工頻弱磁測(cè)量儀

目前，環(huán)境電磁污染的研究與防治越來越受到人們的關(guān)注，電磁生物效應(yīng)也已經(jīng)成為電磁兼容研究領(lǐng)域的一個(gè)重要研究方向；其中輸電線路產(chǎn)生的工頻電磁場(chǎng)對(duì)生物體的影響是人們最為關(guān)心的問題之一。但是目前針對(duì)環(huán)境工頻磁場(chǎng)的測(cè)量手段還很欠缺，針對(duì)這一需要，我們研制了以8032單片機(jī)為中心的工頻弱磁測(cè)量儀，能測(cè)量一毫高到一千毫高范圍內(nèi)、方向未知的工頻磁場(chǎng)，可以作為環(huán)境工頻磁場(chǎng)的有效監(jiān)測(cè)手段。

測(cè)量儀硬件由電源模塊和兩塊電路板以及磁場(chǎng)探頭組成。由于本儀器的用途在于測(cè)量環(huán)境工頻磁場(chǎng)的大小，有可能長時(shí)間在難以取得電源的戶外環(huán)境下工作，我們選擇了蓄電池（12v，4ah）作為測(cè)量儀的供電電源，并制作了與蓄電池配套的充電裝置，蓄電池的輸出電壓經(jīng)dc/dc轉(zhuǎn)換器（輸入5~18v，輸出 12v，+5v）進(jìn)行轉(zhuǎn)換后供給測(cè)量儀電路。兩塊電路板中一塊為模擬板，主要完成經(jīng)探頭采樣的信號(hào)的濾波、放大、采樣以及對(duì)放大倍數(shù)選擇的控制；一塊為數(shù)字板，主要完成采樣信號(hào)的模數(shù)轉(zhuǎn)換、計(jì)算（消除噪聲并還原信號(hào)）、顯示以及對(duì)一個(gè)固定時(shí)段最大值的存取。測(cè)量儀的總體框圖如圖1所示。

探頭（感應(yīng)線圈）將待測(cè)磁場(chǎng)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，經(jīng)過濾波、放大、采樣保持和多路開關(guān)（有三路信號(hào)）后送入到ad574進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，然后送入單片機(jī)8032進(jìn)行信號(hào)處理并通過液晶顯示模塊將測(cè)量結(jié)果顯示出來。

模擬電路結(jié)構(gòu)

模擬電路部分框圖如圖2所示，其中vin1、vin2、vin3為探頭輸出的三路感應(yīng)電壓信號(hào)，由于待測(cè)磁場(chǎng)比較微弱，感應(yīng)線圈輸出的電壓信號(hào)將是疊加有大量噪聲的工頻信號(hào)；為了從噪聲中提取有用信號(hào)，我們采用了rlc串聯(lián)諧振電路對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行濾波，然后芤怯梅糯篤鰽d624對(duì)工頻信號(hào)進(jìn)行放大（由單片機(jī)控制多路開關(guān)ad7502選通控制放大倍數(shù)），三路采樣保持器的輸出經(jīng)多路開關(guān) ad7501（由單片機(jī)控制選通）后輸入到數(shù)字板上的模數(shù)轉(zhuǎn)換器ad574進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。

數(shù)字電路結(jié)構(gòu)

數(shù)字電路部分框圖如圖3所示，單片機(jī)8032是本測(cè)量儀的中心，rom27128和ram6264直接掛在單片機(jī)的數(shù)據(jù)總線和地址總線上，lcm為字符型液晶顯示模塊，vin為模擬電路的輸出信號(hào)。

輸入到ad574的電壓信號(hào)經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換成數(shù)字量后輸入到單片機(jī)還原成模擬量，然后輸出到lcm進(jìn)行顯示。

ad574功能介紹

ad574是美國analog device公司生產(chǎn)的12位逐次逼近式模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其主要特點(diǎn)是：①有參考電壓基準(zhǔn)和時(shí)鐘電路，不需外部時(shí)鐘就可以工作；②轉(zhuǎn)換速率高，12位轉(zhuǎn)換25 s，8位轉(zhuǎn)換16 s；③8位或16位微處理器接口，自帶三態(tài)輸出緩沖電路，可直接掛在單片機(jī)的數(shù)據(jù)總線上而無需接口電路；④溫度適應(yīng)范圍大，在-55~+125 c范圍內(nèi)滿足線性要求。其管腳排列如圖4所示。主要功能引腳介紹如下：

ac：模擬地
dc：數(shù)字地
cs：片選信號(hào)，低電平有效
ce：片使能，高電平有效
r/c：讀/啟動(dòng)信號(hào)，高電平讀數(shù)據(jù)，低轉(zhuǎn)換
12/8：數(shù)據(jù)格式選擇，高電平12位數(shù)據(jù)同時(shí)有效，低電平時(shí)第一次輸出高8位，第二次輸出低四位有效，中四位為零。
a0：內(nèi)部寄存器控制輸入端，在12/8接地的情況下，高電平時(shí)高8位數(shù)據(jù)有效，低電平時(shí)低4位有效，中間4位為零，高4位為高阻態(tài)；在r/c為低的情況下，高電平啟動(dòng)12位轉(zhuǎn)換，低電平啟動(dòng)8為轉(zhuǎn)換。
sts：工作狀態(tài)輸出端，高電平表示正在轉(zhuǎn)換，低電平表示轉(zhuǎn)換完畢。

ad574和單片機(jī)的接口

在本測(cè)量儀中，ad574與8032的接口電路如圖5所示。采用-5v~+5v雙極性輸入方式， 腳直接接地，分兩次輸出轉(zhuǎn)換結(jié)果，3、4、5腳分別接至單片機(jī)地址總線的高位p2.5、p2.4、p2.3，單片機(jī)的讀寫信號(hào)經(jīng)過一級(jí)與非門后送到ad574的ce腳作為使能信號(hào)，ad574狀態(tài)腳（status）接單片機(jī)外部中斷0，用中斷方式讀轉(zhuǎn)換結(jié)果。與ad574的12腳和10腳相接的兩個(gè)0.1k 的電位器分別用于零點(diǎn)調(diào)整和滿刻度調(diào)整（增益調(diào)整），具體的調(diào)整方法是：①零點(diǎn)調(diào)整：調(diào)整r1使得輸入模擬電壓從-5v變化到-4.9988v（即輸入電壓變化1/2lsb）時(shí)，輸出數(shù)字量從000000000000變化到000000000001。②滿刻度調(diào)整（增益調(diào)整）：調(diào)整r2使得輸入模擬電壓從+4.9988v變化到+5v（即輸入電壓變化1/2lsb），輸出數(shù)字量從111111111110變化到111111111111。

在設(shè)計(jì)硬件電路時(shí)要十分注意的一點(diǎn)就是ad574的數(shù)據(jù)輸出線與單片機(jī)數(shù)據(jù)總線的連接方式：應(yīng)該將高8位db4~db11接到 數(shù)據(jù)總線的d0~d7，低4位db0~db3接到數(shù)據(jù)總線的高4位d4~d7。如果接錯(cuò)的話就不能讀取正確的轉(zhuǎn)換結(jié)果，而且還很容易燒壞芯片。

中斷服務(wù)程序

由圖3所示的硬件接法，我們得到ad574各操作對(duì)應(yīng)的口地址為：
啟動(dòng)變換：47ffh
讀轉(zhuǎn)換結(jié)果高8位：4fffh
讀轉(zhuǎn)換結(jié)果低4位：5fffh
據(jù)此我們用單片機(jī)高級(jí)語言c51編寫的ad574中斷服務(wù)程序?yàn)椋?br> void ad574(void) interrupt 0
{
char r1,r2;
char xdata *p;
int caiyang1=0x2100;
int caiyang2=0x2200;
p=0x4fff;
acc=*p;
r1=acc; //讀轉(zhuǎn)換結(jié)果高8位
p=0x5fff; r2=acc; //讀轉(zhuǎn)換結(jié)果低4位
xbyte[caiyang1]=r1;
xbyte[caiyang2]=r2; /*將結(jié)果存入外部ram絕對(duì)地址單元*/
caiyang1++;
caiyang2++;
wancheng=1; /*讀數(shù)完畢，置轉(zhuǎn)換完成標(biāo)志位為1*/
px0=0; //關(guān)中斷優(yōu)先級(jí)
}

結(jié)束語

ad574由三組電源供電，即 15v和+5v，由于它對(duì)從電源線引入的噪聲十分敏感，幾毫伏的電源噪聲就會(huì)引起a/d轉(zhuǎn)換幾位的誤差，所以在應(yīng)用過程中應(yīng)特別注意電源的濾波和穩(wěn)壓，可以采用的抗干擾措施有：①在芯片的7腳和9腳、9腳和11腳以及1腳和15腳之間接入由一個(gè)47 f鉭電容和一個(gè)0.01 f瓷片電容并聯(lián)而成的去耦網(wǎng)絡(luò)。②在印制板設(shè)計(jì)時(shí)讓模擬量輸入電路與數(shù)字電路盡量分開。③芯片的數(shù)字地（15腳）和模擬地（9腳）就近接在一起。在發(fā)熱量較大的應(yīng)用場(chǎng)合，還應(yīng)采取一定的散熱措施。
我們采用以上方法進(jìn)行抗干擾設(shè)計(jì)后發(fā)現(xiàn)ad574的工作十分穩(wěn)定可靠。