地雷探测仪的论文

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1、 密级： NANCHANG UNIVERSITY 学 士 学 位 论 文 THESIS OF BACHELOR （20092013年） 题 目 地雷探测仪的设计 学 院：环境与化学工程学院 系 过程装备与测控工程系 专业班级： 测控技术与仪器 091班 学生姓名： 李跃 学号： 5801209015 指导教师： 谢建宏 职称： 副教授 起讫日期： 2013年2月 至 2013年6月 南 昌 大 学学士学位论文原创性申明本人郑重申明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果。对本文的研究作出

2、重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式表明。本人完全意识到本申明的法律后果由本人承担。作者签名： 日期：学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权南昌大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密，在 年解密后适用本授权书。本学位论文属于 不保密。（请在以上相应方框内打“”）作者签名： 日期：导师签名： 日期： 摘要地雷探测仪的设计 专 业： 测控技术与仪器 学 号：5801209015 学生姓

3、名： 李跃 指导教师：谢建宏 摘 要 地雷作为一种特殊的炸弹，时时刻刻威胁着无数无辜平民的生命安全。为了解除地雷的威胁，提前探测出地雷的位置显得尤为重要，所以地雷探测仪在这其中起了至为重要的作用。地雷探测仪是利用金属的涡流效应探测带有金属部件的地雷。在探测时仪器会辐射出电磁场，当探测线圈靠近带有金属部件的地雷时，在磁场作用下金属部分会产生涡电流，涡电流又产生新的磁场作用于探测线圈，从而引起原磁场的变化，利用霍尔传感器将变化的磁场转化为电压值，通过与基准电压值的比较做出判断，从而实现对地雷的探测。本文所介绍的地雷探测仪是以8位AT89S52单片机为核心，所使用的传感器是线性霍尔元件UGN3503

4、，将磁场信号变为电压信号。用ADC0809转化器实现电压信号的数字化。该探测仪通过4个按键开关来确定探测的灵敏度。报警系统通过显示模块和蜂鸣器来完成。系统软件采用汇编语言编写，在软件设计中，为了提高探测器的抗干扰能力和系统的稳定性，采用了数字滤波技术消除干扰。文中还探讨了影响探测器灵敏度和稳定性的因素，主要影响灵敏度的因素是仪器的工作频率、检测线圈的尺寸及匝数，而主要影响稳定性的因素是环境温度、湿度和供电电源的稳定程度。关键词：地雷探测仪；涡流效应；霍尔传感器；单片机；灵敏度IV AbstractThe design of mine detectorAbstractThe mine threa

5、tens the life safety of numerous innocent civilians all the time as a especial bomb.For relieving the threat of mine,we should explore the position of mine.So mine detector is very important. Mine detector makes use of metals eddying effect to explore the mine with metal.The detector will eradiate e

6、lectromagnetism when it is exploring.If the probe approaches the mine with metal,which will produce eddy current effect under the function of magnetic field.The eddy current will produce anther magnetic field,what acts on the probe,that bring the change of the first magnetic field.The change will co

7、nvert into voltage and compare with the criterion to explore mine.This paper describes the mine detector with AT89S52 Single-Chip Microcomputer as its core.The equipment adopts UGN3503U linear hall-effect sensor as probe to detect the magnetic field change and change magnetic field signal into elect

8、ric voltage signal though ADC0809.This mine detector control its sensitivity though four keys.Nixie light and buzzer are the warning device.The systems software adopts the assembler language to be written.Inside the software,the digital filter technology is utilized to eliminate the jamming.So the s

9、tability of system and measuring veracity are improved.The effect of all factors on sensitivity and stability of Metal Detector are discussed in this paper.It is concluded that the operating frequency,the size of the search coil and turns are the main factors effected on the sensitivity of the instr

10、ument: the environment temperature and humidity in site,the winding technology of coils and the stability of power supply are the factors effected on stability of instrument.Keyword:mine detector;eddy current effect;hall-effect sensor;single chip;sensitivity 目录目 录第一章 绪 论11.1选题的背景和意义11.2 国内外研究状况及发展趋势

11、11.3本文设计的内容2第二章 方案选择及原理32.1 系统方案的选择32.2 系统软件的选用32.3 方案的理论基础32.3.1 线圈介质的变化42.3.2 涡流效应52.4 整机工作原理5第三章 硬件电路的设计63.1线圈震荡电路的设计6 3.2 数据采集电路的设计73.3 A/D转换电路103.4 键盘控制电路的设计133.5 显示电路的设计143.6 报警电路的设计163.7 电源电路的设计18第四章 系统软件设计194.1 软件设计思想194.2 数字滤波及其算法194.3 系统主程序设计204.4 子程序的设计214.4.1 键盘控制子程序的设计214.4.2 数字滤波子程序的设计

12、214.4.3 显示与报警子程序的设计23第五章 系统仿真结果与技术指标分析245.1 系统仿真结果及分析245.1.1 线性霍尔传感器调试结果及分析245.1.2 振荡电路调试结果及分析245.1.3显示电路仿真结果及分析255.1.4 蜂鸣器仿真结果及分析255.2 系统结果总结255.3 主要技术指标265.3.1 探测仪工作频率265.3.2探测仪灵敏度265.3.3 探测仪稳定性26第六章 结论26参考文献27致谢28附 录1 电路原理图30附 录2 各模块程序31 第一章 绪论第一章 绪 论1.1选题的背景和意义 一直以来，战争都伴随着人们，虽然所有人都期盼和平，可因战争导致的伤亡

13、却一直不断。战争中对人们威胁最大的就是枪械和炸弹，其中地雷作为一种特殊的炸弹带来的伤亡格外大，因为地雷的威胁不只是在当时，埋下的地雷只要没炸，在以后的相当长的一段时间内都是威胁人类安全的恶魔。日本侵华战争中，日本在中国领土内埋设的大量地雷，虽然后来日本失败退走，可埋下的地雷在以后的日子里不断造成伤亡。以色列在历次入侵和占领黎巴嫩时埋设大量地雷。自年黎巴嫩与以色列结束冲突以来，包括中国维和工兵营在内的联黎部队下属扫雷部队共清排雷场多万平方米，销毁地雷和各类未爆炸弹万多枚。但目前仍有平方公里的雷场有待清排，仍有万地雷威胁着当地居民的生命安全。因此，排除这些潜在的威胁刻不容缓，而地雷探测仪就显得格外

14、重要。目前地雷的技术含量较低、最易大批量生产、布设，但其杀伤力最大，是对人类危害最大的武器之一。随着国际局势的不断变化，战争时期埋设了大量各式各样的地雷，有的搁置在路边或草丛中，有的是在树梢上，并做成各式各样的形状。但其中最多的还是金属地雷，而对平民最易造成无辜伤害的是埋在地下的金属地雷。所以为了避免伤亡，地雷探测仪就显得格外重要，地雷探测仪是通过一些技术对地雷进行探查，并最后排除地雷，可有效减少伤亡。本次设计就是针对这样的情况设计的地雷探测仪，所设计的地雷探测仪是一种最简单应用于处于战争的生活中，并能被普通百姓接受，尽量减少平民的无辜伤亡。1.2 国内外研究状况及发展趋势现在的地雷种类繁多，

15、且所以用的材料也各式各样（如塑胶、液体等）。现在常规的地雷探测仪都有其局限性（如金属地雷探测仪对塑胶地雷），有时候即使使用常规地雷探测仪探测到了地雷，也由于多种原因而难以快速准确排雷，有时候需要在人流量大、环境复杂的现场进行快速、大规模的在线适时探测，辨别各种固体地雷，这样常规的地雷探测方法就暴露了其局限性。因此，便携式激光快捷地雷探测仪成为最近发展起来的高科技激光高敏度的探测方法。今年来，西方各国都对各种军用激光探测鉴别仪进行了大量研究，美国军事研究办公室（U.S Army Research Office),美国CECOM夜视电子探测器部（CECOM Night Vision and Ele

16、ctronic and Sensors Directorate)于2006年5月联合报道了该系统用于探测地雷的便携式原理机样（如图1.），并与Florid大学合作于2007年4月正式交付使用。在反恐需求的推动下，美国在这方面进行了大量研究。国内仅有几所大学在实验室做了LIBS实验，还没有产品，更未见在军事上的应用。1.3本文设计的内容采用相关传感原理，设计了地雷探测仪器，实现对金属地雷的探测。本文先对整个系统进行了设计和论证，并对所采用的元器件进行了分析比较。确定了系统和选定了元器件后，对整个电路的硬件进行了设计。之后，本人采用汇编语言进行软件设计。最后对整个系统进行了分析调试。 40 第二章

17、 方案选择及原理第二章 方案选择及原理2.1 系统方案的选择 整个探测系统以8位单片机AT89C52为核心，利用电磁感应中的涡流效应为理论而设计的。包括线圈震荡电路，控制电路两部分。线圈震荡电路由探测线圈，多谐振荡器，放大电路组成。控制电路中包括峰值检波放大电路，A/D转换电路，键盘控制电路，显示报警电路，电源电路。系统结构如图2-1: 图2-1 系统结构图2.2 系统软件的选用软件是本系统的灵魂，在设计软件中，本文从系统的实用性、可靠性及方便灵活等几个方面出发，使程序满足设计的功能要求。整个系统的软件包括主程序、一个外部中断服务程序、数字滤波程序、比较判断子程序及发光报警等若干个子程序。软件

18、采用汇编语言编写，并采用模块化设计，使程序结构清晰，便于今后进一步扩展系统的功能。2.3 方案的理论基础地雷探测器是采用线圈的电磁感应原理来探测地雷的。根据电磁感应原理，当有金属地雷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。1 2.3.1 线圈介质的变化 当金属地雷接近通电线圈时，将使通电线周围的磁场发生变化，如图2-2图2-2对于半径为R的单匝圆形电感线圈，当其中通过交变电流I=Imcos wt圈周围空间产生交变磁场，根据毕奥一萨伐尔定律可计算线圈中心轴线上一点的磁感应 (2-1)其中，=0r，为介质的磁导率，r为相对磁导率，0为真空磁导率。2对于紧密缠绕N匝的线

19、圈，线圈中心轴线上一点的磁感应强度则为： (2-2)由公式(2-2)可知，当线圈有效探测范围内无金属物时，r=1 (非金属的相对磁导率)，线圈中心磁感应强度B保持不变，当线圈有效探测范围内出现铁磁性金属物时，r会变大，B随之也会变大。2.3.2 涡流效应 根据电磁理论，当金属地雷被置于变化的磁场中时，金属地雷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，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，当将金属地雷靠近线圈时，产生的涡流磁场会削弱线圈磁场的变化。金属地雷的电导率越大，交变电流的频

20、率越大，则涡电流强度越大，对原磁场的抑制作用越强。 通过以上分析可知，当有金属地雷靠近通电线圈平面附近时，无论是介质磁导率的变化，还是金属地雷的涡流效应均能引起磁感应强度B的变化。对于铁磁性金属制成的地雷 r很大，也较大，可认为是既导电又导磁物质，主要产生磁效应，同时又有涡流效应。2.4 整机工作原理整个系统工作时，由555定时器构成的多谐振荡器产生一个频率为24KHz的脉冲信号，此脉冲信号经过缓冲和放大之后，形成频率稳定度高、功率较大的脉冲信号输入到探测线圈中，通电的线圈周围就会产生磁场，此时，固定在线圈中心的霍尔元件UGN3503U就会感应到线圈周围的磁场，并将磁场强度信号线性地 在无地雷

21、的情况下，假设霍尔输出电压为u0，该电压信号u0很微弱，u0经过放大电路放大，再通过峰值检波电路，得到相应的0V5V的峰值输出电压U0，以满足ADC0809的量程，经A/D转换后，将U0的数字量输入到单片机储存起来。此后，以该电压信号作为基准电压，与A/D转换器采集到的电压信号进行比较判断。当探测线圈靠近地雷时，由于电磁感应现象，会使其周围的磁场发生变化，霍尔元件感应到该变化的磁场，并将其线性地转变成电压信号ux，该变化的电压经放大电路、峰值检波电路后，得到相应的0V-5V的峰值输出电压Ux，然后经A/D转换后，输入到CPU，由CPU完成Ux与基准电压U0的比较，二者比较 UxU0得到一个差值

22、，此差值与预设的灵敏度U再作比较。灵敏度由键盘控制电路中各键输入，显示电路部分则显示各键按下后的相应数值，当然，U大小的设定决定着系统精度的高低。若|Ux-U0|U，就确定为探测到金属，CUP输出口P1.0输出信号驱动发光二极管发光报警，同时P1.6控制蜂鸣器发出声响，进行声音报警。 第三章 硬件电路的设计第三章 硬件电路的设计 3.1线圈震荡电路的设计 线圈震荡电路是由多谐振荡器和放大电路组成。多谐振荡器以一定的频率发出电流，该电流经放大电路放大后输送到线圈上，规律变化的电流使线圈产生恒定的磁场。线圈震荡电路图如图3-1： 图3-1 线圈震荡电路图 该多谐振荡器在工作时，将产生一频率为24K

23、Hz、占空比为2/3的脉冲信号。选择24KHz的超长波频率是为了减弱土壤对电磁波的影响。多谐振荡器输出的正脉冲信号经过电容C3输入到Q1，经Q1放大之后，就形成了频率稳定度高、功率较大的脉冲信号输入到探测线圈中，在线圈内产生瞬间较强的电流，从而使线圈周围产生恒定的交变磁场。 多谐振荡器的核心为555定时器，555定时器具有成本低，性能可靠的特点，只需要外接几个电阻、电容，就可以实现多谐振荡器、单稳态触发器及施密特触发器等脉冲产生与变换电路。它也常作为定时器广泛应用于仪器仪表、家用电器、电子测量及自动控制等方面。它内部包括两个电压比较器，三个等值串联电阻，一个 RS 触发器，一个放电管 T 及功

24、率输出级。它提供两个基准电压VCC /3 和 2VCC /3。555 定时器的功能主要由两个比较器决定。两个比较器的输出电压控制 RS 触发器和放电管的状态。在电源与地之间加上电压，当 5 脚悬空时，则电压比较器 C1 的同相输入端的电压为 2VCC /3，C2 的反相输入端的电压为VCC /3。若触发输入端 TR 的电压小于VCC /3，则比较器 C2 的输出为 0，可使 RS 触发器置 1，使输出端 OUT=1。如果阈值输入端 TH 的电压大于 2VCC/3，同时 TR 端的电压大于VCC /3，则 C1 的输出为 0，C2 的输出为 1，可将 RS 触发器置 0，使输出为 0 电平。 3

25、.2 数据采集电路的设计 数据采集电路由数据采集元件和峰值检波放大电路组成。数据采集元件采用线性霍尔传感器，该传感器感应变化的磁场，并将磁场信号变为电压信号传送给后边的放大与峰值检波电路。被放大的电压信号再传送给A/D转换器。数据采集电路如图3-2：图3-2 数据采集电路图（1）在设计中，选用UGN3503U线性霍尔传感器来检测通电线圈周围的磁场变化。UGN3503U线性霍尔传感器可将感应到的磁场强度信号线性地转变为电压信号。霍尔元件是根据霍尔效应制成的，如图3-3： 图3-3 霍尔效应原理图当以电流I通过半导体两端,并在其上加以和片子表面垂直的磁场B时，薄片的横向两侧会出现一个电压UH, 这

26、种现象就是霍尔效应。产生这种现象，是因为在磁场产生的洛仑兹力的作用下通电半导体片中的载流子分别向片子横向两侧偏转和积聚，因而形成一个电场，被称为霍尔电场。洛仑兹力与霍尔电场产生的电场力相反，电场力阻碍载流子继续堆积，直到霍尔电场力和洛仑兹力相等。此时，半导体两侧产生一个稳定的电压，被称为霍尔电压UH。 UH=KHIB (V) （3-1）由此可知，霍尔电压的大小与控制电流I和磁感应强度B成正比。KH称为霍尔元件的灵敏度，它与元件几何尺寸和材料的性质有关。当外加电压一定，通过恒定的电流，输出电压只与磁场B的大小成正比，即： UH=KB (V) （3-2）由式3-2知，霍尔输出电压将随磁场强度的变化

27、而变化。所以，可将霍尔元件做成探头固定在适当位置去检测磁场变化，再根据霍尔输出电压的变化获得需要检测的信息。本设计中采用的线性霍尔传感器UGN3503U就是将霍尔元件、高增益线性差分放大器和射极跟随器集成在同一半导体基片上，提供了一个由外电压源驱动、使用方便的磁敏传感器。该器件的磁电转换特性曲线如图3-4所示3： 图3-4 UGN3503U磁电转换特性曲线其输出电压正比于加在霍尔元件上的磁感强度B。它的灵敏度典型值为13.5mV/mT，静态输出电压为2.5V，输出电阻为0.05K。用它作探头可测量，106-10T的交变和恒定磁场。具有灵敏度高，线性度好，结构牢固，体积小，重量轻，耐震动，功耗小

28、，寿命长，频率高，输出噪声低等特点。在测量磁场时，将元件的第一脚接电源，第二脚接地，第三脚接高输入阻抗电压表，通电后，将电路放入被测磁场中让磁力线垂直于电路表面，当没有磁场(B=0G)时，静态输出电压是电源电压的一半，当外加磁场的北极靠近器件标志面时，会使输出电压低于静态输出电压；当外加磁场的南极靠近器件标志面时，会使输出电压高于静态输出电压。利用上述特性，将其固定在探测线圈的中心感应线圈的磁场变化，并接在数据采集电路的前端，将磁场的变化信号转化为电压信号的变化而被后级电路接收和放大。4（2）放大与峰值检波电路 UGN35O3U线性霍尔元件输出的电压信号是一个毫伏级的信号，十分微弱，所以，在对

29、其进行处理前，首先要进行放大。在设计中，信号放大电路采用集成运算放大器LM324，其输入阻抗高、漂移较小、共模抑制比高。UGN3503线性霍尔元件输出的电压信号经电容输送到前级运算放大器U4的同相输入端。在电路设计中，采用+5V单电源给运放LM324供电。经前级运算放大器放大的信号经耦合电容C7输入到后级峰值检测电路中。 峰值检测电路由两级运算放大器组成，第一级运放将输入信号的峰值传递到电容C8上，并保持下来。第二级运放组成缓冲放大器，将输出与电容隔离开来。在设计中，第二级与第三级运放同样采用运算放大器LM324，这样可充分利用LM324。通过该电路，将采集到的微弱电压信号放大至0V-5V，以

30、满足A/D转换器ADC0809所要求的输入电压变换范围，然后A/D转换电路对检测到的峰值进行转化。LM324是四运放集成电路，它采用14管脚双列直插塑料（陶瓷）封装。它的内部包含四组形式完全相同的运算放大器，除电源共用外，四组运放相互独立。LM324与单电源应用场合的标准运算放大器相比，它有一些显著的特点，该四放大器可以工作在低到3.0V或者高到32V的电源下，静态电流大致为MC1741的静态电流的五分之一，共模输入范围包括负电源，因而消除了在许多应用场合中采用外部偏置元件的必要性。LM324元器件的引脚图如图3-5： 图3-5 LM324的引脚图3.3 A/D转换电路 A/D转换器将采集来的

31、电压信号进行A/D转换，把模拟信号转换为数字信号，再在单片机的控制下输送给单片机处理控制。单片机的时钟信号由12MHz的晶振提供，A/D转换器的时钟信号由单片机经四分频获得。本电路还采用74LS02元器件，实现端口间的“或非”功能。A/D转换电路如图3-6：图3-6 最小系统电路图 （1）在本次设计中，采用的A/D转换器为ADC0809型。ADC0809是8位逐次逼近型A/D转换器，可对八路模拟电压量进行分时转换，转换速度为100s。当地址锁存允许信号ALE=1时，3位地址信号A、B、C送入地址锁存器，选择8路模拟量中的一路实现A/D变换。本设计中只使用通道NI0，所以，地址译码器ABC直接接

32、地为000，采用线选法寻址。ADC0809的引脚图如图3-7： 图3-7 ADC0809引脚图ADC0809芯片有28条引脚，采用双列直插式封装，如上图所示。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

33、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。 （2）采用的单片机为AT89C52型，AT89C52是一个低功耗，高性能CMOS 8位单片机，其具有如下特点：40个引脚，256 bytes的随机存取数据存储器，8K Bytes Flash片内程序存储器，2个数据指针，32个外部双向输入/输出(I/O)口，看门狗定时电路，3个16位可编程定时计数器，5个中断优先级，2个全双工串行通信口，2层中断嵌套中断，片内时钟振荡器。此外，AT89S52设计和配置了振荡频率可为0HZ并可通过软件设置省电模式。

34、空闲模式下，CPU暂停工作，而RAM、定时计数器、串行口及外中断系统可继续工作，掉电模式冻结振荡器而保存RAM的数据，停止芯片其它功能直至外中断激活或硬件复位。其工作电压为5V，晶振频率采用12MHZ。AT89C52单片机的引脚图如图3-8： 图3-8 AT89C52引脚图AT89C52单片机有40条引脚，采用双列直插式封装，如上图所示。下面说明各引脚功能：XTAL2:系统时钟的反相放大器输出端,一般在设计上只要在XTAL1和XTA L2上接上一只石英振荡晶体系统就可以动作了RESET:AT89C52的重置引脚,高电平动作。VCC:AT89S52电源正端输入EA/Vpp:EA低电平动作,当此引

35、脚接低电平后,系统会取用外部的程序代码来执行程序。VSS:电源地端。XTALI:单芯片系统时钟的反相放大器输入端。ALE/PROG:ALE可以触发外部的8位锁存器,将端u0的地址总线(A0-A7)锁进锁存器中。平时在程序执行时ALE引脚的输出频率约是系统工作频率的1/6,因此可以用来驱动其他周边晶片的时钟输入PSEN:PSEN为程序储存启用,当8051被设成为读取外部程序代码工作模式时(EA=0),会送出此信一号以便取得程序代码,通常这支脚是接到EPROM的OE脚。 PO(P0.0P0.7 ):端口0是一个8位宽的双向输出入端口,P0.0表示位0, P0.1表示位I,依此类推。 P1(P1.0

36、-P1.7):端口1也是具有内部提升电路的双向1/O端口。 P2(P2.0 P2.7):端口2是具有内部提升电路的双向1/O端口。 P3(P3.0-P3.7):端口 3也具有内部提升电路的双向I/O端口。 （3）ADC0809片内有三态输出缓冲器，可直接与单片机的数据总线相连接，这里将它的数据输出口直接与单片机的数据总线P0口相连接，AT89C52的P0口作为数据总线，又作为低8位地址总线，ADC0809的片内没有时钟，利用AT89S52提供的地址锁存允许信号ALE经计数器74LS163构成的4分频器分频获得。放大后的电压信号经过通道IN0送入ADC0809进行A/D转换。将P2.7作为片选信

37、号，由AT89C52的P2.7和写信号控制ADC0809的转换启动START和地址锁存ALE，当ADC0809的START启动信号输入端为高电平时A/D开始转换，转换结束时，送出转换结束信号EOC，并将8位数字量D7-D0锁存到输出缓存器。AT89S52的读信号端发出一个输出允许命令输入到ADC0809的OE端，OE端呈高电位，用以打开三态输出锁存器，AT89C52从ADC0809读取相应电压数字量，然后存入数据缓冲器中。3.4 键盘控制电路的设计键盘是最常用的单片机输入设备,是一组按键的集合。操作人员可以通过键盘输入数据或命令，实现简单的人-机通信。按键是一种常开型按钮开关。常态时，按键的两

38、个触点处于断开状态，按下键时他们才闭合。本设计中采用独立连接式非编码键盘，即每一个按键占用一条I/O接口线。当有任一键按下时，与之相连的输入数据线为“0”，否则置“1”。键盘控制电路如图3-9：图3-9 键盘控制电路图本设计选用的这种键盘控制电路的优点是明了简单，判断是否有键按下的程序也十分简单。其中，K1键作为功能键设置灵敏度U，灵敏度是可调的，K2为加1键，K3为减1键，都用来调节灵敏度，K4是确定键，用来确定灵敏度值。3.5 显示电路的设计显示电路与单片机的RXD、TXD相连，用于显示探测仪的灵敏度，其数值由键盘控制电路设置。AT89C52工作在0模式下，收发信息均通过RXD完成，TXD

39、则作为同步时钟输出，在同步时钟作用下，利用串行口加外围芯片74HC164构成的并行输入/输出口，实现由串行到并行的数据通信，用于显示器数码管驱动。当键盘控制部分各键按下时，数码管显示相对应灵敏度数值。显示电路如图3-10：图3-10 显示电路图本设计中采用的元器件74HC164是高速硅门 CMOS 器件，与低功耗肖特基型 TTL (LSTTL) 器件的引脚兼容。74HC164是 8 位边沿触发式移位寄存器，串行输入数据，然后并行输出。数据通过两个输入端（DSA 或 DSB）之一串行输入；任一输入端可以用作高电平使能端，控制另一输入端的数据输入。两个输入端或者连接在一起，或者把不用的输入端接高电

40、平，不能悬空。时钟 (CP) 每次由低变高时，数据右移一位，输入到 Q0， Q0 是两个数据输入端（DSA 和 DSB）的逻辑与，它将上升时钟沿之前保持一个建立时间的长度。主复位 (MR) 输入端上的一个低电平将使其它所有输入端都无效，同时非同步地清除寄存器，强制所有的输出为低电平。元器件74HC164的引脚图如图3-11，引脚的功能表如表3-12：图3-11 74HC164引脚图图3-11 74HC164引脚功能表3.6 报警电路的设计(1) 蜂鸣器报警电路的设计 蜂鸣器报警电路包括一个三极管、一个蜂鸣器、一个续流二极管和一个电源滤波电容。当检测到金属地雷时，被测物理量由单片机I/O口P1.

41、6输出信号驱动蜂鸣器报警。蜂鸣器报警电路如图3-12：图3-12 蜂鸣器报警电路（2） LED报警电路的设计 LED报警电路由一个二极管和一个保护电阻组成，当检测到金属地雷时，被测物理量由单片机I/O口P1.0输出信号驱动LED发光。LED报警电路如图3-13：图3-13 报警电路图3.7 电源电路的设计 电路中需要9V和5V两个不同的电源供电，其中数据采集电路需要9V电源，而其他电路需要5V电源。所以本次设计的电源电路需要该项要求。本次设计中的电源电路包括LM7805元器件，纽扣电池，和一些电容组成。电源电路如图3-14：图3-14电源电路图电路中纽扣电池提供9V电压，负责给数据采集电路供电

42、。电路板内采用三端稳压集成电路块LM7805为板内其他元器件供电。LM7805三端正稳压器具有内部过流、热过载和输出晶体管安全区保护功能，可将9V的输入电压转换为+5V电压，最大输出电流0.5A，保证板内555定时器、UGN3503U、AT89S52、ADC0809等芯片和元件可靠地工作。 第四章 系统软件设计第四章 系统软件设计4.1 软件设计思想 在设计软件中，本文从系统的实用性、可靠性及方便灵活等几个方面出发，使程序满足设计的功能要求。整个系统的软件包括主程序、一个外部中断服务程序、数字滤波程序、比较判断子程序及发光报警等若干个子程序。软件采用汇编语言编写，并采用模块化设计，使程序结构清

43、晰，便于今后进一步扩展系统的功能。 主程序初始化以后置位AT89C52的中断控制位EA，使CPU开放中断。然后通过检测RAM中数值的值来判断是否采集基准电压U0，如果未采集过U0，则启动ADC0809对NIO通道的模拟输入量进行A/D转换。在电路设计中，ADC0809的EOC端通过反相器接AT89C52的NIT1端，作为中断申请。当A/D转换完毕后，ADC0809的EOC端向AT89C52的INT1的返向端送入一个中断申请信号，AT89C52接此信号后响应中断请求，中断服务程序进行压栈，读取来自ADC0809数据输出口的8位数字量，并将数字量储存到单片机RAM中，然后启动ADC0809的下一次

44、转换。经过数据软件滤波之后将其存放在单片机RAM 中，作为基准电压U0。9灵敏度U的值被存放在单片机RAM中。在检测过程中，将A/D转换器采集到的电压信号经数据软件滤波后存入内部RAM中，然后将此数据Ux二和基准电压U0进行比较，二者差值U存放在单片机ARM中。而后再通过判据算法将此差值U与灵敏度U进行比较，以确定是否报警键盘控制电路各键控制灵敏度的值，并在显示电路部分显示按键后的对应数值。4.2 数字滤波及其算法探测器的主要设计指标是噪声的抑制能力。为了避免采集电压量时经常碰到的各种瞬时干扰，本设计中采用算术平均滤波法，即在一次电压量的采集中，在很短的时间内对它进行N次采集，将它转换为数字量

45、后求和，分析出N次输入中的最大值和最小值，然后减去最大值和最小值，除以(N-2)得到平均值的方法，完成一次数据采集的软件滤波。因为灵敏度的要求和计算方便，本设计中选择了N=6。用软件代替硬件，从而省去了复杂的硬件，而且能够取得好而精确的效果。104.3 系统主程序设计(1) 程序流程图如图4-1：(2) 程序参考附录213。图4-1 主程序流程图4.4 子程序的设计4.4.1 键盘控制子程序的设计（1） 程序流程图如图4-2：（2） 程序参看附录214。 图4-2 键盘控制程序流程图4.4.2 数字滤波子程序的设计 设一个采样周期，对通道0连续采样6次，然后去掉最大和最小值，把剩余的累加和求算

46、术平均值作为本周期采样值。存入内部RAM中。其中，R2寄存器存放最大值，R3寄存器存放最小值，R4寄存器存放累加和，R0存放连续采样次数。（1） 程序流程图如图4-3：（2） 程序参看附录215。 图4-3 数字滤波程序流程图4.4.3 显示与报警子程序的设计（1） 程序流程图如图4-4：（2） 程序参看附录216。 图4-4 报警程序流程图 第五章 系统仿真结果与技术指标分析第五章 系统仿真结果与技术指标分析5.1 系统仿真结果及分析 仿真调试的内容是要把程序修改正确，使编译能够通过，而且还要用Proteus仿真软件中的一些功能来查看程序所实现的功能是否能够和预期的功能相符合。需要反复调试，

47、直到能够实现预期结果为止。本次设计是在Keil中来进行编译和调试的。 5.1.1 线性霍尔传感器调试结果及分析 外加磁场的南极靠近器件标志面时 R/mT 300 200 100 输出电压（V） 2.1 2.3 2.8 外加磁场的北极靠近器件标志面时 R/mT 100 200 300 输出电压（V） 4.3 4.8 5.1线性霍尔传感器部分的调试结果基本是正确的，但由于外部环境的影响及硬件设备的不良等因素，调试过程中遇到了一些问题，模拟出的结果存在一定的误差，经过多次采样，尽量使结果与理论值得差值缩小，达到了预期的结果。5.1.2 振荡电路调试结果及分析振荡电路输出的是一方波，可以读出占空比和输

48、出脉冲的频率，其仿真结果如图5-1所示图5-1 多谐输出从调试的结果中可以读出T1的值为：0.028ms,T2的值为：0.014ms。输出频率等于23.573KHZ，而理论上输出脉冲的频率是24KHZ，从读出的结果可以看出与理论值有一定的误差，这是由于调试过程中如环境、仪器设备等因素造成的，虽然结果有误差，但基本上是正确的，说明多谐振荡器部分电路是正确的。5.1.3显示电路仿真结果及分析显示部分显示的数据是设定的灵敏度值，当按下各键盘部分各个键时，在显示电路部分显示相对应的数据，显示结果如图5-2所示。 初始状态 加1显示值 加15显示值 减11显示值图5-2 显示值经过多次试验和从显示的值可

49、以看出仿真结果基本正确，由于绘制电路中出现了一些问题，仿真过程中出现了显示模糊、不稳定等一些问题，但最终还是得到了比较理想的显示数据。5.1.4 蜂鸣器仿真结果及分析从P1.6口接出来的蜂鸣器电路用来发出探测到金属地雷时的报警信号。蜂鸣器正常报警，结果正常。5.2 系统结果总结 综上所述，在仿真调试过程中虽然遇到了一些问题，但是经过分析改正最终成功调试出了多谐振荡电路的输出、数据采集电路的输出、显示部分的显示值和蜂鸣声等结果。但是还存在一些问题，如数码管显示器显示数字时有些闪烁不定，多谐振荡电路输出脉冲的不稳定等。总的来说还是比较成功的。5.3 主要技术指标 工作频率、灵敏度和稳定性是地雷探测

50、仪的主要技术指标。5.3.1 探测仪工作频率 工作频率为24KHz，选择24KHz的超长波频率是为了减弱土壤对电磁波的影响。5.3.2探测仪灵敏度 由公式(2-2)可知：（1） 检测线圈的尺寸对灵敏度的影响：检测线圈尺寸的大小决定了探测面积的大小，尺寸越大，探测面积越大，线圈中心磁场强度越低，因为霍尔元件固定在线圈中心，所以为了保证霍尔元件能有效的探测磁场，线圈的尺寸不宜太大。（2） 检测线圈的匝数对灵敏度的影响：当线圈的匝数作为唯一变量时，匝数越少灵敏度越高，但同时通过霍尔元件的磁感线越少，所以线圈的匝数应适宜。5.3.3 探测仪稳定性（1）环境温度的变化，仪器元件参数也会改变，影响仪器工作

51、的稳定。（2）应尽量减少线圈与电路之间引线的长度，以减少分布电容 第六章 结论 第六章 结论 本设计根据电磁感应原理来设计地雷探测器。 首先介绍了探测地雷的理论依据，当通电线圈靠近地雷时，地雷产生涡流效应，反作用于原磁场，同时原磁场的介质条件发生变化，双重作用下，使原磁场发生变化。 硬件系统分为两个部分，一部分为线圈震荡电路，包括：多谐振荡电路、放大电路和探测线圈；另一部分为控制电路，包括：UGN3503U线性霍尔元件，前置放大电路，峰值检波电路,ADC0809模数转换器，AT89C52单片机，LED显示电路，声音报警电路及电源电路。通过这些电路将磁场强度信号变为电压信号，根据电压信号做出判断

52、。软件设计中，从系统的实用性、可靠性及方便灵活等几个方面出发，使程序满足设计的功能要求。整个系统的软件包括主程序、一个外部中断服务程序、数字滤波程序、比较判断子程序及发光报警等若干个子程序，采用汇编语言编写。最后分析了设计中的主要技术指标，包括金属探测器的工作频率（12KHZ），灵敏度（包括：检测线圈的尺寸对仪器灵敏度的影响和匝数对灵敏度的影响）以及稳定性等技术指标。本次设计的地雷探测仪是最简易的地雷探测仪，只能对浅层地雷进行探测，因为该探测仪受外界环境因素影响大，环境温度，土壤湿度以及土壤中其他杂物都会对影响该探测仪的灵敏度。但因其简易性，能更好应用于平民探测，能有效的减少无辜平民的伤害。本

53、次所设计的地雷探测仪有两个优点，一是可以设定灵敏度，让其有更广的应用范围；二是有两个报警系统，蜂鸣器报警系统和LED报警系统，其中一个出现问题不会对探测仪有太大的影响。但该探测仪的设计中也出现了一些问题，系统不够稳定，受外界环境因素影响大，这些问题有待解决。 参考文献 参考文献1 周省三.电磁场基本教程J.高等教育出版社 ，2003.2 程守洙、江之水.普通物理学2J.高等教育出版社，2001.3 3503 RATIOMETRIC LINEAR HALL-EFFECT SENSORS.CoPyright1985，2002 Allegro Mieorsystems，InC4 涂有瑞.霍尔传感元器

54、件及其应用 电子元器件应用J.高等教育 出版社，2002 .5 减春华.电子线路设计与应用J.高等教育出版社，2004.6 蔡明生.电子设计J.高等教育出版社，2003.7 何立民.单片机应用系统设计J.北京航空航天大学出版社，2004.8 吴金戌、沈庆阳、郭庭吉 .8051单片机实践与应用J.清华大学出版社，2004.9 张毅刚、彭喜元、姜守达.新编MCS-51单片机应用设计J.哈尔滨工业大学出版社，2001.10 李全利、迟荣强 .单片机原理及接口技术J.高等教育出版社，2003.11 沙占友、王彦朋、孟志永等.单片机外围电路设计J.电子工业出版社,2006.12 房小翠.单片机实用系统设

55、计技术J.国防工业出版社，2006.13 杨振江、杜铁军、李群.流行单片机实用子程序及应用实例J.西安电子科技大学出版社，2004.14 孙涵芳、徐爱卿等.MCS-51196系列单片机原理及应用J.北京航空航天大学出版社，2005.15 ATMEL：8-bit Microcontroller with 8K Bytes in-System Programmable Flash, AT89S52,2001.16 李伯成.基于MCS-51单片机的嵌入式系统设计J.北京电子工业出版社，2004.17 程德福、林君.智能仪器J.机械工业出版社，2005.18 康华光.电子技术基础J.高等教育出版社，2

56、006.19 阎石.数字电子技术基础J.高等教育出版社,2006.20 唐文彦.传感器J.机械工业出版社，2000. 致谢致谢本次设计，先对项目进行了可行性论证，然后确定项目，之后便开始整个设计。硬件电路的设计、元器件的选择、元器件参数的测试、硬件电路图的最终确定，乃至利用Altium Designer绘制原理图和PCB板，我投入了相当多的精力，为了了解硬件电路设计中涉及到的每个元器件的参数，了解单片机资源的配置以及单片机的各种指令的应用，我从图书馆和网上查阅了大量的资料。这次设计让我熟悉了Altium Designer及单片机下载编写等软件的应用，并回顾了模拟数字单片机高频等学过的知识。本次

57、设计，我是一步一步摸索学习中完成的，让我学到了好多知识，受益匪浅。四年的本科学习生活即将结束，在论文完成之际，我衷心地感谢在这四年的学习和生活中培养过我、帮助过我以及在论文写作期间给予指导和支持的所有老师和同学。衷心感谢我的导师谢建宏老师。整个设计过程谢老师对我们进行面对面指导，询问设计的进展，并过程遇到的问题进行悉心指导。谢老师严谨的治学态度和渊博的知识让我学到了好多，使我有明确的设计思路和正确的学习方法，培养了我独立学习的能力。刚开始设计时，由于对设计的项目了解的不多，我参考了大量的教材及中英文专业资料，期间得到了谢老师的热心指导和同学们的帮助，在此我对给予我帮助的老师和同学表示衷心地感谢。 附 录1 电路原理图附 录2 各模块程序ADPORT EQU 7FF8H