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摘 要

磁场作为自然界一大基本物理量，磁场测量在军事，地理，天文，医学，物理学等等方面一直有重要的意义。在最近的15年中，随着原子器件技术的不断发展，原子磁力计的体积越做越小，测量精度越来越高，在纳特斯拉级别的微弱磁场测量方面有着客观的前景。

为了配合实验室中对于光学原子磁力计的测试需要，并且补充一些其他研究中对于微弱磁场发生器控制模块的空白，本设计提供了一种适用于基础实验室环境乃至于日常生活环境的，可以用于原子磁力计进行测试和校准的微磁场发生器电路的设计方案。

本设计采用更低成本的控制设备以及更小体积的磁发生线圈。系统中的核心磁场发生单元为亥姆霍兹线圈。并且利用了howland电流源电路供电，MSP430超低功耗单片机作为数字控制端，最终得到磁场变化范围大概在0-10μT左右的线性匀强磁场发生器。线圈尺寸约为2cm，并可以在实际的实验当中产生任意方向的匀强磁场。

关键字：磁场发生器，单片机 ，数模转换，IIC总线通信，亥姆霍兹线圈，Howland电流源

Design and fabrication of magnetic field control module for chip scale atomic magnetometer

abstract

As a basic physical quantity of nature, magnetic field measurement has important significance in military, geography, astronomy, medicine, physics and so on . In the last 15 years, with the continuous development of atomic device technology. atomic magnetometer volume is smaller and measuring accuracy is higher. Weak magnetic field measurement of nano Tesla level has a objective prospect.

In order to feed the needs of the laboratory for optical atomic magnetic meter test and added some other research gaps in the weak magnetic field generator control module, this design provides a form on the basis of the laboratory environment but as for daily living environment can for atomic magnetometer for test and calibration of micro magnetic field generator circuit design scheme.

This design uses a lower cost control device and a smaller volume of the magnetic coil. The core magnetic field generating unit of the system is Helmholtz coil. The coil`s power supply is the Howland current source circuit. MSP430 ultra low power microcontroller is the digital control terminal. Ultimately we get the magnetic field in the range of about T Mu 0-10 linear uniform magnetic field generator. The coil size is about 2cm, and the uniform magnetic field can be generated in any direction in the actual experiment.

Keyword: magnetic field generator, singlechip, digital analog converter, IIC bus communication, Helmholtz coil, Howland current source

目 录

摘要………………………………………………………………………………………………1

Abstract………………………………………………………………………………………… 1

第一章 绪论………………………………………………………………………………………3

1.1 引言……………………………………………………………………………………3

1.2 设计需求与设计目标…………………………………………………………………4

1.3 磁场控制模块的系统架构……………………………………………………………4

第二章 磁场发生原理及线圈设计………………………………………………………………5

2.1 线圈结构的选择………………………………………………………………………6

2.2 亥姆霍兹线圈的工作原理及其磁场分布方程………………………………………6

2.3 亥姆霍兹线圈的matlab仿真结果……………………………………………………8

2.3 线圈实物的设计思路…………………………………………………………………9

第三章电磁线圈的电流源放大电路………………………………………………………………9

3.1 电流源电路的设计要求和设计方案…………………………………………………9

3.2 Howland电流源电路的设计原理……………………………………………………11

3.3 Howland电流源的设计方案…………………………………………………………13

第四章 数字部分的设计与制作…………………………………………………………………15

4.1 数字控制部分的组成…………………………………………………………………15

4.1.1 MSP430单片机简介…………………………………………………………15

4.1.2 PCF8591数模转换模块简介…………………………………………………16

4.2 程序算法基础结构……………………………………………………………………18

4.3 矩阵键盘输入模块的编写……………………………………………………………18

4.4 数码管显示原理及程序编写…………………………………………………………20

4.5 IIC总线通信原理及程序编写………………………………………………………22

4.6 程序主体和数据处理…………………………………………………………………23

4.7实机测试结果 ………………………………………………………………………24

设计总结与展望 …………………………………………………………………………………25

致谢 ……………………………………………………………………………………………26参考文献（References） ………………………………………………………………………27

第一章 绪论

1.1引言

磁场是一种看不见、摸不着的特殊物质，磁场不是由原子或分子组成的，但磁场是客观存在的。磁场具有波粒的辐射特性。磁体周围存在磁场，磁体间的相互作用就是以磁场作为媒介的，所以两磁体不用接触就能发生作用。电流、运动电荷、磁体或变化电场周围空间存在的一种特殊形态的物质。由于磁体的磁性来源于电流，电流是电荷的运动，因而概括地说，磁场是由运动电荷或电场的变化而产生的。用现代物理的观点来考察，物质中能够形成电荷的终极成分只有电子（带单位负电荷）和质子（带单位正电荷），因此负电荷就是带有过剩电子的点物体，正电荷就是带有过剩质子的点物体。运动电荷产生磁场的真正场源是运动电子或运动质子所产生的磁场。例如电流所产生的磁场就是在导线中运动的电子所产生的磁场。

磁现象是最早被人类认识的物理现象之一，指南针是中国古代一大发明。磁场是广泛存在的，地球，恒星(如太阳)，星系（如银河系），行星、卫星，以及星际空间和星系际空间，都存在着磁场。为了认识和解释其中的许多物理现象和过程，必须考虑磁场这一重要因素。在现代科学技术和人类生活中，处处可遇到磁场，发电机、电动机、变压器、电报、电话、收音机以至加速器、热核聚变装置、电磁测量仪表等无不与磁现象有关。甚至在人体内，伴随着生命活动，一些组织和器官内也会产生微弱的磁场。地球的磁级与地理的两极相反。

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