基于LabVIEW的亥姆霍茲線圈磁場自動測量系統(tǒng)

呂紅英，顧明華，李凌燕，劉景鋒

(華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 理學(xué)院，廣東 廣州 510642)

1 引 言

在傳統(tǒng)的霍爾傳感器測量亥姆霍茲線圈磁場的實驗中，學(xué)生對每個位置調(diào)零后，記錄該點的磁感應(yīng)強度值. 整個實驗要測量190個位置的數(shù)據(jù)，工作量很大. 本文設(shè)計利用單片機控制步進電機，自動調(diào)整霍爾傳感器的位置，利用繼電器控制線圈供電線路的通斷，進行調(diào)零處理后，將該點的磁感應(yīng)強度的值送入計算機，由計算機自動繪制磁場的分布曲線.

2 系統(tǒng)功能介紹

圓線圈和亥姆霍茲線圈磁場的測量實驗儀由2部分組成：線圈架和磁場測量儀器. 2個圓線圈各500匝，圓線圈的平均直徑R=10.00 cm. 實驗平臺的臺面在2個對稱圓線圈軸線上，臺面上有相間1.00 cm的均勻刻線. 磁場測量儀器部分包括勵磁電流輸出和霍爾傳感器. 實驗內(nèi)容為：

1) 測量圓電流線圈軸線上磁感應(yīng)強度的分布. 接好電路，調(diào)節(jié)磁場實驗儀的輸出功率，使勵磁電流有效值為I=100 mA，以圓電流線圈中心為坐標(biāo)原點，每隔10.0 mm，放置好霍爾傳感器，斷開線圈電流，對實驗儀調(diào)零后，測Umax值，測量過程中注意保持勵磁電流值不變，記錄數(shù)據(jù)并作出磁場分布曲線圖.

2)測量亥姆霍茲線圈軸線上磁感應(yīng)強度的分布. 把2組線圈串聯(lián)起來，接好電路，調(diào)節(jié)磁感應(yīng)強度測試儀的輸出功率，使勵磁電流有效值仍為I=100 mA. 以2個圓線圈軸線上的中心點為坐標(biāo)原點，調(diào)零后每隔10.0 mm測Umax值. 記錄數(shù)據(jù)并作出磁感應(yīng)強度分布曲線圖.

3)增大和減小2個線圈的中心間距，重復(fù)以上測量[1].

本系統(tǒng)在傳統(tǒng)實驗器材的基礎(chǔ)上，加裝了繼電器和步進電機控制系統(tǒng). 利用繼電器控制勵磁線圈電流的通斷，以便對磁場測量進行調(diào)零. 步進電機控制系統(tǒng)帶動霍爾傳感器在亥姆霍茲線圈所在軸線上進行左右移動. 使用單片機作為下位機，接收上位機的LabVIEW指令，控制步進電機工作，并將霍爾傳感器采集到的電壓數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機，利用LabVIEW進行數(shù)據(jù)處理和曲線顯示. 系統(tǒng)硬件框圖如圖1所示.

圖1 系統(tǒng)硬件框圖

3 系統(tǒng)的硬件部分

3.1 主控芯片STC12C5410AD

STC12C5410系列單片機是由宏晶科技生產(chǎn)的單時鐘/機器周期(1T)的兼容8051內(nèi)核單片機，是高速/低功耗的新一代8051單片機，全新的流水線/精簡指令集結(jié)構(gòu)，內(nèi)部集成MAX810專用復(fù)位電路. STC12C5410AD單片機中包含中央處理器、程序存儲器(Flash)、數(shù)據(jù)存儲器(RAM)、EEPROM、定時/計數(shù)器、I/O接口、UART接口和中斷系統(tǒng)、SPI接口、高速A/D轉(zhuǎn)換模塊、PWM(或捕捉/比較單元)以及硬件看門狗、電源監(jiān)控、片內(nèi)RC振蕩器等模塊. STC12C5410AD單片機幾乎包含了數(shù)據(jù)采集和控制中所需的所有單元模塊，稱得上片上系統(tǒng)(SOC)，可以很容易地構(gòu)成典型的測控系統(tǒng).

STC12C5410AD自帶8路10位ADC，A/D轉(zhuǎn)換口在P1口(P1.7～P1.0)，有8路10位高速A/D轉(zhuǎn)換器，速度可達(dá)到100 kHz. 8路電壓輸入型A/D，可做溫度檢測、電池電壓檢測、按鍵掃描、頻譜檢測等. 上位機復(fù)位后P1口位弱上拉型I/O口，用戶可以通過軟件設(shè)置將8路中的任何一路設(shè)置為A/D轉(zhuǎn)換，不需作為A/D使用的口可繼續(xù)作為I/O口使用.

3.2 串口通信模塊

MAX232芯片是美信公司專門為電腦的RS-232標(biāo)準(zhǔn)串口設(shè)計的接口電路，使用+5 V單電源供電. 它的內(nèi)部結(jié)構(gòu)基本可分3個部分：第一部分是電荷泵電路，由1～6腳和4只電容構(gòu)成，功能是產(chǎn)生+12 V和-12 V電源，提供給RS-232串口電平的需要. 第二部分是數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換通道，由7～14腳構(gòu)成2個數(shù)據(jù)通道，其中13腳(R1IN)、12腳(R1OUT)、11腳(T1IN)、14腳(T1OUT)為第一數(shù)據(jù)通道，8腳(R2IN)、9腳(R2OUT)、10腳(T2IN)、7腳(T2OUT)為第二數(shù)據(jù)通道. TTL/CMOS數(shù)據(jù)從T1IN和T2IN輸入轉(zhuǎn)換成RS-232數(shù)據(jù)從T1OUT和T2OUT送到電腦DP9插頭； DP9插頭的RS-232數(shù)據(jù)從R1IN和R2IN輸入轉(zhuǎn)換成TTL/CMOS數(shù)據(jù)后從R1OUT和R2OUT輸出[2]. 而這里用只需1個通道就行了. 所以第一通道的11～14腳就全空腳，只用了第二通道的4只腳. 第三部分是供電，15腳DNG、16腳VCC(+5 V).

3.3 傳感器和步進電機系統(tǒng)

Allegro公司生產(chǎn)的霍爾傳感器A1321，具有高精度、響應(yīng)速度快、性能穩(wěn)定等特點. 靜態(tài)輸出半工作電壓，工作電壓為5 V時，傳感器采樣轉(zhuǎn)換率為50.000 V/T. 步進電機及步進電機驅(qū)動器DKD-TB6560是東芝公司推出的低功耗、高集成兩相混合式步進電機驅(qū)動芯片. 其主要特點有：內(nèi)部集成雙全橋MOSFET 驅(qū)動；最高耐壓40 V，單相輸出最大電流3.5 A(峰值)；具有整步、1/2、1/8、1/16 細(xì)分方式；內(nèi)置溫度保護芯片，溫度大于150 ℃時自動斷開所有輸出；具有過流保護功能. 采用PWM 斬波型正弦曲線微階控制技術(shù)；最大輸出驅(qū)動電流3 A(峰值)；最大脈沖頻率16 kHz；接口采用高速光耦隔離；衰減4擋可調(diào)；電機運行平穩(wěn)噪聲小；外形美觀，散熱效果好，易于安裝.

4 系統(tǒng)的軟件設(shè)計

4.1 步進電機程序

單片機上電后，對步進電機及步進電機驅(qū)動器DKD-TB6560進行初始化，配置步進電機的工作模式，然后等待信號指令，當(dāng)單片機接收到來自鍵盤或者上位機的信號指令時，單片機給TB6560發(fā)送信號，驅(qū)動步進電機，使傳感器沿著亥姆霍茲線圈平面的X軸前后移動，到達(dá)需要采集磁場信號的位置，完成信號采集之后，繼續(xù)等待指令.

4.2 單片機串口收發(fā)程序

單片機上電之后，對P口和串口進行初始化，確定P口的功能以及串口接收和發(fā)送的模式，本設(shè)計采用頻率為11.059 2 MHz的晶振，波特率更加準(zhǔn)確，固定為4 800 b/s，確保了串口電路的穩(wěn)定性. 模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊采用10位ADC模式，采樣精度達(dá)到4.88 mV. P口和串口初始化之后，單片機等待上位機或者單片機上鍵盤的指令，如果接收到采集指令，則啟動采集程序，采集完畢，得到電壓數(shù)據(jù). 此時串口發(fā)送程序啟動，把采集回來的電壓數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機，完成1個采集數(shù)據(jù)并發(fā)送的過程.

4.3 單片機采集程序

當(dāng)單片機接收到上位機送來的采集指令之后，啟動采集程序，通過單片機自帶的ADC模塊進行采集. 傳統(tǒng)的亥姆霍茲線圈磁場測量實驗中，每測量1個數(shù)據(jù)，必須先將直流電源輸出電路斷開，對測試儀調(diào)零后，才能測量和記錄數(shù)據(jù)，其目的在于去除地磁場的影響. 在本設(shè)計中，利用單片機控制繼電器的通斷，從而控制線圈電路的通斷. 每個采集指令都會進行2次采集，第1次采集時繼電器斷開(線圈電路斷開，I=0 mA)，采集1次數(shù)據(jù)，此時為地磁感應(yīng)強度值；第2次采集時繼電器合上(線圈電流為I=100 mA)，采集1次數(shù)據(jù)，此時為引入了地磁場影響的亥姆霍茲線圈磁感應(yīng)強度值. 使后者減去前者，即可得到去除了地磁場影響的亥姆霍茲線圈磁感應(yīng)強度值.

4.4 上位機LabVIEW程序

圖2 LabVIEW程序前面板

完整LabVIEW程序需要集成發(fā)送指令、接收數(shù)據(jù)、實驗?zāi)Ｊ竭x擇及磁感應(yīng)強度理論值顯示、生成磁感應(yīng)強度測量值-位置曲線的功能. 程序前面板如圖2所示. LabVIEW程序向單片機發(fā)送不同指令，使得單片機產(chǎn)生不同的響應(yīng)，有采集指令、左移1 cm指令、右移1 cm指令. 采集指令使得單片機采集1次磁場信號數(shù)據(jù)，發(fā)送給上位機. 移動指令使得上位機發(fā)送移動信號給單片機，單片機再驅(qū)動步進電機，使得霍爾傳感器在亥姆霍茲線圈磁場平面產(chǎn)生不同的位移，即可在此位置采集到相應(yīng)的磁感應(yīng)強度值. 上位機與單片機通信指令如表1所示. LabVIEW提供了VISA庫供用戶對儀器進行控制. VISA是虛擬儀器軟件結(jié)構(gòu)體系(Virtual instrument software architecture)的簡稱. VI-SA是在所有LabVIEW工作平臺上控制VXI，GPIB，RS-232以及其他種類儀器的單接口程序庫. LabVIEW將這些VISA節(jié)點單獨組成子模板，共包含6個節(jié)點(VISA Configure SerialPort,VISA Write,VISA Read,VISA Clear,VISAClose等)，分別實現(xiàn)初始化串口、串口寫、串口讀、清空串口緩存、關(guān)閉串口等功能[3]. 利用串口子函數(shù)實現(xiàn)的上位機發(fā)送左移1 cm指令，使用字符串“1”作為指令；發(fā)送右移1 cm指令，使用字符串“2”作為指令；發(fā)送采集指令，定義字符串“5”作為采集指令. 當(dāng)按下采集按鈕后，上位機通過串口給單片機發(fā)送字符串“5”指示單片機進行采集，然后等待單片機向上位機發(fā)回2個8位的字符串，經(jīng)過轉(zhuǎn)換，得到2個8位的數(shù)值，分別為單片機采集到的電壓的高八位和低二位. 經(jīng)過數(shù)學(xué)轉(zhuǎn)換，可以得到電壓和磁感應(yīng)強度測量值. 當(dāng)完成所有位置的磁場測量之后，將位置數(shù)據(jù)和磁感應(yīng)強度測量值送到LabVIEW中的X-Y圖函數(shù)當(dāng)中，即可生成磁感應(yīng)強度測量值-位置曲線圖.

表1 上位機與單片機通信指令定義

圓線圈和亥姆霍茲線圈磁場測量實驗共有4個實驗?zāi)Ｊ剑簡尉€圈、亥姆霍茲線圈(R=10 cm)、雙線圈(R=5 cm)、雙線圈(R=20 cm). 用LabVIEW編程，根據(jù)實驗參量，預(yù)先計算出不同模式下的磁感應(yīng)強度理論值. 在前面板點選不同的模式，就能顯示該模式下實驗平臺相應(yīng)位置點的磁感應(yīng)強度理論值，可與實驗值進行比較，有助于觀察實驗的誤差. 完整程序框圖如圖3所示.

圖3 亥姆霍茲線圈磁場自動化測量系統(tǒng)完整程序框圖

5 結(jié)束語

在LabVIEW環(huán)境下設(shè)計了亥姆霍茲線圈磁場自動測量系統(tǒng)，系統(tǒng)的硬件主要由單片機、串口收發(fā)模塊、步進電機模塊、傳感器模塊組成. 軟件方面實現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集、發(fā)送左移1 cm命令、發(fā)送右移1 cm命令、實驗?zāi)Ｊ竭x擇以及對應(yīng)磁感應(yīng)強度理論值顯示、生成磁感應(yīng)強度-位置曲線圖. 本系統(tǒng)能夠自動采集磁場數(shù)據(jù)；電腦操縱傳感器位置，免除人手操作；自動去除地磁場的影響，免除了每次采集數(shù)據(jù)之前的人工調(diào)零，節(jié)省了勞動力；自動生成磁感應(yīng)強度-位置曲線，不需人工繪制；多種模式選擇，能夠預(yù)先設(shè)置好磁感應(yīng)強度理論值并顯示. 既可用于改進傳統(tǒng)實驗，使學(xué)生將更多精力用于實驗探索和思考，也可用于課堂演示，加深學(xué)生對理論知識的理解.

參考文獻：

[1] 習(xí)崗，楊初平. 大學(xué)物理實驗[M]. 2版. 北京：中國農(nóng)業(yè)出版社，2009：126-130.

[2] 郭天祥. 51單片機C語言教程[M]. 北京：電子工業(yè)出版社，2010：114-120.

[3] 阮奇楨. 我和LabVIEW [M]. 北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2009：38-54