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1系統(tǒng)結構

1．1系統(tǒng)的整體結構設計整個系統(tǒng)采用了模塊化的設計，各模塊布局合理，整體的結構緊湊。主要功能是數(shù)據(jù)的傳輸和程序下載，USB轉TTL模塊的作用是給單片機供電以及上位PC機和下位單片機之間的電平轉換，其原理圖如圖1所示。單片機與PC機是使用USB轉TTL模塊進行串口通信，它可以將USB虛擬成一個串口，解決筆記本電腦用戶無串口的煩惱。此模塊傳輸速度、傳輸準確性都滿足實驗需求，而且價格便宜，使用方便。

1．2系統(tǒng)各部分的功能介紹模擬信號采集部分的目的是為了采集所需要的原始的數(shù)據(jù)，即本系統(tǒng)中所需要的電壓和電流。下位機以AT89C52RC單片機為控制單元，16路A/D轉換芯片AD7705采集電壓和電流信號轉換為相應的數(shù)字信號，便于單片機后續(xù)的處理并以一定的協(xié)議將數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送至PC機，最終通過運行在上位PC機的程序對接收到的數(shù)字信號進行處理和顯示。微控制器STC89C52RC以一定的的協(xié)議將數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送至PC機。單片機的晶振電路和復位電路是單片機正常工作的先決條件。PC機通過串行USB轉串口接收單片機發(fā)送的數(shù)據(jù)，并進行實時處理和顯示。

2系統(tǒng)硬件部分設計

2．1MCU芯片的選擇STC89C52RC單片機是宏晶科技推出的新一代高速、低功耗和超強抗干擾的CMOS8位微控制器，采用經(jīng)典的MCS-51內(nèi)核，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051單片機，12時鐘/機器周期和6時鐘/機器周期可以任意選擇。工作電壓:5．5～3．3V(5V單片機)/3．8～2．0V(3V單片機)工作頻率范圍:0～40MHz，相當于普通8051的0～80MHz，實際工作頻率可達48MHZ，用戶應用程序空間為8k字節(jié)。

2．2A/D轉換器選擇及采樣設計模數(shù)轉換器，是把經(jīng)過與標準量(或參考量)比較處理后的模擬量轉換成以二進制數(shù)值表示的離散信號的轉換器，簡稱ADC或A/D轉換器。本系統(tǒng)模數(shù)轉換器采用的是芯片AD7705，AD7705是AD公司推出的16位Σ-ΔA/D轉換器，該轉換器采用SPI兼容的三線串行接口，能夠方便地與各種微控制器和DSP連接，也比并行接口方式大大節(jié)省了CPU的IO口，能直接將傳感器測量到的多路微小信號進行AD轉換。這種器件還具有高分辨率、寬動態(tài)范圍、自校準、優(yōu)良的抗噪聲性能以及低電壓低功耗等特點，非常適合儀表測量、工業(yè)控制等領域的應用［7］。本系統(tǒng)是采集兩路信號(電壓和電流)，AD7705芯片精度為16位(Δ=(5/65536)V≈0．076mV，其精度滿足實驗需求)，高精度A/D轉換芯片AD7705有兩個雙端模擬信號輸入通道，分辨率為16位無丟失代碼，增益、信號極性以及更新速率等可由軟件設置［8-10］。片內(nèi)可編程增益放大器的增益范圍為1～128，這使AD7705可與多種傳感器直接相連，無須外接放大器，并且內(nèi)置可編程的自校準電路，通過對零點和滿度的校準，可有效去除零點漂移和增益誤差的影響。接口為SPI串行總線，因而與單片機的接線大大減少，簡化了硬件的設計。在測量電流時，我們對兩種實驗方案進行了比較，第一種是利用電流變送器進行電流的測量;第二種是利用采樣電阻進行電流的測量。采用了第二套方案，原因是其價格低、精度滿足實驗要求。

3系統(tǒng)軟件部分的設計

PC端主程序框架如圖2所示。

3．1數(shù)據(jù)采集PC端軟件設計PC端軟件是基于MFC對話框進行程序的編寫，其主要包括以下幾部分:1．窗口界面的繪制(包括開始界面繪制、控件繪制、坐標系繪制、網(wǎng)格繪制、LIST表格繪制等);2．串口通信控件的連接、初始化和設置;3．數(shù)據(jù)庫的嵌入(包括數(shù)據(jù)庫的連接、讀寫、修改等);4．采集數(shù)據(jù)時的動態(tài)響應(包括動態(tài)圖形繪制、動態(tài)數(shù)據(jù)表數(shù)據(jù)顯示等)。

3．2界面介紹首先是開始界面，如圖3所示。1．菜單欄區(qū)域:包括串口設置、開始采集、暫停、停止采集(同時關閉串口)四部分是本程序所有功能的體現(xiàn);2．繪圖區(qū)域:包括兩個TABLE，一個是勵磁電流不變、勵磁電流變化兩個子窗口。每個窗口中包含一個二維坐標系進行圖形的繪制;3．數(shù)據(jù)表區(qū)域:包含一個LIST控件，對實時采集的數(shù)據(jù)進行顯示;4．系統(tǒng)控制區(qū)域:與菜單欄區(qū)域功能相同，都是對采集整個過程進行控制，同時能夠實時的對數(shù)據(jù)進行一個顯示、也能夠對偏差的數(shù)據(jù)進行手動刪除，避免實驗錯誤對繪制出的圖像造成的影響，而影響實驗效果。根據(jù)端口信息，選擇串口端號，點擊打開串口后，綠燈變?yōu)榧t燈，打開串口按鈕變?yōu)榛疑硎敬谝呀?jīng)連接，可以進行串口通信(即采集可以開始)。選擇兩種模式，“勵磁電流不變”、“勵磁電流變化”，并點擊進入相應的子窗口。然后就可以進行采集。傳輸電流電壓時，圖像會實時顯示，數(shù)據(jù)表也會同時顯示。圖5顯示了勵磁電流不變時，工作電流和霍爾電壓之間的關系曲線。

4結論

本數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是一個基于STC89C52RC單片機的霍爾效應實驗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。霍爾效應實驗裝置輸出的電壓信號直接經(jīng)過A/D7705轉換器的輸入端，電流信號則通過串聯(lián)一個標準電阻，通過測量其兩端的電壓來間接測定流過的電流，經(jīng)過增益放大、A/D轉換后，由單片機進行后期的數(shù)字信號的處理和傳輸，最終由上位PC機在坐標框格中圖形化顯示測量的數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)結構簡單，成本價格低廉。通過實際的測試表明，自動化的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，不但沒有影響數(shù)據(jù)的精度和鍛煉同學們的動手操作能力，還可以極大地提高同學們在數(shù)據(jù)采集和測量過程中的效率，提升實驗教學質(zhì)量。

作者：郭聰劉強耿浩杰周永軍孫麗媛楊智單位：邯鄲學院