【正文】 . 27 鍵盤中斷服務(wù)子程序設(shè)計(jì) ............................................................... 29 頻率測量程序設(shè)計(jì) .......................................................................... 29 本章小結(jié) .......................................................................................... 31 第五章 總 結(jié) ................................. 32 沈陽化工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 第 1 章 緒論 1 第 1 章 緒論 傳感器是一種檢測裝置，能 夠 感受到被測量的信息，并能將檢測感受到的信息按一定規(guī)律 轉(zhuǎn)換成為電信號(hào)或其他所需形式的信息輸出，來 滿足信息的傳輸 、處 理、存儲(chǔ)、顯示、記錄及 控制等要求。物理傳感器應(yīng)用的是物理效應(yīng)，諸如壓電效應(yīng)，磁致伸縮現(xiàn)象，離化、極化、熱電、光電、磁電等效應(yīng)。在磁場力作 用下，在金屬或通電半導(dǎo)體中會(huì) 產(chǎn)生霍爾效應(yīng)，其輸出電壓與磁場強(qiáng)度成正比。隨著固態(tài)電子技術(shù)的 發(fā)展，霍爾效應(yīng)開始被人們廣泛 應(yīng)用。霍爾傳感器的出現(xiàn)，解決了許多以往人們覺得困難的問題 。但是在使用霍爾傳感器測量過程 中，它容易受到 人為因素而造成損壞，這樣就需要重新安裝新的探頭。目前國內(nèi)的同類產(chǎn) 品是在用戶使用前已經(jīng)定標(biāo)完成 ，如果探頭損壞就只能返廠 重新定標(biāo)。 霍爾傳感器的發(fā)展及現(xiàn)狀 21 世紀(jì)，是人類全面進(jìn)入信息電子化的時(shí)代。敏感元件及傳感器是人類探知外界 信息的媒介，它強(qiáng)大的功能可以將人們需要探知的各種非電量信息轉(zhuǎn)化為電量信息， 為人們認(rèn)識(shí)和控制相應(yīng)的對(duì)象提供條件。傳感器品 種繁多，原理也各式各樣。而由此衍生的霍爾傳感器產(chǎn)業(yè)也在近十幾年逐漸發(fā)展壯大起來。把 這些測量數(shù)據(jù)作為計(jì)算機(jī) 自動(dòng)控制的輸入?yún)⒘?，就可?shí)現(xiàn)各種控制功能。 至今 霍爾器件的產(chǎn)品有三大類：分立霍爾元件、霍爾電路和具備各種特殊功能的霍爾傳感器，例如霍爾接近開關(guān)、霍爾隔離放大器、霍爾電流傳感器等。目前分立霍爾元件能檢測的最弱磁場可達(dá) 10－ 8T，且線性度好?；魻栯娐贩譃殚_關(guān)電路和線性電路，前者在輸出級(jí)和差分放大之間加入一個(gè)整形電路，將差分放大器輸出的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)輸出；后者由霍爾片、差分放 大器與 輸出級(jí)組成。而開關(guān)電路輸出的是一個(gè)數(shù)字信號(hào)，與該數(shù)字信號(hào)狀態(tài)變化相對(duì)應(yīng)的是兩個(gè)磁感應(yīng)強(qiáng)度，分別稱工作點(diǎn)磁感應(yīng)強(qiáng)度 BOP和釋放點(diǎn)磁感應(yīng)強(qiáng)度 BRP。 霍爾傳感器具有很 多優(yōu) 點(diǎn)，它們的結(jié)構(gòu)牢固，體積小，重量輕，壽命長，安裝方便，功耗小，頻率高（可達(dá) 1MHz），耐震動(dòng)，不怕灰塵、油污、水汽及鹽霧等的污染或腐蝕。 另外做了各種補(bǔ)償和保護(hù)措施的霍爾器件的工作溫度范圍 很寬，可達(dá)－ 55℃～ 150℃。 沈陽化工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 第 1 章 緒論 3 特斯拉計(jì)的主要應(yīng)用 20 世紀(jì) 70 年代以來，電子技術(shù)的廣泛應(yīng)用，不僅使磁學(xué)量測量的范圍擴(kuò)大，準(zhǔn)確度也 得到了 進(jìn)一 步提高。光泵磁強(qiáng)計(jì)可測量小于 103 安／米的磁場，其分辨力可達(dá) 107 安／米。利用電子積分器設(shè)計(jì)的直流磁特性測量裝置，可 以 自動(dòng) 且 連續(xù)描繪材料的磁化曲線、磁滯回線。 特斯拉計(jì)（高斯計(jì)）是用于測量各種永磁體表面磁場強(qiáng)度及電磁鐵氣隙中磁場強(qiáng)度的測量儀器，是利用霍爾效應(yīng)原理制成的測磁工具。 采用特斯拉計(jì)測量永磁產(chǎn)品表面磁場強(qiáng)度，主要是對(duì)永磁產(chǎn)品的質(zhì)量及充磁后磁性能一致性的評(píng)估。測量氣隙磁場的應(yīng)用比較廣泛，在科研、電子制造、機(jī)械等領(lǐng)域均有應(yīng)用。 目前，在科 學(xué) 研 究 和生產(chǎn) 過程 中，由于特斯拉計(jì)在測量磁場的應(yīng)用中靈敏度較高、適應(yīng)性強(qiáng)，而被廣泛采用。 本文主要完成的工作 本文結(jié)合磁場測量儀器的應(yīng)用現(xiàn)狀，通過對(duì)探頭工作電流的控制和標(biāo)準(zhǔn)特斯 拉計(jì)對(duì)霍爾探頭進(jìn)行標(biāo)定，采 用單片機(jī)對(duì)霍爾探頭進(jìn)行相關(guān)參數(shù)的讀取和控制，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)探頭的自動(dòng)標(biāo)定和調(diào)零，免去了繁瑣的定標(biāo)工作和所產(chǎn)生的誤差，實(shí) 現(xiàn)了特斯拉計(jì)的高效率高精度測量。 沈陽化工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 第 1 章 緒論 4 主要工作包括硬 件和 軟件兩大部分。它以 AT89C52 為核心，主要包括霍爾探頭、主控電路、定標(biāo)電路、信號(hào)采集和處理電路、光電隔離電路、頻率測量電路、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路、顯示電路、 PC 機(jī)的通訊接口和鍵盤等。所有與模擬電路有關(guān)的低頻接口控制線都采用光電耦合器 TLP521 進(jìn)行隔離。 沈陽化工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 第 2 章 特斯拉計(jì)的工作原理 5 第 2 章 特斯拉計(jì)的工作原理 霍爾效應(yīng) 霍爾效應(yīng)是磁電效應(yīng)的一種，該 現(xiàn)象是霍爾（ ， 18551938）于 1879 年在研究金屬的導(dǎo)電結(jié)構(gòu)時(shí)發(fā)現(xiàn)的?；魻栃?yīng)是研究半導(dǎo)體材料性能的基本方法。沿 Z 方向施加 磁場 B，沿 X 軸 負(fù)方向通以工作電流 I，那么載流子將在 Y 軸方向受到洛侖茲力的作用，在 Y 軸 方向產(chǎn)生霍爾電動(dòng)勢 VH，這 一 現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)。 KH 表示單位控制電流和單位磁感應(yīng)強(qiáng)度下的霍爾電勢，稱為器件的乘積靈敏度，單位為 mV/( mA對(duì) 霍爾器件而言，如果霍爾元件的靈敏度 KH已知，測出 控制電流 I 和產(chǎn)生的霍爾電壓 VH， 就可確 定霍爾元件所在處的磁感應(yīng)強(qiáng)度。 下面以 N 型半導(dǎo)體為例，討論一下霍爾電動(dòng)勢的產(chǎn)生，電子所受到的洛侖茲力為 ： F qV B eV B eVB j? ? ? ? ? 式中 V 為電子的漂移運(yùn)動(dòng)速度， e 為電子的電荷量。自由電子受力偏轉(zhuǎn)，同時(shí)在相反 方向 上出現(xiàn)相同數(shù)量的正電 子 荷，在兩側(cè)面間形成一個(gè)沿 Y 軸正方向上的橫向電場 EH（即霍爾電場），使運(yùn)動(dòng)電子受到一個(gè)沿 Y 軸負(fù)方向的電場力 Fe，兩側(cè)面之間的電位差為 VH（即霍爾電壓），則 HeHq e jbVFE? ? ? 電場力將阻礙電荷的積聚，最后達(dá)穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)有 0meFF?? 沈陽化工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 第 2 章 特斯拉計(jì)的工作原理 7 即 HeVB ebV? 得 HV VBb? 若 N 型單晶中的電子濃度為 n，則流過樣品橫截面的電流 nebdVI? 得 IVnebd? 將 式代入 式得 1 HHH IBIB IBn e d dV RK? ? ? 式中 1H neR ?稱為霍爾系數(shù)，它表示材料產(chǎn)生霍爾效應(yīng)的本領(lǐng)大小； 1H nedK ?稱為霍爾元件的靈敏度，一般地說， KH 愈大愈好，以便獲得較大的霍爾電壓 VH。 KH 和樣品厚度 d 成反比，所以霍爾片都切得很薄，一般 d≈ 。測量磁場的方法很多，根據(jù)磁場的類型以及強(qiáng)度，測量的方法也 有所不同，下面介紹幾種測量磁場的方法。 幾種測磁方法 感應(yīng)線圈磁力計(jì)法是根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律而制成的，即線圈中感應(yīng)電壓和線圈中磁場的變化率成正比關(guān)系。感應(yīng)線圈的靈敏度依賴于鐵心、匝數(shù)和線圈面積。感應(yīng)線圈 大 多用于距離探測，不能探測靜態(tài)或緩慢變化的磁場。目前的儀器設(shè)計(jì)靈敏度很高，測程可從零到數(shù)千高斯，能響應(yīng)零到 幾兆甚至到 1000MHz 快速的 磁場變化。由于低溫超導(dǎo)較難達(dá)到，現(xiàn)有超導(dǎo)測磁儀器主要是對(duì)高溫超導(dǎo)進(jìn)行研究的成果。 圖 超導(dǎo)測磁原理示意圖 光泵測磁法是應(yīng) 用光學(xué)技術(shù)物理原理實(shí)現(xiàn)的，用光學(xué)設(shè)備選擇出一定頻率的光照射含有堿金屬蒸汽的吸收室，將其泵激到特定的某個(gè)能級(jí)（ 這種技術(shù)稱為光泵技術(shù)），將交變磁場加在吸收室上，當(dāng)交變磁場的頻率與電子兩亞能級(jí)之間的躍遷頻率相等時(shí)，達(dá)到共振，將改變吸收室的吸收程度，使其變混濁，由于這一共振頻率與外磁場成正比，所以測量共振頻率就可以求出外磁場的值?？?用來測量原子的超精細(xì)結(jié)構(gòu)及地磁場。圖 所示為霍爾元件基本電路?？刂齐娏?I、磁感應(yīng)強(qiáng)度 B 兩者均為輸入信號(hào)，在它們相互作用下，產(chǎn)生電勢 VH＝ KHIB。 霍爾傳感器在平衡點(diǎn)上，載流子大約沿長度方向 上 作直線運(yùn)動(dòng)，另外的電荷不再聚集在側(cè)面上。兩側(cè)面所測霍爾差分電壓和垂直于半導(dǎo)體片的磁場成正比，符號(hào)隨外加磁場方向的改變而改變。此 外，砷化銦（ InAs ）和銻化銦（ InSb ）等材料由于其載流子的遷移率 高 ， 可 獲 得 較 大 的 靈 敏 度 和 較 高 的 頻 率 響 應(yīng) ?；魻杺鞲衅鞯湫皖l率帶寬可達(dá) 10～ 20kHz，基本特性 好，原理及結(jié)構(gòu)簡單，和微電子電路兼容。和微電子電路的兼容使它可利用微電子工業(yè)中的先進(jìn)校正方法和高質(zhì)量材料，促進(jìn)了自身的持續(xù)發(fā)展。它在電流傳感和 無刷電機(jī)控制中占有絕對(duì)優(yōu)勢，在磁場的測量中占據(jù)著不可替代的重要地位。電路的原理框圖如圖 所示。當(dāng)磁場強(qiáng)度小于 時(shí)，霍爾探頭輸出與線圈測得的實(shí)際場強(qiáng)一致，呈良好線性。當(dāng)場強(qiáng)大于 時(shí)，霍爾探頭輸出呈非線性， A/D 轉(zhuǎn)換的結(jié)果必須進(jìn)行修正才能得到被測磁場的準(zhǔn)確值。該表格是根據(jù)每個(gè)霍爾探頭特性的各不相同 ，事先將測得的真實(shí)場強(qiáng)數(shù)據(jù)和對(duì)應(yīng)的霍爾探頭輸出，整理成表格，固化到 E2PROM 中， 封裝在霍爾探頭與特斯拉計(jì)接口處，待 以后 使用。此外，儀器采用程控放大，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)量程轉(zhuǎn)換。同時(shí)利用單片機(jī)的定時(shí) /計(jì)數(shù)器測量磁場的頻率。為了減少數(shù)字信號(hào)與模擬信號(hào)之間的相互干擾，在模擬電路與數(shù)字電路 之間添加 光電耦合器 TLP521。兩個(gè) D/A轉(zhuǎn)換器 MAX541中的一個(gè)用來輸出霍爾不等位電勢的補(bǔ)償電壓，用于數(shù)字調(diào)零電路 中 的調(diào)零；另一個(gè)用來輸出單片機(jī)給出的控制信號(hào)，控制壓控恒流源。用 LED 顯示實(shí)時(shí)測量數(shù)據(jù)，其中一行用來顯示交變磁場頻率，另一行顯示測量的各種類型的磁場數(shù)值。 存有霍爾探頭參數(shù)表的存儲(chǔ)器 X24128 與特斯拉計(jì)封裝在一起， 當(dāng) 特斯拉計(jì)工作時(shí)，通過串行總線和主機(jī)相連。 定標(biāo)電路的設(shè)計(jì) 定標(biāo)電路主要由一個(gè)壓控恒流源和提供控制電壓的 D/A 轉(zhuǎn)換電路組成。下面 就 這三個(gè)方面 做出了介紹 。沈陽化工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論 文 第 3章 系統(tǒng)的 硬件電路設(shè)計(jì) 12 其轉(zhuǎn)換時(shí)間為 1μ s，輸出電壓變換范圍為 0V~VREF。 OUT 接壓控恒流 源的輸入端。 圖 MAX541 接口電路圖 壓控恒流源 恒流源，是一種能向負(fù)載提供恒定電流的電路。恒流源在差動(dòng)放大電路、脈沖產(chǎn)生電路中得到了廣泛應(yīng)用。晶體管恒流源利用了晶體三極管集電極電壓變化 對(duì)電流影響小的特點(diǎn)，并 在電路中采用電流負(fù) 反饋來提高輸出電流的恒定性， 有時(shí)還經(jīng) 常采用一定的溫度補(bǔ)償和穩(wěn)壓措施。場效應(yīng)管恒流源和 晶體管恒流源相比，其等效內(nèi)阻較小，如果增大電流負(fù)反饋電阻，場效應(yīng)管恒流源會(huì)取得更好的效果。通常，將場效應(yīng)管和晶體管配合使用，其恒流效果會(huì)更好。 本文采用運(yùn)算放大器 LM358 構(gòu)成壓控恒流源，為霍爾元件提供工作電流，控制電壓 Vi由 16 位 D/A 轉(zhuǎn)換器 MAX541 來 提供，該恒流源的內(nèi)阻和輸出電流均能滿足沈陽化工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論 文 第 3章 系統(tǒng)的 硬件電路設(shè)計(jì) 13 霍爾元件的工作要求，且所組成的電路中，電阻阻值較低，電路較為簡單實(shí)用。由運(yùn)算放大器 A A2 及其外接電阻組成， A A2采用高阻運(yùn)算放大器 LM358，當(dāng) A A2按理想?yún)?shù)考慮并且 忽略電源內(nèi)阻對(duì)恒流源輸出特性影響時(shí)，該恒流源的有關(guān)參數(shù)計(jì)算如下： 圖 恒流源電路 流過負(fù)載 RL的電流 Iout：在圖 電 路中，運(yùn)算放大器 A A2均工作在線性區(qū)，且認(rèn)為 A A2 均為理想運(yùn)算放大器。設(shè)A1 的輸出電壓為 V1， A2 的輸出電壓為 V2，由圖 可知 A2 同相端電壓為： 125LLVRV RR? ? ? 由電壓跟隨器的特點(diǎn)， 知 A2的輸出電壓： 125LLVRV RR? ?