基于線性霍爾傳感器的磁場檢測裝置設計

1、桂林理工大學 信息科學與工程學院感 知 技 術課 程 設 計 （實 習） 報 告題 目： 基于線性霍爾傳感器 的磁場檢測裝置設計 專業(yè)（方向）： 物聯(lián)網(wǎng)工程 班 級： 物聯(lián)網(wǎng)13-1班 學 生： 李燕昊 學 號： 3130758109 組 員： 覃俊華 指導老師： 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研究目標與意義31.3相關技術的現(xiàn)狀32.基本原理與總體技術方案42.1基本原理42.2技術方案比較43.硬件系統(tǒng)設計53.1硬件總體設計思路及原理框圖53.2關鍵元件介紹53.3硬件設計73.3.1 調理信號設計74.軟件系統(tǒng)設計84.1軟件功能介紹84.2

2、程序設計總體方案84.3程序是實現(xiàn)85.裝置樣機的制作與調試95.1硬件制作與調試95.2軟件調試95.3樣機試驗測試96.實驗測試106.1實驗測試目的106.2試驗測試106.3測試結果107.總結118.參考文獻111. 緒論1.1 題目基于線性霍爾傳感器的磁場檢測裝置設計1.2 研究目標與意義（1）總體目標利用線性霍爾傳感器設計制作磁場測量裝置。檢測周圍磁感應強度的大小。（2） 研究意義霍爾傳感器是一種磁傳感器。用它可以檢測磁場及其變化，可在各種與磁場有關的場合中使用?；魻杺鞲衅饕曰魻栃獮槠涔ぷ骰A，是由霍爾元件和它的附屬電路組成的集成傳感器。霍爾傳感器在工業(yè)生產(chǎn)、交通運輸和日常生活

3、中有著非常廣泛的應用。1.3 相關技術的現(xiàn)狀21世紀，是人類全面進入信息電子化的時代。隨著人類探知領域和空間的拓展，使得人們更依賴于獲取外界信息的采集技術。敏感元件及傳感器是人類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化為電量信息，為人們認識和控制相應的對象提供條件和依據(jù)。作為現(xiàn)代信息技術的三大支柱之一的傳感器技術，已成為21世紀人們在高新技術發(fā)展方面爭奪的一個制高點。霍爾傳感器產(chǎn)業(yè)發(fā)展應用大致分為：直接應用和間接應用。前者是直接檢測出受檢測對象本身的磁場或磁特性，其中最有特色的是霍爾電流、電壓類傳感器，他們已成為當今電子測量領域中應用最多的傳感器件之一。是一種新型的高性能

4、電氣隔離檢測元件。應用廣泛。后者是檢測受檢對象上人為設置的磁場，用這個磁場來作被檢測信息的載體，通過它，將許多非電、非磁的物理量轉變?yōu)殡娏縼磉M行檢測和控制。霍爾傳感器產(chǎn)業(yè)飛速發(fā)展的同時，也給霍爾傳感器自身的發(fā)展提出了急迫的需求。發(fā)展和應用的比較成熟的一些霍爾傳感器，已經(jīng)在長期使用中逐步顯現(xiàn)出自身存在的某些局限。為了充分發(fā)揮各自的優(yōu)勢，突破限制，拓展發(fā)展空間，必須開發(fā)新材料，發(fā)現(xiàn)新效應，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，這是我們當前的首要任務，也是歷史的使命。2. 基本原理與總體技術方案2.1 基本原理利用霍爾效應進行磁場檢測。霍爾效應及霍爾傳感器原理請參閱傳感器教材及其他相關文獻。

5、霍爾效應的本質是：固體材料中的載流子在外加磁場中運動是，因為受到洛倫磁力的作用而使軌跡發(fā)生偏移，并在材料兩側產(chǎn)生電荷積累，形成垂直于電流方向的電場，最終使載流子受到的洛倫磁力與電場斥力相平衡，從而在兩側建立起一個穩(wěn)定的電勢差，即霍爾電壓。正交電場和電流強度與磁場強度的乘積之比就是霍爾系數(shù)。平行電場和電流強度之比就是電阻率。SS495是線性霍爾傳感器，在一定的磁感應強度范圍內，傳感器的輸出電壓U與磁感應強度B（Gs）成正比U=K×B。將傳感器的輸出電壓U送到信號調理電路進行濾波放大得到所需要復讀的電壓信號UAD。將電壓UAD送到ADC電路轉換為數(shù)字量NAD，微處理器讀取數(shù)字量NAD，經(jīng)

6、運算處理求出對應的磁感應強度B，送到LCD顯示。2.2 技術方案比較使用SS495 線性霍爾傳感器進行磁場檢測，經(jīng)濾波和幅度調理后送到ADC 電路，嵌入式微處理器使用內部具有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)設計3.1 硬件總體設計思路及原理框圖通過感器SS495檢測到不同的磁感性強度B后會產(chǎn)生不同的輸出信號Uh，輸出信號進行濾波整流和放大調理之后得到Uad送到單片機STM32的PA0(ADC 1-IN 0)口進行AD轉換，模擬信號進行了1倍放大。信號再經(jīng)過芯片進行軟件程序處理之后送往lcd等進

7、行顯示。直流電源給整個電路提供6V 的穩(wěn)定電壓。3.2 關鍵元件介紹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；測量范圍：-700Gs700Gs；輸出電流：最小值1.0mA，典型值1.5mA;響應時間：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增強型系列由意法半導體集團設計，使用高性能的ARMCort

8、ex-M332位的RISC內核，工作頻率為72MHz，內置高速存儲器(高達128K字節(jié)的閃存和20K字節(jié)的SRAM)，豐富的增強I/O端口和聯(lián)接到兩條APB總線的外設。所有型號的器件都包含2個12位的ADC、3個通用16位定時器和一個PWM定時器，還包含標準和先進的通信接口：多達2個I2C和SPI、3個USART、一個USB和一個CAN。類別：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程序存儲器容量：256KB程序存儲器類型：FLASHRAM容量：48K

9、電壓-電源(Vcc/Vdd)：2 V  3.6 V振蕩器型：內部工作溫度：-40°C  85°C3.3 硬件設計3.3.1 調理信號設計從霍爾傳感器輸出的信號需經(jīng)過錄波整流和放大之后才進AD轉換，此原理圖的工作原理是把霍爾傳感器的輸出信號進行濾波整流，再在二級放大器處進行放大。由于SS495 輸出信號已經(jīng)比較大，ADC 電路輸入電壓3300mV，放大電路的放大倍數(shù)應小于1，所以所設計的SCH圖就是簡單的0.6倍放大。然后進行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 單片機設計原理圖如

10、下： 此原理圖的功能模塊有多個部分，本實驗主要就是用到的就是模擬信號輸出接口JAD和lcd1顯示屏這兩個部分的功能。信號經(jīng)調理電路之后接入JAD口經(jīng)過一倍放大進入AD轉換，再由經(jīng)軟件處理運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 圖形點陣LCD 接口。JAD為兩路內部帶緩沖放大的模擬量輸入接口，模擬信號輸入引腳U1 內部有5 倍的放大（通過改變電阻可以修改），接STM32103 的PA0(ADC 1-IN 0)，

11、模擬信號輸入引腳U2 內部放大倍數(shù)為1，接STM32F103 內部PA1（ADC1-IN1）K1K3 為三個接在PB 5PB 7 上的按鍵（按下=0），LED3，LED4 為接在PB8、PB9 上的LED信號燈（=1 亮），J232 為接在PA9/PA10(UART1)上的RS232C 接口。JZ 為ZigBee模塊接口，JZD 為TI 的ZigBee 調試與配置接口。JTAG 為STM32 程序下載與調試接口。除此還有IIC、SPI 接口。4. 軟件系統(tǒng)設計4.1 軟件功能介紹軟件的功能就是把已經(jīng)進行了AD 轉換得出的數(shù)值N進行轉換得會進來的Uad，再進一步計算出霍爾傳感器的輸出電壓和磁感應

12、強度B。最后把U和B通過軟件程序送去LCD端口進行顯示。4.2 程序設計總體方案4.2.1 總體程序設計思先進性硬件的初始化，在開始定義使用的端口資源，加上調用的取值函數(shù)，AD轉換函數(shù)，計算函數(shù)和顯示函數(shù)，最后再進行無限死循環(huán)的主循環(huán)。主循環(huán)中主要取值計算和顯示三個函數(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12 位ADC，在ADC 配置函數(shù)ADC_Config （ ） 中配置ADC1_Channel1 和ADC1_Channel2 兩個通道為2 通道獨立工作，軟件觸發(fā)連續(xù)掃描轉換方式，設置并啟動兩通道DMA 傳輸，DMA數(shù)據(jù)存放在adc_mem16數(shù)組中，符號ADC_LEN=8 是預定義的符號常數(shù)，它表示每個通道的ADC 數(shù)據(jù)個數(shù)，兩個通道總個數(shù)2* ADC_LEN=16。這樣用DMA 方式在數(shù)組ad

14、c_mem 存儲的ADC 數(shù)據(jù)，是兩通道交替存儲并由DMA 控制自動構成循環(huán)隊列（第一次存放通道0，第二次存放通道1，下一個數(shù)據(jù)又是通道0 的新采集數(shù)據(jù)，存滿后，又循環(huán)回數(shù)組的頭繼續(xù)循環(huán)存放） ， 隊列中保存的是2*ADC_LEN 最新數(shù)據(jù)，舊的數(shù)據(jù)自動被新的數(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） ，ADC1_channel2 的8 個ADC 數(shù)據(jù)分別存放在adc_mem1，adc_mem3，adc_mem2i+1，adc_mem15中。（2） 計算出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;通過計算N值就可以得出Uh，然后計算出所需要的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. 裝置樣機的制作與調試5.1 硬件制作與調試樣機這部分的布圖已由老師完成，所以我們只是進行最后的焊接。焊接完成之后就如下圖：樣機零件按照原理圖吧零件焊上去之后就檢測，如果沒錯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。調理電路的設計焊接： 根據(jù)已經(jīng)繪畫后的SCH原理圖導出網(wǎng)絡表格，之后再新建一個PCB文件，把表格導入之后就可以進行pcb圖的布圖工作和布線工作了。制作好pcb圖之后就開始打印pcb原理圖，原本是打算用轉印紙和覆銅板來腐蝕電路板的，單最后由于時間的關系和零件

23、的關系只能用萬用板來布圖了，如下圖由于LM358之中有兩個放大器，所以電路上的兩個放大器最后決定節(jié)省材料就用一個可以了。SS495霍爾傳感器的調理電路就完成了，ss495輸出信號先進行第一級的濾波整流一倍放大之后，再進入二級放大，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的信號是傳感器的輸出信號的0.6倍，送進PA0口進行AD轉換。5.2 軟件調試軟件經(jīng)由另一個組員完成后調試沒有錯誤就開始燒錄了。5.3 樣機試驗測試此為完整的顯示6. 實驗測試6.1 實驗測試目的測試所焊接的板子和所燒錄的程序還有什么錯誤和計算上的誤差，以方便更正或者改進等。6.2 試驗

24、測試6.2.1 硬件測試（1）測試方法：按照原理圖檢查有無元件焊錯，用萬用表檢測是否有虛焊和短路的焊接錯誤（2）結果：硬件上的測試已經(jīng)可以顯示了，沒有任何是燒錄不進程序和發(fā)熱等現(xiàn)象。信號的濾波放大電路的信號也能完整的放大輸出了。6.2.2 軟件測試 （1） 測試方法：把軟件燒錄進板子，取五組數(shù)值來校驗程序的取值和調用計算是否正確。（2） 測試結果：以下圖片為測試結果： （3） 數(shù)據(jù)分析實驗數(shù)據(jù)說明本實驗說要求的磁感應強度數(shù)據(jù)的計算結果和線性圖的結果是一致的。在對應的輸出電壓下的B值是正確的。6.3 測試結果測試結果說明本次實驗已經(jīng)可以完整的測出傳感器周邊的磁感應強度并完整的顯示出來了。達到了本次實驗的磁場檢測裝置的設計。7. 總結（1） 本次實驗中，我負責的是硬件部分。在本次實驗之中