霍尔传感器组成的转速测量电路概要.pdf

20082008级级测试技术课程设计测试技术课程设计霍尔传感器组成的转速测量电路霍尔传感器组成的转速测量电路报告书报告书姓姓名名学学号号院院、系系、部部专专业业王强王强2008655320086553电气系电气系电气工程及其自动化电气工程及其自动化1 1 课程设计任务书课程设计任务书在工农业生产和工程实践中，经常会遇到各种需要测量转速的场合，测量转速的方法分为模拟式和数字式两种。模拟式采用测速发电机为检测元件，得到的信号是模拟量， 控制系统的硬件部分非常复杂，功能单一， 而且系统非常不灵活、调试困难。数字式通常采用光电编码器、圆光栅、霍尔元件等为检测元件，得到的信号是脉冲信号。单片机技术的日新月异，特别是高性能价格比的单片机的出现，转速测量普遍采用以单片机为核心的数字式测量方法，使得许多控制功能及算法可以采用软件技术来完成。采用单片机构成控制系统，可以节约人力资源和降低系统成本，从而有效的提高工作效率。本课题，是要利用霍尔传感器来测量转速。由磁场的变化来使霍尔传感器产生脉冲，由单片机计数，经过数据计算转化成所测转速，再由数码管显示出来。一、 主要内容利用 强磁铁与 霍尔元件 组成 测试转体 转速的测 量电 路，包括 计数与显 示电 路。二、 基本要求1. 实现基 本功能 2 完 成 3000 字设 计报 告 3.画出电路图4. 发挥部 分，设计 超速报 警，完成 信号传输 。三、 主要技术 指标（或 研究 方法）测量范围06000r/min精 度5r/min工作电压5V12V工作电流低于 500mA工作环境温度 -60 65四、 应收集的 资料及参 考文 献霍尔 元件原理 与应用显示 元件原理数据 采样整理 单12 2 概概述述2.12.1 系统组成框图系统组成框图在测量电机转速时我们从采用了电磁感应式传感器。当电机转动时，带动传感器。这种传感器可以将转速信号转变成一个对应频率的脉冲信号输出，经过信号处理后输出到计数器。脉冲信号的频率与电机的转速是一种线性的正比关系，因此对电机转速的测量，实质上是对脉冲信号的频率的测量。本课题采是以STC89C52 单片机为核心将处理好的信号经过数据处理转换成所测得的实际十进制信号的系统。系统硬件原理框图如图2-1：霍尔传感器信号处理单片机四位数码管显示电路图 2-1 系统框图系统框图原理如图2-1 所示，系统由传感器、信号处理、显示电路和系统软件等部分组成。传感器采用霍尔传感器，负责将转速转化为脉冲信号。信号处理电路包含待测信号放大、波形变换、波形整形电路等部分，其中放大器实现对待测信号的放大 ,降低对待测信号的幅度要求，实现对小信号的测量；波形变换和波形整形电路实现把正负交变的信号波形变换成可被单片机接受的TTL/CMOS 兼容信号。处理器采用STC89C52 单片机，显示器采用8 位 LED 数码管动态显示。22.22.2 霍尔传感器测转速原理及特性霍尔传感器测转速原理及特性1、霍尔传感器测速原理：霍尔器件是由半导体材料制成的一种薄片，器件的长、 宽、高分别为 l、。若在垂直于薄片平面（沿厚度）方向施加外磁场，在沿方向的两个端面加一外电场，则有一定的电流流过。由于电子在磁场中运动，所以将受到一个洛仑磁力，其大小为：f qVB式中： f洛仑磁力，载流子电荷，载流子运动速度，磁 感应强度。这样使电子的运动轨迹发生偏移，在霍尔元器件薄片的两个侧面分别产生电子积聚或电荷过剩，形成 霍尔电场 ，霍尔元 器件两个 侧面间的电 位差UH称为霍尔电压。霍尔电压大小为：UH RHI B/d(mV)式中：RH霍尔常数，元件厚度，磁感应强度，控制电流设KH RH/ d, 则UH=KHI B / d(mV)为霍尔器件的灵敏系数(mV/mA/T) ，它表示该霍尔元件在单位磁感应强度和单位控制电流下输 出霍尔电动势的大小 。应注意，当电磁感 应强度反向时，霍尔电动势也反向。若控制电流保持不变，则霍尔感应电压将随外界磁场强度而变化，根据这一原理，可以将两块永久磁钢固定在电动机转轴上转盘的边沿，转盘随被测轴旋转，磁钢也将跟着同步旋转，在转盘附近安装一个霍尔元件，转盘随轴旋转时，霍尔元件受到磁钢所产生的磁场影响，输出脉冲信号。传感器内置电路对该信号进行放大、整形，输出良好的矩形脉冲信号，测量频率范围更宽，输出信号更精确稳定，已在工业，汽车，航空等测速领域中得到广泛的应用。其频率和转速成正比，测出脉冲的周期或频率即可计算出转速。32、霍尔传感器的特性:半导体磁敏传感器是利用半导体材料中的自由电子和空穴随磁场而改变其运动方向这一 特性制成 的，按其 结构 可分为体 型和结型 两大 类。体型 的主要有 霍尔 传感器（ 材料主要是 InSb 、InAs 、Ge、Si、GaAs ）和磁敏电 阻（材 料主要有 InSb 、InAs ） ，结 型的主要 有磁敏 二极管（ 材料主要 是 Ge、Si）和磁敏三 极管（ 材料主要 是 Si） 。霍尔传感器是一种基于霍尔效应的磁传感器。霍尔效应自1879 年被美国物理学家爱德文霍尔发现至今已有100 多年的历史，但直到20 世纪 50 年代，由于微电子学的发展，才被重视和开发，现在，已发展成一个品牌多样的传感器产品族，并得到广泛的应用。霍尔传感器可以检测磁场及其变化，可在各种与磁场相关的场合中应用。霍尔传感器具有许多优点，其结构牢固，体积小，质量轻，寿命长，安装方便，功能消耗小，频率高，耐震动，不怕灰尘，油污，水汽及盐雾等的污染或腐蚀。霍尔传感器可直接用于检测磁场或磁特性，也可以通过在被检对象上人为设置的磁场，来检测许多非电、非磁的物理量，例如力、力矩、压力、应力、位置、位移、速度、加速度、角度、角速度、转数、转速以及工作状态发生变化的时间等，还可转换成电量来进行检测和控制。42.32.3 系统工作原理及处理方法系统工作原理及处理方法1、系统工作原理：转速是工程上一个常用的参数，旋转体的转速常以每分钟的转数来表示。其单位为 rmin。由霍尔元件及外围器件组成的测速电路将电动机转速转换成脉冲信号，送至单片机STC89C51 的计数器 T0 进行计数，用T1 定时测出电动机的实际转速。此系统使用单片机进行测速，采用脉冲计数法，使用霍尔传感器获得脉冲信号。其机械结构也可以做得较为简单，只要在转轴的圆盘上粘上两粒磁钢，让霍尔传感器靠近磁钢，机轴每转一周，产生两个脉冲，机轴旋转时，就会产生连续的脉冲信号输出。由霍尔器件电路部分输出，成为转速计数器的计数脉冲。控制计数时间，即可实现计数器的计数值对应机轴的转速值。单片机CPU 将该数据处理后，通过LED 显示出来。传感 器单片 机电机信号盘GND转速 测量系统 安装图整形电路2、处理方法 :测速实际上就是测频， 通常可以用计数法、 测脉宽法和等精度法来进行测试。所谓计数法，就是给定一个闸门时间，在闸门时间内计数输入的脉冲个数；测脉宽法是利用待测信号的脉宽来控制计数门，对一个高精度的高频计数信号进行计数。由于闸门与被测信号不能同步，因此，这两种方法都存在1 误差的问题，第一种方法适用于信号频率高时使用，第二种方法则在信号频率低时使用。等精度法则对高、低频信号都有很好的适应性。此系统采用计数法测速。 单片机STC89C52内部具有 2 个 16 位定时/计数器 ,定时/计数器的工作可以由编程来实现定时、计数和产生计数溢出中断要求的功能。在构成为定时器时 ,每个机器周期加 1( 使用 12MHz时钟时,每 1us加 1), 这样以机器周期为基准可以用来测量时间间隔。在构成为计数器时,在相应的外部引脚发生从 1 到 0 的跳变时计数器加1,这样在计数闸门的控制下可以用来测量待测信号的频率。53 3 霍尔传感器测转速系统的单元电路介绍霍尔传感器测转速系统的单元电路介绍3.13.1 单片机的介绍单片机的介绍本设计采用STC89C52 芯片，芯片采用40 脚双列直插式封装，32 个 I/O 口，芯片工作电压3.85.5V ， 工作温度 070C （商业级）， 工作频率可高达30MHz ，芯片的外形和引脚见下图（2）图（ 2） STC89C52外形和引 脚图STC89C52是一种低功耗、高性能CMOS8 位微控制器，具有 8K 在系统可编程 Flash存储器。使用高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。片上Flash 允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上， 拥有灵巧的8 位 CPU 和在线系统可编程Flash ， 使得 STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。 STC89C52 具有以下标准功能： 8k 字节 Flash ，256 字节 RAM， 32 位 I/O 口线，看门狗定时器，2 个数据指针，三个16 位 定时器 /计数器，一个6 向量 2 级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。另外，STC89C52 可降至 0Hz 静态逻辑操作，支持 2 种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU 停止工作，允许RAM、定时器 /计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM 内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。8 位微控制器 8K字节在系统可编程 Flash 。P0P3 口结构，第一功能、第二功能请参考数据手册（ STC89C52 数据手册下载地址www.mcu-） 。其基本结构框图如图3.1，包括：一个 8 位 CPU；64KB ROM ；128 字节 RAM 数据存储器；26 个特殊功能寄存器SFR； 4 个 8 位并行 I/O 口，其中 P0、P2 为地址 /数据线，可寻址 64KB ROM 或 64KBRAM；一个可编程全双工串行口；具有 5 个中断源，两个优先级，嵌套中断结构；两个 16 位定时器 /计数器；一个片内震荡器及时钟电路；计数 脉冲输入T0 T1时钟 源CPU4K ROM（EPROM ）（8031 无）特殊 功能寄存 器 SFR定时 /计数器 T0、T1并行 I/O 接串行 接口中断 系统P0 P1 P2 P3 TXD RXDINT0INT1中断 输入图 3.1 STC89C52单片机结构框图STC89C52 系列单片机中HMOS 工艺制造的芯片采用双列直插(DIP) 方式封装 ,有 40 个引脚。 STC89C52 单片机 40 条引脚说明如下 :（1）电源引脚。 VCC正常运行和编程校验(8051/8751) 时为 5V 电源 ,VSS为接地（2）I/O 总线。 P0.0- P0.7（P0 口）， P1.0- P1.7（P1 口）， P2.0- P2.7（P2口）， P3.0- P3.7（P3 口）为输入 /输出引线。（3）时钟。XTAL1 ：片内震荡器反相放大器的输入端。XTAL2 ：片内震荡器反相放器的输出端，也是内部时钟发生器的输入端。（4）控制总线。由 P3 口的第二功能状态和4 根独立控制线RESET 、EA、ALE、PSEN 组成。7值得强调的是， P3 口的每一条引脚均可独立定义为第一功能的输入输出或第二功能。如表3.1 所示。表 3.1 P3 口线的第二功能定义：P3 口引脚及 线号P3.0 (10)P3.1 (11)P3.2 (12)P3.3 (13)P3.4 (14)P3.5 (15)P3.6 (16)P3.7 (17)引脚RXDTXDINT0INT1T0T1WRRD第二 功能串行 输入口串行 输出口外部 中断 0外部 中断 1定时 器 0 外部 输入定时 器 1 外部 输入外部 数据存储 器写脉冲外部 数据存储 器读脉冲：STC89C52单片机的片外总线结构地址总线（ AB） ：地址 总线宽为16 位，因此，其外部存储器直接寻址为64K字节，16 位地址总线由P0 口经地址锁存器提供8 位地址（ A0 至 A7） ；P2 口直接提供8位地址（A88至A15P0）。 数 据 总 线 （ DB ）： 数 据 总 线 宽 度 为PSEN 组成。位 ， 由提 供 。控制总线（ CB） ：由 P3 口的第二功能状态和4 根独立控制线RESET 、EA、ALE、3.23.2 霍尔传感器选型霍尔传感器选型霍尔效应自1879 年被美国物理学家爱德文霍尔发现至今已有100 多年的历史，但直到20 世纪 50 年代，由于微电子学的发展，才被重视和开发，现在，已发展成一个品牌多样的传感器产品族，并得到广泛的应用。霍尔传感器是对磁敏感的传感元件，由磁钢、霍耳元件等组成。测量系统的转速传感器选用OH137 的霍尔传感器。3.33.3 开关霍尔传感器的性能分析开关霍尔传感器的性能分析OH137霍尔开关电路是为了适用客户低成本高性能要求开发生产的系列产品，其应用领域广泛， 性能可靠稳定。 电路内部 由反向电压保护器、 电压调整器，霍尔电压发生器，差分放大器，史密特触发器和集电极开路输出级组成，能将变化的磁场讯号转换成数字电压输出。产品特点：产品一致性好、灵敏度可按照客户要求定制、电路可和各种逻辑电路直接接口可实现功能：无触点开关、位置检测、速度检测、流量检测典型应用领域：直流无刷电机、家用电器、缝纫设备、纺织机械、编码器、安全8报警装置等自动化控制领域极限参数：（TA=25）电源电压 VCC4.5-24V输出负载电流IO25mA工作温度范围TA-4085贮存温度范围TS -55150电特性： TA=25参数符号测试条件单最小典型最大位4.5-24V400mVA5mA1.20S1.40S10量值电源电压VCC输出低电Vcc=4.5V,VOL-200平电压RL=2K ，BBOP输出漏电IOHVout=Vccmax ， BBRP-0.1流电源电流ICCVCC=Vccmax OC 开路-3输出上升Vcc=12V, RL=820 ,tr-0.12时间CL=20pF输出下降Vcc=12V, RL=820 ,tf-0.14时间CL=20pF磁特性： (VCC=4.524V) 1mT=10GS量值参 数符号最小典型最大工作点释放点回差测试电路：Vcc=5RLRL=820CL=20 pF单 位mTmTmTBOPBRPBH-26-18-8管腿 说明：1.电源 2. 地 3.输出使使用用注注意意：1）安装时要尽量减小施加到电路外壳或引 线上的机 械应力。Vout2）焊接 温度要低 于 260，时 间小于 3秒。CL3）电路为 OC 输出，需要在 1、3 腿（电源与 输出）之 间加一 上拉电 阻。上拉 电9磁电转换特性：功能方框图：Pin1.VCREGREGVOHBHVOL0BRPBOPB外型尺寸图：10Pin3.VouAMmPin2.GN3.43.4 系统显示电路介绍系统显示电路介绍3.4.1 74HC5953.4.1 74HC595的介绍的介绍74HC595是硅结构的 CMOS 器件， 兼容低电压 TTL 电路，遵守 JEDEC 标准。74HC595是具有 8 位移位寄存器（如图 2-8工作时序）和一个存储器，三态输出功能。 移位寄存器和存储器是分别的时钟。 数据在 SCHcp 的上升沿输入，在 STcp 的上升沿进入的存储寄存器中去。如果两个时钟连在一起，则移位寄存器总是比存储寄存器早一个脉冲。 移位寄存器有一个串行移位输入（ Ds），和 一个串行输出（ Q7 ）,和一个异步的低电平复位，存 储寄存器有一个并行 8 位的，具 备三态的总线输出，当 使能 OE 时（ 为低电平），存 储寄存器的数据输出到总线。8 位串行输入/输出或者并行输出移位寄存器，具有高阻关断状态。它的管脚分布和各管脚功能如图 2-9 所示。图 3-9管脚分布和管脚功能图 3-8 74HC595工作时序113.4.23.4.2 数码管介绍数码管介绍数码管按 发光二极管单元连接方式分为共阳极数码管和共阴极数码管。共阳数码管是指将所有发光二极管的阳极接到一起形成公共阳极 (COM) 的数码管。共阳数码管在应用时应将公共极 COM 接到+5V ，当某一字段发光二极管的阴极为低电平时，相 应字段就点亮。当 某一字段的阴极为高电平时，相应字段就不亮。 。共阴数码管是指将所有发光二极管的阴极接到 一起形成公共阴极(COM) 的数码管。共阴数码管在应用时应将公共极 COM 接到地线 GND上，当 某一字段发光二极管的阳极为高电平时，相 应字段就点亮。当 某一字段的阳极为低电平时，相应字段就不亮。 原理如图 2-10 所示。g fGNDabaafedgbcdp 5Vabcdefgdp共阴 极bcdefgdpe dGNDcdp（ a）（ b）共阳 极图 3-10数码管124 4 基于霍尔传感器的硬件电路设计基于霍尔传感器的硬件电路设计135 5 基于霍尔传感器测转速系统的软件设计基于霍尔传感器测转速系统的软件设计5.15.1 软件流程图软件流程图开始LED显示缓存初始化时钟寄存器初始化定时器中断初始化LED显示初始化调用数据处理程序调用显示子程序调用按键处理程序图 5-1 主程序 流程图秒标志位flag=1处理转速，转换成r/min转速的 16 进制数转换成10 进制BCD 码送显示缓冲器返回图 5.2 数据处 理显示模 块流程图14图 5-4 定时器 1 中断服务程序流程图155.2 C5.2 C 语言程序语言程序#include #include #include #define uchar unsigned char#define uint unsigned int#define DataPort P1sbit LATCH1=P20;/定义锁 存使能端 口 段锁存sbit LATCH2=P21;/sbit PPP=P31;sbit zzz=P07;unsigned char code HEYAO_WeiMa=0 xfe,0 xfd,0 xfb,0 xf7,0 xef,0 xdf,0 xbf,0 x7f;unsigned char codeTempData=0 x3f,0 x06,0 x5b,0 x4f,0 x66,0 x6d,0 x7d,0 x07,0 x7f,0 x6f,0 x00,0 x40;uchar Temp8;uchar timecount;bit flag;unsigned long x;/void delay() ;voidjing();void Display(unsigned char FirstBit,unsigned char Num)static unsigned char i=0;doDataPort=0 xff;/清空 数据，防 止有交替 重影LATCH1=1;/段锁存LATCH1=0;DataPort=HEYAO_WeiMai+FirstBit; /取位 码LATCH2=1;/位锁存LATCH2=0;DataPort=Tempi; /取显 示数据， 段码LATCH1=1;/段锁存LATCH1=0;i+;16delay();if(i=Num)void main()PPP=1;TMOD=0 x15;/TH1定时， 模式 1；TH0 计数，模 式 1TH0=0;TL0=0;TH1=(65536-50000)/256;TL1=(65536-50000)%256;ET0=1;ET1=1;/TH0,1溢出允许 中断EA=1;/ 允许中断TR1=1;TR0=1;/ 开始计 数while(1)if(flag=1)flag=0;x=(TH0*256+TL0)*5;if(x6000)jing();Temp3= TempDatax%10;Temp2= TempDatax/10%10;Temp1=TempDatax/100%10;Temp0=TempDatax/1000%10;Display(0,4);timecount=0;17i=0;while(PPP=1);TH0=0;TL0=0;TH1=(65536-50000)/256;TL1=(65536-50000)%256;TR0=1;TR1=1;PPP=1;void t0(void) interrupt 1 using 0int i;for(i=0;i500;i+)zzz=!zzz;delay();zzz=1;void t1(void) interrupt 3 using 0TH1=(65536-50000)/256;TL1=(65536-50000)%256;timecount+;if(timecount=120)/6sTR0=0;TR1=0;timecount=0;flag=1;void jing()18int i;for(i=0;i500;i+)zzz=!zzz;delay();zzz=1;void delay()int i;for (i=0;i255;i+) _nop_(); 19总结与展望总结与展望本此设计，主要进行了以下几方面的工作：首先，复习了上学期所学的传感器，在其中着重学习并理解霍尔传感器的工作原理；其次，根据老师所提供的传感器，查找搜集其特性，制作设计方案；然后，完成测温系统的硬件选型和电路设计；最后，完成测温系统的软件流程图设计。在这个小学期之间，根据我所选的题目，编出了实验的程序。总体来讲，此次设计的题目比较简单。通过这次的设计，又查阅了相关资料，与老师所讲的结合，基本上掌握了数码管动态显示的原理。在试验箱上模拟成功后，结合所发的板子修改了程序，但是在将程序考到开发板上之后偶遇到了一些问题。显示的结果与与预想的不同，经过反复试验最终搞清楚的其中的原理。对于定时器、计数器的中断，有了深入认识。怎么算初值，怎么申请中断，怎么响应，返回到什么位置等更深层次的应用并学为己有。并且学会了有多个等待多个中断返回时，怎么进行合理利用，使他们每个都能返回到该返回的位置，不出现错误。这一点我觉得很有用。这次设计，有程序，有硬件，有理论，有实践，通过它们的结合，我所学到的知识形成了一个系统，不再是孤立的，而是硬件与软件的结合，提高了自己的程序运用能力，对于编程的思路有了更进一步的悟性。不再是一个机械的运用，而是根据具体情况来编写自己的程序，有了一定的灵活运用能力。还记得，在上次的小学期中，做的单片机的程序，这次与传感相结合，不仅使我又一次的加深了对软件编程的理解，还从实际出发， 有了一个更整体的认识。对于霍尔传感器的基本原理更有了进一步的理解。霍尔传感器具有不怕灰尘、油污，安装简易，不易损坏等优点，在工业现场得到了广泛应用。测试结果表明对电动机转速的测量精度较高，基本能够满足实际的测试需要，有一定的实际应用价值。就本课题而言，并末实现真正工业意义上的测转速控制，今后还应在控制的实现上进一步深入的探讨，这类研究将对工业测转速有着深远的影响，是一个值得深入的方向。在此期间，每位同学都在尽自己最大的努力来完成设计任务，都认识到了设计的意义与目的。指导老师们是最辛苦的了，在这里，深表对老师的感谢。20参考文献参考文献1 何希才，传感器及其应用实例，机械工业出版社，2003.82 李华.MCS-51系列单片机实用接口技术M. 北京：北京航空航天大学出版社,1993,29-33.3 康华光，电子技术基础（模拟部分），高教出版社， 20034 余锡存 ,曹国华 .单片 机原理与接口技术M . 西安：西安电子科技大学出版社,2000.75 河道清，张禾，谌海云，传感器与传感器技术.科学出版社 .2008 年 6 月6谭浩强 .C 程序设计（第二版）M. 北京：清华大学出版社，19997 河道清，张禾，谌海云，传感器与传感器技术.科学出版社 .2008 年 6 月21