摘要：提出了一种以现代化的单片机操控技能为根底，结合D／A转化、模仿电子开关、功率扩大、液晶显现和串行通讯等技能完结对铁磁资料的磁滞回线进行丈量的新办法，并在该办法的根底上成功规划并研发出一种新式智能励磁仪，将新仪器与剖析仪、上位机等进行联机试验，成果表明新仪器具有愈加友爱的用户界面，所得试验数据的精度高、可靠性好。一起新仪器具有手动／主动两种作业方法，且能够完结与上位机的数据通讯，主动化和智能化程度大大提高。
要害词：单片机；D／A转化；模仿电子开关；功率扩大；液晶显现；磁滞回线；智能化
“铁磁资料磁化特性研讨”是大学根底物理试验中一个经典的试验项目，该试验可使学生了解铁磁质在磁场中磁化原理与磁化规则，并可测定样品的磁滞回线，确认其矫顽力、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，让学生认识到铁磁资料在制作永久磁铁、电机、变压器、电磁铁等方面存在广泛的作用和具有的重要有用价值。
整套的试验设备由3个仪器组成：励磁仪、剖析测验仪和监测示波器。励磁仪是整个试验体系的要害。
1 磁滞回线励磁仪作业原理
1．1 根本作业原理
铁磁资料的电磁改换与电压信号发生原理如图1所示。
便是励磁场的磁场强度H，与初级线圈的电流构成比例关系。次级线圈接积分电路，能够丈量铁芯中的磁感应强度B。
1. 2 励磁仪作业原理
励磁仪作业电路闭如图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供给，在沟通电作用下，铁芯发生交变磁场，依据法拉第电磁感应定律可知，在次级线圈中将发生感应电动势。
1)初级回路规划：变压器的均匀磁路长度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，阻值巨细由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)次级回路规划：感应电动势在次级回路中发生电流I2，经过有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：
其间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电压信号别离接入双踪示波器的X、Y端进行同步监测，在屏幕上显现反映H与B改动规则的试验测验样品资料的磁化特性曲线——磁滞回线(如图3所示)。
1．3 丈量参数
从图3磁滞回线的H与B改动值中，能够取得铁磁性样品资料的重要物理技能参数：
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。经过以上参数能够知道与判明样品资料的类别特色、特征及有用的物理技能参量。
1．4 试验设备的整体架构
试验设备的整体架构如图4所示。被测样品的初级线圈中的励磁电流由沟通电源供给。在沟通电作用下，铁芯发生交变磁场，依据法拉第电磁感应定律可知，在次级线圈中将发生感应电动势。由前述剖析成果所知，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别离接入示波器X—Y输入端，屏幕上就可显现出表明H与B改动的磁滞回线，完结同步实时监测验验仪的输出情况；一起由剖析测验仪收集U1、U2电压信号，经过扩大、运算等处弹，显现输出相关的技能参教。
2 新式励磁仪的规划与根本构成
研发新式智能励磁仪的要害中心是规划一个带微处理器的、具有程控扩大器功用的励磁操控器，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，而是要发生交变磁场作用的沟通稳压源，既输出幅值被受控的、具有完好形状正弦电压。输出正弦电压的幅值由单片机操控，完结程控安稳起伏的技能要求。
本体系主要由沟通讯号源模块、电压幅值调理模块、电压驱动模块、电阻采样模块和液晶显现模块、单片机操控模块6个部分组成。
整套电路的结构如图5所示。
2．1 沟通讯号源模块
励磁仪正常作业建立在正弦沟通讯号根底上。沟通讯号的发生运用如图6所示的简略有用的小功率变压器和由运算扩大器OP07和电阻、电容组成的有源二阶低通滤波网络，由市电50 Hz的沟通电源降压得到5 V左右的沟通电压。
在R2=R3且C2=C3时，由运算扩大器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：
选取适宜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能够便利的消除高次谐波的搅扰，取得较为抱负的50 Hz正弦沟通电压信号，信号频率和起伏的安稳性都较高。
2．2 电压幅值调理模块
电压幅值调理电路选用数／模转化器DAC0832完结由单片机的数字量对输出电压的操控。
DAC0832为8位倒T型电阻网络方法的数模转化器，与微处理器彻底兼容，其输出模仿电压的表达式为：
其间，VREF为参阅电压，Rf为反应电阻，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转化器四大部分组成。
使用DAC0832组成的电压幅值调理电路如图8所示，该电路在确保输入参阅电压的精度的根底上，输出电压的精度也很高。图中，DAC0832选用直通的接法，即操控脚CS、XFER、WR1、WR2接低电平，ILE接高电平。运放LM741起到将DAC0832电流输出转化为电压输出的作用。数据线D0～D7接单片机的P1口。
电路运行时，经过键盘输入改动单片机P1口的输出的8位数字量，就可改动输出电压的幅值，然后完结了对输出电压幅值的操控。
2．3 电压驱动模块
信号输出的最终一级为普通运放LM741，驱动才能有限，其极限电流在十几到几十毫安左右。为了确保励磁作用的正常作业，在电路的最终一级之后添加了功率扩大电路，使整个电路具有300 mA的电流输出，添加电路的带负载才能。
功率扩大电路如图9所示，选用分立元件三极管等建立而成。
由R9、Q1、D1、R10、Q5、D2、R11、R12组成了可消除交越失真的OCL(无输出电容功率扩大电路)电路，即便输入电压很小，总能确保至少一只晶体管导通，然后消除了交越失真。后两级均选用根本的OCL电路，其间最终一级由两组并联分流。
该计划选用了三级管、二极管等常用器材，大大节省了本钱，一起在三极管上添加了散热片，起到了很好的散热作用。
2．4 电阻采样模块
选用两片模仿电子开关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，操控线A、B、C相连后别离接单片机P2．0、P2．1、P2．2口，榜首片芯片的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。经过操控P2．0-P2．3口的输出量能够操控采样电阻的巨细，芯片供电VCC=+5 V，GND=0，VEE=-12 V，则0～5 V的数字信号可操控-12～5 V的模仿信号，满意电路的要求。
2．5 液晶显现模块
新仪器改用液晶LCD1602显现采样电阻和励磁电压的巨细，如图11所示，使得用户界面愈加友爱。电位器W1能够调整液晶的对比度。
2．6 通讯接口
选用RS-232规范串行接口与剖析仪(或其他外设，如上位机)进行数据通讯，完结智能仪器所具有的操控与拓宽功用。
使用单片机内部的串行异步通讯口，完结发送前并行到串行的转化；接纳后从串行到并行的转化。因为RS232接口规范界说为±15 V的负逻辑信号电平与TTL不能兼容，需选用MAX232电平转化器完结信号对接。MAX232只需一个+5 V的电源供电，内部集成了DC／DC电源转化体系、输出驱动器和接纳驱动器；外部只接4个0．1μF的%&&&&&%就能完结信号电平转化，功耗小，电平转化速度快，最高达1 Mbps。接口电路如图12所示。
选用最简洁的9个端子规范接口，可用DB-9型接插件。把单片机TXD与RXD脚别离衔接MAX232芯片的11与12脚，加上一根信号地线，就可完结最简略的全双工串行数据通讯。
2．7 单片机模块
选用低功耗、高性能8位单片机AT89S52作为操控元件，它具有8K体系可编程Flash存储器，在很多嵌入式操控使用体系中得到广泛使用。以AT89S52为中心的操控电路如图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，经过按键改动P1口输出的数字量，然后操控DAC0832转化得到的模仿量。P2口的P2．0～P2．3与电阻采样模块的两片模仿电子开关相连，完结两片模仿电子开关的级联，两片模仿电子开关的公共端相连，操控线A、B、C相连后别离接单片机P2．0、P2．1、P2．2口，榜首片芯片的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。经过操控P2．0-P2．3口的输出量能够操控采样电阻的巨细。P0口和P2．4～P2．6与液晶LCD1602相连，完结对励磁电压和采样电阻巨细的显现。
整套试验仪器的程序流程图如图14所示。
3 定论
新式智能励磁仪运用现代电子技能完结了对老仪器的深度改造，突出了新式和智能的特色。仪器选用程控的方法，使励磁电压的步进值大大减小，完结了对磁滞回线的高精度丈量；选用按键操控的方法替代了原有的机械旋钮操控，大大提高了仪器的运用寿命；与上位机和剖析仪联机可完结对铁磁资料许多物理参数的主动丈量，大大简化了试验过程；了试验的内容，提高了试验的兴趣；主动化、智能化与通讯才能的添加，习惯了信息化与网络化的年代要求，使其在高校的试验教学中具有很高的推行运用价值。
