智能型霍尔效应实验仪及无线联网系统

王学水，周玉洁，张冉冉

(山东科技大学 电子通信与物理学院，山东 青岛 266590)

霍尔效应作为一种磁电效应，被广泛应用于工业自动化及智能电子技术等领域. 因此，霍尔效应实验是各大高校理工科专业大学物理实验中必不可少的实验[1]. 通过实验能够验证霍尔电压与励磁电流以及霍尔电压与工作电流的线性关系. 传统的霍尔效应实验仪不能及时保存数据，教师也不清楚学生课上的实验情况. 与现有的其他霍尔效应实验仪相比，智能型霍尔效应实验仪将传统霍尔效应实验仪与先进的计算机技术相结合，对实验数据进行了实时采集、记录、分析和显示，并对实验测试数据无线远传和数据管理，不仅提高了实验效率及实验精确度，教师对学生掌握实验的情况也有了充分的了解，拓展了学生探究性学习的同时，也督促了学生认真实验，提高了实验课的质量[2].

1 系统框架及工作原理

系统由1台上位机和多台智能型霍尔效应实验仪构成，智能型霍尔效应实验仪用于学生实验. 每台智能型霍尔效应实验仪都有唯一的机器编号用于区分不同的设备和实验组别. 上位机用于管理学生的实验数据. 上位机和智能型霍尔效应实验仪通过无线建立连接，实现二者的通信，仪器架构如图1所示.

上位机是由1台微型计算机和1个USB串口转无线模块构成. 智能型霍尔效应实验仪是由单片机、触摸屏、模数转换芯片、无线模块、电流源、放大器、霍尔元件等构成的嵌入式系统[3]. 智能型霍尔效应实验仪的硬件原理图如图2所示.

图1 智能型霍尔效应实验仪系统架构图

图2 智能型霍尔效应实验仪的硬件原理框图

电磁线圈的作用是将恒定电流转化为恒定磁场. 励磁电流恒流源的作用是给电磁线圈提供恒定电流，电流大小由励磁电流恒流源自带的电位器来调节，其供电来源是电源模块产生的36 V独立电源. ADC1完成对励磁电流恒流源的电流进行采样.

工作电流恒流源的作用是为霍尔元件提供恒定电流，电流大小由工作电流恒流源自带的电位器来调节，其供电来源是电源模块产生的12 V独立电源. ADC2完成对工作电流恒流源的电流进行采样.

霍尔元件在恒定磁场和恒定电流的共同作用下会产生恒定霍尔电压，由于产生的霍尔电压较小，不利于直接测量，因此使用电压放大器对其进行放大后再测量. 利用电源模块产生的12 V独立电源对电压放大器进行供电. ADC3通过直接耦合的方式与电压放大器的输出端相连.

STC15W4K48S4单片机是整个测量终端的控制核心，协调各个模块之间的工作. 通过3路串口分别与无线模块、光耦模块以及触摸屏相连. 通过I2C接口与ADC1、ADC2以及ADC3相连. STC15W4K48S4单片机与ADC1，ADC2，ADC3以及无线模块和触摸屏共用一路电源，供电来源是电源模块产生的5 V独立电源.

无线模块的作用是实现智能型霍尔效应实验仪与上位机之间的通信. 触摸屏的作用是显示和输入，在实验过程中，由触摸屏显示实验数据和实验状态，并接收学生输入的指令.

2 系统电路设计

2.1 励磁电流恒流源

励磁电流恒流源的作用是给电磁线圈提供恒定电流，在恒流源输出0～1 A的情况下，励磁线圈产生的磁感应强度满足实验中霍尔元件对外磁场的要求. 电流大小可通过电位器RP28来调节，且该恒流源输出的电流大小可测. 励磁电流恒流源电路如图3所示.

图3 励磁电流恒流源电路原理图

2.2 工作电流恒流源

工作电流恒流源的作用是给霍尔元件提供恒定电流，实验中的霍尔元件要求工作电流在0～10 mA，电流大小可通过电位器RP32来调节，且该恒流源输出的电流大小可测. 工作电流恒流源电路如图4所示.

图4 工作电流恒流源电路原理图

2.3 放大器设计

放大器的作用是将微小霍尔电压进行放大. 经实测在实验仪额定工作电流和励磁电流情况下，霍尔电压最大只有11 mV，需要将霍尔电压放大10倍之后再利用ADC模块内部的增益为×8放大器再进行放大. 霍尔电压放大电路如图5所示.

图5 放大电路原理图

由图5可知，霍尔元件电压输出一端直接与运放的同相输入端相连，另一端经过R30与运放的反向输入端相连. 放大后的电压信号从A和B两点输出.R23和R31是偏置电阻，A点的电位由R23和R31分压获得. 图中R23和R31两电阻的阻值都是5.1 kΩ，故可得A点电位为6 V. 计算可得UB-UA的值约为10UH.

运算放大器采用OP07芯片，该芯片是高精度单片运算放大器，具有很低的输入失调电压和漂移，适合作前级放大器，放大微弱信号. RP20为滑动变阻器，其作用是在当放大器输入端短路时，调节其大小使输出为0，达到调零的目的.

2.4 模数转换电路

因霍尔电压有正负之分，而单片机内部的ADC不能测量负电压，因此选用外部ADC对霍尔电压、励磁电流和工作电流进行测量转换. 转换电路如图6所示.

图6 模数转换电路原理图

ADC1,ADC2及ADC3采用同款模数转换芯片(型号为MCP3421)，该芯片是单通道低噪声、高精度、差分输入A/D转换器，分辨率高达18位，具有片内可编程增益放大器，在转换之前可以选择增益为×1,×2,×4或×8. 此实验仪采用增益为×8的放大器将放大10倍后的霍尔电压再进行放大. 该器件使用2线I2C兼容串行接口，并采用2.7 V至5.5 V单电源供电. 片上精密2.048 V参考电压使得差分输入电压范围为±2.048 V，满足测量正负霍尔电压的需求.

2.5 无线模块

智能型霍尔效应实验仪用于教学实验中，因此无需传输距离太远的无线模块. 在智能型霍尔效应实验仪中使用了LC12S无线模块，该无线模块的最远传输距离为120 m，比较适合在教学实验中应用.

LC12S无线模块应用非常简单，如图7所示. 该无线模块的电源使用5 V电源，RXD引脚与STC15W4K48S4单片机的第22引脚相连，TXD引脚与STC15W4K48S4单片机的第21引脚相连进行通信.

图7 LC12S应用电路图

3 系统的软件设计

智能型霍尔效应实验仪软件设计采用C语言，运行在单片机平台上. 智能型霍尔效应实验仪软件设计主要依据学生做实验的实验流程，实现以下功能：学号显示、测量进度提示、测量数据的保存、测量数据的查看、测量数据的修改、测量数据的提交、提交成败反馈.

1)学号显示功能用于在学生开始做实验之前提醒学生该使用哪台机器做实验.

2)测量进度提示功能用于显示学生做实验的进度. 实心矩形代表已完成且保存过的实验，虚心矩形代表未完成或未保存的实验.

3)测量数据的保存、查看、修改、提交是具体的实验内容，学生按照实验要求和实验步骤将实验数据保存到智能型霍尔效应实验仪中，最后将保存好的实验数据提交到教师使用的上位机中. 在实验过程中，学生可以通过查看数据和修改数据对实验过程中出现的错误进行修正.

4)提交成败反馈功能用于提示学生的实验数据是否成功传送到教师的上位机中.

5)根据软件所实现的功能，将软件划分为6个子模块，分别是系统模块、数据库模块、触摸屏模块、测量模块、通信模块、业务逻辑模块.

4 系统测试及数据处理

打开实验仪的电源开关，触摸屏点亮，在界面上会显示学生的学号以及“开始”按钮，当点击“开始”按钮后，实验正式开始，显示屏界面会变为如图8所示.

在该界面下引导学生做实验. 当提交成功之后，教师使用的上位机上会显示该智能型霍尔效应实验仪的数据已经提交.

该实验需分别得到霍尔电压UH与工作电流IS的关系及霍尔电压UH与励磁电流IM的关系.

保持励磁电流IM=700 mA不变，改变工作电流IS=1.00,1.20,…,2.00 mA，并根据触摸屏界面上的顺序，分别改变B和IS的方向，测出相应的霍尔电压UH. 数据测量如表1所示.

保持工作电流IS=2.00 mA不变，改变励磁电流IM=200,300,…,700 mA，并根据触摸屏界面上的顺序，分别改变B和IS的方向，测出相应的霍尔电压UH. 数据测量如表2所示.

图8 实验开始触摸屏界面

表1 IM=700 mA，改变IS测量数据

表2 IS=2.00 mA,改变IM测量数据

利用绘图插件提供的库函数对数据进行处理，将数据转化成图像，UH-IS和UH-IM如图9和图10所示.

图9 UH-IS曲线

图10 UH-IM曲线

5 结束语

智能型霍尔效应实验仪及无线联网系统设计是基于现在国内普通高校使用的传统霍尔效应实验仪的缺点及不足的前提下提出的. 传统霍尔效应实验仪不能使教师及时了解学生实验的情况，将传统霍尔效应实验仪与计算机结合，研制了可以将实验数据进行保存、查看及无线传输的智能型霍尔效应实验仪. 设计重点关注实用性、教师的便捷性以及学生的创新性，教师能够及时清楚学生实验状态，学生能够更好的了解实验原理，提升了大学物理实验课的质量.