霍尔传感器信号采集与显示系统设计

© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 霍尔传感器信号采集与显示系统设计 林 　游 ,张俊杰 ,易 　凡 (武汉大学 物理科学与技术学院 　湖北 武汉 　430072) 摘　要 :随着传感器技术的不断发展 ,如何更好地对信号进行处理越来越重要。利用霍尔传感器产生的电压作为输入 信号 ,经单片机采集并进行 A/ D 转换和串行通信后 ,最终在 PC 机上显示出来。该系统采用的软硬件实现方法 ,操作过程简 单方便 ,得到结果与示波器上显示的曲线相符 ,具有重要的参考价值。 关键词 :霍尔传感器 ;单片机 ;串行通信 ;MSComm 通信控件 中图分类号 : TP393. 04 　　　　　文献标识码 :B 　　　　　文章编号 :10042373X(2009) 042191204 Design of Hall Sensor Signal Acquisition and Display System L IN You ,ZHAN G J unjie , YI Fan (School of Physics Science and Technology ,Wuhan University ,Wuhan ,430072 ,China) Abstract :With the continuous development of sensor technology ,how to process signal becomes more and more impor2 tant . A system whose voltage signal is generating f rom hall sensor , realizing A/ D conversion and serial communication by microcontroller ,and it can display comparative result s on the computer at last . This software and hardware implementation method used in the system is simple and convenient ,the showing result is identical with the curve displaying on the oscillo2 graph. The method has important reference value. Keywords : Hall sensor ;single chip computer ;serial communication ;MSComm control 收稿日期 :2008205209 0 　引 　言 近年来 ,随着传感器技术的不断发展 ,特别是单片 机技术的广泛应用 ,采用单片机与 PC 机构成的小型传 感器测控系统越来越多。因为它们很好地结合了单片 机的价格低 ,功能强 ,抗干扰能力好 ,温限宽和面向控制 等优点及 PC 机操作系统中 Windows 的高级用户界 面、多任务、自动内存管理等特点[1 ] 。在这种测控系统 中 ,单片机主要进行实时数据采集及预处理 ,然后通过 串行口将数据送给 PC 机 , PC 机再对这些数据进一步 处理 ,例如求均值、方差、画动态曲线与计算给定、打印 输出的各种参数等任务。 这里采用霍尔传感器作为前端进行数据采集 ,然后 在单片机控制下进行 A/ D 转换 ,并将信号通过串口送 给 PC 机进行绘图处理。 1 　系统介绍 系统可以分为 3 个部分。第一部分是信号源 ,由霍 尔传感器产生电压信号 ,信号通过差分放大 ,滤波得到 较清晰的信号[2 ] ;第二部分是信号经过 A/ D 转换送入 单片机进行处理 ,再通过串行通信送入 PC 机处理得到 结果 ;第三部分是数据的显示 ,这部分是通过 VB 的绘 图程序来完成 ,显示结果以 v2x 关系图来显示。系统总 流程如图 1 所示。 图 1 　系统总流程 2 　硬件设计及实现 2. 1 　霍尔传感器 霍尔传感器是利用霍尔效应实现磁电转换的一种传 感器。它具有灵敏度高 ,应用广泛的特点。其工作原理 如图 2所示 :一块半导体薄片 ,其长度为 L ,宽度为 B ,厚 度为 D ,置于磁感应强度为 B 的磁场中 ,在相对的两边通 以控制电流 I ,且磁场方向与电流方向正交 ,则在半导体 的两边将产生一个与控制电流和磁感应强度乘积成正比 的电势 U ,该电势即为霍尔电压 ,用 UH 示 ,即 U H = KH IB [3 ] ,其中 KH 为霍尔元件的灵敏度 ,半导体薄片就是 霍尔元件。 同理有 2 块磁场相同的永久磁铁 , 同极性相对放 置。当其表面积远远大于两者的间距时 ,正中间磁感应 强度为 0 ,在缝隙间沿 x 轴形成一个均匀梯度的磁场 dB/ d x = K( K为常数) 。B = 0 处作为位移 x 的参考原 点 ,则 x = 0时 , B = 0 ,U H = 0。当它们中间的霍尔元件 191 《现代电子技术》2009 年第 4 期总第 291 期 　þ 新型元器件 ü © 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 移动到 x 处时 ,U H 大小由 x 处的 B 决定。由公式 U H = KH IB 可知 :保持 I 不变 ,则 dU H / d x = I K H dB/ d x = KH I = K ,积分后得 U H = Kx ,即霍尔电势与位移成比 例[3 ,4 ] 。磁场梯度越大 , 灵敏度越高 , 磁场变化越均匀 , U H 和 x 的线性越好[4 ] 。 图 2 　霍尔效应工作原理 本系统中的第一部分由图 3 中的霍尔传感器装置 提供 ,由霍尔元件 ( A44 E) 、差分放大器和滤波器组 成[5 ] 。其输出电压与霍尔元件位移成比例 ,具有较高灵 敏度 ,能够产生出符合的电压信号。 图 3 　传感器信号发生装置 2. 2 　模/ 数转换原理 该系统中的单片机是使用 At mel 公司的 A T89C51 微控制器 ,与 MCS251 单片机产品兼容 ,具有 4 KB 闪烁 可编程可擦除只读存储器、1 000 次擦写周期、32 个可 编程 I/ O 口线 、2 个 16 位定时器/ 计数器、5 个中断源 、UAR T 串行通道等特点。在设计中主要用它来控制 传感器信号发生装置输出的模拟信号转换成数字信号 , 进行数据采集和显示以及串行通信。 经过与量比较处理后的模拟量转化成以二进 制数值表示的离散信号的转换器 ,简称 A/ D 转换器. 转 换器的输入量一般为直流电流或电压 ,输出量为二进制 数码的数字量。该设计中使用 ADC0809 转换器。过 程如下 :首先它可以将其看成由一个 8 位 A/ D 转换器 和一个 8 通道模拟多路开关组合而成 , IN0～ IN7 分别 对应 8 路模拟量输入 ,由引脚 ADDA ,ADDB 和 ADDC 决定具体是哪一条模拟量来进行转化[6 ] 。在引脚 STAR T 和 AL E 上加1 个正脉冲后 ,通道选择码立即锁 定并同时 ADC 转换启动。转换开始后 O E 引脚加 1 个 正脉冲 ,将输出缓冲器的三态门打开 ,使转换后的数字 量能够传送至数据总线[6 ,7 ] 。 2. 3 　数据采集和显示 放大处理后的电压信号 ,虽然在幅值上达到了可以 处理的范围 ,但模/ 数电压转换的范围是 0～5 V ,而传 感器输出的电压存在负值 ,为了使电压匹配 ,信号电压 在接入模/ 数转换器前可以加一级加法电路 ,将电压信 号全部转换为正值。放大电路、滤波电路和加法电路均 使用 L M324 实现 ,硬件电路如图 4 所示。 图 4 　硬件电路图 　　数据显示电路分为数码管显示电路和 PC 机显示 部分。数码管显示用于单片机上 ,单片机分别通过段显 码和位显码对数码管上显示的数据进行控制。段显码 控制显示的数据内容 ,位显码则控制数码管亮或灭。段 显码是单片机通过可编程通用并行接口 8155 逐位传到 8 位移位寄存器 74L S164 中去 ,再由它将串行传输数据 变为并行数据传给数码管显示[ 6 ] 。而位显码是单片机 通过 8155 一次性送到数据锁存器 74L S244 中锁存 ,再 去驱动数码管并控制其亮或灭[6 ,7 ] 。 2. 4 　串行通信 该设计中采用异步串行通信的方式。而 A T89C51 单片机的串行口 ,当工作于方式 1 ,2 和 3 时 ,UAR T (通 用异步接收和发送)可以实现单片机系统与 PC 机之间 的串行通信。PC 机串行通信主要是通过串行口芯片 8251 实现的。8251 有 10 个寄存器 , 端口地址从 3F8 H～3FEH ( COM1) ,可以通过对 8251 编程来指定 通信协议即通信的波特率、数据位数、奇偶类型和停止 位长度。另外由于 PC 机串口的电平是 RS 232 电平 , 不与单片机串口的 T TL 电平兼容 ,因此需要在它们之 间进行电平转换[729 ] 。传统的方法是使用 MC1488 将 T TL 电平转换成 RS 232 电平 ,用 MC1488 实现反向转 换 ,由于 MC1488 需要 ±12 V 电压 ,使用中非常不 291 传 感 器 技 术 林 　游等 :霍尔传感器信号采集与显示系统设计 © 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 便[8 ] ,故该设计采用 MA XIM 公司的产品片 MAX232 来实现 ,由单 + 5 V 的电压供电 ,既可实现 T TL 到 RS 232的电平转换 ,也可实现 RS 232 到 T TL 电平的 转换 ,使用十分方便 ,具体的线路如图 5 所示[9 ] 。 图 5 　PC 机与单片机的通信接口连接图 3 　软件实现部分 3. 1 　单片机部分 A T89C51 系列单片机的串行口可工作于 4 种不同 的方式。在该程序中 ,单片机串行口工作设定为方式 1 ,即数据经 TXD 端发送 , RXD 端接收 , 波特率 2 400 b/ s ,10 位构成一帧 , 1 位起始位 , 8 位数据位 , 1 位停止位 ,初值 0F3 H ,SMOD = 1[7 ] 。 由于单片机多应用于实时性较强的控制场合 ,为了 尽量少占用 CPU 的时间 ,充分发挥 CPU 的功能。该 系统在单片机程序设计中采用中断方式与 PC 机进行 通信。主程序只进行串行通信、数码管实时显示、模/ 数 转换结果的初始化和循环等待串行中断工作 ,当接收到 PC 机发来的信号时 ,就转入中断服务程序 ,进行 A/ D 转换 ,并向 PC 机发送数据[1 ] 。中断服务子程序流程图 如图 6 所示。 图 6 　单片机中的中断服务子程序 以下仅给出串行通信初始化和中断服务子程序 代码[ 6 ,7 ] : 串行通信初始化程序为 : MOV TMOD , # 20 H 　　　　　 ;定时器 T1 初始化 MOV T H1 , # 0F3 H 　　 ;计数器初值 MOV TL1 , # 0F3 H 　　　　　　 MOV SCON , # 50 H 　　　　　 ;串行口初始化 2 400 ,8 ,1 , n MOV PCON , # 80 H 　　　　　 ;SMOD = 1 SETB TR1 　　　　　　　 ;启动定时器 T1 SETB EA 　　　　　　　　 ;开中断 SETB ES 　　　　　　　　 ;允许串行口中断 中断服务子程序为 : SERV E : 　CL R EA 　　　 ;关中断 CL R RI 　　　　　　　　 ;清接收中断标志 PUSH DP H 　　　　　　　 ;保护现场 PUSH DPL PUSH ACC RECEIV E : 　MOV A ,SBU F 　 ;接收 PC 机发过来的数据 ACALL AD 　　　　　　　 ;启动 A/ D 转换 SENDBACK: 　MOV SBU F ,A 　 ;将数据回送给 PC 机 WA IT : 　　J NB TI ,WAIT ;发送器不空则循环等待 　　CL R TI 　　　　　 ⋯ RETU RN : 　POP ACC 　　 ;恢复现场 POP DPL POP DP H SETB EA 　　　　　　　　 ;开中断 RETI 　　　　　　　　　 ;返回 3. 2 　PC 机部分 在 Windows 中 ,串行口的硬件设备通过通信驱动 程序 Comm. drv 与 Windows 进行连接 ,通过使用标准 的 Windows A PI 函数发送和接收数据。而 MSComm 控件通信功能的实现 ,是调用 Windows A PI 函数 ,并通 过设置其属性和事件 ,来定义 Windows 通信驱动程序 的 A PI 函数接口[10 ] ,为应用程序提供了通过串行接口 收发数据的简便方法。 MSComm 控件提供了 2 种处理通信的方法 :一是 事件驱动方法 ,也就是利用 OnComm 事件 ,这是一种处 理串行端口活动非常有效的方法 , 不仅能够利用 MSComm 控件来侦测并处理通信事件和错误 ,而且还 具有程序响应及时、可靠性高等优点 ;另一种方法是查 询法 ,MSComm 控件的 CommEvent 属性返回通信中 产生的事件和错误类型 ,由通信控件自动检测和跟踪通 信状态后设置。因此可以直接读取 CommEvent 属性 的值来检测通信中产生的事件和错误类型 ,这种方法比 较简单 ,常用在小的自含程序中[11 ] 。 该设计程序即采用查询法读取 InBufferCount 的 属性值来接收单片机发来的数据。实验主程序对串口 初始化并画出坐标系 ;每单击‘绘点’键程序向单片机发 送一个任意数 ,告诉单片机将模数转换结果发送过来 , 然后采用查询方式接收该数据 ,进行相应的转化后把该 点绘在坐标系上 ,一次数据采集结束。 MSComm 控件的常用属性[ 10 ,11 ] : CommPort :设置 并返回通信端口号 ;Set tings :以字符串的形式设置并返 回波特率、奇偶校验、数据位、停止位 ; PortOpen :设置 并返回通信端口的状态也可以打开和关闭端口 ; Inp ut : 391 《现代电子技术》2009 年第 4 期总第 291 期 　þ 新型元器件 ü © 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 从接收缓冲区返回和删除字符 ;Outp ut :向传输缓冲区 写 1 个字符串。 该实验的 Com1 口串行通信初始化程序如下 : Private Sub Form_Load () 　　　　　　 　　MSComm1. CommPort = 1 　　 ,设置端口号位 Com1 　　MSComm1. Settings = "2400 ,n ,8 ,1" 　,对 com1 口 初始化 ,波特率 2 400 ,8 位数据位 ,1 位停止位 　　MSComm1. InputLen = 0 　　MSComm1. PortOpen = True 　　　 ,打开串口 　　MSComm1. RThreshold = 1 　　 ,1 次接收 1 个数据 End Sub 从图 7 中 PC 机界面显示位移2电压坐标图 ,表 1 记 录的数据以及图 8 在示波器上显示的霍尔线性电路理 想电压2位移曲线图相比较 ,可以发现由于传感器实验 台受外界干扰等原因使得输出信号输出误差在所难免 , 而且没有电平转换 ,使得 VB 绘图中得到的数值存在负 值 ;但是可以在图中看到传感器输出的电压值在正负之 间有明显的对称性 ,与要求输出的理想输出信号波形相 符合 ,证明本系统运行良好 ,设计的非常成功。 表 1 　数据记录 位移 / mm 0 0. 5 1. 0 1. 5 2. 0 2. 5 3. 0 3. 5 4. 0 4. 5 5. 0 5. 5 6. 0 6. 5 7. 0 7. 5 8. 0 电压 / V 1. 9 1. 67 1. 64 1. 56 1. 46 1. 32 1. 18 1. 01 0. 84 0. 68 0. 53 0. 37 0. 21 0. 05 - 0. 11 - 0. 28 - 0. 44 位移 / mm 8. 5 9. 0 9. 5 10. 0 10. 5 11. 0 11. 5 12. 0 12. 5 13. 0 13. 5 14. 0 14. 5 15. 0 15. 5 16. 0 16. 5 电压 / V - 0. 61 - 0. 75 - 0. 93 - 1. 07 - 1. 19 - 1. 36 - 1. 50 - 1. 64 - 1. 74 - 1. 88 - 2. 01 - 2. 06 - 2. 15 - 2. 22 - 2. 24 - 2. 24 - 2. 18 图 7 　PC 机界面显示的位移2电压图 图 8 　霍尔性线电路理想电压2位移图 4 　结 　语 对于目前广泛应用的 Windows 环境下实现 PC 机 与单片机之间的通信问具有重要的参考价值。 参 　考 　文 　献 [1 ] 罗红萍 ,彭云柯. 基于 VB 的单片机与 PC 机串行通信程序 设计[J ] . 机械工程与自动化 ,2005 ,70 (3) :70272. [2 ] 康华光. 电子技术基础 (模拟部分) [ M ] . 北京 :高等教育出 版社 ,1999. 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