【正文】 為是既導(dǎo)電又導(dǎo)磁物質(zhì)，主要產(chǎn)生磁效應(yīng)，同時又有渦流效應(yīng)。 本設(shè)計正是基于這樣的理論，來尋找一種適合的傳感器來感應(yīng)線圈的磁場變化，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。正是本著這樣一個設(shè)計思路來構(gòu)建系統(tǒng)的硬件電路。 第 2 章 硬件電路設(shè)計 系統(tǒng)組成 如圖 21 所示，整個探測系統(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 硬件電路 功能描述 蕩電路 圖 22 線圈振蕩電路原理圖 工作過程中，由 555 定時器構(gòu)成一個多諧振蕩器，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)通時間又非常短，所以非常省電。 集電路 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，是因為通電半導(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，片子兩側(cè)建立起一個穩(wěn)定的電壓，這就是霍爾電壓UH?；魻栯妷?UH 可用下式表示： UH RHIB/d V （ 22） 式中 RH霍爾常數(shù) m3cˉ 1， ； 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 vAˉ 1wbˉ 1m2 ，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，通過的電流 I 為一恒值，此時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 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。它的靈敏度典型值為 ，靜態(tài)輸出電壓為 ，輸出電阻為 ， 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， 10ˉ 610T 的交變和恒定磁場。在測量磁場時，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，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，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，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，Vo2 跟隨上升，使二極管 D D5 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， 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 D D5 可靠截止， Vc 值得以保持。當(dāng) Vi2 再次上升使 Vo2 上升并使 D D5 導(dǎo)通， D3 截止，再次對電容C6 充電 Vc 高于前次充電時電壓 ， Vi2 下降時， D D5 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)分時轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換速度為 100μ s 即 10 千次 /秒 。當(dāng)?shù)刂锋i存允許信號 ALE 1 時， 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