基于霍爾傳感器THS103A的數字高斯計設計

鄭州輕工業(yè)學院課程設計說明書題目：基于霍爾傳感器THS103A的數字高斯計設計姓名：院〔系〕：電子信息工程專業(yè)班級：電子信息工程1學號：指導教師：成績：時間：2023年6月26日至2023年7月1日課程設計任務書題目基于霍爾傳感器THS103A的數字高斯計設計專業(yè)、班級電子信息工程學號姓名主要內容、根本要求、主要參考資料等：主要內容：用霍爾傳感器設計一個數字高斯計。根本要求：〔1〕量程：0～2T，3位半數字顯示輸出，單位為10-3T；〔2〕系統(tǒng)理論分析和設計計算詳細明確，有理有據；〔3〕按照印刷版教材的樣式繪制系統(tǒng)框圖和電路圖；〔4〕寫出3000～5000字的設計報告，主體文本字號為小四號，標題章節(jié)字號依照美觀合理原那么選擇，并合理加黑，字體均為宋體。主要參考資料：〔1〕【日】松井邦彥著，梁瑞林譯.傳感器實用電路設計與制作.科學出版社，2005年.〔2〕何希才.常用傳感器應用電路的設計與實踐.科學出版社，2007年.〔3〕3位半A/D轉換及液晶顯示器ICL7107說明書.完成期限：2023年6月26日－2023年7月1日指導教師簽章：專業(yè)負責人簽章：2023年6月20日目錄摘要 11.高斯計的原理 11.1高斯計與特斯拉計區(qū)別 11.2高斯計與電磁場 21.3高斯計的特點 21.4傳感器使用方法 32.設計原理及過程分析 52.1主控電路 52.2定標電路設計及工作原理 62.3外部顯示選擇方案與論證 62.4信號處理與采集電路 7數字調零電路 82.4.2峰值檢測與保持電路 82.5頻率測量 92.6儀器的軟件設計 92.7方案的優(yōu)缺點 112.8誤差分析 113.結束語 11參考文獻 12基于霍爾傳感器THS103A的數字高斯計設計摘要：本方案利用相關電子元器件自制新型多功能高斯計，然后用已有高斯計進行標定，最終準確測量及數字顯示待測的磁感應強度，繪制的較為簡單的磁滯曲線，并實現其它相應功能，采用的是霍爾效應法對磁場進行測量，其物理學的理論支持是霍爾效應。探測電路通過霍爾效應把難以測量的磁信號轉變?yōu)橐子谔幚淼碾娦盘?。關鍵詞：高斯計;磁感應強度;霍爾效應。1.高斯計的原理高斯計，是測量物體于空間上一個點的靜態(tài)或動態(tài)(交流)磁感應強度，由霍爾傳感器(精度更高可選擇磁通門傳感器).經過物體磁力線穿過產生電流電壓，主設備上面顯示磁感應強度。高斯計需要能夠測量恒定磁場,直流磁場與交流磁場和脈沖磁場的功能。同時由于智能制造開展高斯計需要能夠與自動化設備有交互功能，因而485通訊與開關量端口,模擬信號端口成為必須。高斯計幾乎都是基于霍爾效應原理進行磁場測量的，采用霍爾傳感器作為磁感應元件。用戶可能會發(fā)現這樣的問題，即使在同一個點上，使用不同型號的探頭會產生不同的測量結果。這并非是測量的錯誤，而是由于霍爾傳感器的尺寸不同以及裝配的位置誤差產生的結果。根據不同的需要，正確地選擇高斯計和相應的霍爾探頭尤為重要。1.1高斯計與特斯拉計區(qū)別特斯拉計〔高斯計〕是采用霍爾原理，配以霍爾偏值電路，放大電路，AD電路，顯示電路，定標后用來測試磁感應強度〔磁場強度〕的儀器。在CGS單位制中，磁感應強度的單位是高斯，因此叫高斯計。在SI單位制中，磁感應強度的單位是特斯拉，因此叫特斯拉計。關系為：1T〔特斯拉)＝1000MT〔毫特斯拉〕＝10000GS〔高斯〕總之本質是一個東西，只是測量的單位不同而已，特斯拉單位太大，一般采用毫特斯拉單位，現在很多人都喜歡用高斯單位，感覺要直觀一點。1.2高斯計與電磁場電磁場是電場與磁場的合稱。我們一般所稱的「場」指的是空間中的一個區(qū)域，進入這個區(qū)域的物體都會感受到力的作用，例如我們生活在地球的重力場中，也生活在地磁的磁場中，閃電時我們更籠罩在強大的電場中。高斯計磁強計特斯拉計應用領域生活中常常會發(fā)現電場的存在，例如冬季脫毛衣發(fā)生的爆烈聲，接觸門的把手有觸電感覺，這些都是因摩擦而產生的靜電現象。在電力使用中，只要有電壓存在，電線或電器設備周圍就會有電場。電場一般是以仟伏特/米(KV/m)作單位。將磁鐵置于紙板下，撒鐵粉在紙板上，就會發(fā)現磁鐵兩端之間產生相連的幾圈條紋，這就是磁場。在電力使用中，只要有電流通過，導線的周圍也會產生磁場。磁場的單位是以特斯拉(T)或高斯(G)或毫高斯(mG)

或微特斯拉(μT)

表示。1特斯拉＝10,000高斯1高斯＝1,000毫高斯1微特斯拉＝10毫高斯1.3高斯計的特點高斯計的優(yōu)點是使用簡單、測量精度高、靈敏度大、量程大、不需計算。并能很快地得到磁場讀數。高斯計測定磁場強度的原理是基于霍爾效應〔THallerect)。所謂霍爾效應就是：當一半導體(鍺片)通有電流I，并在垂直于薄片平面方向加以外磁場H，與電流和磁場方向垂直的另兩端上將呈現有電勢VH。這個效應稱為霍爾效應。其電勢叫霍爾電勢。圖1為霍爾效應示意圖。圖1霍爾效應示意圖這一電勢正比于電流I和外磁場H，并與霍爾元件的材料和形狀系數有關，即：V式中RH—霍爾常數，與半導體材料有關d—霍爾元件厚度；flb由于高斯計在設計時，半導體材料和幾何尺寸已選定，RH，d，flb已定，電流I也已確定。所以霍爾電壓VH由于空氣的導磁系數近似為1，所以在空氣中測得的高斯值是與磁場強度等值異單位的，因此不必換算。高斯計的電源(即I)可以是直流，也可以用交流。同樣，被測磁場可以是恒定的，也可以是交變的。不僅可測磁場強度，也能區(qū)分極性。以上就是從直觀的數學公式方面分析的高斯計測定磁場強度的原理。1.4傳感器使用方法以橫向傳感器為例〔1〕傳感器測量方法被測磁場的磁力線方向垂直穿過傳感器前端的霍爾元件〔如圖2〕圖2〔2〕手持傳感器測量磁場的圖示及說明如圖3所示，手握傳感器，用傳感器前端霍爾元件的凹面〔即有小圓圈標識的一面〕輕輕接觸被測磁鐵的外表或所測空間磁場位置。圖3〔3〕不正確的手持式傳感器方法將傳感器的頂部使勁壓到被測物體的外表〔如圖4〕，這樣很容易損壞傳感器。圖42.設計原理及過程分析該儀器的硬件電路主要由主控電路、定標電路、信號處理與采集電路、頻率測量電路，霍爾傳感器等組成。本方案采用的是集成霍爾傳感器，它是把霍爾元件、放大器等做在一個芯片上的集成電路型結構，與霍爾元件相比，它具有微型化、靈敏度高、壽命長、功耗低、負載能力強以及使用方便等等優(yōu)點?；魻杺鞲衅魇且环N能實現磁電轉換的傳感器，用它們可以檢測磁場及其變化。由于霍爾元件具有在靜止狀態(tài)下感受磁場的能力，且結構簡單，形小體輕，頻帶寬(可從直流到微波)，動態(tài)特性好、動態(tài)范圍大，壽命長和可進行非接觸測量等優(yōu)點，故在檢測技術、自動控制技術和信息處理等方面得到日益廣泛應用。2.1主控電路主控電路以STC89C52RC為核心，包括一個雙通道A／D轉換器MAXlll、兩個D／A轉換器MAX541、經8279擴展的鍵盤顯示電路、一個定標參數存儲器X24128以及與上位機通訊的RS232接口。為了減少干擾，在模擬電路與數字電路之間加有光電隔離電路。采用STC89C52RC,片內ROM全都采用Flash，ROM;能以3V的超底壓工作;同時也與MCS-51系列單片機完全該芯片內部存儲器為8KBROM存儲空間，同樣具有89C51的功能,且具有在線編程可擦除技術,當在對電路進行調試時,由于程序的錯誤修改或對程序的新增功能需要燒入程序時,不需要對芯片屢次拔插,所以不會對芯片造成損壞。STC89C52RC系列的單片機是宏晶科技推出的新一代超強抗干擾/高速/低功耗的單片機，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051單片機12時鐘/機器周期和6時鐘/機器周期可任意選擇。A／D轉換器MAXlll的一路用來檢測調零電路輸出，另一路用來采集保持后的感應電壓信號。兩個D／A轉換器MAX541中的一個用來輸出霍爾不等位電勢的補償電壓，另一個用來控制壓控恒流源。經8279擴展六個按鍵：電源鍵、定標鍵、調零鍵、量程轉換鍵、自動測量鍵、顯示暫停鍵，鍵盤以中斷方式工作。同時經8279擴展出雙8位的數字表頭，一個用來顯示交變磁場頻率，另一個由軟件控制根據不同的磁場顯示不同數值。當測量穩(wěn)恒場時，顯示磁場值；當測量脈沖場時，顯示峰值；當測量交變磁場時，由軟件控制依次顯示正、負峰值及峰峰值，顯示時間間隔由軟件控制為5s，當按下顯示暫保持鍵時，保持當前顯示數據，再次按顯示保持鍵，顯示下一個數據。參數存儲器X24128與霍爾器件封裝在一起，通過串行總線和主機相連。2.2定標電路設計及工作原理定標電路主要由一個壓控恒流源和提供控制電壓的D／A轉換電路組成。壓控恒流源由兩個高阻型雙運算放大器LM358構成，其原理圖如圖5所示。圖5壓控恒流源原理圖從圖中可得出：Ｉout=-４ＶIN(mA)式中，VIN由16位D／A轉換器MAX541提供，可在0～2．5V之間以0．04mV的分辨率調節(jié)。那么恒流源電流可在0～10mA之間以0．161μA的分辨率調節(jié)，完全可以滿足一般霍爾器件的恒流工作要求。2.3外部顯示選擇方案與論證方案一：采用LED液晶顯示屏,液晶顯示屏的顯示功能強大,可顯示大量文字,圖形,顯示多樣,清晰可見,但是價格昂貴,需要的接口線多,所以在此設計中不采用LED液晶顯示屏。方案二：采用點陣式數碼管顯示，點陣式數碼管是由八行八列的發(fā)光二極管組成，對于顯示文字比擬適合,如采用在顯示數字顯得太浪費,且價格也相對較高,所以也不用此種作為顯示。方案三：采用LCD1602液晶顯示，其顯示的范圍寬，容納的字符多、系統(tǒng)便于功能控制、人機界面形象直觀，其軟件設計有成熟的技術資源。硬件電路設計簡單，與單片機的接口電路簡單、其數據口線可以與單片機的P0口直接相連接、由于P0口是漏極開路的I/O接口，因此只要在外加上9口線〔其中一個電源口線、8個排阻口線〕的上拉電阻即可，而控制接口只需要控制即可。其背光可以使用電位器來調節(jié)背光電壓、從而調節(jié)背光的亮度、使其在不同的光照條件下可以調節(jié)適宜的亮度。到達適宜的視覺效果。圖6液晶顯示模塊接口電路因此，整合上述的材料、選擇LCD1602作為液晶顯示來作為顯示器，只要可以提高整機的可視化程度，到達最正確的顯示效果。其接口電路如圖6所示2.4信號處理與采集電路為了對不同類型磁場進行高精度測量，本系統(tǒng)信號處理電路由程控放大電路、數字調零電路、峰值檢測與保持電路組成。處理后信號的采集由MAXlll通道1完成。數字調零電路由于制作工藝的原因，霍爾器件總有不等位電勢存在。為了適應自動測量的需要，不等位電壓的補償由數字調零電路實現。該電路實際上是由兩個運算放大器構成的加減運算電路。在系統(tǒng)初始化時，對不同量程進行調零，并將對應的補償電壓數值存在RAM中；測量過程中量程轉換或手動選擇量程后，可直接查詢相應的數值，由D/A轉換器輸出補償電壓。由于采用了高精度的A/D和D/A轉換器，調零后的不等電位小于0.1mV。2.4.2峰值檢測與保持電路為了測量脈沖磁場和交變磁場的峰值，本系統(tǒng)含有由采樣保持器LF398[5]和邏輯控制電路組成的正負峰值檢測保持電路。正峰值檢測保持電路原理圖如圖5所示。LF398的控制端8的邏輯值E＝(A+B)*D，當E為高時LF398處于跟隨狀態(tài)，輸出電壓等于輸入電壓；當E為低時LF398處于保持狀態(tài)，輸出保持不變。峰值保持電路的工作過程是：當進行數據采集時，使P2.0置低電平，P2.1置高，這樣LF398的控制端完全取決于LM319比擬器的輸出端。LM319的輸出電平可由LF398的輸出電壓Vo和輸入電壓Vin比擬的結果斷定。當輸入電壓Vin高于輸出電壓Vo時，LF398的邏輯控制被置成高電平，使LF398處于跟隨狀態(tài)；當輸入電壓Vin到達峰值而下降時，LF398的邏輯控制端被置成低電平，使LF398處于保持狀態(tài)，從而實現了對“峰值〞的保持。在采樣狀態(tài)，為了使保持下來的峰值不被下一個不同的峰值沖掉，當檢測到P1.2被置成低電平(LF398已經取得峰值)時，使P2.1腳置低電平，從而封鎖了輸入信號。在測量穩(wěn)恒磁場和交變磁場時，為了提高準確度，常需要轉換量程。每次轉換量程后，先把P2.0和P2.1置高，使LF398處于跟隨狀態(tài)，延時50μs，使得LF398的輸出和輸入相等；然后將P2.0置低，進入峰值檢測狀態(tài)，即可完成量程轉換。負峰值檢測電路只是在正峰值檢測電路之前加了一個反相器，邏輯控制局部由P1.3、P2.2、P2.3完成。保持下來的峰值經一個模擬開關CD4051后由MAXlll的通道1檢測。2.5頻率測量由于AT89C52含有三個定時計數器，測量頻率非常簡單方便，只需對調零后的輸出信號進行適當的放大，其后經過一個過零滯回比擬器整形后得到方波信號，再通過一個四分頻器輸入到AT89C52的計數器T1和外部中斷INT0即可。為了更加準確地測量頻率，當信號頻率高于5kHz時用測頻法，即關中斷INT0，把定時器TO設定一個時間to，開計數器T1，計數器溢出一次，那么把內存中某個單元加1；假設to時間內計數值為N1，可求得被測信號的頻率為4Nl/to。頻率低于5kHz時用測周期法，即關計數器T1，開定時器TO，中斷INT0以邊沿方式觸發(fā)，發(fā)生第一次中斷時，TO計時為t1，再次發(fā)生中斷時關掉中斷，此時計數器TO計時為t2，那么被測信號的周期T＝(t2-t1)／4、f＝4／(t2-t1)。為了測較低的信號頻率，可以使TO循環(huán)計數。由于加了四分頻，該方法可測小于2MHz的信號。2.6儀器的軟件設計儀器軟件采用匯編語言編寫，包括主程序、定標子程序、調零子程序、數據采集子程序、顯示子程序、鍵盤中斷效勞子程序、頻率測量程序、A/D轉換程序、D/A轉換程序、計算磁場大小子程序等。系統(tǒng)默認為自動測量模式，選擇最大量程。在鍵盤中斷程序中，不同的鍵被按下，執(zhí)行不同的程序。在數據采集子程序中，判斷是否為手動，假設是那么直接采集，并保存數據。假設不是那么判斷量程是否適宜，不適宜那么轉換量程重新測量，并保存上次測量值。假設轉換后測量為零，說明為脈沖場，以上次測的值為準。因此，對于脈沖場，假設知道其場強范圍，最好手動選擇量程。儀器軟件流程圖如圖7所示。該測場儀以單片機為核心，采用串行存儲器擴大了磁場測量范圍，采用壓控恒流源技術解決了霍爾探頭更換后的定標問題。該儀器具有自動量程轉換功能，并能同時測量磁場頻率，其磁場的測量范圍為：0.01mT～6T，測量精度優(yōu)于量程的±0.2％，特別適合于磁場大、類型未知的測量場合。圖7儀器軟件流程圖2.7方案的優(yōu)缺點優(yōu)點：〔1〕利用新的角度、新的思想到達弱磁的測量?！?〕測量原理和方法簡單、探頭體積小、測量敏捷，并能直接連續(xù)讀數。〔3〕霍爾傳感器具有對磁場敏感程度高、結構簡單、使用方便?！?〕可較為準確地測量-1000Gus-1000Gus的弱磁場的磁感應強度?！?〕通過測定變化磁場的磁感應強度，繪制的較為簡單的磁滯曲線。缺點：〔1〕磁感應強度測量示數不穩(wěn)定，易受外界因素干擾?！?〕半導體霍爾元件的溫度系數一般都較大，不經溫度校準誤差較大。〔3〕未能消除霍爾效應的副