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无线移动霍尔效应高斯计的设计

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　鲁东大学学报(自然科学版)　LudongUniversityJournal(NaturalScienceEdition)2009,25(4):347—351　

收稿日期:2009204202;修回日期:2009205218

基金项目:鲁东大学校基金项目(L20072801) 作者简介:常新华(1969—),男,山东烟台人。讲师,硕士,研究方向为信号与信息处理、混沌保密通信。E2mail:cxhzfl@163.com。

无线移动霍尔效应高斯计的设计常新华1,赵凤兰2(1.鲁东大学　电子与电气工程学院,山东烟台264025;2.烟台海港医院,山东烟台264002)摘要:应用遥控电动小车和集成线性霍尔芯片及数据采集芯片,根据霍尔效应原理设计了车载无线高斯计磁场测量系统,在PC微机控制下对较远距离磁场进行了遥控测量和数据处理.采用FSK无线收发模块电路对二进制数据流进行调制和解调,实现了小车遥控系统、高斯计测量系统与PC微机之间串行异步数据的无线传输和命令交互.

关键词:霍尔效应;电动小车;ADuc845;无线传输中图分类号:TP216 文献标志码:A 文章编号:167328020(2009)0420347205

高斯计作为测量空间磁场强度的计量仪表,在电气、通讯等行业中应用广泛.传统的高斯计一般利用霍尔效应传感器将磁场强度转换为霍尔电压,然后经仪表运放电压放大后驱动指针式仪表显示,或者经过模数转换后通过LED数码管或者LCD液晶显示测试数值[1—3].其数据显示形式单一、功能简单,一般不便于在电脑上对测试数据进行处理,由于显示屏固定安装在仪表上,只能近距离观察,因此在应用中有一定的局限性. 本文给出了一种无线移动高斯计磁场测量方案,用户利用微机较远距离观察、控制和处理高斯计测量数据.高斯计测量电路安装在一电脑遥控的电动小车上,小车在电脑控制下智能运动,将高斯计带入指定空间进行测量,并无线发送数据和接收遥控命令,电脑对小车运动加以控制并对测量数据进行处理.该测量系统包括三部分设计内容:1)霍尔高斯计数据采集;2)微机无线控制和数据传输;3)运动小车控制.1　霍尔高斯计测量系统1.1　测量原理 根据霍尔效应原理,霍尔传感器元件将被测磁场强度转变成霍尔电压,以计算磁场强度[4].新型的集成霍尔传感器元件,主要分为三端线性霍尔传感器元件和开关霍尔传感器元件[5].其中

三端线性霍尔传感器元件内部由霍尔元件、差分放大器和射极跟随器组成,其输出电压与加在霍尔元件上的磁感强度B成正比,有很高的灵敏度和优良的线性度,适用于各种磁场检测.本文高斯计测量电路即采用了霍尔线性传感器CS49E

[6]

,

其磁电转换特性参数如下:V

cc=5V,TA=25℃时,

电源电流小于8mA,静态输出电压2.5±0.1V,灵敏度15—20mV/mT,输出上限电压≥4.2V,输出下限电压≤1V.CS49E的磁电转换特性曲线如图1,在-1000—1000Gs磁场区间内,传感器输出电压V与工作磁场B成正比.

图1　霍尔线性传感器CS49E磁电转换特性曲线[6]1.2　霍尔高斯计测量系统组成 霍尔高斯计测量系统框图如图2,传感器输出的霍尔电压经调理转变为数据采集芯片ADuc845[7]的24位ADC所要求的电压,经模数

转换变为数字信号,数字滤波及平均处理后,数据348　鲁东大学学报(自然科学版)第25卷　图2　霍尔高斯计测量子系统框图送至无线收发模块(与遥控小车系统共享),经无线信道上传至PC微机处理.ADuc845与PC之间双向通信,键盘和液晶显示模块对测量精度进行

校准和系统调试.

1.3　线性霍尔电压调理 霍尔传感器前置电压调理电路如图3.稳压集成电路TL431经可调电阻W1调节输出稳定的5V电压作为CS49E的供电参考电压,第一级TL084运放对电压信号输出隔离,第二三级运放将CS49E输出的0—5V电压信号调理到0—215V之间,作为数据采集芯片ADuc845的AD输入信号.

图3　线性霍尔传感器调理电路 调理电路在正式工作前要进行调零和确定放大倍数,分以下几步完成:(1)将第一级运放3脚正相端接地,调节W5使第二级运放输出端7脚电平为0,然后调节W4使第三级运放8脚输出电压为0;(2)将第一级运放3脚正相端接TL431输出的5V参考电压,调节W2和W3使第三级运放8脚输出电压略小于2.5V;(3)W2和W3不动,重复第一步操作,重新调零;(4)将第一级运放3脚正相端重新接TL431输出的5V参考电压,然后测量8脚输出电压Vout,如果Vout大于2.5V,则需要重复(2)—(4)操作,直到Vout输出小于等于2.5V,记录该Vout电压;(5)计算调理电路的电压增益Z(Z=Vout/5),把该值作为常数固化在采集芯片ADuc845的程序中使用,测试时根据该值和模数转换得到的数据D,可以计算出对应D的CS49E输出霍尔电压U,若D对应的模拟电压为V,则U=V/Z.1.4　ADuc845硬件连接电路 ADuc845是美国模拟器件公司生产的高性能数据采集芯片[7—8],24位的∑-Δ型ADC使用数字滤波,可实现宽动态范围的低频信号测量,芯片本身构成了一个内嵌51MCU的高性能数据采集系统,可方便地构成各种高精度仪表系统. Aduc845硬件电路连接框图如图4,24位ADC可对8路模拟信号进行AD转换,所以将传感器调理输出电压接P1.7引脚,选择第8路ADC输入.软件启动ADC时,选择“主ADC”使能、斩波、连续转换、缓冲、单极性、0—2.56V输入电压模式(ADC的参考电压2.5V),每次转换结束通过中断方式处理转换数据.Aduc845同时利用CH451串行键盘模块电路接收键盘输入,并通过TBG128064F9X串行液晶模块输出,用来进行软件调试和故障诊断.

图4　ADuc845单片机硬件电路框图2　微机无线控制和数据传输

2.1　无线发射接收模块 无线发射和接收模块电路图如图5,采用STC12LE2052单片机控制专用ISM(Industrial　第4期常新华,等:无线移动霍尔效应高斯计的设计349　ScientificMedical)BAND波段FSK无线收发模块RFM12[9],主频915MHz.单片机通过串口RXD,TXD引脚与需要传输数字信息的主机(即高斯测量采集芯片Aduc845或小车控制单片机)异步通信,对串口接收的二进制数据流简单的通过无线收发模块RFM12调制发送出去,同时将无线模块收到的二进制数据流进行解调,并从串口送入与之相连的主机.STC12LE2052单片机串口通信模式:波特率19200bps,8位数据位,1位停止位,无奇偶校验.

图5　无线发射接收模块电路图2.2　无线通信框图和通信电平转换 ADuc845磁场测量系统、小车运动系统与PC机的异步232通信原理框图如图6.其中Aduc845串口通信电平5V,而小车系统和发射接收模块的串口通信电平均为3.3V,三者不能简单并联,需要电平转换.电平转换电路如图7所示,其中PC微机通过USB转串口芯片CH341接收和发送串行数据,两侧的无线收发模块电路一样.图6　无线通信系统原理框图图7　5V转3.3V和3.3V转5V电路图2.3　高斯计测量系统与PC无线通信 ADuc845数据采集后,一方面通过液晶模块显示,一方面通过232串口发送至无线调制解调模块(该模块同时负责转发小车运动系统数据流),经无线传输至PC侧无线收发模块,再经USB转串口模块,最后通过USB口送PC处理.由于与小车系统共享无线信道,发送的同时要通过IO口向小车系统发送串行信道占用信号(将图6中的控制线1置高电平即可,发送结束后置低电平),以免与小车无线传输发生数据冲突.同时PC

机也可控制高斯计的测量工作,PC发送命令帧到ADuc845,ADuc845执行命令成功后返回确认命令帧,PC机如在100毫秒之内没有收到确认命令帧将重新发送命令.ADuc845在接收到测量命令后,启动AD连续转换,并发送确认帧,每当转换结束后,取平均值发送至PC.

双方异步通信协议如下:

1)波特率:19200bps,8位数据位,无奇偶校验位,1位停止位.

2)数据帧格式:帧头(2字节)+接收方地址(1字节)+发送方地址(1字节)+帧长(1字节)+命令字(1字节)+数据域(N字节)+校验和(1字节).

帧头———由2个特殊的字节0x55,0xAA构成;350　鲁东大学学报(自然科学版)第25卷　 接收方地址———PC机地址0xFE. 发送方地址———ADuc845地址0x02. 帧长———从命令开始到数据域结束的字节数 校验和———数据帧中从命令开始到数据域结束所有字节的算术和,取最低字节的反码. 3)ADuc845主机发送测量数据到PC机的数据帧:0x55+0xAA+PC地址(0xFE)+845主机地址(0x02)+帧长+帧命令字(0x03)+float型测量数据的最低字节+float型数据的次低字节+float型数据的次高字节+float型数据的最高字节+校验和字节. 4)PC机发送给ADuc845的命令帧:0x55+0xAA+0x02(Aduc845地址)+PC地址(0xFE)+帧长(0x01)+帧命令字+校验和字节. 5)ADuc845回送PC命令执行完毕确认帧:0x55+0xAA+PC地址(0xFE)+0x02(ADuc845地址)+帧长(0x02)+刚执行完毕的PC命令字节+执行状态(0表示执行不成功,1表示成功)+校验和字节.3　电动小车运动系统控制 电动小车采用双电机左右轮直流电机驱动,为了测量小车的行进速度和位移,左右轮上安装了圆形码盘,轮和码盘同步转动,在码盘凹槽边沿安装有凹槽光电传感器,转动时向小车控制单片机STC12LE5412AD发出中断信号,根据中断次数可计算小车的移动距离和转速.小车运动时,不断向PC电脑传回左右轮的速度和移动位移三个数据,上位机PC对传回的小车数据和高斯测量数据进行分析处理并加以显示、存储和转发.PC机通过PC键盘控制小车左右轮的转速、方向和移动距离等. 小车与高斯计测量系统共享同一异步传输通道,二者与上位机PC的通信模式和数据帧格式完全一样.每次发送前,小车系统先判断高斯测量系统是否有数据发送(图6中的控制线1为高,说明有数据发送),若发送信道正在传输高斯测量数据则不断查询等待,在确认发送信道空闲时(控制线1为低),将数据包送串口发送,同时置控制线2为高,以向Aduc845测量系统发送信道占用信号,发送结束后将控制线2置低,撤消信道占用指示信号. 小车接收PC数据和命令时采用中断方式,不断监听串口数据流中是否有PC发送给小车的有效命令帧,忽略收到的发给高斯测量系统的命令帧,当遇到有效的命令帧后,执行相应的控制命令,然后向PC发送确认帧.

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霍尔效应实验报告(共8篇)

霍尔效应实验报告(共8篇)

篇一：霍尔效应实验报告大学本(专)科实验报告课程名称：姓名：学院：系：专业：年级：学号：指导教师：成绩：年月日（实验报告目录）实验名称一、实验目的和要求二、实验原理三、主要实验仪器四、实验内容及实验数据记录五、实验数据处理与分析六、质疑、建议霍尔效应实验一．实验目的和要求：1、了解霍尔效应原理及测量霍尔元件有关参数.2、测绘霍尔元件的vh?is，vh?im曲线了解霍尔电势差vh与霍尔元件控制（工作）电流is、励磁电流im之间的关系。

3、学习利用霍尔效应测量磁感应强度b及磁场分布。

4、判断霍尔元件载流子的类型，并计算其浓度和迁移率。

5、学习用“对称交换测量法”消除负效应产生的系统误差。

二．实验原理：1、霍尔效应霍尔效应是导电材料中的电流与磁场相互作用而产生电动势的效应，从本质上讲，霍尔效应是运动的带电粒子在磁场中受洛仑兹力的作用而引起的偏转。

当带电粒子（电子或空穴）被约束在固体材料中，这种偏转就导致在垂直电流和磁场的方向上产生正负电荷在不同侧的聚积，从而形成附加的横向电场。

如右图（1）所示，磁场b位于z的正向，与之垂直的半导体薄片上沿x正向通以电流is（称为控制电流或工作电流），假设载流子为电子（n型半导体材料），它沿着与电流is相反的x负向运动。

由于洛伦兹力fl的作用，电子即向图中虚线箭头所指的位于y轴负方向的b侧偏转，并使b侧形成电子积累，而相对的a侧形成正电荷积累。

与此同时运动的电子还受到由于两种积累的异种电荷形成的反向电场力fe的作用。

随着电荷积累量的增加，fe增大，当两力大小相等（方向相反）时，fl=-fe，则电子积累便达到动态平衡。

这时在a、b两端面之间建立的电场称为霍尔电场eh，相应的电势差称为霍尔电压vh。

设电子按均一速度向图示的x负方向运动，在磁场b作用下，所受洛伦兹力为fl=-eb式中e为电子电量，为电子漂移平均速度，b为磁感应强度。

同时，电场作用于电子的力为 fe??eeh??evh/l 式中eh为霍尔电场强度，vh为霍尔电压，l为霍尔元件宽度当达到动态平衡时，fl??fe ?vh/l （1）设霍尔元件宽度为l，厚度为d，载流子浓度为n，则霍尔元件的控制（工作）电流为 is?ne （2）由（1），（2）两式可得 vh?ehl?ib1isbrhs （3）nedd即霍尔电压vh（a、b间电压）与is、b的乘积成正比，与霍尔元件的厚度成反比，比例系数rh?1称为霍尔系数，它是反映材料霍尔效应强弱的重要参数，根据材料的电导ne率σ=neμ的关系，还可以得到：rh??/ （4）式中?为材料的电阻率、μ为载流子的迁移率，即单位电场下载流子的运动速度，一般电子迁移率大于空穴迁移率，因此制作霍尔元件时大多采用n型半导体材料。

霍尔效应实验和霍尔法测量磁场

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DH-MF-SJ 组合式磁场综合实验仪使用说明书一、概述DH-MF-SJ组合式磁场综合实验仪用于研究霍尔效应产生的原理及其测量方法，通过施加磁场 , 可以测出霍尔电压并计算它的灵敏度，以及可以通过测得的灵敏度来计算线圈附近各点的磁场。

二、主要技术性能1、环境适应性：工作温度10 ～ 35℃；相对湿度 25 ～ 75%。

2、通用磁学测试仪2.1可调电压源： 0～15.00V、 10mA；2.2可调恒流源： 0～5.000mA 和 0～9.999mA可变量程，为霍尔器件提供工作电流，对于此实验系统默认为0-5.000mA 恒流源功能；2.3电压源和电流源通过电子开关选择设置，实现单独的电压源和电流源功能；2.4电流电压调节均采用数字编码开关；2.5数字电压表： 200mV、2V 和 20V 三档，4 位半数显，自动量程转换。

3、通用直流电源3.1 直流电源，电压0～30.00V 可调；电流 0～1.000A 可调；3.2 电流电压准确度： 0.5%±2 个字；3.3 电压粗调和细调，电流粗调和细调均采用数字编码开关。

4、测试架4.1底板尺寸： 780*160mm；4.2载物台尺寸： 320*150mm，用于放置螺线管和双线圈测试样品；4.3螺线管：线圈匝数 1800 匝左右 , 有效长度 181mm，等效半径 21mm；4.4双线圈：线圈匝数1400 匝( 单个 ) ，有效直径 72mm，二线圈中心间距 52mm；下表为电流与磁感应强度对应表( 双个线圈通电 ) ：电流值（ A）0.10.20.30.40.5中心磁感应强度（ mT） 2.25 4.50 6.759.0011.254.5移动导轨机构：水平方向 0～60cm可调；垂直方向 0～36cm可调，最小分辨率 1mm；5、供电电源： AC 220V± 10%，总功耗： 60VA。

三、仪器构成及使用说明DH-MF-SJ组合式磁场综合实验仪由实验测试台、双线圈、螺线管、通用磁学测试仪、通用直流电源以及测试线等组成。

霍尔效应测磁场实验报告(共7篇)

霍尔效应测磁场实验报告(共7篇)

篇一：霍尔元件测磁场实验报告用霍尔元件测磁场前言：霍耳效应是德国物理学家霍耳（a.h.hall 1855—1938）于1879年在他的导师罗兰指导下发现的。

由于这种效应对一般的材料来讲很不明显，因而长期未得到实际应用。

六十年代以来，随着半导体工艺和材料的发展，这一效应才在科学实验和工程技术中得到了广泛应用。

利用半导体材料制成的霍耳元件，特别是测量元件，广泛应用于工业自动化和电子技术等方面。

由于霍耳元件的面积可以做得很小，所以可用它测量某点或缝隙中的磁场。

此外，还可以利用这一效应来测量半导体中的载流子浓度及判别半导体的类型等。

近年来霍耳效应得到了重要发展，冯﹒克利青在极强磁场和极低温度下观察到了量子霍耳效应，它的应用大大提高了有关基本常数测量的准确性。

在工业生产要求自动检测和控制的今天，作为敏感元件之一的霍耳器件，会有更广阔的应用前景。

了解这一富有实用性的实验，对今后的工作将大有益处。

教学目的：1. 了解霍尔效应产生的机理，掌握测试霍尔器件的工作特性。

2. 掌握用霍尔元件测量磁场的原理和方法。

3. 学习用霍尔器件测绘长直螺线管的轴向磁场分布。

教学重难点： 1. 霍尔效应2. 霍尔片载流子类型判定。

实验原理如右图所示，把一长方形半导体薄片放入磁场中，其平面与磁场垂直，薄片的四个侧面分别引出两对电极（m、n和p、s），径电极m、n 通以直流电流ih，则在p、s极所在侧面产生电势差，这一现象称为霍尔效应。

这电势差叫做霍尔电势差，这样的小薄片就是霍尔片。

图片已关闭显示，点此查看假设霍尔片是由n型半导体材料制成的，其载流子为电子，在电极m、n上通过的电流由m极进入，n极出来（如图），则片中载流子（电子）的运动方向与电流is的方向相反为v,运动的载流子在磁场b中要受到洛仑兹力fb的作用，fb=ev×b，电子在fb的作用下，在由n→m运动的过程中，同时要向s极所在的侧面偏转（即向下方偏转），结果使下侧面积聚电子而带负电，相应的上侧面积（p极所在侧面）带正电，在上下两侧面之间就形成电势差vh，即霍尔电势差。

霍尔式高精度电流采集电路的设计

霍尔式高精度电流采集电路的设计

霍尔式高精度电流采集电路的设计作者：王雅荟冯浩孙旭升来源：《中国新通信》2021年第06期【摘要】国产飞机采用涡轮螺旋桨发动机作为动力源，将螺旋桨旋转时输出轴的功率转化位为推动力，使飞机前进。

一旦润滑油缺失，将会导致润滑失效。

故瞬桨泵和引射活门电磁阀的控制以及电流采集、过流保护功能对于动力控制系统的安全性影响巨大。

【关键词】霍尔效应电流采集功率负载一、霍尔式传感器的工作原理与特性磁场恒定，在一定环境温度下，控制电流I与霍尔输出电势UH之间呈线性关系，直线的斜率称为控制电流敏感度。

霍尔元件的灵敏度系数越大，其控制电流敏感度也越大。

二、整体架构由于功率负载（瞬桨泵和引射活门电磁阀），接地时稳态电流1A，接通瞬间电流7.5A、10ms。

通过处理器的GPIO 引脚输出控制信号，经过缓冲器后控制N沟道场效应管输出2路1A 的离散量信号，输出信号通过HI芯片1进行回采，由处理器的GPIO进行读取并监控，实现BIT 检测。

2.1 MCU选用选用ST公司的STM32F7系列处理器，借助ART Accelerator™技术和L1缓冲器，可以实现1082 CoreMark/462 DMIPS。

该处理器性能指标如下：ARM 32-bit Cortex™-M7 架构，支持双精度浮点运算，内核最大工作频率216MHz;512K×16 Bits SRAM ，2018K×16 Bits Flash;灵活的外部存储器接口，支持32 位数据总线;最多支持4 路I2C，4 路UART，6 路SPI，3 路CAN 及SDIO 等多种外部总线;内部集成上电引导，便于软件加载;集成24 通道的12 位2.4 MSPS A/D 转换器;集成2 路12 位D/A;集成通用DMA控制器，支持加速模式并自带FIFO;片上集成6 通道的PWM单元;最大支持168 个I/O，兼容5V 接口电压;系统自带18 个定时器;支持JTAG 调试接口;内部可配置独立看门狗和窗口看门狗，在CPU 软件出现故障或者运行时钟异常时执行复位或中断程序。