基于AVR的数字高精度磁场测量系统的设计

摘要

磁场测量在国防安全、军事技术、工程、环境、考古、资源勘查、医学诊断等领域均有着重要的意义。常用的磁场测量仪有光泵磁力仪、质子磁力仪、超导量子磁力仪、磁通门磁力仪、核磁共振仪等。由于分辨力高、测量范围宽、性能可靠、能直接测量磁场的分量、且适用于高速运动系统等优点，磁通门磁力仪得到了广泛应用。然而，传统的磁通门磁力仪多采用机械式的结构以及模拟电路设计，体积庞大，且易受环境干扰。随着微电子技术与计算机技术发展，小型化和数字化磁通门磁力仪成为了可能，本文在分析模拟式磁通门磁通仪的基础上，设计了一种基于AVR的数字高精度磁场测量系统，主要工作如下:
　　首先，分析并比较了几种磁场测量的方法;介绍了磁通门现象，通过分析磁通门数学模型，介绍了磁通门工作原理。此外，介绍了几种磁通门探头的结构，探讨了设计磁探头时需注意的问题。
　　其次，设计了一种基于AVR单片机的高精度磁场测量系统，能精确测量磁场，并能通过串口与上位机交互。系统主要包括:电源、数字激磁、磁信号放大处理、A/D转换、MCU控制、数字温度测量、串口通信、液晶显示、键盘、实时时钟、数据存储模块与PC上位机界面等。
　　然后，通过对磁通门测量系统试验结果的分析，提出了一种温度和环境磁场干扰的自动补偿方法，有效地提高了系统测量精度与系统稳定性。
　　最后，完成了电磁标定与系统整机调试。试验结果表明，系统工作稳定，测量分辨率较高，达到了纳特级，实现了预期的设计目标。

目录

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摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 磁通门磁力仪的发展和研究现状

1．3 本课题主要研究内容

第二章 磁通门技术及系统总体设计

2．1 磁场测量方法概论

2．2 磁通门的工作原理

2．2．1 变压器效应与磁通门现象

2．2．2 磁通门的数学模型

2．3 磁通门的结构与设计

2．3．1 磁通门探头的结构

2．3．2 磁通门探头设计时应注意的问题

2．4 磁通门系统的主要性能指标

2．5 磁通门测量系统的技术指标和整体介绍

2．6 系统开发环境的介绍

2．7 本章小结

第三章 磁通门测量系统的硬件设计

3．1 磁通门测量系统硬件的总体设计

3．2 电源模块

3．2．1 电源模块总体设计

3．2．2 5V稳压电路

3．2．3 -5V极性反转电路

3．3 弱磁测量部分

3．3．1 探头设计

3．3．2 数字激磁电路设计

3．3．3 磁通门信号处理电路

3．3．4 磁场信号采集电路

3．3．5 温度检测

3．3．6 单片机模块

3．3．7 ISP下载接口电路

3．3．8 串口通信的设计

3．4 控制电路部分

3．4．1 MCU控制

3．4．2 液晶显示电路

3．4．3 键盘接口电路

3．4．4 实时时钟电路

3．4．5 数据存储电路

3．5 本章小结

第四章 磁通门测量系统软件设计

4．1 磁通门测量系统软件的总体设计

4．2 微控制器程序设计

4．2．1 激磁信号的产生

4．2．2 磁通门信号的采样处理

4．2．3 温度读写程序

4．2．4 串口通信程序

4．2．5 频率更新程序

4．2．6 液晶控制程序

4．2．7 键盘控制程序

4．2．8 实时时钟程序

4．2．9 数据存储程序

4．3 上位机软件设计

4．3．1 上位机软件界面

4．3．2 上位机数据传输程序设计

4．4 调试中遇到的问题

4．5 熔丝位设置

4．6 本章小结

第五章 磁通门测量系统的试验及结果分析

5．1 磁通门信号的显示和分析

5．2 磁通门测量系统的标定

5．3 温度补偿

5．3．1 温度系数测试

5．3．2 补偿结果分析

5．4 环境磁场干扰补偿

5．5 整机试验结果

5．6 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

攻读硕士期间发表的论文

致谢