霍尔磁场检测仪
摘 要：该文介绍的是设计制作的霍尔环境磁场检测仪的原理、硬件选择、程序设计思路及相关讨论。该仪器可用于实现对环境磁场的实时监测，在LCD显示屏上显示所测峰值、平均值等，并实现过阈值报警的功能，体积小、便于携带、测量方便。
关键词：磁场辐射 数值保持 过阈值报警 检测仪
中图分类号：TM936 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2017）01（c）-0029-02
磁场测量仪作为一种在数字、科研、物理实验中广泛使用的仪器，主要测量方法有超导法、霍尔效应法、磁通门法、感应线图法等。现有技术公开了多种磁场检测仪，但是传统的磁场检测仪结构均较为庞大，分析比较繁琐，不适合普通环境的磁场检测。
随着科学的进步与发展，磁场检测以及磁场对人的影响已经受到人们越来越多的关注与研究。对于在低频磁场的居民曝露程度，世界各国的差异都不太大。在美国，居民家中的几何平均磁场约为0.055～0.11μT，在欧洲约为0.025～0.7μT。而普通家庭的环境电场的平均值一般为每米几百伏特。在一些用电设施附近，瞬時磁场值可为几百微特斯拉。电力线附近的磁场差不多为20μT，电场约为几千伏每米。研究表明，人体长期暴露在较高磁场中会引起一系列的症状，干扰人体的正常代谢和生长发育。所以，磁场检测仪在作为科研工具同时，也应为人类生活服务。当人体身处较高磁场环境下，磁场检测仪完成过阈值报警的功能，因此，设计此仪器的测量范围为0～200μT。
1 霍尔磁场检测仪原理
整个系统采用5 V直流电源供电，由霍尔传感器探头检测到的磁场信号首先通过滤波网络，送至放大电路，放大电路模块采用低功耗运算放大器AD620，AD620是根据三运放改进的一种单片仪表放大器，具有高共模抑制比和高线性度等特点。将放大的模拟信号输出至A/D转换模块中，再将转换后的数字信号送到单片机模块中进行集中统一处理，最后以数字信号的形式在LCD显示屏上进行显示，并具有数值保持，峰值显示，平均值计算等功能。若显示数值超过所设阈值，实现报警功能：蜂鸣器响起，报警指示灯点亮。（如图1）
霍尔磁场传感器选用线性度很高的SS495A1芯片，信号输出端与运算放大器的负端相连，放大器正向输入端设置电位器，用以零位调整，使测量更加准确，需要说明的是，AD620芯片需要+5 V和-5 V电压进行供电，所以在电路中使用7 660芯片，为AD620提供-5 V电压；然后将放大后的模拟信号送入A/D转换芯片ADC0809的输入端Vin（如图2）；再将模数转换器的输出信号送入单片机芯片AT89C51的P1口，利用P0口与LCD显示屏W1602A的数据输入端的连接实现数据传输。键盘按钮设置在：单片机的RESET端口，此按键用以控制单片机的正常复位并重新进行采集数据；单片机的P25～P27端，用于控制显示器显示数据类型的切换。W1602A是一种字符点阵液晶显示模块，其内部操作数由MPU发送的信号决定，这些信号包括：（1）寄存器选择信号RS；（2）读写信号R/W；（3）数据总线DB0～DB7；（4）MPU或外部并行I/0口的选通信号E。P20～P23口提供W1602A的读写控制。报警模块与单片机的P25相连。报警模块由发光二极管，PNP三极管，蜂鸣器所构成，由P24控制是否发生报警。
2 程序设计
此磁场检测仪系统程序使用并行多任务的设计思想，有效加快了程序的编写进程，且条理清晰。多任务系统分为五个任务。
（1）A/D转换：负责模拟信号量到数字信号量的转换处理。
（2）键盘扫描：负责扫描键盘I/O，设置键盘状态字，通知模式选择进行键盘处理。
（3）模式选择：负责处理键盘的请求，改变系统工作状态。
（4）报警处理：负责数据对比与报警模块的驱动。
（5）显示刷新：负责测量数据的显示与刷新，将数据显示到液晶屏上。
3 该仪器实现功能
根据实际采集情况，设计了三个模式切换按键，分别由AT89C51的P25～27进行控制，完成峰值显示、数据保持、平均值显示的功能。该仪器选用的W1602显示屏具有智能点阵的功能，可以利用它显示采集的数据以及磁场符号单位等。具体操作如以下几点。
（1）打开仪器电源开关，LCD液晶屏上显示“WELCOME”字样，表示检测仪系统正常。
（2）按下开始键，液晶屏上会显示检测到的磁场数值，若没有校零则要进行校零，此时应避免仪器处于较强磁场环境之下，否则该仪器会将当前所测的比较大的信号设置为零点进行处理，会导致最后出现错误显示。而每次测量前的校零操作是因为传感器探头受温度等影响而发生变化，会产生零点漂移。校零操作能有效保证检测的准确性。
（3）校零以后，便可以开始测量。将仪器靠近被测区域，按下开始键，检测仪将以带单位的磁场值实时直观显示测量，如按下保持键，则显示值不会再随环境磁场发生变化。再次按下保持键解除保持状态，正常采集数据。按下平均值按键，则由单片机模块进行数据平均值处理并进行显示。
（4）按下复位键，便开始新的一次检测，检测方法同上。当检测值超过预先所设置的值时，检测仪实现过阈值报警功能，单片机模块控制三极管导通，发光二极管被点亮，蜂鸣器响起进行报警。
4 传感器选取
与其他霍尔传感器相比，SS495A的优势在于：SS495A线性霍尔效应传感器是一款体积小，功能多的线性霍尔效应器件，它在永久磁体或电磁体产生的磁场控制下工作。线性输出电压由电源电压设置并随磁场强度的变化而等比例改变。先进的内置功能电路设计确保了它的低输出噪声，从而使得该器件的使用无需搭配外部滤波电路。内置薄膜电阻大大增强了器件的温度稳定性和输出精度。其工作温度范围宽达-40 ℃～150 ℃。工作电压为4.5～10 V，该仪器的工作电压为5 V。
5 其他模块的芯片选取
放大模块采用的芯片为AD620，尽管AD620由传统的三运算放大器发展而成，但一些主要性能却优于三运算放大器构成的仪表放大器的设计，如电源范围宽（±2.3～±18 V），设计体积小，功耗非常低（最大供电电流仅1.3 mA），因而适用于低电压、低功耗的应用场合。为保护增益控制的高精度，其输入端的三极管提供简单的差分双极输入，并采用β工艺获得更低的输入偏置电流，通过输入级内部运放的反馈，保持输入三极管的集电极电流恒定，并使输入电压加到外部增益控制电阻RG上。AD620的两个内部增益电阻为24.7 kΩ，因而增益方程式为，对于所需的增益，则外部控制电阻值为kΩ，由此，可以利用外部控制电阻来控制放大倍数。根据传感器输出信号及所测量范围取RG=62 Ω，使增益 G=800。
AD转换模块选用常用的芯片ADC0809，ADC0809作为一种8位逐次逼近型A/D转换器，ADC0809对输入模拟量要求：信号单极性，电压范围是0～5 V，若信号太小，必须进行放大；输入的模拟量在转换过程中应该保持不变，如若模拟量变化太快，则需在输入前增加采样保持电路，即采集模拟输入电压在某一时刻的瞬时值，并在A/D转换期间保持输出电压不变，以供模数转换。而该磁场检测仪工作电压为5 V，由放大器输出的模拟量与要求相符合，所以能完成AD模块的转换需要。
单片机模块使用的芯片为常用的AT89C51，实现对采集数据的处理，模式切换等一系列工作，AT89C51价格便宜，使用方便，数据处理与程序编写便捷，满足此霍尔磁场检测仪的基本要求。
显示模块使用的是LCD1602，实现对采集数据的显示，LCD1602可以显示两行，每行16个字符液晶模块（显示字符和数字）。1602液晶是一种专门用来显示字母、数字、符号等的点阵型液晶模块。它由若干个5X7或5X11等点阵字符位组成，每个点阵字符位都可以显示一个字符，每位之间有一个点距的间隔，每行之间也有间隔，起到了字符间距和行间距的作用。
6 结语
该文所述霍尔磁场检测仪可用于环境磁场的检测，并设置了数据的多种采集显示方式，使用方便快捷。
參考文献
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