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地雷探測(cè)儀的設(shè)計(jì)畢業(yè)論文-文庫吧資料

2025-07-03 13:41本頁面
  

【正文】 ) 程序流程圖如圖41:(2) 程序參考附錄2[13]。因?yàn)殪`敏度的要求和計(jì)算方便,本設(shè)計(jì)中選擇了N=6。 數(shù)字濾波及其算法探測(cè)器的主要設(shè)計(jì)指標(biāo)是噪聲的抑制能力。在檢測(cè)過程中,將A/D轉(zhuǎn)換器采集到的電壓信號(hào)經(jīng)數(shù)據(jù)軟件濾波后存入內(nèi)部RAM中,然后將此數(shù)據(jù)Ux二和基準(zhǔn)電壓U0進(jìn)行比較,二者差值U存放在單片機(jī)ARM中。經(jīng)過數(shù)據(jù)軟件濾波之后將其存放在單片機(jī)RAM 中,作為基準(zhǔn)電壓U0。在電路設(shè)計(jì)中,ADC0809的EOC端通過反相器接AT89C52的NIT1端,作為中斷申請(qǐng)。 主程序初始化以后置位AT89C52的中斷控制位EA,使CPU開放中斷。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。LM7805三端正穩(wěn)壓器具有內(nèi)部過流、熱過載和輸出晶體管安全區(qū)保護(hù)功能,可將9V的輸入電壓轉(zhuǎn)換為+5V電壓,保證板內(nèi)555定時(shí)器、UGN3503U、AT89S5ADC0809等芯片和元件可靠地工作。電源電路如圖314:圖314電源電路圖電路中紐扣電池提供9V電壓,負(fù)責(zé)給數(shù)據(jù)采集電路供電。所以本次設(shè)計(jì)的電源電路需要該項(xiàng)要求。蜂鳴器報(bào)警電路如圖312:圖312 蜂鳴器報(bào)警電路(2) LED報(bào)警電路的設(shè)計(jì) LED報(bào)警電路由一個(gè)二極管和一個(gè)保護(hù)電阻組成,當(dāng)檢測(cè)到金屬地雷時(shí),被測(cè)物理量由單片機(jī)I/。元器件74HC164的引腳圖如圖311,引腳的功能表如表312:圖311 74HC164引腳圖圖311 74HC164引腳功能表 報(bào)警電路的設(shè)計(jì)(1) 蜂鳴器報(bào)警電路的設(shè)計(jì) 蜂鳴器報(bào)警電路包括一個(gè)三極管、一個(gè)蜂鳴器、一個(gè)續(xù)流二極管和一個(gè)電源濾波電容。時(shí)鐘 (CP) 每次由低變高時(shí),數(shù)據(jù)右移一位,輸入到 Q0, Q0 是兩個(gè)數(shù)據(jù)輸入端(DSA 和 DSB)的邏輯與,它將上升時(shí)鐘沿之前保持一個(gè)建立時(shí)間的長度。數(shù)據(jù)通過兩個(gè)輸入端(DSA 或 DSB)之一串行輸入;任一輸入端可以用作高電平使能端,控制另一輸入端的數(shù)據(jù)輸入。顯示電路如圖310:圖310 顯示電路圖本設(shè)計(jì)中采用的元器件74HC164是高速硅門 CMOS 器件,與低功耗肖特基型 TTL (LSTTL) 器件的引腳兼容。AT89C52工作在0模式下,收發(fā)信息均通過RXD完成,TXD則作為同步時(shí)鐘輸出,在同步時(shí)鐘作用下,利用串行口加外圍芯片74HC164構(gòu)成的并行輸入/輸出口,實(shí)現(xiàn)由串行到并行的數(shù)據(jù)通信,用于顯示器數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)。其中,K1鍵作為功能鍵設(shè)置靈敏度△U,靈敏度是可調(diào)的,K2為加1鍵,K3為減1鍵,都用來調(diào)節(jié)靈敏度,K4是確定鍵,用來確定靈敏度值。當(dāng)有任一鍵按下時(shí),與之相連的輸入數(shù)據(jù)線為“0”,否則置“1”。常態(tài)時(shí),按鍵的兩個(gè)觸點(diǎn)處于斷開狀態(tài),按下鍵時(shí)他們才閉合。操作人員可以通過鍵盤輸入數(shù)據(jù)或命令,實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的人機(jī)通信。AT89S52的讀信號(hào)端發(fā)出一個(gè)輸出允許命令輸入到ADC0809的OE端,OE端呈高電位,用以打開三態(tài)輸出鎖存器,AT89C52從ADC0809讀取相應(yīng)電壓數(shù)字量,然后存入數(shù)據(jù)緩沖器中。放大后的電壓信號(hào)經(jīng)過通道IN0送入ADC0809進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。 P3():端口 3也具有內(nèi)部提升電路的雙向I/O端口。 P1():端口1也是具有內(nèi)部提升電路的雙向1/O端口。平時(shí)在程序執(zhí)行時(shí)ALE引腳的輸出頻率約是系統(tǒng)工作頻率的1/6,因此可以用來驅(qū)動(dòng)其他周邊晶片的時(shí)鐘輸入PSEN:PSEN為程序儲(chǔ)存啟用,當(dāng)8051被設(shè)成為讀取外部程序代碼工作模式時(shí)(EA=0),會(huì)送出此信一號(hào)以便取得程序代碼,通常這支腳是接到EPROM的OE腳。XTALI:單芯片系統(tǒng)時(shí)鐘的反相放大器輸入端。VCC:AT89S52電源正端輸入EA/Vpp:EA低電平動(dòng)作,當(dāng)此引腳接低電平后,系統(tǒng)會(huì)取用外部的程序代碼來執(zhí)行程序。AT89C52單片機(jī)的引腳圖如圖38: 圖38 AT89C52引腳圖AT89C52單片機(jī)有40條引腳,采用雙列直插式封裝,如上圖所示??臻e模式下,CPU暫停工作,而RAM、定時(shí)計(jì)數(shù)器、串行口及外中斷系統(tǒng)可繼續(xù)工作,掉電模式凍結(jié)振蕩器而保存RAM的數(shù)據(jù),停止芯片其它功能直至外中斷激活或硬件復(fù)位。 (2)采用的單片機(jī)為AT89C52型,AT89C52是一個(gè)低功耗,高性能CMOS 8位單片機(jī),其具有如下特點(diǎn):40個(gè)引腳,256 bytes的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器,8K Bytes Flash片內(nèi)程序存儲(chǔ)器,2個(gè)數(shù)據(jù)指針,32個(gè)外部雙向輸入/輸出(I/O)口,看門狗定時(shí)電路,3個(gè)16位可編程定時(shí)計(jì)數(shù)器,5個(gè)中斷優(yōu)先級(jí),2個(gè)全雙工串行通信口,2層中斷嵌套中斷,片內(nèi)時(shí)鐘振蕩器?! cc:電源,單一+5V。要求時(shí)鐘頻率不高于640KHZ。當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí),此端輸入一個(gè)高電平,才能打開輸出三態(tài)門,輸出數(shù)字量?! OC: A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào),輸出,當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí),此端輸出一個(gè)高電平(轉(zhuǎn)換期間一直為低電平)?! DDA、ADDB、ADDC:3位地址輸入線,用于選通8路模擬輸入中的一路  ALE:地址鎖存允許信號(hào),輸入,高電平有效。下面說明各引腳功能:  IN0~I(xiàn)N7:8路模擬量輸入端。本設(shè)計(jì)中只使用通道NI0,所以,地址譯碼器ABC直接接地為000,采用線選法尋址。ADC0809是8位逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器,可對(duì)八路模擬電壓量進(jìn)行分時(shí)轉(zhuǎn)換,轉(zhuǎn)換速度為100μs。本電路還采用74LS02元器件,實(shí)現(xiàn)端口間的“或非”功能。LM324元器件的引腳圖如圖35: 圖35 LM324的引腳圖 A/D轉(zhuǎn)換電路 A/D轉(zhuǎn)換器將采集來的電壓信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換,把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào),再在單片機(jī)的控制下輸送給單片機(jī)處理控制。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。通過該電路,將采集到的微弱電壓信號(hào)放大至0V5V,以滿足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。第二級(jí)運(yùn)放組成緩沖放大器,將輸出與電容隔離開來。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。UGN3503線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。[4](2)放大與峰值檢波電路 UGN35O3U線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)中讓磁力線垂直于電路表面,當(dāng)沒有磁場(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。用它作探頭可測(cè)量,10ˉ610T的交變和恒定磁場(chǎng)。本設(shè)計(jì)中采用的線性霍爾傳感器UGN3503U就是將霍爾元件、高增益線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。當(dāng)外加電壓一定,通過恒定的電流,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。 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。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?;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)。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線性霍爾傳感器來檢測(cè)通電線圈周圍的磁場(chǎng)變化。數(shù)據(jù)采集元件采用線性霍爾傳感器,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。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。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。555 定時(shí)器的功能主要由兩個(gè)比較器決定。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)。 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。選擇24KHz的超長波頻率是為了減弱土壤對(duì)電磁波的影響。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圈上,規(guī)律變化的電流使線圈產(chǎn)生恒定的磁場(chǎng)。若|UxU0|△U,就確定為探測(cè)到金屬,進(jìn)行聲音報(bào)警。當(dāng)探測(cè)線圈靠近地雷時(shí),由于電磁感應(yīng)現(xiàn)象,會(huì)使其周圍的磁場(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。 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)線圈中,通電的線圈周圍就會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng),此時(shí),固定在線圈中心的霍爾元件UGN3503U就會(huì)感應(yīng)到線圈周圍的磁場(chǎng),并將磁場(chǎng)強(qiáng)度信號(hào)線性地 在無地雷的情況下,假設(shè)霍爾輸出電壓為u0,該電壓信號(hào)u0很微弱,u0經(jīng)過放大電路放大,再通過峰值檢波電路,得到相應(yīng)的0V~5V的峰值輸出電壓U0,以滿足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。 通過以上分析可知,當(dāng)有金屬地雷靠近通電線圈平面附近時(shí),無論是介質(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。據(jù)此,將一交流正弦信號(hào)接入繞在骨架上的空心線圈上,流過線圈的電流會(huì)在周圍產(chǎn)生交變磁場(chǎng),當(dāng)將金屬地雷靠近線圈時(shí),產(chǎn)生的渦流磁場(chǎng)會(huì)削弱線圈磁場(chǎng)的變化。 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)。[1] 線圈介質(zhì)的變化 當(dāng)金屬地雷接近通電線圈時(shí),將使通電線周圍的磁場(chǎng)發(fā)生變化,如圖22圖22對(duì)于半徑為R的單匝圓形電感線圈,當(dāng)其中通過交變電流I=Imcos wt圈周圍空間產(chǎn)生交變磁場(chǎng),根據(jù)畢奧一薩伐爾定律可計(jì)算線圈中心軸線上一點(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。 方案的理論基礎(chǔ)地雷探測(cè)器是采用線圈的電磁感應(yīng)原理來探測(cè)地雷的。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。控制電路中包括峰值檢波放大電路,A/D轉(zhuǎn)換電路,鍵盤控制電路,顯示報(bào)警電路,電源電路。包括線圈震蕩電路,控制電路兩部分。
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