基于单片机的磁强测量仪设计

本本科毕业论文（设计）科毕业论文（设计） 论文（设计）题目：基于单片机的磁强测量仪设计论文（设计）题目：基于单片机的磁强测量仪设计 学学 院：院： 职业技术学院职业技术学院 专专 业：业：电子信息科学与技术电子信息科学与技术 班班 级：级： 电科职电科职 071 班班 学学 号：号： xxx 学生姓名：学生姓名： 邹邹 哥哥哥哥 指导教师：指导教师： 孙孙 老老 师师 2011 年 5 月 15 日 贵州大学本科毕业论文（设计）贵州大学本科毕业论文（设计） 诚信责任书诚信责任书 本人郑重声明：本人所呈交的毕业论文（设计），是在导师的 指导下独立进行研究所完成。毕业论文（设计）中凡引用他人已经 发表或未发表的成果、数据、观点等，均已明确注明出处。 特此声明。 论文（设计）作者签名： 日 期： 贵州大学本科毕业论文(设计) 第 I 页 目 录 摘 要.III ABSTEACT:.IV 前 言.1 第一章：磁场强度测量仪设计的意义及任务.2 1.1 磁场强度测量仪设计的意义.2 1.2 磁场强度测量仪设计的任务要求.2 1.2.1 基本要求.2 1.2.2 创新要求.2 第二章 系统的硬件电路设计.4 2.1 系统设计的结构图.4 2.2 系统设计的具体方案.4 2.2.2 显示模块选择方案和论证.8 2.2.3 温度传感器的选择方案与论证.9 2.2.4 线性霍尔传感器以及 A/D 转换电路的选择方案与论证.10 2.2.5 运算放大器数据处理部分电路的选择方案.12 2.2.6 电源部分的电路方案.14 第三章 系统的软件设计.17 3.1 系统的软件总体设计.17 3.2 LCD1602 的驱动方法.17 3.3 1602 的操作方法.19 3.4 1602LCD 的一般初始化（复位）过程.19 3.5 ADC0832 的软件处理 .20 3.6 DS18B20 的软件处理.21 参考文献.24 贵州大学本科毕业论文(设计) 第 II 页 致谢.25 附录.26 附录一 系统的主程序清单.26 附录二 基于单片机的磁强测量仪设计的原理图.36 附录三 基于单片机的磁强测量仪设计的 PCB 图.38 附录四 基于单片机的磁强测量仪设计的元器件清单.39 贵州大学本科毕业论文(设计) 第 III 页 基于单片机的磁强测量仪设计 摘 要 磁场强度测量仪是测量空间磁场强度的计量仪表，广泛应用于以电磁场理论为 基础的电气、通讯、抗电磁干扰、仪器漏磁、永磁体磁力检测等行业。由于现在工 业、工程、信息技术、电力电子等技术的飞速发展、对与磁场强度的检测越来越显 得重要。另外、由于现代信息技术、电子技术、通讯技术等，与磁场相关的教育学 科在大中专院校以及本科的发展成熟，所以需求一款低成本、便携的磁场强度测量 仪器、并且实用于实验室、户外等一些相对正常的环境条件。本磁场强度测量仪的 微控器采用普通高校教学所熟悉的 STC89C52RC 单片机、应用 8 位 A/D 转换、 AH49E 线性霍尔传感器、液晶数字式显示、温度显示、电池提供电源，使得实用简 单、携带方便，极大的方便了广大使用者的使用。1 关键词：磁场强度，微控器，A/D 转换，数字显示，霍尔元件 贵州大学本科毕业论文(设计) 第 IV 页 Based on SCM magnetic field measuring apparatus design Absteact: Gaussian meter is measurement space magnetic field intensity measurement instrument, is widely used in electromagnetic field theory based on the electrical, communication, anti-electromagnetism interference, instrument magnetic flux leakage, permanent magnet magnetic inspection, etc。 Now due industrial, engineering, information technology, power electronic technology rapid development, of magnetic field detection appears more and more important。 In addition, because of the modern information technology and electronic technology, the communication technology, education level of development mature, demand of a low cost, portable magnetic field intensity measurement instruments, and practical in the lab, outdoor and some other relatively normal environmental conditions。 This magnetic field intensity of measuring apparatus micro control device using common colleges and universities teaching are familiar with the STC89C52RC microcontroller, application 8 bits of A/D conversion, AH49E linear hall sensors, LCD display, digital temperature display, battery with power, making practical is simple, easy to carry, great convenience the users use。 Keywords: field strength, Micro control device, A/D conversion, Digital display, Hall element 贵州大学本科毕业论文(设计) 第 1 页 前 言 进入 21 世纪，伴随着信息技术及信息产业的飞速发展、磁场强度检测在工业生 产、科研、教学等行业中的起着非常重要的作用。对于磁场强度的检测、现在市场 上所出现的高斯计大多价格高、对学校的实验室的需求来说带来了极大的经济困难。 本设计制作的磁场强度测量仪具有成本低、携带方 便、体积小等优点，并且测量误差小，使用温度范围在常温先具有较高的准确性、 在温度条件恶劣的环境中，本设计的磁场强度测量仪带有温度显示、使用者可以参 照霍尔元件的温度特性来估计测量的误差大小。本设计制作的磁场强度测量仪的微 控器（MCU）采用各大高校教学所采用的 51 系列单片（STC89C52RC）其原理与使 用使得使用者容易掌握、在使用出现故障其检修方便。传感器的选择是本设计的最 重要部分、现在市场上的霍尔器件有很多类型、其基本原理都相同，但是在测量磁 场强度时、对霍尔器件的线性要求极高、并且要在适宜的电压范围内、输出电流要 适宜、要能够具备低功耗的条件。因此在经过大量的比较与筛选后选择了一款线性 良好、工作电压低（5V）左右的霍尔传感器（AH49E），并且在 5V 工作电压时具 有非常良好的线性，磁场强度-1000GS-1000GS 线性变化、这使得磁场强度的范围 适应于绝大多数测量的场合、其温度飘移量极小、使得误差小。其输出电压范围也 小（0-4V）这使得在 A/D 转换时变得容易处理，用简单的电路对传感器输出的信 号处理后便可以直接送入 A/D 转换。在 A/D 转换部分采用 8 位的数模转换器 ADC0832，其使用外围电路简单、程序控制也相对简单，由于本设计的磁场强度测 量仪器其测量数据单一，8 位的 A/D 转换芯片就可以了。最重要的是在成本的考虑 上 8 位的 A/D 转换芯片相对便宜，并且购买方便、代码书写简单，在保证功能的前 提下这是最高性价比的选择。液晶显示部分采用低成本的 1602 液晶显示器、由于需 要显示的内容并不多、用这块显示器件就足以完成任务，其驱动程序也叫简单、可 以减小系统软件设计的工作量和难度。温度显示部分采用单总线的 DS18B20 数字量 输出的温度传感器、其温度范围广（-55 O C -125 O C）输入电压 3V-5.5V 范围 内。 贵州大学本科毕业论文(设计) 第 2 页 本设计由于合理的电路设计与选材，使得本系统具有低成本、低功耗、高精度、 易于功能扩展等优点。因此，本磁场强度检测仪具有较高的性能价值比和非常良好 的应用前景。 第一章：磁场强度测量仪设计的意义及任务 1.1 磁场强度测量仪设计的意义 当前，伴随着信息技术及信息产业的飞速发展、磁场强度检测在工业生产、科 研、教学等行业中的起着重要的作用，广泛应用于以电磁场理论为基础的电气、通 讯、抗电磁干扰、仪器漏磁、永磁体磁力检测等行业。由于现在工业、工程、信息 技术、电力电子等技术的飞速发展、对磁场的检测越来越显得重要。另外、由于现 代信息技术、电子技术、通讯技术等教育水平的发展成熟，需求一款低成本、便携 的磁场强度测量仪器、并且实用于实验室、户外等一些相对正常的环境条件。 因此，在当前的实际条件下，设计出一款高性价比的磁场强度测量仪来方便各 类工程技术人员以及实验室的实践研究显得尤为重要，具有十分重大的实际意义和 科研价值。 1.2 磁场强度测量仪设计的任务要求 1.2.1 基本要求 由于磁场强度的测量受到的限制因数比较多、环境条件对磁场强度的影响比较 大、并且对磁场强度测量的精度要求比较高、所以对于器件的要求很高。霍尔传感 器的线性要好、温度漂移量要尽量的低、输入输出电压电流要适宜、测量磁场强度 的范围要广泛、整机功耗好低、电源要工作稳定、整机体积要小、应用显示的屏幕 要更具环境光照的强弱来调节屏幕的亮度、数字式显示使得读数方便、维护及检修 简单、系统工作的稳定性要高、整机抗恶劣环境条件的能力要强、测量的数据误差 要小。 1.2.2 创新要求 采用数字式液晶显示其背光可调、可以更具环境的光照强度来调节适宜的背光 强度，从而达到最佳的屏幕显示效果，由于在一些极限环境条件下霍尔器件的输出 会有一定的误差、在电路设计上采用了简单而可靠的温度补偿电路使得温度在一定 贵州大学本科毕业论文(设计) 第 3 页 条件下变化时不会影响输出的精确度、由于温度补偿电路的器件是用传感器并接的 方式来实现、还起到了屏蔽其他干扰磁场的作用。再加上实时温度显示功能、使得 在一些极限条件下使用者可以根据环境的温度的便宜量来估计误差亮的大小、使得 在一些极限的温度条件下可以实时监察到温度值和测量的误差大小。系统的电源采 用低压差的稳压器件、系统可以使用电池供电，从而使得本测量仪的体积小、测量 条件方便、并且系统的功耗极低，达到了既节能又高效的目的。本系统设计科学、 便于以后对功能的升级需求、无论是软件升级还是硬件升级都十分的方便。 贵州大学本科毕业论文(设计) 第 4 页 第二章 系统的硬件电路设计 2.1 系统设计的结构图 系统由线性霍尔传感器、信号处理电路、模数转换电路、温度传感器电路、中 央处理器（微控器）及其最小系统电路、液晶显示电路、系统电源电路及键盘电路 组成。简易的系统方框图如图 1 所示。 传 感 器 信 号 处 理 A/D转换微 控 器 STC89C52RC 显 示 电 路 温度传感及处理电路 按键及最小系统电路 系统电源电路 图 1 系统设计的框架图 2.2 系统设计的具体方案 2.2.1 微控器（MCU 单片机）的选择 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 8KB ROM 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 贵州大学本科毕业论文(设计) 第 5 页 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。1 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，最新的 D 版本内部集成 MAX810 专用复位电路。其特点如下 2 1. 增强型 6 时钟/ 机器周期，12 时钟/ 机器周期 8051 CPU 2. 工作电压：5.5V 3.4V（5V 单片机） / 3.8V 2.0V（3V 单片机） 3. 工作频率范围：0 - 40 MHz，相当于普通 8051 的 080MHz。实际工作频 率可达 48MHz 4. 用户应用程序空间 4K / 8K / 13K / 16K / 20K / 32K / 64K 字节 5. 片上集成 1280 字节 / 512 字节 RAM 6. 通用 I/O 口（32/36 个），复位后为： P1/P2/P3/P4 是准双向口/ 弱上拉 （普通 8051 传统 I/O 口） P0 口是开漏输出，作为总线扩展用时，不用加上拉电阻，作为 I/O 口用时， 需加上拉电阻 7. I S P （在系统可编程）/ I A P （在应用可编程），无需专用编程器/ 仿真器 可通过串口（P3.0/P3.1）直接下载用户程序，8K 程序 3 秒即可完成一片 8. EEPROM 功能 9. 看门狗复位电路 10.内部集成 MAX810 专用复位电路（D 版本才有），外部晶体 20M 以下时， 可省外部复位电路 11.本系列单片机具有极强的保密性、几乎无法破解、高强的静电（ESD 保护）、 轻松的通过了 4KV 快速脉冲干扰，具有较宽的电压范围不怕电源抖动，宽温度范围 -40O C-85 O C,1 个时钟（机器周期）可以使用低频的晶体振荡器、从而大幅降低了 EMI，超低功耗在掉电模式下典型的功耗值小于 0.1mA、空闲模式下功耗为 2mA、 正常工作模式下典型的功耗值为 2.7mA-7mA，掉电模式下可由外部中断唤醒、适 用于电池提供的低功耗供电系统、如各类电器仪表、便携式设备等。共用 3 个 16 位 定时器/计数器，其中定时器 0 还可以当成 2 个 8 位定时器使用，外部中断一共 4 路、 贵州大学本科毕业论文(设计) 第 6 页 下降沿中断或低电平触发中断方式唤醒，Power Down 模式下可以由中断低电平或电 平触发方式唤醒，通用异步串口（UART）、还可以用定时器软件实现的 UART。 单片机的最小系统接口电路如图 2 所示。2 图 2 单片机最小系统接口电路图 单片机最小系统的电路介绍及分析： 单片机最小系统复位电路的极性电容 C5 的大小直接影响单片机的复位时间， 一般采用 10-30uF，51 单片机最小系统容值越大需要的复位时间越短。 单片机最小系统晶振 Y1 也可以采用 6MHz 或者 11.0592MHz，在正常工作的情 况下可以采用更高频率的晶振，单片机最小系统晶振的振荡频率直接影响单片机的 处理速度，频率越大处理速度越快。 单片机最小系统起振电容 C2、C1 一般采用 1533pF，并且电容离晶振越近越 好，晶振离单片机越近越好。 P0 口为开漏输出，作为输出口时需加上拉电阻，阻值一般为 10k。 单片机设置为定时器模式时，加 1 计数器是对内部机器周期计数（1 个机器周 期等于 12 个振荡周期，即计数频率为晶振频率的 1/12）。计数值 N 乘以机器周期 Tcy 就是定时时间 t。 贵州大学本科毕业论文(设计) 第 7 页 设置为计数器模式时，外部事件计数脉冲由 T0 或 T1 引脚输入到计数器。在每 个机器周期的 S5P2 期间采样 T0、T1 引脚电平。当某周期采样到一高电平输入，而 下一周期又采样到一低电平时，则计数器加 1，更新的计数值在下一个机器周期的 S3P1 期间装入计数器。由于检测一个从 1 到 0 的下降沿需要 2 个机器周期，因此要 求被采样的电平至少要维持一个机器周期。当晶振频率为 12MHz 时，最高计数频率 不超过 1/2MHz，即计数脉冲的周期要大于 2 ms。 下面就单片机的复位电路与时钟电路作较详细的分析。 复位电路:由电容 C5 串联电阻 R7 构成,由图并结合电容电压不能突变的性质, 可以知道,当系统一上电,RST 脚将会出现高电平,并且,这个高电平持续的时间由电路 的 RC 值来决定（串联方式下的振荡周期为：T = 2RC）。典型的 51 单片机当 RST 脚的高电平持续两个机器周期以上就将复位,所以,适当组合 RC 的取值就可以保 证可靠的复位。一般教科书推荐 C 取 10u,R 取 10K。当然也有其他取法的,原则就是 要让 RC 组合可以在 RST 脚上产生不少于 2 个机周期的高电平。 在单片机系统中，系统上电启动的时候复位一次，当按键按下的时候系统再次 复位，如果释放后再按下，系统还会复位。所以可以通过按键的断开和闭合在运行 的系统中控制其复位。 单片机 STC89S52 的 XTAL1、XTAL2 引脚外接晶振电路、在其稳定工作条件 下需要外加两个负载电容 C1，C2。晶体震振器在电子原理上可以等效成由电容电阻 并联后再串联一个电感所构成的二端网络，电气原理原理上这个网络有两个谐振点， 地点为串联谐振，高低为并联谐振。鉴于晶体的这两个频率的很接近，因此在这个 极窄的频率范围内，晶体可以等效为一个电感，所以需要晶振的两端并联上合适的 负载电容它就会组成并联谐振电路。将这个并联谐振电路移植到一个负反馈电路中 就可以构成一个正弦波振荡电路，由于晶振等效为电感的频率范围很窄，所以这个 谐振的频率是很稳定的。晶振的负载电容值是它的一个重要参数，选取与负载电容 值相等的并联电容，就可以得到晶振标称的谐振频率。一般的晶振振荡电路都是在 一个反相放大器的两端接入晶振，再有两个电容分别接到晶振的两端，每个电容的 另一端再接到地，这两个电容串联的容量值就应该等于负载电容，请注意一般 IC 的 引脚都有等效输入电容，这个不能忽略。一般的晶振的负载电容为 15p 或 12.5p，如 贵州大学本科毕业论文(设计) 第 8 页 果再考虑元件引脚的等效输入电容，则两个 22p 的电容构成晶振的振荡电路就是比 较好的选择。3 晶振的负载电容 = (Cd*Cg)/(Cd+Cg)+Cic+C 式中 Cd,Cg 为分别接在晶振的两个脚上和对地的电容,Cic（集成电路内部电容） +C（PCB 上电容）经验值为 3 至 5pf。 2.2.2 显示模块选择方案和论证 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 P2.0-P2.2 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。 贵州大学本科毕业论文(设计) 第 9 页 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 3 所示。 图 3 液晶显示模块接口电路图 2.2.3 温度传感器的选择方案与论证 方案一：使用热敏电阻作为传感器，用热敏电阻与一个相应阻值电阻相串联分 压，利用热敏电阻阻值随温度变化而变化的特性，采集这两个电阻变化的分压值， 并进行 A/D 转换。此设计方案需用 A/D 转换电路，增加硬件成本而且热敏电阻的感 温特性曲线并不是严格线性的，会产生较大的测量误差。 方案二：采用数字式温度传感器 DS18B20，此类传感器为数字式传感器而且仅 需要一条数据线进行数据传输，易于与单片机连接，可以去除 A/D 模块，降低硬件 成本，简化系统电路。另外，数字式温度传感器还具有测量精度高、测量范围广等 优点。 贵州大学本科毕业论文(设计) 第 10 页 由于本设计的整机体积以及性能要求较高、选择数字式温度传感器 DS18B20 作 为温度传感器。 如图-4 所示。采用数字式温度传感器 DS18B20，它是数字式温度传感器，具有 测量精度高，电路连接简单特点，此类传感器仅需要一条数据线进行数据传输，使 用 P0.7 与 DS18B20 的 I/O 口连接加一个上拉电阻,Vcc 接电源,Vss 接地。7 图-4 DS18B20 温度采集 2.2.4 线性霍尔传感器以及 A/D 转换电路的选择方案与论证 线性霍尔传感器的选择是本设计的最重要部分、现在市场上的霍尔器件有很多 类型（FWBell 5100UGN3503UGMICS49EHG106CAH49E霍尔电极磁通门 等）、其基本原理都相同，但是在测量磁场强度时、对霍尔器件的线性要求极高、 并且要在适宜的电压范围内、输出电流要适宜、要能够具备低功耗的条件。因此在 经过大量的比较与筛选后选择了一款线性良好、工作电压低（5V）左右的霍尔传感 器（AH49E），并且在 5V 工作电压时具有非常良好的线性，磁场强度-1000GS- 1000GS 线性变化、这使得磁场强度的范围适应于绝大多数测量的场合、其温度飘移 量极小、使得误差小。其输出电压范围也小（0-4V）这使得在 A/D 转换时变得容 易处理，用简单的电路对传感器输出的信号处理后便可以直接送入 A/D 转换。 在 A/D 转换部分采用 8 位的数模转换器 ADC0832，其使用外围电路简单、程序 控制也相对简单，由于本设计的磁场强度测量仪器其测量数据单一，8 位的 A/D 转 换芯片就可以了。最重要的是在成本的考虑上 8 位的 A/D 转换芯片相对便宜，并且 购买方便、代码书写简单，在保证功能的前提下这是最高性价比的选择。 在系统的硬件设计上，使用两个霍尔传感器（AH49E）并接的方法接入到电路 中、其中一个主探头要用信号线连接到具体的磁场空间、而另外一个探头则是直接 焊接在印制电路板上。这样做的主要目的是为了调节传感器组输出的零电位点以及 贵州大学本科毕业论文(设计) 第 11 页 做一个简单的温度补偿。因为本设计的输出量主要是绝对值的大小所以把电压的范 围从（1-4V）调节到了（0-3V）。如果只考虑单极性的电压输出的情况下电压的 范围只有在（0-1.5V）。这样的范围对于测量（0-1000GS）的磁场强度来说已经 可以满足设计的要求了。再利用后面运算放大电路作信号处理，将（0-1.5V）的电 压信号放大 3.3 倍、使得进入 A/D 转换的电压信号范围变为（0-5V）。通过这样 的处理以后，使得微控制器芯片（STC89C52RC 单片机）在对数据的处理时可以把 精确度提高，并且保证了测量的范围。 线性霍尔传感器 AH49E 接口电路如图 5、ADC0832 部分接口电路如图 6 所示 图 5 线性霍尔传感器接口电路 如图 5 所示的电路连接图中、J1 和 J2 分别为型号完全相同的两个霍尔传感器 AH49E，由于这两个传感器是在同一批次的生产条件下的同类产品，所以在考虑传 感器的霍尔不等效应的误差时，可以把相对应的误差降低到最低。在电路板的设计 时，使用了两个同样的三脚插针座套来焊接在电路板上，J1 霍尔传感器 AH49E 直 接插入到插座上去，而另一个霍尔传感器则是使用三角插针连接三条信号线后再与 霍尔传感器相连。这样做是为了更好的保护好霍尔传感器、从而提高了系统工作的 可靠性。 贵州大学本科毕业论文(设计) 第 12 页 如下图 6 所示的 ADC0832 部分接口电路，利用单片机的 P36 口作为片选信号， 当片选信号为低电平选中芯片开始工作、霍尔传感器输出的信号经过运放电路处理 后进入 CH0 通道进行单通道的数据采样。而 CH1 通道悬空不使用。单片机的 P35 口为 ADC0832 提高所需要的时钟信号，在时钟信号的与单片机控制软件的共同作用 下、ADC0832 将完成模拟量转换成为数据量的任务，进过 D0 输出到单片机的 P34 引脚、在这里 D1 口无数据信号输出、可以将其与 D0 口并接。最终在 ADC0832 的 DO 和 D1 脚输出数字信号、由单片机的 P34 口接受到经 ADC0832 处理好的数字信 号。 图 6 ADC0832 部分接口电路 2.2.5 运算放大器数据处理部分电路的选择方案 由于线性霍尔传感器输出的电压在 1V-4V 范围内具有良好的线性关系，使得 磁场强度的变化范围控制在-1000GS-1000GS 内，这样使得系统的测量范围相对较 广泛、并且使得输出的数据便于处理。由于 ADC0832 的输入口线采集的电平信号在 0-5V 范围内，然而本系统所测试的磁场强度是测试磁场强度的绝对值大小、在一 般的工程与工业应用中并不是那样的关系磁场强度的方向，更多的是关心它的绝对 值大小，所以本系统值测量其数值的大小。 贵州大学本科毕业论文(设计) 第 13 页 所以，在对线性霍尔传感器的输出数据处理时、我们要把磁场强度的零点搬移 到输出电压的零点上来，这样可以便于数据的处理。我们使用一个减法运算放大器 来处理这个数据，用到两块线性霍尔传感器、一块置于测量仪电路板上来标识零磁 场强度点，而另一个线性霍尔传感器者用来置于实际的磁场中，来测量磁场的大小。 通过减法运算放大器的处理，使得把线性霍尔传感器的零磁场点搬移到输出电压的 零电位点上来、并且把所测得的数据进行线性放大 3.3 倍。这样使得进入 ADC0832 的电压信号从 0V-5V 变化，便于 ADC0832 的转换。其具体的接口电路如图 7 所示。 图 7 线性霍尔传感器与减法运算放大器的接口电路 图示 7 的放大电路在设计上连接成为一个差分放大电路。从电路结构上看、它 是反相输入与同相输入相结合的放大电路。在分析电路时可以假设流经电阻 R1 的 电流为 I1、流经电阻 R2 的电流为 I2。电阻 R1 左侧的电位为 U1、电阻 R2 左侧的 电位为 U2、 运算放大器的同相输入端的电位为 Up、反相输入端的电位为 Un,运算放大器的 输出电压为 Uo，在理想条件下，利用虚短和虚断的概念可以得到： Uo = ( R2 + R3 )/R1 * ( R4/ (R1 + R4) * U2 R3/R2 * U1 贵州大学本科毕业论文(设计) 第 14 页 U0 = ( 1 + R3/R2) * ( ( R4/R1) ( 1 + R4 / R2) ) * U2 R3 R1 * U1 由于上式中的阻值关系是：R3 / R2 = R4 / R1 所以输出电压可以表示为: UO =（ R4 / R1 ） * (U2 U1 ) = 3.3 ( U2 U1 ) 注：本设计中 R4 的阻值为 33K,R1 的阻值为 10K 2.2.6 电源部分的电路方案 由于本设计的磁场强度测量仪要求是便携式的手持式测量仪器、并且要求系统 具有低功耗的性能要求，因此电源的设计要求用电池来供电、使用低压差的线性稳 压器，这样的电源设计与传统的利用变压器变压后再用桥式整流和 78 系列稳压器的 功耗要低的多、并且整机的体积大幅度的减小，真正达到了低功耗、便携式的设计 要求。由于普通的 78 系列稳压器的压差较大，如果利用它来做稳压器会使用较多的 电池、这样的设计会严重影响到使用的成本和系统的整机体积。所以本磁场强度侧 量仪的稳压器采用低压差的 LDO 线性稳压器，下面将 LDO 的一些知识做如下简介。 一 .低压差线性稳压器(LDO)的基本电路如图 8 所示，该电路由串联调整管 VT、取样电阻 R1 和 R2、比较放大器 A 组成。 取样电压加在比较器 A 的同相 输入端，与加在反相输入端的基准电压 Uref 相比较，两者的差值经放大器 A 放大 后，控制串联调整管的压降，从而稳定输出电压。当输出电压 Uout 降低时，基准 电压与取样电压的差值增加，比较放大器输出的驱动电流增加，串联调整管压降减 小，从而使输出电压升高。相反，若输出电压 Uout 超过所需要的设定值，比较放 大器输 出的前驱动电流减小，从而使输出电压降低。供电过程中，输出电压校正连续 进行，调整时间只受比较放大器和输出晶体管回路反应速度的限制。 图 8 低压差线性稳压器基本电路 应当说明，实际的线性稳压器还应当具有许 多其它的功能，比如负载短路保护、过压关断、过热关断、反接保护等，而且串联 调整管也可以采用 MOSFET。 二低压差线性稳压器的主要参数 1输出电压 输出电压是稳压器最重要的参数，也是电子系统设计者选用稳 压器时需要考虑的一个重要参数。低压差线性稳压器有两种类型：固定输出电压和 贵州大学本科毕业论文(设计) 第 15 页 可调输出电压。固定输出电压稳压器使用简单，它是由输出电压是经过精密调整的， 所以稳压器精度很高。 2最大输出电流 电子系统设备的功率不同，要求稳压器输出的电流值也不相同。为了降低成本， 在多只稳压器组成的供电系统中，应根据各部分所需的电流值选择适当的稳压器。 3输入输出电压差 输入输出电压差是低压差线性稳压器最重要的参数。本设计中选择的低压差稳 压器件的输入与输出压差可以限制在 1V 以内，这样的设计即满足了系统的供电需求， 又降低了功耗以及系统的体积和成本。 4接地电流（静态电流） 接地电路 是指串联调整管输出电流为零时，输入电源提供的稳压器工作电流。 通常较理想的低压差稳压器的接地电流很小。4 图 8 LDO 类线性稳压器简图 因此，选择 LDO 类的线性低压差稳压器作为系统电源部分的稳压器，经过仔细 的选择与比较最终选择了 HT7350 作为电源稳压器。HT73XX 系列是一套三张终端， 贵州大学本科毕业论文(设计) 第 16 页 低功耗，高电压 CMOS technol - 的 OGY 实施监管。该系列具有极低的静态电流通 常是 4 毫安，允许的输入电压为为 12V 大电流高的设备与一明显小压差规定。其压 差最低要求可达 1V 一下，在使用 4 节普通干电池供电时，输入电压在 6V 左右，其 输出电压在 4.85V-5.15V 之间，由此可知，其电压完全可以使系统正常工作。另外 在稳压器 HT7350 的两侧加上电容来对稳压器进行协作稳压，可以使输出电压在 5V 左右的变化量更加减小，是电源的输出电压保持很高的稳定性。其在系统上的电路 图如图 9 所示。 图 9 系统电源部分电路原理图 如图 9 所示的电路中，通过插座 J3 把电池的电流通过连接线引进来，使得电 流先过一个电源的总开关，然后再通过电解电容的滤波作用后进入到 HT7350 的 IN 引脚、由 HT7350 进行降压后，把 5V 的电压从 HT7350 的 OUT 引脚输出。然后在 进行一次电解电容的滤波使得输出电流的纹波系数很小、输出电流很稳定。总体上 来说使得系统在电流的供给上得到一个非常稳定的条件，这样使得系统的微处理器 可以在长时间条件下非常稳定的工作。电源部分设计了一个红色的 LED 来指示当前 系统电源的情况。本电源由于没有与市电相连接、几乎不存在浪涌电流、雷击、外 部噪声等的干扰、因此没有必要使用电源的保险电阻来保护系统、从一定程度上降 低了系统的总体成本。 贵州大学本科毕业论文(设计) 第 17 页 第三章 系统的软件设计 3.1 系统的软件总体设计 系统的硬件的设计使得数据进入数模转换时具有良好的线性和适宜的宽度，那 样在进行系统的软件设计时变得十分简单，在经过程序的调试完成后、系统的代码 量也就几百行。下面将系统的软件设计的流程图表示如图 10 所示。 开 始 系统初始化 启动模数转换器 Y 数据处理 N 再启动一次转换 温度数据处理 所有数据做显示处理 发送液晶显示指令 发送数据到P0口 控制液晶显示 初始调零? 两次数据相同？ N Y 结束 图 10 系统的软件设计流程图 3.2 LCD1602 的驱动方法 此为显示模块的 1602 的管脚电路连接图，其中的 RS 与单片机的 P2.0 连接,WR 与单片机的 P2.1 连接 E 口与单片机的 P2.2 连接，数据接口 D0D7 与单片机的 P0 贵州大学本科毕业论文(设计) 第 18 页 连接。这样加上单片机就构成了显示模块的单片机最小系统。5 贵州大学本科毕业论文(设计) 第 19 页 图 11 1602 写时序图 3.3 1602 的操作方法 液晶显示模块是一个慢显示器件，所以在执行每条指令之前一定要确认模块的 忙标志为低电平，表示不忙，否则此指令失效。要显示字符时要先输入显示字符地 址，也就是告诉模块在哪里显示字符，第二行第一个字符的地址是 40H，那么是否 直接写入 40H 就可以将光标定位在第二行第一个字符的位置呢？这样不行，因为写 入显示地址时要求最高位 D7 恒定为高电平 1 所以实际写入的数据应该是 B（40H） +B(80H)=B(C0H)。 在对液晶模块的初始化中要先设置其显示模式，在液晶模块显示字符时光标是 自动右移的，无需人工干预。每次输入指令前都要判断液晶模块是否是忙的状态9 1602 液晶模块内部的字符发生存储器（CGROM）已经存储了 160 个不同的点 阵字符图形，如图 10-58 所示，这些字符有：阿拉伯数字、英文字母的大小写、常 用的符号、和日文假名等，每一个字符都有一个固定的代码，比如大写的英文字母 “A”的代码是 B（41H），显示时模块把地址 41H 中的点阵字符图形显示出来，我 们就能看到字母“A” 5 3.4 1602LCD 的一般初始化（复位）过程6 延时 15mS 写指令 38H（不检测忙信号） 延时 5mS 写指令 38H（不检测忙信号） 贵州大学本科毕业论文(设计) 第 20 页 延时 5mS 写指令 38H（不检测忙信号） 以后每次写指令、读/写数据操作均需要检测忙信号 写指令 38H：显示模式设置 写指令 08H：显示关闭 写指令 01H：显示清屏 写指令 06H：显示光标移动设置 写指令 0CH：显示开及光标设置 3.5 ADC0832 的软件处理 正常情况下 ADC0832 与单片机的接口应为 4 条数据线，分别是 CS、CLK、DO、DI。但由于 DO 端与 DI 端在通信时并未同时有效并与单片机的 接口是双向的，所以电路设计时可以将 DO 和 DI 并联在一根数据线上使用。 当 ADC0832 未工作时其 CS 输入端应为高电平，此时芯片禁用，CLK 和 DO/DI 的电平可任意。当要进行 A/D 转换时，须先将 CS 使能端置于低电平并且 保持低电平直到转换完全结束。此时芯片开始转换工作，同时由处理器向芯片时钟 输入端 CLK 输入时钟脉冲，DO/DI 端则使用 DI 端输入通道功能选择的数据信号。 在第 1 个时钟脉冲的下沉之前 DI 端必须是高电平，表示启始信号。 在第 2、3 个脉冲下沉之前 DI 端应输入 2 位数据用于选择通道功能。6 当 SGL/DIF 和 ODD/SIGN 这 2 位数据为“1” 、 “0”时，只对 CH0 进行 单通道转换。 当 SGL/DIF 和 ODD/SIGN 这 2 位数据为“1” 、 “1”时，只对 CH1 进行单 通道转换。当 2 位数据为“0” 、“0”时，将 CH0 作为正输入端 IN+，CH1 作 为负输入端 IN-进行输入。当 2 位数据为“0” 、 “1”时，将 CH0 作为负输入 端 IN-，CH1 作为正输入端 IN+进行输入。6 到第 3 个脉冲的下沉之后 DI 端的输入电平就失去输入作用，此后 DO/DI 端则开始利用数据输出 DO 进行转换数据的读取。 从第 4 个脉冲下沉开始由 DO 端输出转换数据最高位 DATA7，随后每一个脉冲下沉 DO 端输出下一位数据。 直到第 11 个脉冲时发出最低位数据 DATA0，一个字节的数据输出完成。也正是 从此位开始输出下一个相反字节的数据，即从第 11 个字节的下沉输出 DATD0。 贵州大学本科毕业论文(设计) 第 21 页 随后输出 8 位数据，到第 19 个脉冲时数据输出完成，也标志着一次 A/D 转换的 结束。最后将 CS 置高电平禁用芯片，直接将转换后的数据进行处理就可以了。具 体控制的程序流程图