、感应面的最大距离。3）回差H的测定；最大动作距离和释放距离之差的绝对值。4）动作频率测定；用调速电机带动胶木圆盘，在圆盘上固定若干钢片，调整开关感应面和动作片间的距离，约为开关动作距离的80%左右，转动圆盘，依次使动作片靠近接近开关，在圆盘主轴上装有测速装置，开关输出信号经整形，接至数字频率计。此时启动电机，逐步提高转速，在转速与动作片的乘积与频率计数相等的条件下，可由频率计直接读出开关的动作频率。5）重复精度测定；将动作片固定在量具上，由开关动作距离的120%以外，从开关感应面正面靠近开关的动作区，运动速度控制在0.1mm/s上。当开关动作时，读出量具上的读数，然后退出动作区，使开关断开。如
26、此重复10次，最后计算10次测量值的最大值和最小值与10次平均值之差，差值大者为重复精度误差.工作原理：1、电感式接近开关工作原理电感式传感器由三大部分组成：振荡器、开关电路及放大输出电路。振荡器产生一个交变磁场。当金属目标接近这一磁场，并达到感应距离时，在金属目标内产生涡流，从而导致振荡衰减，以至停振。振荡器振荡及停振的变化被后级放大电路处理并转换成开关信号，触发驱动控制器件，从而达到非接触式之检测目的。2 、电容式接近开关的工作原理电容式接近开关的感应面由两个同轴金属电极构成，很象“打开的”电容器电极，该两个电极构成一个电容，串接在RC振荡回路内。电源接通时，RC振荡器不振荡，当一目标朝着
27、电容器的电靠近时，电容器的容量增加，振荡器开始振荡。通过后级电路的处理，将振和振荡两种信号转换成开关信号，从而起到了检测有无物体存在的目的。该传感器能检测金属物体，也能检测非金属物体，对金属物体可以获得最大的动作距离，对非金属物体动作距离决定于材料的介电常数，材料的介电常数越大，可获得的动作距离越大。3 、霍尔开关的工作原理磁式开关是接近开关，它（甚至透过非黑色金属）响应于一个永久的磁场。作用距离大于电感接近开关。响应曲线与永久磁场的方向有关。当一个目标（永久磁铁或外部磁场）接近时，线圈铁芯的导磁性（线圈的电感量L是由它决定的）变小，线圈的电感量也减小，Q值增加。激励振荡器振荡，并使振荡电流增
28、加。当一个磁性目标靠近时，磁式传感器的电流消耗随之增加。优点：-传感器可以安装在金属中附录1：部分常用材料的值材料衰减系数钢1不锈钢0.85黄铜0.3铜0.4电容式接近传感器的原理电容式接近传感器由高频振荡器和放大器等组成，由传感器的检测面与大地间构成一个电容器，参与振荡回路工作，起始处于振荡状态。当物体接近传感器检测面对，回路的电容量发生变化，使高频振荡器振荡。振荡与停振这二种状态转换为电信号经放大器转化成二进制的开关信号。3.2主控制器89C51单片机也被称为微控制器（Microcontroller），是因为它最早被用在工业控制领域。单片机由芯片内仅有CPU的专用处理器发展而来。最早的设计
29、理念是通过将大量外围设备和CPU集成在一个芯片中，使计算机系统更小，更容易集成进复杂的而对体积要求严格的控制设备当中。INTEL的Z80是最早按照这种思想设计出的处理器，从此以后，单片机和专用处理器的发展便分道扬镳。早期的单片机都是8位或4位的。其中最成功的是INTEL的8031，因为简单可靠而性能不错获得了很大的好评。此后在8031上发展出了MCS51系列单片机系统。基于这一系统的单片机系统直到现在还在广泛使用。随着工业控制领域要求的提高，开始出现了16位单片机，但因为性价比不理想并未得到很广泛的应用。90年代后随着消费电子产品大发展，单片机技术得到了巨大的提高。随着INTEL i960系列
30、特别是后来的ARM系列的广泛应用，32位单片机迅速取代16位单片机的高端地位，并且进入主流市场。而传统的8位单片机的性能也得到了飞速提高，处理能力比起80年代提高了数百倍。目前，高端的32位单片机主频已经超过300MHz，性能直追90年代中期的专用处理器，而普通的型号出厂价格跌落至1美元，最高端的型号也只有10美元。当代单片机系统已经不再只在裸机环境下开发和使用，大量专用的嵌入式操作系统被广泛应用在全系列的单片机上。而在作为掌上电脑和手机核心处理的高端单片机甚至可以直接使用专用的Windows和Linux操作系统。AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROMFalsh
31、 Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。图3.1 AT89C51/AT89C20513.2.1 89C51主要特性与MCS-51 兼容 4K字节可编程闪烁存储器 寿命：1000写/擦循环数据保留时间：10年全静态工作：0Hz-24Hz三级程序存储器锁定
32、128*8位内部RAM32可编程I/O线两个16位定时器/计数器5个中断源 可编程串行通道低功耗的闲置和掉电模式片内振荡器和时钟电路 1 管脚说明：VCC：供电电压。GND：接地。 P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。 P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为
33、高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。 P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高
34、八位地址信号和控制信号。 P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示：P3.0 RXD（串行输入口）P3.1 TXD（串行输出口）P3.2 /INT0（外部中断0）P3.3 /INT1（外部中断1）P3.4 T0（记时器0外部输入）P3.5 T1（记时器1外部输入）P3.6 /WR（外部数据存储器写选通）P3.7 /RD（外部数据存储器读选通）RST：复位输入。当振
35、荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。 ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时， ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。 /PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由
36、外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。 /EA/VPP：当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。 XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。 XTAL2：来自反向振荡器的输出。2 振荡器特性：XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以配置为片内振荡器。石晶振荡和
37、陶瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。3.2.2 89C51程序存储器一个微处理器能够聪明地执行某种任务，除了它们强大的硬件外，还需要它们运行的软件，其实微处理器并不聪明，它们只是完全按照人们预先编写的程序而执行之。那么设计人员编写的程序就存放在微处理器的程序存储器中，俗称只读程序存储器(ROM)。程序相当于给微处理器处理问题的一系列命令。其实程序和数据一样，都是由机器码组成的代码串。只是程序代码则存放于程序存储器中。MCS-51具有64kB程序存储器寻
38、址空间，它是用于存放用户程序。数据和表格等信息。对于内部无ROM的8031单片机，它的程序存储器必须外接，空间地址为64kB,此时单片机的端必须接地。强制CPU从外部程序存储器读取程序。对于内部有ROM的8051等单片机，正常运行时，则需接高电平，使CPU先从内部的程序存储中读取程序，当PC值超过内部ROM的容量时，才会转向外部的程序存储器读取程序。当=1时，程序从片内ROM开始执行，当PC值超过片内ROM容量时会自动转向外部ROM空间。当=0时，程序从外部存储器开始执行，例如前面提到的片内无ROM的8031单片机，在实际应用中就要把8031的引脚接为低电平。8051片内有4kB的程序存储单元
39、，其地址为0000H0FFFH,单片机启动复位后，程序计数器的内容为0000H,所以系统将从0000H单元开始执行程序。但在程序存储中有些特殊的单元，这在使用中应加以注意：其中一组特殊是0000H0002H单元，系统复位后，PC为0000H,单片机从0000H单元开始执行程序，如果程序不是从0000H单元开始，则应在这三个单元中存放一条无条件转移指令，让CPU直接去执行用户指定的程序。另一组特殊单元是0003H002AH,这40个单元各有用途，它们被均匀地分为五段，它们的定义如下：0003H000AH外部中断0中断地址区。000BH0012H定时/计数器0中断地址区。0013H001AH外部中
40、断1中断地址区。001BH0022H定时/计数器1中断地址区。0023H002AH串行中断地址区。可见以上的40个单元是专门用于存放中断处理程序的地址单元，中断响应后，按中断的类型，自动转到各自的中断区去执行程序。从上面可以看出，每个中断服务程序只有8个字节单元，用8个字节来存放一个中断服务程序显然是不可能的。因此以上地址单元不能用于存放程序的其他内容，只能存放中断服务程序。但是通常情况下，我们是在中断响应的地址区安放一条无条件转移指令，指向程序存储器的其它真正存放中断服务程序的空间去执行，这样中断响应后，CPU读到这条转移指令，便转向其他地方去继续执行中断服务程序。3.3 ADC08093.
41、3.1 ADC0809主要特性1）8路8位AD转换器，即分辨率8位。 2）具有转换起停控制端。 3）转换时间为100s4）单个5V电源供电 5）模拟输入电压范围05V，不需零点和满刻度校准。 6）工作温度范围为-4085摄氏度 7）低功耗，约15mW。 3.3.2 ADC0809内部结构 图3.2 ADC0809内部结构框图ADC0809是CMOS单片型逐次逼近式AD转换器，内部结构如图3.2所示，它由8路模拟开关、地址锁存与译码器、比较器、8位开关树型DA转换器、逐次逼近寄存器、三态输出锁存器等其它一些电路组成。因此，ADC0809可处理8路模拟量输入，且有三态输出能力，既可与各种微处理器相
42、连，也可单独工作。输入输出与TTL兼容。 图3.3 ADC0809引脚图3.3.3 ADC0809引脚功能 ADC0809芯片有28条引脚，采用双列直插式封装，如图3.3所示。下面说明各引脚功能。 IN0IN7：8路模拟量输入端。2-12-8：8位数字量输出端。ADDA、ADDB、ADDC：3位地址输入线，用于选通8路模拟输入中的一路。如下表1所示。表1 ADDA、ADDB、ADDC真值表 ALE：地址锁存允许信号，输入，高电平有效。 START： AD转换启动信号，输入，高电平有效。 EOC： AD转换结束信号，输出，当AD转换结束时，此端输出一个高电平（转换期间一直为低电平）。 OE：数据
43、输出允许信号，输入，高电平有效。当AD转换结束时，此端输入一个高电平，才能打开输出三态门，输出数字量。CLK：时钟脉冲输入端。要求时钟频率不高于640KHZ。 REF（+）、REF（-）：基准电压。 Vcc：电源，单一5V。 GND：地。 4 金属探测器总体设计4.1 硬件电路设计4.1.1 单片机最小系统图 4.1 89C51单片机最小系统单片机的最小系统是由电源、复位、晶振、/EA=1组成，下面介绍一下每一个组成部分。1.电源引脚 Vcc40电源端GND20接地端工作电压为5V，另有AT89LV51工作电压则是2.7-6V, 引脚功能一样。 2.外接晶体引脚图4.2 晶振连接的内部、外部方
44、式图XTAL119XTAL218 XTAL1是片内振荡器的反相放大器输入端，XTAL2则是输出端，使用外部振荡器时，外部振荡信号应直接加到XTAL1，而XTAL2悬空。内部方式时，时钟发生器对振荡脉冲二分频，如晶振为12MHz，时钟频率就为6MHz。晶振的频率可以在1MHz-24MHz内选择。电容取30PF左右。系统的时钟电路设计是采用的内部方式，即利用芯片内部的振荡电路。AT89单片机内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器。引脚XTAL1和XTAL2分别是此放大器的输入端和输出端。这个放大器与作为反馈元件的片外晶体谐振器一起构成一个自激振荡器。外接晶体谐振器以及电容C1和C2构成并联谐振
45、电路，接在放大器的反馈回路中。对外接电容的值虽然没有严格的要求，但电容的大小会影响震荡器频率的高低、震荡器的稳定性、起振的快速性和温度的稳定性。因此，此系统电路的晶体振荡器的值为12MHz，电容应尽可能的选择陶瓷电容，电容值约为22F。在焊接刷电路板时，晶体振荡器和电容应尽可能安装得与单片机芯片靠近，以减少寄生电容，更好地保证震荡器稳定和可靠地工作。3. 复位RST9在振荡器运行时，有两个机器周期（24个振荡周期）以上的高电平出现在此引腿时，将使单片机复位，只要这个脚保持高电平，51芯片便循环复位。复位后P0P3口均置1引脚表现为高电平，程序计数器和特殊功能寄存器SFR全部清零。当复位脚由高电
46、平变为低电平时，芯片为ROM的00H处开始运行程序。复位是由外部的复位电路来实现的。片内复位电路是复位引脚RST通过一个斯密特触发器与复位电路相连，斯密特触发器用来抑制噪声，它的输出在每个机器周期的S5P2，由复位电路采样一次。复位电路通常采用上电自动复位和按钮复位两种方式，此电路系统采用的是上电与按钮复位电路。当时钟频率选用6MHz时，C取22F，Rs约为200，Rk约为1K。复位操作不会对内部RAM有所影响。常用的复位电路如下图4.3所示：图4.3 常用复位电路图4.输入输出引脚(1) P0端口P0.0-P0.7 P0是一个8位漏极开路型双向I/O端口，端口置1（对端口写1）时作高阻抗输入
47、端。作为输出口时能驱动8个TTL。对内部Flash程序存储器编程时，接收指令字节;校验程序时输出指令字节，要求外接上拉电阻。在访问外部程序和外部数据存储器时，P0口是分时转换的地址(低8位)/数据总线，访问期间内部的上拉电阻起作用。(2) P1端口P1.0P1.7 P1是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/0端口。输出时可驱动4个TTL。端口置1时，内部上拉电阻将端口拉到高电平，作输入用。对内部Flash程序存储器编程时，接收低8位地址信息。(3) P2端口P2.0P2.7 P2是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/0端口。输出时可驱动4个TTL。端口置1时，内部上拉电阻将端口拉到高电平，作输入用。对内部Flash程序存储器编程时，接收高8位地址和控制信息。在访问外部程序和16位外部数据存储器时，P2口送出高8位地址。而在访问8位地址
