霍爾傳感器--采集與顯示信號系統設計

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。

　　0 引 言

　　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。

　　經(jīng)過(guò)與標準量比較處理后的模擬量轉化成以二進(jìn)制數值表示的離散信號的轉換器，簡(jiǎn)稱(chēng)A/D轉換器.轉換器的輸入量一般為直流電流或電壓，輸出量為二進(jìn)制數碼的數字量。該設計中使用ADC0809轉換器。過(guò)程如下：首先它可以將其看成由一個(gè)8位A/D轉換器和一個(gè)8通道模擬多路開(kāi)關(guān)組合而成，INO～IN7分別對應8路模擬量輸人，由引腳ADDA，ADDB和ADDC決定具體是哪一條模擬量來(lái)進(jìn)行轉化。在引腳START和ALE上加1個(gè)正脈沖后，通道選擇碼立即鎖定并同時(shí)ADC轉換啟動(dòng)。轉換開(kāi)始后OE引腳加1個(gè)正脈沖，將輸出緩沖器的三態(tài)門(mén)打開(kāi)，使轉換后的數字量能夠傳送至數據總線(xiàn)。

　　2.3 數據采集和顯示

　　放大處理后的電壓信號，雖然在幅值上達到了可以處理的范圍，但模/數電壓轉換的范圍是0～5 V，而傳感器輸出的電壓存在負值，為了使電壓匹配，信號電壓在接人模/數轉換器前可以加一級加法電路，將電壓信號全部轉換為正值。放大電路、濾波電路和加法電路均使用LM324實(shí)現，硬件電路如圖4所示。

　　數據顯示電路分為數碼管顯示電路和PC機顯示 部分。數碼管顯示用于單片機上，單片機分別通過(guò)段顯 碼和位顯碼對數碼管上顯示的數據進(jìn)行控制。段顯碼 控制顯示的數據內容，位顯碼則控制數碼管亮或滅。段 顯碼是單片機通過(guò)可編程通用并行接口8155逐位傳到 8位移位寄存器74LSl64中去，再由它將串行傳輸數據 變?yōu)椴⑿袛祿鹘o數碼管顯示。而位顯碼是單片機 通過(guò)8155一次性送到數據鎖存器74L$244中鎖存，再 去驅動(dòng)數碼管并控制其亮或滅。

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　　2.4 串行通信

　　該設計中采用異步串行通信的方式。而AT89C51 單片機的串行口，當工作于方式1，2和3時(shí)，UART(通用異步接收和發(fā)送)可以實(shí)現單片機系統與PC機之間的串行通信。PC機串行通信主要是通過(guò)串行口芯片8251實(shí)現的。8251有10個(gè)寄存器，端口地址從3F8H～3FEH(c0M1)，可以通過(guò)對8251編程來(lái)指定通信協(xié)議即通信的波特率、數據位數、奇偶類(lèi)型和停止位長(cháng)度。另外由于Pc機串口的電平是RS 232電平，不與單片機串口的TTL電平兼容，因此需要在它們之間進(jìn)行電平轉換。傳統的方法是使用MCl488將TTL電平轉換成RS 232電平，用MCl488實(shí)現反向轉換，由于MCl488需要±12 V電壓，使用中非常不便，故該設計采用MAXIM公司的產(chǎn)品片MAX232來(lái)實(shí)現，由單+5 V的電壓供電，既可實(shí)現TTL到RS 232的電平轉換，也可實(shí)現RS 232到TTL電平的轉換，使用十分方便，具體的線(xiàn)路如圖5所示。

　　3 軟件實(shí)現部分

　　3.1 單片機部分

　　AT89C51系列單片機的串行口可工作于4種不同的方式。在該程序中，單片機串行口工作設定為方式1，即數據經(jīng)TxD端發(fā)送，RxD端接收，波特率2 400 b/s，10位構成一幀，l位起始位，8位數據位，1位停止位，初值0F3H，SMOD=1。

　　由于單片機多應用于實(shí)時(shí)性較強的控制場(chǎng)合，為了盡量少占用CPU的時(shí)間，充分發(fā)揮CPU的功能。該系統在單片機程序設計中采用中斷方式與PC機進(jìn)行通信。主程序只進(jìn)行串行通信、數碼管實(shí)時(shí)顯示、模/數轉換結果的初始化和循環(huán)等待串行中斷工作，當接收到PC機發(fā)來(lái)的信號時(shí)，就轉人中斷服務(wù)程序，進(jìn)行A/D轉換，并向Pc機發(fā)送數據。中斷服務(wù)子程序流程圖如圖6所示。

　　以下僅給出串行通信初始化和中斷服務(wù)子程序代碼：

　　串行通信初始化程序為：

　　3.2 PC機部分

　　在Windows中，串行口的硬件設備通過(guò)通信驅動(dòng)程序comm.drv與windows進(jìn)行連接，通過(guò)使用標準的windows API函數發(fā)送和接收數據。而MSComm控件通信功能的實(shí)現，是調用windows API函數，并通過(guò)設置其屬性和事件，來(lái)定義windows通信驅動(dòng)程序的API函數接口，為應用程序提供了通過(guò)串行接口收發(fā)數據的簡(jiǎn)便方法。

　　MSCOmm控件提供了2種處理通信的方法：一是事件驅動(dòng)方法，也就是利用OnComm事件，這是一種處理串行端口活動(dòng)非常有效的方法，不僅能夠利用MSCOmm控件來(lái)偵測并處理通信事件和錯誤，而且還具有程序響應及時(shí)、可靠性高等優(yōu)點(diǎn);另一種方法是查詢(xún)法，MSComm控件的C0mmEvent屬性返回通信中產(chǎn)生的事件和錯誤類(lèi)型，由通信控件自動(dòng)檢測和跟蹤通信狀態(tài)后設置。因此可以直接讀取CommEvent屬性的值來(lái)檢測通信中產(chǎn)生的事件和錯誤類(lèi)型，這種方法比較簡(jiǎn)單，常用在小的自含程序中。

　　該設計程序即采用查詢(xún)法讀取InBufferCount的屬性值來(lái)接收單片機發(fā)來(lái)的數據。實(shí)驗主程序對串口初始化并畫(huà)出坐標系;每單擊‘繪點(diǎn)’鍵程序向單片機發(fā)送一個(gè)任意數，告訴單片機將模數轉換結果發(fā)送過(guò)來(lái)，然后采用查詢(xún)方式接收該數據，進(jìn)行相應的轉化后把該點(diǎn)繪在坐標系上，一次數據采集結束。

　　MSComm控件的常用屬性：CommPort：設置并返回通信端口號;Settings：以字符串的形式設置并返回波特率、奇偶校驗、數據位、停止位;Pott()pen：設置并返回通信端口的狀態(tài)也可以打開(kāi)和關(guān)閉端口;Input：從接收緩沖區返回和刪除字符;Output：向傳輸緩沖區寫(xiě)1個(gè)字符串。

　　該實(shí)驗的Coml口串行通信初始化程序如下：

　　從圖7中PC機界面顯示位移一電壓坐標圖，表1記錄的數據以及圖8在示波器上顯示的霍爾線(xiàn)性電路理想電壓一位移曲線(xiàn)圖相比較，可以發(fā)現由于傳感器實(shí)驗臺受外界干擾等原因使得輸出信號輸出誤差在所難免，而且沒(méi)有電平轉換，使得VB繪圖中得到的數值存在負值;但是可以在圖中看到傳感器輸出的電壓值在正負之間有明顯的對稱(chēng)性，與要求輸出的理想輸出信號波形相符合，證明本系統運行良好，設計的非常成功。

　　4 結 語(yǔ)

　　對于目前廣泛應用的WindOWs環(huán)境下實(shí)現PC機與單片機之間的通信問(wèn)題具有重要的參考價(jià)值。