基于线性霍尔传感器的磁场检测装置设计

桂林理工大学信息科学与工程学院感知技术课程设计（实习）报告题目：基于线性霍尔传感器的磁场检测装置设计专业（方向）：物联网工程班级：物联网13-1班学生：李燕昊学号：3130758109组员：覃俊华指导老师：蒋存波老师、汪彦君老师2016年1月9日1目次1.绪论...............................................................................................................21.1题目........................................................................................................21.2研究目标与意义......................................................................................21.3相关技术的现状......................................................................................22.基本原理与总体技术方案.............................................................................32.1基本原理.................................................................................................32.2技术方案比较.........................................................................................33.硬件系统设计................................................................................................43.1硬件总体设计思路及原理框图...............................................................43.2关键元件介绍.........................................................................................43.3硬件设计.................................................................................................73.3.1调理信号设计..........................................................................................74.软件系统设计................................................................................................94.1软件功能介绍.........................................................................................94.2程序设计总体方案..................................................................................94.3程序是实现............................................................................................105.装置样机的制作与调试................................................................................135.1硬件制作与调试.....................................................................................135.2软件调试................................................................................................145.3样机试验测试........................................................................................156.实验测试......................................................................................................166.1实验测试目的........................................................................................166.2试验测试................................................................................................166.3测试结果................................................................................................167.总结..............................................................................................................178.参考文献......................................................................................................1721.绪论1.1题目基于线性霍尔传感器的磁场检测装置设计1.2研究目标与意义（1）总体目标利用线性霍尔传感器设计制作磁场测量装置。检测周围磁感应强度的大小。（2）研究意义霍尔传感器是一种磁传感器。用它可以检测磁场及其变化，可在各种与磁场有关的场合中使用。霍尔传感器以霍尔效应为其工作基础，是由霍尔元件和它的附属电路组成的集成传感器。霍尔传感器在工业生产、交通运输和日常生活中有着非常广泛的应用。1.3相关技术的现状21世纪，是人类全面进入信息电子化的时代。随着人类探知领域和空间的拓展，使得人们更依赖于获取外界信息的采集技术。敏感元件及传感器是人类探知自然界信息的触角，它可以将人们需要探知的各种非电量信息转化为电量信息，为人们认识和控制相应的对象提供条件和依据。作为现代信息技术的三大支柱之一的传感器技术，已成为21世纪人们在高新技术发展方面争夺的一个制高点。霍尔传感器产业发展应用大致分为：直接应用和间接应用。前者是直接检测出受检测对象本身的磁场或磁特性，其中最有特色的是霍尔电流、电压类传感器，他们已成为当今电子测量领域中应用最多的传感器件之一。是一种新型的高性能电气隔离检测元件。应用广泛。后者是检测受检对象上人为设置的磁场，用这个磁场来作被检测信息的载体，通过它，将许多非电、非磁的物理量转变为电量来进行检测和控制。霍尔传感器产业飞速发展的同时，也给霍尔传感器自身的发展提出了急迫的需求。发展和应用的比较成熟的一些霍尔传感器，已经在长期使用中逐步显现出自身存在的某些局限。为了充分发挥各自的优势，突破限制，拓展发展空间，必须开发新材料，发现新效应，发明新产品，将霍尔传感器产业推向新的发展高峰，这是我们当前的首要任务，也是历史的使命。32.基本原理与总体技术方案2.1基本原理利用霍尔效应进行磁场检测。霍尔效应及霍尔传感器原理请参阅传感器教材及其他相关文献。霍尔效应的本质是：固体材料中的载流子在外加磁场中运动是，因为受到洛伦磁力的作用而使轨迹发生偏移，并在材料两侧产生电荷积累，形成垂直于电流方向的电场，最终使载流子受到的洛伦磁力与电场斥力相平衡，从而在两侧建立起一个稳定的电势差，即霍尔电压。正交电场和电流强度与磁场强度的乘积之比就是霍尔系数。平行电场和电流强度之比就是电阻率。SS495是线性霍尔传感器，在一定的磁感应强度范围内，传感器的输出电压U与磁感应强度B（Gs）成正比U=K×B。将传感器的输出电压U送到信号调理电路进行滤波放大得到所需要复读的电压信号UAD。将电压UAD送到ADC电路转换为数字量NAD，微处理器读取数字量NAD，经运算处理求出对应的磁感应强度B，送到LCD显示。2.2技术方案比较使用SS495线性霍尔传感器进行磁场检测，经滤波和幅度调理后送到ADC电路，嵌入式微处理器使用内部具有12位ADC的ARMCortex-M3核嵌入式处理器STM32F103RCT6。处理完之后就送到lcd显示屏显示。43.硬件系统设计3.1硬件总体设计思路及原理框图通过感器SS495检测到不同的磁感性强度B后会产生不同的输出信号Uh，输出信号进行滤波整流和放大调理之后得到Uad送到单片机STM32的PA0(ADC1-IN0)口进行AD转换，模拟信号进行了1倍放大。信号再经过芯片进行软件程序处理之后送往lcd等进行显示。直流电源给整个电路提供6V的稳定电压。3.2关键元件介绍3.2.1SS495霍尔传感器SS495线性霍尔传感器的工作电源：DC4.5V~10.5V，电流典型值5mA，最大值8mA；灵敏度：3.3mV/Gs；静态输出电压（B=0Gs）：2.5V；测量范围：-700Gs~700Gs；输出电流：最小值1.0mA，典型值1.5mA;响应时间：典型值3μS；线性度：1%5SS495引脚如下图1所示，特性曲线如下图2所示：图1SS495引脚图2传感器SS495特性曲线63.2.2STM32f103rct6STM32F103xx增强型系列由意法半导体集团设计，使用高性能的ARMCortex-M332位的RISC内核，工作频率为72MHz，内置高速存储器(高达128K字节的闪存和20K字节的SRAM)，丰富的增强I/O端口和联接到两条APB总线的外设。所有型号的器件都包含2个12位的ADC、3个通用16位定时器和一个PWM定时器，还包含标准和先进的通信接口：多达2个I2C和SPI、3个USART、一个USB和一个CAN。类别：集成电路(IC)家庭：嵌入式-微控制器系列：STM32芯体尺寸：32-位速度：72MHz连通性：CAN，I2C，IrDA，LIN，SPI，UART/USART，USB输入/输出数：51程序存储器容量：256KB程序存储器类型：FLASHRAM容量：48K电压-电源(Vcc/Vdd)：2V~3.6V振荡器型：内部工作温度：-40°C~85°C73.3硬件设计3.3.1调理信号设计从霍尔传感器输出的信号需经过录波整流和放大之后才进AD转换，此原理图的工作原理是把霍尔传感器的输出信号进行滤波整流，再在二级放大器处进行放大。由于SS495输出信号已经比较大，ADC电路输入电压3300mV，放大电路的放大倍数应小于1，所以所设计的SCH图就是简单的0.6倍放大。然后进行PCB图的制作和布图布线操作。最后打印出图纸打算腐蚀出电路板。3.3.2单片机设计原理图如下：此原理图的功能模块有多