地雷探测仪的设计-学位论文.doc
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1、 密级: NANCHANG UNIVERSITY 学 士 学 位 论 文 THESIS OF BACHELOR (20092013年) 题 目 地雷探测仪的设计 学 院:环境与化学工程学院 系 过程装备与测控工程系 专业班级: 测控技术与仪器 091班 学生姓名: 李跃 学号: 5801209015 指导教师: 谢建宏 职称: 副教授 起讫日期: 2013年2月 至 2013年6月 南 昌 大 学学士学位论文原创性申明本人郑重申明:所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外,本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果。对本文的研究作出
2、重要贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式表明。本人完全意识到本申明的法律后果由本人承担。作者签名: 日期:学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定,同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版,允许论文被查阅和借阅。本人授权南昌大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密,在 年解密后适用本授权书。本学位论文属于 不保密。(请在以上相应方框内打“”)作者签名: 日期:导师签名: 日期: 摘要地雷探测仪的设计 专 业: 测控技术与仪器 学 号:5801209015 学生姓
3、名: 李跃 指导教师:谢建宏 摘 要 地雷作为一种特殊的炸弹,时时刻刻威胁着无数无辜平民的生命安全。为了解除地雷的威胁,提前探测出地雷的位置显得尤为重要,所以地雷探测仪在这其中起了至为重要的作用。地雷探测仪是利用金属的涡流效应探测带有金属部件的地雷。在探测时仪器会辐射出电磁场,当探测线圈靠近带有金属部件的地雷时,在磁场作用下金属部分会产生涡电流,涡电流又产生新的磁场作用于探测线圈,从而引起原磁场的变化,利用霍尔传感器将变化的磁场转化为电压值,通过与基准电压值的比较做出判断,从而实现对地雷的探测。本文所介绍的地雷探测仪是以8位AT89S52单片机为核心,所使用的传感器是线性霍尔元件UGN3503
4、,将磁场信号变为电压信号。用ADC0809转化器实现电压信号的数字化。该探测仪通过4个按键开关来确定探测的灵敏度。报警系统通过显示模块和蜂鸣器来完成。系统软件采用汇编语言编写,在软件设计中,为了提高探测器的抗干扰能力和系统的稳定性,采用了数字滤波技术消除干扰。文中还探讨了影响探测器灵敏度和稳定性的因素,主要影响灵敏度的因素是仪器的工作频率、检测线圈的尺寸及匝数,而主要影响稳定性的因素是环境温度、湿度和供电电源的稳定程度。关键词:地雷探测仪;涡流效应;霍尔传感器;单片机;灵敏度IV AbstractThe design of mine detectorAbstractThe mine threa
5、tens the life safety of numerous innocent civilians all the time as a especial bomb.For relieving the threat of mine,we should explore the position of mine.So mine detector is very important. Mine detector makes use of metals eddying effect to explore the mine with metal.The detector will eradiate e
6、lectromagnetism when it is exploring.If the probe approaches the mine with metal,which will produce eddy current effect under the function of magnetic field.The eddy current will produce anther magnetic field,what acts on the probe,that bring the change of the first magnetic field.The change will co
7、nvert into voltage and compare with the criterion to explore mine.This paper describes the mine detector with AT89S52 Single-Chip Microcomputer as its core.The equipment adopts UGN3503U linear hall-effect sensor as probe to detect the magnetic field change and change magnetic field signal into elect
8、ric voltage signal though ADC0809.This mine detector control its sensitivity though four keys.Nixie light and buzzer are the warning device.The systems software adopts the assembler language to be written.Inside the software,the digital filter technology is utilized to eliminate the jamming.So the s
9、tability of system and measuring veracity are improved.The effect of all factors on sensitivity and stability of Metal Detector are discussed in this paper.It is concluded that the operating frequency,the size of the search coil and turns are the main factors effected on the sensitivity of the instr
10、ument: the environment temperature and humidity in site,the winding technology of coils and the stability of power supply are the factors effected on stability of instrument.Keyword:mine detector;eddy current effect;hall-effect sensor;single chip;sensitivity 目录目 录第一章 绪 论11.1选题的背景和意义11.2 国内外研究状况及发展趋势
11、11.3本文设计的内容2第二章 方案选择及原理32.1 系统方案的选择32.2 系统软件的选用32.3 方案的理论基础32.3.1 线圈介质的变化42.3.2 涡流效应52.4 整机工作原理5第三章 硬件电路的设计63.1线圈震荡电路的设计6 3.2 数据采集电路的设计73.3 A/D转换电路103.4 键盘控制电路的设计133.5 显示电路的设计143.6 报警电路的设计163.7 电源电路的设计18第四章 系统软件设计194.1 软件设计思想194.2 数字滤波及其算法194.3 系统主程序设计204.4 子程序的设计214.4.1 键盘控制子程序的设计214.4.2 数字滤波子程序的设计
12、214.4.3 显示与报警子程序的设计23第五章 系统仿真结果与技术指标分析245.1 系统仿真结果及分析245.1.1 线性霍尔传感器调试结果及分析245.1.2 振荡电路调试结果及分析245.1.3显示电路仿真结果及分析255.1.4 蜂鸣器仿真结果及分析255.2 系统结果总结255.3 主要技术指标265.3.1 探测仪工作频率265.3.2探测仪灵敏度265.3.3 探测仪稳定性26第六章 结论26参考文献27致谢28附 录1 电路原理图30附 录2 各模块程序31 第一章 绪论第一章 绪 论1.1选题的背景和意义 一直以来,战争都伴随着人们,虽然所有人都期盼和平,可因战争导致的伤亡
13、却一直不断。战争中对人们威胁最大的就是枪械和炸弹,其中地雷作为一种特殊的炸弹带来的伤亡格外大,因为地雷的威胁不只是在当时,埋下的地雷只要没炸,在以后的相当长的一段时间内都是威胁人类安全的恶魔。日本侵华战争中,日本在中国领土内埋设的大量地雷,虽然后来日本失败退走,可埋下的地雷在以后的日子里不断造成伤亡。以色列在历次入侵和占领黎巴嫩时埋设大量地雷。自年黎巴嫩与以色列结束冲突以来,包括中国维和工兵营在内的联黎部队下属扫雷部队共清排雷场多万平方米,销毁地雷和各类未爆炸弹万多枚。但目前仍有平方公里的雷场有待清排,仍有万地雷威胁着当地居民的生命安全。因此,排除这些潜在的威胁刻不容缓,而地雷探测仪就显得格外
14、重要。目前地雷的技术含量较低、最易大批量生产、布设,但其杀伤力最大,是对人类危害最大的武器之一。随着国际局势的不断变化,战争时期埋设了大量各式各样的地雷,有的搁置在路边或草丛中,有的是在树梢上,并做成各式各样的形状。但其中最多的还是金属地雷,而对平民最易造成无辜伤害的是埋在地下的金属地雷。所以为了避免伤亡,地雷探测仪就显得格外重要,地雷探测仪是通过一些技术对地雷进行探查,并最后排除地雷,可有效减少伤亡。本次设计就是针对这样的情况设计的地雷探测仪,所设计的地雷探测仪是一种最简单应用于处于战争的生活中,并能被普通百姓接受,尽量减少平民的无辜伤亡。1.2 国内外研究状况及发展趋势现在的地雷种类繁多,
15、且所以用的材料也各式各样(如塑胶、液体等)。现在常规的地雷探测仪都有其局限性(如金属地雷探测仪对塑胶地雷),有时候即使使用常规地雷探测仪探测到了地雷,也由于多种原因而难以快速准确排雷,有时候需要在人流量大、环境复杂的现场进行快速、大规模的在线适时探测,辨别各种固体地雷,这样常规的地雷探测方法就暴露了其局限性。因此,便携式激光快捷地雷探测仪成为最近发展起来的高科技激光高敏度的探测方法。今年来,西方各国都对各种军用激光探测鉴别仪进行了大量研究,美国军事研究办公室(U.S Army Research Office),美国CECOM夜视电子探测器部(CECOM Night Vision and Ele
16、ctronic and Sensors Directorate)于2006年5月联合报道了该系统用于探测地雷的便携式原理机样(如图1.),并与Florid大学合作于2007年4月正式交付使用。在反恐需求的推动下,美国在这方面进行了大量研究。国内仅有几所大学在实验室做了LIBS实验,还没有产品,更未见在军事上的应用。1.3本文设计的内容采用相关传感原理,设计了地雷探测仪器,实现对金属地雷的探测。本文先对整个系统进行了设计和论证,并对所采用的元器件进行了分析比较。确定了系统和选定了元器件后,对整个电路的硬件进行了设计。之后,本人采用汇编语言进行软件设计。最后对整个系统进行了分析调试。 38 第二章
17、 方案选择及原理第二章 方案选择及原理2.1 系统方案的选择 整个探测系统以8位单片机AT89C52为核心,利用电磁感应中的涡流效应为理论而设计的。包括线圈震荡电路,控制电路两部分。线圈震荡电路由探测线圈,多谐振荡器,放大电路组成。控制电路中包括峰值检波放大电路,A/D转换电路,键盘控制电路,显示报警电路,电源电路。系统结构如图2-1: 图2-1 系统结构图2.2 系统软件的选用软件是本系统的灵魂,在设计软件中,本文从系统的实用性、可靠性及方便灵活等几个方面出发,使程序满足设计的功能要求。整个系统的软件包括主程序、一个外部中断服务程序、数字滤波程序、比较判断子程序及发光报警等若干个子程序。软件
18、采用汇编语言编写,并采用模块化设计,使程序结构清晰,便于今后进一步扩展系统的功能。2.3 方案的理论基础地雷探测器是采用线圈的电磁感应原理来探测地雷的。根据电磁感应原理,当有金属地雷物靠近通电线圈平面附近时,将发生线圈介质条件的变化和涡流效应两个现象。1 2.3.1 线圈介质的变化 当金属地雷接近通电线圈时,将使通电线周围的磁场发生变化,如图2-2图2-2对于半径为R的单匝圆形电感线圈,当其中通过交变电流I=Imcos wt圈周围空间产生交变磁场,根据毕奥一萨伐尔定律可计算线圈中心轴线上一点的磁感应 (2-1)其中,=0r,为介质的磁导率,r为相对磁导率,0为真空磁导率。2对于紧密缠绕N匝的线
19、圈,线圈中心轴线上一点的磁感应强度则为: (2-2)由公式(2-2)可知,当线圈有效探测范围内无金属物时,r=1 (非金属的相对磁导率),线圈中心磁感应强度B保持不变,当线圈有效探测范围内出现铁磁性金属物时,r会变大,B随之也会变大。2.3.2 涡流效应 根据电磁理论,当金属地雷被置于变化的磁场中时,金属地雷内就会产生自行闭合的感应电流,这就是金属的涡流效应。涡流要产生附加的磁场,与外磁场方向相反,削弱外磁场的变化。据此,将一交流正弦信号接入绕在骨架上的空心线圈上,流过线圈的电流会在周围产生交变磁场,当将金属地雷靠近线圈时,产生的涡流磁场会削弱线圈磁场的变化。金属地雷的电导率越大,交变电流的频
20、率越大,则涡电流强度越大,对原磁场的抑制作用越强。 通过以上分析可知,当有金属地雷靠近通电线圈平面附近时,无论是介质磁导率的变化,还是金属地雷的涡流效应均能引起磁感应强度B的变化。对于铁磁性金属制成的地雷 r很大,也较大,可认为是既导电又导磁物质,主要产生磁效应,同时又有涡流效应。2.4 整机工作原理整个系统工作时,由555定时器构成的多谐振荡器产生一个频率为24KHz的脉冲信号,此脉冲信号经过缓冲和放大之后,形成频率稳定度高、功率较大的脉冲信号输入到探测线圈中,通电的线圈周围就会产生磁场,此时,固定在线圈中心的霍尔元件UGN3503U就会感应到线圈周围的磁场,并将磁场强度信号线性地 在无地雷
21、的情况下,假设霍尔输出电压为u0,该电压信号u0很微弱,u0经过放大电路放大,再通过峰值检波电路,得到相应的0V5V的峰值输出电压U0,以满足ADC0809的量程,经A/D转换后,将U0的数字量输入到单片机储存起来。此后,以该电压信号作为基准电压,与A/D转换器采集到的电压信号进行比较判断。当探测线圈靠近地雷时,由于电磁感应现象,会使其周围的磁场发生变化,霍尔元件感应到该变化的磁场,并将其线性地转变成电压信号ux,该变化的电压经放大电路、峰值检波电路后,得到相应的0V-5V的峰值输出电压Ux,然后经A/D转换后,输入到CPU,由CPU完成Ux与基准电压U0的比较,二者比较 UxU0得到一个差值
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