霍爾傳感器測速設(shè)計(jì).doc

寧波理工學(xué)院傳感器大作業(yè) 題 目 霍爾傳感器測速設(shè)計(jì) 姓 名 李培勇 學(xué) 號 3110403060 專業(yè)班級 11級電信1班 指導(dǎo)教師 李林功 學(xué) 院 信息科學(xué)與工程學(xué)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(yīng)用，設(shè)計(jì)了基于霍爾傳感器與單片機(jī)AT89C2051結(jié)合來實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的測量。完成了霍爾傳感器測量電路的設(shè)計(jì)和顯示電路的設(shè)計(jì)。測量轉(zhuǎn)速的傳感器與裝有磁鐵的轉(zhuǎn)盤保持好一定的位置，轉(zhuǎn)盤每轉(zhuǎn)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(jī)中進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，經(jīng)過處理后實(shí)現(xiàn)電機(jī)速度的測量。在顯示電路設(shè)計(jì)中，通過1602實(shí)現(xiàn)在LCD上直觀地顯示電機(jī)的轉(zhuǎn)速值。硬件與軟件配合，實(shí)現(xiàn)了測速。仿真實(shí)驗(yàn)證實(shí)了所設(shè)計(jì)的硬件電路及軟件程序的正確性，滿足設(shè)計(jì)要求。 關(guān)鍵詞：霍爾傳感器；測速；單片機(jī)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(yīng)用11.3霍爾傳感器的應(yīng)用21.4霍爾傳感器在汽車測速中的應(yīng)用2第2章霍爾傳感器的原理22.1霍爾效應(yīng)的定義22.2霍爾傳感器工作磁體的設(shè)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(shè)計(jì)33.1系統(tǒng)總實(shí)現(xiàn)要求33.2系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案43.3總體硬件設(shè)計(jì)53.3.1硬件流程圖53.3.2硬件電路設(shè)計(jì)6第4章系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)74.1總體軟件設(shè)計(jì)74.1.1軟件流程圖74.1.2程序設(shè)計(jì)84.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果94.3本章小結(jié)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(chǎn)品。未來傳感器技術(shù)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(chǎn)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(bǔ)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(jī)相連。 （4）實(shí)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(shí)現(xiàn)夜視功能的傳感器、用于實(shí)現(xiàn)汽車主動安全的傳感器、用于實(shí)現(xiàn)線控轉(zhuǎn)向與制動的傳感器、用于駕駛員身份識別的生物統(tǒng)計(jì)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(yīng)用汽車傳感器是汽車部件中一種重要的傳感電子設(shè)備，隨著汽車配置的越來越高，汽車傳感器也越來越先進(jìn)。汽車霍爾電子控制裝置的應(yīng)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(jī)構(gòu)三部分。它利用傳感器監(jiān)測汽車有關(guān)工作狀況，并將相關(guān)信息傳給電控單元，電控單元經(jīng)過分析、運(yùn)算、判斷后，發(fā)送指令給執(zhí)行機(jī)構(gòu)，從而使汽車的工作狀況達(dá)到最佳。車用傳感器主要用于發(fā)動機(jī)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(yīng)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(yīng)用霍爾傳感器的應(yīng)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(guān)型霍爾傳感器主要用于測轉(zhuǎn)數(shù)、轉(zhuǎn)速、風(fēng)速、流速、接近開關(guān)、關(guān)門告知器、報(bào)警器、自動控制電路等。1.4霍爾傳感器在汽車測速中的應(yīng)用測速裝置在機(jī)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(qiáng)、高精度和盡可能短的檢測時間。本設(shè)計(jì)介紹了應(yīng)用霍爾傳感器通過測量磁場強(qiáng)度，來得到穩(wěn)定的脈沖方波信號，實(shí)現(xiàn)機(jī)車轉(zhuǎn)速的測量。 第二章 霍爾傳感器的原理2.1霍爾效應(yīng)的定義通電導(dǎo)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(yīng)。2.2霍爾傳感器工作磁體的設(shè)置將一非磁性圓盤固定裝在電機(jī)轉(zhuǎn)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(yùn)動和位置的載體，通常情況下我們用永久磁鋼作為磁場。當(dāng)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(qiáng)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(qiáng)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(jī)軸相連接，當(dāng)汽車運(yùn)動時機(jī)軸每轉(zhuǎn)一周，產(chǎn)生一定的脈沖個數(shù)，霍爾器件將所產(chǎn)生的信號輸入機(jī)車中的小型微機(jī)中，微機(jī)對所接受到的脈沖信號進(jìn)行計(jì)算處理，得出當(dāng)前速度值，并通過LCD顯示當(dāng)前速度，如果速度高于上限的話，一般車內(nèi)會安有報(bào)警系統(tǒng)，隨之報(bào)警。 第三章 霍爾傳感器測速設(shè)計(jì)3.1系統(tǒng)總設(shè)計(jì)要求如果把霍爾傳感器放在電機(jī)預(yù)定的位置上，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)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(jī)速度。3.2系統(tǒng)實(shí)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(chǎn)品性能好、靈敏度、電路可和各種邏輯電路直接相連，價(jià)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(jià)格較貴（40120元之間不等）。從性價(jià)比方面綜合考慮，選擇方案一。（2）計(jì)數(shù)模塊的選擇可以采用片外計(jì)數(shù)器和片內(nèi)計(jì)數(shù)器兩個方案。片外計(jì)數(shù)器的方案是采用8253等片外專用計(jì)數(shù)芯片進(jìn)行脈沖計(jì)數(shù)，單片機(jī)控制8253的過程，并在技術(shù)完畢后讀取計(jì)數(shù)值。片內(nèi)計(jì)數(shù)方案是指采用單片機(jī)的內(nèi)部計(jì)數(shù)器完成對脈沖的計(jì)數(shù)過程。使用片內(nèi)計(jì)數(shù)器的優(yōu)點(diǎn)在于降低單片機(jī)系統(tǒng)的成本。每到一個脈沖將會產(chǎn)生一個T1的計(jì)數(shù)，在T0產(chǎn)生的100ms中斷完成后，T1的中斷溢出次數(shù)就是所需要計(jì)的脈沖數(shù)。特點(diǎn)在于：使用了內(nèi)部的T1作為外部脈沖的計(jì)數(shù)器，并且，為了避免計(jì)數(shù)器的溢出，將T1的初值設(shè)為0。所以選用片內(nèi)計(jì)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(jī)模塊的論證與選擇方案一：選用 AT89C2051單片機(jī)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?yàn)樵O(shè)計(jì)是汽車測速，所以我還是選用了方案一中AT89C2051單片機(jī)，選用AT89C2051是因?yàn)閮r(jià)格便宜、低功耗。（5）轉(zhuǎn)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(chǎn)生N個脈沖內(nèi)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(nèi)的脈數(shù)，換算成頻率。在設(shè)定t 時間內(nèi)，測量產(chǎn)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(fù)一個計(jì)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(chǎn)生的誤差，但是方案一中的時間誤差，而本設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)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(zhuǎn)速的霍爾傳感器和機(jī)軸同軸連接，機(jī)軸每轉(zhuǎn)一周，產(chǎn)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(zhuǎn)速計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)脈沖。保持同89C2051邏輯電平相一致。控制計(jì)數(shù)時間，即可實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值對應(yīng)機(jī)軸的轉(zhuǎn)速值。CPU將該值數(shù)據(jù)處理后，在LCD上顯示出來。以單片機(jī)AT89C205l為控制核心，用霍爾集成傳感器作為測量轉(zhuǎn)速的檢測元件，最后用液晶顯示器1602顯示的機(jī)車轉(zhuǎn)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(shè)計(jì)（1）通過霍爾傳感器產(chǎn)生脈沖信號，并經(jīng)過74LS14進(jìn)行放大，硬件電路圖如圖4-2所示。圖4-2 產(chǎn)生測速信號硬件原理圖（2）將產(chǎn)生的脈沖信號進(jìn)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(zhuǎn)換為單片機(jī)可采集的5V脈沖信號，如圖4-3所示。圖4-3對產(chǎn)生的脈沖信號進(jìn)行耦合（3）將耦合處理后的信號介入單片機(jī)中0點(diǎn)位置如圖4-4所示。圖4-4單片機(jī)電路相連接 第四章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)4.1總體軟件設(shè)計(jì)4.1.1軟件流程圖 軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖4-8所示。 圖4-8主程序流程圖4.1.2程序設(shè)計(jì)流程電機(jī)轉(zhuǎn)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(jì)數(shù)方式；3是信號輸入方式；4是計(jì)數(shù)值的讀?。煌ㄟ^AT89C2051，單片機(jī)完成對電機(jī)轉(zhuǎn)速脈沖計(jì)數(shù)的控制，讀取寄存器完成轉(zhuǎn)速頻率的確定。 霍爾傳感器脈沖信號連到引腳。計(jì)數(shù)次數(shù)為3次，將3次結(jié)果取平均，從而提高計(jì)數(shù)的穩(wěn)定性和精確性。其測量過程是測量轉(zhuǎn)速的霍爾傳感器和電機(jī)機(jī)軸同軸連接，機(jī)軸每轉(zhuǎn)一周，產(chǎn)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(zhuǎn)數(shù)計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)脈沖。輸出的電壓信號保持同單片機(jī)AT89C51邏輯電平相一致，控制計(jì)數(shù)時間，即可實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值對應(yīng)機(jī)軸的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速脈沖計(jì)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(jì)數(shù)值，此值即為脈沖信號的頻率，根據(jù)式（4-1）可計(jì)算出電機(jī)的轉(zhuǎn)速。當(dāng)電機(jī)通過傳動部分帶圓盤旋轉(zhuǎn)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(jī)系統(tǒng)定時/計(jì)數(shù)器計(jì)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(jī)旋轉(zhuǎn)的速度。電機(jī)轉(zhuǎn)速計(jì)算公式： 其中：n為直流電機(jī)轉(zhuǎn)速，N為柵格數(shù)，N1為T0中斷次數(shù)，m為在規(guī)定時間內(nèi)測得的脈沖數(shù)，T為定時器T0定時溢出時間。4.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果（1）仿真軟件準(zhǔn)備就緒如圖4-9所示。圖4-9 軟件啟動（2）電機(jī)緩慢轉(zhuǎn)動時如圖4-10所示。圖4-10 電機(jī)慢速轉(zhuǎn)動（3）電機(jī)快速轉(zhuǎn)動時如圖4-11所示。圖4-11 電機(jī)快速轉(zhuǎn)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(dāng)脈沖變化幅度較大時代表電機(jī)快速轉(zhuǎn)動，相反脈沖信號變化幅度比較小時代表電機(jī)慢速