霍尔探头自动标定系统设计

除了可以直接检测各种磁性物体的磁场之外，还可以在被检测的运动 物体上附上永久磁铁，用霍尔器件去检测随之运动的磁场，由此来检测物 体的各种运动参量，如位置、速度、位移、转数、转速、角度等等。利用 这些测量数据作为计算机自动控制的输入参量，就可实现各种控制功能。 利用这些输入参量去驱动保护装置，在输入超过预设的安全阀值时，即可 令保护装置动作，实施安全保护[13]。
论文起止年月：2004 年 9 月至 2005 年 4 月
霍 尔 探 头 自 动 标 定 系 统 设 计
吉 林 大 学
孙 小 强
吉林大学硕士学位论文原创性声明
本人郑重声明：所呈交的硕士学位论文，是本人在 指导教师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。 除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他 个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研 究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。
第三章 硬件系统电路设计 …………………………………………………15 §3.1 霍尔探头测量磁场 ………………………………………………16 §3.1.1 测量电路方案及分析 ………………………………………16 §3.1.1.1 方案选择及论证………………………………………16 §3.1.1.2 采集系统的主要技术指标……………………………17 §3.1.2 测量电路 ……………………………………………………18 §3.1.2.1 压控恒流源电路………………………………………18 §3.1.2.2 信号放大………………………………………………21 §3.1.2.3 自动量程切换…………………………………………24 §3.1.2.4 A/D 转换………………………………………………24
第一章 绪论
第一章 绪论
传感器是将某种信号，按一定规律转换成相应的另一种有用信号的器 件或装置。传感技术是一项迅速发展的高技术，是构成现代信息技术的主 要技术之一。它与控制技术、通信技术、计算机技术一起成为信息技术的 支柱。
磁，是电磁学里最基本的物理量，也是最早为人们所熟悉的一种物理 现象，因此磁传感器有极其古老的历史。目前，磁传感器的种类繁多，其 中最主要的是半导体磁敏传感器，如霍尔传感器、磁阻传感器、磁敏二极 管、磁敏三极管等。
第二章 霍尔探头灵敏度与非线性特性………………………………………5 §2.1 霍尔效应……………………………………………………………5 §2.2 霍尔元件……………………………………………………………6 §2.2.1 霍尔元件结构…………………………………………………6 §2.2.2 霍尔元件的主要特性参数……………………………………6 §2.3 霍尔探头灵敏度……………………………………………………7 §2.4 霍尔电势输出的非线性……………………………………………9 §2.5 传感器输出非线性补偿……………………………………………9 §2.5.1 整体拟合法 …………………………………………………10 §2.5.2 插值法 ………………………………………………………11 §2.6 霍尔探头非线性补偿 ……………………………………………12
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§4.3 I2C总线的数据传送基本协议……………………………………46 §4.3.1 开始和结束信号 ……………………………………………47 §4.3.2 位传送及数据的有效性 ……………………………………47 §4.3.3 字节传送及格式 ……………………………………………47 §4.3.4 确认信号 ……………………………………………………48 §4.3.5 握手信号 ……………………………………………………48 §4.3.6 总线竞争和时钟同步 ………………………………………48
论文分类号 TP212.13
密
级 内部
单位代码 10183 研究生学号 2002322056
吉林大学
硕士学位论文
霍尔探头自动标定系统设计
Design of Self-Calibration System of Hall Probe
作者姓名：孙小强 专 业：无线电物理 导师姓名 吴汉华 及 职 称：教 授 学位类别：理学硕士
孙小强
论文分类号 TP212.13
保密级别
内部
研究生学号 2002322056
学位类别 专业名称 研究方向 论文中文题目
理学硕士 授予学位单位 吉 林 大 学
无线电物理
培养单位 （院、所、中心）
物理学院
智能仪器仪表
学习时间
2002 年 9 月 至 2005 年 7 月
霍尔探头自动标定系统设计
论文英文题目 Design of Self-Calibration System of Hall Probe
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论文级别：□硕士 □博士
学科专业： 无线电物理
论文题目： 霍尔探头自动标定系统设计
作者签名：
指导教师签名：
2005 年 6 月 4 日 作者联系地址：吉林大学物理学院 信息与计算机物理系
邮 编：130024
作者姓名
出版者（机构）名称 出版者地址（包括邮
编）
内容提要
本文针对不同霍尔探头灵敏度的离散性，磁场强度较高时（大于 1.2T）本身的非线性等问题，采用AT89C52 单片机通过D/A转换的电压输 出控制励磁电源的电流大小，使磁场按一定步长由 0 逐渐增强至 2.5T。 当磁场强度小于 1.0T时，利用霍尔探头输出与外磁场良好的线性关系， 通过D/A转换器输出控制霍尔探头的工作电流I,使其输出的数值与标准 磁通表测得的磁场强度H0相等，完成不同灵敏度霍尔探头在线性区的标 定。当场强大于 1.2T时，利用标准磁通表的输出来修正霍尔探头的非线 性输出，将磁通表和霍尔探头同时测得的数据按磁场顺序整理成两个表 格固化到E2PROM中，并与该霍尔探头封装在一起。实际测量时，特斯拉计 根据这种霍尔探头提供的实测磁场值在数据表中找到对应的真实磁场强 度区间，再通过线性拟合的方法求出最终的真实磁场值，从而完成霍尔 探头标定。本系统采用I2C总线结构，MCS51 汇编语言编写主程序，键盘 中断服务子程序、标定子程序、LED显示子程序、串行通信子程序。使用 结果表明，该系统可成功对不同霍尔探头的灵敏度和非线性区间进行自 动标定。
§3.2 磁通表测量磁场……………………………………………………25 §3.2.1 基本原理 ……………………………………………………25
§3.2.2 点线圈 ………………………………………………………26 §3.2.3 积分器 ………………………………………………………27
§3.2.3.1 ICL7650 信号放大器…………………………………28 §3.2.3.2 积分电路设计 ………………………………………29 §3.3 微处理器 AT89C52 ………………………………………………30 §3.3.1 主要特性 ……………………………………………………30 §3.3.2 管脚说明 ……………………………………………………31 §3.3.3 定时器/计数器 ………………………………………………33 §3.3.4 全双工串行 I/O ……………………………………………34 §3.3.5 AT89C52 中断 ………………………………………………35 §3.3.6 I2C总线扩展…………………………………………………35 §3.4 数据存储 …………………………………………………………36 §3.4.1 基本操作 ……………………………………………………36 §3.4.2 读写逻辑 ……………………………………………………37 §3.4.2 读写逻辑 ……………………………………………………37 §3.5 串行通讯接口 ……………………………………………………38 §3.6 LED 显示及键盘接口 ……………………………………………40 §3.6.1 特点 …………………………………………………………40 §3.6.2 键盘部分 ……………………………………………………40 §3.6.3 显示部分 ……………………………………………………41 §3.6.4 通信接口 ……………………………………………………41 第四章 I2C总线设计 ………………………………………………………43 §4.1 概述 ………………………………………………………………43 §4.1.1 I2C总线在单片机设计系统中的应用………………………43 §4.1.2 I2C总线特点…………………………………………………43 §4.1.3 I2C总线中若干概念…………………………………………44 §4.2 I2C总线基本原理…………………………………………………45 §4.2.1 I2C总线硬件结构……………………………………………45 §4.2.2 I2C总线电气标准……………………………………………46 §4.2.3 I2C总线容量与驱动能力……………………………………46
目前已形成产品的霍尔器件有三大类：分立霍尔元件、霍尔电路和具 备各种特殊功能的霍尔传感器，例如霍尔接近开关、霍尔电流传感器、霍 尔隔离放大器等。
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第一章 绪论
分立霍尔元件是一种单独的霍尔片，当置于磁感应强度为B的磁场中， 其输出的霍尔电势VH与B成正比，灵敏度较高。目前分立霍尔元件能检测 的最弱磁场可达 10－8T，线性好。
关键词(3-8 个) 霍尔探头 非线性 自动标定 I2C总线 单片机