霍爾傳感器測速設計.doc

寧波理工學院傳感器大作業(yè) 題 目 霍爾傳感器測速設計 姓 名 李培勇 學 號 3110403060 專業(yè)班級 11級電信1班 指導教師 李林功 學 院 信息科學與工程學院 完成日期 2014.5.24 摘 要 本文介紹了霍爾傳感器在汽車電子中的應用，設計了基于霍爾傳感器與單片機AT89C2051結合來實現(xiàn)電機轉速的測量。完成了霍爾傳感器測量電路的設計和顯示電路的設計。測量轉速的傳感器與裝有磁鐵的轉盤保持好一定的位置，轉盤每轉一周，霍爾傳感器采集一定量的脈沖信號，把采集好的脈沖信號輸入到單片機中進行數(shù)據(jù)處理，經(jīng)過處理后實現(xiàn)電機速度的測量。在顯示電路設計中，通過1602實現(xiàn)在LCD上直觀地顯示電機的轉速值。硬件與軟件配合，實現(xiàn)了測速。仿真實驗證實了所設計的硬件電路及軟件程序的正確性，滿足設計要求。 關鍵詞：霍爾傳感器；測速；單片機目 錄摘 要I第1章概述11.1傳感器未來的發(fā)展趨勢11.2傳感器在汽車電子中的應用11.3霍爾傳感器的應用21.4霍爾傳感器在汽車測速中的應用2第2章霍爾傳感器的原理22.1霍爾效應的定義22.2霍爾傳感器工作磁體的設置22.3霍爾傳感器的工作原理3第3章霍爾傳感器測速設計33.1系統(tǒng)總實現(xiàn)要求33.2系統(tǒng)實現(xiàn)方案43.3總體硬件設計53.3.1硬件流程圖53.3.2硬件電路設計6第4章系統(tǒng)軟件設計74.1總體軟件設計74.1.1軟件流程圖74.1.2程序設計84.2實驗結果94.3本章小結12 第1章 概述1.1傳感器未來的發(fā)展趨勢 由于傳感器在市場需求很大和它在控制系統(tǒng)中起到的重要作用，世界各國對其理論研究非常重視，也不斷的出現(xiàn)新的產品。未來傳感器技術發(fā)展的新途徑將會是：功能化、模塊化、智能化、微型化。 傳感器的具體發(fā)展方向可以主要概括為以下幾個方面： （1）在傳感器的原理上，利用新材料生產新型傳感器。 （2）開發(fā)多功能化的傳感器，主要是可將放大、整形、補償?shù)韧鈬娐芬惑w化的集成化傳感器和智能小型傳感器。 （3）開發(fā)數(shù)字輸出型傳感器，隨時能與微機相連。 （4）實現(xiàn)傳感器控制信號直接顯示，這種新型傳感器主要有以下幾種：用于舒適性和安全性的環(huán)境傳感器、用于實現(xiàn)夜視功能的傳感器、用于實現(xiàn)汽車主動安全的傳感器、用于實現(xiàn)線控轉向與制動的傳感器、用于駕駛員身份識別的生物統(tǒng)計傳感器以及遙感勘測傳感器等。1.2傳感器在汽車電子中的應用汽車傳感器是汽車部件中一種重要的傳感電子設備，隨著汽車配置的越來越高，汽車傳感器也越來越先進。汽車霍爾電子控制裝置的應用也越來越廣泛，每個電子控制裝置都包括傳感器、電控單元、執(zhí)行機構三部分。它利用傳感器監(jiān)測汽車有關工作狀況，并將相關信息傳給電控單元，電控單元經(jīng)過分析、運算、判斷后，發(fā)送指令給執(zhí)行機構，從而使汽車的工作狀況達到最佳。車用傳感器主要用于發(fā)動機控制系統(tǒng)、底盤控制系統(tǒng)、汽車測速系統(tǒng)、車身控制系統(tǒng)和防抱死裝置。它的應用大大提高了汽車電子化程度，增加了汽車駕駛的安全系數(shù)。1.3霍爾傳感器的應用霍爾傳感器的應用十分廣泛。線性霍爾傳感器主要是用于一些物理量的測量，比如對電流和位移的測量。開關型霍爾傳感器主要用于測轉數(shù)、轉速、風速、流速、接近開關、關門告知器、報警器、自動控制電路等。1.4霍爾傳感器在汽車測速中的應用測速裝置在機車控制系統(tǒng)中占有非常重要的地位，對測速裝置的要求是分辨能力強、高精度和盡可能短的檢測時間。本設計介紹了應用霍爾傳感器通過測量磁場強度，來得到穩(wěn)定的脈沖方波信號，實現(xiàn)機車轉速的測量。 第二章 霍爾傳感器的原理2.1霍爾效應的定義通電導體在垂直電流方向的磁場作用下，在與電流和磁場垂直的方向上形成電荷積累和出現(xiàn)電勢差的現(xiàn)象，稱為霍爾效應。2.2霍爾傳感器工作磁體的設置將一非磁性圓盤固定裝在電機轉軸上，圓盤邊緣等距離用環(huán)氧樹脂粘貼塊狀磁鋼，磁鋼采用永久磁，如圖3-1所示。由于霍爾傳感器的磁特性，我們這里把磁場作為霍爾傳感器運動和位置的載體，通常情況下我們用永久磁鋼作為磁場。當兩齒輪之間空隙正對霍爾傳感器時，磁力線比較分散，測得場強比較弱。如果某一齒正對霍爾傳感器時，穿過的磁力線比較多，場強較大。由于此過程中磁力線密度發(fā)生變化而引起霍爾電壓的變化，霍爾元件將輸出一個方波電壓。圖3-1 霍爾傳感器檢測信號圖2.3霍爾傳感器的工作原理在汽車測速系統(tǒng)中霍爾傳感器與機軸相連接，當汽車運動時機軸每轉一周，產生一定的脈沖個數(shù)，霍爾器件將所產生的信號輸入機車中的小型微機中，微機對所接受到的脈沖信號進行計算處理，得出當前速度值，并通過LCD顯示當前速度，如果速度高于上限的話，一般車內會安有報警系統(tǒng)，隨之報警。 第三章 霍爾傳感器測速設計3.1系統(tǒng)總設計要求如果把霍爾傳感器放在電機預定的位置上，當電機轉動時，永磁體經(jīng)過霍爾傳感器時，可以測量電路中的脈沖信號。根據(jù)脈沖信號的分布可以測得電機速度。3.2系統(tǒng)實現(xiàn)方案（1）霍爾測速模塊的選擇方案一：采用霍爾元件傳感器；選型號OH137產品性能好、靈敏度、電路可和各種邏輯電路直接相連，價格也便宜（1020元之間不等）。方案二：采用霍爾傳感器；選型號為CHV-25P/10的霍爾傳感器，其額定電壓為10V，輸出信號5V/25mA，電源為1215V。體積大，價格較貴（40120元之間不等）。從性價比方面綜合考慮，選擇方案一。（2）計數(shù)模塊的選擇可以采用片外計數(shù)器和片內計數(shù)器兩個方案。片外計數(shù)器的方案是采用8253等片外專用計數(shù)芯片進行脈沖計數(shù)，單片機控制8253的過程，并在技術完畢后讀取計數(shù)值。片內計數(shù)方案是指采用單片機的內部計數(shù)器完成對脈沖的計數(shù)過程。使用片內計數(shù)器的優(yōu)點在于降低單片機系統(tǒng)的成本。每到一個脈沖將會產生一個T1的計數(shù)，在T0產生的100ms中斷完成后，T1的中斷溢出次數(shù)就是所需要計的脈沖數(shù)。特點在于：使用了內部的T1作為外部脈沖的計數(shù)器，并且，為了避免計數(shù)器的溢出，將T1的初值設為0。所以選用片內計數(shù)。（3）顯示方式的選擇方案一：采用8段LED數(shù)碼管作為顯示模塊核心。數(shù)碼管顯示器件相對便宜，但是耗能大、編寫程序相對麻煩，工作量大。方案二：采用LCD液晶顯示器作為顯示模塊核心。LCD顯示器工作原理簡單，編程方便，節(jié)能環(huán)保。因此選擇方案二。（4）單片機模塊的論證與選擇方案一：選用 AT89C2051單片機速度快、功耗低、體積小、資源豐富。方案二：選用PhilipsP89C51RD2有4個PDA，屬于兼容版。方案比較：因為設計是汽車測速，所以我還是選用了方案一中AT89C2051單片機，選用AT89C2051是因為價格便宜、低功耗。（5）轉速測量方法與論證方案一：測周法是測量兩個脈沖之間的時間，換算成周期，從而得到頻率。測出產生N個脈沖內所需要的時間t，則信號的周期為，測量頻率誤差，誤差主要來自采樣的時間誤差，低頻脈沖情況下誤差較小，測量精度高。方案二：測頻法是測量單位時間內的脈數(shù)，換算成頻率。在設定t 時間內，測量產生N個脈沖，則信號的周期為，測量頻率誤差，誤差主要來自脈沖個數(shù)正負一個計數(shù)誤差，高頻脈沖情況下誤差較小，測量精度高。方案比較：由于兩個方案都產生的誤差，但是方案一中的時間誤差，而本設計是汽車測速要測得是時刻速度，故選擇方案二。3.3總體硬件設計3.3.1硬件流程圖基于霍爾傳感器的速度測量系統(tǒng)工作過程是：測量轉速的霍爾傳感器和機軸同軸連接，機軸每轉一周，產生一定量的脈沖個數(shù)，由霍爾器件電路部分輸出。經(jīng)光電耦合后，成為轉速計數(shù)器的計數(shù)脈沖。保持同89C2051邏輯電平相一致?？刂朴嫈?shù)時間，即可實現(xiàn)計數(shù)器的計數(shù)值對應機軸的轉速值。CPU將該值數(shù)據(jù)處理后，在LCD上顯示出來。以單片機AT89C205l為控制核心，用霍爾集成傳感器作為測量轉速的檢測元件，最后用液晶顯示器1602顯示的機車轉速的方法，系統(tǒng)硬件原理圖如圖4-1所示。圖4-1 系統(tǒng)硬件流程圖3.3.2硬件電路設計（1）通過霍爾傳感器產生脈沖信號，并經(jīng)過74LS14進行放大，硬件電路圖如圖4-2所示。圖4-2 產生測速信號硬件原理圖（2）將產生的脈沖信號進行耦合處理。其中Signal代表脈沖信號，脈沖信號通過光電耦合器將其轉換為單片機可采集的5V脈沖信號，如圖4-3所示。圖4-3對產生的脈沖信號進行耦合（3）將耦合處理后的信號介入單片機中0點位置如圖4-4所示。圖4-4單片機電路相連接 第四章 系統(tǒng)軟件設計4.1總體軟件設計4.1.1軟件流程圖 軟件設計流程圖如圖4-8所示。 圖4-8主程序流程圖4.1.2程序設計流程電機轉速測量需要經(jīng)過的4個基本步驟：1是控制方式；2是確定計數(shù)方式；3是信號輸入方式；4是計數(shù)值的讀?。煌ㄟ^AT89C2051，單片機完成對電機轉速脈沖計數(shù)的控制，讀取寄存器完成轉速頻率的確定。 霍爾傳感器脈沖信號連到引腳。計數(shù)次數(shù)為3次，將3次結果取平均，從而提高計數(shù)的穩(wěn)定性和精確性。其測量過程是測量轉速的霍爾傳感器和電機機軸同軸連接，機軸每轉一周，產生一定量的脈沖個數(shù)，由霍爾器件電路輸出。經(jīng)過電耦合器后，即經(jīng)過隔離整形電路后，成為轉數(shù)計數(shù)器的計數(shù)脈沖。輸出的電壓信號保持同單片機AT89C51邏輯電平相一致，控制計數(shù)時間，即可實現(xiàn)計數(shù)器的計數(shù)值對應機軸的轉速值。主CPU將該值數(shù)據(jù)處理后，在LCD液晶顯示器上顯示出來。本系統(tǒng)采用89C2051中的中斷對轉速脈沖計數(shù)。定時器T0工作于定時方式，工作于方式1。每到1s讀一次外部中斷計數(shù)值，此值即為脈沖信號的頻率，根據(jù)式（4-1）可計算出電機的轉速。當電機通過傳動部分帶圓盤旋轉時，霍爾傳感器根據(jù)圓盤上得磁片獲得一系列脈沖信號。這些脈沖信號通過單片機系統(tǒng)定時/計數(shù)器計數(shù)，定時器T0定時。定時器T0完成100次溢出中斷的時間T除以測得的脈沖數(shù)m，經(jīng)過單位換算，就可以算得電機旋轉的速度。電機轉速計算公式： 其中：n為直流電機轉速，N為柵格數(shù)，N1為T0中斷次數(shù)，m為在規(guī)定時間內測得的脈沖數(shù)，T為定時器T0定時溢出時間。4.2實驗結果（1）仿真軟件準備就緒如圖4-9所示。圖4-9 軟件啟動（2）電機緩慢轉動時如圖4-10所示。圖4-10 電機慢速轉動（3）電機快速轉動時如圖4-11所示。圖4-11 電機快速轉動（4）仿真說明將所用的程序和畫好的電路圖放入仿真軟件中，啟動軟件，在圖中0處輸入模擬的脈沖信號，當脈沖變化幅度較大時代表電機快速轉動，相反脈沖信號變化幅度比較小時代表電機慢速