自動(dòng)調(diào)整漂移的磁通計(jì)

引言

磁通計(jì)是利用rc電子積分原理測(cè)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(cè)試技術(shù)以及測(cè)控技術(shù)等領(lǐng)域。目前國(guó)產(chǎn)磁通計(jì)功能相對(duì)單一，精度低，但基本滿足需求。存在的弊端是漂移比較嚴(yán)重，手動(dòng)調(diào)整耗時(shí)比較長(zhǎng)，給使用人員帶來(lái)很大不便。因此有必要研制可自動(dòng)調(diào)整漂移的磁通計(jì)。

磁通計(jì)原理介紹

垂直于某一面積所通過(guò)的磁力線的多少叫做磁通量或磁通，用 表示，單位wb。磁通計(jì)就是用來(lái)測(cè)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(yùn)算放大器和阻容網(wǎng)絡(luò)組成的模擬積分式磁通計(jì)的漂移調(diào)節(jié)問(wèn)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(chǎng)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(duì)位于磁場(chǎng)（b）中的導(dǎo)體施加一個(gè)電流（ic），該磁場(chǎng)的方向垂直于所施加電流的方向，那么在既與磁場(chǎng)垂直又和所施加電流方向垂直的方向上會(huì)產(chǎn)生一個(gè)電壓（vh）。這個(gè)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?jì)算公式為：vh= b bsin 。其中vh為霍爾電壓(mv)， b為磁場(chǎng)靈敏度(mv/kg)(在一特定的電流下)，b為磁場(chǎng)磁通密度(kilogauss)， 為磁場(chǎng)方向和霍爾元件間的夾角。hgt-2100是一種低價(jià)，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(chǎng)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(jì)的原理圖如圖1所示。

由電磁學(xué)理論知道，對(duì)霍爾發(fā)生器hgt-2100輸出電壓信號(hào)積分后輸出電壓值即為磁通量值 。模擬積分器式磁通計(jì)存在的一個(gè)難題是漂移問(wèn)題。在輸入的感應(yīng)電壓為零時(shí)，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(shí)間不斷地向一個(gè)方向變化（增大或減小）。測(cè)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(jìn)行測(cè)量。這種調(diào)節(jié)過(guò)程比較繁瑣，使用人員必須根據(jù)輸出值變化的方向（增大或減小）來(lái)決定電位器調(diào)節(jié)的方向，還要根據(jù)輸出變化的快慢來(lái)決定調(diào)節(jié)的終止時(shí)刻。

硬件電路設(shè)計(jì)

本文提出一種改進(jìn)的調(diào)漂方法，即利用單片機(jī)控制的數(shù)字電位器來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的多圈線繞電位器從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)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(shuō)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(kāi)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(gè)模擬輸入通道，采樣和保持是自動(dòng)的，在工作溫度范圍內(nèi)轉(zhuǎn)換時(shí)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(zhǎng)度，且與外圍電路的連線簡(jiǎn)單。它是一種性能優(yōu)良的a/d轉(zhuǎn)換器件，可靠性高，價(jià)格便宜，廣泛應(yīng)用于儀器儀表、檢測(cè)與控制設(shè)備等。

at89c2051單片機(jī)

at89c2051是atmel公司推出的8位單片機(jī)，是一個(gè)2k字節(jié)可編程eprom的高性能微控制器。它與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)mcs-51的指令和引腳兼容，是一種功能強(qiáng)大的微控制器，它對(duì)很多嵌入式控制應(yīng)用提供了一個(gè)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(jī)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(gè)阻單元陣列，每個(gè)單元之間和任一端都有可以被滑動(dòng)端訪問(wèn)的抽頭點(diǎn)。滑動(dòng)端的位置由cs、u/d和inc 三個(gè)輸入端控制，且存儲(chǔ)在非易失存儲(chǔ)器中，因而下一次上電時(shí)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(shí)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(gè)輸入端inc、u/d、cs接在p1口。滑動(dòng)端vw的電壓作為輸出。

微控制器at89c2051是整個(gè)系統(tǒng)的核心，tlc2543對(duì)輸入的模擬信號(hào)進(jìn)行采集，轉(zhuǎn)換結(jié)果dout由單片機(jī)通過(guò)p1.2（14腳）接收，ad芯片的通道選擇和方式數(shù)據(jù)通過(guò)p1.1（13腳）輸入到其內(nèi)部的一個(gè)8位地址和控制寄存器。在輸入為零時(shí)，微控制器對(duì)輸入模擬信號(hào)進(jìn)行分析，若采樣值變化說(shuō)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(dòng)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(dòng)過(guò)程由微控制器自動(dòng)完成，不需要手動(dòng)調(diào)整。

軟件設(shè)計(jì)

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(lái)選擇要求轉(zhuǎn)換的通道，d7d6d5d4=0000時(shí)選擇0通道，d7d6d5d4=0001時(shí)選擇1通道，依次類推；d3和d2用來(lái)選擇輸出數(shù)據(jù)長(zhǎng)度，本程序選擇輸出數(shù)據(jù)長(zhǎng)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(dāng)前的轉(zhuǎn)換結(jié)果在下一個(gè)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(zhǔn)確，要丟棄。 零輸入時(shí)，微控制器對(duì)采樣值進(jìn)行判斷。當(dāng)采樣值增大時(shí)，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(dāng)采樣值減小時(shí)，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(shí)現(xiàn)了漂移的自動(dòng)調(diào)節(jié)。對(duì)積分電容放電后，即可開(kāi)始測(cè)量。這里調(diào)整的方向要根據(jù)磁通計(jì)實(shí)際情況而定。

#include
sbit sclk = p1^0;
//tlc2543時(shí)鐘信號(hào)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(hào)線
sbit cs1 = p1^5;
//x9c102p片選信號(hào)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(jì)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(jì)的漂移問(wèn)題。實(shí)踐證明，該方案可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)整漂移，且方便、快捷、價(jià)格便宜，優(yōu)于機(jī)械電位器。