基于線性霍爾傳感器的磁場(chǎng)檢測(cè)裝置設(shè)計(jì)

1、桂林理工大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院感 知 技 術(shù)課 程 設(shè) 計(jì) （實(shí) 習(xí)） 報(bào) 告題 目： 基于線性霍爾傳感器 的磁場(chǎng)檢測(cè)裝置設(shè)計(jì) 專(zhuān)業(yè)（方向）： 物聯(lián)網(wǎng)工程 班 級(jí)： 物聯(lián)網(wǎng)13-1班 學(xué) 生： 李燕昊 學(xué) 號(hào)： 3130758109 組 員： 覃俊華 指導(dǎo)老師： 蔣存波老師、汪彥君老師 2016年1月9日目次1.緒論31.1題目31.2研究目標(biāo)與意義31.3相關(guān)技術(shù)的現(xiàn)狀32.基本原理與總體技術(shù)方案42.1基本原理42.2技術(shù)方案比較43.硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)53.1硬件總體設(shè)計(jì)思路及原理框圖53.2關(guān)鍵元件介紹53.3硬件設(shè)計(jì)73.3.1 調(diào)理信號(hào)設(shè)計(jì)74.軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)84.1軟件功能介紹84.2

2、程序設(shè)計(jì)總體方案84.3程序是實(shí)現(xiàn)85.裝置樣機(jī)的制作與調(diào)試95.1硬件制作與調(diào)試95.2軟件調(diào)試95.3樣機(jī)試驗(yàn)測(cè)試96.實(shí)驗(yàn)測(cè)試106.1實(shí)驗(yàn)測(cè)試目的106.2試驗(yàn)測(cè)試106.3測(cè)試結(jié)果107.總結(jié)118.參考文獻(xiàn)111. 緒論1.1 題目基于線性霍爾傳感器的磁場(chǎng)檢測(cè)裝置設(shè)計(jì)1.2 研究目標(biāo)與意義（1）總體目標(biāo)利用線性霍爾傳感器設(shè)計(jì)制作磁場(chǎng)測(cè)量裝置。檢測(cè)周?chē)鸥袘?yīng)強(qiáng)度的大小。（2） 研究意義霍爾傳感器是一種磁傳感器。用它可以檢測(cè)磁場(chǎng)及其變化，可在各種與磁場(chǎng)有關(guān)的場(chǎng)合中使用。霍爾傳感器以霍爾效應(yīng)為其工作基礎(chǔ)，是由霍爾元件和它的附屬電路組成的集成傳感器?；魻杺鞲衅髟诠I(yè)生產(chǎn)、交通運(yùn)輸和日常生活

3、中有著非常廣泛的應(yīng)用。1.3 相關(guān)技術(shù)的現(xiàn)狀21世紀(jì)，是人類(lèi)全面進(jìn)入信息電子化的時(shí)代。隨著人類(lèi)探知領(lǐng)域和空間的拓展，使得人們更依賴(lài)于獲取外界信息的采集技術(shù)。敏感元件及傳感器是人類(lèi)探知自然界信息的觸角，它可以將人們需要探知的各種非電量信息轉(zhuǎn)化為電量信息，為人們認(rèn)識(shí)和控制相應(yīng)的對(duì)象提供條件和依據(jù)。作為現(xiàn)代信息技術(shù)的三大支柱之一的傳感器技術(shù)，已成為21世紀(jì)人們?cè)诟咝录夹g(shù)發(fā)展方面爭(zhēng)奪的一個(gè)制高點(diǎn)。霍爾傳感器產(chǎn)業(yè)發(fā)展應(yīng)用大致分為：直接應(yīng)用和間接應(yīng)用。前者是直接檢測(cè)出受檢測(cè)對(duì)象本身的磁場(chǎng)或磁特性，其中最有特色的是霍爾電流、電壓類(lèi)傳感器，他們已成為當(dāng)今電子測(cè)量領(lǐng)域中應(yīng)用最多的傳感器件之一。是一種新型的高性能

4、電氣隔離檢測(cè)元件。應(yīng)用廣泛。后者是檢測(cè)受檢對(duì)象上人為設(shè)置的磁場(chǎng)，用這個(gè)磁場(chǎng)來(lái)作被檢測(cè)信息的載體，通過(guò)它，將許多非電、非磁的物理量轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏縼?lái)進(jìn)行檢測(cè)和控制。霍爾傳感器產(chǎn)業(yè)飛速發(fā)展的同時(shí)，也給霍爾傳感器自身的發(fā)展提出了急迫的需求。發(fā)展和應(yīng)用的比較成熟的一些霍爾傳感器，已經(jīng)在長(zhǎng)期使用中逐步顯現(xiàn)出自身存在的某些局限。為了充分發(fā)揮各自的優(yōu)勢(shì)，突破限制，拓展發(fā)展空間，必須開(kāi)發(fā)新材料，發(fā)現(xiàn)新效應(yīng)，發(fā)明新產(chǎn)品，將霍爾傳感器產(chǎn)業(yè)推向新的發(fā)展高峰，這是我們當(dāng)前的首要任務(wù)，也是歷史的使命。2. 基本原理與總體技術(shù)方案2.1 基本原理利用霍爾效應(yīng)進(jìn)行磁場(chǎng)檢測(cè)?；魻栃?yīng)及霍爾傳感器原理請(qǐng)參閱傳感器教材及其他相關(guān)文獻(xiàn)。

5、霍爾效應(yīng)的本質(zhì)是：固體材料中的載流子在外加磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)是，因?yàn)槭艿铰鍌惔帕Φ淖饔枚管壽E發(fā)生偏移，并在材料兩側(cè)產(chǎn)生電荷積累，形成垂直于電流方向的電場(chǎng)，最終使載流子受到的洛倫磁力與電場(chǎng)斥力相平衡，從而在兩側(cè)建立起一個(gè)穩(wěn)定的電勢(shì)差，即霍爾電壓。正交電場(chǎng)和電流強(qiáng)度與磁場(chǎng)強(qiáng)度的乘積之比就是霍爾系數(shù)。平行電場(chǎng)和電流強(qiáng)度之比就是電阻率。SS495是線性霍爾傳感器，在一定的磁感應(yīng)強(qiáng)度范圍內(nèi)，傳感器的輸出電壓U與磁感應(yīng)強(qiáng)度B（Gs）成正比U=K×B。將傳感器的輸出電壓U送到信號(hào)調(diào)理電路進(jìn)行濾波放大得到所需要復(fù)讀的電壓信號(hào)UAD。將電壓UAD送到ADC電路轉(zhuǎn)換為數(shù)字量NAD，微處理器讀取數(shù)字量NAD，經(jīng)

6、運(yùn)算處理求出對(duì)應(yīng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度B，送到LCD顯示。2.2 技術(shù)方案比較使用SS495 線性霍爾傳感器進(jìn)行磁場(chǎng)檢測(cè)，經(jīng)濾波和幅度調(diào)理后送到ADC 電路，嵌入式微處理器使用內(nèi)部具有12 位ADC 的ARMCortex-M3 核嵌入式處理器STM32F103RCT6。處理完之后就送到lcd顯示屏顯示。3. 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)3.1 硬件總體設(shè)計(jì)思路及原理框圖通過(guò)感器SS495檢測(cè)到不同的磁感性強(qiáng)度B后會(huì)產(chǎn)生不同的輸出信號(hào)Uh，輸出信號(hào)進(jìn)行濾波整流和放大調(diào)理之后得到Uad送到單片機(jī)STM32的PA0(ADC 1-IN 0)口進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，模擬信號(hào)進(jìn)行了1倍放大。信號(hào)再經(jīng)過(guò)芯片進(jìn)行軟件程序處理之后送往lcd等進(jìn)

7、行顯示。直流電源給整個(gè)電路提供6V 的穩(wěn)定電壓。3.2 關(guān)鍵元件介紹3.2.1 SS495霍爾傳感器SS495 線性霍爾傳感器的工作電源：DC4.5V10.5V，電流典型值5mA，最大值8mA；靈敏度：3.3mV/Gs；靜態(tài)輸出電壓（B=0Gs）：2.5V；測(cè)量范圍：-700Gs700Gs；輸出電流：最小值1.0mA，典型值1.5mA;響應(yīng)時(shí)間：典型值3S；線性度：1%SS 495 引腳如下圖1所示，特性曲線如下圖2所示：圖1 SS 495 引腳圖2 傳感器SS495 特性曲線3.2.2 STM32f103rct6STM32F103xx增強(qiáng)型系列由意法半導(dǎo)體集團(tuán)設(shè)計(jì)，使用高性能的ARMCort

8、ex-M332位的RISC內(nèi)核，工作頻率為72MHz，內(nèi)置高速存儲(chǔ)器(高達(dá)128K字節(jié)的閃存和20K字節(jié)的SRAM)，豐富的增強(qiáng)I/O端口和聯(lián)接到兩條APB總線的外設(shè)。所有型號(hào)的器件都包含2個(gè)12位的ADC、3個(gè)通用16位定時(shí)器和一個(gè)PWM定時(shí)器，還包含標(biāo)準(zhǔn)和先進(jìn)的通信接口：多達(dá)2個(gè)I2C和SPI、3個(gè)USART、一個(gè)USB和一個(gè)CAN。類(lèi)別：集成電路(IC)家庭：嵌入式-微控制器系列：STM32芯體尺寸：32-位速度：72MHz連通性：CAN，I2C，IrDA，LIN，SPI，UART/USART，USB輸入/輸出數(shù)：51程序存儲(chǔ)器容量：256KB程序存儲(chǔ)器類(lèi)型：FLASHRAM容量：48K

9、電壓-電源(Vcc/Vdd)：2 V  3.6 V振蕩器型：內(nèi)部工作溫度：-40°C  85°C3.3 硬件設(shè)計(jì)3.3.1 調(diào)理信號(hào)設(shè)計(jì)從霍爾傳感器輸出的信號(hào)需經(jīng)過(guò)錄波整流和放大之后才進(jìn)AD轉(zhuǎn)換，此原理圖的工作原理是把霍爾傳感器的輸出信號(hào)進(jìn)行濾波整流，再在二級(jí)放大器處進(jìn)行放大。由于SS495 輸出信號(hào)已經(jīng)比較大，ADC 電路輸入電壓3300mV，放大電路的放大倍數(shù)應(yīng)小于1，所以所設(shè)計(jì)的SCH圖就是簡(jiǎn)單的0.6倍放大。然后進(jìn)行PCB圖的制作和布圖布線操作。最后打印出圖紙打算腐蝕出電路板。3.3.2 單片機(jī)設(shè)計(jì)原理圖如

10、下： 此原理圖的功能模塊有多個(gè)部分，本實(shí)驗(yàn)主要就是用到的就是模擬信號(hào)輸出接口JAD和lcd1顯示屏這兩個(gè)部分的功能。信號(hào)經(jīng)調(diào)理電路之后接入JAD口經(jīng)過(guò)一倍放大進(jìn)入AD轉(zhuǎn)換，再由經(jīng)軟件處理運(yùn)算之后得出所需要的數(shù)值后送往LCD1顯示。3.3.3 總體電路原理圖使用ARM-Cortex-M3 核處理器ST32F103RCT6 為核心，電路原理圖如圖下圖中LCD1 為1602 字符LCD 接口，LCD2 為12864 圖形點(diǎn)陣LCD 接口。JAD為兩路內(nèi)部帶緩沖放大的模擬量輸入接口，模擬信號(hào)輸入引腳U1 內(nèi)部有5 倍的放大（通過(guò)改變電阻可以修改），接STM32103 的PA0(ADC 1-IN 0)，

11、模擬信號(hào)輸入引腳U2 內(nèi)部放大倍數(shù)為1，接STM32F103 內(nèi)部PA1（ADC1-IN1）K1K3 為三個(gè)接在PB 5PB 7 上的按鍵（按下=0），LED3，LED4 為接在PB8、PB9 上的LED信號(hào)燈（=1 亮），J232 為接在PA9/PA10(UART1)上的RS232C 接口。JZ 為ZigBee模塊接口，JZD 為T(mén)I 的ZigBee 調(diào)試與配置接口。JTAG 為STM32 程序下載與調(diào)試接口。除此還有IIC、SPI 接口。4. 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)4.1 軟件功能介紹軟件的功能就是把已經(jīng)進(jìn)行了AD 轉(zhuǎn)換得出的數(shù)值N進(jìn)行轉(zhuǎn)換得會(huì)進(jìn)來(lái)的Uad，再進(jìn)一步計(jì)算出霍爾傳感器的輸出電壓和磁感應(yīng)

12、強(qiáng)度B。最后把U和B通過(guò)軟件程序送去LCD端口進(jìn)行顯示。4.2 程序設(shè)計(jì)總體方案4.2.1 總體程序設(shè)計(jì)思先進(jìn)性硬件的初始化，在開(kāi)始定義使用的端口資源，加上調(diào)用的取值函數(shù)，AD轉(zhuǎn)換函數(shù)，計(jì)算函數(shù)和顯示函數(shù)，最后再進(jìn)行無(wú)限死循環(huán)的主循環(huán)。主循環(huán)中主要取值計(jì)算和顯示三個(gè)函數(shù)。4.2.2 程序流程框圖圖為程序的流程4.3 程序的實(shí)現(xiàn)（1） 讀取ADC 值程序read_adc（）uint16_t read_adc(uint8_t channel)uint16_t adc_val=0;int i;for(i=0;i<ADC_LEN;i+) adc_val=adc_val+adc_mem(i*2)+

13、channel;adc_val=adc_val>>ADC_NUM;/<<ADC_NUM;return adc_val&0xfff;使用STM32F103RCT6 片內(nèi)12 位ADC，在ADC 配置函數(shù)ADC_Config （ ） 中配置ADC1_Channel1 和ADC1_Channel2 兩個(gè)通道為2 通道獨(dú)立工作，軟件觸發(fā)連續(xù)掃描轉(zhuǎn)換方式，設(shè)置并啟動(dòng)兩通道DMA 傳輸，DMA數(shù)據(jù)存放在adc_mem16數(shù)組中，符號(hào)ADC_LEN=8 是預(yù)定義的符號(hào)常數(shù)，它表示每個(gè)通道的ADC 數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)，兩個(gè)通道總個(gè)數(shù)2* ADC_LEN=16。這樣用DMA 方式在數(shù)組ad

14、c_mem 存儲(chǔ)的ADC 數(shù)據(jù)，是兩通道交替存儲(chǔ)并由DMA 控制自動(dòng)構(gòu)成循環(huán)隊(duì)列（第一次存放通道0，第二次存放通道1，下一個(gè)數(shù)據(jù)又是通道0 的新采集數(shù)據(jù)，存滿(mǎn)后，又循環(huán)回?cái)?shù)組的頭繼續(xù)循環(huán)存放） ， 隊(duì)列中保存的是2*ADC_LEN 最新數(shù)據(jù)，舊的數(shù)據(jù)自動(dòng)被新的數(shù)據(jù)替換。所需要的數(shù)據(jù)是送到ADC1_Channel2（ ADC1_IN2 ， 即PA1 引腳的電壓信號(hào)） ，ADC1_channel2 的8 個(gè)ADC 數(shù)據(jù)分別存放在adc_mem1，adc_mem3，adc_mem2i+1，adc_mem15中。（2） 計(jì)算出B和Uhstatic int Calculat_U(int k,int nu

15、x)/u16 Calculat_U(int k,int nux)int u;/u16 u;u = (825*nux)/k;u = (u/1024)/0.6;return u;static int Calculat_B(int k,int nux)int b;b=(825*nux)/k/1024/0.6;b=(b-2500)/3.3;return b;通過(guò)計(jì)算N值就可以得出Uh，然后計(jì)算出所需要的B值。（3） 顯示函數(shù) LCD兩行分別顯示Uh和B值 static void user_init()lcd_write_string(1,0,(u8*)"welcome to use"

16、;);lcd_write_string(1,1,(u8*)"2016-1-9");static void LCD_Disp(int u1,int B)/(u16 u1,u16000 u2)u1buffer0 = (u1)/1000;u1buffer1 = (u1)%1000)/100;u1buffer2 = (u1)%100)/10;u1buffer3 = (u1)%10; /µÚÒ»ÐÐÏÔʾlcd_write_char(1,0,'U');lcd_writ

17、e_char(2,0,'h');lcd_write_char(3,0,' ');lcd_write_char(4,0,'=');lcd_write_char(5,0,' ');lcd_write_char(6,0,u1buffer0+0X30);lcd_write_char(7,0,u1buffer1+0X30);lcd_write_char(8,0,u1buffer2+0X30);lcd_write_char(9,0,u1buffer3+0X30);lcd_write_char(10,0,' ');lcd_wri

18、te_char(11,0,' ');lcd_write_char(12,0,'m');lcd_write_char(13,0,'V');lcd_write_char(14,0,' ');lcd_write_char(15,0,' ');/µÚ¶þÐÐÏÔʾlcd_write_char(1,1,'B');/lcd_write_char(2,1,' ');lcd_write_char(2

19、,1,' ');lcd_write_char(3,1,' ');lcd_write_char(4,1,'=');lcd_write_char(5,1,' ');lcd_write_char(6,1,u2buffer0+0X30);lcd_write_char(7,1,u2buffer1+0X30);lcd_write_char(8,1,u2buffer2+0X30); lcd_write_char(9,1,'.');/lcd_write_char(9,1,);lcd_write_char(10,1,u2buffer

20、3+0X30);lcd_write_char(11,1,' ');lcd_write_char(12,1,'G');lcd_write_char(13,1,'s');lcd_write_char(14,1,' ');lcd_write_char(15,1,' ');/if(B>600)/lcd_write_string(1,1,(u8*)"error"); if(B>=0&&B<=6000)/unsigned int a=B;lcd_write_char(5,1

21、,' ');u2buffer0 = (B)/1000; u2buffer1 = (B)%1000)/100; u2buffer2 = (B)%100)/10; u2buffer3 = (B)%10;else if(B<0&&B>=-6000)/unsigned int b=B;int a=B;a=a-(2*a);lcd_write_char(5,1,'-');u2buffer0 = (a)/1000;u2buffer1 = (a)%1000)/100;u2buffer2 = (a)%100)/10;u2buffer3 = (a)%10

22、;else lcd_write_string(6,1,(u8*)"error");5. 裝置樣機(jī)的制作與調(diào)試5.1 硬件制作與調(diào)試樣機(jī)這部分的布圖已由老師完成，所以我們只是進(jìn)行最后的焊接。焊接完成之后就如下圖：樣機(jī)零件按照原理圖吧零件焊上去之后就檢測(cè)，如果沒(méi)錯(cuò)的話就可以亮顯示屏了。燒錄老師的例子程序之后就明確有數(shù)字顯示了。調(diào)理電路的設(shè)計(jì)焊接： 根據(jù)已經(jīng)繪畫(huà)后的SCH原理圖導(dǎo)出網(wǎng)絡(luò)表格，之后再新建一個(gè)PCB文件，把表格導(dǎo)入之后就可以進(jìn)行pcb圖的布圖工作和布線工作了。制作好pcb圖之后就開(kāi)始打印pcb原理圖，原本是打算用轉(zhuǎn)印紙和覆銅板來(lái)腐蝕電路板的，單最后由于時(shí)間的關(guān)系和零件

23、的關(guān)系只能用萬(wàn)用板來(lái)布圖了，如下圖由于LM358之中有兩個(gè)放大器，所以電路上的兩個(gè)放大器最后決定節(jié)省材料就用一個(gè)可以了。SS495霍爾傳感器的調(diào)理電路就完成了，ss495輸出信號(hào)先進(jìn)行第一級(jí)的濾波整流一倍放大之后，再進(jìn)入二級(jí)放大，放大倍數(shù)為0.6倍，是為了防止超出ADC的3.3V量程，就最后由此電路處理之后出來(lái)的信號(hào)是傳感器的輸出信號(hào)的0.6倍，送進(jìn)PA0口進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換。5.2 軟件調(diào)試軟件經(jīng)由另一個(gè)組員完成后調(diào)試沒(méi)有錯(cuò)誤就開(kāi)始燒錄了。5.3 樣機(jī)試驗(yàn)測(cè)試此為完整的顯示6. 實(shí)驗(yàn)測(cè)試6.1 實(shí)驗(yàn)測(cè)試目的測(cè)試所焊接的板子和所燒錄的程序還有什么錯(cuò)誤和計(jì)算上的誤差，以方便更正或者改進(jìn)等。6.2 試驗(yàn)

24、測(cè)試6.2.1 硬件測(cè)試（1）測(cè)試方法：按照原理圖檢查有無(wú)元件焊錯(cuò)，用萬(wàn)用表檢測(cè)是否有虛焊和短路的焊接錯(cuò)誤（2）結(jié)果：硬件上的測(cè)試已經(jīng)可以顯示了，沒(méi)有任何是燒錄不進(jìn)程序和發(fā)熱等現(xiàn)象。信號(hào)的濾波放大電路的信號(hào)也能完整的放大輸出了。6.2.2 軟件測(cè)試 （1） 測(cè)試方法：把軟件燒錄進(jìn)板子，取五組數(shù)值來(lái)校驗(yàn)程序的取值和調(diào)用計(jì)算是否正確。（2） 測(cè)試結(jié)果：以下圖片為測(cè)試結(jié)果： （3） 數(shù)據(jù)分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)說(shuō)明本實(shí)驗(yàn)說(shuō)要求的磁感應(yīng)強(qiáng)度數(shù)據(jù)的計(jì)算結(jié)果和線性圖的結(jié)果是一致的。在對(duì)應(yīng)的輸出電壓下的B值是正確的。6.3 測(cè)試結(jié)果測(cè)試結(jié)果說(shuō)明本次實(shí)驗(yàn)已經(jīng)可以完整的測(cè)出傳感器周邊的磁感應(yīng)強(qiáng)度并完整的顯示出來(lái)了。達(dá)到了本次實(shí)驗(yàn)的磁場(chǎng)檢測(cè)裝置的設(shè)計(jì)。7. 總結(jié)（1） 本次實(shí)驗(yàn)中，我負(fù)責(zé)的是硬件部分。在本次實(shí)驗(yàn)之中