霍爾磁場檢測儀

安江濤　姚志祥

摘 要：該文介紹的是設(shè)計制作的霍爾環(huán)境磁場檢測儀的原理、硬件選擇、程序設(shè)計思路及相關(guān)討論。該儀器可用于實(shí)現(xiàn)對環(huán)境磁場的實(shí)時監(jiān)測，在LCD顯示屏上顯示所測峰值、平均值等，并實(shí)現(xiàn)過閾值報警的功能，體積小、便于攜帶、測量方便。

關(guān)鍵詞：磁場輻射 數(shù)值保持 過閾值報警 檢測儀

中圖分類號：TM936 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2017）01（c）-0029-02

磁場測量儀作為一種在數(shù)字、科研、物理實(shí)驗中廣泛使用的儀器，主要測量方法有超導(dǎo)法、霍爾效應(yīng)法、磁通門法、感應(yīng)線圖法等?，F(xiàn)有技術(shù)公開了多種磁場檢測儀，但是傳統(tǒng)的磁場檢測儀結(jié)構(gòu)均較為龐大，分析比較繁瑣，不適合普通環(huán)境的磁場檢測。

隨著科學(xué)的進(jìn)步與發(fā)展，磁場檢測以及磁場對人的影響已經(jīng)受到人們越來越多的關(guān)注與研究。對于在低頻磁場的居民曝露程度，世界各國的差異都不太大。在美國，居民家中的幾何平均磁場約為0.055～0.11μT，在歐洲約為0.025～0.7μT。而普通家庭的環(huán)境電場的平均值一般為每米幾百伏特。在一些用電設(shè)施附近，瞬時磁場值可為幾百微特斯拉。電力線附近的磁場差不多為20μT，電場約為幾千伏每米。研究表明，人體長期暴露在較高磁場中會引起一系列的癥狀，干擾人體的正常代謝和生長發(fā)育。所以，磁場檢測儀在作為科研工具同時，也應(yīng)為人類生活服務(wù)。當(dāng)人體身處較高磁場環(huán)境下，磁場檢測儀完成過閾值報警的功能，因此，設(shè)計此儀器的測量范圍為0～200μT。

1 霍爾磁場檢測儀原理

整個系統(tǒng)采用5 V直流電源供電，由霍爾傳感器探頭檢測到的磁場信號首先通過濾波網(wǎng)絡(luò)，送至放大電路，放大電路模塊采用低功耗運(yùn)算放大器AD620，AD620是根據(jù)三運(yùn)放改進(jìn)的一種單片儀表放大器，具有高共模抑制比和高線性度等特點(diǎn)。將放大的模擬信號輸出至A/D轉(zhuǎn)換模塊中，再將轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號送到單片機(jī)模塊中進(jìn)行集中統(tǒng)一處理，最后以數(shù)字信號的形式在LCD顯示屏上進(jìn)行顯示，并具有數(shù)值保持，峰值顯示，平均值計算等功能。若顯示數(shù)值超過所設(shè)閾值，實(shí)現(xiàn)報警功能：蜂鳴器響起，報警指示燈點(diǎn)亮。（如圖1）

霍爾磁場傳感器選用線性度很高的SS495A1芯片，信號輸出端與運(yùn)算放大器的負(fù)端相連，放大器正向輸入端設(shè)置電位器，用以零位調(diào)整，使測量更加準(zhǔn)確，需要說明的是，AD620芯片需要+5 V和-5 V電壓進(jìn)行供電，所以在電路中使用7 660芯片，為AD620提供-5 V電壓；然后將放大后的模擬信號送入A/D轉(zhuǎn)換芯片ADC0809的輸入端Vin（如圖2）；再將模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸出信號送入單片機(jī)芯片AT89C51的P1口，利用P0口與LCD顯示屏W1602A的數(shù)據(jù)輸入端的連接實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。鍵盤按鈕設(shè)置在：單片機(jī)的RESET端口，此按鍵用以控制單片機(jī)的正常復(fù)位并重新進(jìn)行采集數(shù)據(jù)；單片機(jī)的P25～P27端，用于控制顯示器顯示數(shù)據(jù)類型的切換。W1602A是一種字符點(diǎn)陣液晶顯示模塊，其內(nèi)部操作數(shù)由MPU發(fā)送的信號決定，這些信號包括：（1）寄存器選擇信號RS；（2）讀寫信號R/W；（3）數(shù)據(jù)總線DB0～DB7；（4）MPU或外部并行I/0口的選通信號E。P20～P23口提供W1602A的讀寫控制。報警模塊與單片機(jī)的P25相連。報警模塊由發(fā)光二極管，PNP三極管，蜂鳴器所構(gòu)成，由P24控制是否發(fā)生報警。

2 程序設(shè)計

此磁場檢測儀系統(tǒng)程序使用并行多任務(wù)的設(shè)計思想，有效加快了程序的編寫進(jìn)程，且條理清晰。多任務(wù)系統(tǒng)分為五個任務(wù)。

（1）A/D轉(zhuǎn)換：負(fù)責(zé)模擬信號量到數(shù)字信號量的轉(zhuǎn)換處理。

（2）鍵盤掃描：負(fù)責(zé)掃描鍵盤I/O，設(shè)置鍵盤狀態(tài)字，通知模式選擇進(jìn)行鍵盤處理。

（3）模式選擇：負(fù)責(zé)處理鍵盤的請求，改變系統(tǒng)工作狀態(tài)。

（4）報警處理：負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)對比與報警模塊的驅(qū)動。

（5）顯示刷新：負(fù)責(zé)測量數(shù)據(jù)的顯示與刷新，將數(shù)據(jù)顯示到液晶屏上。

3 該儀器實(shí)現(xiàn)功能

根據(jù)實(shí)際采集情況，設(shè)計了三個模式切換按鍵，分別由AT89C51的P25～27進(jìn)行控制，完成峰值顯示、數(shù)據(jù)保持、平均值顯示的功能。該儀器選用的W1602顯示屏具有智能點(diǎn)陣的功能，可以利用它顯示采集的數(shù)據(jù)以及磁場符號單位等。具體操作如以下幾點(diǎn)。

（1）打開儀器電源開關(guān)，LCD液晶屏上顯示“WELCOME”字樣，表示檢測儀系統(tǒng)正常。

（2）按下開始鍵，液晶屏上會顯示檢測到的磁場數(shù)值，若沒有校零則要進(jìn)行校零，此時應(yīng)避免儀器處于較強(qiáng)磁場環(huán)境之下，否則該儀器會將當(dāng)前所測的比較大的信號設(shè)置為零點(diǎn)進(jìn)行處理，會導(dǎo)致最后出現(xiàn)錯誤顯示。而每次測量前的校零操作是因為傳感器探頭受溫度等影響而發(fā)生變化，會產(chǎn)生零點(diǎn)漂移。校零操作能有效保證檢測的準(zhǔn)確性。

（3）校零以后，便可以開始測量。將儀器靠近被測區(qū)域，按下開始鍵，檢測儀將以帶單位的磁場值實(shí)時直觀顯示測量，如按下保持鍵，則顯示值不會再隨環(huán)境磁場發(fā)生變化。再次按下保持鍵解除保持狀態(tài)，正常采集數(shù)據(jù)。按下平均值按鍵，則由單片機(jī)模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)平均值處理并進(jìn)行顯示。

（4）按下復(fù)位鍵，便開始新的一次檢測，檢測方法同上。當(dāng)檢測值超過預(yù)先所設(shè)置的值時，檢測儀實(shí)現(xiàn)過閾值報警功能，單片機(jī)模塊控制三極管導(dǎo)通，發(fā)光二極管被點(diǎn)亮，蜂鳴器響起進(jìn)行報警。

4 傳感器選取

與其他霍爾傳感器相比，SS495A的優(yōu)勢在于：SS495A線性霍爾效應(yīng)傳感器是一款體積小，功能多的線性霍爾效應(yīng)器件，它在永久磁體或電磁體產(chǎn)生的磁場控制下工作。線性輸出電壓由電源電壓設(shè)置并隨磁場強(qiáng)度的變化而等比例改變。先進(jìn)的內(nèi)置功能電路設(shè)計確保了它的低輸出噪聲，從而使得該器件的使用無需搭配外部濾波電路。內(nèi)置薄膜電阻大大增強(qiáng)了器件的溫度穩(wěn)定性和輸出精度。其工作溫度范圍寬達(dá)-40 ℃～150 ℃。工作電壓為4.5～10 V，該儀器的工作電壓為5 V。

5 其他模塊的芯片選取

放大模塊采用的芯片為AD620，盡管AD620由傳統(tǒng)的三運(yùn)算放大器發(fā)展而成，但一些主要性能卻優(yōu)于三運(yùn)算放大器構(gòu)成的儀表放大器的設(shè)計，如電源范圍寬（±2.3～±18 V），設(shè)計體積小，功耗非常低（最大供電電流僅1.3 mA），因而適用于低電壓、低功耗的應(yīng)用場合。為保護(hù)增益控制的高精度，其輸入端的三極管提供簡單的差分雙極輸入，并采用β工藝獲得更低的輸入偏置電流，通過輸入級內(nèi)部運(yùn)放的反饋，保持輸入三極管的集電極電流恒定，并使輸入電壓加到外部增益控制電阻RG上。AD620的兩個內(nèi)部增益電阻為24.7 kΩ，因而增益方程式為，對于所需的增益，則外部控制電阻值為kΩ，由此，可以利用外部控制電阻來控制放大倍數(shù)。根據(jù)傳感器輸出信號及所測量范圍取RG=62 Ω，使增益 G=800。

AD轉(zhuǎn)換模塊選用常用的芯片ADC0809，ADC0809作為一種8位逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器，ADC0809對輸入模擬量要求：信號單極性，電壓范圍是0～5 V，若信號太小，必須進(jìn)行放大；輸入的模擬量在轉(zhuǎn)換過程中應(yīng)該保持不變，如若模擬量變化太快，則需在輸入前增加采樣保持電路，即采集模擬輸入電壓在某一時刻的瞬時值，并在A/D轉(zhuǎn)換期間保持輸出電壓不變，以供模數(shù)轉(zhuǎn)換。而該磁場檢測儀工作電壓為5 V，由放大器輸出的模擬量與要求相符合，所以能完成AD模塊的轉(zhuǎn)換需要。

單片機(jī)模塊使用的芯片為常用的AT89C51，實(shí)現(xiàn)對采集數(shù)據(jù)的處理，模式切換等一系列工作，AT89C51價格便宜，使用方便，數(shù)據(jù)處理與程序編寫便捷，滿足此霍爾磁場檢測儀的基本要求。

顯示模塊使用的是LCD1602，實(shí)現(xiàn)對采集數(shù)據(jù)的顯示，LCD1602可以顯示兩行，每行16個字符液晶模塊（顯示字符和數(shù)字）。1602液晶是一種專門用來顯示字母、數(shù)字、符號等的點(diǎn)陣型液晶模塊。它由若干個5X7或5X11等點(diǎn)陣字符位組成，每個點(diǎn)陣字符位都可以顯示一個字符，每位之間有一個點(diǎn)距的間隔，每行之間也有間隔，起到了字符間距和行間距的作用。

6 結(jié)語

該文所述霍爾磁場檢測儀可用于環(huán)境磁場的檢測，并設(shè)置了數(shù)據(jù)的多種采集顯示方式，使用方便快捷。

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