地磁传感器设计研究

1、测控电路设计专 业：测控技术与仪器班 级：09050341X姓 名：贺建智学 号：42地磁传感器设计研究1设计思路（1）针对所选用磁场敏感头的工作特性，选择合适器件，明确磁场检测模块的工作原理。（2）鉴于磁场检测单元的温度敏感特性，设计信号调理模块，实现了宽温度范围内的灵敏度补偿与零点补偿。（3）鉴于数字式磁场强度传感器的应用特点，设计出传感数字化与逻辑控制模块。（4）绘制各个模块的硬件电路图和整体电路图，并对所进行的设计进行相关的调试和校准。2设计方案2.1霍尔元件的结构及原理：如图1所示,霍尔元件是均匀的N型半导体材料制成的矩形薄片,长为L,宽为b,厚为d。当在1、2两端加上电压,同时有一

2、个磁场B 垂直穿过元件的宽面时, 在3、4两端产生电位 差UH , 这种现象就是霍尔效应。霍尔效应从本质上讲是运动的带电粒子在磁场中受到洛仑兹力作用而引起的偏转。当带电粒子被约束在固体材料中,这种偏转就导致在垂直电流和磁场的方向上产生正负电荷的积累,从而形成附加的横向电场。霍尔片内定向运动的载流子所受洛仑兹力 图1 和静电作用力相等时, 3、4两 端将建立起稳定的电位差,即霍尔电压UH :UH = KH· IB (1)式中, KH 为霍尔元件的灵敏度。对于给定霍尔片, KH 是常数, 它仅与霍尔片的材料性质及几何尺寸有关。当工作电流I和磁感应强度B 一定时, KH 的数值越大, 霍尔

3、电压也就越高,也就是灵敏度越高。由式(1)可得:B =UH/（KH·I） (2) 从式( 2 ) 可知, 如果已知霍尔片的灵敏度KH ,只需测出工作电流I和霍尔电压UH 就可求得B。UH 的单位取为mV, I的单位取为mA，B 的单位为T, KH 的单位即为mV / (mA·T) 。2.2霍尔传感器不等位电动势补偿和温度补偿2.2.1不等位电动势Uo及其补偿不等为电动势是产生零位误差的主要因素。由于制作霍尔元件时，不可能保证将霍尔电极焊在同一等位面上，如图2所示。图2因此当控制电流I流过元件时，即使磁感应强度等于零，在霍尔电动势极上仍有电动势存在，该电动势称为不等位电动势U

4、o。在分析不等位电动势时，可以把霍尔元件等效为一个电桥，如图3所示。 图3电桥的是个桥臂分别为R1、R2、R3和R4.若两个霍尔电动势在同一等位面上，此时R1=R2=R3=R4，则电桥平衡，输出电压Uo等于零。当霍尔电极不在同一等位面上时，因R3增大而R4减小，则电桥平衡被破坏，使输出电压Uo不等于零；恢复电桥平衡的方法是减小R2或R3。如果经测试确知霍尔电极偏离等位面的方向，则可以采用机械修磨或用化学腐蚀的方法来减小不等位电动势以达到补偿目的。一般情况下，采用补偿网络进行补偿是一种行之有效的方法，在本设计中采用如图4所示的补偿线路。图42.2.2温度补偿一般半导体材料的电阻率、迁移率和载流子

5、浓度等都随温度而变化。霍尔元件由半导体材料制成，因此它的性能参数如输入和输出电阻、霍尔常数等也随温度而变化，致使霍尔电势变化，产生温度误差。为了减小温度误差，除选用温度系数较小的材料如砷化铟或采用恒温措施外，还可以采用恒流源供电，这样可以减小元件内阻随温度变化而引起的控制电流的变化。但是采用恒流源供电不能完全解决霍尔电动势的稳定问题，因此还应采用其他补偿方法。在本设计中采用的是如图5所示的温度补偿线路。 图5在控制电流极上并联一个适当的补偿电阻ro，当温度升到时，霍尔元件的内阻迅速增加，使通过元件的电流减小，而通过ro的电流增加，利用元件内阻的温度特性和补偿电阻，可自动调节霍尔元件的电流大小，

6、从而起到补偿作用。补偿电阻ro的数值选择：设在某一基准温度To时，有 I=IHo+Io （1） IHo·Ro=Io·ro （2）式中 I恒流源输出电流； IHo温度为To时，霍尔元件的控制电流； Io温度为To时，ro上通过的电流； Ro温度为To时，霍尔元件的内阻； ro温度为To时，补偿电阻值。将式（1）代入式（2）经整理得 IHo=ro·I/（Ro+ro） （3）当温度上升为T时，同理可得 IH=r·I/（R+r） （4）式中 R温度为T时，霍尔元件的内阻，R=Ro·（1+·t）； 霍尔元件的内阻温度系数； t等于TTo，为相对

7、基准温度的温差； r温度为T时，补偿电阻的值，r=ro·（1+·t），是补偿电阻的温度系数。当温度为To时，霍尔电动势UHo为 UHo=KHo·IHo·B 式中，KHo是温度为To时，霍尔元件的灵敏度系数，当温度为T时，霍尔电动势UH为UH=KH·IH·B=KHo·（1+·t）·IH·B 式中KH温度为To时，霍尔元件的灵敏度系数；霍尔电动势灵敏度的温度系数。设补偿后输出霍尔电动势不随温度变化，则应满足条件UH=UHo即KHo=（1+·t）·IH·B=KHo

8、3;IHo·B （5）将式（3）和式（4）代入式（5），并整理后得到（1+·t）（1+·t）=1+（Ro·+ro·）·t/（Ro+ro） （6）将式（6）展开，略去··t²项（温度<100时此项可以忽略），则有 ro·=Ro·（）即 ro=（）·Ro/ （7）由于霍尔电动势灵敏度温度系数和补偿电阻的温度系数比霍尔元件内阻温度系数小得多，即，于是式（7）可以简化为 ro=·Ro/ （8）式（8）说明，当元件的、及内阻Ro确定后，补偿电阻ro便可求出。当霍尔元件选

9、定后，其值和值可以从元件参数表中查出，而元件内阻Ro则可由测量得到。实验表明，补偿后霍尔电动势受温度的影响极小，而且对霍尔元件的其他性能也无影响，只是输出电压稍有下降。这是由于通过元件的控制电流被补偿电阻ro分流的缘故。只要适当增大恒流源输出电流，使通过霍尔元件的电流达到额定值，输出电压可保持原来的数值。2.3霍尔传感器的集成运放由于霍尔元件输出的电压很小，不足以产生驱动电压，因而，需要使用集成运放电路对输出电压进行放大。采用同相放大器。图6 由虚断电路原理可知i+=i-=0 .有ui=u+ uf=R1·uo/(R1+Rf) uf=u-由虚短原理可知u+=u- 有ui=uf uo=（

10、1+Rf/R1）·ui闭环电压放大倍数 Au=uo/ui=1+Rf/R12.4 A/D转换芯片ADC08092.4.1管脚如图7图72.4.2 ADC0809概述ADC0809是美国国家半导体公司生产的CMOS工艺8通道，8位逐次逼近式A/D模数转换器。其内部有一个8通道多路开关，它可以根据地址码锁存译码后的信号，只选通8路模拟输入信号中的一个进行A/D转换。是目前国内应用最广泛的8位通用A/D芯片2.4.3主要特性1）8路输入通道，8位A/D转换器，即分辨率为8位。2）具有转换起停控制端。3）转换时间为100s(时钟为640kHz时)，130s（时钟为500kHz时）4）单个+5V

11、电源供电5）模拟输入电压范围0+5V，不需零点和满刻度校准。6）工作温度范围为-40+85摄氏度7）低功耗，约15mW。2.4.4内部结构ADC0809是CMOS单片型逐次逼近式A/D转换器，它由8路模拟开关、地址锁存与译码器、比较器、8位开关树型A/D转换器、逐次逼近寄存器、逻辑控制和定时电路组成。2.4.5外部特性（引脚功能）ADC0809芯片有28条引脚，采用双列直插式封装，下面说明各引脚功能。IN0IN7：8路模拟量输入端。2-12-8：8位数字量输出端。ADDA、ADDB、ADDC：3位地址输入线，用于选通8路模拟输入中的一路ALE：地址锁存允许信号，输入，高电平有效。START：

12、A/D转换启动脉冲输入端，输入一个正脉冲（至少100ns宽）使其启动（脉冲上升沿使0809复位，下降沿启动A/D转换）。EOC：A/D转换结束信号，输出，当A/D转换结束时，此端输出一个高电平（转换期间一直为低电平）。OE：数据输出允许信号，输入，高电平有效。当A/D转换结束时，此端输入一个高电平，才能打开输出三态门，输出数字量。CLK：时钟脉冲输入端。要求时钟频率不高于640KHZ。REF（+）、REF（-）：基准电压。Vcc：电源，单一+5V。GND：地。2.4.6 ADC0809的工作过程首先输入3位地址，并使ALE=1，将地址存入地址锁存器中。此地址经译码选通8路模拟输入之一到比较器。

13、START上升沿将逐次逼近寄存器复位。下降沿启动 A/D转换，之后EOC输出信号变低，指示转换正在进行。直到A/D转换完成，EOC变为高电平，指示A/D转换结束，结果数据已存入锁存器，这个信号可用作中断申请。当OE输入高电平 时，输出三态门打开，转换结果的数字量输出到数据总线上。转换数据的传送 A/D转换后得到的数据应及时传送给单片机进行处理。数据传送的关键问题是如何确认A/D转换的完成，因为只有确认完成后，才能进行传送。为此可采用下述三种方式。定时传送方式对于一种A/D转换器来说，转换时间作为一项技术指标是已知的和固定的。例如ADC0809转换时间为128s，相当于6MHz的MCS-51单片

14、机共64个机器周期。可据此设计一个延时子程序，A/D转换启动后即调用此子程序，延迟时间一到，转换肯定已经完成了，接着就可进行数据传送。查询方式A/D转换芯片由表明转换完成的状态信号，例如ADC0809的EOC端。因此可以用查询方式，测试EOC的状态，即可确认转换是否完成，并接着进行数据传送。中断方式把表明转换完成的状态信号（EOC）作为中断请求信号，以中断方式进行数据传送。不管使用上述哪种方式，只要一旦确定转换完成，即可通过指令进行数据传送。首先送出口地址并以信号有效时，OE信号即有效，把转换数据送上数据总线，供单片机接受。本电路设计用查询方式。2.5 AT89C51单片机2.5.1 AT89

15、C51管脚图：图8 图9图8图92.5.2主要特性·与MCS-51 兼容·4K字节可编程闪烁存储器·寿命：1000写/擦循环·数据保留时间：10年·全静态工作：0Hz-24MHz·三级程序存储器锁定·128*8位内部RAM·32可编程I/O线·两个16位定时器/计数器·5个中断源·可编程串行通道·低功耗的闲置和掉电模式·片内振荡器和时钟电路2.5.3管脚说明VCC：供电电压。GND：接地。P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P1

16、口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的低八位。在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上

17、拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。P3口也可作为AT8

18、9C51的一些特殊功能口，如下表所示：口管脚 备选功能P3.0 RXD（串行输入口）P3.1 TXD（串行输出口）P3.2 /INT0（外部中断0）P3.3 /INT1（外部中断1）P3.4 T0（记时器0外部输入）P3.5 T1（记时器1外部输入）P3.6 /WR（外部数据存储器写选通）P3.7 /RD（外部数据存储器读选通）P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE

19、端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时， ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。/PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。/EA/VPP：当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH

20、），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。XTAL2：来自反向振荡器的输出。2.5.4振荡器特性XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以配置为片内振荡器。石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。由于输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。芯片擦除整个PEROM阵列

21、和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合，并保持ALE管脚处于低电平10ms 来完成。在芯片擦操作中，代码阵列全被写“1”且在任何非空存储字节被重复编程以前，该操作必须被执行。此外，AT89C51设有稳态逻辑，可以在低到零频率的条件下静态逻辑，支持两种软件可选的掉电模式。在闲置模式下，CPU停止工作。但RAM，定时器，计数器，串口和中断系统仍在工作。在掉电模式下，保存RAM的内容并且冻结振荡器，禁止所用其他芯片功能，直到下一个硬件复位为止。2.5.5结构特点8位CPU；片内振荡器和时钟电路；32根I/O线；外部存贮器寻址范围ROM、RAM64K；2个16位的定时器/计数器；5个中断源，两个

22、中断优先级；全双工串行口；布尔处理器；89C51控制0809的工作，并进行数据转换，输出给数码管。2.6共阴极数码管2.6.1 Proteus中的四位七段数码管如图10图102.6.2共阴极数码管的应用 共阴极数码管是一类数字形式的显示屏，通过对其不同的管脚输入相对的电流，会使其发亮，从而显示出数字能够显示 时间、日期、温度等所有可用数字表示的参数。由于它的价格便宜、使用简单、在电器，特别是家电领域应用极为广泛，空调、热水器、冰箱等等。绝大多数热水器用的都是数码管，其他家电也用液晶屏与荧光屏。 2.6.3共阴极结构 LED显示器有共阴极和共阳极两种结构，下面只介绍共阴极结构。在共阴极结构中，各

23、段发光二极管的阴极连在一起，将此公共点接地，某一段发光二极管的阴极为高电平时，该段发光。 共阴极字段码： LED显示09某个字符时，则要求在adp送固定的字段码，如要使LED显示“0”,则要求a、b、c、d、f各引脚为高电平，g和dp为低电平，字段码为“3fh” 。 dp g f e d c b a 0 0 1 1 1 1 1 1 3fh 共阴极字符09七段码如下： 字符： 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 字段码：3fh 06h 5bh 4fh 66h 6dh 7dh 07h 7fh 6fh2.6.4数码管动态扫描原理实际使用LED数码管显示器位数较多，为了简化线路降低成本，通常采用动

24、态扫描显示方法。数码管内部发光二极管的阴极接在一起，阳极成为段选线。这两种数码管的驱动方式是不同的。当需要点亮“共阳极”数码管的一段时，公共段需接高电平（即写逻辑1）、该段的段选线接低电平（即写逻辑0），从而该段被点亮。当需要点亮“共阴极”数码管的一段时，公共段需接低电平（即写逻辑0）、该段的段选线接高电平（即写逻辑1），该段被点亮。这样虽然在任一时刻只有一位显示器被点亮，但是由于人的视觉残留效应，看起来与全部显示器持续点亮效果基本一样。2.7单片机程序 ORG 0000HAJMP MAINORG 001BHAJMP SERVEORG 0030HMAIN: MOV 40H,#00H ;A/D转

25、化存储位 （主程序） MOV 41H,#00H ;百位 MOV 42H,#02H ;十位 MOV 43H,#02H ;个位 MOV TMOD,#10H ；初始化定时器工作方式，定时器工作于定时方式，方式1 SETB ET1 ；允许定时器T1中断 SETB EA ；总的中断允许 MOV TH1,#0FFH MOV TL1,#0D0H ；给定时器T1赋初值，给0809提供合适的时钟信号 SETB TR1 ；启动定时器T1 LCALL ADC ;A/D转化子程序 LCALL ZHUANHUA ;BCD码子程序 LCALL XIANSHI ;显示子程序 AJMP MAIN ;循环执行ADC: PUSH

26、 ACC （控制ADC0809的工作） PUSH PSW SETB P1.1 ；给0809ALE提供上升沿，以锁存地址 LCALL TIME ;延时子程序 CLR P1.1 ；给0809 START提供下降沿，以开始模数转化 LCALL CXAD ;查询转化完毕的子程序 MOV P2,#0FFH ；给P2端口置1，为数据读入做准备 MOV A,P2 ；读入P2口的信号，即AD转化后的数据信号 MOV 40H,A ；将AD转化后的数据存储于40H POP PSW POP ACC RETITIME: PUSH ACC ；延时子程序 （为ADC0809的ALE和START端提供方波） PUSH PS

27、W MOV R1,#0AH ;外循环10次 TLL1:MOV R0,#0FH ；内循环15次 TWL1:DJNZ R0,TWL1 DJNZ R1,TLL1NOPNOPPOP PSWPOP ACCRETI CXAD: SETB P1.2 ;查询AD转化完成的子程序 MOV C,P1.2 ；置位P1.2为读入P1.2的状态做准备JNC CXAD ；若为低电平则继续查询，若为高电平则说明转化完成RETIZHUANHUA:PUSH ACC ；将8为二进制数转化为BCD码子程序 PUSH PSW MOV A,40H ；将40H的内容赋值给A MOV B,#64H ;将40H的内容除以100以得到百位 D

28、IV AB MOV 41H,A ；将百位的内容送给41H MOV A,B ；将余数赋值给A MOV B,#0AH ；余数除以10，以得到十位和个位 DIV AB MOV 42H,A MOV 43H,B POP PSW POP ACC RETISERVE: PUSH PSW ；给AD0809提供时钟信号的服务子程序 PUSH ACCMOV TH1,#0FFH ；给定时器T1赋初值MOV TL1,#0D0HSETB TR1 ；启动定时器CPL P1.0 ；取反P1.0端，以提供方波POP ACCPOP PSWRETIXIANSHI:PUSH PSW ；显示子程序 （驱动数码管显示） PUSH AC

29、C MOV R0,#41H ；将41H赋值给R0，提供显示的初始地址 MOV R2,#0FEH ；提供位选信号MOV A,R2 ；MOV DPTR,#TAB ；将显示段码列表初始地址赋值给DPTR（变址寄存器）LP0:MOV P3,A ；位选信号输出 MOV A,R0 ；读取该位的BCD码的数值MOVC A,A+DPTR ；查询列表，获得段码MOV P0,A ；段码输出ACALL D1MS ；调用延时子一毫秒程序，获得视觉残留效果INC R0 ；地址减一，指向下一个需要显示的数据MOV A,R2 JNB ACC.4,LP1 ；判断位选码是否移动到显示器最左端RL A ；位选码循环左移MOV R

30、2,A ；段选码存储AJMP LP0 ；循环，显示下一个数LP1:POP ACC POP PSW RETTAB:DB 3FH, 06H, 5BH, 4FH, 66H, 6DH （共阴极数码管显示段码列表）DB 7DH, 07H, 7FH, 6FH, 77H, 7CHDB 39H, 5EH, 79H, 71H, 40H, 00HD1MS:PUSH PSW ；一毫秒延时程序 （提供视觉残留效果的延时子程序） PUSH ACC MOV R7,#0FH ；外循环15次 DL:MOV R6,#0FH ；内循环15次 DL1:DJNZ R6,DL1 DJNZ R7,DL POP ACC POP PSW R

31、ETEND2.8电源方案设计因为本设计中的霍尔元件，同相放大器，ADC0809，AT89C51以及七段数码显示管的驱动电压均为46V即可。因此，电源采用5V直流电压源统一供电。2.9设计原理框图2.9.1总设计原理框图 图11 图11 2.9.2霍尔传感器部分原理框图 图12图122.9.3数据处理部分原理框图 图13图133.单元电路设计3.1霍尔传感器单元电路设计3.1.1霍尔传感器不等位电动势补偿线路及温度补偿线路电路图图143.1.2 霍尔传感器单元电路 图15图153.2数据处理显示单元电路设计3.2.1给AT89C51提供振荡源的振荡电路设计 图163.2.2 AT89C51的复位

32、电路设计 图173.2.3数据处理显示单元总电路图 图183.2.4 ADC0809、AT89C51、上拉电阻及七段数码显示管之间的接口说明ADC0809的P2.0、P2.1、P2.2、P2.3、P2.4、P2.5、P2.6、P2.7口对应接AT89C51的P2.0、P2.1、P2.2、P2.3、P2.4、P2.5、P2.6、P2.7口。ADC0809的P1.0、P1.1、P1.2口对应接AT89C51的P1.0、P1.1、P1.2口。AT89C51的P0.0、P0.1、P0.2、P0.3、P0.4、P0.5、P0.6、P0.7口与上拉电阻的P0.0、P0.1、P0.2、P0.3、P0.4、P0.5、P0.6、P0.7口相接。七段数码显示管的P0.0、P0.1、P0.2、P0.3、P0.4、P0.5、P0.6、P0.7口与AT89C51的P0.0、P0.1、P0.2、P0.3、P0.4、P0.5、P0.6、P0.7口连接。七段数码显示管的P3.0、P3.1、P3.2口与AT89C51的P3.0、P3.1、P3.2口对应连接。4.电路工作原理及参数计算4.1电路工作原理本设计中使用的霍尔敏感元件为AH3503，当AH3503所在磁场的磁通量发生改变，由式UH = KH· IB可知，AH3503的输出端产生一定的电压信号，将这一