基于AVR單片機的電磁場監測儀設計

吳建平，李 吉，葛 青

（成都理工大學核技術與自動化工程學院，四川 成都 610059）

基于AVR單片機的電磁場監測儀設計

吳建平，李 吉，葛 青

（成都理工大學核技術與自動化工程學院，四川 成都 610059）

設計了一個環境電磁污染監測系統，能夠測量環境磁場大小，測量精度可達到6×10-8T。利用磁阻芯片特有的置位/復位功能有效地消除因溫度漂移和電路參數漂移等共模信號造成的誤差，提高了磁場檢測的靈敏度。監測儀器以Atmega16L為控制器，單片集成磁場傳感器HMC1052L為檢測元件，其輸出通過運算放大器LMV358放大，利用Atmega16L單片機模數轉換器轉換成數字信號，并由LCD顯示測量結果。

電磁污染；監測；磁場傳感器；AVR單片機；A/D轉換

1 引 言

國內外多數學者帶有共識性的觀點認為，電磁輻射對人體具有潛在危害，環境電磁場是環境監測的重要指標之一。目前可用于電源線、電腦顯示器、電視機、視頻/音頻、微波爐的工頻磁場及類似儀器設備較多，但性能優越的多為國外廠家生產。如CA41環境磁場測量和輻射源定位；HI3603電磁場強度測試儀；HI-4433系列電磁場測量儀；HI4433系列電磁場測量儀；HI3604 ELF工頻電磁場強度測試儀；HI-3604、HI-2200射頻電磁輻射分析儀等。

隨著半導體技術的飛速發展，傳統的磁敏傳感器逐漸向薄膜化、微型化和集成化的方向發展，使其能夠應用于各個領域，靈敏度也得到極大的提高。實際應用中磁敏元件主要應用于檢測磁場，而與此相關的磁場范圍很寬，一般的磁敏傳感器檢測到的最低磁場只有10-10T。磁阻傳感器可以用來測量地球磁場的三軸分量，進而得到與磁場北極之間的相對角度，可為低磁場檢測提供一種緊湊的、高靈敏度和高可靠性的解決方法。應用包括羅盤指向、交通檢測、鐵質檢測等?，F將單片機與單片集成傳感器相結合，將磁場變化轉換為不同的輸出電壓，顯示出磁場大小。希望通過研究，設計出智能化、高靈敏度、高可靠性、穩定性好和實用性強的電磁場檢測儀器。

2 磁場傳感器

利用某些材料的磁電效應制成對磁場敏感的傳感器，如霍爾元件、磁阻元件、磁敏二極管、磁敏三極管等，這類傳感器除用于測量和感受磁場外，被廣泛應用于位移、振動、速度、轉速、壓力等多種非電量的測量。目前新出現的半導體磁電傳感器，主要有霍爾效應傳感器、半導體磁致電阻器、磁敏二極管以及以這些元器件為磁-電轉換器（或稱敏感頭）的各種半導體磁敏功能器件，例如磁敏開關集成電路、磁敏運算放大器、磁羅盤和三維磁強計等，并形成了一個龐大的產品群落。磁敏傳感器能檢測較低的磁場強度，在羅盤指向、交通檢測、磁質檢測中有相當重要的作用[1-3]。

HMC1052L磁場傳感器是霍尼韋爾公司生產的高性能磁敏傳感器。芯片具有正交雙軸傳感、超小型尺寸和微型表面封裝件帶來的低成本等優點。每只磁阻傳感器都配置成有4個元件的惠斯通電橋，將磁場轉化為不同的輸出電壓。傳感器能檢測低至1.2×10-8T的磁場，微型表面封裝帶10針的小型表貼外形（SMOP），尺寸3mm×3mm×1mm，器件引腳封裝如圖1所示。主要性能指標：磁場范圍寬達±6×10-4T；靈敏度為每10-4T 10mV/V；最小電源低至1.8V的低功率運行。HMC磁敏傳感器的內部結構如圖2所示。UBR為橋壓供電+5V；GND為公共地；OUT+、OUT-差分電壓輸出端；OFFSET+、OFFSET-為內部補償線圈引線，±表示電流極性；S/R+、S/R-為置位、復位線圈引出端，改變電流極性可分別實現置位、復位。芯片內的置位/復位和偏移帶，減少了溫度漂移影響、非線性誤差，也減少了大磁場存在引起的信號輸出損失。

圖1 HMC1052L的引腳封裝圖

圖2 磁敏傳感器內部結構圖

霍尼韋爾HMC105L磁阻傳感器是用于檢測磁場的惠斯通電橋設備，當向電橋供電后傳感器將敏感軸方向的任何入射磁場強度轉換成差分電壓輸出。除了電橋電路外，該系列傳感器的芯片內還有兩個磁耦合片，偏移帶和置位/復位帶，可用于入射磁場調節和磁疇調整，有了它們就無需在傳感器周圍安裝外部線圈。每個偏移帶額定測量電阻為15Ω，用于每10-4T入射磁場時它需要10mA電流。這些偏移帶能很容易地控制電流，對±6×10-4T線性測量范圍內的磁場進行去磁或增強，但設計時應注意傳感器模塊上的過度熱量。

圖3為傳感器輸出響應曲線。當置位/復位脈沖電流通過引腳S/R+時，輸出響應曲線斜率位正值，反之位負值，由此可改變輸出電壓的極性。電流方向由S/R+到S/R-時輸出置位信號Uoset，電流方向由S/R-到S/R+時輸出復位信號Uoreset。輸出電壓差值能消除溫度漂移和非線性影響，即Uo=（Uoset-Uoreset）/2。每個置位/復位帶都有一個3～6Ω的額定電阻，且至少需要最大為400mA的電流用于復位和置位脈沖。

圖3 磁敏傳感器輸出響應曲線

3 總體電路設計

根據系統設計的要求，主要完成信號的采集放大、數據處理和顯示等功能，選擇低功耗設計方案。系統總體設計電路原理框圖如圖4所示。系統由AVR單片機Atmega16L控制，總體電路模塊包括傳感器、微處理器、偏移電路、放大電路、液晶顯示電路和電源檢測電路。單片機Atmega16L自身帶有10位模數轉換器，可簡化A/D電路。由于磁敏傳感器輸出的模擬信號很弱，極容易湮沒在各種電磁噪聲當中，其后需要附加放大電路和濾波電路。如果增益過大又容易使電路不穩定，同時在測量弱磁場時易受到強磁場的干擾，造成輸出信號丟失。為了減小這種影響并使輸出信號最大化，需要在電路中利用磁敏傳感器的置位/復位線圈，添加一個置位/復位電路。使用電池時需要及時檢測電池的電量，以提醒使用者能夠及時更換電池，監測系統加入電源檢測電路。

圖4 總體電路原理框圖

磁敏傳感器HMC1052L把測量到的電磁信號直接轉換為電壓輸出，由LMV358組成運算放大器，把微弱信號放大到單片機能夠檢測到的電壓，通過單片機Atmega16L自帶的模數轉換器，把模擬信號轉換成數字信號，經過計算處理后在LCD1602液晶顯示屏上顯示出磁場大小值。為了減弱強磁場的干擾，使用單片機Atmega16L控置位/復位電路，提高測量的靈敏度。補償電路的作用是在沒有測量磁場的作用下，消除環境磁場和鐵磁性物質對測量結果的影響，即可起到系統調零的作用[4-5]。

3.1 信號采集電路

硬件電路設計過程中為了減少由于引線所產生的寄生電感和寄生電容的影響，大部分元器件均采用貼片元件（SMT），高頻特性好并增強了抗電磁干擾能力。信號采集電路原理如圖5所示。電路作為整個系統的敏感中心，能夠直接把測量磁場的大小轉換成可測量的電壓，送至運算放大器放大。磁敏傳感器X軸的輸出送至單片機PA0端，磁敏傳感器Y軸輸出送至單片機PA1端，磁敏傳感器置位/復位線圈輸入信號由單片機PD4端控制輸出，傳感器的補償線圈輸入端電流大小由R17、R18提供。

當單片機輸出為低電平到晶體管基極時，Q1截止Q2導通，使C2放電到電壓為0，Vcc給C3充電到Vcc，從而產生一個電流方向由S/R+到S/R-輸出一個置位信號Uoset。當單片機輸出為高電平到晶體管基極時，Q2截止Q1導通，使C3通過放電給C2充電，Vcc通過電阻R23也給C3充電，但電流較小，在很短時間內后者小于前者，可以忽略不計，最終使C2上的電壓趨向于Vcc，從而產生一個電流方向由S/R-到S/R+輸出一個復位信號Uoreset。輸出的電壓差能消除溫度和非線性影響。R17/R18組成磁敏傳感器的補償電路，當沒有檢測磁場時，通過補償電路產生一個補償電流，就形成X軸方向的磁場，利用這個磁場可以抵消地磁場的影響。只要合理調節電阻器R18，補償電流就可以完全抵消地磁場和鐵磁性物質對測量的影響。集成運算放大器LMV358可自動調零，簡化了運算放大器的調零電路。根據運算放大電路的連接方式可以獲得放大器的輸出電壓公式：

由此根據上述公式可計算出X軸和Y軸的輸入輸出電壓的關系。

3.2 單片機接口電路設計

單片機檢測控制系統的硬件和軟件結構設計的復雜性、可靠性、擴展性與選用的單片機芯片的資源配置有很大相關。由Atmel公司生產的Atmega16L單片機的資源配置很適合簡易的模擬信號采集系統的設計。

接口電路可參見圖5。Atmega16L單片機是一個高性能、低功耗的8位AVR微處理器，其自帶有8路10位ADC模數轉換器，在電路設計時就可以省去模數轉換部分。Atmega16L單片機的資源配置簡潔，很適合簡易的模擬信號采集系統的設計。AVR單片機Atmega16L作為系統的控制中心，其外圍電路包括AVR單片機的接口電路、電源電路、復位電路、晶振電路、電源電壓檢測電路和下載端口。AVR單片機的I/O線全部帶可設置的上拉電阻、可單獨設定為輸入/輸出、可設定（初始）高阻輸入、驅動能力強（可省去功率驅動器件）等特性，I/O口資源靈活、功能強大，可充分利用。AVR單片機內嵌高質量的Flash程序存儲器，擦寫方便。

單片機芯片上有一個8路的10位逐次逼近型ADC，能對來自端口A的8路單端輸入電壓進行采樣，內部采樣保持電路確保在轉換過程中輸入到ADC的電壓保持恒定。增強性的高速同/異步串口，具有硬件產生校驗碼、硬件檢測和校驗貞錯、兩級接收緩沖、波特率自動調整定位（接收時）、屏蔽數據幀等功能，提高了通信的可靠性，方便程序編寫，串口功能大大超過MCS-51/96單片機的串口，加之AVR單片機高速，中斷服務時間短，故可實現高波特率通信。LCD1602是工業字符型液晶，能夠同時顯示16x02即32個字符。液晶顯示屏LCD1602的顯示電路簡單不再敘述[6-8]。

4 軟件設計

圖5 信號采集電路原理圖

根據功能要求，軟件設計包括液晶顯示驅動、數據采集和處理、電源電壓檢測報警等部分。該設計中數據采集模塊的主控芯片是ATmega16L，它支持在AVR-GCC開發環境下的C/C++程序代碼開發。只需要用戶直接調用就可以實現的操作，并支持AVR Studio下的仿真調試。軟件設計采用的AVR單片機編程，主要包括A/D數據采樣、數據格式顯示轉換和液晶顯示模塊等子程序，充分利用了單片機的定時中斷功能來實現顯示數據的自動更新功能。當進入主程序后，就連續不斷地進行磁場數據采集，A/D轉換器進行模數轉換，再由微處理器進行數據顯示格式轉換后更新顯示屏。

數據采集采用2.56V內部參考電壓，是以查詢的方式來讀取A/D轉換值，由于采用的是雙軸磁場傳感器，A/D轉換選用了兩個通道PA0和PA1。首先是A/D模數轉換通道的選擇，然后連續采樣數據8次，為了減小誤差，去掉第一個測量值，然后去掉其中最大值和最小值，剩下的5個值取平均值，即完成一次的數據采樣，返回A/D轉換值[9]。

數據格式轉換函數中寫出的轉換表達式，只是一個簡化的表達式。測量系統的調零方式采用軟件調零，根據實際電路測出沒有磁場檢測時A/D轉換端口145mV電壓。HMC1052L的靈敏度為每10-4T 1mV/V，電橋電壓為5V，磁場靈敏度為5mV/（10-4T），放大電路的增益系數為425。由此可以根據式（3）計算出磁場強度：

簡化過后即可得到所測磁場強度：

5 系統檢測與實驗數據分析

系統在實際數據檢測后需分析數據的可靠性。由于磁敏傳感器的輸出電壓非常微弱，因此信號在電路中經數百倍甚至上千倍的放大。需先對端口進行電壓顯示檢測，判斷A/D輸入口是否能夠正確轉換。具體測量是在沒有檢測磁場時，用萬用表測出PA口的輸入電壓的平均值為140mV，而通過A/D轉換后的電壓輸出值為145mV，說明其A/D轉換正常，同時把145mV作為傳感器輸出的偏置電壓，通過軟件清零來消除測量的影響。通過軟件控制置位/復位引腳產生置位/復位信號，提高測量靈敏度。

由于實驗室的TES1390高斯計能檢測的最小刻度為1×10-8T＜H，因此采用了TES1390高斯計做標準進行數據檢測。在相同環境條件下，測量磁鋼與儀器之間距離變化時磁場強度的變化，兩個儀器的數據對比見表1。用所設計的儀器測量數據的過程中發現，雙軸磁敏傳感器HMC1052L對磁場的方向很敏感，所以在環境磁場中測量時要先確定方向，否則難以測出磁場的大小。

由測量數據結果看到隨磁鋼距離減小磁場強度增加時，相對誤差增大。主要原因：磁鋼近距離時磁極性影響明顯；儀器磁場強度的標定模型需要反復試驗，可考慮非線性模型；TES1390高斯計做標準比較粗糙，準確度較差。總之，試驗系統需在硬件電路和軟件系統上進一步完善。

表1 TES1390高斯計與設計系統檢測數據對比

6 結束語

系統利用AVR單片機Atmega16L做控制器，單片集成磁阻傳感器芯片做信號采集元件，設計出電磁場檢測儀器，具有抗干擾能力強、抗震性高、穩定性好、價格便宜、成本低、功耗小、響應速度快、數據采集方便等優點，有很好的開發應用前景。同時系統需要進一步完善測量精度問題，如果需要準確判斷磁場方向，差分放大電路應采用正負電源供電。除了軟件補償方式外，硬件補償電路還需要做進一步的研究。

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Instrument design for monitoring electromagnetic field based on AVR MCU

WU Jian-ping，LI Ji，GE Qing
（College of Applied Nuclear Technology and Automation Engineering，Chengdu University of Technology，Chengdu 610059，China）

A system for monitoring environment electromagnetic pollution was designed.The instrument could measure the environment electromagnetic radiation and its measurement accuracy reached 0.6 mG.The error caused by common mode signals such as temperature and circuit parameter drift can be eliminated efficiently with the SET/RESET function of HMC，and the sensitivity of detecting the magnetic field was improved.Basing on Atmega16L，the instrument used the sensor HMC1052L as detection component.The output signal of the sensor was amplified by operational amplifier LMV358，then the amplified signal was converted to digital signal by ADC on Atmega16L MCU，and measurement result was displayed on LCD.

electromagnetic pollution；monitoring；magnetic field sensor；AVR microcontroller；A/D conversion

TM937.2；TP368.1

A

1674-5124（2011）01-0047-05

2010-09-17；

2010-11-15

吳建平（1954-），女，江蘇江陰市人，教授，主要從事測控技術與儀器及核技術應用研究。