基于MCU新型智能勵磁儀的設計與實現(xiàn)

摘要：提出了一種以現(xiàn)代化的單片機控制技術(shù)為基礎(chǔ)，結(jié)合D／A轉(zhuǎn)換、模擬電子開關(guān)、功率放大、液晶顯示和串行通信等技術(shù)實現(xiàn)對鐵磁材料的磁滯回線進行測量的新方法，并在該方法的基礎(chǔ)上成功設計并研制出一種新型智能勵磁儀，將新儀器與分析儀、上位機等進行聯(lián)機試驗，結(jié)果表明新儀器具有更加友好的用戶界面，所得實驗數(shù)據(jù)的精度高、可靠性好。同時新儀器具有手動／自動兩種工作模式，且可以實現(xiàn)與上位機的數(shù)據(jù)通信，自動化和智能化程度大大提高。
關(guān)鍵詞：單片機；D／A轉(zhuǎn)換；模擬電子開關(guān)；功率放大；液晶顯示；磁滯回線；智能化

“鐵磁材料磁化特性研究”是大學基礎(chǔ)物理實驗中一個經(jīng)典的實驗項目，該實驗可使學生了解鐵磁質(zhì)在磁場中磁化原理與磁化規(guī)律，并可測定樣品的磁滯回線，確定其矯頑力、剩磁感應強度、最大磁場、最大磁感應強度及磁滯損耗等重要的物理參數(shù)，讓學生認識到鐵磁材料在制造永久磁鐵、電機、變壓器、電磁鐵等方面存在廣泛的作用和具有的重要實用價值。
整套的實驗裝置由3個儀器組成：勵磁儀、分析測試儀和監(jiān)測示波器。勵磁儀是整個實驗系統(tǒng)的關(guān)鍵。

1 磁滯回線勵磁儀工作原理
1．1 基本工作原理
鐵磁材料的電磁變換與電壓信號產(chǎn)生原理如圖1所示。

就是勵磁場的磁場強度H，與初級線圈的電流形成比例關(guān)系。次級線圈接積分電路，可以測量鐵芯中的磁感應強度B。
1. 2 勵磁儀工作原理
勵磁儀工作電路閉如圖2所示，將被測樣品做成變壓器的鐵芯，初級線圈中的勵磁電流由電源提供，在交流電作用下，鐵芯產(chǎn)生交變磁場，根據(jù)法拉第電磁感應定律可知，在次級線圈中將產(chǎn)生感應電動勢。

1)初級回路設計：變壓器的平均磁路長度L，初級線圈的匝數(shù)N，勵磁電流I1與取樣電阻R1(由10只0．5 Ω的電阻串聯(lián)，阻值大小由K2選取)，勵磁電壓U1分為多擋(由K1選取)，由式(1)和歐姆定律可得：

2)次級回路設計：感應電動勢在次級回路中產(chǎn)生電流I2，通過有C2、R2組成的積分電路后，其磁感應強度B與輸出電壓U2可得：

其中S是樣品的截面積，n是次級線圈的匝數(shù)，上式反映出B值與輸出電壓的相關(guān)特性。
如圖2所示，把U1、U2電壓信號分別接入雙蹤示波器的X、Y端進行同步監(jiān)測，在屏幕上顯示反映H與B變化規(guī)律的實驗測試樣品材料的磁化特性曲線——磁滯回線(如圖3所示)。

1．3 測量參數(shù)
從圖3磁滯回線的H與B變化值中，可以獲得鐵磁性樣品材料的重要物理技術(shù)參數(shù)：
Hm為最大磁場強度，Bm為最大磁感應強度，Br為剩磁感應強度，Hc為矯頑力，面積反映磁滯損耗等等。通過以上參數(shù)可以知道與判明樣品材料的類別屬性、特征及實用的物理技術(shù)參量。
1．4 實驗裝置的總體架構(gòu)
實驗裝置的總體架構(gòu)如圖4所示。被測樣品的初級線圈中的勵磁電流由交流電源提供。在交流電作用下，鐵芯產(chǎn)生交變磁場，根據(jù)法拉第電磁感應定律可知，在次級線圈中將產(chǎn)生感應電動勢。由前述分析結(jié)果所知，電磁感應的H、B參量值與初級和次級線圈中電壓信號U1和U2的存在相關(guān)特性，將U1與U2分別接入示波器X—Y輸入端，屏幕上就可顯示出表示H與B變化的磁滯回線，實現(xiàn)同步實時監(jiān)測實驗儀的輸出狀況；同時由分析測試儀采集U1、U2電壓信號，經(jīng)過放大、運算等處彈，顯示輸出相關(guān)的技術(shù)參教。

2 新型勵磁儀的設計與基本構(gòu)成
研制新型智能勵磁儀的關(guān)鍵核心是設計一個帶微處理器的、具有程控放大器功能的勵磁控制器，即為一個程控穩(wěn)壓源。這個程控穩(wěn)壓源不同于一般意義上的直流穩(wěn)壓源，而是要產(chǎn)生交變磁場作用的交流穩(wěn)壓源，既輸出幅值被受控的、具有完整形態(tài)正弦電壓。輸出正弦電壓的幅值由單片機控制，實現(xiàn)程控穩(wěn)定幅度的技術(shù)要求。
本系統(tǒng)主要由交流信號源模塊、電壓幅值調(diào)節(jié)模塊、電壓驅(qū)動模塊、電阻采樣模塊和液晶顯示模塊、單片機控制模塊6個部分組成。
整套電路的結(jié)構(gòu)如圖5所示。

2．1 交流信號源模塊
勵磁儀正常工作建立在正弦交流信號基礎(chǔ)上。交流信號的產(chǎn)生使用如圖6所示的簡單實用的小功率變壓器和由運算放大器OP07和電阻、電容組成的有源二階低通濾波網(wǎng)絡，由市電50 Hz的交流電源降壓得到5 V左右的交流電壓。

在R2=R3且C2=C3時，由運算放大器OP07和電阻、電容組成的有源二階低通濾波網(wǎng)絡的截止頻率為：

選取合適的電阻和電容的值使該電路的截止頻率約為50 Hz，這樣經(jīng)過變壓器的正弦電壓信號再經(jīng)過有源二階低通濾波網(wǎng)絡后可以方便的消除高次諧波的干擾，獲得較為理想的50 Hz正弦交流電壓信號，信號頻率和幅度的穩(wěn)定性都較高。
2．2 電壓幅值調(diào)節(jié)模塊
電壓幅值調(diào)節(jié)電路采用數(shù)／模轉(zhuǎn)換器DAC0832實現(xiàn)由單片機的數(shù)字量對輸出電壓的控制。
DAC0832為8位倒T型電阻網(wǎng)絡形式的數(shù)模轉(zhuǎn)換器，與微處理器完全兼容，其輸出模擬電壓的表達式為：

其中，VREF為參考電壓，Rf為反饋電阻，R為電阻網(wǎng)絡的電阻值。
DAC0832的內(nèi)部邏輯框圖如圖7所示，其由8位輸入鎖存器、8位DAC寄存器、8位D／A轉(zhuǎn)換器四大部分組成。

利用DAC0832組成的電壓幅值調(diào)節(jié)電路如圖8所示，該電路在保證輸入?yún)⒖茧妷旱木鹊幕A(chǔ)上，輸出電壓的精度也很高。圖中，DAC0832采用直通的接法，即控制腳CS、XFER、WR1、WR2接低電平，ILE接高電平。運放LM741起到將DAC0832電流輸出轉(zhuǎn)換為電壓輸出的作用。數(shù)據(jù)線D0～D7接單片機的P1口。

電路運行時，通過鍵盤輸入改變單片機P1口的輸出的8位數(shù)字量，就可改變輸出電壓的幅值，從而實現(xiàn)了對輸出電壓幅值的控制。
2．3 電壓驅(qū)動模塊
信號輸出的最后一級為普通運放LM741，驅(qū)動能力有限，其極限電流在十幾到幾十毫安左右。為了保證勵磁效果的正常工作，在電路的最后一級之后增加了功率放大電路，使整個電路具有300 mA的電流輸出，增加電路的帶負載能力。
功率放大電路如圖9所示，采用分立元件三極管等搭建而成。

由R9、Q1、D1、R10、Q5、D2、R11、R12組成了可消除交越失真的OCL(無輸出電容功率放大電路)電路，即使輸入電壓很小，總能保證至少一只晶體管導通，從而消除了交越失真。后兩級均采用基本的OCL電路，其中最后一級由兩組并聯(lián)分流。
該方案采用了三級管、二極管等常用器件，大大節(jié)約了成本，同時在三極管上添加了散熱片，起到了很好的散熱效果。
2．4 電阻采樣模塊
采用兩片模擬電子開關(guān)CD4051級聯(lián)構(gòu)成電阻采樣電路，如圖10所示，兩片芯片公共端相連，控制線A、B、C相連后分別接單片機P2．0、P2．1、P2．2口，第一片芯片的INH端接P2．3口，再經(jīng)過一個三極管構(gòu)成的反向器接到第二片的INH端。通過控制P2．0-P2．3口的輸出量可以控制采樣電阻的大小，芯片供電VCC=+5 V，GND=0，VEE=-12 V，則0～5 V的數(shù)字信號可控制-12～5 V的模擬信號，滿足電路的要求。

2．5 液晶顯示模塊
新儀器改用液晶LCD1602顯示采樣電阻和勵磁電壓的大小，如圖11所示，使得用戶界面更加友好。電位器W1可以調(diào)整液晶的對比度。

2．6 通信接口
采用RS-232標準串行接口與分析儀(或其他外設，如上位機)進行數(shù)據(jù)通信，實現(xiàn)智能儀器所具備的控制與拓展功能。
利用單片機內(nèi)部的串行異步通信口，完成發(fā)送前并行到串行的轉(zhuǎn)換；接收后從串行到并行的轉(zhuǎn)換。由于RS232接口標準定義為±15 V的負邏輯信號電平與TTL不能兼容，需選用MAX232電平轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)信號對接。MAX232只需一個+5 V的電源供電，內(nèi)部集成了DC／DC電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)、輸出驅(qū)動器和接收驅(qū)動器；外部只接4個0．1μF的電容就能完成信號電平轉(zhuǎn)換，功耗小，電平轉(zhuǎn)換速度快，最高達1 Mbps。接口電路如圖12所示。

采用最簡便的9個端子標準接口，可用DB-9型接插件。把單片機TXD與RXD腳分別連接MAX232芯片的11與12腳，加上一根信號地線，就可實現(xiàn)最簡單的全雙工串行數(shù)據(jù)通信。
2．7 單片機模塊
采用低功耗、高性能8位單片機AT89S52作為控制元件，它具有8K系統(tǒng)可編程Flash存儲器，在眾多嵌入式控制應用系統(tǒng)中得到廣泛應用。以AT89S52為核心的控制電路如圖13所示。

AT89S52的32個可編程的I／O口線中，P1口與DAC0832的數(shù)字量輸入端相連，通過按鍵改變P1口輸出的數(shù)字量，從而控制DAC0832轉(zhuǎn)換得到的模擬量。P2口的P2．0～P2．3與電阻采樣模塊的兩片模擬電子開關(guān)相連，實現(xiàn)兩片模擬電子開關(guān)的級聯(lián)，兩片模擬電子開關(guān)的公共端相連，控制線A、B、C相連后分別接單片機P2．0、P2．1、P2．2口，第一片芯片的INH端接P2．3口，再經(jīng)過一個三極管構(gòu)成的反向器接到第二片的INH端。通過控制P2．0-P2．3口的輸出量可以控制采樣電阻的大小。P0口和P2．4～P2．6與液晶LCD1602相連，實現(xiàn)對勵磁電壓和采樣電阻大小的顯示。
整套實驗儀器的程序流程圖如圖14所示。

3 結(jié)論
新型智能勵磁儀運用現(xiàn)代電子技術(shù)實現(xiàn)了對老儀器的深度改造，突出了新型和智能的特點。儀器采用程控的方式，使勵磁電壓的步進值大大減小，實現(xiàn)了對磁滯回線的高精度測量；采用按鍵控制的方式代替了原有的機械旋鈕控制，大大提高了儀器的使用壽命；與上位機和分析儀聯(lián)機可實現(xiàn)對鐵磁材料諸多物理參數(shù)的自動測量，大大簡化了實驗步驟；了實驗的內(nèi)容，提高了實驗的趣味；自動化、智能化與通信能力的增加，適應了信息化與網(wǎng)絡化的時代要求，使其在高校的實驗教學中具有很高的推廣使用價值。