C8051单片机与霍尔传感器系统设计1
陈杰，陈荡, 熊雄
（武汉工程大学电气信息学院,湖北 武汉 430074）
摘 要:为提高磁感应强度采集与显示的有效性，设计了一种基于C8051F350单片机 与SS495A霍尔传感器的方案。通过霍尔传感器把磁场强度转化为电压并作为输入信号，经放大器AD620进行放大，然后输送到单片机中采集并由其自带A/D进行A/D转换，最终在显示屏上显示出来。实验结果表明，霍尔电压能够很精确测量出来，显示屏上显示的霍尔电压与记录的数据相符合，验证了方案的可行性，实验设计达到了预期目标。
关键词：霍尔传感器；单片机；数据记录；液晶显示器 中图分类号：TP393.4
文献标识码：A
0 引 言
随着检测技术和控制技术的发展，使传感器与单片机及显示屏构成的测控系统得到了广泛的应用[1]，功能也越来越强大。单片机价格低、可靠性高、易扩展、控制功能强和易于开发等优点在这类测控系统中发挥出了很强大的功能。它们首先通过传感器把非电量参数转化为电压，然后通过单片机进行实时数据采集及预处理，最后在显示器或者显示屏上显现出来。
为提高磁感应强度采集与显示的有效性和降低其成本，这里采用霍尔传感器SS495A作为前端进行数据采集，然后经放大器AD620进行信号放大后输送到单片机进行数据处理，由于这里的单片机C8051F350自带模/数(Analog/Digital)转换即A/D转换，所以不需要设计A/D转换电路，最后将信号在显示屏上显示出来。
1 系统构架
系统构架比较简单，可以分为3个部分。第一部分是数据的采集，由霍尔传感器产生
电压信号[1]，通过放大器AD620把信号进行差分放大；第二部分是信号的处理，信号被输送到单片机，在单片机内部进行A/D转换及相关数据处理；第三部分是信号的显示，在显示屏LCD1602显示电压值。整体框图如图1所示。 1
收稿日期：2012-4-8
基金项目：湖北省自然科学基金项目(编号：2010CHB01301)，武汉工程大学科学研究项目(编号：15106032) 作者简介：陈杰（1958-），男，湖北安陆人，教授，硕士.研究方向：控制理论与控制工程.
图1 系统整体框图
Fig.1 Overall block diagram of system
2 硬件设计及实现
2.1 电源模块的设计
一般一个系统存在模拟器件与数字器件，各个器件所需的电源电压也不尽相同。本次设计中霍尔传感器、放大器以及液晶显示屏的工作电压都是5V，而单片机的工作电压是3.3V，故需要额外的电压转换电路，电压转换芯片选用AMS1117-3.3，其中5V电压用VCC来表示，3.3V电压用VDD来表示,其电源电压转换的电路如图2。
图2 电源电压转换电路图
Fig.2 Circuit diagram of power supply voltage conversion
2.2 SS495A霍尔传感器特点
霍尔传感器是根据霍尔效应制成的一种传感器，主要实现磁电转换用于与磁场相关的运动参量的检测，将物体的各种非电量参数转变为电压输出，在检测和自动控制中得到了大量的应用[2]。集成电路技术的发展使得集成霍尔传感器占据了霍尔传感器的主体市场，主要生产的公司有Honeywell、Siemens、Melexis等。集成霍尔传感器凭借其体积小、频响宽、动态特性好等特点[2]，得到外界的一致好评。
本次设计采用的是Honeywell公司的SS495A线性霍尔传感器，它是一种高精度的集成霍尔传感器，对外围设备要求简单、使用寿命长并且应用广泛。该霍尔传感器的工作原理：相对放置两块极性相同的磁铁，以B?0处作为位移x的参考原点，则x?0时，B?0，
Uh=0。当磁铁间的霍尔元件移动到x处时，Uh大小由x处的磁场强度决定。由公式Uh = KhIB可知：保持I不变，则dUh/dx = IKhdB/dx = KhI = K，积分后得Uh=Kx，即霍尔电势与位移成比例。所以磁场梯度越大，磁场变化越均匀，灵敏度也就越高，电压和位移的线性越好[1]。最后由霍尔传感器输出端输出电压输送到放大器输入端。（其中B表示磁场强度，I表示电流，Uh表示磁场电压即霍尔电势，Kh表示霍尔电压与位移的比例系数即霍尔元件灵敏度）。 2.3 放大器AD620特点
AD620是一款高精度低功耗仪表放大器（最大工作电流仅1.3mA），在模拟电路中得到了广泛应用。AD620具有高精度（最大非线性度40ppm）、低失调电压（最大50μV）和低失调漂移（最大0.6μV/°C）特性，非常适合电子秤和传感器接口等精密数据采集系统的应用。由于其低功耗、尺寸小的特点可以作为电池供电及便携式（或远程）应用的理想之选。AD620仅需要一个外部电阻来设置增益，增益变化范围可就以从为1变换至1000，因而作为前置放大器使用效果非常好。此外，AD620还非常适合多路复用应用，其建立时间为15μs，能够实现每通道一个仪表放大器的设计[3]。其封装引脚图如图3所示，通常采用8引脚小输出线集成电路或双列直插式封装。
图3 AD620封装引脚图 Fig.3 Pin diagram of AD620 package
2.4 单片机数据采集与A/D转换的实现
该系统采用的单片机是新华龙公司的C8051F350，属于完全集成的混合信号片上系统型单片机。其具有全速、非侵入式的在系统调试接口，故该系统采用C2下载口下载程序；24位单端/差分数模转换器（Analog to Digital Converter）即ADC，从而不需要外部A/D转换电路；增强型UART和SPI串行接口，4个通用的16位定时器，高精度可编程的24.5MHz内部振荡器，片内上电复位、VDD监视器和温度传感器，片内电压比较器，17个输入输出端口（Input/Output）即I/O端口等功能[4-6]。
C8051F350内部有一个全差分位模/数转换器（ADC），该ADC具有在片校准功能。A/D转换器可以使用内部的基准电压，也可以用外部差分电压作基准，该系统采用的是外部基准电压。在ADC0中包含一个可以设置8种增益的可编程增益放大器，最大增益可达128倍。ADC的差分输入与8个外部引脚及内部温度传感器可以由模拟多路选择器相连接。与内部输入缓冲器相连的变送器可以由其提供输入阻抗[4-6]。该设计由AIN0.0与放大器输出端相连采集信号，经过一定的数据处理显示在显示屏上。 2.5 硬件电路的实现
根据霍尔传感器与单片机的特点，电路图连接如图4所示，单片机的AIN0.0与放大器相连，用于数据的采集。单片机的P1.3位连接一发光二极管用于单片机上电的指示，单片机P1.0-P1.2分别与LCD1602的RS、R/W、使能端E连接，用于对显示屏的控制，单片机的P0.0-P0.7分别与LCD1602的DB0-DB7相连接，用于数据传输。
在图4中，由于单片机自带振荡器，故不需要设计外部振荡器的。单片机的AGND、AV+、P2.0、RST口用于与C2仿真器的连接，下载程序到单片机进行在线调试，其中RST用作复位。放大器的正相输入端需要与稳压器相连接，本设计选取的是LM385BZ-2.5，用于差分放大。对于各电阻电容值得选取如图4所标示。
图4 系统电路原理图 Fig.4 System circuit diagram
3 软件实现部分
基于C8051F350单片机的测控系统实现的功能更加强大，指令系统更加简单，软件设计部分采用C语言编程实现，软件开发环境采用Silicon Laboratories IDE。 3.1 主程序流程设计
主程序流程如图5所示，当手动按下开关S1时程序开始运行，进行初始化，初始化主要包括对各寄存器的状态进行初始化，对单片机I/O端口、内部晶振的初始化以及对液晶显示屏进行初始化。主程序进行数据的采集、模/数转换以及结果的显示。单片机采用中断方式运行，当显示屏的信号被单片机接收到时，中断服务程序就被执行，单片机就会对传送过来的模拟电压信号进行A/D转换，并向显示屏发送数据并显示出来。
图5 主程序流程图
Fig.5 Flow diagram of main program
以下仅给出A/D转换中断服务子程序： void ADC0_ISR (void) interrupt 10 {
static LONGDATA rawValue; unsigned long mV; while(!AD0INT);