陈 荡，陈 杰，连 晟，王祥力，吴 浩

(武汉工程大学电气信息学院，湖北武汉430074)

0 引言

由于生活中旅行、冶金、食品和药品等方面对安全问题的要求越来越高，而这些方面时常有来自金属物质的安全威胁，因此，设计一种金属探测器对人们的衣食住行来进行保护和检测变得越来越重要，怎样提升和完善金属探测器的性能也成为了国内该领域的一个亟待解决的问题[1］。随着霍尔接近开关的发展，使得金属探测方法得到了快速的更新，在小车保护系统[2］以及工业位移监测装置等领域得到了极大的应用，但是大多缺乏稳定的软件算法，其检测的稳定性和实时性受到了极大的限制[3］。

为提升和完善金属探测器的性能以及探测的有效性[4］，本文采用了软硬件结合的方法，运用霍尔接近开关元件来对金属进行检测，当检测到金属，输出数字量，然后传送到单片机进行数据处理，通过单片机控制检测指示灯的亮灭，最后通过串口总线与电脑相连，在PC机上编程实现远程监控金属的检测情况。

1 系统工作原理和整体构架

1.1 工作原理

本文采用霍尔接近开关对金属进行检测，霍尔接近开关是根据霍尔效应制成的一种传感器，当一块通有电流的金属或半导体薄片垂直放在磁场中，薄片的两端就会产生电位差，这种现象就称为霍尔效应[5］。常见的接近开关有机械式、电磁感应式和永磁式，本文采用的是电磁感应式接近开关之中的电感式霍尔接近开关，该类型的传感器是一种金属感应器件，当金属物体靠近振荡感应头时，物体内部产生涡流。这个涡流反作用于接近开关，使接近开关振荡能力衰减，开关内的振荡器由于外界环境发生变化而引起频率偏移或停振，由此识别有无金属物体靠近，进而使开关通或断。

本文采用南通杰诺公司的霍尔接近开关HJ12-ZNK10，其检测距离可以达到10 mm，反应频率达到10 kHz，其输入输出口均用连接线引出，方便与后置电路的连接。霍尔接近开关如图1所示。

图1 霍尔接近开关

1.2 系统构架

本文设计系统可以分为3个部分。第1部分是数据的采集，由霍尔接近开关传感器检测到金属后，输出数字量;第2部分是数据的处理，霍尔传感器产生的数据送到单片机后，经单片机的处理，输出控制信号，对检测指示灯的亮灭进行控制;第3部分是上位机通信模块，通过RS-485总线与PC机通信，通过VC编程实现远程监控检测装置。整体框图如图2所示。

图2 系统整体框图

2 硬件设计及实现

2.1 电源模块的设计

本文设计系统分为3部分，每部分所用的电源电压不尽相同。单片机的工作电压是3.3 V，而霍尔元件和RS485总线模块的工作电压是5 V，故需要额外的电压转换电路，其中3.3 V电压用VDD来表示，5 V电压用VCC来表示[2］，其电源电压转换的电路如图3所示。

2.2 RS-485 总线

本文设计采用异步串行通信的方式，而单片机UART可以实现单片机与PC机之间的通信[6］。为了提高串行通讯的可靠性，增大通讯距离，本文设计采用RS-485的标准串行接口来与PC机进行通讯，RS-485为半双工，采用一对平衡差分信号线。RS-485传输速率最高为10 Mbit/s，最长电缆长度为1 200 m[7］。本文设计采用的RS-485驱动器和接收器芯片为MAX485，其引脚图如图4所示。

图3 电源电压转换电路图

图4 MAX485封装引脚图

2.3 单片机控制电路的设计

根据霍尔接近开关元件以及单片机的特点，单片机控制电路设计如图5所示。霍尔接近开关的输出端与单片机的P1.0相连，用于对输出开关量的采集;单片机P1.1用于控制指示灯，当检测到了金属，输出高电平，使发光二极管D3亮，没检测到金属，则输出低电平，使发光二极管D3保持熄灭状态;单片机的AGND、AV+、P2.0、RST口用于与C2仿真器的连接，下载程序到单片机进行在线调试，其中RST用作复位。单片机的P0.4，P0.5使用第二功能，用于串行口接收与发送，与MAX485的DI和RO相连;单片机P0.6与串口芯片MAX485的使能端DE相连，用于控制MAX485的工作状态。

3 软件实现部分

基于C8051F350单片机的指令系统比较简单，实现的功能更加强大，对输入开关量的处理以及与PC机的通讯采用C语言编程实现，软件开发环境采用Silicon Laboratories IDE[4］。

3.1 主程序流程设计

主程序流程如图6所示，按下开关S1，程序开始运行，先对各寄存器的状态、单片机I/O端口、内部晶振以及液晶显示屏进行初始化。主程序进行数据的采集、处理并与上位机进行通讯。单片机采用中断方式运行，当检测到金属时，霍尔接近开关输出高电平1，单片机检测到P1.0为高电平后，立即产生中断，进行串行通讯，把数据传送到上位机，并控制P1.1为高电平，使检测指示灯D3发亮。

图5 单片机控制电路图

3.2 PC机远程监控结果

根据上面的概述，当检测到金属时，单片机的P1.0会变为高电平1，从而控制指示灯D3发亮，表明检测到了金属，然而这种情况下，在不同地方检测金属时，往往需要现场有人去观测指示灯的亮灭，既耗费人力，也降低了检测效率。为了解决这个问题，可以在PC机上用VC++编程实现远程模拟监控指示灯的状态，这样既高效又人性化[8-11］。

VC++是在Windows平台下构建32位应用程序的强大而又复杂的开发工具。当在PC机远程模拟监控指示灯时，就达到了远程监控的目的，当现场D3灯发亮时，其相对应的虚拟指示灯同步发亮，这样操作人员在监控室里就能监控多处的金属探测器，从而做出相应的处理，这样的方法实时高效。

假设检测10个不同地点的金属情况，对各个节点标号为LED#1～LED#10，当没有检测到金属时，各虚拟指示灯均处于熄灭状态。当10处节点都检测到了金属，则所有的虚拟指示灯均发亮显示。

图6 主程序流程图

当只有节点1、2、5、7检测到了金属时，LED#1、LED#2、LED#5、LED#7 虚拟指示灯发亮，显示如图7所示。

本文设计系统采用霍尔接近开关与金属接触输出开关量来对金属进行检测，距离越近，霍尔接近开关越灵敏，其输出端的电压也越大。在实验阶段，标定霍尔接近开关与金属之间的距离，通过万用表测量输出端的电压，测得位移-电压的数据如表1所示。

图7 虚拟指示灯部分亮显示图

表1 霍尔接近开关与金属位移－电压关系

由上面的分析与实验得出:当在现场本节点检测出了金属，其对应监控室指示灯做出反应发亮，精确指示哪个节点检测到了金属。从而验证了此方案的可行性，提高了金属检测的效率。

4 结束语

本文设计过程中，采用了软硬件结合的方式，利用金属的霍尔效应来实现对金属的检测，硬件部分的设计采用了比较成熟的单片机检测与控制系统，此方案的重点和难点在于软件部分的设计，采用此种通讯方式实现下位机与上位机的通讯，以及上位机界面如何更直观化地显示检测结果。此方案实现的成本相对低廉，检测的准确性高，还可应用于一些管道堵点的检测。此方法将会得到越来越广泛的应用。

[1]黄勇.金属探测器的研究与设计[D］.广州:华南理工大学，2010.

[2]许庆.基于MSP430的小车自动保护系统[J］.科学视界，2013(8):46-48.

[3]罗学恒.接近开关与金属探测研究[J］.武汉职业技术学院学报，2012(11):76-79.

[4]陈杰，陈荡，熊雄.C8051单片机与霍尔传感器系统设计[J］.武汉工程大学学报，2012(7):61-65.

[5]秦玉伟，张莹.磁阻式与霍尔式接近开关性能比较[J］.河南科学，2011(5):77-81.

[6]林游，张俊杰，易凡.霍尔传感器信号采集与显示系统设计[J］.现代电子技术，2009，291(4):191-194.

[7]张毅刚，彭喜元，姜守达，等.新编MCS-51单片机应用设计[M］.哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社，2008:257-260.

[8]孙鑫，余安萍.VC++深入详解[M］.北京:电子工业出版社，2006:228-230.

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