傳感器與測試技術(shù)課程設(shè)計

..精選實(shí)用文檔..精選?傳感器與測試技術(shù)?課程設(shè)計報告姓名：學(xué)號：專業(yè)：..精選實(shí)用文檔..精選1.1系統(tǒng)組成框圖

系統(tǒng)由傳感器、信號預(yù)處理電路、處理器、顯示器和系統(tǒng)軟件等局部組成。傳感器局部采用霍爾傳感器，負(fù)責(zé)將電機(jī)的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)化為脈沖信號。信號預(yù)處理電路包含待測信號放大、波形變換、波形整形電路等局部，其中放大器實(shí)現(xiàn)對待測信號的放大,降低對待測信號的幅度要求，實(shí)現(xiàn)對小信號的測量；波形變換和波形整形電路實(shí)現(xiàn)把正負(fù)交變的信號波形變換成可被單片機(jī)接受的TTL/CMOS兼容信號。

處理器采用AT89C51單片機(jī)，顯示器采用8位LED數(shù)碼管動態(tài)顯示。本課題采用的是以8051系列的AT89C51單片機(jī)為核心開發(fā)的霍爾傳感器測轉(zhuǎn)速的系統(tǒng)。系統(tǒng)硬件原理框圖如圖1所示：1.2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(jī)轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換成脈沖信號，送至單片機(jī)AT89C51的計數(shù)器

T0進(jìn)行計數(shù)，用T1定時測出電動機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速。此系統(tǒng)使用單片機(jī)進(jìn)行測速，采用脈沖計數(shù)法，使用霍爾傳感器獲得脈沖信號。其機(jī)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(jī)軸每轉(zhuǎn)一周，產(chǎn)生兩個脈沖，機(jī)軸旋轉(zhuǎn)時，就會產(chǎn)生連續(xù)的脈沖信號輸出。由霍爾器件電路局部輸出，成為轉(zhuǎn)速計數(shù)器的計數(shù)脈沖。控制計數(shù)時間，即可實(shí)現(xiàn)計數(shù)器的計數(shù)值對應(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LED顯示出來。..精選實(shí)用文檔..精選1霍爾傳感器是對磁敏感的傳感元件，由磁鋼、霍耳元件等組成。測量系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速傳感器選用SiKO

的

NJK-8002D

的霍爾傳感器,其響應(yīng)頻率為100KHz，額定電壓為5-30〔V〕、檢測距離為10〔mm〕。其在大電流磁場或磁鋼磁場的作用下，能測量高頻、工頻、直流等各種波形電流。該傳感器具有測量精度高、電壓范圍寬、功耗小、輸出功率大等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用在高速計數(shù)、測頻率、測轉(zhuǎn)速等領(lǐng)域。輸出電壓4～25V，直流電源要有足夠的濾波電容，測量極性為N極。安裝時將一非磁性圓盤固定在電動機(jī)的轉(zhuǎn)軸上，將磁鋼粘貼在圓盤邊緣，磁鋼采用永久磁鐵，其磁力較強(qiáng)，霍爾元件固定在距圓盤1-10mm處。當(dāng)磁鋼與霍爾元件相對位置發(fā)生變化時，通過霍爾元件感磁面的磁場強(qiáng)度就會發(fā)生變化。圓盤轉(zhuǎn)動，磁鋼靠近霍爾元件，穿過霍爾元件的磁場較強(qiáng)，霍爾元件輸出低電平；當(dāng)磁場減弱時，輸出高電平，從而使得在圓盤轉(zhuǎn)動過程中，霍爾元件輸出連續(xù)脈沖信號。這種傳感器不怕灰塵、油污，在工業(yè)現(xiàn)場應(yīng)用廣泛。1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。假設(shè)在垂直于薄片平面〔沿厚度

d〕方向施加外磁場B，在沿l方向的兩個端面加一外電場，那么有一定的電流流過。由于電子在磁場中運(yùn)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—載流子電荷，

V—載流子運(yùn)動速度，

B—磁感應(yīng)強(qiáng)度。這樣使電子的運(yùn)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HU稱為霍爾電壓。..精選實(shí)用文檔..精選霍爾電壓大小為：式中：RH—霍爾常數(shù)，

d—元件厚度，B—磁感應(yīng)強(qiáng)度，

I—控制電流K

H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勢的大小。應(yīng)注意，當(dāng)電磁感應(yīng)強(qiáng)度B反向時，霍爾電動勢也反向。圖2為霍耳元件的原理結(jié)構(gòu)圖。假設(shè)控制電流保持不變，那么霍爾感應(yīng)電壓將隨外界磁場強(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機(jī)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(jìn)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。..精選實(shí)用文檔..精選2.基于霍爾傳感器測轉(zhuǎn)速系統(tǒng)的硬件設(shè)計2.1系統(tǒng)硬件電路..精選實(shí)用文檔..精選本設(shè)計軟件為主程序、數(shù)據(jù)處理顯示程序、定時器中斷效勞程序三個局部。主程序主要完成初始化功能，包括LED顯示的初始化，中斷的初始化，定時器的初始化，存放器、標(biāo)志位的初始化等。主程序流程圖如圖5所示?！?〕數(shù)據(jù)處理顯示模塊程序。此模塊中單片機(jī)對在1秒內(nèi)的計數(shù)值進(jìn)行處理，轉(zhuǎn)換成r/min送顯示緩存以便顯示。具體算法如下:設(shè)單片機(jī)每秒計數(shù)到n個值，即n/2

(r/s)(圓盤貼兩個磁鋼)。那么n/2

(r/s)=30n(r/min)。即只要將計數(shù)值乘以30便可得到每分鐘電機(jī)的轉(zhuǎn)速。數(shù)據(jù)處理顯示模塊流程圖如圖6所示。..精選實(shí)用文檔..精選〔3〕定時器1中斷效勞程序設(shè)計。定時器1完成計時功能，定時50ms，進(jìn)行定時中斷計數(shù)并每隔1s更新一次顯示數(shù)據(jù)。流程圖如圖7所示。..精選實(shí)用文檔..精選硬件調(diào)試時先分步調(diào)試硬件中各個功能模塊，調(diào)試成功后再進(jìn)行統(tǒng)調(diào)。安裝固定電機(jī)和霍爾傳感器時，粘貼磁鋼需注意，霍爾傳感器對磁場方向敏感，粘貼之前可以先手動接近一下傳感器，如果沒有信號輸出，可以換一個方向再試?；魻杺鞲衅魈筋^要對準(zhǔn)轉(zhuǎn)盤上的磁鋼位置，安裝距離要在10mm以內(nèi)才可靈敏的感應(yīng)磁場變化。在磁場增強(qiáng)時霍爾傳感器輸出低電平，指示燈亮；磁場減弱時輸出高電平，指示燈熄滅。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動時，感應(yīng)電壓指示燈高頻閃爍，所以視覺上指示燈不會有多大的閃爍感。當(dāng)給NJK..精選實(shí)用文檔..精選

8002D

型霍爾傳感器施加15V電壓時其輸出端可以輸出4V的感應(yīng)電壓。輸出幅值為4V的矩形脈沖信號。測量系統(tǒng)與PC機(jī)連接時一定要先連接串行通信電纜，然后再將其電源線插入USB接口；撤除時先斷開其電源，再斷開串行通信電纜，否那么極易損壞PC機(jī)的串口。在進(jìn)行軟件編程調(diào)試時需要用到單片機(jī)的集成開發(fā)環(huán)境MedWin

軟件，編程時極易出現(xiàn)誤輸入或其他的一些語法錯誤，最重要的還有一些模塊無語法錯誤卻達(dá)不到預(yù)期的功能，都要經(jīng)過調(diào)試才能排除。MedWin

軟件具有很強(qiáng)大的編程調(diào)試功能，能夠模擬仿真實(shí)際單片機(jī)的端口和內(nèi)部功能部件的狀態(tài)值。該軟件中有硬件調(diào)試和軟件調(diào)試功能，可以觀察單片機(jī)內(nèi)存單元對應(yīng)的運(yùn)行值，可以顯示單片機(jī)端口、中斷、定時器1、定時器2還有串口對應(yīng)的運(yùn)行值。可以單步調(diào)試也可以模塊調(diào)試，最好的是可以對你所疑心的語句模塊設(shè)置斷點(diǎn)。MedWin

具有的強(qiáng)大的編譯調(diào)試功極大地方便了對軟件局部的調(diào)試。在具體調(diào)試過程中，系統(tǒng)將各功能模塊如數(shù)據(jù)處理程序、按鍵程序設(shè)計、中斷效勞子程序、LED顯示程序分別分開進(jìn)行調(diào)試，最后進(jìn)行主程序的整體調(diào)試。編譯無誤后生成目標(biāo)代碼BIN文件。采用AT單片機(jī)下載相應(yīng)的軟件，將其下載到實(shí)驗板的單片機(jī)中。下載軟件的最后一步：點(diǎn)擊軟件界面中的[下載]按鈕，在點(diǎn)擊前一定要保持實(shí)驗板的串行通信線及電源線與PC機(jī)連接良好，并且實(shí)驗板的電源開關(guān)處于關(guān)閉狀態(tài)，然后點(diǎn)擊[下載]按鈕，再翻開實(shí)驗板電源開關(guān)，此時軟件將自動完成程序下載。最后將硬件和軟件結(jié)合起來整體調(diào)試實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的測速功能。測試結(jié)果分析..精選實(shí)用文檔..精選設(shè)計根本完成題目中的各項要求，其中電機(jī)轉(zhuǎn)速的測量比擬精確，與實(shí)際轉(zhuǎn)速相差10

轉(zhuǎn)/分左右，精度在全量程范圍內(nèi)優(yōu)于10轉(zhuǎn)/分，存在一定的誤差，經(jīng)分析主要是由以下原因造成：由于電機(jī)的轉(zhuǎn)盤是采用塑料盤片磨制而成，高速旋轉(zhuǎn)時容易打飄不穩(wěn)，導(dǎo)致獲得的脈沖信號頻率與實(shí)際轉(zhuǎn)速有一定的誤差。中斷處理的進(jìn)入和中斷處理程序都會有一定時間的誤差，從而導(dǎo)致定時時間的誤差，這也是造成測量誤差的一個因素。在固定裝置時，由于是手動操作，從而導(dǎo)致初始獲得信號有一定的時差。結(jié)論：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(diǎn)，在工業(yè)現(xiàn)場得到了廣泛應(yīng)用。利用霍爾傳感器設(shè)計的轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)以單