【正文】 儀都有其局限性（如金屬地雷探測(cè)儀對(duì)塑膠地雷），有時(shí)候即使使用常規(guī)地雷探測(cè)儀探測(cè)到了地雷，也由于多種原因而難以快速準(zhǔn)確排雷，有時(shí)候需要在人流量大、環(huán)境復(fù)雜的現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行快速、大規(guī)模的在線(xiàn)適時(shí)探測(cè)，辨別各種固體地雷，這樣常規(guī)的地雷探測(cè)方法就暴露了其局限性。因此，便攜式激光快捷地雷探測(cè)儀成為最近發(fā)展起來(lái)的高科技激光高敏度的探測(cè)方法。今年來(lái)，西方各國(guó)都對(duì)各種軍用激光探測(cè)鑒別儀進(jìn)行了大量研究，美國(guó)軍事研究辦公室（ Army Research Office),美國(guó)CECOM夜視電子探測(cè)器部（CECOM Night Vision and Electronic and Sensors Directorate)于2006年5月聯(lián)合報(bào)道了該系統(tǒng)用于探測(cè)地雷的便攜式原理機(jī)樣（如圖1.），并與Florid大學(xué)合作于2007年4月正式交付使用。在反恐需求的推動(dòng)下，美國(guó)在這方面進(jìn)行了大量研究。國(guó)內(nèi)僅有幾所大學(xué)在實(shí)驗(yàn)室做了LIBS實(shí)驗(yàn)，還沒(méi)有產(chǎn)品，更未見(jiàn)在軍事上的應(yīng)用。采用相關(guān)傳感原理，設(shè)計(jì)了地雷探測(cè)儀器，實(shí)現(xiàn)對(duì)金屬地雷的探測(cè)。本文先對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)和論證，并對(duì)所采用的元器件進(jìn)行了分析比較。確定了系統(tǒng)和選定了元器件后，對(duì)整個(gè)電路的硬件進(jìn)行了設(shè)計(jì)。之后，本人采用匯編語(yǔ)言進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)。最后對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行了分析調(diào)試。 40 第二章 方案選擇及原理第二章 方案選擇及原理 系統(tǒng)方案的選擇 整個(gè)探測(cè)系統(tǒng)以8位單片機(jī)AT89C52為核心，利用電磁感應(yīng)中的渦流效應(yīng)為理論而設(shè)計(jì)的。包括線(xiàn)圈震蕩電路，控制電路兩部分。線(xiàn)圈震蕩電路由探測(cè)線(xiàn)圈，多諧振蕩器，放大電路組成?？刂齐娐分邪ǚ逯禉z波放大電路，A/D轉(zhuǎn)換電路，鍵盤(pán)控制電路，顯示報(bào)警電路，電源電路。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖21: 圖21 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 系統(tǒng)軟件的選用軟件是本系統(tǒng)的靈魂，在設(shè)計(jì)軟件中，本文從系統(tǒng)的實(shí)用性、可靠性及方便靈活等幾個(gè)方面出發(fā)，使程序滿(mǎn)足設(shè)計(jì)的功能要求。整個(gè)系統(tǒng)的軟件包括主程序、一個(gè)外部中斷服務(wù)程序、數(shù)字濾波程序、比較判斷子程序及發(fā)光報(bào)警等若干個(gè)子程序。軟件采用匯編語(yǔ)言編寫(xiě)，并采用模塊化設(shè)計(jì)，使程序結(jié)構(gòu)清晰，便于今后進(jìn)一步擴(kuò)展系統(tǒng)的功能。 方案的理論基礎(chǔ)地雷探測(cè)器是采用線(xiàn)圈的電磁感應(yīng)原理來(lái)探測(cè)地雷的。根據(jù)電磁感應(yīng)原理，當(dāng)有金屬地雷物靠近通電線(xiàn)圈平面附近時(shí)，將發(fā)生線(xiàn)圈介質(zhì)條件的變化和渦流效應(yīng)兩個(gè)現(xiàn)象。[1] 線(xiàn)圈介質(zhì)的變化 當(dāng)金屬地雷接近通電線(xiàn)圈時(shí)，將使通電線(xiàn)周?chē)拇艌?chǎng)發(fā)生變化，如圖22圖22對(duì)于半徑為R的單匝圓形電感線(xiàn)圈，當(dāng)其中通過(guò)交變電流I=Imcos wt圈周?chē)臻g產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，根據(jù)畢奧一薩伐爾定律可計(jì)算線(xiàn)圈中心軸線(xiàn)上一點(diǎn)的磁感應(yīng) (21)其中，μ=μ0μr，μ為介質(zhì)的磁導(dǎo)率，μr為相對(duì)磁導(dǎo)率，μ0為真空磁導(dǎo)率。[2]對(duì)于緊密纏繞N匝的線(xiàn)圈，線(xiàn)圈中心軸線(xiàn)上一點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度則為： (22)由公式(22)可知，當(dāng)線(xiàn)圈有效探測(cè)范圍內(nèi)無(wú)金屬物時(shí)，μr=1 (非金屬的相對(duì)磁導(dǎo)率)，線(xiàn)圈中心磁感應(yīng)強(qiáng)度B保持不變，當(dāng)線(xiàn)圈有效探測(cè)范圍內(nèi)出現(xiàn)鐵磁性金屬物時(shí)，μr會(huì)變大，B隨之也會(huì)變大。 渦流效應(yīng) 根據(jù)電磁理論，當(dāng)金屬地雷被置于變化的磁場(chǎng)中時(shí)，金屬地雷內(nèi)就會(huì)產(chǎn)生自行閉合的感應(yīng)電流，這就是金屬的渦流效應(yīng)。渦流要產(chǎn)生附加的磁場(chǎng),與外磁場(chǎng)方向相反，削弱外磁場(chǎng)的變化。據(jù)此，將一交流正弦信號(hào)接入繞在骨架上的空心線(xiàn)圈上，流過(guò)線(xiàn)圈的電流會(huì)在周?chē)a(chǎn)生交變磁場(chǎng)，當(dāng)將金屬地雷靠近線(xiàn)圈時(shí)，產(chǎn)生的渦流磁場(chǎng)會(huì)削弱線(xiàn)圈磁場(chǎng)的變化。金屬地雷的電導(dǎo)率σ越大，交變電流的頻率越大，則渦電流強(qiáng)度越大，對(duì)原磁場(chǎng)的抑制作用越強(qiáng)。 通過(guò)以上分析可知，當(dāng)有金屬地雷靠近通電線(xiàn)圈平面附近時(shí)，無(wú)論是介質(zhì)磁導(dǎo)率的變化，還是金屬地雷的渦流效應(yīng)均能引起磁感應(yīng)強(qiáng)度B的變化。對(duì)于鐵磁性金屬制成的地雷 μr很大，σ也較大，可認(rèn)為是既導(dǎo)電又導(dǎo)磁物質(zhì)，主要產(chǎn)生磁效應(yīng)，同時(shí)又有渦流效應(yīng)。 整機(jī)工作原理整個(gè)系統(tǒng)工作時(shí)，由555定時(shí)器構(gòu)成的多諧振蕩器產(chǎn)生一個(gè)頻率為24KHz的脈沖信號(hào)，此脈沖信號(hào)經(jīng)過(guò)緩沖和放大之后，形成頻率穩(wěn)定度高、功率較大的脈沖信號(hào)輸入到探測(cè)線(xiàn)圈中，通電的線(xiàn)圈周?chē)蜁?huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，此時(shí)，固定在線(xiàn)圈中心的霍爾元件UGN3503U就會(huì)感應(yīng)到線(xiàn)圈周?chē)拇艌?chǎng)，并將磁場(chǎng)強(qiáng)度信號(hào)線(xiàn)性地 在無(wú)地雷的情況下，假設(shè)霍爾輸出電壓為u0，該電壓信號(hào)u0很微弱，u0經(jīng)過(guò)放大電路放大，再通過(guò)峰值檢波電路，得到相應(yīng)的0V~5V的峰值輸出電壓U0，以滿(mǎn)足ADC0809的量程，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后，將U0的數(shù)字量輸入到單片機(jī)儲(chǔ)存起來(lái)。此后，以該電壓信號(hào)作為基準(zhǔn)電壓，與A/D轉(zhuǎn)換器采集到的電壓信號(hào)進(jìn)行比較判斷。當(dāng)探測(cè)線(xiàn)圈靠近地雷時(shí)，由于電磁感應(yīng)現(xiàn)象，會(huì)使其周?chē)拇艌?chǎng)發(fā)生變化，霍爾元件感應(yīng)到該變化的磁場(chǎng)，并將其線(xiàn)性地轉(zhuǎn)變成電壓信號(hào)ux，該變化的電壓經(jīng)放大電路、峰值檢波電路后，得到相應(yīng)的0V5V的峰值輸出電壓Ux，然后經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后，輸入到CPU，由CPU完成Ux與基準(zhǔn)電壓U0的比較，二者比較?? Ux—U0??得到一個(gè)差值，此差值與預(yù)設(shè)的靈敏度△U再作比較。靈敏度由鍵盤(pán)控制電路中各鍵輸入，顯示電路部分則顯示各鍵按下后的相應(yīng)數(shù)值，當(dāng)然，△U大小的設(shè)定決定著系統(tǒng)精度的高低。若|UxU0|△U，就確定為探測(cè)到金屬，，進(jìn)行聲音報(bào)警。 第三章 硬件電路的設(shè)計(jì)第三章 硬件電路的設(shè)計(jì) 線(xiàn)圈震蕩電路是由多諧振蕩器和放大電路組成。多諧振蕩器以一定的頻率發(fā)出電流，該電流經(jīng)放大電路放大后輸送到線(xiàn)圈上，規(guī)律變化的電流使線(xiàn)圈產(chǎn)生恒定的磁場(chǎng)。線(xiàn)圈震蕩電路圖如圖31： 圖31 線(xiàn)圈震蕩電路圖 該多諧振蕩器在工作時(shí)，將產(chǎn)生一頻率為24KHz、占空比為2/3的脈沖信號(hào)。選擇24KHz的超長(zhǎng)波頻率是為了減弱土壤對(duì)電磁波的影響。多諧振蕩器輸出的正脈沖信號(hào)經(jīng)過(guò)電容C3輸入到Q1，經(jīng)Q1放大之后，就形成了頻率穩(wěn)定度高、功率較大的脈沖信號(hào)輸入到探測(cè)線(xiàn)圈中，在線(xiàn)圈內(nèi)產(chǎn)生瞬間較強(qiáng)的電流，從而使線(xiàn)圈周?chē)a(chǎn)生恒定的交變磁場(chǎng)。 多諧振蕩器的核心為555定時(shí)器，555定時(shí)器具有成本低，性能可靠的特點(diǎn)，只需要外接幾個(gè)電阻、電容，就可以實(shí)現(xiàn)多諧振蕩器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器及施密特觸發(fā)器等脈沖產(chǎn)生與變換電路。它也常作為定時(shí)器廣泛應(yīng)用于儀器儀表、家用電器、電子測(cè)量及自動(dòng)控制等方面。它內(nèi)部包括兩個(gè)電壓比較器，三個(gè)等值串聯(lián)電阻，一個(gè) RS 觸發(fā)器，一個(gè)放電管 T 及功率輸出級(jí)。它提供兩個(gè)基準(zhǔn)電壓VCC /3 和 2VCC /3。555 定時(shí)器的功能主要由兩個(gè)比較器決定。兩個(gè)比較器的輸出電壓控制 RS 觸發(fā)器和放電管的狀態(tài)。在電源與地之間加上電壓，當(dāng) 5 腳懸空時(shí)，則電壓比較器 C1 的同相輸入端的電壓為 2VCC /3，C2 的反相輸入端的電壓為VCC /3。若觸發(fā)輸入端 TR 的電壓小于VCC /3，則比較器 C2 的輸出為 0，可使 RS 觸發(fā)器置 1，使輸出端 OUT=1。如果閾值輸入端 TH 的電壓大于 2VCC/3，同時(shí) TR 端的電壓大于VCC /3，則 C1 的輸出為 0，C2 的輸出為 1，可將 RS 觸發(fā)器置 0，使輸出為 0 電平。 數(shù)據(jù)采集電路的設(shè)計(jì) 數(shù)據(jù)采集電路由數(shù)據(jù)采集元件和峰值檢波放大電路組成。數(shù)據(jù)采集元件采用線(xiàn)性霍爾傳感器，該傳感器感應(yīng)變化的磁場(chǎng)，并將磁場(chǎng)信號(hào)變?yōu)殡妷盒盘?hào)傳送給后邊的放大與峰值檢波電路。被放大的電壓信號(hào)再傳送給A/D轉(zhuǎn)換器。數(shù)據(jù)采集電路如圖32：圖32 數(shù)據(jù)采集電路圖（1）在設(shè)計(jì)中，選用UGN3503U線(xiàn)性霍爾傳感器來(lái)檢測(cè)通電線(xiàn)圈周?chē)拇艌?chǎng)變化。UGN3503U線(xiàn)性霍爾傳感器可將感應(yīng)到的磁場(chǎng)強(qiáng)度信號(hào)線(xiàn)性地轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?hào)?；魻栐歉鶕?jù)霍爾效應(yīng)制成的，如圖33： 圖33 霍爾效應(yīng)原理圖當(dāng)以電流I通過(guò)半導(dǎo)體兩端,并在其上加以和片子表面垂直的磁場(chǎng)B時(shí)，薄片的橫向兩側(cè)會(huì)出現(xiàn)一個(gè)電壓UH, 這種現(xiàn)象就是霍爾效應(yīng)。產(chǎn)生這種現(xiàn)象，是因?yàn)樵诖艌?chǎng)產(chǎn)生的洛侖茲力的作用下通電半導(dǎo)體片中的載流子分別向片子橫向兩側(cè)偏轉(zhuǎn)和積聚，因而形成一個(gè)電場(chǎng)，被稱(chēng)為霍爾電場(chǎng)。洛侖茲力與霍爾電場(chǎng)產(chǎn)生的電場(chǎng)力相反，電場(chǎng)力阻礙載流子繼續(xù)堆積，直到霍爾電場(chǎng)力和洛侖茲力相等。此時(shí)，半導(dǎo)體兩側(cè)產(chǎn)生一個(gè)穩(wěn)定的電壓，被稱(chēng)為霍爾電壓UH。 UH=KHIB (V) （31）由此可知，霍爾電壓的大小與控制電流I和磁感應(yīng)強(qiáng)度B成正比。KH稱(chēng)為霍爾元件的靈敏度，它與元件幾何尺寸和材料的性質(zhì)有關(guān)。當(dāng)外加電壓一定，通過(guò)恒定的電流，輸出電壓只與磁場(chǎng)B的大小成正比，即： UH=KB (V) （32）由式32知，霍爾輸出電壓將隨磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化而變化。所以，可將霍爾元件做成探頭固定在適當(dāng)位置去檢測(cè)磁場(chǎng)變化，再根據(jù)霍爾輸出電壓的變化獲得需要檢測(cè)的信息。本設(shè)計(jì)中采用的線(xiàn)性霍爾傳感器UGN3503U就是將霍爾元件、高增益線(xiàn)性差分放大器和射極跟隨器集成在同一半導(dǎo)體基片上，提供了一個(gè)由外電壓源驅(qū)動(dòng)、使用方便的磁敏傳感器。該器件的磁電轉(zhuǎn)換特性曲線(xiàn)如圖34所示[3]： 圖34 UGN3503U磁電轉(zhuǎn)換特性曲線(xiàn)其輸出電壓正比于加在霍爾元件上的磁感強(qiáng)度B。用它作探頭可測(cè)量，10ˉ610T的交變和恒定磁場(chǎng)。具有靈敏度高，線(xiàn)性度好，結(jié)構(gòu)牢固，體積小，重量輕，耐震動(dòng)，功耗小，壽命長(zhǎng)，頻率高，輸出噪聲低等特點(diǎn)。在測(cè)量磁場(chǎng)時(shí)，將元件的第一腳接電源，第二腳接地，第三腳接高輸入阻抗電壓表，通電后，將電路放入被測(cè)磁場(chǎng)中讓磁力線(xiàn)垂直于電路表面，當(dāng)沒(méi)有磁場(chǎng)(B=0G)時(shí)，靜態(tài)輸出電壓是電源電壓的一半，當(dāng)外加磁場(chǎng)的北極靠近器件標(biāo)志面時(shí)，會(huì)使輸出電壓低于靜態(tài)輸出電壓；當(dāng)外加磁場(chǎng)的南極靠近器件標(biāo)志面時(shí)，會(huì)使輸出電壓高于靜態(tài)輸出電壓。利用上述特性，將其固定在探測(cè)線(xiàn)圈的中心感應(yīng)線(xiàn)圈的磁場(chǎng)變化，并接在數(shù)據(jù)采集電路的前端，將磁場(chǎng)的變化信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)的變化而被后級(jí)電路接收和放大。[4]（2）放大與峰值檢波電路 UGN35O3U線(xiàn)性霍爾元件輸出的電壓信號(hào)是一個(gè)毫伏級(jí)的信號(hào)，十分微弱，所以，在對(duì)其進(jìn)行處理前，首先要進(jìn)行放大。在設(shè)計(jì)中，信號(hào)放大電路采用集成運(yùn)算放大器LM324，其輸入阻抗高、漂移較小、共模抑制比高。UGN3503線(xiàn)性霍爾元件輸出的電壓信號(hào)經(jīng)電容輸送到前級(jí)運(yùn)算放大器U4的同相輸入端。在電路設(shè)計(jì)中，采用+5V單電源給運(yùn)放LM324供電。經(jīng)前級(jí)運(yùn)算放大器放大的信號(hào)經(jīng)耦合電容C7輸入到后級(jí)峰值檢測(cè)電路中。 峰值檢測(cè)電路由兩級(jí)運(yùn)算放大器組成，第一級(jí)運(yùn)放將輸入信號(hào)的峰值傳遞到電容C8上，并保持下來(lái)。第二級(jí)運(yùn)放組成緩沖放大器，將輸出與電容隔離開(kāi)來(lái)。在設(shè)計(jì)中，第二級(jí)與第三級(jí)運(yùn)放同樣采用運(yùn)算放大器LM324，這樣可充分利用LM324。通過(guò)該電路，將采集到的微弱電壓信號(hào)放大至0V5V，以滿(mǎn)足A/D轉(zhuǎn)換器ADC0809所要求的輸入電壓變換范圍，然后A/D轉(zhuǎn)換電路對(duì)檢測(cè)到的峰值進(jìn)行轉(zhuǎn)化。LM324是四運(yùn)放集成電路，它采用14管腳雙列直插塑料（陶瓷）封裝。它的內(nèi)部包含四組形式完全相同的運(yùn)算放大器，除電源共用外，四組運(yùn)放相互獨(dú)立。LM324與單電源應(yīng)用場(chǎng)合的標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)算放大器相比，它有一些顯著的特點(diǎn)，靜態(tài)電流大致為MC1741的靜態(tài)電流的五