基于霍爾傳感器的計數(shù)器

1、在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和工程實踐中，經(jīng)常會遇到各種需要測量轉(zhuǎn)速的場合，測量轉(zhuǎn)速的方法分為模擬式和數(shù)字式兩種。模擬式采用測速發(fā)電機為檢測元件，得到的信號是模擬量，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、霍爾元件等為檢測元件，得到的信號是脈沖信號。單片機技術(shù)的日新月異，特別是高性能價格比的單片機的出現(xiàn)，轉(zhuǎn)速測量普遍采用以單片機為核心的數(shù)字式測量方法，使得許多控制功能及算法可以采用軟件技術(shù)來完成。采用單片機構(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。本次實驗是要利用霍爾傳感器來測量轉(zhuǎn)速。由磁場的變化來使霍爾傳感器產(chǎn)生脈沖，

2、由單片機計數(shù)，經(jīng)過數(shù)據(jù)計算轉(zhuǎn)化成所測轉(zhuǎn)速，再由數(shù)碼管顯示出來一、設(shè)計目的1二、設(shè)計任務(wù)與要求12.1 設(shè)計任務(wù)12.2 設(shè)計要求1三、設(shè)計步驟及原理分析23.1 設(shè)計方法33.2 設(shè)計步驟53.3 設(shè)計原理分析7四、課程設(shè)計小結(jié)與體會8五、參考文獻9一、設(shè)計目的利用強磁鐵與霍爾元件組成測試轉(zhuǎn)體轉(zhuǎn)速的測量電路，包括計數(shù)與顯示電路。二、設(shè)計任務(wù)與要求2.1設(shè)計要求1,實現(xiàn)基本功能2 .完成3000字設(shè)計報告3 .畫出電路圖4 .發(fā)揮部分，設(shè)計超速報警，完成信號傳輸。2.2 設(shè)計任務(wù)利用強磁鐵與霍爾原件組成測試專題轉(zhuǎn)速的測量電路，實現(xiàn)轉(zhuǎn)體轉(zhuǎn)速的計數(shù)和顯示。2.3 主要技術(shù)指標(biāo)（或研究方法）測量范圍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)計步驟及原理分析3.1 設(shè)計方法在測量電機轉(zhuǎn)速時我們從采用了電磁感應(yīng)式傳感器。當(dāng)電機轉(zhuǎn)動時，帶動傳感器。這種傳感器可以將轉(zhuǎn)速信號轉(zhuǎn)變成一個對應(yīng)頻率的脈沖信號輸出，經(jīng)過信號處理后輸出到計數(shù)器。脈沖信號的頻率與電機的轉(zhuǎn)速是一種線性的正比關(guān)系，因此對電機轉(zhuǎn)速的測量，實質(zhì)上是對脈沖信號的頻率的測量。本課題采是以STC89C52單片機為核心將處理好的信號經(jīng)過數(shù)據(jù)處理轉(zhuǎn)換成所測得的實際十進制信號的系統(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。信號處理電路包含待測信號放大、波形變換、波形整形電路等部分，其中放大器實現(xiàn)對待測信號的放大，降低對待測信號的幅度要求，實現(xiàn)對小信號的測量；波形變換和波形整形電路實現(xiàn)把正負(fù)交變的信號波形變換成可被單片機接受的TTL/CMOS兼容信號。處理器采用STC89C52單片機，顯示器采用8位LED數(shù)碼管動態(tài)顯示。3.2 設(shè)計步驟計數(shù)脈沖輸入T0T1時鐘源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/計數(shù)器T0、T1圖3.1STC8

5、9C52單片機結(jié)構(gòu)框圖23.2.1 霍爾傳感器選型霍爾效應(yīng)自1879年被美國物理學(xué)家愛德文霍爾發(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，才被重視和開發(fā)，現(xiàn)在，已發(fā)展成一個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Υ琶舾械膫鞲性?，由磁鋼、霍耳元件等組成。測量系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速傳感器選用OH137的霍爾傳感器。3.2.2 開關(guān)霍爾傳感器的性能分析OH137霍爾開關(guān)電路是為了適用客戶低成本高性能要求開發(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)器和集電極開路輸出級組成，能將變化的磁

6、場訊號轉(zhuǎn)換成數(shù)字電壓輸出。產(chǎn)品特點：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現(xiàn)功能：無觸點開關(guān)、位置檢測、速度檢測、流量檢測典型應(yīng)用領(lǐng)域：直流無刷電機、家用電器、縫紉設(shè)備、紡織機械、編碼器、安全報警裝置等自動化控制領(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)符號測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開路-35mA輸出上升時間trVcc=12V,Rl=820Q,CL=20pF-0.121.20wS輸出下降時間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工作時序）和一個存儲器，三態(tài)輸出功能。移位寄存器和存儲器是分別的時鐘。數(shù)據(jù)在SCHcp的上升沿輸入，在STcp的上升沿進入的存儲寄存器中去。如果

8、兩個時鐘連在一起，則移位寄存器總是比存儲寄存器早一個脈沖。移位寄存器有一個用行移位輸入（Ds）,和一個用行輸出（Q7），和一個異步的低電平復(fù)位，存儲寄存器有一個并行8位的，具備三態(tài)的總線輸出，當(dāng)使能OE時（為低電平），存儲寄存器的數(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工作時序3.2.4 基于霍爾傳感器的硬件電路設(shè)計TE二二P35TT103±口TA1111ELTriUTPEIHMG口用和亨，叩."AJUPQMlPQfAifPD.VA11叩巾。口H，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)計原理分析3.3.1 霍爾傳感器測轉(zhuǎn)速原理及特性1、霍爾傳感器測速原理：霍爾器件是由半導(dǎo)體材料制成的一種薄片，器件的長、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B,在沿1方向的兩個端面加一外電場，則有一定的電流流過。由于電子在磁場中運動，所以將受到一個洛侖磁力，其大小為：f=qVB式中：f洛侖磁力，q一載流子電荷，V一載流子運動速度，B磁感應(yīng)強度。這樣使電子的運動軌跡發(fā)生偏移，在霍爾元器件薄片的兩個側(cè)面分別產(chǎn)生電子

11、積聚或電荷過剩，形成霍爾電場，霍爾元器件兩個側(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)強度和單位控制電流下輸出霍爾電動勢的大小。應(yīng)注意，當(dāng)電磁感應(yīng)強度B反向時，霍爾電動勢也反向。若控制電流保持不變，則霍爾感應(yīng)電壓將隨外界磁場強度而變化，根據(jù)這一原理，可以將兩塊永久磁鋼固定在電動機轉(zhuǎn)軸上轉(zhuǎn)盤的邊沿，轉(zhuǎn)盤隨被測軸旋轉(zhuǎn)，磁鋼也將跟著同步旋轉(zhuǎn)，在轉(zhuǎn)盤附近安裝一個霍爾元件，轉(zhuǎn)盤隨軸旋轉(zhuǎn)時，霍爾元件

12、受到磁鋼所產(chǎn)生的磁場影響，輸出脈沖信號。傳感器內(nèi)置電路對該信號進行放大、整形，輸出良好的矩形脈沖信號，測量頻率范圍更寬，輸出信號更精確穩(wěn)定，已在工業(yè)，汽車，航空等測速領(lǐng)域中得到廣泛的應(yīng)用。其頻率和轉(zhuǎn)速成正比，測出脈沖的周期或頻率即可計算出轉(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而改變其運動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年被美國物理學(xué)家愛德文霍爾發(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，才被重視和開發(fā)，現(xiàn)在，已發(fā)展成一個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測磁場及其變化，可在各種與磁場相關(guān)的場合中應(yīng)用?；魻杺鞲衅骶哂性S多優(yōu)點，其結(jié)構(gòu)牢固，體積小，質(zhì)量輕，壽命長，安裝方便，功能消耗小，頻率高，耐震動，不怕灰塵，油污，水汽及鹽霧等的污染或腐蝕?；魻杺鞲衅骺芍苯佑糜跈z測磁場或磁特性，也可以通過在被檢對象上人為設(shè)置的磁場，來檢測許多非電、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)生變化的時間等，還可轉(zhuǎn)換成電量來進行檢測和控制。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)來表示。其單位為r/min。由霍爾元件及外圍器件組成的測速電路將電動機轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換成脈沖信號，送至單片機STC89C51的計數(shù)器T0進行計數(shù),用T1定時測出電動機的實際轉(zhuǎn)速。此系統(tǒng)使用單片機進行測速，采用脈沖計數(shù)法，使用霍爾傳感器獲得脈沖信號。具機械結(jié)構(gòu)也可以做得較為簡單，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，機軸每轉(zhuǎn)一周，產(chǎn)生兩個脈沖，機軸旋轉(zhuǎn)時，就會產(chǎn)生連續(xù)的脈沖信號輸出。由霍爾器件電路部分輸出，成為轉(zhuǎn)速

15、計數(shù)器的計數(shù)脈沖?？刂朴嫈?shù)時間，即可實現(xiàn)計數(shù)器的計數(shù)值對應(yīng)機軸的轉(zhuǎn)速值。單片機CPU將該數(shù)據(jù)處理后，通過LED顯示出來。2、處理方法：測速實際上就是測頻，通常可以用計數(shù)法、測脈寬法和等精度法來進行測試。所謂計數(shù)法，就是給定一個閘門時間，在閘門時間內(nèi)計數(shù)輸入的脈沖個數(shù)；測脈寬法是利用待測信號的脈寬來控制計數(shù)門，對一個高精度的高頻計數(shù)信號進行計數(shù)。由于閘門與被測信號不能同步，因此，這兩種方法都存在土1誤差的問題，第一種方法適用于信號頻率高時使用，第二種方法則在信號頻率低時使用。等精度法則對高、低頻信號都有很好的適應(yīng)性。此系統(tǒng)采用計數(shù)法測速。單片機STC89C52內(nèi)部具有2個16位定時/計數(shù)器，定時

16、/計數(shù)器的工作可以由編程來實現(xiàn)定時、計數(shù)和產(chǎn)生計數(shù)溢出中斷要求的功能。在構(gòu)成為定時器時，每個機器周期加1（使用12MHz時鐘時，每1us加1）,這樣以機器周期為基準(zhǔn)可以用來測量時間問隔。在構(gòu)成為計數(shù)器時，在相應(yīng)的外部引腳發(fā)生從1到0的跳變時計數(shù)器加1,這樣在計數(shù)閘門的控制下可以用來測量待測信號的頻率。四、課程設(shè)計小結(jié)與體會本此設(shè)計，主要進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)計方案；然后，完成測溫系統(tǒng)的硬件選型和電路設(shè)計；最后，完成測溫系統(tǒng)的軟件流程圖設(shè)計。在這個小學(xué)期之間，根據(jù)我所選

17、的題目，編出了實驗的程序?？傮w來講，此次設(shè)計的題目比較簡單。通過這次的設(shè)計，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)碼管動態(tài)顯示的原理。在試驗箱上模擬成功后，結(jié)合所發(fā)的板子修改了程序，但是在將程序考到開發(fā)板上之后偶遇到了一些問題。顯示的結(jié)果與與預(yù)想的不同，經(jīng)過反復(fù)試驗最終搞清楚的其中的原理。對于定時器、計數(shù)器的中斷，有了深入認(rèn)識。怎么算初值，怎么申請中斷，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)會了有多個等待多個中斷返回時，怎么進行合理利用，使他們每個都能返回到該返回的位置，不出現(xiàn)錯誤。這一點我覺得很有用。這次設(shè)計，有程序，有硬件，有理論，有實踐，通過它們的結(jié)合，我

18、所學(xué)到的知識形成了一個系統(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用能力，對于編程的思路有了更進一步的悟性。不再是一個機械的運用，而是根據(jù)具體情況來編寫自己的程序，有了一定的靈活運用能力。還記得，在上次的小學(xué)期中，做的單片機的程序，這次與傳感相結(jié)合，不僅使我又一次的加深了對軟件編程的理解，還從實際出發(fā)，有了一個更整體的認(rèn)識。對于霍爾傳感器的基本原理更有了進一步的理解。霍爾傳感器具有不怕灰塵、油污，安裝簡易，不易損壞等優(yōu)點，在工業(yè)現(xiàn)場得到了廣泛應(yīng)用。測試結(jié)果表明對電動機轉(zhuǎn)速的測量精度較高，基本能夠滿足實際的測試需要，有一定的實際應(yīng)用價值。就本課題而言，并末實現(xiàn)真正工業(yè)意義上的測轉(zhuǎn)速控制，今后還應(yīng)在控制的實現(xiàn)上進一步深入的探討，這類研究將對工業(yè)測轉(zhuǎn)速有著深遠的影響，是一個值得深入的方向。在此期間，每位同學(xué)都在盡自己最大的努力來完成設(shè)計任務(wù)，都認(rèn)識到了設(shè)計的意