【正文】 變化，并把磁場信號的變化轉(zhuǎn)變成電信號的變化，從而實(shí)現(xiàn)單片機(jī)的控制。正是本著這樣一個(gè)設(shè)計(jì)思路來構(gòu)建系統(tǒng)的硬件電路。第2章 硬件電路設(shè)計(jì)如圖21所示，整個(gè)探測系統(tǒng)以8位單片機(jī)AT89S52作為控制核心，其硬件電路分為兩個(gè)部分，一部分為線圈振蕩電路，包括：多諧振蕩電路、放大電路和探測線圈；另一部分為控制電路，包括：UGN3503型線性霍爾元件、前置放大電路、峰值檢波電路ADC0809模數(shù)轉(zhuǎn)換器、AT89S52單片機(jī)、LED顯示電路、聲音報(bào)警電路及電源電路等。具體電路原理圖參看附錄1。 圖21 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 圖22 線圈振蕩電路原理圖 工作過程中，由555定時(shí)器構(gòu)成一個(gè)多諧振蕩器，產(chǎn)生一頻率為24KHz、占空比為2/3的脈沖信號。振蕩器的頻率計(jì)算公式為： (21)圖示參數(shù)對應(yīng)的頻率為24KHz，選擇24KHz的超長波頻率是為了減弱土壤對電磁波的影響。從多諧振蕩器輸出的正脈沖信號經(jīng)過電容C8輸入到Q1的基極(Q1為β≥125的9013H)，使其導(dǎo)通，經(jīng)Q1放大之后，就形成了頻率穩(wěn)定度高、功率較大的脈沖信號輸入到探測線圈L1中，在線圈內(nèi)產(chǎn)生瞬間較強(qiáng)的電流，從而使線圈周圍產(chǎn)生恒定的交變磁場。由于在脈沖信號作用下，Q1處于開關(guān)工作狀態(tài)，而導(dǎo)通時(shí)間又非常短，所以非常省電。圖23 數(shù)據(jù)采集電路1． 線性霍爾傳感器(linaer HallEeffct Sensors) 在電路設(shè)計(jì)中，選用了美國ALELGRO公司生產(chǎn)的UGN3503U線性霍爾傳感器，來檢測通電線圈Ll周圍的磁場變化。UGN3503U線性霍爾傳感器的主要功能是可將感應(yīng)到的磁場強(qiáng)度信號線性地轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?。它的功能框圖和輸出特性示于圖24和圖25。[3] 圖24 UGN3503的功能框圖圖25 UGN350的磁電轉(zhuǎn)換特性曲線霍爾元件是依據(jù)霍爾效應(yīng)制成的器件。如圖26所示， 圖26 霍爾效應(yīng)原理圖 在一塊半導(dǎo)體薄片上兩端通以電流I,并加上和片子表面垂直的磁場B，在薄片的橫向兩側(cè)會出現(xiàn)一個(gè)電壓，如圖27中的UH, 這種現(xiàn)象就是霍爾效應(yīng)。這種現(xiàn)象的產(chǎn)生，是因?yàn)橥姲雽?dǎo)體片中的載流子在磁場產(chǎn)生的洛侖茲力的作用下，分別向片子橫向兩側(cè)偏轉(zhuǎn)和積聚，因而形成一個(gè)電場，稱作霍爾電場?；魻栯妶霎a(chǎn)生的電場力和洛侖茲力相反，它阻礙載流子繼續(xù)堆積，直到霍爾電場力和洛侖茲力相等。這時(shí)，片子兩側(cè)建立起一個(gè)穩(wěn)定的電壓，這就是霍爾電壓UH?；魻栯妷篣H可用下式表示： UH=RHIB/d (V) （22）式中RH霍爾常數(shù) (m3cˉ185。，)； I電流 (A)； B磁感應(yīng)強(qiáng)度 (T)； d霍爾元件的厚度 (m)令KH=RH/d(vAˉ185。wbˉ185。m178。)，則得到UH=KHIB (V) (23)由上式可知，霍爾電壓的大小正比于控制電流I和磁感應(yīng)強(qiáng)度B。KH稱為霍爾元件的靈敏度，它與元件材料的性質(zhì)與幾何尺寸有關(guān)。因此當(dāng)外加電壓源電壓一定時(shí)，通過的電流I為一恒值，此時(shí)輸出電壓只與加在霍爾元件上的磁場B的大小成正比，即：UH=KB (V) (24)此時(shí)K=KHI為常數(shù)。因此，任何引起磁場強(qiáng)度變化的物理量都將引起霍爾輸出電壓的變化。據(jù)此，將霍爾元件做成各種形式的探頭，固定在工作系統(tǒng)的適當(dāng)位置，用它去檢測工作磁場，再根據(jù)霍爾輸出電壓的變化提取被檢信息，這就是線性霍爾元件的基本物理依據(jù)和作用。本設(shè)計(jì)中采用的線性霍爾傳感器UGN3503U就是將霍爾元件、高增益線性差分放大器和射極跟隨器集成在同一半導(dǎo)體基片上，為用戶提供了一個(gè)由外電壓源驅(qū)動、使用方便的磁敏傳感器。該器件的磁電轉(zhuǎn)換特性曲線如圖26所示，其輸出電壓和加在霍爾元件上的磁感強(qiáng)度B成比例。，，miniSIP封撞。具有靈敏度高，線性度好；結(jié)構(gòu)牢固，體積小，重量輕，耐震動，功耗小，壽命長，頻率高(可達(dá)IMHz)；輸出噪聲低等特點(diǎn)。用它作探頭可測量，10ˉ610T的交變和恒定磁場。在測量磁場時(shí)，將元件的第一腳(面對標(biāo)志面從左到右數(shù))接電源(工作電壓為5V)，第二腳接地，第三腳接高輸入阻抗(10KΩ)電壓表，通電后，將電路放入被測磁場中，因霍爾器件只對垂直于霍爾片表面的磁感應(yīng)強(qiáng)度敏感，因而必須讓磁力線垂直于電路表面，當(dāng)沒有磁場(B=0G)時(shí)，靜態(tài)輸出電壓是電源電壓的一半(即VCC/2)，當(dāng)外加磁場的南極靠近器件標(biāo)志面時(shí)，會使輸出電壓高于靜態(tài)輸出電壓；當(dāng)外加磁場的北極靠近器件標(biāo)志面時(shí)，會使輸出電壓低于靜態(tài)輸出電壓，但仍然是正值。利用線性霍爾傳感器UGN3503U的上述特性，將其接在數(shù)據(jù)采集電路的前端，并固定在探測線圈Ll的中心，即可感應(yīng)線圈Ll的磁場變化，并將磁場的變化信號轉(zhuǎn)化為電壓信號的變化而被后級電路拾取和放大。[4]2．放大和峰值檢波電路 由于UGN35O3U線性霍爾元件采集到的電壓信號是一個(gè)毫伏級的信號，信號十分微弱，所以，在對其進(jìn)行處理前，首先要進(jìn)行放大。在設(shè)計(jì)中，信號放大電路采用輸入阻抗高、漂移較小、共模抑制比高的集成運(yùn)算放大器LM324。LM324是四運(yùn)放集成電路，它采用14腳雙列直插塑料封裝，外形和引腳排列如下圖所示。它的內(nèi)部包含四組形式完全相同的運(yùn)算放大器，除電源共用，四組運(yùn)放相互獨(dú)立。如圖24所示，UGN3503線性霍爾元件輸出的微弱信號經(jīng)電容禍合到前級運(yùn)算放大器U2A的同相輸入端，運(yùn)算放大器U2A把霍爾元件感應(yīng)到的電壓轉(zhuǎn)換為對地電壓。在電路設(shè)計(jì)中，運(yùn)放LM324采用+5V單電源供電，對于不同強(qiáng)度的信號均可通過調(diào)節(jié)前級放大電路的反饋電位器Wl來改變其放大倍數(shù)。經(jīng)前級運(yùn)算放大器放大的信號經(jīng)耦合電容C2輸入到后級峰值檢測電路中。采用阻容耦合的方法可以使前后級電路的靜態(tài)工作點(diǎn)保持獨(dú)立，隔離各級靜態(tài)之間的相互影響，使得電路總溫漂不會太大。[5]峰值檢測電路由兩級運(yùn)算放大器組成，第一級運(yùn)放U2B將輸入信號的峰值傳遞到電容C6上，并保持下來。第二級運(yùn)放U2C組成緩沖放大器，將輸出與電容隔離開來。在設(shè)計(jì)中，為了獲得優(yōu)良的保持性能和傳輸性能，同樣采用了輸入阻抗高、響應(yīng)速度較快、跟隨精度較好的運(yùn)算放大器LM324，這樣可有效地利用LM324的資源，減少使用元器件的數(shù)量，降低了成本。當(dāng)輸入電壓Vi2上升時(shí)，Vo2跟隨上升，使二極管DD5導(dǎo)通，D3截止，運(yùn)放U2B工作在深度負(fù)反饋狀態(tài)，給電容C6充電，Vc上升。當(dāng)輸入電壓Vi2下降時(shí)，Vo2跟隨下降，D3導(dǎo)通，U2B也工作在深度負(fù)反饋狀態(tài)，深負(fù)反饋保證了二極管DD5可靠截止，Vc值得以保持。當(dāng)Vi2再次上升使Vo2上升并使DD5導(dǎo)通，D3截止，再次對電容C6充電(Vc高于前次充電時(shí)電壓)，Vi2下降時(shí)，DD5又截止，D3導(dǎo)通，Vc將峰值再次保持。輸出Vo反映Vc的大小，通過峰值檢波和后級緩沖放大電路，將采集到的微弱電壓信號放大至0V5V的直流電平，以滿足A/D轉(zhuǎn)換器ADC0809所要求的輸入電壓變換范圍，然后通過A/D轉(zhuǎn)換電路將檢測到的峰值轉(zhuǎn)化成數(shù)字量。[6] LM324外形圖 LM324引腳排列圖圖27 A/D轉(zhuǎn)換電路由于采集到的信息是連續(xù)變化的模擬量，不能被單片機(jī)直接處理，所以，必須把這些模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量后才能夠輸入到單片機(jī)中進(jìn)行處理，這里選用了經(jīng)濟(jì)實(shí)用的ADC0809型A/D轉(zhuǎn)換器來完成模數(shù)轉(zhuǎn)換。ADC0809芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作時(shí)序示于圖28和圖29。 圖 28 ADC0809芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu) 圖 29 ADC0809的工作時(shí)序 ADC0809是8位逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器，片內(nèi)有八路模擬開關(guān)，可對八路模擬電壓量實(shí)現(xiàn)分時(shí)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換速度為100μs(即10千次/秒)。當(dāng)?shù)刂锋i存允許信號ALE=1時(shí)，3位地址信號A、B、C送入地址鎖存器，選擇8路模擬量中的一路實(shí)現(xiàn)A/D變換。本設(shè)計(jì)中只使用通道NI0，所以，地址譯碼器ABC直接接地為000，采用線選法尋址。ADC0809片內(nèi)有三態(tài)輸出緩沖器，可直接與單片機(jī)的數(shù)據(jù)總線相連接，這里將它的數(shù)據(jù)輸出口直接與單片機(jī)的數(shù)據(jù)總線P0口相連接，AT89S52的P0口作為數(shù)據(jù)總線，又作為低8位地址總線ADC0809的片內(nèi)沒有時(shí)鐘，時(shí)鐘信號必須由外部提供，這里利用AT89S52提供的地址鎖存允許信號ALE經(jīng)計(jì)數(shù)器74LS163(邏輯功能見表21，引腳圖見圖211)構(gòu)成的4分頻器分頻