【正文】 ...............19 5. 選材及仿真 ..........................................................................................................................21 制作選材 ..........................................................................................................................1 電路制作 .......................................................................................................................................................21 源程序編譯與軟件調試 ...................................................................................................3 ............................................................................................................................26 致 謝 .......................................................................................................................................28 參考文獻 ...................................................................................................................................29 附 錄 .......................................................................................................................................30 本科畢業(yè)論文 1. 緒 論 課題背景 現(xiàn)在 ，測量技術的最早的磁場探測器已有 2020 多年的歷史，通過感應地球磁場辨識方向或為艦船導航。磁場測量是電磁測量技術的一個重要分支。在工業(yè)生產(chǎn)和科學研究的許多領域都要涉及到磁場測量問題。例如磁探礦、磁懸浮列車、地質勘探、磁導航、導彈磁導、同位素分離、質譜儀、電子束和離子束加工裝置、受控熱核反應以及人造地球衛(wèi)星等。在醫(yī)學和生物學方面也有應用。例如，磁場療法治病，用 “心磁圖 ”、 “腦磁圖 ”來診斷疾病，環(huán)境磁場對生物和人體的作用，以及磁現(xiàn)象與生命現(xiàn)象的研究等等都需要磁場測量技術和測磁儀器的研制。 單片機自 20 世紀 70 年代問世以來，以其極高的性能價格比，受到人們的重視和關注，應用很廣，發(fā)展很快。單片機體積小，重量輕，抗干擾能力強，環(huán)境要求不高，價格低廉，可靠性高，靈活性好，開發(fā)較為容易。由于具有以上優(yōu)點，單片機已廣泛應用在工業(yè)自動化、自動檢測、 智能 儀器儀表、家用電器、電力電子、機電一體化等各個方面。在磁場測量儀中采用單片機技術使整個系統(tǒng)智能化，使用戶在使用過程中更加的方便。 本課題研究的測量儀不僅是單一設計的專用儀器 ,經(jīng)過功能擴展具有較高的工程應用價值。 磁場概述 英文： magic field 簡易定義 ：對放入其中的磁體有磁力的作用的物質叫做磁場。 形成原因：假想有一根直立的金屬棒，上下兩端加上電位差使得電子朝向正電 位端加速，而另一端由于缺少電子而帶正電。這樣的電流會在四周空間形成磁場。 磁場的基本特征是能對其中的運動電荷施加作用力，即通電導體在磁場中受到磁場的作用力。磁場對電流、對磁體的作用力或力距皆源于此。而現(xiàn)代理論則說明，磁力是電場力的相對論效應。 與電場相仿，磁場是在一定空間區(qū)域內連續(xù)分布的向量場，描述磁場的基本物理量是磁感應強度矢量 B ，也可以用磁感線形象地圖 示。然而，作為一個矢量場，磁場的性質與電場頗為不同。運動電荷或變化電場產(chǎn)生的磁場，或兩者之和的總磁場，都是無源有旋的矢量場，磁力線是閉合的曲線簇，不中斷，不交叉。換言之，在磁場中不存在發(fā)出磁力線的源頭，也不存在會聚磁力線的尾閭，磁力線閉合表明沿磁力線的環(huán)路積分不為零，即磁場是有旋場而不是勢場（保守場），本科畢業(yè)論文 2 不存在類似于電勢那樣的標量函數(shù)。 電磁場是電磁作用的媒遞物，是統(tǒng)一的整體，電場和磁場是它緊密聯(lián)系、相互依存的兩個側面，變化的電場產(chǎn)生磁場，變化的磁場產(chǎn)生電場，變化的電磁場以波動形式在空間傳播。電磁波以 有限的速度傳播，具有可交換的能量和動量 ，電磁波與實物的相互作用，電磁波與粒子的相互轉化等等，都證明電磁場是客觀存在的物質，它的“特殊”只在于沒有靜質量 。 當施加外磁場于物質時，磁性物質的內部會被磁化，會出現(xiàn)很多微小的磁偶極子 。磁化強度 估量物質被磁化的程度。知道磁性物質的磁化強度 ，就可以計算出磁性物質本身產(chǎn)生的磁場。創(chuàng)建磁場需要輸入能量 。當磁場被湮滅時，這能量可以再回收利用，因此這能量被視為儲存于磁場。 電場是由電荷產(chǎn)生的。電場與磁場有密切的關系；含時磁場會生成電場，含時電場會生成磁場 。麥克斯韋方程組可以描述電場、磁場、產(chǎn)生這些矢量場的電流和 電荷 ，這些物理量之間的詳細關系。根據(jù)狹義相對論 ，電場和磁場是電磁場的兩面。設定兩個參考系 A 和 B，相對于參考系 A，參考系 B 以有限速度移動。從參考系 A 觀察為靜止電荷產(chǎn)生的純電場，在參考系 B 觀察則成為移動中的電荷所產(chǎn)生的電場和磁場。 在量子力學里，科學家認為，純磁場（和純電場）是虛光子所造成的效應。以標準模型的術語來表達，光子是所有電磁作用的顯現(xiàn)所依賴的媒介。對于大多數(shù)案例，不需要這樣微觀的描述，在本文章內陳述的簡單經(jīng)典理論就足足有余了；在低 場能量狀況，其中的差別是可以忽略的。 在古今社會里，很多對世界文明有重大貢獻的發(fā)明都涉及到磁場的概念。地球能夠產(chǎn)生自己的磁場，這在導航方面非常重要，因為指南針的指北極準確地指向位置在地球的 地理北極 附近的地磁北極。電動機和發(fā)電機的運作都依賴因磁鐵轉動而隨著時間改變的磁場。通過霍爾效應 ，可以給出物質的帶電粒子的性質。磁路學專門研討，各種各樣像變壓器一類的電子元件，其內部磁場的相互作用。 磁現(xiàn)象是最早被人類認識的物理現(xiàn)象 之一，指南針是中國古代一大發(fā)明。磁場是廣泛存在的，地球，恒星 (如太陽 )， 星系（如銀河系）， 行星 、衛(wèi)星，以及星際空間和星系際空間，都存在著磁場。為了認識和解釋其中的許多物理現(xiàn)象和過程，必須考慮磁場這一重要因素。在現(xiàn)代科學技術和人類生活中，處處可遇到磁場，發(fā)電機 、電動機 、變壓器 、電報、電話、收音機以至 加速器 、熱核聚變裝置、 電磁測量儀表等無不與磁現(xiàn)象有關。甚至在人體內，伴隨著生命活動 ，一些組織和器官內也會產(chǎn)生微弱的磁場。地球的磁級與地理的兩極相反。 磁場測量方法 從最原始的利用磁力為原理的測量方法 ,到現(xiàn)在常用的電磁感應法以及電磁效應法 ,短短的 400 多年磁場的測 量技術已經(jīng)取得了突飛猛進的發(fā)展 ,其應用領域本科畢業(yè)論文 3 也迅速擴展。如今 ,磁場測量技術已經(jīng)廣泛應用于地球物理、空間技術、軍事工程、工業(yè)、生物學、醫(yī)學等各個領域。目前比較成熟的磁場測試方法主要有 :磁力法、電磁感應法、磁飽和法、電磁效應法、磁共振法、超導效應法和磁光效應法。 由于脈沖磁場的特殊性 ,所以其測量方法需要根據(jù)其磁場特性來選擇 :脈沖磁場的持續(xù)時間較短 ,對其進行測量的系統(tǒng)必須有較高的響應時間和記錄能力才能完整的記錄其磁場變化。到現(xiàn)在為止 ,常用的脈沖磁場測量方法主要有 :霍爾效應法、電磁感應法、磁光效應法和磁阻效應法。 霍 爾效應法是利用霍爾器件的霍爾效應來測量磁場的方法。將霍爾器件置于磁場中 ,當給霍爾器件通以一定的電流時 ,磁場的大小和霍爾器件輸出的電壓大小具有固定的關系 ,通過測試輸出電壓值 ,便可以獲得磁場強度的大小。因為霍爾元件具有尺寸小 ,無運動部件 ,測磁支架簡單 ,便于大范圍移動等優(yōu)點 ,所以應用廣泛 ,但是存在溫度漂移大等缺點 ,在測試中需要注意補償。 電磁感應法是利用電磁感應定律來測試磁場的方法 ,將一個線圈置于變化的磁場中 ,當線圈中的磁通發(fā)生變化時 ,線圈的兩端就會生出感應電壓 ,因此 ,只要測量此時的電壓大小 ,就可以通過一定的轉換 方法 ,獲得對應的磁場大小。電磁感應法的探頭一般都是面積相對較大線圈 ,不是真正意義上的點磁場測試 ,所以線圈中心點的磁場一般使用線圈內的磁場平均值經(jīng)行代替。 磁光效應法是利用偏振光在通過處于磁場中某些介質時偏振面會發(fā)生偏轉的磁光效應來測量磁場的方法。當磁場發(fā)生變化時 ,其偏振面會產(chǎn)生相應的變化 ,因此只要利用特殊的儀器檢測其偏轉的程度 ,就可以獲知磁場的強度 磁光效應法的優(yōu)點是測試精度較高 ,反應速度快 。缺點是需要前期校準 ,且測試設備復雜 ,并不適合測試點可移動的測量環(huán)境。 磁阻效應法是利用磁阻效應進行磁場測試的方法 ,在 磁場中某些特殊材料的電阻會隨著磁場的變化而變化。這種效應在橫向磁場和縱向磁場中都能觀察到。利用這一效應可以方便的通過測量磁阻的變化來間接測量磁場。 磁場測量儀器的現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢 磁場測量儀是對電磁場研究使用的的一種常用儀器 ,廣泛應用于核物理研究。電機制造和電磁環(huán)境監(jiān)測等測試領域 ,其應用已經(jīng)深入到工業(yè)、農業(yè)、國防和科學技術各個領域 ,同時也對磁場測量儀器的向著更高層次發(fā)展提出了相應要求。其中 ,包括有提高測量的準確度、增加被測參量、擴大測量范圍以及擴展使用條件等問題。 磁場測量儀器的現(xiàn)代發(fā)展趨勢是 :廣泛應 用量子現(xiàn)象、電磁現(xiàn)象、光電子學現(xiàn)象、超導現(xiàn)象以及相應傳感器。與此同時 ,必須改進傳統(tǒng)磁場測量儀器的形態(tài) ,使其迅速向智能儀器的電子化、數(shù)字化、自動化的方向過渡。 隨著磁場測量技術的發(fā)展 ,還必須廣泛擴展其應用領域 ,研制一批特殊的磁場測量儀器和系統(tǒng)。所以近年來 ,隨著科學技術的發(fā)展 ,各種高新技術的引入 ,越來越多的電磁場的研究更加偏向于三維動態(tài)磁場的分布 ,而傳統(tǒng)的磁場測量儀器 (特斯本科畢業(yè)論文 4 拉計、高斯計 )難以滿足動態(tài)磁場的測量要求。 在國內 ,由于脈沖強磁場技術上的限制 ,相應測量系統(tǒng)研究起步較晚 ,其研究也主要針對礦冶工業(yè)發(fā)展的需要 ,所測磁場強度和精度有限 ,多為理論性研究 ,在實際中的應用較少 ,所用探頭體積大且多為單一方向的測量 ,難以應付復雜多變的磁場測量需求 ,滿足不了測量的需要。 國內三維磁場測量的研究主要集中于低頻或靜態(tài)測量的特斯拉計 ,雖然精度高 ,但難以滿足脈沖磁場測量的動態(tài)要求 ,而對于中高頻的測量儀器多見一維或二維磁場 ,三維中高頻的測量儀器還處于試驗研究階段 ,市場上未見類似產(chǎn)品。目前國內市場銷售的磁場檢測儀器集中在工業(yè)用的強磁場低頻段和通信用弱磁場高頻段。 國外方面 ,由于磁場測量技術在軍事領域的重要性 ,許多掌握其技術的國家都對磁場 探測技術和與之密切相關的傳感器技術進行嚴格封鎖 ,高頻磁場測量儀器也鮮有出現(xiàn) ,大多集中于軍事領域。 本科畢業(yè)論文 5 2. 方案選擇 A/D 轉換器方案 A/D 轉換在工程應用中有著重要的作用，是實現(xiàn)各種模擬量到數(shù)字量的核心技術，隨著科技的發(fā)展，電路技術的不斷成熟，人們對電子產(chǎn)品的要求也越來越高。微型計算機的智能化以及微型化就是為了滿足人們的需求的結果。微型化導致的結果就是一定要找極小的空間里集成更多、功能更齊全的元件。我們都知道計算機只能識別機器語言，所謂機器語言就是由 0 和 1 組合而成的各種組合語句。0 和 1 就是最簡單的數(shù)字量，但是我們生活中很多要控制以及檢測的量都是模擬的量，比如聲音、溫度、濕度等檢測到都是一個模擬的電壓信號，但是計算機顯示出來的是數(shù)字量。比如 MP3 音樂就是經(jīng)過芯片處理之后的數(shù)字量。 A/D 轉換在現(xiàn)代尤其重要，特別是傳感器的不斷出現(xiàn)，需要處理的信息種類和信息量在急劇的增加， A/D 轉換器的重要性也就不言而喻了。 A/D 轉換器的種類的也層出不窮，有些是獨立而存在的，有些集成在單片機中的，比如 PIC16F877 這款單片機就集成 了 8 位的 A/D 轉換器，其轉換的結果是 10 位的數(shù)字量，內部集成的轉換器的獨特功能是在 CPU休眠的期間能正常工作，只要將轉換時鐘選擇位片內的 RC 振蕩器即可，使用起來十分的方便，而且功耗非常低。 在不同的場合需要不同的轉換精度，例如 MAX197 是 MAXM 公司推出的 12位逐次逼近式 A/D 轉換器，其轉換的精度和采樣的速率都很高； 16 位轉換精度的