陳 蕩，陳 杰，連 晟，王祥力，吳 浩

(武漢工程大學(xué)電氣信息學(xué)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(zhì)的安全威脅，因此，設(shè)計一種金屬探測器對人們的衣食住行來進(jìn)行保護(hù)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(nèi)該領(lǐng)域的一個亟待解決的問題[1］。隨著霍爾接近開關(guān)的發(fā)展，使得金屬探測方法得到了快速的更新，在小車保護(hù)系統(tǒng)[2］以及工業(yè)位移監(jiān)測裝置等領(lǐng)域得到了極大的應(yīng)用，但是大多缺乏穩(wěn)定的軟件算法，其檢測的穩(wěn)定性和實(shí)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(jié)合的方法，運(yùn)用霍爾接近開關(guān)元件來對金屬進(jìn)行檢測，當(dāng)檢測到金屬，輸出數(shù)字量，然后傳送到單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，通過單片機(jī)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(jī)上編程實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控金屬的檢測情況。

1 系統(tǒng)工作原理和整體構(gòu)架

1.1 工作原理

本文采用霍爾接近開關(guān)對金屬進(jìn)行檢測，霍爾接近開關(guān)是根據(jù)霍爾效應(yīng)制成的一種傳感器，當(dāng)一塊通有電流的金屬或半導(dǎo)體薄片垂直放在磁場中，薄片的兩端就會產(chǎn)生電位差，這種現(xiàn)象就稱為霍爾效應(yīng)[5］。常見的接近開關(guān)有機(jī)械式、電磁感應(yīng)式和永磁式，本文采用的是電磁感應(yīng)式接近開關(guān)之中的電感式霍爾接近開關(guān)，該類型的傳感器是一種金屬感應(yīng)器件，當(dāng)金屬物體靠近振蕩感應(yīng)頭時，物體內(nèi)部產(chǎn)生渦流。這個渦流反作用于接近開關(guān)，使接近開關(guān)振蕩能力衰減，開關(guān)內(nèi)的振蕩器由于外界環(huán)境發(fā)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(jìn)而使開關(guān)通或斷。

本文采用南通杰諾公司的霍爾接近開關(guān)HJ12-ZNK10，其檢測距離可以達(dá)到10 mm，反應(yīng)頻率達(dá)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(guān)如圖1所示。

圖1 霍爾接近開關(guān)

1.2 系統(tǒng)構(gòu)架

本文設(shè)計系統(tǒng)可以分為3個部分。第1部分是數(shù)據(jù)的采集，由霍爾接近開關(guān)傳感器檢測到金屬后，輸出數(shù)字量;第2部分是數(shù)據(jù)的處理，霍爾傳感器產(chǎn)生的數(shù)據(jù)送到單片機(jī)后，經(jīng)單片機(jī)的處理，輸出控制信號，對檢測指示燈的亮滅進(jìn)行控制;第3部分是上位機(jī)通信模塊，通過RS-485總線與PC機(jī)通信，通過VC編程實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控檢測裝置。整體框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)整體框圖

2 硬件設(shè)計及實(shí)現(xiàn)

2.1 電源模塊的設(shè)計

本文設(shè)計系統(tǒng)分為3部分，每部分所用的電源電壓不盡相同。單片機(jī)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(zhuǎn)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(zhuǎn)換的電路如圖3所示。

2.2 RS-485 總線

本文設(shè)計采用異步串行通信的方式，而單片機(jī)UART可以實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與PC機(jī)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(shè)計采用RS-485的標(biāo)準(zhǔn)串行接口來與PC機(jī)進(jìn)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(shè)計采用的RS-485驅(qū)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(zhuǎn)換電路圖

圖4 MAX485封裝引腳圖

2.3 單片機(jī)控制電路的設(shè)計

根據(jù)霍爾接近開關(guān)元件以及單片機(jī)的特點(diǎn)，單片機(jī)控制電路設(shè)計如圖5所示?；魻柦咏_關(guān)的輸出端與單片機(jī)的P1.0相連，用于對輸出開關(guān)量的采集;單片機(jī)P1.1用于控制指示燈，當(dāng)檢測到了金屬，輸出高電平，使發(fā)光二極管D3亮，沒檢測到金屬，則輸出低電平，使發(fā)光二極管D3保持熄滅狀態(tài);單片機(jī)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(jī)進(jìn)行在線調(diào)試，其中RST用作復(fù)位。單片機(jī)的P0.4，P0.5使用第二功能，用于串行口接收與發(fā)送，與MAX485的DI和RO相連;單片機(jī)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(tài)。

3 軟件實(shí)現(xiàn)部分

基于C8051F350單片機(jī)的指令系統(tǒng)比較簡單，實(shí)現(xiàn)的功能更加強(qiáng)大，對輸入開關(guān)量的處理以及與PC機(jī)的通訊采用C語言編程實(shí)現(xiàn)，軟件開發(fā)環(huán)境采用Silicon Laboratories IDE[4］。

3.1 主程序流程設(shè)計

主程序流程如圖6所示，按下開關(guān)S1，程序開始運(yùn)行，先對各寄存器的狀態(tài)、單片機(jī)I/O端口、內(nèi)部晶振以及液晶顯示屏進(jìn)行初始化。主程序進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集、處理并與上位機(jī)進(jìn)行通訊。單片機(jī)采用中斷方式運(yùn)行，當(dāng)檢測到金屬時，霍爾接近開關(guān)輸出高電平1，單片機(jī)檢測到P1.0為高電平后，立即產(chǎn)生中斷，進(jìn)行串行通訊，把數(shù)據(jù)傳送到上位機(jī)，并控制P1.1為高電平，使檢測指示燈D3發(fā)亮。

圖5 單片機(jī)控制電路圖

3.2 PC機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控結(jié)果

根據(jù)上面的概述，當(dāng)檢測到金屬時，單片機(jī)的P1.0會變?yōu)楦唠娖?，從而控制指示燈D3發(fā)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(xiàn)場有人去觀測指示燈的亮滅，既耗費(fèi)人力，也降低了檢測效率。為了解決這個問題，可以在PC機(jī)上用VC++編程實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程模擬監(jiān)控指示燈的狀態(tài)，這樣既高效又人性化[8-11］。

VC++是在Windows平臺下構(gòu)建32位應(yīng)用程序的強(qiáng)大而又復(fù)雜的開發(fā)工具。當(dāng)在PC機(jī)遠(yuǎn)程模擬監(jiān)控指示燈時，就達(dá)到了遠(yuǎn)程監(jiān)控的目的，當(dāng)現(xiàn)場D3燈發(fā)亮?xí)r，其相對應(yīng)的虛擬指示燈同步發(fā)亮，這樣操作人員在監(jiān)控室里就能監(jiān)控多處的金屬探測器，從而做出相應(yīng)的處理，這樣的方法實(shí)時高效。

假設(shè)檢測10個不同地點(diǎn)的金屬情況，對各個節(jié)點(diǎn)標(biāo)號為LED#1～LED#10，當(dāng)沒有檢測到金屬時，各虛擬指示燈均處于熄滅狀態(tài)。當(dāng)10處節(jié)點(diǎn)都檢測到了金屬，則所有的虛擬指示燈均發(fā)亮顯示。

圖6 主程序流程圖

當(dāng)只有節(jié)點(diǎn)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(fā)亮，顯示如圖7所示。

本文設(shè)計系統(tǒng)采用霍爾接近開關(guān)與金屬接觸輸出開關(guān)量來對金屬進(jìn)行檢測，距離越近，霍爾接近開關(guān)越靈敏，其輸出端的電壓也越大。在實(shí)驗(yàn)階段，標(biāo)定霍爾接近開關(guān)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(shù)據(jù)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(guān)與金屬位移－電壓關(guān)系

由上面的分析與實(shí)驗(yàn)得出:當(dāng)在現(xiàn)場本節(jié)點(diǎn)檢測出了金屬，其對應(yīng)監(jiān)控室指示燈做出反應(yīng)發(fā)亮，精確指示哪個節(jié)點(diǎn)檢測到了金屬。從而驗(yàn)證了此方案的可行性，提高了金屬檢測的效率。

4 結(jié)束語

本文設(shè)計過程中，采用了軟硬件結(jié)合的方式，利用金屬的霍爾效應(yīng)來實(shí)現(xiàn)對金屬的檢測，硬件部分的設(shè)計采用了比較成熟的單片機(jī)檢測與控制系統(tǒng)，此方案的重點(diǎn)和難點(diǎn)在于軟件部分的設(shè)計，采用此種通訊方式實(shí)現(xiàn)下位機(jī)與上位機(jī)的通訊，以及上位機(jī)界面如何更直觀化地顯示檢測結(jié)果。此方案實(shí)現(xiàn)的成本相對低廉，檢測的準(zhǔn)確性高，還可應(yīng)用于一些管道堵點(diǎn)的檢測。此方法將會得到越來越廣泛的應(yīng)用。

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