吳建平，李 吉，葛 青

（成都理工大學(xué)核技術(shù)與自動(dòng)化工程學(xué)院，四川 成都 610059）

基于AVR單片機(jī)的電磁場(chǎng)監(jiān)測(cè)儀設(shè)計(jì)

吳建平，李 吉，葛 青

（成都理工大學(xué)核技術(shù)與自動(dòng)化工程學(xué)院，四川 成都 610059）

設(shè)計(jì)了一個(gè)環(huán)境電磁污染監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，能夠測(cè)量環(huán)境磁場(chǎng)大小，測(cè)量精度可達(dá)到6×10-8T。利用磁阻芯片特有的置位/復(fù)位功能有效地消除因溫度漂移和電路參數(shù)漂移等共模信號(hào)造成的誤差，提高了磁場(chǎng)檢測(cè)的靈敏度。監(jiān)測(cè)儀器以Atmega16L為控制器，單片集成磁場(chǎng)傳感器HMC1052L為檢測(cè)元件，其輸出通過運(yùn)算放大器LMV358放大，利用Atmega16L單片機(jī)模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，并由LCD顯示測(cè)量結(jié)果。

電磁污染；監(jiān)測(cè)；磁場(chǎng)傳感器；AVR單片機(jī)；A/D轉(zhuǎn)換

1 引 言

國內(nèi)外多數(shù)學(xué)者帶有共識(shí)性的觀點(diǎn)認(rèn)為，電磁輻射對(duì)人體具有潛在危害，環(huán)境電磁場(chǎng)是環(huán)境監(jiān)測(cè)的重要指標(biāo)之一。目前可用于電源線、電腦顯示器、電視機(jī)、視頻/音頻、微波爐的工頻磁場(chǎng)及類似儀器設(shè)備較多，但性能優(yōu)越的多為國外廠家生產(chǎn)。如CA41環(huán)境磁場(chǎng)測(cè)量和輻射源定位；HI3603電磁場(chǎng)強(qiáng)度測(cè)試儀；HI-4433系列電磁場(chǎng)測(cè)量儀；HI4433系列電磁場(chǎng)測(cè)量儀；HI3604 ELF工頻電磁場(chǎng)強(qiáng)度測(cè)試儀；HI-3604、HI-2200射頻電磁輻射分析儀等。

隨著半導(dǎo)體技術(shù)的飛速發(fā)展，傳統(tǒng)的磁敏傳感器逐漸向薄膜化、微型化和集成化的方向發(fā)展，使其能夠應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，靈敏度也得到極大的提高。實(shí)際應(yīng)用中磁敏元件主要應(yīng)用于檢測(cè)磁場(chǎng)，而與此相關(guān)的磁場(chǎng)范圍很寬，一般的磁敏傳感器檢測(cè)到的最低磁場(chǎng)只有10-10T。磁阻傳感器可以用來測(cè)量地球磁場(chǎng)的三軸分量，進(jìn)而得到與磁場(chǎng)北極之間的相對(duì)角度，可為低磁場(chǎng)檢測(cè)提供一種緊湊的、高靈敏度和高可靠性的解決方法。應(yīng)用包括羅盤指向、交通檢測(cè)、鐵質(zhì)檢測(cè)等?，F(xiàn)將單片機(jī)與單片集成傳感器相結(jié)合，將磁場(chǎng)變化轉(zhuǎn)換為不同的輸出電壓，顯示出磁場(chǎng)大小。希望通過研究，設(shè)計(jì)出智能化、高靈敏度、高可靠性、穩(wěn)定性好和實(shí)用性強(qiáng)的電磁場(chǎng)檢測(cè)儀器。

2 磁場(chǎng)傳感器

利用某些材料的磁電效應(yīng)制成對(duì)磁場(chǎng)敏感的傳感器，如霍爾元件、磁阻元件、磁敏二極管、磁敏三極管等，這類傳感器除用于測(cè)量和感受磁場(chǎng)外，被廣泛應(yīng)用于位移、振動(dòng)、速度、轉(zhuǎn)速、壓力等多種非電量的測(cè)量。目前新出現(xiàn)的半導(dǎo)體磁電傳感器，主要有霍爾效應(yīng)傳感器、半導(dǎo)體磁致電阻器、磁敏二極管以及以這些元器件為磁-電轉(zhuǎn)換器（或稱敏感頭）的各種半導(dǎo)體磁敏功能器件，例如磁敏開關(guān)集成電路、磁敏運(yùn)算放大器、磁羅盤和三維磁強(qiáng)計(jì)等，并形成了一個(gè)龐大的產(chǎn)品群落。磁敏傳感器能檢測(cè)較低的磁場(chǎng)強(qiáng)度，在羅盤指向、交通檢測(cè)、磁質(zhì)檢測(cè)中有相當(dāng)重要的作用[1-3]。

HMC1052L磁場(chǎng)傳感器是霍尼韋爾公司生產(chǎn)的高性能磁敏傳感器。芯片具有正交雙軸傳感、超小型尺寸和微型表面封裝件帶來的低成本等優(yōu)點(diǎn)。每只磁阻傳感器都配置成有4個(gè)元件的惠斯通電橋，將磁場(chǎng)轉(zhuǎn)化為不同的輸出電壓。傳感器能檢測(cè)低至1.2×10-8T的磁場(chǎng)，微型表面封裝帶10針的小型表貼外形（SMOP），尺寸3mm×3mm×1mm，器件引腳封裝如圖1所示。主要性能指標(biāo)：磁場(chǎng)范圍寬達(dá)±6×10-4T；靈敏度為每10-4T 10mV/V；最小電源低至1.8V的低功率運(yùn)行。HMC磁敏傳感器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。UBR為橋壓供電+5V；GND為公共地；OUT+、OUT-差分電壓輸出端；OFFSET+、OFFSET-為內(nèi)部補(bǔ)償線圈引線，±表示電流極性；S/R+、S/R-為置位、復(fù)位線圈引出端，改變電流極性可分別實(shí)現(xiàn)置位、復(fù)位。芯片內(nèi)的置位/復(fù)位和偏移帶，減少了溫度漂移影響、非線性誤差，也減少了大磁場(chǎng)存在引起的信號(hào)輸出損失。

圖1 HMC1052L的引腳封裝圖

圖2 磁敏傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

霍尼韋爾HMC105L磁阻傳感器是用于檢測(cè)磁場(chǎng)的惠斯通電橋設(shè)備，當(dāng)向電橋供電后傳感器將敏感軸方向的任何入射磁場(chǎng)強(qiáng)度轉(zhuǎn)換成差分電壓輸出。除了電橋電路外，該系列傳感器的芯片內(nèi)還有兩個(gè)磁耦合片，偏移帶和置位/復(fù)位帶，可用于入射磁場(chǎng)調(diào)節(jié)和磁疇調(diào)整，有了它們就無需在傳感器周圍安裝外部線圈。每個(gè)偏移帶額定測(cè)量電阻為15Ω，用于每10-4T入射磁場(chǎng)時(shí)它需要10mA電流。這些偏移帶能很容易地控制電流，對(duì)±6×10-4T線性測(cè)量范圍內(nèi)的磁場(chǎng)進(jìn)行去磁或增強(qiáng)，但設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意傳感器模塊上的過度熱量。

圖3為傳感器輸出響應(yīng)曲線。當(dāng)置位/復(fù)位脈沖電流通過引腳S/R+時(shí)，輸出響應(yīng)曲線斜率位正值，反之位負(fù)值，由此可改變輸出電壓的極性。電流方向由S/R+到S/R-時(shí)輸出置位信號(hào)Uoset，電流方向由S/R-到S/R+時(shí)輸出復(fù)位信號(hào)Uoreset。輸出電壓差值能消除溫度漂移和非線性影響，即Uo=（Uoset-Uoreset）/2。每個(gè)置位/復(fù)位帶都有一個(gè)3～6Ω的額定電阻，且至少需要最大為400mA的電流用于復(fù)位和置位脈沖。

圖3 磁敏傳感器輸出響應(yīng)曲線

3 總體電路設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求，主要完成信號(hào)的采集放大、數(shù)據(jù)處理和顯示等功能，選擇低功耗設(shè)計(jì)方案。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)電路原理框圖如圖4所示。系統(tǒng)由AVR單片機(jī)Atmega16L控制，總體電路模塊包括傳感器、微處理器、偏移電路、放大電路、液晶顯示電路和電源檢測(cè)電路。單片機(jī)Atmega16L自身帶有10位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，可簡(jiǎn)化A/D電路。由于磁敏傳感器輸出的模擬信號(hào)很弱，極容易湮沒在各種電磁噪聲當(dāng)中，其后需要附加放大電路和濾波電路。如果增益過大又容易使電路不穩(wěn)定，同時(shí)在測(cè)量弱磁場(chǎng)時(shí)易受到強(qiáng)磁場(chǎng)的干擾，造成輸出信號(hào)丟失。為了減小這種影響并使輸出信號(hào)最大化，需要在電路中利用磁敏傳感器的置位/復(fù)位線圈，添加一個(gè)置位/復(fù)位電路。使用電池時(shí)需要及時(shí)檢測(cè)電池的電量，以提醒使用者能夠及時(shí)更換電池，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)加入電源檢測(cè)電路。

圖4 總體電路原理框圖

磁敏傳感器HMC1052L把測(cè)量到的電磁信號(hào)直接轉(zhuǎn)換為電壓輸出，由LMV358組成運(yùn)算放大器，把微弱信號(hào)放大到單片機(jī)能夠檢測(cè)到的電壓，通過單片機(jī)Atmega16L自帶的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，經(jīng)過計(jì)算處理后在LCD1602液晶顯示屏上顯示出磁場(chǎng)大小值。為了減弱強(qiáng)磁場(chǎng)的干擾，使用單片機(jī)Atmega16L控置位/復(fù)位電路，提高測(cè)量的靈敏度。補(bǔ)償電路的作用是在沒有測(cè)量磁場(chǎng)的作用下，消除環(huán)境磁場(chǎng)和鐵磁性物質(zhì)對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，即可起到系統(tǒng)調(diào)零的作用[4-5]。

3.1 信號(hào)采集電路

硬件電路設(shè)計(jì)過程中為了減少由于引線所產(chǎn)生的寄生電感和寄生電容的影響，大部分元器件均采用貼片元件（SMT），高頻特性好并增強(qiáng)了抗電磁干擾能力。信號(hào)采集電路原理如圖5所示。電路作為整個(gè)系統(tǒng)的敏感中心，能夠直接把測(cè)量磁場(chǎng)的大小轉(zhuǎn)換成可測(cè)量的電壓，送至運(yùn)算放大器放大。磁敏傳感器X軸的輸出送至單片機(jī)PA0端，磁敏傳感器Y軸輸出送至單片機(jī)PA1端，磁敏傳感器置位/復(fù)位線圈輸入信號(hào)由單片機(jī)PD4端控制輸出，傳感器的補(bǔ)償線圈輸入端電流大小由R17、R18提供。

當(dāng)單片機(jī)輸出為低電平到晶體管基極時(shí)，Q1截止Q2導(dǎo)通，使C2放電到電壓為0，Vcc給C3充電到Vcc，從而產(chǎn)生一個(gè)電流方向由S/R+到S/R-輸出一個(gè)置位信號(hào)Uoset。當(dāng)單片機(jī)輸出為高電平到晶體管基極時(shí)，Q2截止Q1導(dǎo)通，使C3通過放電給C2充電，Vcc通過電阻R23也給C3充電，但電流較小，在很短時(shí)間內(nèi)后者小于前者，可以忽略不計(jì)，最終使C2上的電壓趨向于Vcc，從而產(chǎn)生一個(gè)電流方向由S/R-到S/R+輸出一個(gè)復(fù)位信號(hào)Uoreset。輸出的電壓差能消除溫度和非線性影響。R17/R18組成磁敏傳感器的補(bǔ)償電路，當(dāng)沒有檢測(cè)磁場(chǎng)時(shí)，通過補(bǔ)償電路產(chǎn)生一個(gè)補(bǔ)償電流，就形成X軸方向的磁場(chǎng)，利用這個(gè)磁場(chǎng)可以抵消地磁場(chǎng)的影響。只要合理調(diào)節(jié)電阻器R18，補(bǔ)償電流就可以完全抵消地磁場(chǎng)和鐵磁性物質(zhì)對(duì)測(cè)量的影響。集成運(yùn)算放大器LMV358可自動(dòng)調(diào)零，簡(jiǎn)化了運(yùn)算放大器的調(diào)零電路。根據(jù)運(yùn)算放大電路的連接方式可以獲得放大器的輸出電壓公式：

由此根據(jù)上述公式可計(jì)算出X軸和Y軸的輸入輸出電壓的關(guān)系。

3.2 單片機(jī)接口電路設(shè)計(jì)

單片機(jī)檢測(cè)控制系統(tǒng)的硬件和軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的復(fù)雜性、可靠性、擴(kuò)展性與選用的單片機(jī)芯片的資源配置有很大相關(guān)。由Atmel公司生產(chǎn)的Atmega16L單片機(jī)的資源配置很適合簡(jiǎn)易的模擬信號(hào)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

接口電路可參見圖5。Atmega16L單片機(jī)是一個(gè)高性能、低功耗的8位AVR微處理器，其自帶有8路10位ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換器，在電路設(shè)計(jì)時(shí)就可以省去模數(shù)轉(zhuǎn)換部分。Atmega16L單片機(jī)的資源配置簡(jiǎn)潔，很適合簡(jiǎn)易的模擬信號(hào)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。AVR單片機(jī)Atmega16L作為系統(tǒng)的控制中心，其外圍電路包括AVR單片機(jī)的接口電路、電源電路、復(fù)位電路、晶振電路、電源電壓檢測(cè)電路和下載端口。AVR單片機(jī)的I/O線全部帶可設(shè)置的上拉電阻、可單獨(dú)設(shè)定為輸入/輸出、可設(shè)定（初始）高阻輸入、驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)（可省去功率驅(qū)動(dòng)器件）等特性，I/O口資源靈活、功能強(qiáng)大，可充分利用。AVR單片機(jī)內(nèi)嵌高質(zhì)量的Flash程序存儲(chǔ)器，擦寫方便。

單片機(jī)芯片上有一個(gè)8路的10位逐次逼近型ADC，能對(duì)來自端口A的8路單端輸入電壓進(jìn)行采樣，內(nèi)部采樣保持電路確保在轉(zhuǎn)換過程中輸入到ADC的電壓保持恒定。增強(qiáng)性的高速同/異步串口，具有硬件產(chǎn)生校驗(yàn)碼、硬件檢測(cè)和校驗(yàn)貞錯(cuò)、兩級(jí)接收緩沖、波特率自動(dòng)調(diào)整定位（接收時(shí)）、屏蔽數(shù)據(jù)幀等功能，提高了通信的可靠性，方便程序編寫，串口功能大大超過MCS-51/96單片機(jī)的串口，加之AVR單片機(jī)高速，中斷服務(wù)時(shí)間短，故可實(shí)現(xiàn)高波特率通信。LCD1602是工業(yè)字符型液晶，能夠同時(shí)顯示16x02即32個(gè)字符。液晶顯示屏LCD1602的顯示電路簡(jiǎn)單不再敘述[6-8]。

4 軟件設(shè)計(jì)

圖5 信號(hào)采集電路原理圖

根據(jù)功能要求，軟件設(shè)計(jì)包括液晶顯示驅(qū)動(dòng)、數(shù)據(jù)采集和處理、電源電壓檢測(cè)報(bào)警等部分。該設(shè)計(jì)中數(shù)據(jù)采集模塊的主控芯片是ATmega16L，它支持在AVR-GCC開發(fā)環(huán)境下的C/C++程序代碼開發(fā)。只需要用戶直接調(diào)用就可以實(shí)現(xiàn)的操作，并支持AVR Studio下的仿真調(diào)試。軟件設(shè)計(jì)采用的AVR單片機(jī)編程，主要包括A/D數(shù)據(jù)采樣、數(shù)據(jù)格式顯示轉(zhuǎn)換和液晶顯示模塊等子程序，充分利用了單片機(jī)的定時(shí)中斷功能來實(shí)現(xiàn)顯示數(shù)據(jù)的自動(dòng)更新功能。當(dāng)進(jìn)入主程序后，就連續(xù)不斷地進(jìn)行磁場(chǎng)數(shù)據(jù)采集，A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，再由微處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示格式轉(zhuǎn)換后更新顯示屏。

數(shù)據(jù)采集采用2.56V內(nèi)部參考電壓，是以查詢的方式來讀取A/D轉(zhuǎn)換值，由于采用的是雙軸磁場(chǎng)傳感器，A/D轉(zhuǎn)換選用了兩個(gè)通道PA0和PA1。首先是A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換通道的選擇，然后連續(xù)采樣數(shù)據(jù)8次，為了減小誤差，去掉第一個(gè)測(cè)量值，然后去掉其中最大值和最小值，剩下的5個(gè)值取平均值，即完成一次的數(shù)據(jù)采樣，返回A/D轉(zhuǎn)換值[9]。

數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換函數(shù)中寫出的轉(zhuǎn)換表達(dá)式，只是一個(gè)簡(jiǎn)化的表達(dá)式。測(cè)量系統(tǒng)的調(diào)零方式采用軟件調(diào)零，根據(jù)實(shí)際電路測(cè)出沒有磁場(chǎng)檢測(cè)時(shí)A/D轉(zhuǎn)換端口145mV電壓。HMC1052L的靈敏度為每10-4T 1mV/V，電橋電壓為5V，磁場(chǎng)靈敏度為5mV/（10-4T），放大電路的增益系數(shù)為425。由此可以根據(jù)式（3）計(jì)算出磁場(chǎng)強(qiáng)度：

簡(jiǎn)化過后即可得到所測(cè)磁場(chǎng)強(qiáng)度：

5 系統(tǒng)檢測(cè)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

系統(tǒng)在實(shí)際數(shù)據(jù)檢測(cè)后需分析數(shù)據(jù)的可靠性。由于磁敏傳感器的輸出電壓非常微弱，因此信號(hào)在電路中經(jīng)數(shù)百倍甚至上千倍的放大。需先對(duì)端口進(jìn)行電壓顯示檢測(cè)，判斷A/D輸入口是否能夠正確轉(zhuǎn)換。具體測(cè)量是在沒有檢測(cè)磁場(chǎng)時(shí)，用萬用表測(cè)出PA口的輸入電壓的平均值為140mV，而通過A/D轉(zhuǎn)換后的電壓輸出值為145mV，說明其A/D轉(zhuǎn)換正常，同時(shí)把145mV作為傳感器輸出的偏置電壓，通過軟件清零來消除測(cè)量的影響。通過軟件控制置位/復(fù)位引腳產(chǎn)生置位/復(fù)位信號(hào)，提高測(cè)量靈敏度。

由于實(shí)驗(yàn)室的TES1390高斯計(jì)能檢測(cè)的最小刻度為1×10-8T＜H，因此采用了TES1390高斯計(jì)做標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行數(shù)據(jù)檢測(cè)。在相同環(huán)境條件下，測(cè)量磁鋼與儀器之間距離變化時(shí)磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化，兩個(gè)儀器的數(shù)據(jù)對(duì)比見表1。用所設(shè)計(jì)的儀器測(cè)量數(shù)據(jù)的過程中發(fā)現(xiàn)，雙軸磁敏傳感器HMC1052L對(duì)磁場(chǎng)的方向很敏感，所以在環(huán)境磁場(chǎng)中測(cè)量時(shí)要先確定方向，否則難以測(cè)出磁場(chǎng)的大小。

由測(cè)量數(shù)據(jù)結(jié)果看到隨磁鋼距離減小磁場(chǎng)強(qiáng)度增加時(shí)，相對(duì)誤差增大。主要原因：磁鋼近距離時(shí)磁極性影響明顯；儀器磁場(chǎng)強(qiáng)度的標(biāo)定模型需要反復(fù)試驗(yàn)，可考慮非線性模型；TES1390高斯計(jì)做標(biāo)準(zhǔn)比較粗糙，準(zhǔn)確度較差?？傊?，試驗(yàn)系統(tǒng)需在硬件電路和軟件系統(tǒng)上進(jìn)一步完善。

表1 TES1390高斯計(jì)與設(shè)計(jì)系統(tǒng)檢測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比

6 結(jié)束語

系統(tǒng)利用AVR單片機(jī)Atmega16L做控制器，單片集成磁阻傳感器芯片做信號(hào)采集元件，設(shè)計(jì)出電磁場(chǎng)檢測(cè)儀器，具有抗干擾能力強(qiáng)、抗震性高、穩(wěn)定性好、價(jià)格便宜、成本低、功耗小、響應(yīng)速度快、數(shù)據(jù)采集方便等優(yōu)點(diǎn)，有很好的開發(fā)應(yīng)用前景。同時(shí)系統(tǒng)需要進(jìn)一步完善測(cè)量精度問題，如果需要準(zhǔn)確判斷磁場(chǎng)方向，差分放大電路應(yīng)采用正負(fù)電源供電。除了軟件補(bǔ)償方式外，硬件補(bǔ)償電路還需要做進(jìn)一步的研究。

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Instrument design for monitoring electromagnetic field based on AVR MCU

WU Jian-ping，LI Ji，GE Qing
（College of Applied Nuclear Technology and Automation Engineering，Chengdu University of Technology，Chengdu 610059，China）

A system for monitoring environment electromagnetic pollution was designed.The instrument could measure the environment electromagnetic radiation and its measurement accuracy reached 0.6 mG.The error caused by common mode signals such as temperature and circuit parameter drift can be eliminated efficiently with the SET/RESET function of HMC，and the sensitivity of detecting the magnetic field was improved.Basing on Atmega16L，the instrument used the sensor HMC1052L as detection component.The output signal of the sensor was amplified by operational amplifier LMV358，then the amplified signal was converted to digital signal by ADC on Atmega16L MCU，and measurement result was displayed on LCD.

electromagnetic pollution；monitoring；magnetic field sensor；AVR microcontroller；A/D conversion

TM937.2；TP368.1

A

1674-5124（2011）01-0047-05

2010-09-17；

2010-11-15

吳建平（1954-），女，江蘇江陰市人，教授，主要從事測(cè)控技術(shù)與儀器及核技術(shù)應(yīng)用研究。