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0 引 言
近年來，隨著傳感器技術的不斷發(fā)展，特別是單片機技術的廣泛應用，采用單片機與PC機構成的小型傳感器測控系統(tǒng)越來越多。因為它們很好地結合了單片機的價格低，功能強，抗干擾能力好，溫限寬和面向控制等優(yōu)點及Pc機操作系統(tǒng)中Windows的高級用戶界面、多任務、自動內存管理等特點。在這種測控系統(tǒng)中，單片機主要進行實時數據采集及預處理，然后通過串行口將數據送給PC機，PC機再對這些數據進一步處理，例如求均值、方差、畫動態(tài)曲線與計算給定、打印輸出的各種參數等任務。
這里采用霍爾傳感器作為前端進行數據采集，然后在單片機控制下進行A／D轉換，并將信號通過串口送給PC機進行繪圖處理。
1 系統(tǒng)介紹
系統(tǒng)可以分為3個部分。第一部分是信號源，由霍爾傳感器產生電壓信號，信號通過差分放大，濾波得到較清晰的信號；第二部分是信號經過A／D轉換送入單片機進行處理，再通過串行通信送入PC機處理得到結果；第三部分是數據的顯示，這部分是通過VB的繪圖程序來完成，顯示結果以v-x關系圖來顯示。系統(tǒng)總流程如圖1所示。
2 硬件設計及實現
2．1 霍爾傳感器
霍爾傳感器是利用霍爾效應實現磁電轉換的一種傳感器。它具有靈敏度高，應用廣泛的特點。其工作原理如圖2所示：一塊半導體薄片，其長度為L，寬度為B，厚度為D，置于磁感應強度為B的磁場中，在相對的兩邊通以控制電流I，且磁場方向與電流方向正交，則在半導體的兩邊將產生一個與控制電流和磁感應強度乘積成正比的電勢U，該電勢即為霍爾電壓，用UH表示，即UH=KHIB，其中KH為霍爾元件的靈敏度，半導體薄片就是霍爾元件。
同理有2塊磁場相同的永久磁鐵，同極性相對放置。當其表面積遠遠大于兩者的間距時，正中間磁感應強度為O，在縫隙間沿z軸形成一個均勻梯度的磁場dB／dx=K(K為常數)。B=0處作為位移x的參考原點，則x=O時，B=O，UH=O。當它們中間的霍爾元件移動到x處時，UH大小由x處的B決定。由公式UH=KHIB可知：保持I不變，則dUH/dx=IKHdB/dx=KHI=K，積分后得UH=Kx，即霍爾電勢與位移成比例。磁場梯度越大，靈敏度越高，磁場變化越均勻，UH和x的線性越好。
本系統(tǒng)中的第一部分由圖3中的霍爾傳感器裝置提供，由霍爾元件(A44E)、差分放大器和濾波器組成。其輸出電壓與霍爾元件位移成比例，具有較高靈敏度，能夠產生出符合要求的電壓信號。
2．2 模／數轉換原理
該系統(tǒng)中的單片機是使用Atmel公司的AT89C51微控制器，與MCS一51單片機產品兼容，具有4 KB閃爍可編程可擦除只讀存儲器、1 000次擦寫周期、32個可編程I／O口線、2個16位定時器／計數器、5個中斷源、UART串行通道等特點。在設計中主要用它來控制傳感器信號發(fā)生裝置輸出的模擬信號轉換成數字信號，進行數據采集和顯示以及串行通信。
經過與標準量比較處理后的模擬量轉化成以二進制數值表示的離散信號的轉換器，簡稱A／D轉換器．轉換器的輸入量一般為直流電流或電壓，輸出量為二進制數碼的數字量。該設計中使用ADC0809轉換器。過程如下：首先它可以將其看成由一個8位A／D轉換器和一個8通道模擬多路開關組合而成，INO～IN7分別對應8路模擬量輸人，由引腳ADDA，ADDB和ADDC決定具體是哪一條模擬量來進行轉化。在引腳START和ALE上加1個正脈沖后，通道選擇碼立即鎖定并同時ADC轉換啟動。轉換開始后OE引腳加1個正脈沖，將輸出緩沖器的三態(tài)門打開，使轉換后的數字量能夠傳送至數據總線。
2．3 數據采集和顯示
放大處理后的電壓信號，雖然在幅值上達到了可以處理的范圍，但模／數電壓轉換的范圍是0～5 V，而傳感器輸出的電壓存在負值，為了使電壓匹配，信號電壓在接人模／數轉換器前可以加一級加法電路，將電壓信號全部轉換為正值。放大電路、濾波電路和加法電路均使用LM324實現，硬件電路如圖4所示。
數據顯示電路分為數碼管顯示電路和PC機顯示 部分。數碼管顯示用于單片機上，單片機分別通過段顯 碼和位顯碼對數碼管上顯示的數據進行控制。段顯碼 控制顯示的數據內容，位顯碼則控制數碼管亮或滅。段 顯碼是單片機通過可編程通用并行接口8155逐位傳到 8位移位寄存器74LSl64中去，再由它將串行傳輸數據 變?yōu)椴⑿袛祿䝼鹘o數碼管顯示。而位顯碼是單片機 通過8155一次性送到數據鎖存器74L$244中鎖存，再 去驅動數碼管并控制其亮或滅。
2．4 串行通信
該設計中采用異步串行通信的方式。而AT89C51 單片機的串行口，當工作于方式1，2和3時，UART(通用異步接收和發(fā)送)可以實現單片機系統(tǒng)與PC機之間的串行通信。PC機串行通信主要是通過串行口芯片8251實現的。8251有10個寄存器，端口地址從3F8H～3FEH(c0M1)，可以通過對8251編程來指定通信協(xié)議即通信的波特率、數據位數、奇偶類型和停止位長度。另外由于Pc機串口的電平是RS 232電平，不與單片機串口的TTL電平兼容，因此需要在它們之間進行電平轉換。傳統(tǒng)的方法是使用MCl488將TTL電平轉換成RS 232電平，用MCl488實現反向轉換，由于MCl488需要±12 V電壓，使用中非常不便，故該設計采用MAXIM公司的產品片MAX232來實現，由單+5 V的電壓供電，既可實現TTL到RS 232的電平轉換，也可實現RS 232到TTL電平的轉換，使用十分方便，具體的線路如圖5所示。
