引言

磁通計是利用rc電子積分原理測量磁通量的精密儀器，應(yīng)用在磁性材料及器件的生產(chǎn)加工、磁電技術(shù)、磁性測試技術(shù)以及測控技術(shù)等領(lǐng)域。目前國產(chǎn)磁通計功能相對單一，精度低，但基本滿足需求。存在的弊端是漂移比較嚴重，手動調(diào)整耗時比較長，給使用人員帶來很大不便。因此有必要研制可自動調(diào)整漂移的磁通計。

磁通計原理介紹

垂直于某一面積所通過的磁力線的多少叫做磁通量或磁通，用 表示，單位wb。磁通計就是用來測量磁通的儀器。本文討論建立在霍爾效應(yīng)基礎(chǔ)上的采用運算放大器和阻容網(wǎng)絡(luò)組成的模擬積分式磁通計的漂移調(diào)節(jié)問題。

傳感器使用的是lake shore公司的霍爾發(fā)生器hgt-2100，這是一種固態(tài)傳感器，輸出電壓值和磁場的磁通量成正比。該器件建立在霍爾效應(yīng)的基礎(chǔ)上。1879年，edwin h.hall發(fā)現(xiàn)，如果對位于磁場（b）中的導(dǎo)體施加一個電流（ic），該磁場的方向垂直于所施加電流的方向，那么在既與磁場垂直又和所施加電流方向垂直的方向上會產(chǎn)生一個電壓（vh）。這個電壓被稱為霍爾電壓，這種現(xiàn)象被稱為霍爾效應(yīng)?；魻栯妷旱挠嬎愎綖椋簐h= b bsin 。其中vh為霍爾電壓(mv)， b為磁場靈敏度(mv/kg)(在一特定的電流下)，b為磁場磁通密度(kilogauss)， 為磁場方向和霍爾元件間的夾角。hgt-2100是一種低價，高靈敏度的貼片器件。有效范圍為0.005寸x 0.005寸正方形區(qū)域。磁場靈敏度范圍是55~140mv/kg，輸入阻抗450~900 ，輸出阻抗為550~1350 。由此霍爾探針和阻容網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的模擬積分式磁通計的原理圖如圖1所示。

由電磁學(xué)理論知道，對霍爾發(fā)生器hgt-2100輸出電壓信號積分后輸出電壓值即為磁通量值 。模擬積分器式磁通計存在的一個難題是漂移問題。在輸入的感應(yīng)電壓為零時，由于積分放大器的非理想性，存在偏置電流、失調(diào)電流、失調(diào)電壓和溫漂，使積分器輸出電壓隨時間不斷地向一個方向變化（增大或減?。?。測量之前必須先讓積分電容短路放電。一種傳統(tǒng)的漂移調(diào)節(jié)方法是使用多圈線繞電位器微調(diào)放大器的輸入uin，使差分輸入平衡。然后將積分電容放電，才能進行測量。這種調(diào)節(jié)過程比較繁瑣，使用人員必須根據(jù)輸出值變化的方向（增大或減?。﹣頉Q定電位器調(diào)節(jié)的方向，還要根據(jù)輸出變化的快慢來決定調(diào)節(jié)的終止時刻。

硬件電路設(shè)計

本文提出一種改進的調(diào)漂方法，即利用單片機控制的數(shù)字電位器來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的多圈線繞電位器從而實現(xiàn)自動調(diào)漂。在圖1中，由積分器輸出的電壓uout經(jīng)a/d轉(zhuǎn)換后送入微控制器處理、顯示。本文以at89c2051為例說明微控制器調(diào)整漂移的方法。

主要器件介紹

tlc2543串行a/d轉(zhuǎn)換器

電路中采用的a/d轉(zhuǎn)換芯片是ti公司的tlc2543，是12位分辨率開關(guān)電容逐次逼近串行a/d轉(zhuǎn)換器，采樣率為66kbit/s，具有11個模擬輸入通道，采樣和保持是自動的，在工作溫度范圍內(nèi)轉(zhuǎn)換時間為10 s，線性誤差+1lsb，具有單、雙極性輸出，可編程的msb或lsb前導(dǎo)，可編程的輸出數(shù)據(jù)長度，且與外圍電路的連線簡單。它是一種性能優(yōu)良的a/d轉(zhuǎn)換器件，可靠性高，價格便宜，廣泛應(yīng)用于儀器儀表、檢測與控制設(shè)備等。

at89c2051單片機

at89c2051是atmel公司推出的8位單片機，是一個2k字節(jié)可編程eprom的高性能微控制器。它與工業(yè)標準mcs-51的指令和引腳兼容，是一種功能強大的微控制器，它對很多嵌入式控制應(yīng)用提供了一個高度靈活有效的解決方案。

x9c102p數(shù)字電位器

數(shù)字電位器是一種具有數(shù)字接口的有源器件，可以取代模擬電路中的機械電位器，方便地與微控制器接口，從而可以用數(shù)控的方法調(diào)整模擬電路中的電流、電壓等參數(shù)。xicor公司的x系列e2pot固態(tài)非易失性數(shù)字電位器是低功耗cmos電路，具有數(shù)字脈沖輸入，模擬輸出的特性。x9c102p總阻值為1k ，包含 100個阻單元陣列，每個單元之間和任一端都有可以被滑動端訪問的抽頭點?；瑒佣说奈恢糜蒫s、u/d和inc 三個輸入端控制，且存儲在非易失存儲器中，因而下一次上電時可以被重新調(diào)用，與多圈線繞電位器性能相同。

硬件電路圖

該模塊主要由兩部分組成：微控制器與a/d轉(zhuǎn)換器接口電路，微控制器與數(shù)字電位器接口電路。

at89c2051與tlc2543的硬件連線圖如圖2所示。

晶振選12mhz，ain0為模擬電壓輸入端，cs為片選線，din 為串行數(shù)據(jù)輸入端；dout為a/d轉(zhuǎn)換結(jié)果的三態(tài)串行輸出端；clk為i/o時鐘；vcc為電源；gnd為地。

at89c2051與x9c102p的硬件連線圖如圖3所示。

數(shù)字電位器x9c102p的三個輸入端inc、u/d、cs接在p1口?；瑒佣藇w的電壓作為輸出。

微控制器at89c2051是整個系統(tǒng)的核心，tlc2543對輸入的模擬信號進行采集，轉(zhuǎn)換結(jié)果dout由單片機通過p1.2（14腳）接收，ad芯片的通道選擇和方式數(shù)據(jù)通過p1.1（13腳）輸入到其內(nèi)部的一個8位地址和控制寄存器。在輸入為零時，微控制器對輸入模擬信號進行分析，若采樣值變化說明漂移存在，根據(jù)采樣值變化的方向相應(yīng)的調(diào)整數(shù)字電位器滑動的方向。電位器vw輸出電壓u接到模擬輸入端微調(diào)模擬輸入uin。調(diào)動過程由微控制器自動完成，不需要手動調(diào)整。

軟件設(shè)計

這里給出調(diào)節(jié)函數(shù)“adjust”，它調(diào)用了子程序串行數(shù)據(jù)采集模塊“read_ad”和微控制器控制電位器模塊“dp_down”和“dp_up”。

tlc2543的通道選擇和方式數(shù)據(jù)為8位，其功能為：d7、d6、d5和d4用來選擇要求轉(zhuǎn)換的通道，d7d6d5d4=0000時選擇0通道，d7d6d5d4=0001時選擇1通道，依次類推；d3和d2用來選擇輸出數(shù)據(jù)長度，本程序選擇輸出數(shù)據(jù)長度為12位，即d3d2=00或d3d2=10；d1、d0選擇輸入數(shù)據(jù)的導(dǎo)前位，d1d0=00選擇高位導(dǎo)前。在每次i/o周期讀取的數(shù)據(jù)都是上次轉(zhuǎn)換的結(jié)果，當前的轉(zhuǎn)換結(jié)果在下一個i/o周期中被串行移出。第一次讀數(shù)由于內(nèi)部調(diào)整，讀取的轉(zhuǎn)換結(jié)果可能不準確，要丟棄。 零輸入時，微控制器對采樣值進行判斷。當采樣值增大時，調(diào)用dp_up函數(shù)，使u增大，反饋到積分器輸入端，uin增大。同樣當采樣值減小時，調(diào)用dp_down函數(shù)，使u減小，同理uin增大。循環(huán)調(diào)節(jié)，直至采樣值不變，實現(xiàn)了漂移的自動調(diào)節(jié)。對積分電容放電后，即可開始測量。這里調(diào)整的方向要根據(jù)磁通計實際情況而定。

#include
sbit sclk = p1^0;
//tlc2543時鐘信號線
sbit din = p1^1;
tlc2543串行數(shù)據(jù)輸入線
sbit dout = p1^2;
//tlc2543串行數(shù)據(jù)輸出線
sbit cs = p1^3;
//tlc2543片選信號線
sbit cs1 = p1^5;
//x9c102p片選信號線
sbit ud = p1^6;
//x9c102p的u/d
sbit inc = p1^7;
//x9c102p的inc

void adjust（）
{
while(1)
{
int m1,m2,delta;
m1 = 0;
m2 = 0;
delta = 0;
m1 = read_ad();
delay_500us();
m2 = read_ad(); delta = m2 - m1;
if(delta >０)
　　　　　 dp_up(); //采樣值增大將vw向vh方向調(diào)整
else
{
if(delta <０)
dp_down();
//采樣值減小將vw向vl方向調(diào)整

}
}
}

unsigned int read_ad( void ) {
unsigned int data ad;
unsigned char data i;

ad = 0;
p1 = 0xf4;
//始化 p1 i/o 口 sclk = 0;
cs = 1;
delay_100us ();
cs= 0;
delay_100us ();
for( i=0; i<12; i++)
//12bit din

{
din = 0;
sclk = 1;
sclk = 0;
}
cs = 1;
//轉(zhuǎn)換階段
delay_100us ();
cs = 0;
delay_100us ();
for( i=0; i<12; i++) //12bit dout
{
dout = 1;
ad <<= 1;
if(dout)
{
ad |= 0x0001;
}
sclk = 1;
sclk = 0;
}
cs = 1;
return (ad);
//返回ad轉(zhuǎn)換結(jié)果

}

void dp_down() //vw向vl方向調(diào)整u減小的子程序
{
cs1 = 0;
ud = 0;
inc = 0;
delay_100ms();
inc = 1;
cs1 = 1;
}
void dp_up() //vw向vh方向調(diào)整u增大的子程序
{
cs1 = 0;
ud = 1;
inc = 0;
delay_100ms();
inc = 1;
cs1 = 1;

小結(jié)

本文介紹了用微控制器控制數(shù)字電位器調(diào)節(jié)模擬積分式磁通計的方法，給出了硬件連線圖和c程序，目的是解決目前的模擬積分式磁通計的漂移問題。實踐證明，該方案可以實現(xiàn)自動調(diào)整漂移，且方便、快捷、價格便宜，優(yōu)于機械電位器。