基于MCU新型智能勵磁儀的設計與實現

摘要：提出了一種以現代化的單片機控制技術為基礎，結合D／A轉換、模擬電子開關、功率放大、液晶顯示和串行通信等技術實現對鐵磁材料的磁滯回線進行測量的新方法，并在該方法的基礎上成功設計并研制出一種新型智能勵磁儀，將新儀器與分析儀、上位機等進行聯機試驗，結果表明新儀器具有更加友好的用戶界面，所得實驗數據的精度高、可靠性好。同時新儀器具有手動／自動兩種工作模式，且可以實現與上位機的數據通信，自動化和智能化程度大大提高。
關鍵詞：單片機；D／A轉換；模擬電子開關；功率放大；液晶顯示；磁滯回線；智能化

“鐵磁材料磁化特性研究”是大學基礎物理實驗中一個經典的實驗項目，該實驗可使學生了解鐵磁質在磁場中磁化原理與磁化規律，并可測定樣品的磁滯回線，確定其矯頑力、剩磁感應強度、最大磁場、最大磁感應強度及磁滯損耗等重要的物理參數，讓學生認識到鐵磁材料在制造永久磁鐵、電機、變壓器、電磁鐵等方面存在廣泛的作用和具有的重要實用價值。
整套的實驗裝置由3個儀器組成：勵磁儀、分析測試儀和監測示波器。勵磁儀是整個實驗系統的關鍵。

1 磁滯回線勵磁儀工作原理
1．1 基本工作原理
鐵磁材料的電磁變換與電壓信號產生原理如圖1所示。

就是勵磁場的磁場強度H，與初級線圈的電流形成比例關系。次級線圈接積分電路，可以測量鐵芯中的磁感應強度B。
1. 2 勵磁儀工作原理
勵磁儀工作電路閉如圖2所示，將被測樣品做成變壓器的鐵芯，初級線圈中的勵磁電流由電源提供，在交流電作用下，鐵芯產生交變磁場，根據法拉第電磁感應定律可知，在次級線圈中將產生感應電動勢。

1)初級回路設計：變壓器的平均磁路長度L，初級線圈的匝數N，勵磁電流I1與取樣電阻R1(由10只0．5 Ω的電阻串聯，阻值大小由K2選取)，勵磁電壓U1分為多擋(由K1選取)，由式(1)和歐姆定律可得：

2)次級回路設計：感應電動勢在次級回路中產生電流I2，通過有C2、R2組成的積分電路后，其磁感應強度B與輸出電壓U2可得：

其中S是樣品的截面積，n是次級線圈的匝數，上式反映出B值與輸出電壓的相關特性。
如圖2所示，把U1、U2電壓信號分別接入雙蹤示波器的X、Y端進行同步監測，在屏幕上顯示反映H與B變化規律的實驗測試樣品材料的磁化特性曲線——磁滯回線(如圖3所示)。

1．3 測量參數
從圖3磁滯回線的H與B變化值中，可以獲得鐵磁性樣品材料的重要物理技術參數：
Hm為最大磁場強度，Bm為最大磁感應強度，Br為剩磁感應強度，Hc為矯頑力，面積反映磁滯損耗等等。通過以上參數可以知道與判明樣品材料的類別屬性、特征及實用的物理技術參量。
1．4 實驗裝置的總體架構
實驗裝置的總體架構如圖4所示。被測樣品的初級線圈中的勵磁電流由交流電源提供。在交流電作用下，鐵芯產生交變磁場，根據法拉第電磁感應定律可知，在次級線圈中將產生感應電動勢。由前述分析結果所知，電磁感應的H、B參量值與初級和次級線圈中電壓信號U1和U2的存在相關特性，將U1與U2分別接入示波器X—Y輸入端，屏幕上就可顯示出表示H與B變化的磁滯回線，實現同步實時監測實驗儀的輸出狀況；同時由分析測試儀采集U1、U2電壓信號，經過放大、運算等處彈，顯示輸出相關的技術參教。

2 新型勵磁儀的設計與基本構成
研制新型智能勵磁儀的關鍵核心是設計一個帶微處理器的、具有程控放大器功能的勵磁控制器，即為一個程控穩壓源。這個程控穩壓源不同于一般意義上的直流穩壓源，而是要產生交變磁場作用的交流穩壓源，既輸出幅值被受控的、具有完整形態正弦電壓。輸出正弦電壓的幅值由單片機控制，實現程控穩定幅度的技術要求。
本系統主要由交流信號源模塊、電壓幅值調節模塊、電壓驅動模塊、電阻采樣模塊和液晶顯示模塊、單片機控制模塊6個部分組成。
整套電路的結構如圖5所示。

2．1 交流信號源模塊
勵磁儀正常工作建立在正弦交流信號基礎上。交流信號的產生使用如圖6所示的簡單實用的小功率變壓器和由運算放大器OP07和電阻、電容組成的有源二階低通濾波網絡，由市電50 Hz的交流電源降壓得到5 V左右的交流電壓。

在R2=R3且C2=C3時，由運算放大器OP07和電阻、電容組成的有源二階低通濾波網絡的截止頻率為：

選取合適的電阻和電容的值使該電路的截止頻率約為50 Hz，這樣經過變壓器的正弦電壓信號再經過有源二階低通濾波網絡后可以方便的消除高次諧波的干擾，獲得較為理想的50 Hz正弦交流電壓信號，信號頻率和幅度的穩定性都較高。
2．2 電壓幅值調節模塊
電壓幅值調節電路采用數／模轉換器DAC0832實現由單片機的數字量對輸出電壓的控制。
DAC0832為8位倒T型電阻網絡形式的數模轉換器，與微處理器完全兼容，其輸出模擬電壓的表達式為：

其中，VREF為參考電壓，Rf為反饋電阻，R為電阻網絡的電阻值。
DAC0832的內部邏輯框圖如圖7所示，其由8位輸入鎖存器、8位DAC寄存器、8位D／A轉換器四大部分組成。

利用DAC0832組成的電壓幅值調節電路如圖8所示，該電路在保證輸入參考電壓的精度的基礎上，輸出電壓的精度也很高。圖中，DAC0832采用直通的接法，即控制腳CS、XFER、WR1、WR2接低電平，ILE接高電平。運放LM741起到將DAC0832電流輸出轉換為電壓輸出的作用。數據線D0～D7接單片機的P1口。

電路運行時，通過鍵盤輸入改變單片機P1口的輸出的8位數字量，就可改變輸出電壓的幅值，從而實現了對輸出電壓幅值的控制。
2．3 電壓驅動模塊
信號輸出的最后一級為普通運放LM741，驅動能力有限，其極限電流在十幾到幾十毫安左右。為了保證勵磁效果的正常工作，在電路的最后一級之后增加了功率放大電路，使整個電路具有300 mA的電流輸出，增加電路的帶負載能力。
功率放大電路如圖9所示，采用分立元件三極管等搭建而成。

由R9、Q1、D1、R10、Q5、D2、R11、R12組成了可消除交越失真的OCL(無輸出電容功率放大電路)電路，即使輸入電壓很小，總能保證至少一只晶體管導通，從而消除了交越失真。后兩級均采用基本的OCL電路，其中最后一級由兩組并聯分流。
該方案采用了三級管、二極管等常用器件，大大節約了成本，同時在三極管上添加了散熱片，起到了很好的散熱效果。
2．4 電阻采樣模塊
采用兩片模擬電子開關CD4051級聯構成電阻采樣電路，如圖10所示，兩片芯片公共端相連，控制線A、B、C相連后分別接單片機P2．0、P2．1、P2．2口，第一片芯片的INH端接P2．3口，再經過一個三極管構成的反向器接到第二片的INH端。通過控制P2．0-P2．3口的輸出量可以控制采樣電阻的大小，芯片供電VCC=+5 V，GND=0，VEE=-12 V，則0～5 V的數字信號可控制-12～5 V的模擬信號，滿足電路的要求。

2．5 液晶顯示模塊
新儀器改用液晶LCD1602顯示采樣電阻和勵磁電壓的大小，如圖11所示，使得用戶界面更加友好。電位器W1可以調整液晶的對比度。

2．6 通信接口
采用RS-232標準串行接口與分析儀(或其他外設，如上位機)進行數據通信，實現智能儀器所具備的控制與拓展功能。
利用單片機內部的串行異步通信口，完成發送前并行到串行的轉換；接收后從串行到并行的轉換。由于RS232接口標準定義為±15 V的負邏輯信號電平與TTL不能兼容，需選用MAX232電平轉換器實現信號對接。MAX232只需一個+5 V的電源供電，內部集成了DC／DC電源轉換系統、輸出驅動器和接收驅動器；外部只接4個0．1μF的電容就能完成信號電平轉換，功耗小，電平轉換速度快，最高達1 Mbps。接口電路如圖12所示。

采用最簡便的9個端子標準接口，可用DB-9型接插件。把單片機TXD與RXD腳分別連接MAX232芯片的11與12腳，加上一根信號地線，就可實現最簡單的全雙工串行數據通信。
2．7 單片機模塊
采用低功耗、高性能8位單片機AT89S52作為控制元件，它具有8K系統可編程Flash存儲器，在眾多嵌入式控制應用系統中得到廣泛應用。以AT89S52為核心的控制電路如圖13所示。

AT89S52的32個可編程的I／O口線中，P1口與DAC0832的數字量輸入端相連，通過按鍵改變P1口輸出的數字量，從而控制DAC0832轉換得到的模擬量。P2口的P2．0～P2．3與電阻采樣模塊的兩片模擬電子開關相連，實現兩片模擬電子開關的級聯，兩片模擬電子開關的公共端相連，控制線A、B、C相連后分別接單片機P2．0、P2．1、P2．2口，第一片芯片的INH端接P2．3口，再經過一個三極管構成的反向器接到第二片的INH端。通過控制P2．0-P2．3口的輸出量可以控制采樣電阻的大小。P0口和P2．4～P2．6與液晶LCD1602相連，實現對勵磁電壓和采樣電阻大小的顯示。
整套實驗儀器的程序流程圖如圖14所示。

3 結論
新型智能勵磁儀運用現代電子技術實現了對老儀器的深度改造，突出了新型和智能的特點。儀器采用程控的方式，使勵磁電壓的步進值大大減小，實現了對磁滯回線的高精度測量；采用按鍵控制的方式代替了原有的機械旋鈕控制，大大提高了儀器的使用壽命；與上位機和分析儀聯機可實現對鐵磁材料諸多物理參數的自動測量，大大簡化了實驗步驟；了實驗的內容，提高了實驗的趣味；自動化、智能化與通信能力的增加，適應了信息化與網絡化的時代要求，使其在高校的實驗教學中具有很高的推廣使用價值。