【文章內(nèi)容簡介】 性質(zhì)與幾何尺寸有關(guān)。因此當(dāng)外加電壓電源電壓一定時(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)由外電源驅(qū)動(dòng)、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25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封裝。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(dòng)，功耗小，壽命長，頻率高（可達(dá)1MHz）；輸出噪聲低等特點(diǎn)。用它做探頭可測量106—10T的交變和恒定磁場。在測量磁場時(shí)，將元件的第一腳（面對(duì)標(biāo)志面從左到右）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，因霍爾元件只對(duì)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=0 G）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(huì)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(huì)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L1的中心，即可感應(yīng)線圈L1的磁場變化，并將磁場的變化信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)的變化而被后級(jí)電路時(shí)區(qū)和放大[15]。2．3．2 放大和峰值檢波電路由于UGN3503U線性霍爾元件采集到的電壓信號(hào)是一個(gè)毫伏級(jí)的信號(hào)，信號(hào)十分微弱，所以，再對(duì)其進(jìn)行處理前，首先要進(jìn)行放大。在設(shè)計(jì)中，信號(hào)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引腳雙列直插塑料封裝，外形和引腳排列如圖所示。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。 圖27 LM324引腳圖 圖28 LM324外觀圖如圖29所示，UGN3503U線性霍爾元件輸出的微弱信號(hào)經(jīng)電容耦合到前級(jí)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(duì)地電壓。在電路設(shè)計(jì)中，運(yùn)放LM324采用+5V單電源供電，對(duì)于不同強(qiáng)度的信號(hào)均可通過調(diào)解前級(jí)放大電路的反饋電位器W1來改變其放大倍數(shù)。經(jīng)前級(jí)運(yùn)算放大器放大的信號(hào)經(jīng)耦合電容C2 輸入到后級(jí)峰值檢測電路中。采用阻容耦合的方法可以使前后級(jí)電路的靜態(tài)工作點(diǎn)保持獨(dú)立，隔離各級(jí)靜態(tài)之間的相互影響，使得電路總溫漂不會(huì)太大。圖29 數(shù)據(jù)采集電路原理圖峰值檢測電路由兩級(jí)運(yùn)算放大器組成，第一級(jí)運(yùn)放U2B將輸入信號(hào)的峰值傳遞到電容C6上，并保持下來。第二級(jí)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)速度快、跟隨精度較好的運(yùn)算放大器LM324，這樣可有效地利用LM324資源，減少使用原件元件的數(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(duì)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(jí)緩沖放大電路，將采集到的微弱電壓信號(hào)放大至0V～5V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[16]。2．3．3 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)序于圖210和圖211。比較器A/DVREF()8路模擬開關(guān)地址鎖存記譯碼三態(tài)輸出寄存器電阻網(wǎng)絡(luò)豎狀開關(guān)逐位逼近寄存器SAR時(shí)序于控制STARTEOCCLKOED7D0IN7IN0ADDCADDBADDAALEVREF(+)圖210 ADC0809芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖圖211 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(duì)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(hào)ALE=1時(shí)，3位地址信號(hào)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)中只適用通道IN0，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(hào)必須由外部提供，這里利用AT89S52提供的地址鎖存允許信號(hào)ALE經(jīng)計(jì)數(shù)器74LS163（邏輯功能見表21）構(gòu)成的4分頻器分頻獲得。ALE引腳的頻率是單片機(jī)時(shí)鐘頻率的1/6，單片機(jī)時(shí)鐘頻率為12MHz，再經(jīng)4分頻后為500kHz，所以ADC0809能可靠工作。ADC0809的模擬輸入范圍：單極性0~5V，設(shè)計(jì)中采用+5V單電源供電[17]。如圖212所示，放大后的電壓信號(hào)送入ADC0809的模擬輸入通道IN0進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。（地址總線的A15）作為片選信號(hào)，當(dāng)ADC0809的START啟動(dòng)信號(hào)輸入端為高電平時(shí)，A/D開始轉(zhuǎn)換，在時(shí)鐘的控制下，一位一位地逼近，比較器一次次進(jìn)行比較，轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)，送出轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)EOC（低到高），并將8位數(shù)字量D7—D0所存到輸出緩存器。AT89S52的讀信號(hào)端發(fā)出一個(gè)三態(tài)輸出鎖存器，AT89S52從ADC0809讀取相應(yīng)電壓數(shù)字量，然后存入數(shù)據(jù)緩沖器中。圖212 A/D轉(zhuǎn)換電路表21 74LS163邏輯功能表 輸入 輸出功能描述/CLEAR /LOADClockEnableQD QC QB QA COEp Er 1 11 1計(jì)數(shù) 1 0 D3 D2 D1 D0 —數(shù)據(jù)置入 0 0 0 0 0 清零 01 1 1 1 12．4 系統(tǒng)控制單元采用AT89S52單片機(jī)。AT89S52是一個(gè)低功耗，高性能CMOS 8位單片機(jī)，片內(nèi)含8K Bytes ISP(Insystem programmable)的可反復(fù)擦寫1000次的Flash只讀程序存儲(chǔ)器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)制造，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS51指令系統(tǒng)及80 C51引腳結(jié)構(gòu)（引腳圖如圖213所示），芯片內(nèi)集成了通用8位中央處理器和ISP Flash存儲(chǔ)單元[18][19]。圖213 AT89S52引腳圖AT89S52片內(nèi)結(jié)構(gòu)如圖214所示，它具有如下特點(diǎn)：40個(gè)引腳，8K Bytes Flash片內(nèi)程序存儲(chǔ)器，256Bytes的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM），32個(gè)外部雙向輸入/輸出（I/O）口，看門狗定時(shí)（WDT）電路，2個(gè)數(shù)據(jù)指針，3個(gè)16位可編程定時(shí)計(jì)數(shù)器，5個(gè)中斷優(yōu)先級(jí)2層中斷嵌套中斷，2個(gè)全雙工串行通信口，片內(nèi)時(shí)鐘振蕩器。此外，AT89S52設(shè)計(jì)和配置了振蕩頻率可為0Hz并可通過軟件設(shè)置省電模式?？臻e模式下，CPU暫停工作，而RAM、定時(shí)計(jì)數(shù)器、串行口及外中斷系統(tǒng)可繼續(xù)工作，掉電模式凍結(jié)振蕩器而保存RAM的數(shù)據(jù)，停止芯片其他功能直至外中斷激