【正文】 周圍產(chǎn)生恒定的交變磁場(chǎng)。 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(jì)中，選用了美國(guó) ALELGRO 公司生產(chǎn)的 UGN3503U 線性霍爾傳感器，來(lái)檢測(cè)通電線圈 Ll 周圍的磁場(chǎng)變化。它的功能框圖和輸出特性示于圖 24 和圖 25。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(chǎng)B，在薄片的橫向兩側(cè)會(huì)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)?；魻栯妶?chǎng)產(chǎn)生的電場(chǎng)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(chǎng)力和洛侖茲力相等?；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。因此當(dāng)外加電壓源電壓一定時(shí)，通過(guò)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(chǎng) B的大小成正比，即： UH KB V 24 此時(shí) K KHI 為常數(shù)。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(cè)工作磁場(chǎng)，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。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。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(zhǎng)，頻率高 可達(dá) IMHz ；輸出噪聲低等特點(diǎn)。在測(cè)量磁場(chǎng)時(shí)，將元件的第一腳 面對(duì)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(cè)磁場(chǎng)中，因霍爾器件只對(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(méi)有磁場(chǎng) 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(chǎng)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(chǎng)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。 [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(hào)是一個(gè)毫伏級(jí)的信號(hào)，信號(hào)十分微弱，所以，在對(duì)其進(jìn)行處理前，首先要進(jìn)行放大。 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。如圖 24 所示， UGN3503 線性霍爾元件輸出的微弱信號(hào)經(jīng)電容禍合到前級(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。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(cè)電路中。 [5] 峰值檢測(cè)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(lái)。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 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 D D5 可靠截止， Vc 值得以保持。輸出 Vo 反映 Vc 的大小，通過(guò)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 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(guò) A/D 轉(zhuǎn)換電路將檢測(cè)到的峰值轉(zhuǎn) 化成數(shù)字量。 ADC0809 芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作時(shí)序示于圖 28 和圖 29。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。 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(méi)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(jiàn)表 21，引腳圖見(jiàn)圖 211 構(gòu)成的 4 分頻器分頻獲得。 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。將 地址總線的 A15 作為片選信號(hào)，由 AT89S52 的寫信號(hào)和 控制 ADC0809 的地址鎖存 ALE 和轉(zhuǎn)換啟動(dòng) START，當(dāng) ADC0809 的 START 啟動(dòng)信號(hào)輸入端為高電平時(shí) A/D 開(kāi)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D7D0 鎖存到輸出緩存器。 圖 210 A/D 轉(zhuǎn)換電路 表 21 74LS163 的邏輯功能表 圖 211 74LS163 引腳圖 制單元 采用 AT89S52 單片機(jī)。 圖 212 AT89S52 引腳圖 AT89S52片內(nèi)結(jié)構(gòu)如圖 212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， 256 bytes 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?？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)，停止芯片其它功能直至外中斷激活或硬件復(fù)位。 圖 213 AT89S52 片內(nèi)結(jié)構(gòu) 制電路 鍵盤是一組按鍵的集合，它是最常用的單片機(jī)輸入設(shè)備。按鍵是一種常開(kāi)型按鈕開(kāi)關(guān)。 鍵盤控制電路如圖 214 所示， K1 鍵作為功能鍵設(shè)置靈敏度△ U，靈敏度是可調(diào)的， K2 和 K3 分別作為加 1，減 1 鍵來(lái)調(diào)節(jié)靈敏度， K4 是確定鍵，當(dāng) K4 鍵按下時(shí)，靈敏度值確定。電路板內(nèi)采用三端穩(wěn)壓集成電路塊 LM7805 為板內(nèi)元器件供電。 圖 217 電源電路 整機(jī)工作原理描述 在工作過(guò)程中，由 555 定時(shí)器構(gòu)成的多諧振蕩器產(chǎn)生一個(gè)頻率為 24KHz 的脈沖信號(hào)，此脈沖信號(hào)經(jīng)過(guò)緩沖和放大之后，形成頻率穩(wěn)定度高、功率較 大的脈沖信號(hào)輸入到探測(cè)線圈中，通電的線圈周圍就會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，此時(shí)，固定在線圈 L1中心的霍爾元件 UGN3503U 就會(huì)感應(yīng)到線圈周圍的磁場(chǎng)，并將磁場(chǎng)強(qiáng)度信號(hào)線性地轉(zhuǎn)變成電壓信號(hào)。此后，以該電壓信號(hào)作為基準(zhǔn)電壓，與 A/D 轉(zhuǎn)換器采集到的電壓信號(hào)進(jìn)行比較判斷。靈敏度由鍵盤控制電路中各鍵輸入，顯示電路部分則顯示各鍵按下后的相應(yīng)數(shù)值，當(dāng)然，△ U 大小的設(shè)定決定著系統(tǒng)精度的高低。 第 3 章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 軟件設(shè)計(jì)思想 軟件是本系統(tǒng)的靈魂，在設(shè)計(jì)軟件中，本文從系統(tǒng)的實(shí)用性、可靠性及方便靈活等幾個(gè)方面出發(fā)，使程序滿足設(shè)計(jì)的功能要求。軟件采用匯編語(yǔ)言編寫，并采用模塊化設(shè)計(jì)，使程序結(jié)構(gòu)清晰，便于今后進(jìn)一步擴(kuò)展系統(tǒng)的功能。然后通過(guò)檢測(cè) RAM 中 21H 中數(shù)值的值來(lái)判斷是否采集基準(zhǔn)電壓 U0，如果未采集過(guò) U0，則啟動(dòng) ADC0809 對(duì) NIO 通道的模擬輸入量進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換。采用中斷方式，可大大節(jié)省 CPU 時(shí)間。當(dāng) A/D轉(zhuǎn)換完畢后， ADC0809 的 EOC 端向 AT89S52 的 INT1 的返向端送入一個(gè)中斷申請(qǐng)信號(hào)， AT89S52 接此信號(hào)后響應(yīng)中斷請(qǐng)求，調(diào)用中斷服務(wù)子程序 INTl，中斷服務(wù)程序進(jìn)行壓棧，保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)，讀取來(lái)自 ADC0809 數(shù)據(jù)輸出口的 8 位數(shù)字量，并將數(shù)字量?jī)?chǔ)存到單片機(jī) RAM 中，然后啟動(dòng) ADC0809 的下一次轉(zhuǎn)換。 [9] 經(jīng)反復(fù)實(shí)驗(yàn)測(cè)得的靈敏度△ U的值被存放在單片機(jī) RAM地址為 20H的存儲(chǔ)器中。而后再通過(guò)判據(jù)算法將此差值 U 與靈敏度△ U（靈敏度可調(diào)）進(jìn)行比較，以確定是否報(bào)警鍵盤控制電路各鍵控制靈敏度的值，并在顯示電路部分顯示按鍵后的對(duì)應(yīng)數(shù)值。由于在采集電壓量時(shí)經(jīng)常會(huì)碰到各種瞬時(shí)干擾，而采用硬件濾波存在硬件電路復(fù)雜等諸多弊端，因此本設(shè)計(jì)中采用算術(shù)平均濾波法，即在一次電壓量的采集中，在很短的時(shí)間內(nèi)對(duì)它進(jìn)行 6 次采集，將它轉(zhuǎn)換為數(shù)字量后求和，分析出 6 次輸入中的最大值和最小值，然后減去最大值和最小值，除以 4 得到平均值的方法，完成一次數(shù)據(jù)采集的軟件濾波。 [10] 在一個(gè)采樣周期內(nèi)，對(duì)信號(hào) X 的 N 次測(cè)量值進(jìn)行算術(shù)平均，作為時(shí)刻 K 的輸出 x k ，