手持式数字高斯计的设计.docx

手持式数字高斯计的设计.docx

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手持式数字高斯计的设计

手持式数字高斯计的设计

设计总说明

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。

因此需要成本低，携带方便，能够测量弱小磁场，并且连续显示在电脑界面的磁场测量仪器，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、液晶数字式显示和上位机连续显示、电池提供电源和电脑USB口提供电源，使用实用简单、携带方便，极大方便广大使用者的使用。

关键词：

磁场强度，微控器，A/D转换，数字显示

HandhelddigitalGaussmeterdesign

DesignDescription

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

Nowdueindustrial,engineering,informationtechnology,powerelectronictechnologyrapiddevelopment,ofmagneticfielddetectionappearsmoreandmoreimportant。

Hencetheneedoflowcost,easytocarry,capableofmeasuringweakmagneticfields,andcontinuouslydisplayedonthecomputerscreenofamagneticfieldmeasuringinstruments,ThismagneticfieldintensityofmeasuringapparatusmicrocontroldeviceusingcommoncollegesanduniversitiesteachingarefamiliarwiththeSTC89C52RCmicrocontroller,application8bitsofA/Dconversion,conversionLCDdigitaldisplayandPCcontinuousdisplay,batterywithpower,thebatteryprovidespowerandacomputerUSBporttoprovidepower,makingpracticalissimple,easytocarry,greatconveniencetheuser'suse。

KeyWords:

fieldstrength,Microcontroldevice,A/Dconversion,Digitaldisplay

1.绪论

1.1课题研究的背景

最早的磁场探测器已有2000多年的历史，通过感应地球磁场辨识方向或为舰船导航。

随着现代科技的进步，磁场传感器的应用越来越广泛，磁场传感技术向着高灵敏度、高分辨率、小型化以及和电子设备兼容的方向发展。

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，携带困难，并且不能在上位机上面显示连续的磁场强度变化。

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，测量误差小等优点，并且通过转串口芯片可以将采集到的磁场信号传送到电脑界面进行连续的显示。

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），因为大家都很熟悉其原理与使用，使得使用者更容易掌握、在使用出现故障时其检修也很方便。

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，并且在5V工作电压时具有非常良好的线性，磁场强度-200GS----200GS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----5V）这使得在A/D转换时变得容易处理，用简单的减法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。

液晶显示部分采用上位机界面的连续显示，也带有低成本的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基本的显示任务，其驱动程序简单可以减小系统软件设计的工作量和难度。

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。

1.2课题研究意义

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。

1.3高斯计的发展

传统的高斯计采用仪表放大器电路放大霍尔效应产生的感应电压，指针显示或者经过模数转换后通过LED或者液晶显示测试值。

在硬件电路中有零漂补偿和增益调整电路，结构较复杂，而且要通过调整霍尔元件的供电电流来标定。

近年来,随着传感器技术的不断发展,特别是单片机技术的广泛应用,采用单片机与PC机构成的小型传感器测控系统越来越多。

因为它们很好地结合了单片机的价格低,功能强,抗干扰能力好,温限宽和面向控制等优点及PC机操作系统中Windows的高级用户界面、多任务、自动内存管理等特点。

在这种测控系统中,单片机主要进行实时数据采集及预处理,然后通过串行口将数据送给PC机,PC机再对这些数据进一步处理,例如求均值、方差、画动态曲线与计算给定、打印输出的各种参数等任务。

这里采用霍尔传感器作为前端进行数据采集,然后在单片机控制下进行A/D转换,并将信号通过串口送给PC机进行绘图处理。

1.4设计内容

1.了解高斯计测量磁性参数原理，掌握手持式数字高斯计设计的基本要求。

2.熟悉手持式数字高斯计功能，选择传感器并设计信号处理电路，用绘制系统总体结构图和传感器、信号检测和控制单元电气原理图。

3.根据工作原理，绘制软件工作流程图，编写算法软件。

4.制作实验室原型。

2硬件电路的设计

硬件电路主要包括这样几个模块，采集电路将采集到的磁场信号转换为电压信号传送给ADC0832，主控模块接受ADC传送过来的数字信号进行处理运算，发送到LCD液晶显示器上和上位机上，LCD进行数字直观显示所测磁场大小，在微机上实时显示，这种实时显示是通过VB绘图程序来完成，显示结果以v-x关系图来显示，通讯部分主要完成单片机与电脑之间的电平转换，保证单片机的信号顺利传送到上位机。

系统总流程图如图1-1所示。

图1-1系统总流程图

2.1主控模块

主控模块采用各大高校教学所采用的51系列单片（STC89C52RC），因为大家都很熟悉其原理与使用，并且它比51的烧写程序方便，使得使用者更容易掌握、在使用出现故障时其检修也很方便。

2.1.1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。

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

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。

[6]

2.1.2单片机的最小系统

接口电路如图2-1所示就是单片机最小系统的接口电路，18和19口分别外接一个电容和外部的晶振组成一个时钟电路，为单片机提供时钟脉冲，而用晶振的目的是为了使时钟脉冲的频率更准确、精确和稳定。

现在很多单片机在内部的时钟电路中采用了RC振荡电路代替外部晶振了，这样，外部可以省掉了晶振了，即完全省掉了外部时钟电路。

确实方便了很多。

但因为频率不是很准确，所以，对于要求时钟脉冲频率精确的设计时还是加外部晶振。

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图2-1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C3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U1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C3串联电阻R1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。

[12]

2.2采集模块

这里我采用线性霍尔传感器模块，它具有大量测范围，在5V电压信号下可测范围达到正负200GS，反应频率达23kHz,准确地0高斯输出电压为2.5V，在这里我们在它的输出部分进行了减法运算，接入减法放大电路，将2.5的输入减到0伏，最后进行2倍的放大，这里的运放采用lm358p运放，输出信号为线性模拟电压信号输出，输出0-5伏电压信号到ADC0832上面。

2.2.1运放概述

图2-2运放引脚图

（1）概述

LM358内部包括有两个独立的、高增益、内部频率补偿的双运算放大器，适合于电源电压范围很宽的单电源使用，也适用于双电源工作模式，在推荐的工作条件下，电源电流与电源电压无关。

它的使用范围包括传感放大器、直流增益模块和其他所有可用单电源供电的使用运算放大器的场合。

（2）特性（Features）：

•内部频率补偿。

•直流电压增益高（约100dB）。

•单位增益频带宽（约1MHz）。

•电源电压范围宽：

单电源（3—30V）；双电源（±1.5一±15V）。

•低功耗电流，适合于电池供电。

•低输入偏流。

•低输入失调电压和失调电流。

•共模输入电压范围宽，包括接地。

•差模输入电压范围宽，等于电源电压范围。

•输出电压摆幅大（0至Vcc-1.5V）。

2.2.2减法电路

图2-3减法电路

图2-3所示是用来实现两个电压相减的电路，从电路结构来看，它是反向输入和同向输入相结合的放大电路。

在理想运放的情况下，有Vp=Vn，就是说电路存在虚短现象，同时运放两输入端存在共模电压。

伴随V1=0，也有i=0，由此可得下列方程：

（2-1）

及

（2-2）

当Vp=Vn时，并且所选电阻关系满足

时，输出电压可简化为

（2-3）

即输出电压与两输入电压之差成比例关系，所以图所示的减法电路实际就是一个差分式放大电路。

当

时，

。

应当注意的事，由于电路存在工模电压，应当选用共模抑制比高的运放，才能保证一定的运算精度。

在我的设计中因为放大倍数为2倍，因此选用10k和20k的电阻实现2倍的放大。

[12]

2.3显示模块

2.3.1外部显示选择方案与论证

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P2.5---P2.7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。

[9]

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2-4所示。

图2-4液晶显示模块接口电路

2.3.2LCD液晶显示器

（1）概述

它是一种工业字符型液晶，能够同时显示16x02即32个字符。

（16列2行）

（2）引脚说明

第1脚：

VSS为地电源。

第2脚：

VDD接5V正电源。

第3脚：

VL为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地时对比度最高，对比

度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度。

第4脚：

RS为寄存器选择，高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器。

第5脚：

R/W为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。

当RS和R/W共同

为低电平时可以写入指令或者显示地址，当RS为低电平R/W为高电平时可以读忙信号，当

RS为高电平R/W为低电平时可以写入数据。

第6脚：

E端为使能端，当E端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令。

第7～14脚：

D0～D7为8位双向数据线。

第15脚：

背光源正极。

第16脚：

背光源负极。

2.3.3上位机界面的设计

在上位机部分可以完成一段时间内连续磁场的检测和磁场的变化趋势。

如图2-5是上位机显示界面，在接入串口时候，打开通讯的端口，设置成和才开始一样的端口，按下打开通讯端口，此时端口被打开，在一切准备就绪之后，按下开始检测按钮，这个时候就开始传输数据，数据在下面的窗口连续显示变化，并且将所测得实时数据以数字形式显示在现在场强这一栏中，在一切完成测量之后，我们可以用结束按钮退出界面的显示。

我们可以看到下面有一个时钟的元器件和电话的元器件，它们在实际中是不显示的，但是又是不可或缺的，一旦通讯的器件丢失，那么就不能完成正常的通讯工作，一旦时间显示的器件缺失，那么采集的数据将不能被采集，这个时间间隔就不能确定，这也是能够连续显示变化磁场的原因。

图2-5上位机界面

2.4通讯模块

在和电脑的通讯部分我总共用了三种方案，分别是用CH340芯片实现电平转换，用PL2303RS232-USB接口转换器将单片机信号传输到上位机上，也可以用max232芯片实现单片机电平往TTl电平的转换。

他们的工作原理都是将单片机上面的30和31口，也就是txd和rxd反接，通过相应的芯片将信号传输到上位机上面，下面分别就三种转换芯片做一个简单的介绍。

2.4.1CH340简介及应用电路

CH340是一个USB总线的转接芯片，它的特点是全速USB设备接口，兼容USBV2.0，外围元器件只需要晶体和电容；仿真标准串口，用于升级原串口外围设备，或者通过USB增加额外串口；计算机端Windows操作系统下的串口应用程序完全兼容，无需修改；硬件全双工串口，内置收发缓冲区，支持通讯波特率50bps～2Mbps；通过外加电平转换器件，提供RS232、RS485、RS422等接口；于是通过USB转换的串口，所以只能做到应用层兼容，而无法绝对相同； 软件兼容CH341，可以直接使用CH341的驱动程序。

在串口方式下，CH340提供常用的MODEM联络信号，用于为计算机扩展异步串口，或者将普通的串口设备直接升级到USB总线。

解决了现有计算机没有串口的尴尬，而且即插即用，不会像以往的标准串口不支持热插拔容易损坏等问题，如图2-6所示，为USB转串口芯片应用电路，txd和rxd分别反接单片机的30和31口，实现数据从单片机的输出。

[1]

图2-6USB转串口芯片应用电路

2.4.2PL2303接口转换器

PL2303是Prolific公司生产的一种高度集成的RS232-USB接口转换器，可提供一个RS232全双工异步串行通信装置与USB功能接口便利联接的解决方案。

该器件内置USB功能控制器、USB收发器、振荡器和带有全部调制解调器控制信号的UART，只需外接几只电容就可实现USB信号与RS232信号的转换，能够方便嵌入到手持设备。

该器件作为USB/RS232双向转换器，一方面从主机接收USB数据并将其转换为RS232信息流格式发送给外设；另一方面从RS232外设接收数据转换为USB数据格式传送回主机。

这些工作全部由器件自动完成，开发者无需考虑固件设计。

如下图2-7就是它的接口电路。

图2-72303接口电路

2.4.3MAX232电平转换

MAX232采用不平衡传输方式，即所谓单端通讯。

收、发端的数据信号是相对于信号地，如从DTE设备发出的数据在使用DB25连接器时是2脚相对7脚（信号地）的电平，DB25各引脚定义参见图2-8所示。

图2-8RS232引脚图

典型的RS-232信号在正负电平之间摆动，在发送数据时，发送端驱动器输出正电平在+5～+15V，负电平在-5～-15V电平。

当无数据传输时，线上为TTL，