地雷探测仪（毕业论文） -(3)

第二章 方案选择及原理

性金属物时，μr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σ越大，交变电流的频率越大，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 μr很大，σ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0V~5V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? Ux—U0?得到一个差值，此差值与预设的灵敏度△U再作比较。灵敏度由键盘控制电路中各键输入，显示电路部分则显示各键按下后的相应数值，当然，△U大小的设定决定着系统精度的高低。若|Ux-U0|>△U，就确定为探测到金属，CUP输出口P1.0输出信号驱动发光二极管发光报警，同时P1.6控制蜂鸣器发出声响，进行声音报警。

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第三章 硬件电路的设计

第三章 硬件电路的设计

3.1线圈震荡电路的设计

线圈震荡电路是由多谐振荡器和放大电路组成。多谐振荡器以一定的频率发出电流，该电流经放大电路放大后输送到线圈上，规律变化的电流使线圈产生恒定的磁场。线圈震荡电路图如图3-1：

图3-1 线圈震荡电路图

该多谐振荡器在工作时，将产生一频率为24KHz、占空比为2/3的脉冲信号。

选择24KHz的超长波频率是为了减弱土壤对电磁波的影响。多谐振荡器输出的正脉冲信号经过电容C3输入到Q1，经Q1放大之后，就形成了频率稳定度高、功率较大的脉冲信号输入到探测线圈中，在线圈内产生瞬间较强的电流，从而使线圈周围产生恒定的交变磁场。

多谐振荡器的核心为555定时器，555定时器具有成本低，性能可靠的特点，只需要外接几个电阻、电容，就可以实现多谐振荡器、单稳态触发器及施密特触发器等脉冲产生与变换电路。它也常作为定时器广泛应用于仪器仪表、家用电器、电子测量及自动控制等方面。它内部包括两个电压比较器，三个等值串联电阻，一个 RS 触发器，一个放电管 T 及功率输出级。它提供两个基准电压VCC /3 和 2VCC /3。555 定时器的功能主要由两个比较器决定。两个比较器的输出电压控制 RS 触发器和放电管的状态。在电源与地之间加上电压，当 5 脚悬空时，则电压比较器 C1 的同相输入端的电压为 2VCC /3，C2 的反相输入端的电压为VCC /3。若触发输入端 TR 的电压小于VCC /3，则比较器 C2 的输出为 0，可使 RS

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第三章 硬件电路的设计

触发器置 1，使输出端 OUT=1。如果阈值输入端 TH 的电压大于 2VCC/3，同时 TR 端的电压大于VCC /3，则 C1 的输出为 0，C2 的输出为 1，可将 RS 触发器置 0，使输出为 0 电平。 3.2 数据采集电路的设计

数据采集电路由数据采集元件和峰值检波放大电路组成。数据采集元件采用线性霍尔传感器，该传感器感应变化的磁场，并将磁场信号变为电压信号传送给后边的放大与峰值检波电路。被放大的电压信号再传送给A/D转换器。数据采集电路如图3-2：

图3-2 数据采集电路图

（1）在设计中，选用UGN3503U线性霍尔传感器来检测通电线圈周围的磁场变化。UGN3503U线性霍尔传感器可将感应到的磁场强度信号线性地转变为电压信号。 霍尔元件是根据霍尔效应制成的，如图3-3：

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第三章 硬件电路的设计

图3-3 霍尔效应原理图

当以电流I通过半导体两端,并在其上加以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) （3-1）

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) （3-2）

由式3-2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3-4所示[3]：

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第三章 硬件电路的设计

图3-4 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13.5mV/mT，静态输出电压为2.5V，输出电阻为0.05KΩ。用它作探头可测量，10ˉ6-10T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0V-5V，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

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