畢業(yè)論文(磁通門(mén)傳感器)

1、吉林大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 1 摘要 三分量磁通門(mén)地磁場(chǎng)檢測(cè)裝置是應(yīng)用磁通門(mén)傳感器對(duì)地磁場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量 的矢量檢測(cè)裝置。與其它類(lèi)型測(cè)磁儀器相比，磁通門(mén)傳感器具有分辨率高， 測(cè)量弱磁場(chǎng)范圍寬，體積小、重量輕、功耗低，經(jīng)濟(jì)性好，能夠直接測(cè)量 磁場(chǎng)的失量和適于在高速運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)中使用等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于各種領(lǐng)域。 本文分析了磁通門(mén)傳感器的工作原理，詳細(xì)論述了如何采用數(shù)字檢波 的方法進(jìn)行信號(hào)處理.本文還介紹了三分量地磁場(chǎng)檢測(cè)裝置硬件電路的設(shè) 計(jì)和單片機(jī)程序。檢測(cè)裝置主要由三分量磁通門(mén)傳感器、單片機(jī)最小系統(tǒng)、 A/D 數(shù)據(jù)采集電路和串口電路構(gòu)成。三分量磁通門(mén)傳感器檢測(cè)到磁場(chǎng)的矢 量大小，輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)有源濾波器

2、和放大器處理后得到三路幅度與磁場(chǎng)各 分量大小成正比的正弦信號(hào)。A/D 同時(shí)對(duì)三路信號(hào)進(jìn)行 4 倍頻采樣，將兩 個(gè)周期的采樣數(shù)據(jù)傳送到單片機(jī)，然后單片機(jī)通過(guò)串行端口將數(shù)據(jù)發(fā)送到 計(jì)算機(jī)，最后由計(jì)算機(jī)完成數(shù)據(jù)的處理和分析。 關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞 三分量 地磁場(chǎng) 數(shù)字檢波 數(shù)據(jù)采集 串行端口 吉林大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 2 The Design of Geomagnetic Field Detection Device Based on Three-component Fluxgate Sensors AbstratAbstrat The three-component fluxgate geoamagn

3、etic field detection device is a kind of vector detection device which can measure the geoamagnetic field directly.Compared with other instruments which can measure geomagnetic field,the fluxgate sensor has the virtue of small size,light weight, low power consumption and good economy,is used widely

4、in different fields. This paper introduces the working principle of the fluxgate sensor and the digital demodulation method in detail. The design of hardware circuit of the three-component fluxgate geomagnetic field detection device and progamming of MCU are also introduced in this paper. The detect

5、ion device consists of three-component fluxgate sensors, MCU system, A/D data acquisition circuit and com port communication circuit. The magnetic vector is detected by the three-component fluxgate sensors,signals output from the senors are processed by active filters and amplifiers.Then there are t

6、hree sinusoidal signals,whose amplitude are proportional to the magnitude of geomagnetic field component. The A/D convertor produces 4 points sampling signals, and transmits data of two cycles to CPU, then CPU send the data to computer via the com port. Finally,the data is processed and analyzed by

7、computer. Keywords three components geomagnetic field Digital demodulation 吉林大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 3 Data Acquisition Com Port 目錄目錄 摘要 .1 ABSTRAT.2 1 緒論 .1 1.1 研究三分量磁通門(mén)地磁場(chǎng)檢測(cè)裝置的目的和意義 .1 1.2 各種測(cè)磁儀器 .2 1.3 磁通門(mén)測(cè)磁儀器的研究現(xiàn)狀 .5 2 檢測(cè)裝置的工作原理 .6 2.1 磁通門(mén)傳感器的工作原理 .6 2.2 檢測(cè)裝置的工作原理 .8 2.3 地磁檢測(cè)裝置的主要功能 .12 3三分量磁通門(mén)地磁場(chǎng)檢測(cè)裝置的硬件電路

8、設(shè)計(jì) .12 3.1 前置檢測(cè)電路的設(shè)計(jì) .12 3.1.1 分頻電路和信號(hào)轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)： .13 3.1.2 驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)： .13 3.1.3 選頻放大電路的設(shè)計(jì)： .14 3.2 16 位 A/D 轉(zhuǎn)換器 4 倍頻采樣的硬件設(shè)計(jì) .16 3.2.1 根據(jù) A/D 采集電路的設(shè)計(jì)要求選擇合適的 A/D：.16 3.2.2A/D 采集電路的設(shè)計(jì)：.17 3.3 內(nèi)部電源的設(shè)計(jì) .18 4 三分量磁通門(mén)地磁場(chǎng)檢測(cè)裝置的的軟件設(shè)計(jì) .19 4.1 STC89C54RD+單片機(jī)介紹.19 4.2A/D 的軟件控制.20 4.3程序流程圖 .21 4.4示例程序 .21 4.5串口發(fā)送的硬件設(shè)計(jì)

9、 .23 5測(cè)試結(jié)果及分析 .24 吉林大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 4 5.1分頻器電路測(cè)試 .24 5.2 功率驅(qū)動(dòng)電路的測(cè)試 .25 5.3 信號(hào)轉(zhuǎn)換電路測(cè)試 .25 5.4 帶通濾波器的測(cè)試 .26 6對(duì)三分量測(cè)量的通道差異進(jìn)行校正的方案設(shè)計(jì) .28 6.1方案 1：通過(guò)硬件電路的調(diào)試進(jìn)行校正 .28 6.2方案 2：通過(guò)軟件編程對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行校正 .29 總結(jié) .30 參考文獻(xiàn)及參考資料 .31 致謝 .33 英文翻譯 .34 英文翻譯原文 .37 吉林大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 1 1 緒論緒論 1.11.1 研究三分量磁通門(mén)地磁場(chǎng)檢測(cè)裝置的目的和意義研究三分量磁通門(mén)地磁場(chǎng)檢測(cè)裝置的目的

10、和意義 在介紹三分量磁通門(mén)地磁場(chǎng)檢測(cè)裝置之前，首先介紹一下它的研究目 的和意義。檢測(cè)裝置主要是通過(guò)檢測(cè)地磁場(chǎng)的大小來(lái)尋找鐵磁性物質(zhì)的。 鐵磁性物質(zhì)中很重要的一類(lèi)就是鐵。 我國(guó)是最早發(fā)現(xiàn)和使用鐵的國(guó)家，同時(shí)鐵也是世界上發(fā)現(xiàn)并使用最早 的一種金屬材料。 世界鐵資源豐富，據(jù)美國(guó)地質(zhì)調(diào)查所和礦業(yè)局 1996 年 1 月的統(tǒng)計(jì)， 世界鐵礦石資源量超過(guò) 8000 億噸，折合金屬量超過(guò) 2300 億噸。1995 年 世界鐵礦石儲(chǔ)量 1 500 億噸、儲(chǔ)量基礎(chǔ) 2300 億噸，折合鐵金屬量分別為 650 億噸、1000 億噸。我國(guó)鐵金屬儲(chǔ)量 73.29 億噸，應(yīng)在俄羅斯、澳大利 亞、加拿大、巴西之后居世界第

11、5 位。 截至 1996 年底，全國(guó)共查明鐵礦產(chǎn)地 1834 處。累計(jì)探明鐵礦石儲(chǔ)量 504.78 億噸，按全國(guó)鐵礦石平均含鐵品位 33%計(jì)算，鐵金屬量為 166.58 億噸。扣除歷年開(kāi)采與損失，尚保有鐵礦石儲(chǔ)量 463.47 億噸，鐵金屬 152.95 億噸。 根據(jù) 80 年代中期地質(zhì)科研部門(mén)對(duì)我國(guó)鐵礦資源的預(yù)測(cè)，將全國(guó)大陸 劃分為 17 個(gè)預(yù)測(cè)區(qū)，共有有望航磁異常區(qū) 1084 處，預(yù)測(cè)資源潛力 606 億 t。其中 11 個(gè)預(yù)測(cè)區(qū)分布在東經(jīng) 105線以東地區(qū)，有望航磁異常區(qū) 754 處，預(yù)測(cè)資源潛力為 317 億 t，東部地區(qū)找礦程度較高，預(yù)測(cè)資源多以隱 伏礦或盲礦體分布在已知礦帶的深部和

12、周邊部。東經(jīng) 105線以西地區(qū)， 包括 6 個(gè)預(yù)測(cè)區(qū)，有望航磁異常 330 處，預(yù)測(cè)資源潛力為 289 億 t，西部 地區(qū)找礦和研究工作程度較低或很低，尚有發(fā)現(xiàn)新礦區(qū)的前景。 中國(guó)的鐵礦資源很豐富，但鐵礦石進(jìn)口量卻居世界第一。近年來(lái)，中 吉林大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 2 國(guó)主要進(jìn)口鐵礦石的一些來(lái)源國(guó)不斷調(diào)高鐵礦石的出口價(jià)格。面對(duì)這種形 勢(shì)，中國(guó)自己開(kāi)采鐵礦的需求越來(lái)越迫切。中國(guó)鐵礦資源有兩個(gè)特點(diǎn)：一 是貧礦多，貧礦出儲(chǔ)量占總儲(chǔ)量的 80%；二是多元素共生的復(fù)合礦石較 多。此外礦體復(fù)雜；有些貧鐵礦床上部為赤鐵礦，下部為磁鐵礦。因此， 開(kāi)采鐵礦不能漫無(wú)目的，我們需要有效的探測(cè)手段確保有價(jià)值的開(kāi)采，

13、所 以地磁檢測(cè)裝置的研究是非常必要的。本文要介紹的基于三分量磁通門(mén)測(cè) 磁法的地磁檢測(cè)裝置就是一種高效的測(cè)磁手段。 磁通門(mén)測(cè)磁法問(wèn)世后不久，在第二次世界大戰(zhàn)中就被應(yīng)用于探雷、探 潛等方面，戰(zhàn)后又被廣泛應(yīng)用于地面磁場(chǎng)研究、航空磁測(cè)、地震預(yù)報(bào)研究、 地下礦床勘探、生物醫(yī)學(xué)研究、星際間磁測(cè)等領(lǐng)域。幾十年來(lái)，盡管測(cè)量 磁場(chǎng)的新方法不斷涌現(xiàn)，磁通門(mén)傳感器仍以其測(cè)量靈敏度高、堅(jiān)固小巧、 使用靈活、工作可靠，電路功耗低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等顯著優(yōu)點(diǎn)，被普遍應(yīng)用于 弱磁場(chǎng)測(cè)量領(lǐng)域。 目前地磁測(cè)量所使用的測(cè)磁儀器多數(shù)是進(jìn)口產(chǎn)品，價(jià)格昂貴，維修比 較困難。 基于該現(xiàn)狀，本文主要介紹一種新型地磁檢測(cè)裝置。該檢測(cè)裝置電路 簡(jiǎn)單，

14、測(cè)量數(shù)據(jù)的處理完全數(shù)字化，操作方便，成本較低，設(shè)計(jì)模塊化， 并且易于維修。而且，與大多數(shù)測(cè)磁儀器相比，檢測(cè)裝置的功耗非常低， 采用12V 外部電源供電，測(cè)量數(shù)據(jù)可以通過(guò)串口發(fā)送到計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理 和分析，方便研究。 下面先介紹一下各種測(cè)磁儀器。 1.21.2 各種測(cè)磁儀器各種測(cè)磁儀器 測(cè)磁儀器根據(jù)采用磁敏傳感器的種類(lèi)分為很多種。已經(jīng)被淘汰的是采 用機(jī)械式磁敏傳感器的機(jī)械式磁力儀；目前應(yīng)用比較廣泛的磁敏傳感器有 磁通門(mén)式磁敏傳感器、質(zhì)子旋進(jìn)式磁敏傳感器、光泵式磁敏傳感器、 吉林大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 3 SQUID（超導(dǎo)量子干涉器）磁敏傳感器、光纖式磁敏傳感器、半導(dǎo)體磁 敏傳感器；處于研究、試驗(yàn)

15、階段的測(cè)磁儀器有固體電子自旋共振磁力儀、 原子磁力儀等。 下面就以下幾種測(cè)磁儀器做簡(jiǎn)單介紹： 機(jī)械式磁力儀（mechanical magnetometer）又稱作磁秤，利用一個(gè)可 繞固定軸自由旋轉(zhuǎn)的磁棒，其偏轉(zhuǎn)角的大小與外磁場(chǎng)強(qiáng)度成比例的關(guān)系來(lái) 測(cè)量磁場(chǎng)大小。利用磁棒放置位置的不同可以分別測(cè)定垂直磁異常和水平 磁異常，其相應(yīng)的儀器為垂直磁秤和水平磁秤。由于是用重力矩來(lái)平衡磁 力矩，所以只能測(cè)垂直（或水平）地磁場(chǎng)相對(duì)于一個(gè)固定點(diǎn)的改變值。從 制造工藝上講，要采用精度很高的設(shè)備加工機(jī)械零件和光學(xué)零件，調(diào)試過(guò) 程也比較復(fù)雜?？傊瑹o(wú)論是操作使用還是制造工藝，跟電子測(cè)磁儀器相 比，都很復(fù)雜。機(jī)械式磁力

16、儀于 1991 年停產(chǎn)，取而代之的是電子磁力儀。 超導(dǎo)磁力儀（superconducting magnetometer, SQUID）是利用約瑟夫遜 效應(yīng)測(cè)量磁場(chǎng)的測(cè)磁儀器。測(cè)量?jī)x器應(yīng)用了超導(dǎo)量子干涉器。采用超導(dǎo)材 料制成的閉合環(huán)對(duì)外磁場(chǎng)會(huì)產(chǎn)生周期效應(yīng)，其磁通變化與外磁場(chǎng)變化成正 比。超導(dǎo)磁力儀正是利用這個(gè)原理來(lái)測(cè)量磁場(chǎng)的。這種儀器的靈敏度可達(dá) 10-510-6納特。可制成航空磁力梯度儀，也可用于地面磁場(chǎng)的研究及弱 磁性巖石的磁性測(cè)定。常用在對(duì)測(cè)量精度要求高的地方，成本相對(duì)稍高一 些。 質(zhì)子磁力儀（proton precession magnetometer）是應(yīng)用質(zhì)子旋進(jìn)式磁敏 傳感器制成的

17、測(cè)磁儀器。氫原子核的質(zhì)子是一種帶有正電荷的粒子，其本 身在不停地自旋，具有一定的磁性。在外磁場(chǎng)的作用下自旋質(zhì)子將按一定 方向排列，稱為核子順磁性。但其磁性甚微，只是在一些磁化率很低的逆 磁性物質(zhì)中才能反映出來(lái)，如某些碳?xì)溲趸衔镆后w(水、酒精、甘油等)。 吉林大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 4 在這些樣品中質(zhì)子受某強(qiáng)磁場(chǎng)激發(fā)而具有定方向排列，去掉外磁場(chǎng)，則 質(zhì)子在地磁場(chǎng)作用下將以同相位繞地磁場(chǎng) T 旋進(jìn)，其旋進(jìn)頻率 f 與地磁 場(chǎng) T 有以下關(guān)系：T=2.34872f，單位為納特。當(dāng)測(cè)定出頻率 f 以后即可計(jì) 算出總磁場(chǎng)強(qiáng)度 T 的數(shù)值。利用這種原理制成的儀器稱為質(zhì)子旋進(jìn)式磁 力儀，或稱核子旋進(jìn)式磁

18、力儀。質(zhì)子旋進(jìn)磁力儀穩(wěn)定性好。溫度影響小、 沒(méi)有零點(diǎn)掉格、精度高，可觀測(cè)弱磁異常工作時(shí)不必準(zhǔn)確定向，適于在運(yùn) 動(dòng)狀態(tài)下觀測(cè)。儀器靈敏度一般為 0.1 納特。但這類(lèi)儀器的使用要受到磁 場(chǎng)梯度范圍的限制，常用于地面、航空和海洋磁測(cè)等一些要求準(zhǔn)確測(cè)量出 絕對(duì)磁場(chǎng)大小的研究領(lǐng)域。我國(guó)生產(chǎn)的這類(lèi)儀器有 302 型?？蘸俗有M(jìn)磁 力儀靈敏度可達(dá) 0.1 納特，CHD 型地面核子旋進(jìn)磁力儀靈敏度可達(dá) 0.15 納特。 光泵磁力儀（optical pumping magnetometer）是應(yīng)用光泵式磁敏傳感 器制成的測(cè)磁儀器。因?yàn)橛晒獗米饔门帕泻玫脑哟啪?，在特定頻率的交 變電磁場(chǎng)的作用下，又將產(chǎn)生共振吸收

19、作用，打亂原子的排列情況。發(fā)生 共振吸收現(xiàn)象的電磁場(chǎng)的頻率與樣品所在點(diǎn)的外磁場(chǎng)強(qiáng)度成一比例關(guān)系， 故測(cè)定這一頻率就可以測(cè)出外磁場(chǎng)的值。常用的工作元素有；銣 (Rb87，Rb85)；銫(Cs133)；氦(He4，He3)等。光泵磁力儀按線路結(jié)構(gòu)特 點(diǎn)又可分為跟蹤式及自激式兩大類(lèi)。這類(lèi)磁力儀的特點(diǎn)是靈敏度高，可達(dá) 0.001 納特。可以測(cè)定總磁場(chǎng)強(qiáng)度的絕對(duì)值，沒(méi)有零點(diǎn)掉格及溫度影響， 工作時(shí)不需準(zhǔn)確定向，適于在運(yùn)動(dòng)條件下進(jìn)行高精度快速連續(xù)測(cè)量，如航 空磁測(cè)和海洋磁測(cè)等。 磁通門(mén)磁力儀（fluxgate magnetometer，F(xiàn)GM） ，又稱飽和式磁力儀。 它是一種電子磁力儀。它利用高磁導(dǎo)率的坡

20、莫合金作靈敏元件，在弱磁場(chǎng) 中就能達(dá)到磁飽和。靈敏元件的磁芯為閉合磁路，在其兩邊繞以匝數(shù)相同、 繞向相反的激勵(lì)繞組，外側(cè)是輸出繞組。對(duì)激勵(lì)繞組給以交變電壓，使靈 吉林大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 5 敏元件達(dá)到近于飽和，若無(wú)外磁場(chǎng)存在，則兩邊磁芯產(chǎn)生的磁通波形對(duì)稱 而反向，這時(shí)訊號(hào)繞組將沒(méi)有感應(yīng)電壓輸出。當(dāng)沿元件軸向存在有外磁場(chǎng)， 則兩邊磁芯在正、負(fù)半周內(nèi)飽和程度不一，產(chǎn)生的磁通量不能互相抵消， 將有感應(yīng)電壓脈沖輸出。其幅度與外磁場(chǎng)大小成正比，據(jù)此即可測(cè)定外磁 場(chǎng)的大小?？捎糜诘孛?、航空或井中磁測(cè)。 由上面的介紹可以看出磁通門(mén)測(cè)磁儀器有它自身的優(yōu)勢(shì)，是其他測(cè)磁 儀器無(wú)法替代的。磁通門(mén)是第一種實(shí)際投

21、入使用的電子式磁力儀。現(xiàn)在的 磁通門(mén)測(cè)磁儀器做得非常小型化，攜帶方便，儀器使用簡(jiǎn)單，成本相對(duì)比 較低，因此在一般測(cè)量中使用的較多。 1.31.3 磁通門(mén)測(cè)磁儀器的研究現(xiàn)狀磁通門(mén)測(cè)磁儀器的研究現(xiàn)狀 磁通門(mén)測(cè)磁儀器是利用磁芯在交變磁場(chǎng)激勵(lì)下發(fā)生導(dǎo)磁特性變化從而 調(diào)制被測(cè)磁場(chǎng)，通過(guò)對(duì)調(diào)制信號(hào)的檢測(cè)實(shí)現(xiàn)對(duì)外磁場(chǎng)的測(cè)量。磁通門(mén)測(cè)磁 法以其測(cè)量范圍寬、分辨率高、頻帶寬及經(jīng)濟(jì)實(shí)用的特點(diǎn)，早在 20 世紀(jì) 30 年代就開(kāi)始應(yīng)用于地磁測(cè)量，經(jīng)過(guò)后來(lái)的不斷完善與發(fā)展，目前已成 為國(guó)際地磁相對(duì)記錄的主流設(shè)備。 第一臺(tái)磁通門(mén)磁力儀產(chǎn)生于 20 世紀(jì) 30 年代，迄今己有多種不同類(lèi)型 的磁通門(mén)磁力儀。因其分辨率、頻率響

22、應(yīng)、動(dòng)態(tài)范圍和線性特性都能滿足 記錄地磁場(chǎng)各分量變化的要求，具有輕便、價(jià)格低廉、安裝調(diào)試簡(jiǎn)單和容 易實(shí)現(xiàn)數(shù)字化等特點(diǎn)，所以世界大多數(shù)地磁臺(tái)站都使用磁通門(mén)測(cè)磁儀器作 為變化磁場(chǎng)的記錄儀器，代替了傳統(tǒng)的磁變儀。國(guó)際上比較有代表性的磁 通門(mén)磁力儀有加拿大的 FM20 型和 CANMOS 型磁通門(mén)磁力儀、奧地利的 CH IMAG 型磁通門(mén)磁力儀、英國(guó)的 FLARE 磁通門(mén)磁力儀、美國(guó)的 SMALL 磁通門(mén)磁力儀。這些磁通門(mén)磁力儀代表了該儀器技術(shù)的先進(jìn)水平， 它們都具有低噪聲、采樣率高、溫度性能良好、數(shù)字化等特點(diǎn)。 在我國(guó)，早在 20 世紀(jì) 80 年代就開(kāi)始將磁通門(mén)磁力儀應(yīng)用于地磁觀測(cè) 吉林大學(xué)本科畢業(yè)

23、論文（設(shè)計(jì)） 6 的技術(shù)研究。在 2002 年時(shí)中國(guó)地震局地球物理研究所己經(jīng)研制成功了 GM-1 型、GM-2 型單向模擬記錄磁通門(mén)磁力儀和 GM3 型三分量數(shù)字記錄 磁通門(mén)磁力儀。但由于儀器的長(zhǎng)期穩(wěn)定性、溫度特性等還不能滿足地磁臺(tái) 站日常觀測(cè)的基本要求，所以未能得到廣泛應(yīng)用。因此降低儀器的溫度系 數(shù)、提高儀器的穩(wěn)定性，降低安裝的復(fù)雜程度、減小儀器的體積、提高儀 器的自動(dòng)化程度一直是儀器研制者持續(xù)開(kāi)發(fā)與改進(jìn)的目標(biāo)。 本文討論的這種三分量磁通門(mén)地磁場(chǎng)將測(cè)裝置具有的主要特點(diǎn)是體積 小、安裝簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性高，由于它可以同時(shí)測(cè)量磁場(chǎng)在三個(gè)方向的分量， 然后進(jìn)行矢量合成，所以測(cè)得的數(shù)據(jù)有很高的可靠性。 2

24、 檢測(cè)裝置的工作原理檢測(cè)裝置的工作原理 2.12.1 磁通門(mén)傳感器的工作原理磁通門(mén)傳感器的工作原理 磁通門(mén)傳感器就是利用某些高磁導(dǎo)率的軟磁材料（如坡莫合金）作磁 芯，以其一起在交流磁場(chǎng)作用下的次飽和特性及法拉第電磁感應(yīng)原理研制 成的測(cè)磁裝置。其結(jié)構(gòu)可以看成一個(gè)特殊的變壓器，磁通門(mén)測(cè)磁法正是利 用這種特殊變壓器的磁芯，當(dāng)交變電流流過(guò)該變壓器原邊線圈時(shí)，磁芯反 復(fù)被交變過(guò)飽和勵(lì)磁所磁化，當(dāng)有外磁場(chǎng)存在時(shí)，勵(lì)磁變得不對(duì)稱，變壓 器的輸出信號(hào)受到外磁場(chǎng)的調(diào)制。通過(guò)檢測(cè)輸出的調(diào)制信號(hào)就可以實(shí)現(xiàn)對(duì) 外磁場(chǎng)的測(cè)量。磁通門(mén)探頭的輸出主要是激勵(lì)信號(hào)的二次諧波，需要經(jīng)過(guò) 處理得到測(cè)量數(shù)據(jù)。 根據(jù)磁通門(mén)傳感器的磁芯

25、幾何形狀分為閉合式和非閉合式兩類(lèi)： 圓形磁芯 跑道形磁芯 長(zhǎng)方形磁芯 閉合式磁芯 長(zhǎng)條形雙磁芯 長(zhǎng)條形單磁芯 非閉合式磁芯 磁芯 吉林大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 7 從這幾種磁芯的性能來(lái)說(shuō)，以圓形較好，跑道形次之。在磁場(chǎng)的分量 測(cè)量中，用跑道形磁芯（如圖 2.1）較多。 跑道型磁芯的長(zhǎng)軸場(chǎng)邊尺寸遠(yuǎn)大于短軸尺寸，因此，認(rèn)為跑道型磁芯 僅被延長(zhǎng)軸方向的磁場(chǎng)所磁化。在實(shí)際應(yīng)用中，也僅用它來(lái)測(cè)量延長(zhǎng)軸方 向的磁場(chǎng)分量。圖 2.1 所示為跑道型磁芯的二次諧波法測(cè)磁原理。 41 2f f 2 L L1 1 L L2 2 L LS S 3 圖 2.1 跑道型磁芯機(jī)構(gòu)示意圖 1 靈敏元件架；2初級(jí)線圈 3輸出線

26、圈； 4坡莫合金環(huán) 若在跑道形磁芯的彼此平行的兩長(zhǎng)邊上，分別繞一組匝數(shù)相同的線圈 L1、L2，同向串聯(lián)作為激勵(lì)線圈；在 L1、L2 外側(cè)繞一公用的測(cè)量線圈 Ls。在激勵(lì)線圈中輸入正弦交變電流 I=Imsint，假定 L1 中磁場(chǎng) H1=2Hmsint，L2 中磁場(chǎng) H2=-2Hmsint。傳感器的輸出電壓如圖 2.2（d）所示，可以表示成下面的分段函數(shù)的形式： 0 cos102 0 cos102 0 8 8 SH SH E sm sm S 2 2 2 21 11 12 2 吉林大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 8 2.1 Es 是屬周期性的重復(fù)脈沖，故可用富氏分解法計(jì)算 Es 的二次諧波分量： 2.2

27、 t e H H H fS s n d E m s S 2sin 8 1016 2 1 H He -Hs Bm (a) （b ） = t H2 H1 H e1 e2 E （d） H = t B1 B2 （c） B -1 - 2 圖 2.2 磁通門(mén)式磁敏傳感器測(cè)磁原理 （a）軟磁材料動(dòng)態(tài)磁回滯曲線的理想化模型 （b）外加磁場(chǎng)時(shí)，兩線圈中的磁場(chǎng)不再對(duì)稱 （c）外加磁場(chǎng)時(shí)，兩線圈中磁場(chǎng)出現(xiàn)飽和段 （d）傳感器在正弦波激勵(lì)時(shí)的理論輸出波形 2.22.2 檢測(cè)裝置的工作原理檢測(cè)裝置的工作原理 三分量磁通門(mén)地磁場(chǎng)檢測(cè)裝置主要利用法拉第電磁感應(yīng)原理實(shí)現(xiàn)對(duì)地 磁場(chǎng)的檢測(cè)。傳感器將地磁信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，檢測(cè)裝置

28、通過(guò)檢測(cè)這種電 信號(hào)來(lái)判斷地磁信號(hào)大小，進(jìn)而判斷檢測(cè)地點(diǎn)的狀況。實(shí)現(xiàn)這種判斷主要 吉林大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 9 依靠三分量磁通門(mén)傳感器，它的每個(gè)傳感器都采用雙鐵芯結(jié)構(gòu)，在兩根鐵 芯上纏繞的激勵(lì)線圈反向串聯(lián)（如圖 2.1 所示） ，勵(lì)磁電流通過(guò)激勵(lì)線圈 時(shí)，在兩鐵芯中產(chǎn)生的激勵(lì)磁場(chǎng)方向相反，若兩鐵芯形狀尺寸和電磁場(chǎng)參 數(shù)完全對(duì)稱，兩鐵芯中的磁通在測(cè)量線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電勢(shì)互相抵消，輸 出為零；當(dāng)沿鐵芯長(zhǎng)軸方向施加外部磁場(chǎng)時(shí)，其中一個(gè)鐵芯的磁場(chǎng)先于另 一個(gè)達(dá)到飽和，造成測(cè)量線圈中的感應(yīng)電勢(shì)不能互相抵消，輸出非對(duì)稱的 波形，波形的主要成分是激勵(lì)信號(hào)的二次諧波。由于外磁場(chǎng)產(chǎn)生的感應(yīng)電 勢(shì)的幅值與外磁

29、場(chǎng)大小成正比，可通過(guò)測(cè)量輸出信號(hào)的二次諧波分量來(lái)測(cè) 量外磁場(chǎng)。為便于研究，將式 2.2 改寫(xiě)成如下形式： 2.3）（t e AHES2sin 傳統(tǒng)的處理方法是采用模擬電路進(jìn)行相敏檢波，具體做法是：用兩路 頻率與 ES相同的參考信號(hào)，兩者相位相差 90 度，假設(shè)分別為和）（t2sin ，這時(shí) ES與參考信號(hào)相比有一個(gè)相移，表達(dá)為示成式 2.4 的）（t2cos 形式： ）（t e AHES2sin 2.4 ES分別乘以參考信號(hào)，得到如下結(jié)果： 2.5 )4cos(cos2/12)2cos( 2)2cos(2/1)sin(2 ttt tt e AHtES 2.6 sin)4sin(2/12)2si

30、n( 2)2sin2/1)(2c ttt tt e AHtosES（ 對(duì)式 2.5 和式 2.6 表示的信號(hào)進(jìn)行積分處理（實(shí)質(zhì)上就是對(duì)信號(hào)進(jìn)行 低通濾波）之后得到以下結(jié)果： 2.7 2 0 cos2/1)2()2sin( 1 e AHtdtER S 吉林大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 10 2.8 sin2/1)2()2cos( 1 2 0e AHtdtEX S 2.9 22 2XRAHe 傳統(tǒng)的方法要通過(guò)硬件電路實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)的乘法運(yùn)算和積分運(yùn)算，這 對(duì)乘法器和積分電路的精度等參數(shù)要求很高，而且要求參考信號(hào)的幅度穩(wěn) 定，兩參考信號(hào)的相位差必須保證是 90 度。這種處理方法數(shù)字化程度低, 信號(hào)處理過(guò)程

31、中易受干擾，所以設(shè)計(jì)采用數(shù)字檢波的方法。 下面詳細(xì)論述如何采用數(shù)字檢波的方法得到測(cè)量數(shù)據(jù)： 首先，我們不用正弦波作參考信號(hào)，換作與正弦波參考信號(hào)相位相同 的方波和： 1 S 2 S 2.10 0 1 S1 ) 12(2 22 kk kk 2.11 0 1 S2 2/322/2 /2k2/2-2k kk 我們對(duì)信號(hào)進(jìn)行 4 倍頻采樣，采樣點(diǎn)設(shè)為，。在 1S E 2S E 3S E 4S E 這里，我們假設(shè)為初始采樣點(diǎn)的相位。那么，原信號(hào)可以表示為： 2.12）（t e AHES2sin 2.13sin 1 eS AHE 2.14cos 2 eS AHE 2.15sin 3 eS AHE 2.16

32、cos 4 eS AHE 現(xiàn)用式 2.10 和式 2.11 表示的方波對(duì)上述信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，得到的采樣 吉林大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 11 信號(hào)表示如下： 其一， 2.17 1 SEE SS 采樣信號(hào)為 2.18 cos sin cos sin 4 3 2 1 eS eS eS eS AHE AHE AHE AHE 其二， 2.19 2 SEE SS 采樣信號(hào)為 2.20 cos sin cos sin 4 3 2 1 eS eS eS eS AHE AHE AHE AHE 對(duì)這兩種信號(hào)分別進(jìn)行采樣求和后取平均值（與模擬信號(hào)的積分類(lèi)似） ，得到以下結(jié)果： )cos(sin2/1)(4/14/1

33、4 3 2 1 3 0i SSSSSi EEEEEI 2.21 )cos(sin2/1)(4/14/1 4 3 2 1 3 0i SSSSSi EEEEEQ 2.22 對(duì)采樣信號(hào)進(jìn)行求和去均值運(yùn)算，相當(dāng)于對(duì)原信號(hào)進(jìn)行以下處理： 2.23 dtitI i 3 0 S )/(E4/1 2.24 dtitQ i 3 0 S )/(E4/1 吉林大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 12 式中為采樣周期，即。/2 經(jīng)過(guò)上述分析，我們可以通過(guò)下面的計(jì)算得到最終的結(jié)果： 2.25 22 QIQIAHe 2.32.3 地磁檢測(cè)裝置的主要功能地磁檢測(cè)裝置的主要功能 三分量磁通門(mén)地磁場(chǎng)檢測(cè)裝置主要是通過(guò)檢測(cè)地磁場(chǎng)在三個(gè)互相

34、垂直 的方向上的分量來(lái)測(cè)量地磁場(chǎng)總場(chǎng)強(qiáng)度的。三分量磁通門(mén)式磁敏傳感器能 檢測(cè)到地磁場(chǎng)的各個(gè)分量被調(diào)制后的信號(hào)，經(jīng)選頻放大電路得到幅值與分 量大小成正比的二次諧波，用 16 位 A/D 對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行 4 倍頻采樣，通 過(guò)外部中斷的方式將采樣數(shù)據(jù)分別送入單片機(jī)，單片機(jī)在讀夠兩個(gè)周期的 采樣數(shù)據(jù)（共三組，每組 16 個(gè)字節(jié)即 8 個(gè) 16 位數(shù)據(jù)）后，經(jīng) MAX232 進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換通過(guò)串口發(fā)送的方式將數(shù)據(jù)送到計(jì)算機(jī)，有計(jì)算機(jī)完成最終 的數(shù)據(jù)處理和分析。 3 三分量磁通門(mén)地磁場(chǎng)檢測(cè)裝置的硬件電路設(shè)計(jì)三分量磁通門(mén)地磁場(chǎng)檢測(cè)裝置的硬件電路設(shè)計(jì) 3.13.1 前置檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)前置檢測(cè)電路的設(shè)計(jì) 前置檢測(cè)

35、電路的原理方框圖如下： 212 傳感器 驅(qū)動(dòng) 電路 16 位 A/D 四倍頻采樣 振蕩 分頻器 29信號(hào) 轉(zhuǎn)換 選頻 放大器 圖 3.1 前置檢測(cè)電路原理框圖 吉林大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 13 分頻電路采用 20MHz 晶振，分頻輸出用 212倍分頻作為驅(qū)動(dòng)電路的輸 入信號(hào)，經(jīng)功率放大用作傳感器激勵(lì)信號(hào)；29倍分頻經(jīng)信號(hào)轉(zhuǎn)換電路整形， 用作 A/D 轉(zhuǎn)換的時(shí)鐘信號(hào)。下面具體介紹一下各部分電路： 3.1.1 分頻電路和信號(hào)轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)： 磁通門(mén)傳感器需要 5kHz 激勵(lì)信號(hào)，需要有振蕩電路為其提供頻率源。 石英晶振振蕩器產(chǎn)生的信號(hào)頻率為 20MHz，需要進(jìn)行 4000 倍（約 212=409

36、6 倍）分頻。同時(shí)，A/D 進(jìn)行 4 倍頻采樣，需要 40kHz 的時(shí)鐘信 號(hào)，并且要求占空比接近 100%（詳見(jiàn) AD7656 工作時(shí)序） ，所以分頻器的 29倍分頻輸出需要接信號(hào)轉(zhuǎn)換電路。分頻器采用 14 位二進(jìn)制計(jì)數(shù)分頻器 74HC4060，電路原理圖如圖 3.2。 圖中 13 腳為 29倍分頻輸出，1nF 電容和 1.6k 電阻形成微分電路，和 與非門(mén)整形電路構(gòu)成信號(hào)轉(zhuǎn)換電路，為 A/D 轉(zhuǎn)換電路提供啟動(dòng)信號(hào)。 74HC4060 O12 2 O13 3 RTC 10 O3 7 MR 12 RS 11 O4 5 O5 4 O6 6 O7 14 O8 13 O9 15 O11 1 CTC

37、9 20MHz 2M 30pF 30pF 1nF 1.6k 5.6k 74HC00（ A（ 圖 3.2 分頻電路及信號(hào)轉(zhuǎn)換電路 3.1.2 驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)： 分頻器輸出帶載能力較弱，不能直接用作激勵(lì)因此需要驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行 功率放大。理想的激勵(lì)信號(hào)應(yīng)該是頻率為 5kHz、幅度為 3V 的正弦波， 要求正弦波的幅度非常穩(wěn)定，所以實(shí)際激勵(lì)信號(hào)采用 5kHz 的方波，幅度 吉林大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 14 為 3v。分頻器的輸出幅度約為 6V，經(jīng) 5.6k 緩沖電阻減壓，功放電路輸出 幅度約為 4V，需要進(jìn)行變壓處理，電路設(shè)計(jì)如圖 3.3： 圖中的隔離線圈是手工繞制成的，其中，初級(jí)線圈的計(jì)算匝數(shù)為：

38、fBAVNi4/ 29 匝（式中 iV 為線圈兩端交流電壓的幅度，取 4V； f 為 信號(hào)頻率，取 4.88103Hz；B 為磁環(huán)磁通量，一般取 0.3Wb，A 為磁環(huán) 截面積，取 2.410-5 2 m ） ，實(shí)際繞了 50 匝，次級(jí)為 40 匝。 V1 9 V V2 9 V 8050 8550 1.6k 1.6k 100nF 100nF 100nF 47uF 圖 3.3 驅(qū)動(dòng)電路 3.1.3 選頻放大電路的設(shè)計(jì)： 測(cè)量需要傳感器輸出的二次諧波成分，因此，傳感器的輸出信號(hào)不能 直接進(jìn)行放大、采樣，必須經(jīng)過(guò)帶通濾波器濾出二次諧波，放大后在進(jìn)行 采樣處理。 濾波器的設(shè)計(jì)采用壓控電壓源型二階帶通濾

39、波器，其特點(diǎn)是輸入阻抗 高，輸出阻抗低，而且電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。濾波器要求的設(shè)計(jì)參數(shù)為：中心頻 率為 10kHz，Q 值為 10，對(duì)中心頻率的放大倍數(shù)為 30 倍。實(shí)際電路形式 如圖 3.4 所示。傳感器的輸出信號(hào)經(jīng)濾波處理后其幅度不足以進(jìn)行采樣， 故加一級(jí)放大。 吉林大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 15 LM258 1nF 16k 9V -9V XBP1 INOUT XFG1 1nF 33k 16k 5.6k 3k LM258 16k 100k 9V -9V 16k 圖 3.4 選頻放大電路 仿真結(jié)果如下圖所示： 圖 3.5 帶通濾波器伯德圖仿真結(jié)果 從上圖可以看到，濾波器設(shè)計(jì)合理，而且仿真結(jié)果接近設(shè)計(jì)

40、目標(biāo)，實(shí) 吉林大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 16 際仿真參數(shù)如下：中心頻率為 9.573kHz，Q 值為 9.4，中心頻率出放大倍 數(shù)為 28.548dB（26.75 倍） ，對(duì)二次諧波（實(shí)際頻率為 9.76kHz）的放大 倍數(shù)為 27.645dB（24.15 倍） ，符合設(shè)計(jì)要求。 3.23.2 1616 位位 A/DA/D 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 4 4 倍頻采樣的硬件設(shè)計(jì)倍頻采樣的硬件設(shè)計(jì) 3.2.1 根據(jù) A/D 采集電路的設(shè)計(jì)要求選擇合適的 A/D： 由于課題設(shè)計(jì)要求 A/D 實(shí)現(xiàn)對(duì)二次諧波的四倍頻采樣，所以，所選 A/D 的轉(zhuǎn)換速率必須在 40kHz 以上；分辨率課題要求 16 位以上；由于采

41、樣頻率必須精確為四倍頻，因此 A/D 采樣率應(yīng)該可變；由于是對(duì)交流信 號(hào)采樣，故 A/D 應(yīng)能進(jìn)行正負(fù)采樣；課題要實(shí)現(xiàn)三分量測(cè)量，有三路信 號(hào)輸入，要求同時(shí)對(duì)三路信號(hào)采樣，故要求 A/D 能實(shí)現(xiàn)三路以上同時(shí)采 樣。根據(jù)以上要求，最終選擇逐次逼近型 16 位 A/D 數(shù)據(jù)采集電路 AD7656。 AD7656 的最高采樣頻率可達(dá)到 250kHz，屬于逐次逼近型，采樣頻率 可變，通過(guò)轉(zhuǎn)換使能腳輸入啟動(dòng)信號(hào)，控制六個(gè)通道同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換， 這里我們只用其中三個(gè)通道。各通道的轉(zhuǎn)換結(jié)果在每次轉(zhuǎn)換結(jié)束后可通過(guò) 16 位并行數(shù)據(jù)線依次傳送到單片機(jī)。圖 3.6 是 AD7656 的工作時(shí)序圖： 圖 3.6 A

42、D7656 的時(shí)序圖 吉林大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 17 3.2.2A/D 采集電路的設(shè)計(jì)： 圖 3.7 AD7656 內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖 從 AD7656 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖和時(shí)序圖可以看出，AD7656 既可以用硬件 電路控制，也可以通過(guò)軟件編程來(lái)操作，使用起來(lái)方便靈活。使用軟件操 作時(shí)，數(shù)據(jù)的傳輸可以以字節(jié)的形式，即進(jìn)行 8 位數(shù)據(jù)的并行傳輸（詳見(jiàn) AD7656 資料翻譯中的管腳說(shuō)明） ，此時(shí)的工作時(shí)序如圖 3.8 所示?？紤]到 數(shù)據(jù)傳輸?shù)男?，我們需?16 位數(shù)據(jù)并行傳輸，采用硬件電路控制即可, 數(shù)據(jù)的讀取采用硬件中斷的方法。具體的電路形式如圖 3.9 所示。在圖中， 為保證電路看起來(lái)清楚、方便

43、，電路中所有 AD7656 的電源引腳都沒(méi)有連 接。在此加以說(shuō)明：AVCC 和 DVCC 均接+5V 電源，AGND 和 DGND 分 別接數(shù)字地和模擬地（實(shí)際電路對(duì)模擬和數(shù)字接地并沒(méi)有加以區(qū)分） ， VSS 接-9V 電源，VDD 接+9V 電源，其余管腳做懸空處理。 吉林大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 18 圖 3.8 AD7656 采用字節(jié)傳送方式的工作時(shí)序 圖 3.9 AD 采集電路 另外，圖中單片機(jī)型號(hào)為 STC89C54RD+，內(nèi)部集成了 MAX810 專(zhuān)用 復(fù)位電路，所以 RESET 管教直接接地。單片機(jī)采用外部時(shí)鐘源，時(shí)鐘由 40MHz 有源晶振提供。 AD7656 的 BUSY 腳

44、在轉(zhuǎn)換時(shí)為高電平，當(dāng)轉(zhuǎn)換結(jié)束后轉(zhuǎn)為低電平， 可用作中斷信號(hào)。 3.33.3 內(nèi)部電源的設(shè)計(jì)內(nèi)部電源的設(shè)計(jì) 整體電路采用12V 外部電源供電，因前置電路需要9V 電源，而 吉林大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 19 A/D 和單片機(jī)電路需要+5V 電源，所以電源電路需要用到三端穩(wěn)壓管 7809、7909 和 7805，具體電路如圖 3.10 所示： 圖 3.10 內(nèi)部電源電路 4 三分量磁通門(mén)地磁場(chǎng)檢測(cè)裝置的的軟件設(shè)計(jì)三分量磁通門(mén)地磁場(chǎng)檢測(cè)裝置的的軟件設(shè)計(jì) 4.14.1 STC89C54RD+STC89C54RD+單片機(jī)介紹單片機(jī)介紹 設(shè)計(jì)采用 STC89C54RD+單片機(jī)，該單片機(jī)具有以下顯著特點(diǎn)：

45、超強(qiáng)抗干擾 1 、高抗靜電（ESD 保護(hù)） ； 2 、輕松過(guò) 4KV 快速脈沖干擾(EFT 測(cè)試） ； 3 、寬電壓，不怕電源抖動(dòng)； 4 、寬溫度范圍, -4085； 5 、I/O 口經(jīng)過(guò)特殊處理； 6 、單片機(jī)內(nèi)部的電源供電系統(tǒng)經(jīng)過(guò)特殊處理； 7 、單片機(jī)內(nèi)部的時(shí)鐘電路經(jīng)過(guò)特殊處理； 8 、單片機(jī)內(nèi)部的復(fù)位電路經(jīng)過(guò)特殊處理； 9 、單片機(jī)內(nèi)部的看門(mén)狗電路經(jīng)過(guò)特殊處理。 吉林大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 20 1 個(gè)時(shí)鐘/機(jī)器周期，可用低頻晶振，大幅降低 EMI（電磁干擾， 英文 Electromagnetic Interference 的簡(jiǎn)稱） 1 、禁止 ALE 輸出； 2 、如選 6 時(shí)鐘/

46、機(jī)器周期，外部時(shí)鐘頻率可降一半； 3 、單片機(jī)時(shí)鐘振蕩器增益可設(shè)為 1/2gain。 超低功耗 1 、掉電模式： 典型功耗 0.1A； 2 、空閑模式： 典型功耗 1.3mA； 3 、正常工作模式： 典型功耗 2.7mA-7mA； 4 、掉電模式可由外部中斷喚醒，適用于電池供電系統(tǒng)，如水表、氣 表、便攜設(shè)備等。 可在線編程, 無(wú)需編程器, 可遠(yuǎn)程升級(jí)； 內(nèi)部集成 MAX810 專(zhuān)用復(fù)位電路，原復(fù)位電路可以不用，RESET 腳直接短到地。 4.24.2 A/DA/D 的軟件控制的軟件控制 AD7656 軟件控制的引腳連接（如圖 3.9 所示）如下： CS P2.7 RD P2.6 RESET P

47、2.5 DB07 P0.00.7 DB815 P1.01.7 BUSY INT0 根據(jù)圖 3.6 所示 AD7656 的工作時(shí)序，轉(zhuǎn)換結(jié)束后 A/D 向 CPU 發(fā)送中 吉林大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 21 斷請(qǐng)求，CPU 響應(yīng)后送片選信號(hào)給 A/D 進(jìn)行讀數(shù)據(jù)操作，每次讀一個(gè)通 道，執(zhí)行三次讀數(shù)操作后一次中斷完成。 4.34.3程序流程圖程序流程圖 程序流程圖如圖 4.1 所示。開(kāi)機(jī)后經(jīng)過(guò) 1S 延時(shí)啟動(dòng) A/D 轉(zhuǎn)換器工作， 等待 A/D 轉(zhuǎn)換。A/D 在轉(zhuǎn)換結(jié)束后向單片機(jī)發(fā)送中斷請(qǐng)求，單片機(jī)相應(yīng) 響應(yīng)中斷，通過(guò) 16 位并口從 A/D 讀數(shù)。當(dāng)單片機(jī)執(zhí)行 8 次中斷（讀到兩 周器的轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)

48、）后，關(guān)中斷，同時(shí)讓 A/D 停止轉(zhuǎn)換，單片機(jī)工作在查 詢方式，通過(guò)串口將所有數(shù)據(jù)發(fā)送到計(jì)算機(jī)，由計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理。 N N 初始化 開(kāi)始 轉(zhuǎn)換結(jié)束？ 進(jìn)入中斷 中斷 8 次？ 串口發(fā)送 結(jié)束 圖 4.1 程序流程圖 吉林大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 22 4.44.4 示例程序示例程序 系統(tǒng)在開(kāi)機(jī)后需要一個(gè) 1s 的延時(shí)來(lái)啟動(dòng) AD，下面以延時(shí)程序?yàn)槔o 出一段示例程序： #include startup.h . /包含頭文件等 #define uint8 unsigned char /關(guān)鍵字的簡(jiǎn)化及 AD 的控制連接 void delay1ms(unsigned int K); /函數(shù)及變

49、量聲明 main() RS=1; /將 AD7656 復(fù)位 delay1ms(1000); RS=0; /開(kāi)機(jī) 1s 延時(shí)后，啟動(dòng) AD while(1) void delay1ms(unsigned int K) unsigned int i,j; for(i=0;iK;i+) /多少個(gè) 1ms for(j=0;j=240;j+) /延時(shí)約為 1ms 吉林大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 23 4.54.5 串口發(fā)送的硬件設(shè)計(jì)串口發(fā)送的硬件設(shè)計(jì) 串口通信用到的主要芯片是 MAX232，它的低功耗關(guān)斷模式適合電池 供電系統(tǒng)。外接電路簡(jiǎn)單，很適合應(yīng)用于面積有限的印刷電路板。它有雙 路電荷泵 DC-DC

50、電壓轉(zhuǎn)換器，RS232 驅(qū)動(dòng)器、RS232 接收器，以及接收 器與發(fā)送器使能控制輸入。MAX232 內(nèi)部有兩個(gè)電荷泵，將5V 轉(zhuǎn)換為 10V(空載)，為 RS-232 驅(qū)動(dòng)器提供工作電壓，第一個(gè)轉(zhuǎn)換器利用電容 C1 將5V 輸入加倍，得到 V輸出端 C3 上的10V，第二個(gè)轉(zhuǎn)換器利 用電容 C2 將10V 轉(zhuǎn)換為 V輸出端 C4 上的10V。可以從 10V（V）和10V（V）輸出端獲取少量的電源功率，為外部電路 供電。 串口連接電路如圖 4.2 所示： 圖 4.2 串口連接電路 吉林大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 24 如圖 13，當(dāng)外部中斷執(zhí)行 8 次（A/D 采樣兩個(gè)周期）后，關(guān)外部中 斷，這時(shí)

51、 CPU 內(nèi)部存儲(chǔ)器中存放有 3 個(gè)字符數(shù)組，每個(gè)數(shù)組中有 16 個(gè)字 節(jié)的字符數(shù)據(jù)，CPU 工作在查詢方式下，通過(guò)串口將數(shù)據(jù)發(fā)送到計(jì)算機(jī)。 5 測(cè)試結(jié)果及分析測(cè)試結(jié)果及分析 5.15.1 分頻器電路測(cè)試分頻器電路測(cè)試 用 DF4321（20MHz）型示波器測(cè)試，20MHz 晶振振蕩產(chǎn)生波形如 下圖所示（掃描時(shí)間為 0.2S）： 圖 5.1 晶振振蕩波形 吉林大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 25 圖 5.2 212倍分頻輸出波形 對(duì)晶振頻率 212倍分頻得到 5kHZ（掃描時(shí)間為 100S）激勵(lì)信號(hào)如圖 5.2，其幅度約為 5V（電壓檔位在 2V 檔） 。 5.25.2 功率驅(qū)動(dòng)電路的測(cè)試功率驅(qū)動(dòng)電

52、路的測(cè)試 功率放大后經(jīng)變壓器輸出波形，如圖 5.3 所示，電壓檔位在 1V 檔， 其幅度為 2.5V。圖中掃描時(shí)間為 100s。 吉林大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 26 圖 5.3 驅(qū)動(dòng)電路輸出信號(hào) 5.35.3 信號(hào)轉(zhuǎn)換電路測(cè)試信號(hào)轉(zhuǎn)換電路測(cè)試 將分頻器的 29倍分頻輸出進(jìn)行微分得到信號(hào)如圖 5.4 所示（掃描時(shí)間 為 10s，電壓檔位在 2V 檔） 。對(duì)該信號(hào)進(jìn)行整形后得到 A/D 轉(zhuǎn)換器的啟 動(dòng)信號(hào)，如圖 5.5 所示，頻率約 40kHz(掃描時(shí)間 10s)，電壓檔位在 2V 檔。 吉林大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 27 圖 5.4 微分后的波形 圖 5.5 整形后的信號(hào) 5.45.4 帶通濾波

53、器的測(cè)試帶通濾波器的測(cè)試 在其中一個(gè)傳感器的輸出如圖 5.6 所示，峰峰值的最大值約為 90mV（電壓檔位在 20mV 檔） ，頻率約為 10kHz（圖中掃描時(shí)間的檔位 在 50s 檔） 。 吉林大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 28 圖 5.6 傳感器輸出波形 圖 5.7 濾波器輸出 將傳感器輸出接到濾波器，在濾波器的輸出端得到二次諧波，波形如 圖 5.7 所示，頻率約為 10kHz（掃描時(shí)間的檔位在 50s 檔） ，峰峰值約 180mV（電壓檔位在 50mV） 。 吉林大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 29 6 對(duì)三分量測(cè)量的通道差異進(jìn)行校正的方案設(shè)計(jì)對(duì)三分量測(cè)量的通道差異進(jìn)行校正的方案設(shè)計(jì) 三分量磁通門(mén)

54、地磁場(chǎng)檢測(cè)裝置在設(shè)計(jì)制作中的難點(diǎn)是進(jìn)行三分量測(cè)量 時(shí)，對(duì)各分量進(jìn)行前置處理的各個(gè)通道，其增益不可能完全一致，這會(huì)導(dǎo) 致測(cè)量誤差，影響測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。下面對(duì)此問(wèn)題提出兩種解 決方案： 6.16.1 方案方案 1 1：通過(guò)硬件電路的調(diào)試進(jìn)行校正：通過(guò)硬件電路的調(diào)試進(jìn)行校正 硬件校正的原理是：三分量信號(hào)的通道增益差異是在前置電路傳感 器輸出和信號(hào)處理過(guò)程中產(chǎn)生的，也就是說(shuō)各通道的選頻放大環(huán)節(jié)的差異 和傳感器之間的差異是產(chǎn)生這種差異的主要原因，這些都可以通過(guò)調(diào)節(jié)放 大器的放大倍數(shù)來(lái)糾正。具體的調(diào)節(jié)方法，將圖 3.4 所示的選頻放大電路 的后級(jí)放大電路改成圖 6.1 所示增益可調(diào)的放大器。在校

55、正時(shí)，將三分量 磁通門(mén)傳感器固定好之后，用其中一個(gè)傳感器分別對(duì)用三個(gè)通道進(jìn)行測(cè)試， 通過(guò)調(diào)節(jié)圖中的變阻器來(lái)調(diào)節(jié)通道增益，使各通道的測(cè)量結(jié)果相符合。 圖 6.1 增益可微調(diào)的后級(jí)放大 吉林大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 30 利用調(diào)節(jié)放大器增益的方法進(jìn)行校正，這種方案的特點(diǎn)是：調(diào)試方 便，但需要對(duì)原來(lái)設(shè)計(jì)的硬件電路做修改。 6.26.2 方案方案 2 2：通過(guò)軟件編程對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行校正：通過(guò)軟件編程對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行校正 采用硬件電路調(diào)試的方法，是對(duì)測(cè)量信號(hào)進(jìn)行幅度的校正，從而達(dá) 到準(zhǔn)確測(cè)量的目的。實(shí)際上，我們可以用編程的方法引入校正系數(shù)直接對(duì) 測(cè)量結(jié)果進(jìn)行校正。下面詳細(xì)介紹一下軟件校正的具體方法： 首先

56、為方便敘述，我們對(duì)傳感器和各信號(hào)通道進(jìn)行標(biāo)記，將三分量 傳感器固定好之后，將三個(gè)傳感器分別標(biāo)記為 A、B、C，同樣將三個(gè)信 號(hào)通道分別標(biāo)記為 X、Y、Z。 接下來(lái)進(jìn)行三次測(cè)量：第一次，用 X 通道測(cè)量傳感器 A 輸出，Y 通 道測(cè)量傳感器 B 輸出，Z 通道測(cè)量傳感器 C 輸出，記錄測(cè)量數(shù)據(jù)、 a x 、；第二次，用 X 通道測(cè)量傳感器 B 輸出，Y 通道測(cè)量傳感器 b y c z C 輸出，Z 通道測(cè)量傳感器 A 輸出，記錄測(cè)量數(shù)據(jù)、； b x c y a z 第三次，用 X 通道測(cè)量傳感器 C 輸出，Y 通道測(cè)量傳感器 A 輸出，Z 通 道測(cè)量傳感器 B 輸出，記錄測(cè)量數(shù)據(jù)、。進(jìn)行以下計(jì)算

57、： c x a y b z 6.1 3/13/13/1 3/13/13/1 3/13/13/1 3/13/13/1 zyxr zzzz yyyy xxxx cba cba cba 計(jì)算出了和，就可以得到各通道的校正系數(shù)：xyzr 吉林大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 31 6.2 / / / zrJz yrJy xrJx 計(jì)算機(jī)在完成數(shù)據(jù)處理后，只要對(duì)相應(yīng)的通道數(shù)據(jù)乘以校正系數(shù)就 可以得到準(zhǔn)確可靠的測(cè)量數(shù)據(jù)。 總結(jié)總結(jié) 設(shè)計(jì)的檢測(cè)裝置能夠檢測(cè)到地磁場(chǎng)三個(gè)分量的磁場(chǎng)信號(hào)，信號(hào)經(jīng)前置 電路濾波放大后得到測(cè)量需要的二次諧波，AD7656 對(duì)該二次諧波進(jìn)行四 倍頻采樣，每次采樣的 16 位數(shù)據(jù)在中斷工作方式下

58、 16 位并行傳輸?shù)絾纹?機(jī)，當(dāng)單片機(jī)接收到兩個(gè)周期的數(shù)據(jù)后，關(guān)中斷，單片機(jī)工作在查詢方式 將讀到的數(shù)據(jù)經(jīng)串口電路發(fā)送到計(jì)算機(jī)。 設(shè)計(jì)中用到了高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換技術(shù)和單片機(jī)的中斷服務(wù)及串口通信。 16 位模數(shù)轉(zhuǎn)換器采用 SAR 型 A/D 轉(zhuǎn)換器 AD7656，采用+5V 和9V 電 源供電，輸出數(shù)據(jù)為 16 位二進(jìn)制數(shù)。單片機(jī)采用廣東宏晶公司生產(chǎn)的 STC89C54RD+單片機(jī)，用 KEIL C51 編程軟件應(yīng)用 C 語(yǔ)言編程。設(shè)計(jì)主 要利用單片機(jī)的外部中斷和串口通信。 設(shè)計(jì)給出了計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理的具體方法，測(cè)量數(shù)據(jù)可以發(fā)送到計(jì)算機(jī) 進(jìn)行處理和分析。 吉林大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 32 參考文獻(xiàn)及

59、參考資料參考文獻(xiàn)及參考資料 1 王君，凌振寶. 傳感器原理及檢測(cè)技術(shù)M（55 頁(yè)至 64 頁(yè)）. 吉林大 學(xué)出版社. 2003.9 2 何橋，段清明，邱春玲. 單片機(jī)原理及應(yīng)用. 中國(guó)鐵道出版社. 2005.9 3 戴佳，戴衛(wèi)恒. 51 單片機(jī) C 語(yǔ)言應(yīng)用程序設(shè)計(jì)實(shí)例精講. 電子工業(yè)出 版社. 2006.4 4 劉希芳，王君. 地學(xué)傳感器原理及應(yīng)用. 地質(zhì)出版社. 1993.8 5 李念強(qiáng)，張煥春，禹艾芹. 數(shù)字相敏檢波器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn). 電測(cè)與儀 表. 2001.5 6 黨瑞榮，楊灝，高國(guó)旺，石浩亮. 基于 Nios 系統(tǒng)的數(shù)字相敏檢波系 統(tǒng)設(shè)計(jì). 測(cè)井與射孔. 2007.1 7 路長(zhǎng)厚，劉

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