基于单片机的磁强测量仪设计.docx

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基于单片机的磁强测量仪设计

本科毕业论文（设计）

论文（设计）题目：

基于单片机的磁强测量仪设计

学院：

职业技术学院

专业：

电子信息科学与技术

班级：

电科职071班

学号：

*********xxx

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2011年5月15日

贵州大学本科毕业论文（设计）

诚信责任书

本人郑重声明：

本人所呈交的毕业论文（设计），是在导师的指导下独立进行研究所完成。

毕业论文（设计）中凡引用他人已经发表或未发表的成果、数据、观点等，均已明确注明出处。

特此声明。

论文（设计）作者签名：

日期：

基于单片机的磁强测量仪设计

摘要

磁场强度测量仪是测量空间磁场强度的计量仪表，广泛应用于以电磁场理论为基础的电气、通讯、抗电磁干扰、仪器漏磁、永磁体磁力检测等行业。

由于现在工业、工程、信息技术、电力电子等技术的飞速发展、对与磁场强度的检测越来越显得重要。

另外、由于现代信息技术、电子技术、通讯技术等，与磁场相关的教育学科在大中专院校以及本科的发展成熟，所以需求一款低成本、便携的磁场强度测量仪器、并且实用于实验室、户外等一些相对正常的环境条件。

本磁场强度测量仪的微控器采用普通高校教学所熟悉的STC89C52RC单片机、应用8位A/D转换、AH49E线性霍尔传感器、液晶数字式显示、温度显示、电池提供电源，使得实用简单、携带方便，极大的方便了广大使用者的使用。

[1]

关键词：

磁场强度，微控器，A/D转换，数字显示，霍尔元件

BasedonSCMmagneticfieldmeasuringapparatusdesign

Absteact:

Gaussianmeterismeasurementspacemagneticfieldintensitymeasurementinstrument,iswidelyusedinelectromagneticfieldtheorybasedontheelectrical,communication,anti-electromagnetisminterference,instrumentmagneticfluxleakage,permanentmagnetmagneticinspection,etc。

Nowdueindustrial,engineering,informationtechnology,powerelectronictechnologyrapiddevelopment,ofmagneticfielddetectionappearsmoreandmoreimportant。

Inaddition,becauseofthemoderninformationtechnologyandelectronictechnology,thecommunicationtechnology,educationlevelofdevelopmentmature,demandofalowcost,portablemagneticfieldintensitymeasurementinstruments,andpracticalinthelab,outdoorandsomeotherrelativelynormalenvironmentalconditions。

ThismagneticfieldintensityofmeasuringapparatusmicrocontroldeviceusingcommoncollegesanduniversitiesteachingarefamiliarwiththeSTC89C52RCmicrocontroller,application8bitsofA/Dconversion,AH49Elinearhallsensors,LCDdisplay,digitaltemperaturedisplay,batterywithpower,makingpracticalissimple,easytocarry,greatconveniencetheuser'suse。

Keywords:

fieldstrength,Microcontroldevice,A/Dconversion,Digitaldisplay,Hallelement

前言

进入21世纪，伴随着信息技术及信息产业的飞速发展、磁场强度检测在工业生产、科研、教学等行业中的起着非常重要的作用。

对于磁场强度的检测、现在市场上所出现的高斯计大多价格高、对学校的实验室的需求来说带来了极大的经济困难。

本设计制作的磁场强度测量仪具有成本低、携带方便、体积小等优点，并且测量误差小，使用温度范围在常温先具有较高的准确性、在温度条件恶劣的环境中，本设计的磁场强度测量仪带有温度显示、使用者可以参照霍尔元件的温度特性来估计测量的误差大小。

本设计制作的磁场强度测量仪的微控器（MCU）采用各大高校教学所采用的51系列单片（STC89C52RC）其原理与使用使得使用者容易掌握、在使用出现故障其检修方便。

传感器的选择是本设计的最重要部分、现在市场上的霍尔器件有很多类型、其基本原理都相同，但是在测量磁场强度时、对霍尔器件的线性要求极高、并且要在适宜的电压范围内、输出电流要适宜、要能够具备低功耗的条件。

因此在经过大量的比较与筛选后选择了一款线性良好、工作电压低（5V）左右的霍尔传感器（AH49E），并且在5V工作电压时具有非常良好的线性，磁场强度-1000GS----1000GS线性变化、这使得磁场强度的范围适应于绝大多数测量的场合、其温度飘移量极小、使得误差小。

其输出电压范围也小（0----4V）这使得在A/D转换时变得容易处理，用简单的电路对传感器输出的信号处理后便可以直接送入A/D转换。

在A/D转换部分采用8位的数模转换器ADC0832，其使用外围电路简单、程序控制也相对简单，由于本设计的磁场强度测量仪器其测量数据单一，8位的A/D转换芯片就可以了。

最重要的是在成本的考虑上8位的A/D转换芯片相对便宜，并且购买方便、代码书写简单，在保证功能的前提下这是最高性价比的选择。

液晶显示部分采用低成本的1602液晶显示器、由于需要显示的内容并不多、用这块显示器件就足以完成任务，其驱动程序也叫简单、可以减小系统软件设计的工作量和难度。

温度显示部分采用单总线的DS18B20数字量输出的温度传感器、其温度范围广（-55OC---125OC）输入电压3V---5.5V范围内。

本设计由于合理的电路设计与选材，使得本系统具有低成本、低功耗、高精度、易于功能扩展等优点。

因此，本磁场强度检测仪具有较高的性能价值比和非常良好的应用前景。

第一章：

磁场强度测量仪设计的意义及任务

1.1磁场强度测量仪设计的意义

当前，伴随着信息技术及信息产业的飞速发展、磁场强度检测在工业生产、科研、教学等行业中的起着重要的作用，广泛应用于以电磁场理论为基础的电气、通讯、抗电磁干扰、仪器漏磁、永磁体磁力检测等行业。

由于现在工业、工程、信息技术、电力电子等技术的飞速发展、对磁场的检测越来越显得重要。

另外、由于现代信息技术、电子技术、通讯技术等教育水平的发展成熟，需求一款低成本、便携的磁场强度测量仪器、并且实用于实验室、户外等一些相对正常的环境条件。

因此，在当前的实际条件下，设计出一款高性价比的磁场强度测量仪来方便各类工程技术人员以及实验室的实践研究显得尤为重要，具有十分重大的实际意义和科研价值。

1.2磁场强度测量仪设计的任务要求

1.2.1基本要求

由于磁场强度的测量受到的限制因数比较多、环境条件对磁场强度的影响比较大、并且对磁场强度测量的精度要求比较高、所以对于器件的要求很高。

霍尔传感器的线性要好、温度漂移量要尽量的低、输入输出电压电流要适宜、测量磁场强度的范围要广泛、整机功耗好低、电源要工作稳定、整机体积要小、应用显示的屏幕要更具环境光照的强弱来调节屏幕的亮度、数字式显示使得读数方便、维护及检修简单、系统工作的稳定性要高、整机抗恶劣环境条件的能力要强、测量的数据误差要小。

1.2.2创新要求

采用数字式液晶显示其背光可调、可以更具环境的光照强度来调节适宜的背光强度，从而达到最佳的屏幕显示效果，由于在一些极限环境条件下霍尔器件的输出会有一定的误差、在电路设计上采用了简单而可靠的温度补偿电路使得温度在一定条件下变化时不会影响输出的精确度、由于温度补偿电路的器件是用传感器并接的方式来实现、还起到了屏蔽其他干扰磁场的作用。

再加上实时温度显示功能、使得在一些极限条件下使用者可以根据环境的温度的便宜量来估计误差亮的大小、使得在一些极限的温度条件下可以实时监察到温度值和测量的误差大小。

系统的电源采用低压差的稳压器件、系统可以使用电池供电，从而使得本测量仪的体积小、测量条件方便、并且系统的功耗极低，达到了既节能又高效的目的。

本系统设计科学、便于以后对功能的升级需求、无论是软件升级还是硬件升级都十分的方便。

第二章系统的硬件电路设计

2.1系统设计的结构图

系统由线性霍尔传感器、信号处理电路、模数转换电路、温度传感器电路、中央处理器（微控器）及其最小系统电路、液晶显示电路、系统电源电路及键盘电路组成。

简易的系统方框图如图1所示。

图1系统设计的框架图

2.2系统设计的具体方案

2.2.1微控器（MCU单片机）的选择

采用STC89C52RC,片内ROM全都采用FlashROM；能以3V的超底压工作；同时也与MCS-51系列单片机完全该芯片内部存储器为8KBROM存储空间，同样具有89C51的功能，且具有在线编程可擦除技术，当在对电路进行调试时，由于程序的错误修改或对程序的新增功能需要烧入程序时，不需要对芯片多次拔插，所以不会对芯片造成损坏。

[1]

STC89C52RC系列的单片机是宏晶科技推出的新一代超强抗干扰/高速/低功耗的单片机，指令代码完全兼容传统8051单片机12时钟/机器周期和6时钟/机器周期可任意选择，最新的D版本内部集成MAX810专用复位电路。

其特点如下[2]

1.增强型6时钟/机器周期，12时钟/机器周期8051CPU

2.工作电压：

5.5V–3.4V（5V单片机）/3.8V–2.0V（3V单片机）

3.工作频率范围：

0-40MHz，相当于普通8051的0～80MHz。

实际工作频率可达48MHz

4.用户应用程序空间4K/8K/13K/16K/20K/32K/64K字节

5.片上集成1280字节/512字节RAM

6.通用I/O口（32/36个），复位后为：

P1/P2/P3/P4是准双向口/弱上拉（普通8051传统I/O口）

P0口是开漏输出，作为总线扩展用时，不用加上拉电阻，作为I/O口用时，需加上拉电阻

7.ISP（在系统可编程）/IAP（在应用可编程），无需专用编程器/仿真器

可通过串口（P3.0/P3.1）直接下载用户程序，8K程序3秒即可完成一片

8.EEPROM功能

9.看门狗复位电路

10.内部集成MAX810专用复位电路（D版本才有），外部晶体20M以下时，可省外部复位电路

11.本系列单片机具有极强的保密性、几乎无法破解、高强的静电（ESD保护）、轻松的通过了4KV快速脉冲干扰，具有较宽的电压范围不怕电源抖动，宽温度范围-40OC---85OC,1个时钟（机器周期）可以使用低频的晶体振荡器、从而大幅降低了EMI，超低功耗在掉电模式下典型的功耗值小于0.1mA、空闲模式下功耗为2mA、正常工作模式下典型的功耗值为2.7mA---7mA，掉电模式下可由外部中断唤醒、适用于电池提供的低功耗供电系统、如各类电器仪表、便携式设备等。

共用3个16位定时器/计数器，其中定时器0还可以当成2个8位定时器使用，外部中断一共4路、下降沿中断或低电平触发中断方式唤醒，PowerDown模式下可以由中断低电平或电平触发方式唤醒，通用异步串口（UART）、还可以用定时器软件实现的UART。

单片机的最小系统接口电路如图2所示。

[2]

图2单片机最小系统接口电路图

单片机最小系统的电路介绍及分析：

单片机最小系统复位电路的极性电容C5的大小直接影响单片机的复位时间，一般采用10--30uF，51单片机最小系统容值越大需要的复位时间越短。

单片机最小系统晶振Y1也可以采用6MHz或者11.0592MHz，在正常工作的情况下可以采用更高频率的晶振，单片机最小系统晶振的振荡频率直接影响单片机的处理速度，频率越大处理速度越快。

单片机最小系统起振电容C2、C1一般采用15~33pF，并且电容离晶振越近越好，晶振离单片机越近越好。

P0口为开漏输出，作为输出口时需加上拉电阻，阻值一般为10k。

单片机设置为定时器模式时，加1计数器是对内部机器周期计数（1个机器周期等于12个振荡周期，即计数频率为晶振频率的1/12）。

计数值N乘以机器周期Tcy就是定时时间t。

设置为计数器模式时，外部事件计数脉冲由T0或T1引脚输入到计数器。

在每个机器周期的S5P2期间采样T0、T1引脚电平。

当某周期采样到一高电平输入，而下一周期又采样到一低电平时，则计数器加1，更新的计数值在下一个机器周期的S3P1期间装入计数器。

由于检测一个从1到0的下降沿需要2个机器周期，因此要求被采样的电平至少要维持一个机器周期。

当晶振频率为12MHz时，最高计数频率不超过1/2MHz，即计数脉冲的周期要大于2ms。

下面就单片机的复位电路与时钟电路作较详细的分析。

复位电路:

由电容C5串联电阻R7构成,由图并结合"电容电压不能突变"的性质,可以知道,当系统一上电,RST脚将会出现高电平,并且,这个高电平持续的时间由电路的RC值来决定（串联方式下的振荡周期为：

T=2лRC）。

典型的51单片机当RST脚的高电平持续两个机器周期以上就将复位,所以,适当组合RC的取值就可以保证可靠的复位。

一般教科书推荐C取10u,R取10K。

当然也有其他取法的,原则就是要让RC组合可以在RST脚上产生不少于2个机周期的高电平。

在单片机系统中，系统上电启动的时候复位一次，当按键按下的时候系统再次复位，如果释放后再按下，系统还会复位。

所以可以通过按键的断开和闭合在运行的系统中控制其复位。

单片机STC89S52的XTAL1、XTAL2引脚外接晶振电路、在其稳定工作条件下需要外加两个负载电容C1，C2。

晶体震振器在电子原理上可以等效成由电容电阻并联后再串联一个电感所构成的二端网络，电气原理原理上这个网络有两个谐振点，地点为串联谐振，高低为并联谐振。

鉴于晶体的这两个频率的很接近，因此在这个极窄的频率范围内，晶体可以等效为一个电感，所以需要晶振的两端并联上合适的负载电容它就会组成并联谐振电路。

将这个并联谐振电路移植到一个负反馈电路中就可以构成一个正弦波振荡电路，由于晶振等效为电感的频率范围很窄，所以这个谐振的频率是很稳定的。

晶振的负载电容值是它的一个重要参数，选取与负载电容值相等的并联电容，就可以得到晶振标称的谐振频率。

一般的晶振振荡电路都是在一个反相放大器的两端接入晶振，再有两个电容分别接到晶振的两端，每个电容的另一端再接到地，这两个电容串联的容量值就应该等于负载电容，请注意一般IC的引脚都有等效输入电容，这个不能忽略。

一般的晶振的负载电容为15p或12.5p，如果再考虑元件引脚的等效输入电容，则两个22p的电容构成晶振的振荡电路就是比较好的选择。

[3]

晶振的负载电容=[（Cd*Cg）/（Cd+Cg）]+Cic+△C

式中Cd,Cg为分别接在晶振的两个脚上和对地的电容,Cic（集成电路内部电容）+△C（PCB上电容）经验值为3至5pf。

2.2.2显示模块选择方案和论证

方案一：

采用LED液晶显示屏,液晶显示屏的显示功能强大,可显示大量文字,图形,显示多样,清晰可见,但是价格昂贵,需要的接口线多,所以在此设计中不采用LED液晶显示屏。

方案二：

采用点阵式数码管显示，点阵式数码管是由八行八列的发光二极管组成，对于显示文字比较适合,如采用在显示数字显得太浪费,且价格也相对较高,所以也不用此种作为显示。

方案三：

采用LCD1602液晶显示，其显示的范围宽，容纳的字符多、系统便于功能控制、人机界面形象直观，其软件设计有成熟的技术资源。

硬件电路设计简单，与单片机的接口电路简单、其数据口线可以与单片机的P0口直接相连接、由于P0口是漏极开路的I/O接口，因此只要在外加上9口线（其中一个电源口线、8个排阻口线）的上拉电阻即可，而控制接口只需要P2.0---P2.2控制即可。

其背光可以使用电位器来调节背光电压、从而调节背光的亮度、使其在不同的光照条件下可以调节适宜的亮度。

达到适宜的视觉效果。

因此，整合上述的材料、选择LCD1602作为液晶显示来作为显示器，只要可以提高整机的可视化程度，达到最佳的显示效果。

其接口电路如图3所示。

图3液晶显示模块接口电路图

2.2.3温度传感器的选择方案与论证

方案一：

使用热敏电阻作为传感器，用热敏电阻与一个相应阻值电阻相串联分压，利用热敏电阻阻值随温度变化而变化的特性，采集这两个电阻变化的分压值，并进行A/D转换。

此设计方案需用A/D转换电路，增加硬件成本而且热敏电阻的感温特性曲线并不是严格线性的，会产生较大的测量误差。

方案二：

采用数字式温度传感器DS18B20，此类传感器为数字式传感器而且仅需要一条数据线进行数据传输，易于与单片机连接，可以去除A/D模块，降低硬件成本，简化系统电路。

另外，数字式温度传感器还具有测量精度高、测量范围广等优点。

由于本设计的整机体积以及性能要求较高、选择数字式温度传感器DS18B20作为温度传感器。

如图-4所示。

采用数字式温度传感器DS18B20，它是数字式温度传感器，具有测量精度高，电路连接简单特点，此类传感器仅需要一条数据线进行数据传输，使用P0.7与DS18B20的I/O口连接加一个上拉电阻,Vcc接电源,Vss接地。

[7]

图-4DS18B20温度采集

2.2.4线性霍尔传感器以及A/D转换电路的选择方案与论证

线性霍尔传感器的选择是本设计的最重要部分、现在市场上的霍尔器件有很多类型（F．W．Bell5100\UGN3503U\GMI\CS49E\HG106C\AH49E\霍尔电极\磁通门等）、其基本原理都相同，但是在测量磁场强度时、对霍尔器件的线性要求极高、并且要在适宜的电压范围内、输出电流要适宜、要能够具备低功耗的条件。

因此在经过大量的比较与筛选后选择了一款线性良好、工作电压低（5V）左右的霍尔传感器（AH49E），并且在5V工作电压时具有非常良好的线性，磁场强度-1000GS----1000GS线性变化、这使得磁场强度的范围适应于绝大多数测量的场合、其温度飘移量极小、使得误差小。

其输出电压范围也小（0----4V）这使得在A/D转换时变得容易处理，用简单的电路对传感器输出的信号处理后便可以直接送入A/D转换。

在A/D转换部分采用8位的数模转换器ADC0832，其使用外围电路简单、程序控制也相对简单，由于本设计的磁场强度测量仪器其测量数据单一，8位的A/D转换芯片就可以了。

最重要的是在成本的考虑上8位的A/D转换芯片相对便宜，并且购买方便、代码书写简单，在保证功能的前提下这是最高性价比的选择。

在系统的硬件设计上，使用两个霍尔传感器（AH49E）并接的方法接入到电路中、其中一个主探头要用信号线连接到具体的磁场空间、而另外一个探头则是直接焊接在印制电路板上。

这样做的主要目的是为了调节传感器组输出的零电位点以及做一个简单的温度补偿。

因为本设计的输出量主要是绝对值的大小所以把电压的范围从（1---4V）调节到了（0---3V）。

如果只考虑单极性的电压输出的情况下电压的范围只有在（0---1.5V）。

这样的范围对于测量（0---1000GS）的磁场强度来说已经可以满足设计的要求了。

再利用后面运算放大电路作信号处理，将（0---1.5V）的电压信号放大3.3倍、使得进入A/D转换的电压信号范围变为（0---5V）。

通过这样的处理以后，使得微控制器芯片（STC89C52RC单片机）在对数据的处理时可以把精确度提高，并且保证了测量的范围。

线性霍尔传感器AH49E接口电路如图5、ADC0832部分接口电路如图6所示

图5线性霍尔传感器接口电路

如图5所示的电路连接图中、J1和J2分别为型号完全相同的两个霍尔传感器AH49E，由于这两个传感器是在同一批次的生产条件下的同类产品，所以在考虑传感器的霍尔不等效应的误差时，可以把相对应的误差降低到最低。

在电路板的设计时，使用了两个同样的三脚插针座套来焊接在电路板上，J1霍尔传感器AH49E直接插入到插座上去，而另一个霍尔传感器则是使用三角插针连接三条信号线后再与霍尔传感器相连。

这样做是为了更好的保护好霍尔传感器、从而提高了系统工作的可靠性。

如下图6所示的ADC0832部分接口电路，利用单片机的P36口作为片选信号，当片选信号为低电平选中芯片开始工作、霍尔传感器输出的信号经过运放电路处理后进入CH0通道进行单通道的数据采样。

而CH1通道悬空不使用。

单片机的P35口为ADC0832提高所需要的时钟信号，在时钟信号的与单片机控制软件的共同作用下、ADC0832将完成模拟量转换成为数据量的任务，进过D0输出到单片机的P34引脚、在这里D1口无数据信号输出、可以将其与D0口并接。

最终在ADC0832的DO和D1脚输出数字信号、由单片机的P34口接受到经ADC0832处理好的数字信号。

图6ADC0832部分接口电路

2.2.5运算放大器数据处理部分电路的选择方案

由于线性霍尔传感器输出的电压在1V---4V范围内具有良好的线性关系，使得磁场强度的变化范围控制在-1000GS---1000GS内，这样使得系统的测量范围相对较广泛、并且使得输出的数据便于处理。

由于ADC0832的输入口线采集的电平信号在0---5V范围内，然而本系统所测试的磁场强度是测试磁场强度的绝对值大小、在一般的工程与工业应用中并不是那样的关系磁场强度的方向，更多的是关心它的绝对值大小，所以本系统值测量其数值的大小。

所以，在对线性霍尔传感器的输出数据处理时、我们要把磁场强度的零点搬移到输出电压的零点上来，这样可以便于数据的处理。

我们使用一个减法运算放大器来处理这个数据，用到两块线性霍尔传感器、一块置于测量仪电路板上来标识零磁场强度点，而另一个线性霍尔传感器者用来置于实际的磁场中，来测量磁场的大小。

通过减法运算放大器的处理，使得把线性霍尔传感器的零磁场点搬移到输出电压的零电位点上来、并且把所测得的数据进行线性放大3.3倍。

这样使得进入ADC0832的电压信号从0V---5V变化，便于ADC0832的转换。

其具体的接口电路如图7所示。

图7线性霍尔传感器与减法运算放大器的接口电路

图示7的放大电路在设计上连接成为一个差分放大电路。

从电路结构上看、它是反相输入与同相输入相结合的放大电路。

在分析电路时可以假设流经电阻R1的电流为I1、流经电阻R2的电流为I2。

电阻R1左侧的电位为U1、电阻R2左侧的电位为U2、

运算放大器的同相输入端的电位为Up、反相输入端的电位为Un,运算放大器的输出电压为Uo，在