基于霍尔传感器THS103A的数字高斯计设计.docx
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基于霍尔传感器THS103A的数字高斯计设计
郑州轻工业学院
课程设计说明书
题目：
基于霍尔传感器THS103A的数字高斯计设计
姓名：
院（系）：
电子信息工程
专业班级：
电子信息工程1
学号：
指导教师：
成绩：
时间：
2017年6月26日至2017年7月1日
课程设计任务书
题目基于霍尔传感器THS103A的数字高斯计设计
专业、班级电子信息工程学号姓名
主要内容、基本要求、主要参考资料等：
一、主要内容：
用霍尔传感器设计一个数字高斯计。
二、基本要求：
（1）量程：
0～2T，3位半数字显示输出，单位为10-3T；
（2）系统理论分析和设计计算详细明确，有理有据；
（3）按照印刷版教材的样式绘制系统框图和电路图；
（4）写出3000～5000字的设计报告，主体文本字号为小四号，标题章节字号依照美观合理原则选择，并合理加黑，字体均为宋体。
三、主要参考资料：
（1）【日】松井邦彦著，梁瑞林译.传感器实用电路设计与制作.
科学出版社，2005年.
（2）何希才.常用传感器应用电路的设计与实践.
科学出版社，2007年.
（3）3位半A/D转换及液晶显示器ICL7107说明书.
完成期限：
2017年6月26日－2017年7月1日
指导教师签章：
专业负责人签章：
2017年6月20日
基于霍尔传感器THS103A的数字高斯计设计
摘要：
本方案利用相关电子元器件自制新型多功能高斯计，然后用已有高斯计进行标定，最终准确测量及数字显示待测的磁感应强度，绘制的较为简单的磁滞曲线，并实现其它相应功能，采用的是霍尔效应法对磁场进行测量，其物理学的理论支持是霍尔效应。
探测电路通过霍尔效应把难以测量的磁信号转变为易于处理的电信号。
关键词：
高斯计;磁感应强度;霍尔效应。
1.高斯计的原理
高斯计，是测量物体于空间上一个点的静态或动态（交流）磁感应强度，由霍尔传感器（精度更高可选择磁通门传感器）.经过物体磁力线穿过产生电流电压，主设备上面显示磁感应强度。
高斯计需要能够测量恒定磁场,直流磁场与交流磁场和脉冲磁场的功能。
同时由于智能制造发展高斯计需要能够与自动化设备有交互功能，因而485通讯与开关量端口,模拟信号端口成为必须。
高斯计几乎都是基于霍尔效应原理进行磁场测量的，采用霍尔传感器作为磁感应元件。
用户可能会发现这样的问题，即使在同一个点上，使用不同型号的探头会产生不同的测量结果。
这并非是测量的错误，而是由于霍尔传感器的尺寸不同以及装配的位置误差产生的结果。
根据不同的需要，正确地选择高斯计和相应的霍尔探头尤为重要。
1.1高斯计与特斯拉计区别
特斯拉计（高斯计）是采用霍尔原理，配以霍尔偏值电路，放大电路，AD电路，显示电路，定标后用来测试磁感应强度（磁场强度）的仪器。
在CGS单位制中，磁感应强度的单位是高斯，因此叫高斯计。
在SI单位制中，磁感应强度的单位是特斯拉，因此叫特斯拉计。
关系为：
1T（特斯拉）＝1000MT（毫特斯拉）＝10000GS（高斯）总之本质是一个东西，只是测量的单位不同而已，特斯拉单位太大，一般采用毫特斯拉单位，现在很多人都喜欢用高斯单位，感觉要直观一点。
1.2高斯计与电磁场
电磁场是电场与磁场的合称。
我们一般所称的「场」指的是空间中的一个区域，进入这个区域的物体都会感受到力的作用，例如我们生活在地球的重力场中，也生活在地磁的磁场中，闪电时我们更笼罩在强大的电场中。
高斯计磁强计特斯拉计应用领域生活中常常会发现电场的存在，例如冬季脱毛衣发生的爆烈声，接触门的把手有触电感觉，这些都是因摩擦而产生的静电现象。
在电力使用中，只要有电压存在，电线或电器设备周围就会有电场。
电场一般是以仟伏特/米（KV/m）作单位。
将磁铁置于纸板下，撒铁粉在纸板上，就会发现磁铁两端之间产生相连的几圈条纹，这就是磁场。
在电力使用中，只要有电流通过，导线的周围也会产生磁场。
磁场的单位是以特斯拉（T）或高斯（G）或毫高斯（mG） 或微特斯拉（μT） 表示。
1特斯拉＝10,000高斯
1高斯＝1,000毫高斯
1微特斯拉＝10毫高斯
1.3高斯计的特点
高斯计的优点是使用简单、测量精度高、灵敏度大、量程大、不需计算。
并能很快地得到磁场读数。
高斯计测定磁场强度的原理是基于霍尔效应（THallerect）。
所谓霍尔效应就是：
当一半导体（锗片）通有电流I，并在垂直于薄片平面方向加以外磁场H，与电流和磁场方向垂直的另两端上将呈现有电势VH。
这个效应称为霍尔效应。
其电势叫霍尔电势。
图1为霍尔效应示意图。
图1霍尔效应示意图
这一电势正比于电流I和外磁场H，并与霍尔元件的材料和形状系数有关，即：
式中
—霍尔常数，与半导体材料有关；
d—霍尔元件厚度；
—霍尔元件形状系数。
由于高斯计在设计时，半导体材料和几何尺寸已选定，
，d，
已定，电流I也已确定。
所以霍尔电压VH只与被测磁场H成正比。
因此，可以用毫伏电表的刻度盘改标高斯值，用于测量磁场。
由于空气的导磁系数近似为1，所以在空气中测得的高斯值是与磁场强度等值异单位的，因此不必换算。
高斯计的电源（即I）可以是直流，也可以用交流。
同样，被测磁场可以是恒定的，也可以是交变的。
不仅可测磁场强度，也能辨别极性。
以上就是从直观的数学公式方面分析的高斯计测定磁场强度的原理。
1.4传感器使用方法
以横向传感器为例
（1）传感器测量方法被测磁场的磁力线方向垂直穿过传感器前端的霍尔元件（如图2）
图2
（2）手持传感器测量磁场的图示及说明如图3所示，手握传感器，用传感
器前端霍尔元件的凹面（即有小圆圈标识的一面）轻轻接触被测磁铁的表面或所测空间磁场位置。
图3
（3）不正确的手持式传感器方法将传感器的顶部使劲压到被测物体
的表面（如图4），这样很容易损坏传感器。
图4
2.设计原理及过程分析
该仪器的硬件电路主要由主控电路、定标电路、信号处理与采集电路、频率测量电路，霍尔传感器等组成。
本方案采用的是集成霍尔传感器，它是把霍尔元件、放大器等做在一个芯片上的集成电路型结构，与霍尔元件相比，它具有微型化、灵敏度高、寿命长、功耗低、负载能力强以及使用方便等等优点。
霍尔传感器是一种能实现磁电转换的传感器，用它们可以检测磁场及其变化。
由于霍尔元件具有在静止状态下感受磁场的能力，且结构简单，形小体轻，频带宽（可从直流到微波），动态特性好、动态范围大，寿命长和可进行非接触测量等优点，故在检测技术、自动控制技术和信息处理等方面得到日益广泛应用。
2.1主控电路
主控电路以STC89C52RC为核心，包括一个双通道A／D转换器MAXlll、两个D／A转换器MAX541、经8279扩展的键盘显示电路、一个定标参数存储器X24128以及与上位机通讯的RS232接口。
为了减少干扰，在模拟电路与数字电路之间加有光电隔离电路。
采用STC89C52RC,片内ROM全都采用Flash，ROM;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。
A／D转换器MAXlll的一路用来检测调零电路输出，另一路用来采集保持后的感应电压信号。
两个D／A转换器MAX541中的一个用来输出霍尔不等位电势的补偿电压，另一个用来控制压控恒流源。
经8279扩展六个按键：
电源键、定标键、调零键、量程转换键、自动测量键、显示暂停键，键盘以中断方式工作。
同时经8279扩展出双8位的数字表头，一个用来显示交变磁场频率，另一个由软件控制根据不同的磁场显示不同数值。
当测量稳恒场时，显示磁场值；当测量脉冲场时，显示峰值；当测量交变磁场时，由软件控制依次显示正、负峰值及峰峰值，显示时间间隔由软件控制为5s，当按下显示暂保持键时，保持当前显示数据，再次按显示保持键，显示下一个数据。
参数存储器X24128与霍尔器件封装在一起，通过串行总线和主机相连。
2.2定标电路设计及工作原理
定标电路主要由一个压控恒流源和提供控制电压的D／A转换电路组成。
压控恒流源由两个高阻型双运算放大器
LM358构成，其原理图如图5所示。
图5压控恒流源原理图
从图中可得出：
Ｉout=-４ＶIN（mA）
式中，VIN由16位D／A转换器MAX541提供，可在0～2．5V之间以0．04mV的分辨率调节。
那么恒流源电流可在0～10mA之间以0．161μA的分辨率调节，完全可以满足一般霍尔器件的恒流工作要求。
2.3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。
图6液晶显示模块接口电路
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6所示
2.4信号处理与采集电路
为了对不同类型磁场进行高精度测量，本系统信号处理电路由程控放大电路、数字调零电路、峰值检测与保持电路组成。
处理后信号的采集由MAXlll通道1完成。
2.4.1数字调零电路
由于制作工艺的原因，霍尔器件总有不等位电势存在。
为了适应自动测量的需要，不等位电压的补偿由数字调零电路实现。
该电路实际上是由两个运算放大器构成的加减运算电路。
在系统初始化时，对不同量程进行调零，并将对应的补偿电压数值存在RAM中；测量过程中量程转换或手动选择量程后，可直接查询相应的数值，由D/A转换器输出补偿电压。
由于采用了高精度的A/D和D/A转换器，调零后的不等电位小于0.1mV。
2.4.2峰值检测与保持电路
为了测量脉冲磁场和交变磁场的峰值，本系统含有由采样保持器LF398[5]和逻辑控制电路组成的正负峰值检测保持电路。
正峰值检测保持电路原理图如图5所示。
LF398的控制端8的逻辑值E＝（A+B）*D，当E为高时LF398处于跟随状态，输出电压等于输入电压；当E为低时LF398处于保持状态，输出保持不变。
峰值保持电路的工作过程是：
当进行数据采集时，使P2.0置低电平，P2.1置高，这样LF398的控制端完全取决于LM319比较器的输出端。
LM319的输出电平可由LF398的输出电压Vo和输入电压Vin比较的结果决定。
当输入电压Vin高于输出电压Vo时，LF398的逻辑控制被置成高电平，使LF398处于跟随状态；当输入电压Vin达到峰值而下降时，LF398的逻辑控制端被置成低电平，使LF398处于保持状态，从而实现了对“峰值”的保持。
在采样状态，为了使保持下来的峰值不被下一个不同的峰值冲掉，当检测到P1.2被置成低电平（LF398已经取得峰值）时，使P2.1脚置低电平，从而封锁了输入信号。
在测量稳恒磁场和交变磁场时，为了提高准确度，常需要转换量程。
每次转换量程后，先把P2.0和P2.1置高，使LF398处于跟随状态，延时50μs，使得LF398的输出和输入相等；然后将P2.0置低，进入峰值检测状态，即可完成量程转换。
负峰值检测电路只是在正峰值检测电路之前加了一个反相器，逻辑控制部分由P1.3、P2.2、P2.3完成。
保持下来的峰值经一个模拟开关CD4051后由MAXlll的通道1检测。
2.5频率测量
由于AT89C52含有三个定时计数器，测量频率非常简单方便，只需对调零后的输出信号进行适当的放大，其后经过一个过零滞回比较器整形后得到方波信号，再通过一个四分频器输入到AT89C52的计数器T1和外部中断INT0即可。
为了更加准确地测量频率，当信号频率高于5kHz时用测频法，即关中断INT0，把定时器TO设定一个时间to，开计数器T1，计数器溢出一次，则把内存中某个单元加1；若to时间内计数值为N1，可求得被测信号的频率为4Nl/to。
频率低于5kHz时用测周期法，即关计数器T1，开定时器TO，中断INT0以边沿方式触发，发生第一次中断时，TO计时为t1，再次发生中断时关掉中断，此时计数器TO计时为t2，则被测信号的周期T＝（t2-t1）／4、f＝4／（t2-t1）。
为了测较低的信号频率，可以使TO循环计数。
由于加了四分频，该方法可测小于2MHz的信号。
2.6仪器的软件设计
仪器软件采用汇编语言编写，包括主程序、定标子程序、调零子程序、数据采集子程序、显示子程序、键盘中断服务子程序、频率测量程序、A/D转换程序、D/A转换程序、计算磁场大小子程序等。
系统默认为自动测量模式，选择最大量程。
在键盘中断程序中，不同的键被按下，执行不同的程序。
在数据采集子程序中，判断是否为手动，若是则直接采集，并保存数据。
若不是则判断量程是否合适，不合适则转换量程重新测量，并保存上次测量值。
若转换后测量为零，说明为脉冲场，以上次测的值为准。
因此，对于脉冲场，若知道其场强范围，最好手动选择量程。
仪器软件流程图如图7所示。
该测场仪以单片机为核心，采用串行存储器扩大了磁场测量范围，采用压控恒流源技术解决了霍尔探头更换后的定标问题。
该仪器具有自动量程转换功能，并能同时测量磁场频率，其磁场的测量范围为：
0.01mT～6T，测量精度优于量程的±0.2％，特别适合于磁场大、类型未知的测量场合。
图7仪器软件流程图
2.7方案的优缺点
优点：
（1）利用新的角度、新的思想达到弱磁的测量。
（2）测量原理和方法简单、探头体积小、测量敏捷，并能直接连续读数。
（3）霍尔传感器具有对磁场敏感程度高、结构简单、使用方便。
（4）可较为准确地测量-1000Gus-1000Gus的弱磁场的磁感应强度。
（5）通过测定变化磁场的磁感应强度，绘制的较为简单的磁滞曲线。
缺点：
（1）磁感应强度测量示数不稳定，易受外界因素干扰。
（2）半导体霍尔元件的温度系数一般都较大，不经温度校准误差较大。
（3）未能消除霍尔效应的副效应对磁场的测量产生影响。
2.8误差分析
（1）测量时，未能全部利用霍尔元件的线性区，测量不太精确。
（2）磁场强度的改变，未能全部反映到输出电压上。
（3）霍尔效应的副效应对磁场的测量产生影响。
（4）因螺线管通长时。
3.结束语
首先，感谢帮助我的老师以及各位同学，在课程设计中我遇到了很多困难，
这次课程设计，巩固与扩充了传感器应用设计等课程的所学内容，提高了计算能力，熟悉了规范和标准。
最重要的是使我懂得了做一件事情需要如何去把握，怎么样能做到最好，增强了统筹全局的能力。
这次设计过程中也体现出了自己单独设计、综合运用知识能力的不足，需要多查阅资料和课本。
不过总的来说这次课设还是很开心的，毕竟这是自己亲手做出来的东西。
而且现在的我已经大三了，很快就面临着毕业，所以在剩下的时间里我要更加的努力学习，锻炼自己各个方面的能力，让自己充实的过好每一天，这样将来到社会上才能更好的生活，更容易融入社会，适应社会。
另外，要学会用自己掌握的理论知识对结果进行分析，以实现对程序代码进行不断改进，得出正确的结果。
经过此次学习，我认识到，知识只有会用才是真正意义上的学会，只有在不断的遭遇问题与解决问题间自己才能不断的进步，这进一步说明，自己并不能单纯的学习理论知识，应该加强实践，只有这样自己的专业能力才会有质的提高。
此次实验中，同学间的相互帮助也让自己受益颇多，同时也认识到，应该怎么与别人更好协作。
参考文献
[1]松井邦彦著，梁瑞林译.传感器实用电路设计与制作.科学出版社，2005年.
[2]何希才.常用传感器应用电路的设计与实践.科学出版社，2007年.
[3]3位半A/D转换及液晶显示器ICL7107说明书
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