孟洪州，張 科，陳 龍，向澤英，羅 浩

(西南科技大學(xué)，四川 綿陽 621010)

近年來，基于霍爾效應(yīng)的半導(dǎo)體霍爾器件、霍爾集成電路在電磁場的檢測及自動(dòng)控制等方面已得到了廣泛的應(yīng)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(shí)在霍爾測量中總會(huì)產(chǎn)生各種各樣的負(fù)效應(yīng)，而且這些負(fù)效應(yīng)的變化都與溫度有關(guān)，所以霍爾元件受溫度的影響不可忽視。

本文基于單片機(jī)等一系列較常用裝置，研究并設(shè)計(jì)出了一種變溫霍爾效應(yīng)裝置。

1 霍爾效應(yīng)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(chǎn)生一個(gè)電勢差,這種現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)。

當(dāng)對霍爾元件進(jìn)行測量時(shí)，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(fā)生偏轉(zhuǎn)，而在垂直于電流和磁場方向的試樣的兩個(gè)端面上出現(xiàn)等量異號(hào)電荷，從而產(chǎn)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(qiáng)度。此時(shí)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(dāng)載流子所受的洛倫茲力與霍爾電場力相等時(shí)，霍爾電壓保持相對穩(wěn)定。

霍爾電壓的計(jì)算方法如下：

(1)

2 變溫裝置的設(shè)計(jì)

實(shí)現(xiàn)變溫的設(shè)計(jì)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(nèi)連續(xù)變化，并能夠控制其范圍內(nèi)任意溫度值在測量過程中維持恒定。

變溫裝置的設(shè)計(jì)主要分硬件和軟件兩部分，本節(jié)先討論裝置硬件設(shè)計(jì)部分。

2.1 硬件設(shè)計(jì)

外部使用恒流源為整個(gè)裝置供電，核心主要使用STM32F1系列中的增強(qiáng)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(chǔ)器容量是512 KB，程序存儲(chǔ)器類型是FLASH，RAM容量是64 K，具有相當(dāng)高的數(shù)據(jù)處理能力和可靠性，在近幾年備受關(guān)注。

硬件設(shè)備的設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

圖1 設(shè)備簡圖

采用單片機(jī)STM32自帶的ADC外設(shè)，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(dá)到±0.1%。溫度傳感器采用DS18B20、DS18B20，是常用的數(shù)字溫度傳感器[3,4]，其輸出的是數(shù)字信號(hào)，方便單片機(jī)采集，具有體積小、抗干擾能力強(qiáng)、精度高等特點(diǎn)，DS18B20測溫范圍為-55 ℃～125 ℃，符合實(shí)際設(shè)計(jì)需求。

變溫裝置的溫度設(shè)計(jì)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(hào)繼電器[5]進(jìn)行控制，上電一段時(shí)間后，當(dāng)測得溫度值達(dá)到人為設(shè)定的溫度時(shí)，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(shè)定溫度。圖2中所控制的負(fù)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(shí)驗(yàn)測量所帶來的負(fù)效應(yīng)等因素。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

裝置的軟件設(shè)計(jì)部分采用C語言進(jìn)行編寫，用keilu5軟件創(chuàng)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(shí)中斷、AD/DA采樣轉(zhuǎn)換、溫度采集、I2C串行通訊、OLED顯示等程序。

上電后，先對各外設(shè)使能、初始化，打開DS18B20采集溫度，經(jīng)過DAC轉(zhuǎn)化為模擬溫度信號(hào)，再啟動(dòng)ADC采集數(shù)據(jù)，再分析采集到的溫度數(shù)據(jù)，判斷其溫度值以及是否執(zhí)行下一步操作。

裝置軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)部分的整體框圖如圖3所示。

圖3 軟件框圖

裝置達(dá)到指定溫度后，可通過4個(gè)按鍵鍵入執(zhí)行相關(guān)操作，同時(shí)還可以修改相關(guān)內(nèi)部參數(shù)等。該裝置更加智能化的實(shí)現(xiàn)了變溫操作。

3 可視化系統(tǒng)

3.1 系統(tǒng)特點(diǎn)

裝置使用一個(gè)Web前端可視化系統(tǒng)對該變溫裝置的性能進(jìn)行評估，同時(shí)開發(fā)了一套基于B/S模式的Web物理實(shí)驗(yàn)(基于霍爾效應(yīng)實(shí)驗(yàn))數(shù)據(jù)可視化系統(tǒng)。系統(tǒng)能夠流暢地在FireFox、Chrome等主流瀏覽器運(yùn)行同時(shí)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，同時(shí)還可以對在不同溫度下得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行橫向?qū)Ρ确治觯寣?shí)驗(yàn)結(jié)果更加直觀。

系統(tǒng)界面簡潔，功能較豐富，使用方便，遵循W3C相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，能夠在主流的瀏覽器上運(yùn)行；且系統(tǒng)運(yùn)行在標(biāo)準(zhǔn)HTTP協(xié)議下，系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)傳輸均遵循該協(xié)議；使用標(biāo)準(zhǔn)Web Service為應(yīng)用程序提供 Web 服務(wù)。

3.2 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)及開發(fā)框架

系統(tǒng)采用B/S系統(tǒng)設(shè)計(jì)架構(gòu)[6]和MVC架構(gòu)[7]，設(shè)計(jì)精巧，使用簡單。系統(tǒng)在瀏覽器端主要采用HTML、JavaScript和CSS來實(shí)現(xiàn)表現(xiàn)層的各項(xiàng)用戶功能，包含JQuery、Echartsd等庫。目前相關(guān)數(shù)據(jù)經(jīng)處理后通過ajax異步傳輸，當(dāng)需要進(jìn)行大規(guī)模數(shù)據(jù)處理時(shí)，服務(wù)器端可用Python語言和Flask框架開發(fā)，同時(shí)數(shù)據(jù)庫服務(wù)器采用MySQL8.0+。

該系統(tǒng)目前主要有3個(gè)功能，能夠通過不同的方式展示霍爾效應(yīng)相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及其特點(diǎn)。設(shè)計(jì)系統(tǒng)的顯示界面如圖4。

圖4系統(tǒng)頁面分為3個(gè)部分，頁面左側(cè)、右側(cè)和底部可分別實(shí)現(xiàn)不同的功能。

左側(cè)部分可切換到不同實(shí)驗(yàn)步驟，了解該步驟基本原理、注意事項(xiàng)、相關(guān)參數(shù)意義及數(shù)據(jù)結(jié)果；

圖4 可視化頁面

右側(cè)部分可對某一溫度下相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行大小排位，同時(shí)可橫向?qū)Ρ热齻€(gè)不同溫度下的電阻、電壓等關(guān)鍵數(shù)據(jù)的變化。該部分用到的數(shù)據(jù)為10次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)去掉異常值后的平均值；

底部可通過柱狀圖和對數(shù)軸的交互，可以直觀地觀測某個(gè)實(shí)驗(yàn)參數(shù)數(shù)值隨溫度變化趨勢，同時(shí)還可以做不同組數(shù)據(jù)間的大小對比。

4 結(jié) 語

本文設(shè)計(jì)了一種變溫霍爾效應(yīng)裝置，在霍爾效應(yīng)實(shí)驗(yàn)裝置的基礎(chǔ)上，應(yīng)用STM32單片機(jī)和繼電器溫度控制等硬件電路以及web可視化系統(tǒng)，研究了一種新型霍爾效應(yīng)變溫裝置的設(shè)計(jì)方法。該裝置和傳統(tǒng)霍爾效應(yīng)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(diǎn)，可以讓溫度變化范圍更廣，操作更加簡單，數(shù)據(jù)處理更加精確，同時(shí)利用該裝置的可視化系統(tǒng)，可以讓結(jié)果得以更加清晰、客觀地呈現(xiàn)。

注：本文內(nèi)容來自2020全國大學(xué)生物理實(shí)驗(yàn)競賽創(chuàng)新類獲獎(jiǎng)項(xiàng)目。