C8051單片機(jī)與霍爾傳感器系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陳 杰，陳 蕩, 熊 雄

(武漢工程大學(xué)電氣信息學(xué)院,湖北 武漢 430074)

0 引 言

隨著檢測技術(shù)和控制技術(shù)的發(fā)展，傳感器與單片機(jī)及顯示屏構(gòu)成的測控系統(tǒng)得到了廣泛的應(yīng)用[1]，功能也越來越強(qiáng)大.單片機(jī)價格低、可靠性高、易擴(kuò)展、控制功能強(qiáng)和易于開發(fā)等優(yōu)點(diǎn)在這類測控系統(tǒng)中發(fā)揮出了很強(qiáng)大的功能.該系統(tǒng)首先通過傳感器把非電量參數(shù)轉(zhuǎn)化為電壓，然后通過單片機(jī)進(jìn)行實(shí)時數(shù)據(jù)采集及預(yù)處理，最后在顯示器或者顯示屏上顯示出來.

為提高磁感應(yīng)強(qiáng)度采集與顯示的有效性和降低其成本，本設(shè)計(jì)采用霍爾傳感器SS495A作為前端進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，然后經(jīng)放大器AD620進(jìn)行信號放大后輸送到單片機(jī)C8051F350進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，由于單片機(jī)C8051F350自帶模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(Analog to Digital Converter，以下簡稱：ADC)，所以不需要設(shè)計(jì)模/數(shù)(Analog to Digital,以下簡稱A/D)轉(zhuǎn)換電路，最后將信號在顯示屏上顯示出來.

1 系統(tǒng)構(gòu)架

系統(tǒng)構(gòu)架比較簡單，可以分為3個部分：第一部分是數(shù)據(jù)的采集，由霍爾傳感器產(chǎn)生電壓信號[1]，通過放大器AD620把信號進(jìn)行差分放大；第二部分是信號的處理，信號被輸送到單片機(jī)，在單片機(jī)內(nèi)部進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換及相關(guān)數(shù)據(jù)處理；第三部分是信號的顯示，在顯示屏LCD1602顯示電壓值.整體框圖如圖1所示.

圖1 系統(tǒng)整體框圖Fig.1 Overall block diagram of system

2 硬件設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

2.1 電源模塊的設(shè)計(jì)

一般一個系統(tǒng)存在模擬器件與數(shù)字器件，各個器件所需的電源電壓也不盡相同.本設(shè)計(jì)中霍爾傳感器、放大器以及液晶顯示屏的工作電壓都是5 V，而單片機(jī)的工作電壓是3.3 V，故需要額外的電壓轉(zhuǎn)換電路,其電源電壓轉(zhuǎn)換的電路如圖2所示，電壓轉(zhuǎn)換電路芯片選用AMS1117-3.3，其中5 V電壓用VCC來表示，3.3 V電壓用VDD來表示.

圖2 電源電壓轉(zhuǎn)換電路圖Fig.2 Circuit diagram of power supply voltage conversion

2.2 SS495A霍爾傳感器的特點(diǎn)

霍爾傳感器是根據(jù)霍爾效應(yīng)制成的一種傳感器，主要實(shí)現(xiàn)磁電轉(zhuǎn)換，用于與磁場相關(guān)的運(yùn)動參量的檢測，將物體的各種非電量參數(shù)轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷狠敵觯跈z測和自動控制中得到了大量的應(yīng)用[2].集成電路技術(shù)的發(fā)展使得集成霍爾傳感器占據(jù)了霍爾傳感器的主體市場，主要生產(chǎn)公司有Honeywell公司、Siemens公司、Melexis公司等.集成霍爾傳感器憑借其體積小、頻響寬、動態(tài)特性好等特點(diǎn)[2]，得到外界的一致好評.

本設(shè)計(jì)采用的是Honeywell公司的SS495A線性霍爾傳感器，它是一種高精度的集成霍爾傳感器，對外圍設(shè)備要求簡單、使用壽命長并且應(yīng)用廣泛.該霍爾傳感器的工作原理為：相對放置兩塊極性相同的磁鐵，以磁場強(qiáng)度B=0處作為位移x的參考原點(diǎn)，則x=0時B=0，磁場電壓即霍爾電勢Uh=0.當(dāng)磁鐵間的霍爾元件移動到x處時，Uh的大小由x處的磁場強(qiáng)度決定.用Kh表示霍爾電壓與位移的比例系數(shù)即霍爾元件靈敏度，由公式Uh=KhIB可知：保持電流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.所以磁場梯度越大，磁場變化越均勻，靈敏度也就越高，電壓和位移的線性越好[1].最后由霍爾傳感器輸出端輸出電壓輸送到放大器輸入端.

2.3 放大器AD620的特點(diǎn)

AD620是一款高精度低功耗儀表放大器(最大工作電流僅1.3 mA)，在模擬電路中得到了廣泛應(yīng)用.AD620具有高精度(最大非線性度40 ppm)、低失調(diào)電壓(最大50 μV)和低失調(diào)漂移(最大0.6 μV/℃)特性，非常適合電子秤和傳感器等精密數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的應(yīng)用.由于其功耗低、尺寸小的特點(diǎn)可以作為電池供電及便攜式(或遠(yuǎn)程)應(yīng)用的理想之選.AD620僅需要一個外部電阻來設(shè)置增益，增益變化范圍可以從為1變換至1 000，因而作為前置放大器使用效果非常好.此外，AD620還非常適合多路復(fù)用應(yīng)用，其建立時間為15 μs，能夠?qū)崿F(xiàn)每通道一個儀表放大器的設(shè)計(jì)[3].其封裝引腳圖如圖3所示，通常采用8引腳小輸出線集成電路或雙列直插式封裝.

圖3 AD620封裝引腳圖Fig.3 Pin diagram of AD620 package

2.4 單片機(jī)數(shù)據(jù)采集與A/D轉(zhuǎn)換的實(shí)現(xiàn)

該系統(tǒng)采用的單片機(jī)是新華龍公司生產(chǎn)的C8051F350單片機(jī)，屬于完全集成的混合信號片上系統(tǒng)型單片機(jī).其具有全速、非侵入式的在系統(tǒng)調(diào)試接口，故該系統(tǒng)采用C2下載口下載程序；24位單端/差分ADC，從而不需要外部A/D轉(zhuǎn)換電路；增強(qiáng)型UART和SPI串行接口，4個通用的16位定時器，高精度可編程的24.5 MHz內(nèi)部振蕩器，片內(nèi)上電復(fù)位、VDD監(jiān)視器和溫度傳感器，片內(nèi)電壓比較器，17個輸入輸出(Input/Output，以下簡稱：I/O)端口等功能[4-6].

C8051F350內(nèi)部有一個全差分位ADC，該ADC具有在片校準(zhǔn)功能.ADC可以使用內(nèi)部的基準(zhǔn)電壓，也可以用外部差分電壓作基準(zhǔn)，該系統(tǒng)采用的是外部基準(zhǔn)電壓.在ADC0中包含一個可以設(shè)置8種增益的可編程增益放大器，最大增益可達(dá)128倍.ADC的差分輸入與8個外部引腳及內(nèi)部溫度傳感器可以由模擬多路選擇器相連接.與內(nèi)部輸入緩沖器相連的變送器可以由其提供輸入阻抗[4-6].該設(shè)計(jì)由AIN0.0與放大器輸出端相連采集信號，經(jīng)過一定的數(shù)據(jù)處理顯示在顯示屏上.

2.5 硬件電路的實(shí)現(xiàn)

根據(jù)霍爾傳感器與單片機(jī)的特點(diǎn)，電路圖連接如圖4所示，單片機(jī)的AIN0.0與放大器相連，用于數(shù)據(jù)的采集.單片機(jī)的P1.3位連接一發(fā)光二極管用于單片機(jī)上電的指示，單片機(jī)P1.0～P1.2分別與LCD1602的RS、R/W、使能端E連接，用于對顯示屏的控制，單片機(jī)的P0.0～P0.7分別與LCD1602的DB0～DB7相連接，用于數(shù)據(jù)傳輸.

在圖4中，由于單片機(jī)自帶振蕩器，故不需要設(shè)計(jì)外部振蕩器.單片機(jī)的AGND、AV+、P2.0、RST口用于與C2仿真器的連接，下載程序到單片機(jī)進(jìn)行在線調(diào)試，其中RST用作復(fù)位.放大器的正相輸入端需要與穩(wěn)壓器相連接，本設(shè)計(jì)選取的穩(wěn)壓芯片是LM385BZ-2.5，用于差分放大.各電阻電容值的選取如圖4所示.

圖4 系統(tǒng)電路原理圖Fig.4 System circuit diagram

3 軟件實(shí)現(xiàn)部分

基于C8051F350單片機(jī)的信號采集與顯示系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能更加強(qiáng)大，指令系統(tǒng)更加簡單，軟件設(shè)計(jì)采用C語言編程實(shí)現(xiàn)，軟件開發(fā)環(huán)境采用Silicon Laboratories IDE.

3.1 主程序流程設(shè)計(jì)

主程序流程如圖5所示，當(dāng)手動按下開關(guān)S1時程序開始運(yùn)行，進(jìn)行初始化，初始化主要包括對各寄存器的狀態(tài)進(jìn)行初始化，對單片機(jī)I/O端口、內(nèi)部晶振的初始化以及對液晶顯示屏進(jìn)行初始化.主程序進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集、模/數(shù)轉(zhuǎn)換以及結(jié)果的顯示.單片機(jī)采用中斷方式運(yùn)行，當(dāng)顯示屏的信號被單片機(jī)接收到時，中斷服務(wù)程序就被執(zhí)行，單片機(jī)就會對傳送過來的模擬電壓信號進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，并向顯示屏發(fā)送數(shù)據(jù)并顯示出來.

圖5 主程序流程圖Fig.5 Flow diagram of main program

以下僅給出A/D轉(zhuǎn)換中斷服務(wù)子程序：

void ADC0_ISR (void) interrupt 10

{

static LONGDATA rawValue;

unsigned long mV;

while(!AD0INT);

AD0INT = 0;

rawValue.Byte[Byte3] = 0x00;

rawValue.Byte[Byte2] = (unsigned char)

ADC0H;

rawValue.Byte[Byte1] = (unsigned char)

ADC0M;

rawValue.Byte[Byte0] = (unsigned char)

ADC0L;

mV = rawValue.result / 6710;

}

3.2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

本設(shè)計(jì)測量的是磁感應(yīng)強(qiáng)度，而磁感應(yīng)強(qiáng)度是由位移決定的，故需要標(biāo)定位移量記錄數(shù)據(jù)來得到相應(yīng)的結(jié)果，其中單片機(jī)基準(zhǔn)電壓選取為2.5 V.

當(dāng)保持磁鐵N極不變時，移動霍爾傳感器，測得位移-電壓的數(shù)據(jù)如表1所示.

當(dāng)保持磁鐵S極不變時，移動霍爾傳感器，測得位移-電壓的數(shù)據(jù)如表2所示.

表1 磁鐵N極不變的位移-電壓關(guān)系Table 1 Displacement-voltage relationship of magnet N pole unchanged

表2 磁鐵S極不變的位移-電壓關(guān)系Table 2 Displacement-voltage relationship of magnet S pole unchanged

從表1和表2中可知：雖然磁感應(yīng)強(qiáng)度的檢測受外界電波干擾等因素的影響，輸出信號輸出誤差在所難免,但仍然能準(zhǔn)確地測量出來，測量的位移可以達(dá)到10 mm,無論怎么移動霍爾傳感器，在一定范圍內(nèi)，電壓會隨著位移的變化而變化，從而很好地驗(yàn)證了此方案的有效性.根據(jù)圖5所示的流程和選取的位移量，用C語言編程實(shí)現(xiàn)，在開發(fā)環(huán)境中進(jìn)行編輯和裝載，并通過燒錄器把HEX文件燒錄到單片機(jī)中，按下開關(guān)S1.保持S極不變，位移量分別為5 mm和1 mm時，在顯示屏LCD1602上顯示的霍爾電壓分別為2.56 V和3.23 V，如圖6(a)和圖6(b)所示；保持N級不變，位移量分別為5 mm和1 mm時，在顯示屏LCD1602上顯示的霍爾電壓分別為2.46 V和3.23 V,如圖6(c)和圖6(d)所示.

圖6 霍爾電壓效果圖Fig.6 Effect diagram of hall voltage

從表1、表2和圖6可以看出，當(dāng)位移量為5 mm時，所測得的數(shù)據(jù)與顯示屏上顯示的電壓一致；當(dāng)位移量為1 mm時，所測得的數(shù)據(jù)與顯示屏上顯示的電壓有一定的偏差，但偏差很小，可以忽略不計(jì)，從而驗(yàn)證了此方案的可行性.通過測試驗(yàn)證，預(yù)計(jì)設(shè)計(jì)目標(biāo)均已達(dá)到，設(shè)計(jì)非常成功.

4 結(jié) 語

C8051F350單片機(jī)與SS495A霍爾傳感器信號采集與顯示系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了一種簡單的磁感應(yīng)強(qiáng)度檢測方式，本方案可應(yīng)用于一些簡單的設(shè)備如筆記本電腦閉合時磁感應(yīng)的檢測、磁懸浮列車磁感應(yīng)的檢測等.本方案實(shí)現(xiàn)的成本相對低廉，檢測的準(zhǔn)確性高，將會得到越來越廣泛的應(yīng)用.

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