生物磁場強度測定儀

摘 要：生物磁場強度測定儀用于測定趨磁細菌產生的磁場，其硬件部分包含了磁場傳感器、微控制器、顯示部件、輸入部件和實時時鐘等，微控制器通過對磁場傳感器配套的ASIC進行讀取獲得當前方向磁場的強度，通過一定的運算后由直觀的人機界面顯示出來，并可通過微控制器的串口和上位機建立連接進行數據的傳輸。該系統用于磁場強度的測量可達到0.01 G，功耗小，顯示直觀。

關鍵詞： 磁場強度； HMC5843； 趨磁細菌； STC89C516RD+

中圖分類號： TN911?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2013）12?0029?02

地震往往給個人和社會帶來嚴重的損失，如何準確地預測地震，減小地震造成的危害，一直是亟待解決的問題。但是就現在來說，不管國內還是國際上，地震預測儀器的研發仍在探索階段。用于測定趨磁細菌磁場強度的生物磁場測定儀是一個典型的單片機系統。地球磁場的磁場強度很低，利用趨磁細菌的生物特性可以測量和放大地磁場信號有利于研究地震前異常地磁場的變化，以便將其更加廣泛的應用。

1 生物磁場強度測定儀

1.1 系統框圖及設計原理

整個系統中前端的磁阻傳感器負責測量趨磁細菌磁場的大小并將磁場的變化轉化為微弱的電流的變化，專用集成電路負責把磁阻傳感器變化的電流（模擬量）轉換成MCU可以識別的數字量，然后通過芯片內部的I2C總線上傳給MCU。MCU將表征當前磁場大小的數字量通過LCD進行方位顯示，同時數據可以通過串口的形式發送到上位機。使用單片機進行開發，整個系統的可擴展性比較強。

1.2 磁場信號的采集與處理

該部分主要完成對磁場的測量、A/D轉換以及對數據的封包。磁場測量模組由霍尼威爾公司高可靠性的磁阻傳感器及其專用集成電路組成，集成度非常高，三軸磁阻傳感器和其開發的專用集成電路封裝在同一個插件中[1]。霍尼威爾HMC5843磁阻傳感器電路是三重傳感器并應用特殊輔助電路用來測量磁場。其采用的各向異性磁阻技術是指通過施加供電電源，傳感器可以將量測軸方向上的任何入射磁場轉變成一種差動電壓輸出。在磁場存在的情況下，橋式電阻元件的變化將引起跨電橋輸出電壓的相應變動。因為輸出只與一維軸的磁力成正比，并且另外的傳感器位于正交方向，從而使任意方向的磁場強度精確測量成為可能。

整個信號處理電路中包含了3個主要的部分：前端信號處理：由于被測磁場非常的微弱，需要在信號采集前端加入信號放大和濾波整形電路，這樣使得A/D能夠準確測量當前磁場大小。A/D轉換電路：這部分主要完成對磁阻傳感器輸出的模擬信號進行A/D轉換。數據接口電路：這部分組要完成對A/D轉換后得到的數據進行格式封裝，并在上位STC89C516RD+的控制下進行數據傳輸。

1.3 系統軟件

軟件功能設計包括下位機單片機的固件程序設計和上位機的磁場分布測量分析軟件程序設計。

1.3.1 主監控程序

整個系統中各個模塊間存在一定的先后順序且程序模塊數量較少，為了減少系統的程序量，設計過程中系統的監控程序采用了傳統的前后臺方式[2]。整個監控程序主要由磁場測量模塊驅動、液晶顯示驅動、實時時鐘驅動和串口驅動組成。整個系統監控程序流程如圖2所示。系統上電后首先對各個部件進行初始化，初始化后對傳感器模塊進行讀取，將得到的數據上傳至MCU，控制器驅動LCD進行相應的顯示，隨后MCU將對系統鍵盤端口進行掃描，并根據掃描得到的鍵值進行相應的處理，reset鍵為低電平有效，當有鍵按下時，顯示屏上的數據將即刷新一次。HMC5843采用I2C接口與MCU進行數據交換。整個模塊驅動包括了讀取HMC5843數據、處理數據、封裝數據和通過I2C時序發送數據幾個部分。該設計中，采用系統默認的增益設置，即HMC5843的配置寄存器B=0010 0000B，增益為1 300計數/mG，傳感器輸入磁場范圍是±1.0 G。

1.3.2 磁場分布測量分析軟件

通過串口傳輸數據到電腦后，利用LabVIEW軟件編寫上位磁場分布測量分析文件，本程序的核心部分使用VISA對串口進行配置并讀取單片機采集的數據。

計算機需要通過串口發送命令給單片機以讀取數據存儲器中的數據。這部分程序是用LabVIEW來完成的。該軟件專門用于將傳輸過來的數據進行實時監控，得到從當地檢測到的磁場強度值，經過一定的數據處理過程，顯示當前空間磁場強度，并繪制成二維圖形，從而可以不斷監測到連續的磁場強度，在得到二維圖像的同時，添加Office控件，自動生成Excel表格記錄數據，便于存檔和實驗分析，采集到的數據是保存在數據存儲器中的。

2 結果與分析

實際測量了0.2 g趨磁細菌與地磁場的作用效果，首先在不放置趨磁細菌的條件下測量地磁場，后疊加趨磁細菌，磁場強度明顯被抬高，并穩定在一個很小的波動范圍內，撤走趨磁細菌，磁場強度恢復到原狀態。通過實驗確信，趨磁細菌有放大地磁場的能力，對趨磁細菌產生磁場的實時監控在一定程度上可以反映地磁場的微小變化。

3 結 語

這種感應趨磁細菌磁場強度變化的生物磁場強度測定儀，具有占地小、成本低、干擾少的優點，深入探索工作原理及信號處理流程為今后利用趨磁細菌生物特性對地震預測更為復雜研究——生物傳感器，提供了可能。

參考文獻

[1] Honwell. HMC5843芯片手冊.[EB/OL].[2010?04?27].http：//www.honeywell?sensor.com.cn.

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[4] 姜偉，田杰生，李穎，等.趨磁細菌的特點及其納米磁小體的合成條件[J].中國農業科技導報，2007，9（3）：24?31.

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