地雷探测仪的设计_毕业论文(编辑修改稿)

地雷探测仪的设计_毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

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) （ 31） 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) （ 32） 由式 32知 ，霍尔输出电压 将随 磁场强度 的 变化 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 34所示 [3]： 第三章 硬件电路的设计 9 图 34 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，静态输出电压为 ，输出电阻为。 用它作探头可测量，10ˉ 610T 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，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 0V5V，以满足 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 第三章 硬件电路的设计 10 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 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 35： 图 35 LM324的引脚图 A/D 转换电路 A/D转换器将采集来的电压信号进行 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 36： 第三章 硬件电路的设计 11 图 36 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 100μ s。 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 直接接地为 000，采用线选法寻址。 ADC0809 的引脚图如图 37： 图 37 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 ： IN0～ IN7： 8 路模拟量输入端。 21～ 28： 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： A／ D转换启动信号，输入，高电平有效。 第三章 硬件电路的设计 12 EOC： A／ D 转换结束信号，输出，当 A／ D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 A／ D 转换结束时，此端输入一个高电平，才能打开输出三态门，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。 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 38： 图 38 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 第三章 硬件电路的设计 13 EA/Vpp:EA 低电平动作 ,当此引脚接低电平后 ,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 (A0A7)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(~ ):端口 0是一个 8位宽的双向输出入端口 , 0, 示位 I,依此 类推。 P1():端口 1也是具有内部提升电路的双向 1/O端口。 P2(~ ):端口 2是具有内部提升电路的双向 1/O 端口。 P3():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 作为片选信号，由 AT89C52 的 和 写信号 WR 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 D7D0锁存到输出缓存器。 AT89S52 的读信号 RD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。 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 第三章 硬件电路的设计 14 如图 39： 图 39 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。 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 310： 第三章 硬件电路的设计 15 图 310 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 311，引脚的功能表如表 312： 第三章 硬件电路的设计 16 图 311 74HC164引脚图 图 311 74HC164引脚功能表 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/。