智能型霍爾效應實驗儀及無線聯網系統

王學水，周玉潔，張冉冉

(山東科技大學 電子通信與物理學院，山東 青島 266590)

霍爾效應作為一種磁電效應，被廣泛應用于工業自動化及智能電子技術等領域. 因此，霍爾效應實驗是各大高校理工科專業大學物理實驗中必不可少的實驗[1]. 通過實驗能夠驗證霍爾電壓與勵磁電流以及霍爾電壓與工作電流的線性關系. 傳統的霍爾效應實驗儀不能及時保存數據，教師也不清楚學生課上的實驗情況. 與現有的其他霍爾效應實驗儀相比，智能型霍爾效應實驗儀將傳統霍爾效應實驗儀與先進的計算機技術相結合，對實驗數據進行了實時采集、記錄、分析和顯示，并對實驗測試數據無線遠傳和數據管理，不僅提高了實驗效率及實驗精確度，教師對學生掌握實驗的情況也有了充分的了解，拓展了學生探究性學習的同時，也督促了學生認真實驗，提高了實驗課的質量[2].

1 系統框架及工作原理

系統由1臺上位機和多臺智能型霍爾效應實驗儀構成，智能型霍爾效應實驗儀用于學生實驗. 每臺智能型霍爾效應實驗儀都有唯一的機器編號用于區分不同的設備和實驗組別. 上位機用于管理學生的實驗數據. 上位機和智能型霍爾效應實驗儀通過無線建立連接，實現二者的通信，儀器架構如圖1所示.

上位機是由1臺微型計算機和1個USB串口轉無線模塊構成. 智能型霍爾效應實驗儀是由單片機、觸摸屏、模數轉換芯片、無線模塊、電流源、放大器、霍爾元件等構成的嵌入式系統[3]. 智能型霍爾效應實驗儀的硬件原理圖如圖2所示.

圖1 智能型霍爾效應實驗儀系統架構圖

圖2 智能型霍爾效應實驗儀的硬件原理框圖

電磁線圈的作用是將恒定電流轉化為恒定磁場. 勵磁電流恒流源的作用是給電磁線圈提供恒定電流，電流大小由勵磁電流恒流源自帶的電位器來調節，其供電來源是電源模塊產生的36 V獨立電源. ADC1完成對勵磁電流恒流源的電流進行采樣.

工作電流恒流源的作用是為霍爾元件提供恒定電流，電流大小由工作電流恒流源自帶的電位器來調節，其供電來源是電源模塊產生的12 V獨立電源. ADC2完成對工作電流恒流源的電流進行采樣.

霍爾元件在恒定磁場和恒定電流的共同作用下會產生恒定霍爾電壓，由于產生的霍爾電壓較小，不利于直接測量，因此使用電壓放大器對其進行放大后再測量. 利用電源模塊產生的12 V獨立電源對電壓放大器進行供電. ADC3通過直接耦合的方式與電壓放大器的輸出端相連.

STC15W4K48S4單片機是整個測量終端的控制核心，協調各個模塊之間的工作. 通過3路串口分別與無線模塊、光耦模塊以及觸摸屏相連. 通過I2C接口與ADC1、ADC2以及ADC3相連. STC15W4K48S4單片機與ADC1，ADC2，ADC3以及無線模塊和觸摸屏共用一路電源，供電來源是電源模塊產生的5 V獨立電源.

無線模塊的作用是實現智能型霍爾效應實驗儀與上位機之間的通信. 觸摸屏的作用是顯示和輸入，在實驗過程中，由觸摸屏顯示實驗數據和實驗狀態，并接收學生輸入的指令.

2 系統電路設計

2.1 勵磁電流恒流源

勵磁電流恒流源的作用是給電磁線圈提供恒定電流，在恒流源輸出0～1 A的情況下，勵磁線圈產生的磁感應強度滿足實驗中霍爾元件對外磁場的要求. 電流大小可通過電位器RP28來調節，且該恒流源輸出的電流大小可測. 勵磁電流恒流源電路如圖3所示.

圖3 勵磁電流恒流源電路原理圖

2.2 工作電流恒流源

工作電流恒流源的作用是給霍爾元件提供恒定電流，實驗中的霍爾元件要求工作電流在0～10 mA，電流大小可通過電位器RP32來調節，且該恒流源輸出的電流大小可測. 工作電流恒流源電路如圖4所示.

圖4 工作電流恒流源電路原理圖

2.3 放大器設計

放大器的作用是將微小霍爾電壓進行放大. 經實測在實驗儀額定工作電流和勵磁電流情況下，霍爾電壓最大只有11 mV，需要將霍爾電壓放大10倍之后再利用ADC模塊內部的增益為×8放大器再進行放大. 霍爾電壓放大電路如圖5所示.

圖5 放大電路原理圖

由圖5可知，霍爾元件電壓輸出一端直接與運放的同相輸入端相連，另一端經過R30與運放的反向輸入端相連. 放大后的電壓信號從A和B兩點輸出.R23和R31是偏置電阻，A點的電位由R23和R31分壓獲得. 圖中R23和R31兩電阻的阻值都是5.1 kΩ，故可得A點電位為6 V. 計算可得UB-UA的值約為10UH.

運算放大器采用OP07芯片，該芯片是高精度單片運算放大器，具有很低的輸入失調電壓和漂移，適合作前級放大器，放大微弱信號. RP20為滑動變阻器，其作用是在當放大器輸入端短路時，調節其大小使輸出為0，達到調零的目的.

2.4 模數轉換電路

因霍爾電壓有正負之分，而單片機內部的ADC不能測量負電壓，因此選用外部ADC對霍爾電壓、勵磁電流和工作電流進行測量轉換. 轉換電路如圖6所示.

圖6 模數轉換電路原理圖

ADC1,ADC2及ADC3采用同款模數轉換芯片(型號為MCP3421)，該芯片是單通道低噪聲、高精度、差分輸入A/D轉換器，分辨率高達18位，具有片內可編程增益放大器，在轉換之前可以選擇增益為×1,×2,×4或×8. 此實驗儀采用增益為×8的放大器將放大10倍后的霍爾電壓再進行放大. 該器件使用2線I2C兼容串行接口，并采用2.7 V至5.5 V單電源供電. 片上精密2.048 V參考電壓使得差分輸入電壓范圍為±2.048 V，滿足測量正負霍爾電壓的需求.

2.5 無線模塊

智能型霍爾效應實驗儀用于教學實驗中，因此無需傳輸距離太遠的無線模塊. 在智能型霍爾效應實驗儀中使用了LC12S無線模塊，該無線模塊的最遠傳輸距離為120 m，比較適合在教學實驗中應用.

LC12S無線模塊應用非常簡單，如圖7所示. 該無線模塊的電源使用5 V電源，RXD引腳與STC15W4K48S4單片機的第22引腳相連，TXD引腳與STC15W4K48S4單片機的第21引腳相連進行通信.

圖7 LC12S應用電路圖

3 系統的軟件設計

智能型霍爾效應實驗儀軟件設計采用C語言，運行在單片機平臺上. 智能型霍爾效應實驗儀軟件設計主要依據學生做實驗的實驗流程，實現以下功能：學號顯示、測量進度提示、測量數據的保存、測量數據的查看、測量數據的修改、測量數據的提交、提交成敗反饋.

1)學號顯示功能用于在學生開始做實驗之前提醒學生該使用哪臺機器做實驗.

2)測量進度提示功能用于顯示學生做實驗的進度. 實心矩形代表已完成且保存過的實驗，虛心矩形代表未完成或未保存的實驗.

3)測量數據的保存、查看、修改、提交是具體的實驗內容，學生按照實驗要求和實驗步驟將實驗數據保存到智能型霍爾效應實驗儀中，最后將保存好的實驗數據提交到教師使用的上位機中. 在實驗過程中，學生可以通過查看數據和修改數據對實驗過程中出現的錯誤進行修正.

4)提交成敗反饋功能用于提示學生的實驗數據是否成功傳送到教師的上位機中.

5)根據軟件所實現的功能，將軟件劃分為6個子模塊，分別是系統模塊、數據庫模塊、觸摸屏模塊、測量模塊、通信模塊、業務邏輯模塊.

4 系統測試及數據處理

打開實驗儀的電源開關，觸摸屏點亮，在界面上會顯示學生的學號以及“開始”按鈕，當點擊“開始”按鈕后，實驗正式開始，顯示屏界面會變為如圖8所示.

在該界面下引導學生做實驗. 當提交成功之后，教師使用的上位機上會顯示該智能型霍爾效應實驗儀的數據已經提交.

該實驗需分別得到霍爾電壓UH與工作電流IS的關系及霍爾電壓UH與勵磁電流IM的關系.

保持勵磁電流IM=700 mA不變，改變工作電流IS=1.00,1.20,…,2.00 mA，并根據觸摸屏界面上的順序，分別改變B和IS的方向，測出相應的霍爾電壓UH. 數據測量如表1所示.

保持工作電流IS=2.00 mA不變，改變勵磁電流IM=200,300,…,700 mA，并根據觸摸屏界面上的順序，分別改變B和IS的方向，測出相應的霍爾電壓UH. 數據測量如表2所示.

圖8 實驗開始觸摸屏界面

表1 IM=700 mA，改變IS測量數據

表2 IS=2.00 mA,改變IM測量數據

利用繪圖插件提供的庫函數對數據進行處理，將數據轉化成圖像，UH-IS和UH-IM如圖9和圖10所示.

圖9 UH-IS曲線

圖10 UH-IM曲線

5 結束語

智能型霍爾效應實驗儀及無線聯網系統設計是基于現在國內普通高校使用的傳統霍爾效應實驗儀的缺點及不足的前提下提出的. 傳統霍爾效應實驗儀不能使教師及時了解學生實驗的情況，將傳統霍爾效應實驗儀與計算機結合，研制了可以將實驗數據進行保存、查看及無線傳輸的智能型霍爾效應實驗儀. 設計重點關注實用性、教師的便捷性以及學生的創新性，教師能夠及時清楚學生實驗狀態，學生能夠更好的了解實驗原理，提升了大學物理實驗課的質量.