霍爾傳感器應用于采集與顯示信號系統中的設計方案

　　這幾年來(lái)，隨著(zhù)不斷發(fā)展的傳感器技術(shù)，單片機技術(shù)的廣泛應用，越來(lái)越多的采用單片機與PC機構成的小型傳感器測控系統。關(guān)鍵在于它們很好地結合了單片機的價(jià)格低，功能強，抗干擾能力好，溫限寬和面向控制等優(yōu)點(diǎn)及Pc機操作系統中Windows的高級用戶(hù)界面、多任務(wù)、自動(dòng)內存管理等特點(diǎn)。在這種測控系統中，單片機主要進(jìn)行實(shí)時(shí)數據采集及預處理，然后通過(guò)串行口將數據送給PC機，PC機再對這些數據進(jìn)一步處理，例如求均值、方差、畫(huà)動(dòng)態(tài)曲線(xiàn)與計算給定、打印輸出的各種參數等任務(wù)。

　　這里采用霍爾傳感器作為前端進(jìn)行數據采集，然后在單片機控制下進(jìn)行A/D轉換，并將信號通過(guò)串口送給PC機進(jìn)行繪圖處理。

　　1 系統介紹

　　系統可以分為3個(gè)部分。第一部分是信號源，由霍爾傳感器產(chǎn)生電壓信號，信號通過(guò)差分放大，濾波得到較清晰的信號;第二部分是信號經(jīng)過(guò)A/D轉換送入單片機進(jìn)行處理，再通過(guò)串行通信送入PC機處理得到結果;第三部分是數據的顯示，這部分是通過(guò)VB的繪圖程序來(lái)完成，顯示結果以v-x關(guān)系圖來(lái)顯示。系統總流程如圖1所示。

　　2 硬件設計及實(shí)現

　　2.1 霍爾傳感器

　　霍爾傳感器是利用霍爾效應實(shí)現磁電轉換的一種傳感器。它具有靈敏度高，應用廣泛的特點(diǎn)。其工作原理如圖2所示：一塊半導體薄片，其長(cháng)度為L(cháng)，寬度為B，厚度為D，置于磁感應強度為B的磁場(chǎng)中，在相對的兩邊通以控制電流I，且磁場(chǎng)方向與電流方向正交，則在半導體的兩邊將產(chǎn)生一個(gè)與控制電流和磁感應強度乘積成正比的電勢U，該電勢即為霍爾電壓，用UH表示，即UH=KHIB，其中KH為霍爾元件的靈敏度，半導體薄片就是霍爾元件。

　　同理有2塊磁場(chǎng)相同的永久磁鐵，同極性相對放置。當其表面積遠遠大于兩者的間距時(shí)，正中間磁感應強度為O，在縫隙間沿z軸形成一個(gè)均勻梯度的磁場(chǎng)dB/dx=K（K為常數）。B=0處作為位移x的參考原點(diǎn)，則x=O時(shí)，B=O，UH=O。當它們中間的霍爾元件移動(dòng)到x處時(shí)，UH大小由x處的B決定。由公式UH=KHIB可知：保持I不變，則dUH/dx=IKHdB/dx=KHI=K，積分后得UH=Kx，即霍爾電勢與位移成比例。磁場(chǎng)梯度越大，靈敏度越高，磁場(chǎng)變化越均勻，UH和x的線(xiàn)性越好。

　　本系統中的第一部分由圖3中的霍爾傳感器裝置提供，由霍爾元件（A44E）、差分放大器和濾波器組成。其輸出電壓與霍爾元件位移成比例，具有較高靈敏度，能夠產(chǎn)生出符合要求的電壓信號。

　　2.2 模/數轉換原理

　　該系統中的單片機是使用Atmel公司的AT89C51微控制器，與MCS一51單片機產(chǎn)品兼容，具有4 KB閃爍可編程可擦除只讀存儲器、1 000次擦寫(xiě)周期、32個(gè)可編程I/O口線(xiàn)、2個(gè)16位定時(shí)器/計數器、5個(gè)中斷源、UART串行通道等特點(diǎn)。在設計中主要用它來(lái)控制傳感器信號發(fā)生裝置輸出的模擬信號轉換成數字信號，進(jìn)行數據采集和顯示以及串行通信。