单片机构成的磁场测量仪的研制

刘绒侠，吴成静，王 健

(西安工业大学 理学院，西安 710032)

在工业、国防和科学研究中，例如在粒子回旋加速器、地球资源探测、地震预测和磁性材料研究等方面，经常要使用仪器对磁场进行测量。磁场的测量方法也比较多，但具体使用哪种测量方法需要根据磁场的类型和强弱来决定。而利用霍尔效应法测量磁场在科学实验和工程技术中具有广泛的应用，这是由于霍尔元件的面积可以做得很小，从而可以用来测量狭缝中的磁场。本文针对物理实验中的基本实验——利用霍尔效应测量螺线管的磁场，结合单片机技术设计了智能化磁场测量仪，实现了数据的实时采集和存储，并将测量曲线最终显示在液晶屏幕上，实现磁场测量的智能化［1］。该仪器经过实验测试和教学使用，性能良好、质量稳定。

1 测量仪的测量机理

将一块长方形半导体霍尔元件薄片垂直放入磁场中，在与电流I、磁场B垂直方向上产生的电势差为霍尔电势差。霍尔效应的数学表达式为

式(1)中:KH为霍尔元件灵敏度;I为流过霍尔元件的工作电流;B为磁感应强度。在测量霍尔电压UH时，为了减少和消除不等位电势、热效应和磁效应引起的系统误差，采用换向方法，改变工作电流I和磁场B的方向加以消除。计算霍尔电压UH。

式(2)中:U1，U2，U3，U4为改变磁场 B 和电流 I的方向测得的霍尔电压值。

2 硬件电路设计

该磁场测量仪硬件部分由螺线管磁场测试仪、圆光栅位移传感器、霍尔元件传感器、工作电流单元、励磁电流单元、仪表放大器、A/D模数转换器、单片机和液晶显示屏六个部分构成。仪器硬件设计如图1所示。其中，霍尔元件输出的霍尔电压经过放大后，由A/D转换器采样、CPU处理后，通过液晶显示器显示出对应位移的霍尔电压和磁场强度。对于位置坐标参数，采用光栅位移传感器，实现了位置坐标自动记录并显示［3］;励磁电流和工作电流单元，由测量仪器内部提供，确保励磁电流0～1 A、霍尔元件工作电流0～20 mA的稳定输出，连续可调［4］。

图1 仪器硬件电路设计图

3 系统软件设计

本测量仪主程序采用传统的前后台式编程思想，即把对时间比较敏感的子程序放在中断子程序中进行处理(如键盘扫描子程序);为尽量减少中断占用的时间，对于一些耗时的操作采用设置相应的标志位，由主程序扫描监测处理。主程序包括键盘消息处理子程序、常规任务处理子程序，主要负责键盘消息处理和新建任务的处理。键盘消息处理子程序借用Windows的消息处理机制，当主程序扫描到键盘缓冲区中有按键消息存在时，键盘消息处理子程序将扫描内存中记录当前活动窗口信息的数据，即将消息发往当前活动窗口。该窗口处理子程序将确认该消息是否是有效的消息，对于有效的消息将进行处理，而对于不支持的消息将不予响应直接退出。系统软件设计流程如图2所示。

图2 系统软件设计流程图

4 测量仪器特点

实验测量仪的主要特点是使用方法简洁，可实时记录测量数据并显示测量结果，提高了测量效率。实验测试时只需将主机与螺线管连线按照面板上的标志对应连接;打开主机电源即可显示开机画面，2 s后即进入操作菜单，进入下一级界面;测试前首先设置好霍尔元件的灵敏度、工作电流和螺线管的励磁电流，设定好后按确认键即可将所设状态保存，下次开机可不必设定。进入测量菜单后，移动位移测试杆，即可自动将测试点的霍尔电压、磁场强度记录下来，并可进行曲线的快速绘制和数据的整体显示。在测量方式上可选择位移自动移动和手动移动两种。手动方式下要求测试杆的移动速度要适当，以便能采集到合适的数据进而画出平滑的曲线。一般测量一组数据仅需2 min。

只要快速移动光栅传感器测出轴线上每一点的霍尔电势UH，通过模/数转换后，送到单片机8031内，经CPU数据处理之后，按照位移与磁场对应的关系进行数字显示，包括位移、霍尔电势、磁场值，以及显示磁场分布曲线，并具有数据储存功能，可将测量数据和处理结果保存，便于实验结束后调出查看。

5 实验数据与结果

为了检验该智能化仪器的测试效果，用其对螺线管中轴线上的磁场分布进行测试。测试时通过光栅编码器设定水平移动螺距:在螺线管边沿每格0.5 cm，中心部分每间隔1 cm;对于每一个采集位置测量4组数据:U1(+B，+I)、U2(+B，－I)、U3(－B，+I)、U4(－B，－I)，磁场方向和电流方向由测试仪的内部电路自动实现切换。测试结果如表1所示，得到的螺线管内部磁场强度分布如图3所示。该测试结果与理论计算结果吻合得很好。

6 结束语

该智能化磁场测量仪将传感器技术和单片机技术结合为一体，能实现磁场测量过程的自动测量和测量曲线显示，测量数据可靠，曲线显示稳定，大大缩短了实验时间，有效地改善了实验测量手段，既充分体现经典的物理思想和原理，更有效利用现代测试控制技术。

表1 螺线管内不同位置的磁场强度的测量结果

图3 螺线管内部磁场分布曲线

［1］张敬波，吴汉华.探头可更换的智能磁场测量仪的研制［J］.电子技术应用，2004(11):36－40.

［2］朱筱玮，刘绒侠.大学物理实验教程［M］.西安:西北工业大学出版社，2004.

［3］杨文龙.单片机原理及应用［M］.西安:西安电子科技大学出版社，2005.

［4］杨振江.A/D.D/A转换器接口技术与实用线路［M］.西安:西安电子科技大学出版社，2003.

［5］王黎，贾拴稳，李立新，等.新型多用磁场实验(演示)仪［J］.大学物理，2003，22(11):35－36.

［6］Hassan H I S，Arabi K，Kaminska B.Testing digital to analog converters based on oscillation-test strategy using sigma-delta modulating［C］.Computer Design:VLSI in Computer and Processors，1998.ICCD98:40－46.