系統介紹

系統可以分為3個(gè)部分。第一部分是信號源，由霍爾傳感器產(chǎn)生電壓信號，信號通過(guò)差分放大，濾波得到較清晰的信號；第二部分是信號經(jīng)過(guò)A／D轉換送入單片機進(jìn)行處理，再通過(guò)串行通信送入PC機處理得到結果；第三部分是數據的顯示，這部分是通過(guò)VB的繪圖程序來(lái)完成，顯示結果以v-x關(guān)系圖來(lái)顯示。系統總流程如圖1所示。

 
圖1：系統總流程

硬件設計及實(shí)現

霍爾傳感器

霍爾傳感器是利用霍爾效應實(shí)現磁電轉換的一種傳感器。它具有靈敏度高，應用廣泛的特點(diǎn)。其工作原理如圖2所示：一塊半導體薄片，其長(cháng)度為L(cháng)，寬度為B，厚度為D，置于磁感應強度為B的磁場(chǎng)中，在相對的兩邊通以控制電流I，且磁場(chǎng)方向與電流方向正交，則在半導體的兩邊將產(chǎn)生一個(gè)與控制電流和磁感應強度乘積成正比的電勢U，該電勢即為霍爾電壓，用UH表示，即UH=KHIB，其中KH為霍爾元件的靈敏度，半導體薄片就是霍爾元件。

 
圖2：霍爾效應工作原理

應強度為O，在縫隙間沿z軸形成一個(gè)均勻梯度的磁場(chǎng)dB／dx=K(K為常數)。B=0處作為位移x的參考原點(diǎn)，則x=O時(shí)，B=O，UH=O。當它們中間的霍爾元件移動(dòng)到x處時(shí)，UH大小由x處的B決定。由公式UH=KHIB可知：保持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。磁場(chǎng)梯度越大，靈敏度越高，磁場(chǎng)變化越均勻，UH和x的線(xiàn)性越好。

本系統中的第一部分由圖3中的霍爾傳感器裝置提供，由霍爾元件(A44E)、差分放大器和濾波器組成。其輸出電壓與霍爾元件位移成比例，具有較高靈敏度，能夠產(chǎn)生出符合要求的電壓信號。

 
圖3：傳感器信號發(fā)生裝置

模／數轉換原理

該系統中的單片機是使用Atmel公司的AT89C51微控制器，與MCS一51單片機產(chǎn)品兼容，具有4 KB閃爍可編程可擦除只讀存儲器、1 000次擦寫(xiě)周期、32個(gè)可編程I／O口線(xiàn)、2個(gè)16位定時(shí)器／計數器、5個(gè)中斷源、UART串行通道等特點(diǎn)。在設計中主要用它來(lái)控制傳感器信號發(fā)生裝置輸出的模擬信號轉換成數字信號，進(jìn)行數據采集和顯示以及串行通信。

經(jīng)過(guò)與標準量比較處理后的模擬量轉化成以二進(jìn)制數值表示的離散信號的轉換器，簡(jiǎn)稱(chēng)A／D轉換器．轉換器的輸入量一般為直流電流或電壓，輸出量為二進(jìn)制數碼的數字量。該設計中使用ADC0809轉換器。過(guò)程如下：首先它可以將其看成由一個(gè)8位A／D轉換器和一個(gè)8通道模擬多路開(kāi)關(guān)組合而成，INO～IN7分別對應8路模擬量輸人，由引腳ADDA，ADDB和ADDC決定具體是哪一條模擬量來(lái)進(jìn)行轉化。在引腳START和ALE上加1個(gè)正脈沖后，通道選擇碼立即鎖定并同時(shí)ADC轉換啟動(dòng)。轉換開(kāi)始后OE引腳加1個(gè)正脈沖，將輸出緩沖器的三態(tài)門(mén)打開(kāi)，使轉換后的數字量能夠傳送至數據總線(xiàn)。

數據采集和顯示

放大處理后的電壓信號，雖然在幅值上達到了可以處理的范圍，但模／數電壓轉換的范圍是0～5 V，而傳感器輸出的電壓存在負值，為了使電壓匹配，信號電壓在接人模／數轉換器前可以加一級加法電路，將電壓信號全部轉換為正值。放大電路、濾波電路和加法電路均使用LM324實(shí)現，硬件電路如圖4所示。

 
圖4：硬件電路圖

數據顯示電路分為數碼管顯示電路和PC機顯示 部分。數碼管顯示用于單片機上，單片機分別通過(guò)段顯 碼和位顯碼對數碼管上顯示的數據進(jìn)行控制。段顯碼 控制顯示的數據內容，位顯碼則控制數碼管亮或滅。段 顯碼是單片機通過(guò)可編程通用并行接口8155逐位傳到 8位移位寄存器74LSl64中去，再由它將串行傳輸數據 變?yōu)椴⑿袛祿鹘o數碼管顯示。而位顯碼是單片機 通過(guò)8155一次性送到數據鎖存器74L$244中鎖存，再 去驅動(dòng)數碼管并控制其亮或滅。

串行通信

該設計中采用異步串行通信的方式。而AT89C51 單片機的串行口，當工作于方式1，2和3時(shí)，UART(通用異步接收和發(fā)送)可以實(shí)現單片機系統與PC機之間的串行通信。PC機串行通信主要是通過(guò)串行口芯片8251實(shí)現的。8251有10個(gè)寄存器，端口地址從3F8H～3FEH(c0M1)，可以通過(guò)對8251編程來(lái)指定通信協(xié)議即通信的波特率、數據位數、奇偶類(lèi)型和停止位長(cháng)度。另外由于Pc機串口的電平是RS 232電平，不與單片機串口的TTL電平兼容，因此需要在它們之間進(jìn)行電平轉換。傳統的方法是使用MCl488將TTL電平轉換成RS 232電平，用MCl488實(shí)現反向轉換，由于MCl488需要±12 V電壓，使用中非常不便，故該設計采用MAXIM公司的產(chǎn)品片MAX232來(lái)實(shí)現，由單+5 V的電壓供電，既可實(shí)現TTL到RS 232的電平轉換，也可實(shí)現RS 232到TTL電平的轉換，使用十分方便，具體的線(xiàn)路如圖5所示。

 
圖5：PC機與單片機通訊接口連接圖

軟件實(shí)現部分

單片機部分

AT89C51系列單片機的串行口可工作于4種不同的方式。在該程序中，單片機串行口工作設定為方式1，即數據經(jīng)TxD端發(fā)送，RxD端接收，波特率2 400 b／s，10位構成一幀，l位起始位，8位數據位，1位停止位，初值0F3H，SMOD=1。

由于單片機多應用于實(shí)時(shí)性較強的控制場(chǎng)合，為了盡量少占用CPU的時(shí)間，充分發(fā)揮CPU的功能。該系統在單片機程序設計中采用中斷方式與PC機進(jìn)行通信。主程序只進(jìn)行串行通信、數碼管實(shí)時(shí)顯示、模／數轉換結果的初始化和循環(huán)等待串行中斷工作，當接收到PC機發(fā)來(lái)的信號時(shí)，就轉人中斷服務(wù)程序，進(jìn)行A／D轉換，并向Pc機發(fā)送數據。中斷服務(wù)子程序流程圖如圖6所示。

 
圖6：?jiǎn)纹瑱C中斷服務(wù)子程序

從圖7中PC機界面顯示位移一電壓坐標圖，表1記錄的數據以及圖8在示波器上顯示的霍爾線(xiàn)性電路理想電壓一位移曲線(xiàn)圖相比較，可以發(fā)現由于傳感器實(shí)驗臺受外界干擾等原因使得輸出信號輸出誤差在所難免，而且沒(méi)有電平轉換，使得VB繪圖中得到的數值存在負值；但是可以在圖中看到傳感器輸出的電壓值在正負之間有明顯的對稱(chēng)性，與要求輸出的理想輸出信號波形相符合，證明本系統運行良好，設計的非常成功。

 
圖7:PC機界面顯示的位移-電壓圖

 
圖8：霍爾線(xiàn)性電路理想電壓-位移圖

結 語(yǔ)

對于目前廣泛應用的WindOWs環(huán)境下實(shí)現PC機與單片機之間的通信問(wèn)題具有重要的參考價(jià)值。