【正文】 第一章 緒論 2 Night Vision and Electronic and Sensors Directorate)于 2020 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 2020 年 4 月正式交付使用。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。 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。之后，本人采用匯編語(yǔ)言進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)。 第二章 方案選擇及原理 3 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。線圈震蕩電路由探測(cè)線圈，多諧振蕩器，放大電路組成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 21: 放 大 電 路多 謝 振 蕩 器霍 爾 元 件放 大 峰 值 檢 波A / DC P UA T 8 9 S 5 2報(bào) 警探 測(cè)線 圈鍵 盤 控 制電 源顯 示a 線 圈 震 蕩 電 路 b 控 制 電 路 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)，使程序滿足設(shè)計(jì)的功能要求。軟件采用匯編語(yǔ)言編寫，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。根據(jù)電磁感應(yīng)原理，當(dāng)有金屬 地雷 物靠近通電線圈平面附近時(shí)，將發(fā)生線圈介質(zhì)條件的變化和渦流效應(yīng)兩個(gè)現(xiàn)象 。 [2]對(duì)于緊密纏繞 N匝的線圈，線圈中心軸線上一點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度則為： tB ?c os)R2( x IRμN(yùn) μ 3 / 222 m2r0 ?? (22) 由公式 (22)可知，當(dāng)線圈有效探測(cè)范圍內(nèi)無(wú)金屬物時(shí)，μ r=1 (非金屬的相對(duì)磁導(dǎo)率 )，線圈中心磁感應(yīng)強(qiáng)度 B 保持不變，當(dāng)線圈有效探測(cè)范圍內(nèi)出現(xiàn)鐵磁 第二章 方案選擇及原理 5 性金屬物時(shí)，μ r會(huì)變大， B隨之也會(huì)變大。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。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)。對(duì)于鐵磁性金屬 制成的地雷 μ r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)。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。靈敏度由鍵盤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。 第三章 硬件電路的設(shè)計(jì) 6 第三章 硬件電路的設(shè) 計(jì) 線圈震蕩電路的設(shè)計(jì) 線圈震蕩電路是由多諧振蕩器和放大電路組成。線圈震蕩電路圖如圖 31： 圖 31 線圈震蕩電路圖 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)。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)線圈中，在 線圈內(nèi)產(chǎn)生瞬間較強(qiáng)的電流，從而使線圈周圍產(chǎn)生恒定的交變磁場(chǎng)。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。它提供兩個(gè)基準(zhǔn)電壓 VCC /3 和 2VCC /3。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)。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 第三章 硬件電路的設(shè)計(jì) 7 觸發(fā)器置 1，使輸出端 OUT=1。 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。被放大的電壓信號(hào)再傳 送給 A/D 轉(zhuǎn)換器。UGN3503U 線性霍爾傳感器可將感應(yīng)到的磁場(chǎng)強(qiáng)度信號(hào)線性地轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?hào)。 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)， 被稱為 霍爾電場(chǎng)。 此時(shí) ，半導(dǎo)體 兩側(cè) 產(chǎn)生 一個(gè)穩(wěn)定的電壓， 被稱為 霍爾電壓 UH。 KH稱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)。 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 。該器件的磁電轉(zhuǎn)換特性曲線如 圖 34所示 [3]： 第三章 硬件電路的設(shè)計(jì) 9 圖 34 UGN3503U磁電轉(zhuǎn)換特性曲線 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，10ˉ 610T 的交變和恒定磁場(chǎng) 。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(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。 [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。 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。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。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)。通過(guò) 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 第三章 硬件電路的設(shè)計(jì) 10 轉(zhuǎn)化 。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 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(lái)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。本電路還采用 74LS02 元器件，實(shí)現(xiàn)端口間的“或非”功能。 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 100μ s。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。下面說(shuō)明各引腳功能 ： IN0～ IN7： 8 路模擬量輸入端。 ADDA、 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。 第三章 硬件電路的設(shè)計(jì) 12 EOC： 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）。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(kāi)輸出三態(tài)門，輸出數(shù)字量。要求時(shí)鐘頻率不高于 640KHZ。 Vcc：電源，單一＋ 5V。 （ 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?？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。 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。 VCC:AT89S52電源正端輸入 第三章 硬件電路的設(shè)計(jì) 13 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(lái)執(zhí)行程序。 XTALI:單芯片系統(tǒng)時(shí)鐘的反相放大器輸入端。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(lái)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 。 P1():端口 1也是具有內(nèi)部提升電路的雙向 1/O端口 。 P3():端口 3也具有內(nèi)部提升電路的雙向 I/O 端口。 放大后的電壓信號(hào) 經(jīng)過(guò) 通道 IN0 送入 ADC0809 進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換。AT89S52 的讀信號(hào) RD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(kāi)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。 操作人員可以通過(guò)鍵盤輸入數(shù)據(jù)或命令，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的人 機(jī)通信。常態(tài)時(shí)，按鍵的兩個(gè)觸點(diǎn)處于斷開(kāi)狀態(tài)，按下鍵時(shí)他們才閉合。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”。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(lái)調(diào)節(jié)靈敏度 ， K4 是確定鍵， 用來(lái)確定靈敏度值。 AT89C52 工作在 0 模式下， 收發(fā)信息均通過(guò) 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)。顯示電路如圖 310： 第三章 硬件電路的設(shè)計(jì) 15 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。數(shù)據(jù)通過(guò)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。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(zhǎng)度。 元器件 74HC164 的引腳圖如圖 311，引腳的功能表如表 312： 第三章 硬件電路的設(shè)計(jì) 16 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。蜂鳴器報(bào)警電路如圖 312： 第三章 硬件電路的設(shè)計(jì) 17 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/O口 輸出信號(hào)驅(qū)動(dòng) LED 發(fā)光。所以本次設(shè)計(jì)的電源電路需要該項(xiàng)要求。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。 LM7805 三端正穩(wěn)壓器具有內(nèi)部過(guò)流、熱過(guò)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，最大輸出電流 ，保證板內(nèi) 555 定時(shí)器、 UGN3503U、 AT89S5 ADC0809等芯片和元件可靠地工作。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。 主程序初始化以后置位 AT89C52 的中斷控制位 EA，使 CPU 開(kāi)放中斷。在電路設(shè)計(jì)中， ADC0809 的 EOC端通過(guò)反相器接 AT89C52的 NIT1 端，作為中斷申請(qǐng)。經(jīng)過(guò)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。在檢測(cè)過(guò)程中，將 A/D