基于AVR单片机的电磁场监测仪设计

吴建平，李 吉，葛 青

（成都理工大学核技术与自动化工程学院，四川 成都 610059）

基于AVR单片机的电磁场监测仪设计

吴建平，李 吉，葛 青

（成都理工大学核技术与自动化工程学院，四川 成都 610059）

设计了一个环境电磁污染监测系统，能够测量环境磁场大小，测量精度可达到6×10-8T。利用磁阻芯片特有的置位/复位功能有效地消除因温度漂移和电路参数漂移等共模信号造成的误差，提高了磁场检测的灵敏度。监测仪器以Atmega16L为控制器，单片集成磁场传感器HMC1052L为检测元件，其输出通过运算放大器LMV358放大，利用Atmega16L单片机模数转换器转换成数字信号，并由LCD显示测量结果。

电磁污染；监测；磁场传感器；AVR单片机；A/D转换

1 引 言

国内外多数学者带有共识性的观点认为，电磁辐射对人体具有潜在危害，环境电磁场是环境监测的重要指标之一。目前可用于电源线、电脑显示器、电视机、视频/音频、微波炉的工频磁场及类似仪器设备较多，但性能优越的多为国外厂家生产。如CA41环境磁场测量和辐射源定位；HI3603电磁场强度测试仪；HI-4433系列电磁场测量仪；HI4433系列电磁场测量仪；HI3604 ELF工频电磁场强度测试仪；HI-3604、HI-2200射频电磁辐射分析仪等。

随着半导体技术的飞速发展，传统的磁敏传感器逐渐向薄膜化、微型化和集成化的方向发展，使其能够应用于各个领域，灵敏度也得到极大的提高。实际应用中磁敏元件主要应用于检测磁场，而与此相关的磁场范围很宽，一般的磁敏传感器检测到的最低磁场只有10-10T。磁阻传感器可以用来测量地球磁场的三轴分量，进而得到与磁场北极之间的相对角度，可为低磁场检测提供一种紧凑的、高灵敏度和高可靠性的解决方法。应用包括罗盘指向、交通检测、铁质检测等。现将单片机与单片集成传感器相结合，将磁场变化转换为不同的输出电压，显示出磁场大小。希望通过研究，设计出智能化、高灵敏度、高可靠性、稳定性好和实用性强的电磁场检测仪器。

2 磁场传感器

利用某些材料的磁电效应制成对磁场敏感的传感器，如霍尔元件、磁阻元件、磁敏二极管、磁敏三极管等，这类传感器除用于测量和感受磁场外，被广泛应用于位移、振动、速度、转速、压力等多种非电量的测量。目前新出现的半导体磁电传感器，主要有霍尔效应传感器、半导体磁致电阻器、磁敏二极管以及以这些元器件为磁-电转换器（或称敏感头）的各种半导体磁敏功能器件，例如磁敏开关集成电路、磁敏运算放大器、磁罗盘和三维磁强计等，并形成了一个庞大的产品群落。磁敏传感器能检测较低的磁场强度，在罗盘指向、交通检测、磁质检测中有相当重要的作用[1-3]。

HMC1052L磁场传感器是霍尼韦尔公司生产的高性能磁敏传感器。芯片具有正交双轴传感、超小型尺寸和微型表面封装件带来的低成本等优点。每只磁阻传感器都配置成有4个元件的惠斯通电桥，将磁场转化为不同的输出电压。传感器能检测低至1.2×10-8T的磁场，微型表面封装带10针的小型表贴外形（SMOP），尺寸3mm×3mm×1mm，器件引脚封装如图1所示。主要性能指标：磁场范围宽达±6×10-4T；灵敏度为每10-4T 10mV/V；最小电源低至1.8V的低功率运行。HMC磁敏传感器的内部结构如图2所示。UBR为桥压供电+5V；GND为公共地；OUT+、OUT-差分电压输出端；OFFSET+、OFFSET-为内部补偿线圈引线，±表示电流极性；S/R+、S/R-为置位、复位线圈引出端，改变电流极性可分别实现置位、复位。芯片内的置位/复位和偏移带，减少了温度漂移影响、非线性误差，也减少了大磁场存在引起的信号输出损失。

图1 HMC1052L的引脚封装图

图2 磁敏传感器内部结构图

霍尼韦尔HMC105L磁阻传感器是用于检测磁场的惠斯通电桥设备，当向电桥供电后传感器将敏感轴方向的任何入射磁场强度转换成差分电压输出。除了电桥电路外，该系列传感器的芯片内还有两个磁耦合片，偏移带和置位/复位带，可用于入射磁场调节和磁畴调整，有了它们就无需在传感器周围安装外部线圈。每个偏移带额定测量电阻为15Ω，用于每10-4T入射磁场时它需要10mA电流。这些偏移带能很容易地控制电流，对±6×10-4T线性测量范围内的磁场进行去磁或增强，但设计时应注意传感器模块上的过度热量。

图3为传感器输出响应曲线。当置位/复位脉冲电流通过引脚S/R+时，输出响应曲线斜率位正值，反之位负值，由此可改变输出电压的极性。电流方向由S/R+到S/R-时输出置位信号Uoset，电流方向由S/R-到S/R+时输出复位信号Uoreset。输出电压差值能消除温度漂移和非线性影响，即Uo=（Uoset-Uoreset）/2。每个置位/复位带都有一个3～6Ω的额定电阻，且至少需要最大为400mA的电流用于复位和置位脉冲。

图3 磁敏传感器输出响应曲线

3 总体电路设计

根据系统设计的要求，主要完成信号的采集放大、数据处理和显示等功能，选择低功耗设计方案。系统总体设计电路原理框图如图4所示。系统由AVR单片机Atmega16L控制，总体电路模块包括传感器、微处理器、偏移电路、放大电路、液晶显示电路和电源检测电路。单片机Atmega16L自身带有10位模数转换器，可简化A/D电路。由于磁敏传感器输出的模拟信号很弱，极容易湮没在各种电磁噪声当中，其后需要附加放大电路和滤波电路。如果增益过大又容易使电路不稳定，同时在测量弱磁场时易受到强磁场的干扰，造成输出信号丢失。为了减小这种影响并使输出信号最大化，需要在电路中利用磁敏传感器的置位/复位线圈，添加一个置位/复位电路。使用电池时需要及时检测电池的电量，以提醒使用者能够及时更换电池，监测系统加入电源检测电路。

图4 总体电路原理框图

磁敏传感器HMC1052L把测量到的电磁信号直接转换为电压输出，由LMV358组成运算放大器，把微弱信号放大到单片机能够检测到的电压，通过单片机Atmega16L自带的模数转换器，把模拟信号转换成数字信号，经过计算处理后在LCD1602液晶显示屏上显示出磁场大小值。为了减弱强磁场的干扰，使用单片机Atmega16L控置位/复位电路，提高测量的灵敏度。补偿电路的作用是在没有测量磁场的作用下，消除环境磁场和铁磁性物质对测量结果的影响，即可起到系统调零的作用[4-5]。

3.1 信号采集电路

硬件电路设计过程中为了减少由于引线所产生的寄生电感和寄生电容的影响，大部分元器件均采用贴片元件（SMT），高频特性好并增强了抗电磁干扰能力。信号采集电路原理如图5所示。电路作为整个系统的敏感中心，能够直接把测量磁场的大小转换成可测量的电压，送至运算放大器放大。磁敏传感器X轴的输出送至单片机PA0端，磁敏传感器Y轴输出送至单片机PA1端，磁敏传感器置位/复位线圈输入信号由单片机PD4端控制输出，传感器的补偿线圈输入端电流大小由R17、R18提供。

当单片机输出为低电平到晶体管基极时，Q1截止Q2导通，使C2放电到电压为0，Vcc给C3充电到Vcc，从而产生一个电流方向由S/R+到S/R-输出一个置位信号Uoset。当单片机输出为高电平到晶体管基极时，Q2截止Q1导通，使C3通过放电给C2充电，Vcc通过电阻R23也给C3充电，但电流较小，在很短时间内后者小于前者，可以忽略不计，最终使C2上的电压趋向于Vcc，从而产生一个电流方向由S/R-到S/R+输出一个复位信号Uoreset。输出的电压差能消除温度和非线性影响。R17/R18组成磁敏传感器的补偿电路，当没有检测磁场时，通过补偿电路产生一个补偿电流，就形成X轴方向的磁场，利用这个磁场可以抵消地磁场的影响。只要合理调节电阻器R18，补偿电流就可以完全抵消地磁场和铁磁性物质对测量的影响。集成运算放大器LMV358可自动调零，简化了运算放大器的调零电路。根据运算放大电路的连接方式可以获得放大器的输出电压公式：

由此根据上述公式可计算出X轴和Y轴的输入输出电压的关系。

3.2 单片机接口电路设计

单片机检测控制系统的硬件和软件结构设计的复杂性、可靠性、扩展性与选用的单片机芯片的资源配置有很大相关。由Atmel公司生产的Atmega16L单片机的资源配置很适合简易的模拟信号采集系统的设计。

接口电路可参见图5。Atmega16L单片机是一个高性能、低功耗的8位AVR微处理器，其自带有8路10位ADC模数转换器，在电路设计时就可以省去模数转换部分。Atmega16L单片机的资源配置简洁，很适合简易的模拟信号采集系统的设计。AVR单片机Atmega16L作为系统的控制中心，其外围电路包括AVR单片机的接口电路、电源电路、复位电路、晶振电路、电源电压检测电路和下载端口。AVR单片机的I/O线全部带可设置的上拉电阻、可单独设定为输入/输出、可设定（初始）高阻输入、驱动能力强（可省去功率驱动器件）等特性，I/O口资源灵活、功能强大，可充分利用。AVR单片机内嵌高质量的Flash程序存储器，擦写方便。

单片机芯片上有一个8路的10位逐次逼近型ADC，能对来自端口A的8路单端输入电压进行采样，内部采样保持电路确保在转换过程中输入到ADC的电压保持恒定。增强性的高速同/异步串口，具有硬件产生校验码、硬件检测和校验贞错、两级接收缓冲、波特率自动调整定位（接收时）、屏蔽数据帧等功能，提高了通信的可靠性，方便程序编写，串口功能大大超过MCS-51/96单片机的串口，加之AVR单片机高速，中断服务时间短，故可实现高波特率通信。LCD1602是工业字符型液晶，能够同时显示16x02即32个字符。液晶显示屏LCD1602的显示电路简单不再叙述[6-8]。

4 软件设计

图5 信号采集电路原理图

根据功能要求，软件设计包括液晶显示驱动、数据采集和处理、电源电压检测报警等部分。该设计中数据采集模块的主控芯片是ATmega16L，它支持在AVR-GCC开发环境下的C/C++程序代码开发。只需要用户直接调用就可以实现的操作，并支持AVR Studio下的仿真调试。软件设计采用的AVR单片机编程，主要包括A/D数据采样、数据格式显示转换和液晶显示模块等子程序，充分利用了单片机的定时中断功能来实现显示数据的自动更新功能。当进入主程序后，就连续不断地进行磁场数据采集，A/D转换器进行模数转换，再由微处理器进行数据显示格式转换后更新显示屏。

数据采集采用2.56V内部参考电压，是以查询的方式来读取A/D转换值，由于采用的是双轴磁场传感器，A/D转换选用了两个通道PA0和PA1。首先是A/D模数转换通道的选择，然后连续采样数据8次，为了减小误差，去掉第一个测量值，然后去掉其中最大值和最小值，剩下的5个值取平均值，即完成一次的数据采样，返回A/D转换值[9]。

数据格式转换函数中写出的转换表达式，只是一个简化的表达式。测量系统的调零方式采用软件调零，根据实际电路测出没有磁场检测时A/D转换端口145mV电压。HMC1052L的灵敏度为每10-4T 1mV/V，电桥电压为5V，磁场灵敏度为5mV/（10-4T），放大电路的增益系数为425。由此可以根据式（3）计算出磁场强度：

简化过后即可得到所测磁场强度：

5 系统检测与实验数据分析

系统在实际数据检测后需分析数据的可靠性。由于磁敏传感器的输出电压非常微弱，因此信号在电路中经数百倍甚至上千倍的放大。需先对端口进行电压显示检测，判断A/D输入口是否能够正确转换。具体测量是在没有检测磁场时，用万用表测出PA口的输入电压的平均值为140mV，而通过A/D转换后的电压输出值为145mV，说明其A/D转换正常，同时把145mV作为传感器输出的偏置电压，通过软件清零来消除测量的影响。通过软件控制置位/复位引脚产生置位/复位信号，提高测量灵敏度。

由于实验室的TES1390高斯计能检测的最小刻度为1×10-8T＜H，因此采用了TES1390高斯计做标准进行数据检测。在相同环境条件下，测量磁钢与仪器之间距离变化时磁场强度的变化，两个仪器的数据对比见表1。用所设计的仪器测量数据的过程中发现，双轴磁敏传感器HMC1052L对磁场的方向很敏感，所以在环境磁场中测量时要先确定方向，否则难以测出磁场的大小。

由测量数据结果看到随磁钢距离减小磁场强度增加时，相对误差增大。主要原因：磁钢近距离时磁极性影响明显；仪器磁场强度的标定模型需要反复试验，可考虑非线性模型；TES1390高斯计做标准比较粗糙，准确度较差。总之，试验系统需在硬件电路和软件系统上进一步完善。

表1 TES1390高斯计与设计系统检测数据对比

6 结束语

系统利用AVR单片机Atmega16L做控制器，单片集成磁阻传感器芯片做信号采集元件，设计出电磁场检测仪器，具有抗干扰能力强、抗震性高、稳定性好、价格便宜、成本低、功耗小、响应速度快、数据采集方便等优点，有很好的开发应用前景。同时系统需要进一步完善测量精度问题，如果需要准确判断磁场方向，差分放大电路应采用正负电源供电。除了软件补偿方式外，硬件补偿电路还需要做进一步的研究。

[1]孙宝元，杨宝清.传感器及其应用手册[M].北京：机械工业出版社，2004：227-256.

[2]吴建平.传感器原理及应用[M].北京：机械工业出版社，2009：93-99.

[3]沙占有.集成化智能传感器原理与应用[M].北京：电子工业出版社，2004（1）：222-226.

[4]王丽颖，支 炜，孙红霞，等.基于HMC1022磁阻传感器的数字电子罗盘的设计与实现[J].电子测量技术，2009（1）：108-111.

[5]袁志荣，李 智.一种新型磁阻传感器的研究及应用[J].测控技术，1999（1）：39-40.

[6]杨正忠，耿得根.AVR单片机应用开发指南及实例精解[M].北京：中国电力出版社，2008.

[7]郭颜萍，张志伟，刘 涛，等.基于AVR单片机的船舶气象仪测试系统的设计与实现[J].电子设计工程，2010，18（8）：61-63.

[8]郭家玉，倪化生，孔德义，等.三维方向磁传感器的电路设计[J].仪表技术，2008（9）：65－68.

[9]高 峰，张 合.基于单片机的三维地磁探测系统设计[J].电子测量技术，2008（9）：181-184.

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

吴建平（1954-），女，江苏江阴市人，教授，主要从事测控技术与仪器及核技术应用研究。