霍爾傳感器信號(hào)采集與顯示系統(tǒng)設(shè)計(jì)

0 引 言
    近年來，隨著傳感器技術(shù)的不斷發(fā)展，特別是單片機(jī)技術(shù)的廣泛應(yīng)用，采用單片機(jī)與PC機(jī)構(gòu)成的小型傳感器測控系統(tǒng)越來越多。因?yàn)樗鼈兒芎玫亟Y(jié)合了單片機(jī)的價(jià)格低，功能強(qiáng)，抗干擾能力好，溫限寬和面向控制等優(yōu)點(diǎn)及Pc機(jī)操作系統(tǒng)中Windows的高級(jí)用戶界面、多任務(wù)、自動(dòng)內(nèi)存管理等特點(diǎn)。在這種測控系統(tǒng)中，單片機(jī)主要進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集及預(yù)處理，然后通過串行口將數(shù)據(jù)送給PC機(jī)，PC機(jī)再對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)一步處理，例如求均值、方差、畫動(dòng)態(tài)曲線與計(jì)算給定、打印輸出的各種參數(shù)等任務(wù)。
    這里采用霍爾傳感器作為前端進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，然后在單片機(jī)控制下進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換，并將信號(hào)通過串口送給PC機(jī)進(jìn)行繪圖處理。

1 系統(tǒng)介紹
    系統(tǒng)可以分為3個(gè)部分。第一部分是信號(hào)源，由霍爾傳感器產(chǎn)生電壓信號(hào)，信號(hào)通過差分放大，濾波得到較清晰的信號(hào)；第二部分是信號(hào)經(jīng)過A／D轉(zhuǎn)換送入單片機(jī)進(jìn)行處理，再通過串行通信送入PC機(jī)處理得到結(jié)果；第三部分是數(shù)據(jù)的顯示，這部分是通過VB的繪圖程序來完成，顯示結(jié)果以v-x關(guān)系圖來顯示。系統(tǒng)總流程如圖1所示。

2 硬件設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)
2．1 霍爾傳感器
    霍爾傳感器是利用霍爾效應(yīng)實(shí)現(xiàn)磁電轉(zhuǎn)換的一種傳感器。它具有靈敏度高，應(yīng)用廣泛的特點(diǎn)。其工作原理如圖2所示：一塊半導(dǎo)體薄片，其長度為L，寬度為B，厚度為D，置于磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的磁場中，在相對(duì)的兩邊通以控制電流I，且磁場方向與電流方向正交，則在半導(dǎo)體的兩邊將產(chǎn)生一個(gè)與控制電流和磁感應(yīng)強(qiáng)度乘積成正比的電勢U，該電勢即為霍爾電壓，用UH表示，即UH=KHIB，其中KH為霍爾元件的靈敏度，半導(dǎo)體薄片就是霍爾元件。

    同理有2塊磁場相同的永久磁鐵，同極性相對(duì)放置。當(dāng)其表面積遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于兩者的間距時(shí)，正中間磁感應(yīng)強(qiáng)度為O，在縫隙間沿z軸形成一個(gè)均勻梯度的磁場dB／dx=K(K為常數(shù))。B=0處作為位移x的參考原點(diǎn)，則x=O時(shí)，B=O，UH=O。當(dāng)它們中間的霍爾元件移動(dòng)到x處時(shí)，UH大小由x處的B決定。由公式UH=KHIB可知：保持I不變，則dUH/dx=IKHdB/dx=KHI=K，積分后得UH=Kx，即霍爾電勢與位移成比例。磁場梯度越大，靈敏度越高，磁場變化越均勻，UH和x的線性越好。
    本系統(tǒng)中的第一部分由圖3中的霍爾傳感器裝置提供，由霍爾元件(A44E)、差分放大器和濾波器組成。其輸出電壓與霍爾元件位移成比例，具有較高靈敏度，能夠產(chǎn)生出符合要求的電壓信號(hào)。

2．2 模／數(shù)轉(zhuǎn)換原理
    該系統(tǒng)中的單片機(jī)是使用Atmel公司的AT89C51微控制器，與MCS一51單片機(jī)產(chǎn)品兼容，具有4 KB閃爍可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器、1 000次擦寫周期、32個(gè)可編程I／O口線、2個(gè)16位定時(shí)器／計(jì)數(shù)器、5個(gè)中斷源、UART串行通道等特點(diǎn)。在設(shè)計(jì)中主要用它來控制傳感器信號(hào)發(fā)生裝置輸出的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和顯示以及串行通信。
    經(jīng)過與標(biāo)準(zhǔn)量比較處理后的模擬量轉(zhuǎn)化成以二進(jìn)制數(shù)值表示的離散信號(hào)的轉(zhuǎn)換器，簡稱A／D轉(zhuǎn)換器．轉(zhuǎn)換器的輸入量一般為直流電流或電壓，輸出量為二進(jìn)制數(shù)碼的數(shù)字量。該設(shè)計(jì)中使用ADC0809轉(zhuǎn)換器。過程如下：首先它可以將其看成由一個(gè)8位A／D轉(zhuǎn)換器和一個(gè)8通道模擬多路開關(guān)組合而成，INO～I(xiàn)N7分別對(duì)應(yīng)8路模擬量輸人，由引腳ADDA，ADDB和ADDC決定具體是哪一條模擬量來進(jìn)行轉(zhuǎn)化。在引腳START和ALE上加1個(gè)正脈沖后，通道選擇碼立即鎖定并同時(shí)ADC轉(zhuǎn)換啟動(dòng)。轉(zhuǎn)換開始后OE引腳加1個(gè)正脈沖，將輸出緩沖器的三態(tài)門打開，使轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量能夠傳送至數(shù)據(jù)總線。
2．3 數(shù)據(jù)采集和顯示
    放大處理后的電壓信號(hào)，雖然在幅值上達(dá)到了可以處理的范圍，但模／數(shù)電壓轉(zhuǎn)換的范圍是0～5 V，而傳感器輸出的電壓存在負(fù)值，為了使電壓匹配，信號(hào)電壓在接人模／數(shù)轉(zhuǎn)換器前可以加一級(jí)加法電路，將電壓信號(hào)全部轉(zhuǎn)換為正值。放大電路、濾波電路和加法電路均使用LM324實(shí)現(xiàn)，硬件電路如圖4所示。

    數(shù)據(jù)顯示電路分為數(shù)碼管顯示電路和PC機(jī)顯示 部分。數(shù)碼管顯示用于單片機(jī)上，單片機(jī)分別通過段顯 碼和位顯碼對(duì)數(shù)碼管上顯示的數(shù)據(jù)進(jìn)行控制。段顯碼 控制顯示的數(shù)據(jù)內(nèi)容，位顯碼則控制數(shù)碼管亮或滅。段 顯碼是單片機(jī)通過可編程通用并行接口8155逐位傳到 8位移位寄存器74LSl64中去，再由它將串行傳輸數(shù)據(jù) 變?yōu)椴⑿袛?shù)據(jù)傳給數(shù)碼管顯示。而位顯碼是單片機(jī) 通過8155一次性送到數(shù)據(jù)鎖存器74L$244中鎖存，再 去驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管并控制其亮或滅。 
2．4 串行通信 
    該設(shè)計(jì)中采用異步串行通信的方式。而AT89C51 單片機(jī)的串行口，當(dāng)工作于方式1，2和3時(shí)，UART(通用異步接收和發(fā)送)可以實(shí)現(xiàn)單片機(jī)系統(tǒng)與PC機(jī)之間的串行通信。PC機(jī)串行通信主要是通過串行口芯片8251實(shí)現(xiàn)的。8251有10個(gè)寄存器，端口地址從3F8H～3FEH(c0M1)，可以通過對(duì)8251編程來指定通信協(xié)議即通信的波特率、數(shù)據(jù)位數(shù)、奇偶類型和停止位長度。另外由于Pc機(jī)串口的電平是RS 232電平，不與單片機(jī)串口的TTL電平兼容，因此需要在它們之間進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。傳統(tǒng)的方法是使用MCl488將TTL電平轉(zhuǎn)換成RS 232電平，用MCl488實(shí)現(xiàn)反向轉(zhuǎn)換，由于MCl488需要±12 V電壓，使用中非常不便，故該設(shè)計(jì)采用MAXIM公司的產(chǎn)品片MAX232來實(shí)現(xiàn)，由單+5 V的電壓供電，既可實(shí)現(xiàn)TTL到RS 232的電平轉(zhuǎn)換，也可實(shí)現(xiàn)RS 232到TTL電平的轉(zhuǎn)換，使用十分方便，具體的線路如圖5所示。

3 軟件實(shí)現(xiàn)部分
3．1 單片機(jī)部分
    AT89C51系列單片機(jī)的串行口可工作于4種不同的方式。在該程序中，單片機(jī)串行口工作設(shè)定為方式1，即數(shù)據(jù)經(jīng)TxD端發(fā)送，RxD端接收，波特率2 400 b／s，10位構(gòu)成一幀，l位起始位，8位數(shù)據(jù)位，1位停止位，初值0F3H，SMOD=1。
    由于單片機(jī)多應(yīng)用于實(shí)時(shí)性較強(qiáng)的控制場合，為了盡量少占用CPU的時(shí)間，充分發(fā)揮CPU的功能。該系統(tǒng)在單片機(jī)程序設(shè)計(jì)中采用中斷方式與PC機(jī)進(jìn)行通信。主程序只進(jìn)行串行通信、數(shù)碼管實(shí)時(shí)顯示、模／數(shù)轉(zhuǎn)換結(jié)果的初始化和循環(huán)等待串行中斷工作，當(dāng)接收到PC機(jī)發(fā)來的信號(hào)時(shí)，就轉(zhuǎn)人中斷服務(wù)程序，進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換，并向Pc機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)。中斷服務(wù)子程序流程圖如圖6所示。

    以下僅給出串行通信初始化和中斷服務(wù)子程序代碼：
    串行通信初始化程序?yàn)椋?/p>

   
3．2 PC機(jī)部分
    在Windows中，串行口的硬件設(shè)備通過通信驅(qū)動(dòng)程序comm．drv與windows進(jìn)行連接，通過使用標(biāo)準(zhǔn)的windows API函數(shù)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。而MSComm控件通信功能的實(shí)現(xiàn)，是調(diào)用windows API函數(shù)，并通過設(shè)置其屬性和事件，來定義windows通信驅(qū)動(dòng)程序的API函數(shù)接口，為應(yīng)用程序提供了通過串行接口收發(fā)數(shù)據(jù)的簡便方法。
    MSCOmm控件提供了2種處理通信的方法：一是事件驅(qū)動(dòng)方法，也就是利用OnComm事件，這是一種處理串行端口活動(dòng)非常有效的方法，不僅能夠利用MSCOmm控件來偵測并處理通信事件和錯(cuò)誤，而且還具有程序響應(yīng)及時(shí)、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)；另一種方法是查詢法，MSComm控件的C0mmEvent屬性返回通信中產(chǎn)生的事件和錯(cuò)誤類型，由通信控件自動(dòng)檢測和跟蹤通信狀態(tài)后設(shè)置。因此可以直接讀取CommEvent屬性的值來檢測通信中產(chǎn)生的事件和錯(cuò)誤類型，這種方法比較簡單，常用在小的自含程序中。
    該設(shè)計(jì)程序即采用查詢法讀取InBufferCount的屬性值來接收單片機(jī)發(fā)來的數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)主程序?qū)Υ诔跏蓟嫵鲎鴺?biāo)系；每單擊‘繪點(diǎn)’鍵程序向單片機(jī)發(fā)送一個(gè)任意數(shù)，告訴單片機(jī)將模數(shù)轉(zhuǎn)換結(jié)果發(fā)送過來，然后采用查詢方式接收該數(shù)據(jù)，進(jìn)行相應(yīng)的轉(zhuǎn)化后把該點(diǎn)繪在坐標(biāo)系上，一次數(shù)據(jù)采集結(jié)束。
    MSComm控件的常用屬性：CommPort：設(shè)置并返回通信端口號(hào)；Settings：以字符串的形式設(shè)置并返回波特率、奇偶校驗(yàn)、數(shù)據(jù)位、停止位；Pott()pen：設(shè)置并返回通信端口的狀態(tài)也可以打開和關(guān)閉端口；Input：從接收緩沖區(qū)返回和刪除字符；Output：向傳輸緩沖區(qū)寫1個(gè)字符串。
    該實(shí)驗(yàn)的Coml口串行通信初始化程序如下：

    End Sub
    從圖7中PC機(jī)界面顯示位移一電壓坐標(biāo)圖，表1記錄的數(shù)據(jù)以及圖8在示波器上顯示的霍爾線性電路理想電壓一位移曲線圖相比較，可以發(fā)現(xiàn)由于傳感器實(shí)驗(yàn)臺(tái)受外界干擾等原因使得輸出信號(hào)輸出誤差在所難免，而且沒有電平轉(zhuǎn)換，使得VB繪圖中得到的數(shù)值存在負(fù)值；但是可以在圖中看到傳感器輸出的電壓值在正負(fù)之間有明顯的對(duì)稱性，與要求輸出的理想輸出信號(hào)波形相符合，證明本系統(tǒng)運(yùn)行良好，設(shè)計(jì)的非常成功。

4 結(jié) 語
    對(duì)于目前廣泛應(yīng)用的WindOWs環(huán)境下實(shí)現(xiàn)PC機(jī)與單片機(jī)之間的通信問題具有重要的參考價(jià)值。