基于MCU新型智能励磁仪的设计与实现

摘要：提出了一种以现代化的单片机控制技术为基础，结合D／A转换、模拟电子开关、功率放大、液晶显示和串行通信等技术实现对铁磁材料的磁滞回线进行测量的新方法，并在该方法的基础上成功设计并研制出一种新型智能励磁仪，将新仪器与分析仪、上位机等进行联机试验，结果表明新仪器具有更加友好的用户界面，所得实验数据的精度高、可靠性好。同时新仪器具有手动／自动两种工作模式，且可以实现与上位机的数据通信，自动化和智能化程度大大提高。
关键词：单片机；D／A转换；模拟电子开关；功率放大；液晶显示；磁滞回线；智能化

“铁磁材料磁化特性研究”是大学基础物理实验中一个经典的实验项目，该实验可使学生了解铁磁质在磁场中磁化原理与磁化规律，并可测定样品的磁滞回线，确定其矫顽力、剩磁感应强度、最大磁场、最大磁感应强度及磁滞损耗等重要的物理参数，让学生认识到铁磁材料在制造永久磁铁、电机、变压器、电磁铁等方面存在广泛的作用和具有的重要实用价值。
整套的实验装置由3个仪器组成：励磁仪、分析测试仪和监测示波器。励磁仪是整个实验系统的关键。

1 磁滞回线励磁仪工作原理
1．1 基本工作原理
铁磁材料的电磁变换与电压信号产生原理如图1所示。

就是励磁场的磁场强度H，与初级线圈的电流形成比例关系。次级线圈接积分电路，可以测量铁芯中的磁感应强度B。
1. 2 励磁仪工作原理
励磁仪工作电路闭如图2所示，将被测样品做成变压器的铁芯，初级线圈中的励磁电流由电源提供，在交流电作用下，铁芯产生交变磁场，根据法拉第电磁感应定律可知，在次级线圈中将产生感应电动势。

1)初级回路设计：变压器的平均磁路长度L，初级线圈的匝数N，励磁电流I1与取样电阻R1(由10只0．5 Ω的电阻串联，阻值大小由K2选取)，励磁电压U1分为多挡(由K1选取)，由式(1)和欧姆定律可得：

2)次级回路设计：感应电动势在次级回路中产生电流I2，通过有C2、R2组成的积分电路后，其磁感应强度B与输出电压U2可得：

其中S是样品的截面积，n是次级线圈的匝数，上式反映出B值与输出电压的相关特性。
如图2所示，把U1、U2电压信号分别接入双踪示波器的X、Y端进行同步监测，在屏幕上显示反映H与B变化规律的实验测试样品材料的磁化特性曲线——磁滞回线(如图3所示)。

1．3 测量参数
从图3磁滞回线的H与B变化值中，可以获得铁磁性样品材料的重要物理技术参数：
Hm为最大磁场强度，Bm为最大磁感应强度，Br为剩磁感应强度，Hc为矫顽力，面积反映磁滞损耗等等。通过以上参数可以知道与判明样品材料的类别属性、特征及实用的物理技术参量。
1．4 实验装置的总体架构
实验装置的总体架构如图4所示。被测样品的初级线圈中的励磁电流由交流电源提供。在交流电作用下，铁芯产生交变磁场，根据法拉第电磁感应定律可知，在次级线圈中将产生感应电动势。由前述分析结果所知，电磁感应的H、B参量值与初级和次级线圈中电压信号U1和U2的存在相关特性，将U1与U2分别接入示波器X—Y输入端，屏幕上就可显示出表示H与B变化的磁滞回线，实现同步实时监测实验仪的输出状况；同时由分析测试仪采集U1、U2电压信号，经过放大、运算等处弹，显示输出相关的技术参教。

2 新型励磁仪的设计与基本构成
研制新型智能励磁仪的关键核心是设计一个带微处理器的、具有程控放大器功能的励磁控制器，即为一个程控稳压源。这个程控稳压源不同于一般意义上的直流稳压源，而是要产生交变磁场作用的交流稳压源，既输出幅值被受控的、具有完整形态正弦电压。输出正弦电压的幅值由单片机控制，实现程控稳定幅度的技术要求。
本系统主要由交流信号源模块、电压幅值调节模块、电压驱动模块、电阻采样模块和液晶显示模块、单片机控制模块6个部分组成。
整套电路的结构如图5所示。

2．1 交流信号源模块
励磁仪正常工作建立在正弦交流信号基础上。交流信号的产生使用如图6所示的简单实用的小功率变压器和由运算放大器OP07和电阻、电容组成的有源二阶低通滤波网络，由市电50 Hz的交流电源降压得到5 V左右的交流电压。

在R2=R3且C2=C3时，由运算放大器OP07和电阻、电容组成的有源二阶低通滤波网络的截止频率为：

选取合适的电阻和电容的值使该电路的截止频率约为50 Hz，这样经过变压器的正弦电压信号再经过有源二阶低通滤波网络后可以方便的消除高次谐波的干扰，获得较为理想的50 Hz正弦交流电压信号，信号频率和幅度的稳定性都较高。
2．2 电压幅值调节模块
电压幅值调节电路采用数／模转换器DAC0832实现由单片机的数字量对输出电压的控制。
DAC0832为8位倒T型电阻网络形式的数模转换器，与微处理器完全兼容，其输出模拟电压的表达式为：

其中，VREF为参考电压，Rf为反馈电阻，R为电阻网络的电阻值。
DAC0832的内部逻辑框图如图7所示，其由8位输入锁存器、8位DAC寄存器、8位D／A转换器四大部分组成。

利用DAC0832组成的电压幅值调节电路如图8所示，该电路在保证输入参考电压的精度的基础上，输出电压的精度也很高。图中，DAC0832采用直通的接法，即控制脚CS、XFER、WR1、WR2接低电平，ILE接高电平。运放LM741起到将DAC0832电流输出转换为电压输出的作用。数据线D0～D7接单片机的P1口。

电路运行时，通过键盘输入改变单片机P1口的输出的8位数字量，就可改变输出电压的幅值，从而实现了对输出电压幅值的控制。
2．3 电压驱动模块
信号输出的最后一级为普通运放LM741，驱动能力有限，其极限电流在十几到几十毫安左右。为了保证励磁效果的正常工作，在电路的最后一级之后增加了功率放大电路，使整个电路具有300 mA的电流输出，增加电路的带负载能力。
功率放大电路如图9所示，采用分立元件三极管等搭建而成。

由R9、Q1、D1、R10、Q5、D2、R11、R12组成了可消除交越失真的OCL(无输出电容功率放大电路)电路，即使输入电压很小，总能保证至少一只晶体管导通，从而消除了交越失真。后两级均采用基本的OCL电路，其中最后一级由两组并联分流。
该方案采用了三级管、二极管等常用器件，大大节约了成本，同时在三极管上添加了散热片，起到了很好的散热效果。
2．4 电阻采样模块
采用两片模拟电子开关CD4051级联构成电阻采样电路，如图10所示，两片芯片公共端相连，控制线A、B、C相连后分别接单片机P2．0、P2．1、P2．2口，第一片芯片的INH端接P2．3口，再经过一个三极管构成的反向器接到第二片的INH端。通过控制P2．0-P2．3口的输出量可以控制采样电阻的大小，芯片供电VCC=+5 V，GND=0，VEE=-12 V，则0～5 V的数字信号可控制-12～5 V的模拟信号，满足电路的要求。

2．5 液晶显示模块
新仪器改用液晶LCD1602显示采样电阻和励磁电压的大小，如图11所示，使得用户界面更加友好。电位器W1可以调整液晶的对比度。

2．6 通信接口
采用RS-232标准串行接口与分析仪(或其他外设，如上位机)进行数据通信，实现智能仪器所具备的控制与拓展功能。
利用单片机内部的串行异步通信口，完成发送前并行到串行的转换；接收后从串行到并行的转换。由于RS232接口标准定义为±15 V的负逻辑信号电平与TTL不能兼容，需选用MAX232电平转换器实现信号对接。MAX232只需一个+5 V的电源供电，内部集成了DC／DC电源转换系统、输出驱动器和接收驱动器；外部只接4个0．1μF的电容就能完成信号电平转换，功耗小，电平转换速度快，最高达1 Mbps。接口电路如图12所示。

采用最简便的9个端子标准接口，可用DB-9型接插件。把单片机TXD与RXD脚分别连接MAX232芯片的11与12脚，加上一根信号地线，就可实现最简单的全双工串行数据通信。
2．7 单片机模块
采用低功耗、高性能8位单片机AT89S52作为控制元件，它具有8K系统可编程Flash存储器，在众多嵌入式控制应用系统中得到广泛应用。以AT89S52为核心的控制电路如图13所示。

AT89S52的32个可编程的I／O口线中，P1口与DAC0832的数字量输入端相连，通过按键改变P1口输出的数字量，从而控制DAC0832转换得到的模拟量。P2口的P2．0～P2．3与电阻采样模块的两片模拟电子开关相连，实现两片模拟电子开关的级联，两片模拟电子开关的公共端相连，控制线A、B、C相连后分别接单片机P2．0、P2．1、P2．2口，第一片芯片的INH端接P2．3口，再经过一个三极管构成的反向器接到第二片的INH端。通过控制P2．0-P2．3口的输出量可以控制采样电阻的大小。P0口和P2．4～P2．6与液晶LCD1602相连，实现对励磁电压和采样电阻大小的显示。
整套实验仪器的程序流程图如图14所示。

3 结论
新型智能励磁仪运用现代电子技术实现了对老仪器的深度改造，突出了新型和智能的特点。仪器采用程控的方式，使励磁电压的步进值大大减小，实现了对磁滞回线的高精度测量；采用按键控制的方式代替了原有的机械旋钮控制，大大提高了仪器的使用寿命；与上位机和分析仪联机可实现对铁磁材料诸多物理参数的自动测量，大大简化了实验步骤；了实验的内容，提高了实验的趣味；自动化、智能化与通信能力的增加，适应了信息化与网络化的时代要求，使其在高校的实验教学中具有很高的推广使用价值。