2022年2022年霍尔传感器信号采集与显示系统设计 .pdf
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1、霍尔传感器信号采集与显示系统设计0 引 言近年来,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AD 转换,并将信号通过串
2、口送给 PC 机进行绘图处理。1 系统介绍系统可以分为 3 个部分。第一部分是信号源,由霍尔传感器产生电压信号,信号通过差分放大,滤波得到较清晰的信号;第二部分是信号经过AD转换送 入单片机进行处理,再通过串行通信送入PC机处理得到结果;第 三部分是数据的显示,这部分是通过 VB的绘图程序来完成,显示结果以v-x 关系图来显示。系统总流程如图 1 所示。2 硬件设计及实现21 霍尔传感器霍尔传感器是利用霍尔效应实现磁电转换的一种传感器。它具有灵敏度高,应用广泛的特点。其工作原理如图2 所示:一块半导体薄片,其长度为L,宽度为 B,厚度为 D,置于磁感应强度为B的磁场中,在相对的两边通以控制电流
3、I,且磁场方向与电流方向正交,则在半导体的两边将产生一个与控制电流和磁感应强度乘积成正比的电势U,该电势即为霍尔电压,用UH表示,即 UH=KHIB,其中 KH为霍尔元件的灵敏度,半导体薄片就是霍尔元件。同理有 2 块磁场相同的永久磁铁,同极性相对放置。当其表面积远远大于两者的间距时,正中间磁感应强度为O,在缝名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 1 页,共 7 页 -隙间沿 z 轴形成一个均匀梯度的磁场dBdx=K(K 为常数)。B=0处作为位移x 的参考原点,则x=O时,B=O,UH=O。当它们中间的霍尔元件移动到x 处时,UH大小由 x 处的 B决定。由公式UH=KHIB可知
4、:保持I 不变,则 dUH/dx=IKHdB/dx=KHI=K,积分后得 UH=Kx,即霍 尔电势与位移成比例。磁场 梯度越大,灵敏度越高,磁场变化越均匀,UH和 x 的线性越好。本系统中的第一部分由图3 中的霍尔传感器装置提供,由霍尔元件(A44E)、差分放大器和滤波器组成。其输出电压与霍尔元件位移成比例,具有较高灵敏度,能够产生出符合要求的电压信号。22 模数转换原理该系统中的单片机是使用Atmel 公司的 AT89C51微控制器,与MCS 一 51 单片机产品兼容,具有4 KB闪烁可编程可擦除只读存储器、1 000 次擦写周期、32 个可编程 IO口线、2 个 16 位定时器计数器、5
5、个中断源、UART串行通道等特点。在设计中主要用它来控制传感器信号发生装置输出的模拟信号转换成数字信号,进行数据采集和显示以及串行通信。经过与标准量比较处理后的模拟量转化成以二进制数值表示的离散信号的转换器,简称AD转换器转换器的输入量一般为直流电流或电压,输出量为二进制数码的数字量。该设计中使用ADC0809转换器。过程如下:首先它可以将其看成由一个 8 位 AD转换器和一个8 通道模拟多路开关组合而成,INOIN7 分别对应 8 路模拟量输人,由引脚 ADDA,ADDB 和 ADDC 决定具体是哪一条模拟量来进行转化。在引脚 START 和 ALE上加 1 个正脉冲后,通道选择码立即锁定并
6、同时ADC转换启动。转换开始后OE引脚加 1个正脉冲,将输出缓冲器的三态门打开,使转换后的数字量能够传送至数据总线。23 数据采集和显示放大处理后的电压信号,虽然在幅值上达到了可以处理的范围,但模数电压转换的范围是05 V,而传感器输出的电压存在负值,为了使电压匹配,信号电压在接人模数转换器前可以加一级加法电路,将电压信号全部转换为正值。放大电路、滤波电路和加法电路均使用LM324实现,硬件电路如图4 所示。数据显示电路分为数码管显示电路和PC机显示部分。数码管显示用于单片机上,单片机分别通过段显码和位显码对数码管上显示的数据进行控制。段显码控制显示的数据内容,位显名师资料总结-精品资料欢迎下
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