聶士忠

(中國石油大學(xué),山東東營 257061)

基于單片機(jī)的亥姆霍茲線圈磁場分布測量裝置的研制

聶士忠

(中國石油大學(xué),山東東營 257061)

介紹了設(shè)計(jì)制作的基于AVR單片機(jī)的亥姆霍茲線圈磁感應(yīng)強(qiáng)度分布測量裝置。單片機(jī)統(tǒng)一協(xié)調(diào)和控制整個(gè)系統(tǒng)的工作,步進(jìn)電機(jī)和絲桿控制霍爾元件的移動(dòng),A/D芯片將霍爾電壓轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào),通過USB接口傳輸?shù)缴衔粰C(jī),上位機(jī)計(jì)算磁感應(yīng)強(qiáng)度,并畫出磁感應(yīng)強(qiáng)度分布曲線。裝置工作穩(wěn)定,測量結(jié)果與理論值符合較好,可用于學(xué)生實(shí)驗(yàn)或演示實(shí)驗(yàn)中。

單片機(jī);亥姆霍茲線圈;磁感應(yīng)強(qiáng)度分布;測量裝置

目前計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集和處理廣泛地應(yīng)用于物理實(shí)驗(yàn)中,使數(shù)據(jù)測量的速度和精度都得到了很大的提高[1-2]。這既改進(jìn)了傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)儀器,豐富了實(shí)驗(yàn)方法和手段,又提高了實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性,同時(shí)也有助于學(xué)生對(duì)物理過程的觀察和對(duì)物理規(guī)律的理解,提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

隨著計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)的發(fā)展和器件價(jià)格的降低,完全可以自主設(shè)計(jì)制作符合自己要求的數(shù)據(jù)采集裝置,我們設(shè)計(jì)制作了亥姆霍茲線圈[3-5]磁感應(yīng)強(qiáng)度測量裝置。利用該裝置可實(shí)現(xiàn)對(duì)亥姆霍茲線圈磁感應(yīng)強(qiáng)度的自動(dòng)測量,并繪出磁感應(yīng)強(qiáng)度的分布圖。

圖1 亥姆霍茲線圈示意圖

亥姆霍茲線圈如圖1所示,當(dāng)兩線圈通以大小相同、方向相同或相反的電流時(shí),線圈軸線上任一點(diǎn) x處的磁感強(qiáng)度理論值為

式中 N是線圈匝數(shù),R是線圈半徑,I表示電流。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

裝置主要包括數(shù)據(jù)采集/控制板和機(jī)械部分,數(shù)據(jù)采集/控制板以單片機(jī)為核心,一方面控制步進(jìn)電機(jī),另一方面通過A/D芯片采集霍爾電壓并傳輸?shù)缴衔粰C(jī),由上位機(jī)完成磁感應(yīng)強(qiáng)度的計(jì)算和畫圖工作;機(jī)械部分包括減速步進(jìn)電機(jī)和精密絲桿,它們控制霍爾元件的移動(dòng)。整個(gè)系統(tǒng)是在單片機(jī)的控制和協(xié)調(diào)下工作的,原理框圖如圖2所示。

1.1 硬件設(shè)計(jì)

單片機(jī)選用AVRAtmega16L[3-4],具有功耗低、速度快、內(nèi)部 FLASH大(16KB)、可在線JTAG編程仿真、具有SPI硬件接口等特點(diǎn)。

A/D轉(zhuǎn)換芯片AD7705[5-7]有兩個(gè)雙端模擬信號(hào)輸入通道,分辨率為16位無丟失代碼,增益、信號(hào)極性以及更新速率等可由軟件設(shè)置。AD7705片內(nèi)可編程增益放大器的增益范圍為1～128,可與多種傳感器直接相連,無須外接放大器,并且內(nèi)置可編程的自校準(zhǔn)電路,通過對(duì)零點(diǎn)和滿度的校準(zhǔn),可有效去除零點(diǎn)漂移和增益誤差的影響。支持SPI(SerialPeripheralInterface)串行總線接口,因而與單片機(jī)的接線大大減少,簡化了硬件的設(shè)計(jì)。

本裝置具有 USB接口,使用 USB20D型USB接口可編程控制模塊[8-9]。目前 USB接口得到了越來越廣泛的應(yīng)用,但USB接口的開發(fā)往往難度較大,周期較長。本裝置使用USB20D模塊,大大簡化了 USB接口的開發(fā)。USB20D是USB2.0通用接口模塊,作為嵌入式模塊使用,可以避開USB接口設(shè)計(jì)所需的繁瑣技術(shù)細(xì)節(jié),使用者不必關(guān)心固件程序和驅(qū)動(dòng)程序,應(yīng)用程序通過調(diào)用本模塊提供的DLL動(dòng)態(tài)連接庫函數(shù),就可以把相應(yīng)的功能轉(zhuǎn)變成模塊接口上的一系列脈沖和電平,從而完成需要的數(shù)據(jù)傳輸工作。本模塊提供了地址I/O和批量DMA兩種數(shù)據(jù)傳輸模式。

圖2 測量裝置原理示意圖

圖3 測量裝置的外形

步進(jìn)電機(jī)是二相混合式減速步進(jìn)電機(jī),減速比為1∶10,還使用了SH20403型帶細(xì)分步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。

電源電路為單片機(jī)、A/D芯片、步進(jìn)電機(jī)、霍爾元件、線圈等提供電源。

另外,還設(shè)計(jì)有光電門用于控制霍爾元件復(fù)位。

1.2 軟件設(shè)計(jì)

軟件部分包括上位機(jī)程序和單片機(jī)程序兩部分。

上位機(jī)程序是在VB6.0環(huán)境中開發(fā)的,主要包括通過USB20D模塊從單片機(jī)讀取數(shù)據(jù)、計(jì)算和畫圖等。通過USB20D讀取數(shù)據(jù)的程序?yàn)?/p>

單片機(jī)程序是用AVRGCC開發(fā)[10-12]的,數(shù)據(jù)傳輸采用中斷方式,USB20D讀數(shù)據(jù)的控制信號(hào)PRD做為中斷觸發(fā)信號(hào),一個(gè)A/D轉(zhuǎn)換的16位數(shù)據(jù)分兩次傳輸,中斷處理程序如下

2 測量結(jié)果

利用本裝置對(duì)線圈軸線上的磁感應(yīng)強(qiáng)度進(jìn)行測量,圖4表示兩線圈中電流方向相同時(shí)(亥姆霍茲線圈)磁感應(yīng)強(qiáng)度的分布曲線,可見兩線圈中間磁感應(yīng)強(qiáng)度比較均勻,圖5表示兩線圈中電流方向相反時(shí)磁感應(yīng)強(qiáng)度的分布曲線。虛線(數(shù)據(jù)點(diǎn))表示測量值,實(shí)線表示理論值,由圖可見測量值與理論值符合較好。把霍爾元件偏離線圈中心,也可以測量與軸線平行的其它直線上的磁感應(yīng)強(qiáng)度分布。

圖4 兩線圈電流同方向時(shí)(亥姆霍茲線圈)磁感應(yīng)強(qiáng)度分布曲線

圖5 兩線圈電流反向時(shí)磁感應(yīng)強(qiáng)度分布曲線

3 結(jié) 論

本裝置工作穩(wěn)定,可快速準(zhǔn)確地測繪出磁感應(yīng)強(qiáng)度分布,包括測量單線圈和兩線圈通以同向或反向電流等多種情形。本裝置可用于學(xué)生實(shí)驗(yàn)中,做為手動(dòng)測量的補(bǔ)充,以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,也可用于演示實(shí)驗(yàn)中,通過計(jì)算機(jī)畫出的分布曲線,可進(jìn)一步加深對(duì)亥姆霍茲線圈磁感應(yīng)強(qiáng)度分布規(guī)律的理解。

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Design and Manufacture of the Device for Measuring Helmoholtz Coil Magnetic Induction Intensity Based on AVRM icrocontroller

NIE Shi-zhong

(China University of Petroleum,Dongying 257061)

The devicef Ormeasuring Helmoholtz coilmagnetic induction intensity based on AVR microcontroller is introduced.This device works under the control of a microcontroller,the Hall p robe is driven by the screw mandrel and a step motor,the Hall voltage is convertedt Odigital signal by an A/Dchip and is transm ittedt Oacomputer.The magnetic induction intensity is calculated and the distribution curve is draw ed by the computer.The deviceworks stably and the result obtained by this device is almost the same compared with that calculated from theOretical formula,s Othat this device can be used in students’physics experiments or demonstration experiments.

microcontroller;Helmoholtz coil;magnetic induction intensity;measuring device

TM937

A

1007-2934(2011)04-0055-03

2011-02-21

中國石油大學(xué)2008年教學(xué)實(shí)驗(yàn)技術(shù)改革項(xiàng)目“普通物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系改革與系列實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目開發(fā)”資助;中國石油大學(xué)2008年教學(xué)實(shí)驗(yàn)技術(shù)改革項(xiàng)目。