基于STM32的變溫霍爾效應裝置設計

孟洪州，張 科，陳 龍，向澤英，羅 浩

(西南科技大學，四川 綿陽 621010)

近年來，基于霍爾效應的半導體霍爾器件、霍爾集成電路在電磁場的檢測及自動控制等方面已得到了廣泛的應用[1]。但由于霍爾元件的測量與使用受諸多因素的影響，主要包括元件材料和工藝、零位誤差和溫度變化等，同時在霍爾測量中總會產生各種各樣的負效應，而且這些負效應的變化都與溫度有關，所以霍爾元件受溫度的影響不可忽視。

本文基于單片機等一系列較常用裝置，研究并設計出了一種變溫霍爾效應裝置。

1 霍爾效應原理

在電流的垂直方向上加以磁場，就可以在與電流和磁場都垂直的方向上產生一個電勢差,這種現象稱為霍爾效應。

當對霍爾元件進行測量時，霍爾元件在與之垂直的磁場中，由于載流子受洛侖茲力作用發生偏轉，而在垂直于電流和磁場方向的試樣的兩個端面上出現等量異號電荷，從而產生橫向電勢差U，該電勢差U稱為霍爾電壓，E稱為霍爾電場強度。此時的載流子既受到洛倫茲力作用又受到與洛倫茲力方向相反的霍爾電場力作用，當載流子所受的洛倫茲力與霍爾電場力相等時，霍爾電壓保持相對穩定。

霍爾電壓的計算方法如下：

(1)

2 變溫裝置的設計

實現變溫的設計思路主要是增加變溫器件，讓變溫裝置的工作溫度能夠從-20 ℃到100 ℃范圍內連續變化，并能夠控制其范圍內任意溫度值在測量過程中維持恒定。

變溫裝置的設計主要分硬件和軟件兩部分，本節先討論裝置硬件設計部分。

2.1 硬件設計

外部使用恒流源為整個裝置供電，核心主要使用STM32F1系列中的增強型STM32F103ZET6作為變溫裝置的CPU[2]，STM32F103ZET6是一種嵌入式微控制器的集成電路，芯體尺寸是32位，速度是72 MHz，程序存儲器容量是512 KB，程序存儲器類型是FLASH，RAM容量是64 K，具有相當高的數據處理能力和可靠性，在近幾年備受關注。

硬件設備的設計框圖如圖1所示。

圖1 設備簡圖

采用單片機STM32自帶的ADC外設，其電壓輸入范圍0～3.3 V，工作溫度為-40 ℃～80 ℃，電流消耗25 mA，電源電壓±5 V，精度可達到±0.1%。溫度傳感器采用DS18B20、DS18B20，是常用的數字溫度傳感器[3,4]，其輸出的是數字信號，方便單片機采集，具有體積小、抗干擾能力強、精度高等特點，DS18B20測溫范圍為-55 ℃～125 ℃，符合實際設計需求。

變溫裝置的溫度設計控制電路如圖2所示。

圖2 溫度控制電路

采用SRD-05VDC-SL-C型號繼電器[5]進行控制，上電一段時間后，當測得溫度值達到人為設定的溫度時，芯片管腳輸出低電平，繼電器吸合，溫度停止上升或下降，并保持在該設定溫度。圖2中所控制的負載是加熱和制冷裝置，所選用的變溫裝置分別是加熱片和制冷片，這兩種裝置可較大程度上減少所增加附件對實驗測量所帶來的負效應等因素。

2.2 軟件設計

裝置的軟件設計部分采用C語言進行編寫，用keilu5軟件創建工程，通過SW端口RS-232串口寫入STM32F103ZET6。裝置總軟件程序包括外部按鍵輸入、定時中斷、AD/DA采樣轉換、溫度采集、I2C串行通訊、OLED顯示等程序。

上電后，先對各外設使能、初始化，打開DS18B20采集溫度，經過DAC轉化為模擬溫度信號，再啟動ADC采集數據，再分析采集到的溫度數據，判斷其溫度值以及是否執行下一步操作。

裝置軟件系統設計部分的整體框圖如圖3所示。

圖3 軟件框圖

裝置達到指定溫度后，可通過4個按鍵鍵入執行相關操作，同時還可以修改相關內部參數等。該裝置更加智能化的實現了變溫操作。

3 可視化系統

3.1 系統特點

裝置使用一個Web前端可視化系統對該變溫裝置的性能進行評估，同時開發了一套基于B/S模式的Web物理實驗(基于霍爾效應實驗)數據可視化系統。系統能夠流暢地在FireFox、Chrome等主流瀏覽器運行同時兼容IE8以上的IE系列瀏覽器，能夠幫助使用者快速分析并了解實驗數據，同時還可以對在不同溫度下得到的實驗數據進行橫向對比分析，讓實驗結果更加直觀。

系統界面簡潔，功能較豐富，使用方便，遵循W3C相關標準，能夠在主流的瀏覽器上運行；且系統運行在標準HTTP協議下，系統中的數據傳輸均遵循該協議；使用標準Web Service為應用程序提供 Web 服務。

3.2 系統架構設計及開發框架

系統采用B/S系統設計架構[6]和MVC架構[7]，設計精巧，使用簡單。系統在瀏覽器端主要采用HTML、JavaScript和CSS來實現表現層的各項用戶功能，包含JQuery、Echartsd等庫。目前相關數據經處理后通過ajax異步傳輸，當需要進行大規模數據處理時，服務器端可用Python語言和Flask框架開發，同時數據庫服務器采用MySQL8.0+。

該系統目前主要有3個功能，能夠通過不同的方式展示霍爾效應相關實驗數據及其特點。設計系統的顯示界面如圖4。

圖4系統頁面分為3個部分，頁面左側、右側和底部可分別實現不同的功能。

左側部分可切換到不同實驗步驟，了解該步驟基本原理、注意事項、相關參數意義及數據結果；

圖4 可視化頁面

右側部分可對某一溫度下相關實驗數據進行大小排位，同時可橫向對比三個不同溫度下的電阻、電壓等關鍵數據的變化。該部分用到的數據為10次實驗數據去掉異常值后的平均值；

底部可通過柱狀圖和對數軸的交互，可以直觀地觀測某個實驗參數數值隨溫度變化趨勢，同時還可以做不同組數據間的大小對比。

4 結 語

本文設計了一種變溫霍爾效應裝置，在霍爾效應實驗裝置的基礎上，應用STM32單片機和繼電器溫度控制等硬件電路以及web可視化系統，研究了一種新型霍爾效應變溫裝置的設計方法。該裝置和傳統霍爾效應裝置相比，具有易于操作、適用范圍更廣、成本更低、集成度高和微型化、更智能化等特點，可以讓溫度變化范圍更廣，操作更加簡單，數據處理更加精確，同時利用該裝置的可視化系統，可以讓結果得以更加清晰、客觀地呈現。

注：本文內容來自2020全國大學生物理實驗競賽創新類獲獎項目。