基于单片机的亥姆霍兹线圈磁场分布测量装置的研制

聂士忠

(中国石油大学,山东东营 257061)

基于单片机的亥姆霍兹线圈磁场分布测量装置的研制

聂士忠

(中国石油大学,山东东营 257061)

介绍了设计制作的基于AVR单片机的亥姆霍兹线圈磁感应强度分布测量装置。单片机统一协调和控制整个系统的工作,步进电机和丝杆控制霍尔元件的移动,A/D芯片将霍尔电压转换为数字信号,通过USB接口传输到上位机,上位机计算磁感应强度,并画出磁感应强度分布曲线。装置工作稳定,测量结果与理论值符合较好,可用于学生实验或演示实验中。

单片机;亥姆霍兹线圈;磁感应强度分布;测量装置

目前计算机数据采集和处理广泛地应用于物理实验中,使数据测量的速度和精度都得到了很大的提高[1-2]。这既改进了传统的实验仪器,丰富了实验方法和手段,又提高了实验的准确度和稳定性,同时也有助于学生对物理过程的观察和对物理规律的理解,提高了学生的学习兴趣。

随着计算机软硬件技术的发展和器件价格的降低,完全可以自主设计制作符合自己要求的数据采集装置,我们设计制作了亥姆霍兹线圈[3-5]磁感应强度测量装置。利用该装置可实现对亥姆霍兹线圈磁感应强度的自动测量,并绘出磁感应强度的分布图。

图1 亥姆霍兹线圈示意图

亥姆霍兹线圈如图1所示,当两线圈通以大小相同、方向相同或相反的电流时,线圈轴线上任一点 x处的磁感强度理论值为

式中 N是线圈匝数,R是线圈半径,I表示电流。

1 系统设计

装置主要包括数据采集/控制板和机械部分,数据采集/控制板以单片机为核心,一方面控制步进电机,另一方面通过A/D芯片采集霍尔电压并传输到上位机,由上位机完成磁感应强度的计算和画图工作;机械部分包括减速步进电机和精密丝杆,它们控制霍尔元件的移动。整个系统是在单片机的控制和协调下工作的,原理框图如图2所示。

1.1 硬件设计

单片机选用AVRAtmega16L[3-4],具有功耗低、速度快、内部 FLASH大(16KB)、可在线JTAG编程仿真、具有SPI硬件接口等特点。

A/D转换芯片AD7705[5-7]有两个双端模拟信号输入通道,分辨率为16位无丢失代码,增益、信号极性以及更新速率等可由软件设置。AD7705片内可编程增益放大器的增益范围为1～128,可与多种传感器直接相连,无须外接放大器,并且内置可编程的自校准电路,通过对零点和满度的校准,可有效去除零点漂移和增益误差的影响。支持SPI(SerialPeripheralInterface)串行总线接口,因而与单片机的接线大大减少,简化了硬件的设计。

本装置具有 USB接口,使用 USB20D型USB接口可编程控制模块[8-9]。目前 USB接口得到了越来越广泛的应用,但USB接口的开发往往难度较大,周期较长。本装置使用USB20D模块,大大简化了 USB接口的开发。USB20D是USB2.0通用接口模块,作为嵌入式模块使用,可以避开USB接口设计所需的繁琐技术细节,使用者不必关心固件程序和驱动程序,应用程序通过调用本模块提供的DLL动态连接库函数,就可以把相应的功能转变成模块接口上的一系列脉冲和电平,从而完成需要的数据传输工作。本模块提供了地址I/O和批量DMA两种数据传输模式。

图2 测量装置原理示意图

图3 测量装置的外形

步进电机是二相混合式减速步进电机,减速比为1∶10,还使用了SH20403型带细分步进电机驱动器。

电源电路为单片机、A/D芯片、步进电机、霍尔元件、线圈等提供电源。

另外,还设计有光电门用于控制霍尔元件复位。

1.2 软件设计

软件部分包括上位机程序和单片机程序两部分。

上位机程序是在VB6.0环境中开发的,主要包括通过USB20D模块从单片机读取数据、计算和画图等。通过USB20D读取数据的程序为

单片机程序是用AVRGCC开发[10-12]的,数据传输采用中断方式,USB20D读数据的控制信号PRD做为中断触发信号,一个A/D转换的16位数据分两次传输,中断处理程序如下

2 测量结果

利用本装置对线圈轴线上的磁感应强度进行测量,图4表示两线圈中电流方向相同时(亥姆霍兹线圈)磁感应强度的分布曲线,可见两线圈中间磁感应强度比较均匀,图5表示两线圈中电流方向相反时磁感应强度的分布曲线。虚线(数据点)表示测量值,实线表示理论值,由图可见测量值与理论值符合较好。把霍尔元件偏离线圈中心,也可以测量与轴线平行的其它直线上的磁感应强度分布。

图4 两线圈电流同方向时(亥姆霍兹线圈)磁感应强度分布曲线

图5 两线圈电流反向时磁感应强度分布曲线

3 结 论

本装置工作稳定,可快速准确地测绘出磁感应强度分布,包括测量单线圈和两线圈通以同向或反向电流等多种情形。本装置可用于学生实验中,做为手动测量的补充,以提高学生的学习兴趣,也可用于演示实验中,通过计算机画出的分布曲线,可进一步加深对亥姆霍兹线圈磁感应强度分布规律的理解。

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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

中国石油大学2008年教学实验技术改革项目“普通物理实验教学体系改革与系列实验项目开发”资助;中国石油大学2008年教学实验技术改革项目。