智能型霍爾效應(yīng)實(shí)驗(yàn)儀及無線聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)

王學(xué)水，周玉潔，張冉冉

(山東科技大學(xué) 電子通信與物理學(xué)院，山東 青島 266590)

霍爾效應(yīng)作為一種磁電效應(yīng)，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化及智能電子技術(shù)等領(lǐng)域. 因此，霍爾效應(yīng)實(shí)驗(yàn)是各大高校理工科專業(yè)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中必不可少的實(shí)驗(yàn)[1]. 通過實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蝌?yàn)證霍爾電壓與勵(lì)磁電流以及霍爾電壓與工作電流的線性關(guān)系. 傳統(tǒng)的霍爾效應(yīng)實(shí)驗(yàn)儀不能及時(shí)保存數(shù)據(jù)，教師也不清楚學(xué)生課上的實(shí)驗(yàn)情況. 與現(xiàn)有的其他霍爾效應(yīng)實(shí)驗(yàn)儀相比，智能型霍爾效應(yīng)實(shí)驗(yàn)儀將傳統(tǒng)霍爾效應(yīng)實(shí)驗(yàn)儀與先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合，對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了實(shí)時(shí)采集、記錄、分析和顯示，并對實(shí)驗(yàn)測試數(shù)據(jù)無線遠(yuǎn)傳和數(shù)據(jù)管理，不僅提高了實(shí)驗(yàn)效率及實(shí)驗(yàn)精確度，教師對學(xué)生掌握實(shí)驗(yàn)的情況也有了充分的了解，拓展了學(xué)生探究性學(xué)習(xí)的同時(shí)，也督促了學(xué)生認(rèn)真實(shí)驗(yàn)，提高了實(shí)驗(yàn)課的質(zhì)量[2].

1 系統(tǒng)框架及工作原理

系統(tǒng)由1臺上位機(jī)和多臺智能型霍爾效應(yīng)實(shí)驗(yàn)儀構(gòu)成，智能型霍爾效應(yīng)實(shí)驗(yàn)儀用于學(xué)生實(shí)驗(yàn). 每臺智能型霍爾效應(yīng)實(shí)驗(yàn)儀都有唯一的機(jī)器編號用于區(qū)分不同的設(shè)備和實(shí)驗(yàn)組別. 上位機(jī)用于管理學(xué)生的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù). 上位機(jī)和智能型霍爾效應(yīng)實(shí)驗(yàn)儀通過無線建立連接，實(shí)現(xiàn)二者的通信，儀器架構(gòu)如圖1所示.

上位機(jī)是由1臺微型計(jì)算機(jī)和1個(gè)USB串口轉(zhuǎn)無線模塊構(gòu)成. 智能型霍爾效應(yīng)實(shí)驗(yàn)儀是由單片機(jī)、觸摸屏、模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片、無線模塊、電流源、放大器、霍爾元件等構(gòu)成的嵌入式系統(tǒng)[3]. 智能型霍爾效應(yīng)實(shí)驗(yàn)儀的硬件原理圖如圖2所示.

圖1 智能型霍爾效應(yīng)實(shí)驗(yàn)儀系統(tǒng)架構(gòu)圖

圖2 智能型霍爾效應(yīng)實(shí)驗(yàn)儀的硬件原理框圖

電磁線圈的作用是將恒定電流轉(zhuǎn)化為恒定磁場. 勵(lì)磁電流恒流源的作用是給電磁線圈提供恒定電流，電流大小由勵(lì)磁電流恒流源自帶的電位器來調(diào)節(jié)，其供電來源是電源模塊產(chǎn)生的36 V獨(dú)立電源. ADC1完成對勵(lì)磁電流恒流源的電流進(jìn)行采樣.

工作電流恒流源的作用是為霍爾元件提供恒定電流，電流大小由工作電流恒流源自帶的電位器來調(diào)節(jié)，其供電來源是電源模塊產(chǎn)生的12 V獨(dú)立電源. ADC2完成對工作電流恒流源的電流進(jìn)行采樣.

霍爾元件在恒定磁場和恒定電流的共同作用下會(huì)產(chǎn)生恒定霍爾電壓，由于產(chǎn)生的霍爾電壓較小，不利于直接測量，因此使用電壓放大器對其進(jìn)行放大后再測量. 利用電源模塊產(chǎn)生的12 V獨(dú)立電源對電壓放大器進(jìn)行供電. ADC3通過直接耦合的方式與電壓放大器的輸出端相連.

STC15W4K48S4單片機(jī)是整個(gè)測量終端的控制核心，協(xié)調(diào)各個(gè)模塊之間的工作. 通過3路串口分別與無線模塊、光耦模塊以及觸摸屏相連. 通過I2C接口與ADC1、ADC2以及ADC3相連. STC15W4K48S4單片機(jī)與ADC1，ADC2，ADC3以及無線模塊和觸摸屏共用一路電源，供電來源是電源模塊產(chǎn)生的5 V獨(dú)立電源.

無線模塊的作用是實(shí)現(xiàn)智能型霍爾效應(yīng)實(shí)驗(yàn)儀與上位機(jī)之間的通信. 觸摸屏的作用是顯示和輸入，在實(shí)驗(yàn)過程中，由觸摸屏顯示實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)狀態(tài)，并接收學(xué)生輸入的指令.

2 系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

2.1 勵(lì)磁電流恒流源

勵(lì)磁電流恒流源的作用是給電磁線圈提供恒定電流，在恒流源輸出0～1 A的情況下，勵(lì)磁線圈產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度滿足實(shí)驗(yàn)中霍爾元件對外磁場的要求. 電流大小可通過電位器RP28來調(diào)節(jié)，且該恒流源輸出的電流大小可測. 勵(lì)磁電流恒流源電路如圖3所示.

圖3 勵(lì)磁電流恒流源電路原理圖

2.2 工作電流恒流源

工作電流恒流源的作用是給霍爾元件提供恒定電流，實(shí)驗(yàn)中的霍爾元件要求工作電流在0～10 mA，電流大小可通過電位器RP32來調(diào)節(jié)，且該恒流源輸出的電流大小可測. 工作電流恒流源電路如圖4所示.

圖4 工作電流恒流源電路原理圖

2.3 放大器設(shè)計(jì)

放大器的作用是將微小霍爾電壓進(jìn)行放大. 經(jīng)實(shí)測在實(shí)驗(yàn)儀額定工作電流和勵(lì)磁電流情況下，霍爾電壓最大只有11 mV，需要將霍爾電壓放大10倍之后再利用ADC模塊內(nèi)部的增益為×8放大器再進(jìn)行放大. 霍爾電壓放大電路如圖5所示.

圖5 放大電路原理圖

由圖5可知，霍爾元件電壓輸出一端直接與運(yùn)放的同相輸入端相連，另一端經(jīng)過R30與運(yùn)放的反向輸入端相連. 放大后的電壓信號從A和B兩點(diǎn)輸出.R23和R31是偏置電阻，A點(diǎn)的電位由R23和R31分壓獲得. 圖中R23和R31兩電阻的阻值都是5.1 kΩ，故可得A點(diǎn)電位為6 V. 計(jì)算可得UB-UA的值約為10UH.

運(yùn)算放大器采用OP07芯片，該芯片是高精度單片運(yùn)算放大器，具有很低的輸入失調(diào)電壓和漂移，適合作前級放大器，放大微弱信號. RP20為滑動(dòng)變阻器，其作用是在當(dāng)放大器輸入端短路時(shí)，調(diào)節(jié)其大小使輸出為0，達(dá)到調(diào)零的目的.

2.4 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路

因霍爾電壓有正負(fù)之分，而單片機(jī)內(nèi)部的ADC不能測量負(fù)電壓，因此選用外部ADC對霍爾電壓、勵(lì)磁電流和工作電流進(jìn)行測量轉(zhuǎn)換. 轉(zhuǎn)換電路如圖6所示.

圖6 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路原理圖

ADC1,ADC2及ADC3采用同款模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片(型號為MCP3421)，該芯片是單通道低噪聲、高精度、差分輸入A/D轉(zhuǎn)換器，分辨率高達(dá)18位，具有片內(nèi)可編程增益放大器，在轉(zhuǎn)換之前可以選擇增益為×1,×2,×4或×8. 此實(shí)驗(yàn)儀采用增益為×8的放大器將放大10倍后的霍爾電壓再進(jìn)行放大. 該器件使用2線I2C兼容串行接口，并采用2.7 V至5.5 V單電源供電. 片上精密2.048 V參考電壓使得差分輸入電壓范圍為±2.048 V，滿足測量正負(fù)霍爾電壓的需求.

2.5 無線模塊

智能型霍爾效應(yīng)實(shí)驗(yàn)儀用于教學(xué)實(shí)驗(yàn)中，因此無需傳輸距離太遠(yuǎn)的無線模塊. 在智能型霍爾效應(yīng)實(shí)驗(yàn)儀中使用了LC12S無線模塊，該無線模塊的最遠(yuǎn)傳輸距離為120 m，比較適合在教學(xué)實(shí)驗(yàn)中應(yīng)用.

LC12S無線模塊應(yīng)用非常簡單，如圖7所示. 該無線模塊的電源使用5 V電源，RXD引腳與STC15W4K48S4單片機(jī)的第22引腳相連，TXD引腳與STC15W4K48S4單片機(jī)的第21引腳相連進(jìn)行通信.

圖7 LC12S應(yīng)用電路圖

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

智能型霍爾效應(yīng)實(shí)驗(yàn)儀軟件設(shè)計(jì)采用C語言，運(yùn)行在單片機(jī)平臺上. 智能型霍爾效應(yīng)實(shí)驗(yàn)儀軟件設(shè)計(jì)主要依據(jù)學(xué)生做實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)流程，實(shí)現(xiàn)以下功能：學(xué)號顯示、測量進(jìn)度提示、測量數(shù)據(jù)的保存、測量數(shù)據(jù)的查看、測量數(shù)據(jù)的修改、測量數(shù)據(jù)的提交、提交成敗反饋.

1)學(xué)號顯示功能用于在學(xué)生開始做實(shí)驗(yàn)之前提醒學(xué)生該使用哪臺機(jī)器做實(shí)驗(yàn).

2)測量進(jìn)度提示功能用于顯示學(xué)生做實(shí)驗(yàn)的進(jìn)度. 實(shí)心矩形代表已完成且保存過的實(shí)驗(yàn)，虛心矩形代表未完成或未保存的實(shí)驗(yàn).

3)測量數(shù)據(jù)的保存、查看、修改、提交是具體的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，學(xué)生按照實(shí)驗(yàn)要求和實(shí)驗(yàn)步驟將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)保存到智能型霍爾效應(yīng)實(shí)驗(yàn)儀中，最后將保存好的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)提交到教師使用的上位機(jī)中. 在實(shí)驗(yàn)過程中，學(xué)生可以通過查看數(shù)據(jù)和修改數(shù)據(jù)對實(shí)驗(yàn)過程中出現(xiàn)的錯(cuò)誤進(jìn)行修正.

4)提交成敗反饋功能用于提示學(xué)生的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)是否成功傳送到教師的上位機(jī)中.

5)根據(jù)軟件所實(shí)現(xiàn)的功能，將軟件劃分為6個(gè)子模塊，分別是系統(tǒng)模塊、數(shù)據(jù)庫模塊、觸摸屏模塊、測量模塊、通信模塊、業(yè)務(wù)邏輯模塊.

4 系統(tǒng)測試及數(shù)據(jù)處理

打開實(shí)驗(yàn)儀的電源開關(guān)，觸摸屏點(diǎn)亮，在界面上會(huì)顯示學(xué)生的學(xué)號以及“開始”按鈕，當(dāng)點(diǎn)擊“開始”按鈕后，實(shí)驗(yàn)正式開始，顯示屏界面會(huì)變?yōu)槿鐖D8所示.

在該界面下引導(dǎo)學(xué)生做實(shí)驗(yàn). 當(dāng)提交成功之后，教師使用的上位機(jī)上會(huì)顯示該智能型霍爾效應(yīng)實(shí)驗(yàn)儀的數(shù)據(jù)已經(jīng)提交.

該實(shí)驗(yàn)需分別得到霍爾電壓UH與工作電流IS的關(guān)系及霍爾電壓UH與勵(lì)磁電流IM的關(guān)系.

保持勵(lì)磁電流IM=700 mA不變，改變工作電流IS=1.00,1.20,…,2.00 mA，并根據(jù)觸摸屏界面上的順序，分別改變B和IS的方向，測出相應(yīng)的霍爾電壓UH. 數(shù)據(jù)測量如表1所示.

保持工作電流IS=2.00 mA不變，改變勵(lì)磁電流IM=200,300,…,700 mA，并根據(jù)觸摸屏界面上的順序，分別改變B和IS的方向，測出相應(yīng)的霍爾電壓UH. 數(shù)據(jù)測量如表2所示.

圖8 實(shí)驗(yàn)開始觸摸屏界面

表1 IM=700 mA，改變IS測量數(shù)據(jù)

表2 IS=2.00 mA,改變IM測量數(shù)據(jù)

利用繪圖插件提供的庫函數(shù)對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成圖像，UH-IS和UH-IM如圖9和圖10所示.

圖9 UH-IS曲線

圖10 UH-IM曲線

5 結(jié)束語

智能型霍爾效應(yīng)實(shí)驗(yàn)儀及無線聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)是基于現(xiàn)在國內(nèi)普通高校使用的傳統(tǒng)霍爾效應(yīng)實(shí)驗(yàn)儀的缺點(diǎn)及不足的前提下提出的. 傳統(tǒng)霍爾效應(yīng)實(shí)驗(yàn)儀不能使教師及時(shí)了解學(xué)生實(shí)驗(yàn)的情況，將傳統(tǒng)霍爾效應(yīng)實(shí)驗(yàn)儀與計(jì)算機(jī)結(jié)合，研制了可以將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行保存、查看及無線傳輸?shù)闹悄苄突魻栃?yīng)實(shí)驗(yàn)儀. 設(shè)計(jì)重點(diǎn)關(guān)注實(shí)用性、教師的便捷性以及學(xué)生的創(chuàng)新性，教師能夠及時(shí)清楚學(xué)生實(shí)驗(yàn)狀態(tài)，學(xué)生能夠更好的了解實(shí)驗(yàn)原理，提升了大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課的質(zhì)量.