基于霍爾傳感器的計(jì)數(shù)器

1、在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和工程實(shí)踐中，經(jīng)常會(huì)遇到各種需要測(cè)量轉(zhuǎn)速的場(chǎng)合，測(cè)量轉(zhuǎn)速的方法分為模擬式和數(shù)字式兩種。模擬式采用測(cè)速發(fā)電機(jī)為檢測(cè)元件，得到的信號(hào)是模擬量，控制系統(tǒng)的硬件部分非常復(fù)雜，功能單一，而且系統(tǒng)非常不靈活、調(diào)試?yán)щy。數(shù)字式通常采用光電編碼器、圓光柵、霍爾元件等為檢測(cè)元件，得到的信號(hào)是脈沖信號(hào)。單片機(jī)技術(shù)的日新月異，特別是高性能價(jià)格比的單片機(jī)的出現(xiàn)，轉(zhuǎn)速測(cè)量普遍采用以單片機(jī)為核心的數(shù)字式測(cè)量方法，使得許多控制功能及算法可以采用軟件技術(shù)來(lái)完成。采用單片機(jī)構(gòu)成控制系統(tǒng)，可以節(jié)約人力資源和降低系統(tǒng)成本，從而有效的提高工作效率。本次實(shí)驗(yàn)是要利用霍爾傳感器來(lái)測(cè)量轉(zhuǎn)速。由磁場(chǎng)的變化來(lái)使霍爾傳感器產(chǎn)生脈沖，

2、由單片機(jī)計(jì)數(shù)，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)計(jì)算轉(zhuǎn)化成所測(cè)轉(zhuǎn)速，再由數(shù)碼管顯示出來(lái)一、設(shè)計(jì)目的1二、設(shè)計(jì)任務(wù)與要求12.1 設(shè)計(jì)任務(wù)12.2 設(shè)計(jì)要求1三、設(shè)計(jì)步驟及原理分析23.1 設(shè)計(jì)方法33.2 設(shè)計(jì)步驟53.3 設(shè)計(jì)原理分析7四、課程設(shè)計(jì)小結(jié)與體會(huì)8五、參考文獻(xiàn)9一、設(shè)計(jì)目的利用強(qiáng)磁鐵與霍爾元件組成測(cè)試轉(zhuǎn)體轉(zhuǎn)速的測(cè)量電路，包括計(jì)數(shù)與顯示電路。二、設(shè)計(jì)任務(wù)與要求2.1設(shè)計(jì)要求1,實(shí)現(xiàn)基本功能2 .完成3000字設(shè)計(jì)報(bào)告3 .畫出電路圖4 .發(fā)揮部分，設(shè)計(jì)超速報(bào)警，完成信號(hào)傳輸。2.2 設(shè)計(jì)任務(wù)利用強(qiáng)磁鐵與霍爾原件組成測(cè)試專題轉(zhuǎn)速的測(cè)量電路，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)體轉(zhuǎn)速的計(jì)數(shù)和顯示。2.3 主要技術(shù)指標(biāo)（或研究方法）測(cè)量范圍0

3、6000r/min精度±5r/min工作電壓5V12V工作電流低于500mA工作環(huán)境溫度-60C65C三.設(shè)計(jì)步驟及原理分析3.1 設(shè)計(jì)方法在測(cè)量電機(jī)轉(zhuǎn)速時(shí)我們從采用了電磁感應(yīng)式傳感器。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，帶動(dòng)傳感器。這種傳感器可以將轉(zhuǎn)速信號(hào)轉(zhuǎn)變成一個(gè)對(duì)應(yīng)頻率的脈沖信號(hào)輸出，經(jīng)過(guò)信號(hào)處理后輸出到計(jì)數(shù)器。脈沖信號(hào)的頻率與電機(jī)的轉(zhuǎn)速是一種線性的正比關(guān)系，因此對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速的測(cè)量，實(shí)質(zhì)上是對(duì)脈沖信號(hào)的頻率的測(cè)量。本課題采是以STC89C52單片機(jī)為核心將處理好的信號(hào)經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理轉(zhuǎn)換成所測(cè)得的實(shí)際十進(jìn)制信號(hào)的系統(tǒng)。系統(tǒng)硬件原理框圖如圖2-1:圖2-1系統(tǒng)框圖系統(tǒng)框圖原理如圖2-1所示，系統(tǒng)由傳感器、信

4、號(hào)處理、顯示電路和系統(tǒng)軟件等部分組成。傳感器采用霍爾傳感器，負(fù)責(zé)將轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)化為脈沖信號(hào)。信號(hào)處理電路包含待測(cè)信號(hào)放大、波形變換、波形整形電路等部分，其中放大器實(shí)現(xiàn)對(duì)待測(cè)信號(hào)的放大，降低對(duì)待測(cè)信號(hào)的幅度要求，實(shí)現(xiàn)對(duì)小信號(hào)的測(cè)量；波形變換和波形整形電路實(shí)現(xiàn)把正負(fù)交變的信號(hào)波形變換成可被單片機(jī)接受的TTL/CMOS兼容信號(hào)。處理器采用STC89C52單片機(jī)，顯示器采用8位LED數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示。3.2 設(shè)計(jì)步驟計(jì)數(shù)脈沖輸入T0T1時(shí)鐘源4KROM并行I/O接串行接口中斷系統(tǒng)mmt2P0P1P2P3TXDRXDINT0INT1中斷輸入C(EPROM特殊功能寄存器SFR定日/計(jì)數(shù)器T0、T1圖3.1STC8

5、9C52單片機(jī)結(jié)構(gòu)框圖23.2.1 霍爾傳感器選型霍爾效應(yīng)自1879年被美國(guó)物理學(xué)家愛(ài)德文霍爾發(fā)現(xiàn)至今已有100多年的歷史，但直到20世紀(jì)50年代，由于微電子學(xué)的發(fā)展，才被重視和開(kāi)發(fā)，現(xiàn)在，已發(fā)展成一個(gè)品牌多樣的傳感器產(chǎn)品族，并得到廣泛的應(yīng)用?；魻杺鞲衅魇菍?duì)磁敏感的傳感元件，由磁鋼、霍耳元件等組成。測(cè)量系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速傳感器選用OH137的霍爾傳感器。3.2.2 開(kāi)關(guān)霍爾傳感器的性能分析OH137霍爾開(kāi)關(guān)電路是為了適用客戶低成本高性能要求開(kāi)發(fā)生產(chǎn)的系列產(chǎn)品，其應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，性能可靠穩(wěn)定。電路內(nèi)部由反向電壓保護(hù)器、電壓調(diào)整器，霍爾電壓發(fā)生器，差分放大器，史密特觸發(fā)器和集電極開(kāi)路輸出級(jí)組成，能將變化的磁

6、場(chǎng)訊號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字電壓輸出。產(chǎn)品特點(diǎn)：產(chǎn)品一致性好、靈敏度可按照客戶要求定制、電路可和各種邏輯電路直接接口可實(shí)現(xiàn)功能：無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)、位置檢測(cè)、速度檢測(cè)、流量檢測(cè)典型應(yīng)用領(lǐng)域：直流無(wú)刷電機(jī)、家用電器、縫紉設(shè)備、紡織機(jī)械、編碼器、安全報(bào)警裝置等自動(dòng)化控制領(lǐng)域極限參數(shù)：（Ta=25C）電源電壓Vcc4.5-24V輸出負(fù)載電流Io25mA工作溫度范圍Ta-4085c貯存溫度范圍Ts-55150c電特性：Ta=25C參數(shù)符號(hào)測(cè)試條件量值單位最小典型最大電源電壓Vcc4.5-24V輸出低電平電壓VolVcc=4.5V,RL=2KQ,BABop-200400mV輸出漏電流1ohVout=Vccmax,BWBrp

7、-0.110A電源電流1ccVcc=VccmaxOC開(kāi)路-35mA輸出上升時(shí)間trVcc=12V,Rl=820Q,CL=20pF-0.121.20wS輸出下降時(shí)間tfVcc=12V,Rl=820Q,CL=20pF-0.141.40wS磁特性：(Vcc=4.524V)1mT=10GS3.2.3 系統(tǒng)顯示電路介紹74HC595的介紹74HC595是硅結(jié)構(gòu)的CMOSS件，兼容低電壓TTL電路，遵守JEDEC標(biāo)準(zhǔn)。74HC595是具有8位移位寄存器（如圖2-8工作時(shí)序）和一個(gè)存儲(chǔ)器，三態(tài)輸出功能。移位寄存器和存儲(chǔ)器是分別的時(shí)鐘。數(shù)據(jù)在SCHcp的上升沿輸入，在STcp的上升沿進(jìn)入的存儲(chǔ)寄存器中去。如果

8、兩個(gè)時(shí)鐘連在一起，則移位寄存器總是比存儲(chǔ)寄存器早一個(gè)脈沖。移位寄存器有一個(gè)用行移位輸入（Ds）,和一個(gè)用行輸出（Q7），和一個(gè)異步的低電平復(fù)位，存儲(chǔ)寄存器有一個(gè)并行8位的，具備三態(tài)的總線輸出，當(dāng)使能OE時(shí)（為低電平），存儲(chǔ)寄存器的數(shù)據(jù)輸出到總線。8位串行輸入/輸出或者并行輸出移位寄存器，具有高阻關(guān)斷狀態(tài)。它的管腳分布和各管腳功能如圖2-9所示。SYMBOLPINDESCRIPTION15J.7paralleldataoutput口8gimlfDV)59seriaf3忸。國(guó)網(wǎng)MRWrwterreset(sctivaLOW)11shiftregisterdockinput8312storagest

9、ardockInputOE13outputenable(adiwLOW)os14serialdaiainputQ16positivesupplyvo加翡PINNINGGND如!晦鼻方叫MHOT,回引回百句EEEU翊-Elm二士-lij-e-m二T二11JFig.1PinDOnJiguratiDa.圖3-9管腳分布和管腳功能圖3-874HC595工作時(shí)序3.2.4 基于霍爾傳感器的硬件電路設(shè)計(jì)TE二二P35TT103±口TA1111ELTriUTPEIHMG口用和亨，叩."AJUPQMlPQfAifPD.VA11叩巾?？贖，僧/工總EF213T必*aFZAHPZIDP3.1M

10、PZU>3w,CT&7H.'shTFE叮WET白口13情isTFlTu£sr:-=-.-r«HC5TJ3.3 設(shè)計(jì)原理分析3.3.1 霍爾傳感器測(cè)轉(zhuǎn)速原理及特性1、霍爾傳感器測(cè)速原理：霍爾器件是由半導(dǎo)體材料制成的一種薄片，器件的長(zhǎng)、寬、高分別為l、b、d。若在垂直于薄片平面(沿厚度d)方向施加外磁場(chǎng)B,在沿1方向的兩個(gè)端面加一外電場(chǎng)，則有一定的電流流過(guò)。由于電子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)，所以將受到一個(gè)洛侖磁力，其大小為：f=qVB式中：f洛侖磁力，q一載流子電荷，V一載流子運(yùn)動(dòng)速度，B磁感應(yīng)強(qiáng)度。這樣使電子的運(yùn)動(dòng)軌跡發(fā)生偏移，在霍爾元器件薄片的兩個(gè)側(cè)面分別產(chǎn)生電子

11、積聚或電荷過(guò)剩，形成霍爾電場(chǎng)，霍爾元器件兩個(gè)側(cè)面間的電位差UH稱為霍爾電壓?；魻栯妷捍笮椋篣h=RhIB/d(mV)式中：Rh霍爾常數(shù)，d一元件厚度，B磁感應(yīng)強(qiáng)度，I控制電流設(shè)KH=RH/d,WJUH=KHmIxB/d（mV）為霍爾器件的靈敏系數(shù)（mV/mA/T）,它表示該霍爾元件在單位磁感應(yīng)強(qiáng)度和單位控制電流下輸出霍爾電動(dòng)勢(shì)的大小。應(yīng)注意，當(dāng)電磁感應(yīng)強(qiáng)度B反向時(shí)，霍爾電動(dòng)勢(shì)也反向。若控制電流保持不變，則霍爾感應(yīng)電壓將隨外界磁場(chǎng)強(qiáng)度而變化，根據(jù)這一原理，可以將兩塊永久磁鋼固定在電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上轉(zhuǎn)盤的邊沿，轉(zhuǎn)盤隨被測(cè)軸旋轉(zhuǎn)，磁鋼也將跟著同步旋轉(zhuǎn)，在轉(zhuǎn)盤附近安裝一個(gè)霍爾元件，轉(zhuǎn)盤隨軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，霍爾元件

12、受到磁鋼所產(chǎn)生的磁場(chǎng)影響，輸出脈沖信號(hào)。傳感器內(nèi)置電路對(duì)該信號(hào)進(jìn)行放大、整形，輸出良好的矩形脈沖信號(hào)，測(cè)量頻率范圍更寬，輸出信號(hào)更精確穩(wěn)定，已在工業(yè)，汽車，航空等測(cè)速領(lǐng)域中得到廣泛的應(yīng)用。其頻率和轉(zhuǎn)速成正比，測(cè)出脈沖的周期或頻率即可計(jì)算出轉(zhuǎn)速。2、2.霍爾傳感器的特性：半導(dǎo)體磁敏傳感器是利用半導(dǎo)體材料中的自由電子和空穴隨磁場(chǎng)而改變其運(yùn)動(dòng)方向這一特性制成的，按其結(jié)構(gòu)可分為體型和結(jié)型兩大類。體型的主要有霍爾傳感器（材料主要是InSb、InAs、Ge、Si、GaAs）和磁敏電阻（材料主要有InSb、InAs）,結(jié)型的主要有磁敏二極管（材料主要是Ge、Si）和磁敏三極管（材料主要是Si）?；魻杺鞲衅魇?/p>

13、一種基于霍爾效應(yīng)的磁傳感器?；魻栃?yīng)自1879年被美國(guó)物理學(xué)家愛(ài)德文霍爾發(fā)現(xiàn)至今已有100多年的歷史，但直到20世紀(jì)50年代，由于微電子學(xué)的發(fā)展，才被重視和開(kāi)發(fā)，現(xiàn)在，已發(fā)展成一個(gè)品牌多樣的傳感器產(chǎn)品族，并得到廣泛的應(yīng)用?；魻杺鞲衅骺梢詸z測(cè)磁場(chǎng)及其變化，可在各種與磁場(chǎng)相關(guān)的場(chǎng)合中應(yīng)用。霍爾傳感器具有許多優(yōu)點(diǎn)，其結(jié)構(gòu)牢固，體積小，質(zhì)量輕，壽命長(zhǎng)，安裝方便，功能消耗小，頻率高，耐震動(dòng)，不怕灰塵，油污，水汽及鹽霧等的污染或腐蝕。霍爾傳感器可直接用于檢測(cè)磁場(chǎng)或磁特性，也可以通過(guò)在被檢對(duì)象上人為設(shè)置的磁場(chǎng)，來(lái)檢測(cè)許多非電、非磁的物理量，例如力、力矩、壓力、應(yīng)力、位置、位移、速度、加速度、角度、角速度、轉(zhuǎn)

14、數(shù)、轉(zhuǎn)速以及工作狀態(tài)發(fā)生變化的時(shí)間等，還可轉(zhuǎn)換成電量來(lái)進(jìn)行檢測(cè)和控制。3.3.2系統(tǒng)工作原理及處理方法1、系統(tǒng)工作原理：轉(zhuǎn)速是工程上一個(gè)常用的參數(shù)，旋轉(zhuǎn)體的轉(zhuǎn)速常以每分鐘的轉(zhuǎn)數(shù)來(lái)表示。其單位為r/min。由霍爾元件及外圍器件組成的測(cè)速電路將電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換成脈沖信號(hào)，送至單片機(jī)STC89C51的計(jì)數(shù)器T0進(jìn)行計(jì)數(shù),用T1定時(shí)測(cè)出電動(dòng)機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速。此系統(tǒng)使用單片機(jī)進(jìn)行測(cè)速，采用脈沖計(jì)數(shù)法，使用霍爾傳感器獲得脈沖信號(hào)。具機(jī)械結(jié)構(gòu)也可以做得較為簡(jiǎn)單，只要在轉(zhuǎn)軸的圓盤上粘上兩粒磁鋼，讓霍爾傳感器靠近磁鋼，機(jī)軸每轉(zhuǎn)一周，產(chǎn)生兩個(gè)脈沖，機(jī)軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生連續(xù)的脈沖信號(hào)輸出。由霍爾器件電路部分輸出，成為轉(zhuǎn)速

15、計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)脈沖?？刂朴?jì)數(shù)時(shí)間，即可實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值對(duì)應(yīng)機(jī)軸的轉(zhuǎn)速值。單片機(jī)CPU將該數(shù)據(jù)處理后，通過(guò)LED顯示出來(lái)。2、處理方法：測(cè)速實(shí)際上就是測(cè)頻，通?？梢杂糜?jì)數(shù)法、測(cè)脈寬法和等精度法來(lái)進(jìn)行測(cè)試。所謂計(jì)數(shù)法，就是給定一個(gè)閘門時(shí)間，在閘門時(shí)間內(nèi)計(jì)數(shù)輸入的脈沖個(gè)數(shù)；測(cè)脈寬法是利用待測(cè)信號(hào)的脈寬來(lái)控制計(jì)數(shù)門，對(duì)一個(gè)高精度的高頻計(jì)數(shù)信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)。由于閘門與被測(cè)信號(hào)不能同步，因此，這兩種方法都存在土1誤差的問(wèn)題，第一種方法適用于信號(hào)頻率高時(shí)使用，第二種方法則在信號(hào)頻率低時(shí)使用。等精度法則對(duì)高、低頻信號(hào)都有很好的適應(yīng)性。此系統(tǒng)采用計(jì)數(shù)法測(cè)速。單片機(jī)STC89C52內(nèi)部具有2個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器，定時(shí)

16、/計(jì)數(shù)器的工作可以由編程來(lái)實(shí)現(xiàn)定時(shí)、計(jì)數(shù)和產(chǎn)生計(jì)數(shù)溢出中斷要求的功能。在構(gòu)成為定時(shí)器時(shí)，每個(gè)機(jī)器周期加1（使用12MHz時(shí)鐘時(shí)，每1us加1）,這樣以機(jī)器周期為基準(zhǔn)可以用來(lái)測(cè)量時(shí)間問(wèn)隔。在構(gòu)成為計(jì)數(shù)器時(shí)，在相應(yīng)的外部引腳發(fā)生從1到0的跳變時(shí)計(jì)數(shù)器加1,這樣在計(jì)數(shù)閘門的控制下可以用來(lái)測(cè)量待測(cè)信號(hào)的頻率。四、課程設(shè)計(jì)小結(jié)與體會(huì)本此設(shè)計(jì)，主要進(jìn)行了以下幾方面的工作：首先，復(fù)習(xí)了上學(xué)期所學(xué)的傳感器，在其中著重學(xué)習(xí)并理解霍爾傳感器的工作原理；其次，根據(jù)老師所提供的傳感器，查找搜集其特性，制作設(shè)計(jì)方案；然后，完成測(cè)溫系統(tǒng)的硬件選型和電路設(shè)計(jì)；最后，完成測(cè)溫系統(tǒng)的軟件流程圖設(shè)計(jì)。在這個(gè)小學(xué)期之間，根據(jù)我所選

17、的題目，編出了實(shí)驗(yàn)的程序?？傮w來(lái)講，此次設(shè)計(jì)的題目比較簡(jiǎn)單。通過(guò)這次的設(shè)計(jì)，又查閱了相關(guān)資料，與老師所講的結(jié)合，基本上掌握了數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示的原理。在試驗(yàn)箱上模擬成功后，結(jié)合所發(fā)的板子修改了程序，但是在將程序考到開(kāi)發(fā)板上之后偶遇到了一些問(wèn)題。顯示的結(jié)果與與預(yù)想的不同，經(jīng)過(guò)反復(fù)試驗(yàn)最終搞清楚的其中的原理。對(duì)于定時(shí)器、計(jì)數(shù)器的中斷，有了深入認(rèn)識(shí)。怎么算初值，怎么申請(qǐng)中斷，怎么響應(yīng)，返回到什么位置等更深層次的應(yīng)用并學(xué)為己有。并且學(xué)會(huì)了有多個(gè)等待多個(gè)中斷返回時(shí)，怎么進(jìn)行合理利用，使他們每個(gè)都能返回到該返回的位置，不出現(xiàn)錯(cuò)誤。這一點(diǎn)我覺(jué)得很有用。這次設(shè)計(jì)，有程序，有硬件，有理論，有實(shí)踐，通過(guò)它們的結(jié)合，我

18、所學(xué)到的知識(shí)形成了一個(gè)系統(tǒng)，不再是孤立的，而是硬件與軟件的結(jié)合，提高了自己的程序運(yùn)用能力，對(duì)于編程的思路有了更進(jìn)一步的悟性。不再是一個(gè)機(jī)械的運(yùn)用，而是根據(jù)具體情況來(lái)編寫自己的程序，有了一定的靈活運(yùn)用能力。還記得，在上次的小學(xué)期中，做的單片機(jī)的程序，這次與傳感相結(jié)合，不僅使我又一次的加深了對(duì)軟件編程的理解，還從實(shí)際出發(fā)，有了一個(gè)更整體的認(rèn)識(shí)。對(duì)于霍爾傳感器的基本原理更有了進(jìn)一步的理解?；魻杺鞲衅骶哂胁慌禄覊m、油污，安裝簡(jiǎn)易，不易損壞等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)得到了廣泛應(yīng)用。測(cè)試結(jié)果表明對(duì)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的測(cè)量精度較高，基本能夠滿足實(shí)際的測(cè)試需要，有一定的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。就本課題而言，并末實(shí)現(xiàn)真正工業(yè)意義上的測(cè)轉(zhuǎn)速控制，今后還應(yīng)在控制的實(shí)現(xiàn)上進(jìn)一步深入的探討，這類研究將對(duì)工業(yè)測(cè)轉(zhuǎn)速有著深遠(yuǎn)的影響，是一個(gè)值得深入的方向。在此期間，每位同學(xué)都在盡自己最大的努力來(lái)完成設(shè)計(jì)任務(wù)，都認(rèn)識(shí)到了設(shè)計(jì)的意