基于STM32的变温霍尔效应装置设计

孟洪州，张 科，陈 龙，向泽英，罗 浩

(西南科技大学，四川 绵阳 621010)

近年来，基于霍尔效应的半导体霍尔器件、霍尔集成电路在电磁场的检测及自动控制等方面已得到了广泛的应用[1]。但由于霍尔元件的测量与使用受诸多因素的影响，主要包括元件材料和工艺、零位误差和温度变化等，同时在霍尔测量中总会产生各种各样的负效应，而且这些负效应的变化都与温度有关，所以霍尔元件受温度的影响不可忽视。

本文基于单片机等一系列较常用装置，研究并设计出了一种变温霍尔效应装置。

1 霍尔效应原理

在电流的垂直方向上加以磁场，就可以在与电流和磁场都垂直的方向上产生一个电势差,这种现象称为霍尔效应。

当对霍尔元件进行测量时，霍尔元件在与之垂直的磁场中，由于载流子受洛仑兹力作用发生偏转，而在垂直于电流和磁场方向的试样的两个端面上出现等量异号电荷，从而产生横向电势差U，该电势差U称为霍尔电压，E称为霍尔电场强度。此时的载流子既受到洛伦兹力作用又受到与洛伦兹力方向相反的霍尔电场力作用，当载流子所受的洛伦兹力与霍尔电场力相等时，霍尔电压保持相对稳定。

霍尔电压的计算方法如下：

(1)

2 变温装置的设计

实现变温的设计思路主要是增加变温器件，让变温装置的工作温度能够从-20 ℃到100 ℃范围内连续变化，并能够控制其范围内任意温度值在测量过程中维持恒定。

变温装置的设计主要分硬件和软件两部分，本节先讨论装置硬件设计部分。

2.1 硬件设计

外部使用恒流源为整个装置供电，核心主要使用STM32F1系列中的增强型STM32F103ZET6作为变温装置的CPU[2]，STM32F103ZET6是一种嵌入式微控制器的集成电路，芯体尺寸是32位，速度是72 MHz，程序存储器容量是512 KB，程序存储器类型是FLASH，RAM容量是64 K，具有相当高的数据处理能力和可靠性，在近几年备受关注。

硬件设备的设计框图如图1所示。

图1 设备简图

采用单片机STM32自带的ADC外设，其电压输入范围0～3.3 V，工作温度为-40 ℃～80 ℃，电流消耗25 mA，电源电压±5 V，精度可达到±0.1%。温度传感器采用DS18B20、DS18B20，是常用的数字温度传感器[3,4]，其输出的是数字信号，方便单片机采集，具有体积小、抗干扰能力强、精度高等特点，DS18B20测温范围为-55 ℃～125 ℃，符合实际设计需求。

变温装置的温度设计控制电路如图2所示。

图2 温度控制电路

采用SRD-05VDC-SL-C型号继电器[5]进行控制，上电一段时间后，当测得温度值达到人为设定的温度时，芯片管脚输出低电平，继电器吸合，温度停止上升或下降，并保持在该设定温度。图2中所控制的负载是加热和制冷装置，所选用的变温装置分别是加热片和制冷片，这两种装置可较大程度上减少所增加附件对实验测量所带来的负效应等因素。

2.2 软件设计

装置的软件设计部分采用C语言进行编写，用keilu5软件创建工程，通过SW端口RS-232串口写入STM32F103ZET6。装置总软件程序包括外部按键输入、定时中断、AD/DA采样转换、温度采集、I2C串行通讯、OLED显示等程序。

上电后，先对各外设使能、初始化，打开DS18B20采集温度，经过DAC转化为模拟温度信号，再启动ADC采集数据，再分析采集到的温度数据，判断其温度值以及是否执行下一步操作。

装置软件系统设计部分的整体框图如图3所示。

图3 软件框图

装置达到指定温度后，可通过4个按键键入执行相关操作，同时还可以修改相关内部参数等。该装置更加智能化的实现了变温操作。

3 可视化系统

3.1 系统特点

装置使用一个Web前端可视化系统对该变温装置的性能进行评估，同时开发了一套基于B/S模式的Web物理实验(基于霍尔效应实验)数据可视化系统。系统能够流畅地在FireFox、Chrome等主流浏览器运行同时兼容IE8以上的IE系列浏览器，能够帮助使用者快速分析并了解实验数据，同时还可以对在不同温度下得到的实验数据进行横向对比分析，让实验结果更加直观。

系统界面简洁，功能较丰富，使用方便，遵循W3C相关标准，能够在主流的浏览器上运行；且系统运行在标准HTTP协议下，系统中的数据传输均遵循该协议；使用标准Web Service为应用程序提供 Web 服务。

3.2 系统架构设计及开发框架

系统采用B/S系统设计架构[6]和MVC架构[7]，设计精巧，使用简单。系统在浏览器端主要采用HTML、JavaScript和CSS来实现表现层的各项用户功能，包含JQuery、Echartsd等库。目前相关数据经处理后通过ajax异步传输，当需要进行大规模数据处理时，服务器端可用Python语言和Flask框架开发，同时数据库服务器采用MySQL8.0+。

该系统目前主要有3个功能，能够通过不同的方式展示霍尔效应相关实验数据及其特点。设计系统的显示界面如图4。

图4系统页面分为3个部分，页面左侧、右侧和底部可分别实现不同的功能。

左侧部分可切换到不同实验步骤，了解该步骤基本原理、注意事项、相关参数意义及数据结果；

图4 可视化页面

右侧部分可对某一温度下相关实验数据进行大小排位，同时可横向对比三个不同温度下的电阻、电压等关键数据的变化。该部分用到的数据为10次实验数据去掉异常值后的平均值；

底部可通过柱状图和对数轴的交互，可以直观地观测某个实验参数数值随温度变化趋势，同时还可以做不同组数据间的大小对比。

4 结 语

本文设计了一种变温霍尔效应装置，在霍尔效应实验装置的基础上，应用STM32单片机和继电器温度控制等硬件电路以及web可视化系统，研究了一种新型霍尔效应变温装置的设计方法。该装置和传统霍尔效应装置相比，具有易于操作、适用范围更广、成本更低、集成度高和微型化、更智能化等特点，可以让温度变化范围更广，操作更加简单，数据处理更加精确，同时利用该装置的可视化系统，可以让结果得以更加清晰、客观地呈现。

注：本文内容来自2020全国大学生物理实验竞赛创新类获奖项目。