【正文】 ，但其殺傷力最大，是對(duì)人類危害最大的武器之一。但其中最多的還是金屬地雷，而對(duì)平民最易造成無(wú)辜傷害的是埋在地下的金屬地雷。本次設(shè)計(jì)就是針對(duì)這樣的情況設(shè)計(jì)的地雷探測(cè)儀，所設(shè)計(jì)的地雷探測(cè)儀是一種最簡(jiǎn)單應(yīng)用于處于戰(zhàn)爭(zhēng)的生活中，并能被普通百姓接受，盡量減少平民的無(wú)辜傷亡。現(xiàn)在常規(guī)的地雷探測(cè)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。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。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)。 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。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: 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： (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)，μr=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)鐵磁性金屬物時(shí)，μr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 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)。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)第三章 硬件電路的設(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 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]： 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。具有靈敏度高，線性度好，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)。利用上述特性，將其固定在探測(cè)線圈的中心感應(yīng)線圈的磁場(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。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。在電路設(shè)計(jì)中，采用+5V單電源給運(yùn)放LM324供電。 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)。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。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。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)電流的五分之一，共模輸入范圍包括負(fù)電源，因而消除了在許多應(yīng)用場(chǎng)合中采用外部偏置元件的必要性。單片機(jī)的時(shí)鐘信號(hào)由12MHz的晶振提供，A/D轉(zhuǎn)換器的時(shí)鐘信號(hào)由單片機(jī)經(jīng)四分頻獲得。A/D轉(zhuǎn)換電路如圖36：圖36 最小系統(tǒng)電路圖 （1）在本次設(shè)計(jì)中，采用的A/D轉(zhuǎn)換器為ADC0809型。當(dāng)?shù)刂锋i存允許信號(hào)ALE=1時(shí)，3位地址信號(hào)A、B、C送入地址鎖存器，選擇8路模擬量中的一路實(shí)現(xiàn)A/D變換。ADC0809的引腳圖如圖37： 圖37 ADC0809引腳圖ADC0809芯片有28條引腳，采用雙列直插式封裝，如上圖所示?！　?1～28：8位數(shù)字量輸出端?！　TART： A／D轉(zhuǎn)換啟動(dòng)信號(hào)，輸入，高電平有效?！　E：數(shù)據(jù)輸出允許信號(hào)，輸入，高電平有效?！　LK：時(shí)鐘脈沖輸入端?！　EF（+）、REF（）：基準(zhǔn)電壓?！　ND：地。此外，AT89S52設(shè)計(jì)和配置了振蕩頻率可為0HZ并可通過(guò)軟件設(shè)置省電模式。其工作電壓為5V，晶振頻率采用12MHZ。下面說(shuō)明各引腳功能：XTAL2:系統(tǒng)時(shí)鐘的反相放大器輸出端,一般在設(shè)計(jì)上只要在XTAL1和XTA L2上接上一只石英振蕩晶體系統(tǒng)就可以動(dòng)作了RESET:AT89C52的重置引腳,高電平動(dòng)作。VSS:電源地端。ALE/PROG:ALE可以觸發(fā)外部的8位鎖存器,將端u0的地址總線(A0A7)鎖進(jìn)鎖存器中。 PO(~ ):端口0是一個(gè)8位寬的雙向輸出入端口, ,依此類推。 P2(~ ):端口2是具有內(nèi)部提升電路的雙向1/O端口。 （3）ADC0809片內(nèi)有三態(tài)輸出緩沖器，可直接與單片機(jī)的數(shù)據(jù)總線相連接，這里將它的數(shù)據(jù)輸出口直接與單片機(jī)的數(shù)據(jù)總線P0口相連接，AT89C52的P0口作為數(shù)據(jù)總線，又作為低8位地址總線，ADC0809的片內(nèi)沒(méi)有時(shí)鐘，利用AT89S52提供的地址鎖存允許信號(hào)ALE經(jīng)計(jì)數(shù)器74LS163構(gòu)成的4分頻器分頻獲得。當(dāng)ADC0809的START啟動(dòng)信號(hào)輸入端為高電平時(shí)A/D開始轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)，送出轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)EOC，并將8位數(shù)字量D7D0鎖存到輸出緩存器。 鍵盤控制電路的設(shè)計(jì)鍵盤是最常用的單片機(jī)輸入設(shè)備,是一組按鍵的集合。按鍵是一種常開型按鈕開關(guān)。本設(shè)計(jì)中采用獨(dú)立連接式非編碼鍵盤，即每一個(gè)按鍵占用一條I/O接口線。鍵盤控制電路如圖39：圖39 鍵盤控制電路圖本設(shè)計(jì)選用的這種鍵盤控制電路的優(yōu)點(diǎn)是明了簡(jiǎn)單，判斷是否有鍵按下的程序也十分簡(jiǎn)單。 顯示電路的設(shè)計(jì)顯示電路與單片機(jī)的RXD、TXD相連，用于顯示探測(cè)儀的靈敏度，其數(shù)值由鍵盤控制電路設(shè)置。當(dāng)鍵盤控制部分各鍵按下時(shí)，數(shù)碼管顯示相對(duì)應(yīng)靈敏度數(shù)值。74HC164是 8 位邊沿觸發(fā)式移位寄存器，串行輸入數(shù)據(jù)，然后并行輸出。兩個(gè)輸入端或者連接在一起，或者把不用的輸入端接高電平，不能懸空。主復(fù)位 (MR) 輸入端上的一個(gè)低電平將使其它所有輸入端都無(wú)效，同時(shí)非同步地清除寄存器，強(qiáng)制所有的輸出為低電平。當(dāng)檢測(cè)到金屬地雷時(shí)，被測(cè)物理量由單片機(jī)I/。LED報(bào)警電路如圖313：圖313 報(bào)警電路圖 電源電路的設(shè)計(jì) 電路中需要9V和5V兩個(gè)不同的電源供電，其中數(shù)據(jù)采集電路需要9V電源，而其他電路需要5V電源。本次設(shè)計(jì)中的電源電路包括LM7805元器件，紐扣電池，和一些電容組成。電路板內(nèi)采用三端穩(wěn)壓集成電路塊LM7805為板內(nèi)其他元器件供電。 第四章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)第四章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 軟件設(shè)計(jì)思想 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。然后通過(guò)檢測(cè)RAM中數(shù)值的值來(lái)判斷是否采集基準(zhǔn)電壓U0，如果未采集過(guò)U0，則啟動(dòng)ADC0809對(duì)NIO通道的模擬輸入量進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換完畢后，ADC0809的EOC端向AT89C52的INT1的返向端送入一個(gè)中斷申請(qǐng)信號(hào)，AT89C52接此信號(hào)后響應(yīng)中斷請(qǐng)求，中斷服務(wù)程序進(jìn)行壓棧，讀取來(lái)自ADC0809數(shù)據(jù)輸出口的8位數(shù)字量，并將數(shù)字量?jī)?chǔ)存到單片機(jī)RAM中，然后啟動(dòng)ADC0809的下一次轉(zhuǎn)換。[9]靈敏度△U的值被存放在單片機(jī)RAM中。而后再通過(guò)判據(jù)算法將此差值U與靈敏度△U進(jìn)行比較，以確定是否報(bào)警鍵盤控制電路各鍵控制靈敏度的值，并在顯示電路部分顯示按鍵后的對(duì)應(yīng)數(shù)值。為了避免采集電壓量時(shí)經(jīng)常碰到的各種瞬時(shí)干擾，本設(shè)計(jì)中采用算術(shù)平均濾波法，即在一次電壓量的采集中，在很短的時(shí)間內(nèi)對(duì)它進(jìn)行N次采集，將它轉(zhuǎn)換為數(shù)字量后求和，分析出N次輸入中的最大值和最小值，然后減去最大值和最小值，除以(N2)得到平均值的方法，完成一次數(shù)據(jù)采集的軟件濾波。用軟件代替硬件，從而省去了復(fù)雜的硬件，而且能夠取得好而精確的效果。圖41 主程序流程圖 子程序的設(shè)計(jì) 鍵盤控制子程序的設(shè)計(jì)（1） 程序流程圖如圖42：（2） 程序參看附錄2[14]。存入內(nèi)部RAM中。（1） 程序流程圖如圖43：（2） 程序參看附錄2[15]。 圖44 報(bào)警程序流程圖 第五章 系統(tǒng)仿真結(jié)果與技術(shù)指標(biāo)分析第五章 系統(tǒng)仿真結(jié)果與技術(shù)指標(biāo)分析 系統(tǒng)仿真結(jié)果及分析 仿真調(diào)試的內(nèi)容是要