霍爾傳感器小車測(cè)距課程設(shè)計(jì)總結(jié)

1、 成績(jī)?cè)u(píng)定： 傳感器技術(shù) 課程設(shè)計(jì) 題 目 霍爾傳感器小車測(cè)距 摘要對(duì)車速測(cè)量，利用霍爾傳感器工作頻帶寬、響應(yīng)速度快、測(cè)量精度高的特性結(jié)合單片機(jī)控制電路，設(shè)計(jì)出了一種新型的測(cè)速系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)脈沖信號(hào)的精確、快速測(cè)量，硬件成本低，算法簡(jiǎn)單，穩(wěn)定性好。霍爾傳感器測(cè)量電路設(shè)計(jì)、顯示電路設(shè)計(jì)。測(cè)量速度的霍爾傳感器和車軸同軸連接，車軸沒(méi)轉(zhuǎn)一周，產(chǎn)生一定量的脈沖個(gè)數(shù)，有霍爾器件電路部分輸出幅度為12V的脈沖。經(jīng)光電隔離器后成為輸出幅度為5V轉(zhuǎn)數(shù)計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)脈沖?？刂贫〞r(shí)器計(jì)數(shù)時(shí)間，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)車速的測(cè)量。在顯示電路設(shè)計(jì)中，實(shí)現(xiàn)LED上直觀地顯示車輪的轉(zhuǎn)數(shù)值。與軟件配合，實(shí)現(xiàn)了顯示、報(bào)警功能關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī)AT

2、89C51 傳感器 LED 仿真目 錄一 、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13.1設(shè)計(jì)方法13.2設(shè)計(jì)步驟33.3設(shè)計(jì)原理分析10四、課程設(shè)計(jì)小結(jié)與體會(huì)11五、參考文獻(xiàn)11一、設(shè)計(jì)目的 通過(guò)傳感器及檢測(cè)技術(shù)課程設(shè)計(jì)，使學(xué)生掌握傳感器及檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的方法和設(shè)計(jì)原則及相應(yīng)的硬件調(diào)試的方法。進(jìn)一步理解傳感器及檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用。用霍爾元件設(shè)計(jì)測(cè)量車速的電子系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)霍爾元件工作原理的掌握實(shí)現(xiàn)對(duì)車速測(cè)量的應(yīng)用，設(shè)計(jì)出具體的電子系統(tǒng)電路，并且能夠完成精確的車速測(cè)量。二、設(shè)計(jì)內(nèi)容及要求2.1設(shè)計(jì)任務(wù) 霍爾傳感器一般由霍爾元件和磁鋼組成，當(dāng)霍爾元件和

3、磁鋼相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生脈沖信號(hào)，根據(jù)磁鋼和脈沖數(shù)量就可以計(jì)算轉(zhuǎn)速，進(jìn)而求出車速。現(xiàn)要求設(shè)計(jì)一個(gè)測(cè)量系統(tǒng)，在小車的適當(dāng)位置安裝霍爾元件及磁鋼，使之具有以下功能：功能：1）LED數(shù)碼管顯示小車的行駛距離（單位：cm）。 2）具有小車前進(jìn)和后退檢測(cè)功能，并用指示燈顯示。 3）記錄小車的行駛時(shí)間，并實(shí)時(shí)計(jì)算小車的行駛速度。 4）距離測(cè)量誤差2cm。 5）其它。2.2設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)要求 首先選定傳感器，霍爾傳感器具有靈敏、可靠、體積小巧、無(wú)觸點(diǎn)、無(wú)磨損、使用壽命長(zhǎng)、功耗低等優(yōu)點(diǎn)，綜合了電機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)的要求。其次設(shè)計(jì)一個(gè)單片機(jī)小系統(tǒng)，掌握單片機(jī)接口電路的設(shè)計(jì)技巧，學(xué)會(huì)利用單片機(jī)的定時(shí)器和中斷系統(tǒng)對(duì)脈沖信

4、號(hào)進(jìn)行測(cè)量或計(jì)數(shù)。再次實(shí)時(shí)測(cè)量顯示并有報(bào)警功能，實(shí)時(shí)測(cè)量根據(jù)脈沖計(jì)數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速測(cè)量的方法。要求霍爾傳感器轉(zhuǎn)速為05000r/min。三、設(shè)計(jì)步驟及原理分析3.1 設(shè)計(jì)方法3.11 霍爾效應(yīng) 所謂霍爾效應(yīng)，是指磁場(chǎng)作用于載流金屬導(dǎo)體、半導(dǎo)體中的載流子時(shí)，產(chǎn)生橫向電位差的物理現(xiàn)象。金屬的霍爾效應(yīng)是1879年被美國(guó)物理學(xué)家霍爾發(fā)現(xiàn)的。當(dāng)電流通過(guò)金屬箔片時(shí)，若在垂直于電流的方向施加磁場(chǎng)，則金屬箔片兩側(cè)面會(huì)出現(xiàn)橫向電位差。半導(dǎo)體中的霍爾效應(yīng)比金屬箔片中更為明顯，而鐵磁金屬在居里溫度以下將呈現(xiàn)極強(qiáng)的霍爾效應(yīng)。霍爾效應(yīng)的原理圖如圖1-2所示。 圖1-2霍爾效應(yīng)的原理圖 當(dāng)電流I通過(guò)放在磁場(chǎng)中的半導(dǎo)體基片（霍

5、爾元件）且電流方向和磁場(chǎng)方向垂直時(shí)，在垂直于電流和磁通的半導(dǎo)體基片的橫向側(cè)面上即產(chǎn)生一個(gè)電壓，這個(gè)電壓稱為霍爾電壓U?；魻栯妷篣的高低與通過(guò)的電流I和磁場(chǎng)強(qiáng)度B成正比，可用下列公式表示： 式中 K霍爾元件的靈敏度 I電流 B磁場(chǎng)強(qiáng)度 由上式知霍爾電動(dòng)勢(shì)與、I、B有關(guān)。當(dāng)I、B大小一定時(shí)，越大，越大。顯然，一般希望越大越好。 若磁感應(yīng)強(qiáng)度B不垂直于霍爾元件，而是與其法線成某一角度時(shí)，此時(shí)的霍爾電動(dòng)勢(shì)為 U =KIBcos 由上式可知，當(dāng)通過(guò)的電流I為一定值時(shí)，霍爾電壓與磁場(chǎng)強(qiáng)度B成正比，且當(dāng)B的方向改變時(shí)，霍爾電勢(shì)的方向也隨之改變。即霍爾電壓的大小只與磁場(chǎng)強(qiáng)度大小關(guān)而與磁通的變化速率無(wú)關(guān)。如果所

6、施加的磁場(chǎng)為交變磁場(chǎng)，則霍爾電勢(shì)為同頻率的交變電動(dòng)勢(shì)。由于通電導(dǎo)線周圍存在磁場(chǎng)，其大小與導(dǎo)線中的電流成正比，故可以利用霍爾元件測(cè)量出磁場(chǎng)，就可確定導(dǎo)線電流的大小。利用這一原理可以設(shè)計(jì)制成霍爾電流傳感器。其優(yōu)點(diǎn)是不與被測(cè)電路發(fā)生電接觸，不影響被測(cè)電路，不消耗被測(cè)電源的功率，特別適合于大電流傳感。若把霍爾元件置于電場(chǎng)強(qiáng)度為E、磁場(chǎng)強(qiáng)度為H的電磁場(chǎng)中，則在該元件中將產(chǎn)生電流I，元件上同時(shí)產(chǎn)生的霍爾電位差與電場(chǎng)強(qiáng)度E成正比，如果再測(cè)出該電磁場(chǎng)的磁場(chǎng)強(qiáng)度，則電磁場(chǎng)的功率密度瞬時(shí)值P可由P=EH確定。 如果把霍爾元件集成的開關(guān)按預(yù)定位置有規(guī)律地布置在物體上，當(dāng)裝在運(yùn)動(dòng)物體上的永磁體經(jīng)過(guò)它時(shí)，可以從測(cè)量電路

7、上測(cè)得脈沖信號(hào)。根據(jù)脈沖信號(hào)列可以傳感出該運(yùn)動(dòng)物體的位移。若測(cè)出單位時(shí)間內(nèi)發(fā)出的脈沖數(shù)，則可以確定其運(yùn)動(dòng)速度。 3.1.2 霍爾元件測(cè)速原理 基于霍爾傳感器的速度測(cè)量系統(tǒng)工作過(guò)程是：測(cè)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(gè)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。同時(shí)傳感器電路輸出幅度為12v的脈沖經(jīng)光電耦合后降為5v，保持同89C51邏輯電平相一致?？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。CPU將該值數(shù)據(jù)處理后，在LCD上顯示出來(lái)。一旦超速，CPU通過(guò)喇叭和指示燈發(fā)出聲、光報(bào)警信號(hào)。3.2設(shè)計(jì)步驟3.2.1 系統(tǒng)框圖及主程序

8、流程框圖1.系統(tǒng)框圖以單片機(jī)AT89C5l為控制核心，用霍爾集成傳感器作為測(cè)量轉(zhuǎn)速的檢測(cè)元件，最后用字符型液晶顯示器1602(HD44780控制)顯示的小型直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的方法，是數(shù)字式測(cè)量方法，智能化微電腦代替了傳統(tǒng)的機(jī)械式或模擬式結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)原理框圖如圖3所示。 LCD顯示車輪單片機(jī)聲光報(bào)警計(jì)數(shù)器光電耦合器霍爾傳感器 圖3-2-1系統(tǒng)原理框圖 本次設(shè)計(jì)系統(tǒng)以單片機(jī)AT89C5l為控制核心。用霍爾集成傳感器作為測(cè)量小型直流電機(jī)轉(zhuǎn)速的檢測(cè)元件，經(jīng)過(guò)單片機(jī)數(shù)據(jù)處理，用字符型液晶顯示器1602顯示小型直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速。另外系統(tǒng)還可完成對(duì)電機(jī)的開關(guān)控制、系統(tǒng)工作時(shí)間、當(dāng)前時(shí)間及電機(jī)狀態(tài)的顯示。單片機(jī)轉(zhuǎn)速

9、測(cè)量系統(tǒng)。組成單片機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)的有傳感器、處理器、計(jì)數(shù)器和顯示器四個(gè)部分組成。YNNYN3次采樣完畢等待中斷初始化開始2. 主程序流程圖是否啟動(dòng)顯示處理數(shù)據(jù)濾波處理是否達(dá)到報(bào)警器的值？Y 3整體電路設(shè)計(jì)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(gè)數(shù)，由霍爾器件電路輸出。經(jīng)過(guò)電耦合器后，即經(jīng)過(guò)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。同時(shí)霍爾傳感器電路輸出幅度為12V的脈沖經(jīng)光電耦合后降為5V，保持同單片機(jī)AT89C51邏輯電平相一致，控制計(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。先進(jìn)行初始化設(shè)置各定時(shí)器初值，然后判斷是否啟動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量。如果是，就啟動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)行。如果

10、不是就等待啟動(dòng)。啟動(dòng)系統(tǒng)后，霍爾傳感器檢測(cè)脈沖到來(lái)后，啟動(dòng)外部中斷，每來(lái)一個(gè)脈沖中斷一次，記錄脈沖個(gè)數(shù)。同時(shí)啟動(dòng)T0定時(shí)器工作，每1秒定時(shí)中斷一次，讀取記錄的脈沖個(gè)數(shù)，即電機(jī)轉(zhuǎn)速。連續(xù)采樣三次，取平均值記為一次轉(zhuǎn)速值。再進(jìn)行數(shù)值的判斷，若數(shù)值高于5000rpm則報(bào)警并返回初始化階段，否則就進(jìn)行正常速度液晶顯示。 4傳感器部分主要分為兩個(gè)部分。第一部分是利用霍爾器件將電機(jī)轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)化為脈沖信號(hào)；第二個(gè)部分是使用光耦，將傳感器輸出的信號(hào)和單片機(jī)的計(jì)數(shù)電路兩個(gè)部分隔開，減少計(jì)數(shù)的干擾。用于測(cè)量的A44E集成霍爾開關(guān)，磁鋼用直徑D=6.004mm，長(zhǎng)度為L(zhǎng)=3.032mm的釹鐵硼磁鋼。電源用直流，霍爾開關(guān)

11、輸出由四位半直流數(shù)字電壓表測(cè)量，磁感應(yīng)強(qiáng)度B用95A。5定時(shí)器中斷 主程序在對(duì)定時(shí)器、計(jì)數(shù)器、堆棧等進(jìn)行初始化后即判斷標(biāo)志位是否為1，如果為1，說(shuō)明要求對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算處理，首先將標(biāo)志位清零，以保證下次能正常判斷，然后進(jìn)入數(shù)據(jù)處理程序，由于這里的閘門時(shí)間為1s，而顯示要求為轉(zhuǎn)/分，因此，要將測(cè)到的數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換的方法是將測(cè)得的數(shù)據(jù)乘以60，但由于轉(zhuǎn)軸上安裝有4只磁鋼，每旋轉(zhuǎn)一周可以得到4個(gè)脈沖，因此，要將測(cè)得的數(shù)據(jù)除以4，所以綜合起來(lái)，將測(cè)得的數(shù)據(jù)乘以60/4=15即可得到每分鐘的轉(zhuǎn)速。計(jì)算得到的結(jié)果是二進(jìn)制的整數(shù)，要將數(shù)據(jù)送往顯示緩沖區(qū)需要將該數(shù)轉(zhuǎn)化為BCD碼。運(yùn)算得到的是壓縮BCD碼，需

12、要將其轉(zhuǎn)換為非壓縮BCD碼。定時(shí)器T0用作4ms定時(shí)發(fā)生器，在定時(shí)中斷程序中進(jìn)行數(shù)碼管的動(dòng)態(tài)掃描，同時(shí)產(chǎn)生1s的閘門信號(hào)。1s閘門信號(hào)的產(chǎn)生是通過(guò)一個(gè)計(jì)數(shù)器Count，每次中斷時(shí)間為4ms，每計(jì)250次即為1s，到了1s后，即清除計(jì)數(shù)器Count，然后關(guān)閉作為計(jì)數(shù)器用的INT0，讀出TH0、TL0中的數(shù)值，分別送入SpCount和SpCount+1單元，將T0中的值清空，置標(biāo)志位為1，要求主程序進(jìn)行速度值的計(jì)算。這里還有一個(gè)細(xì)節(jié)，用作1s閘門信號(hào)產(chǎn)生的Count每次中斷都會(huì)加1，而INT0卻有一個(gè)周期是被關(guān)閉的，因此，計(jì)數(shù)值是251而不是250。系統(tǒng)采用外部晶振，系統(tǒng)時(shí)鐘SYSCLK等于184

13、32000，T0定時(shí)1ms，初始化時(shí)TH0=(-SY-SCLK1000)8；TL0=-（SYSCLK1000）。等待1s到，輸出轉(zhuǎn)速脈沖個(gè)數(shù)N，計(jì)算電機(jī)轉(zhuǎn)速值。將1s內(nèi)的轉(zhuǎn)速值換算成1 min內(nèi)的電機(jī)轉(zhuǎn)速值，并在LCD上輸出測(cè)量結(jié)果。 /*-主函數(shù)-*/ void main() int_all();/全局初始化 while(1) disp_count();/數(shù)據(jù)處理 if(zhuan5000) /轉(zhuǎn)速警告 warning=1; if(zhuan4999) warning=0; write_command(0x80); for (i=0;i5000) warning=1; if(zhuan499

14、9) warning=0; 8轉(zhuǎn)速處理程序的設(shè)計(jì) 測(cè)速的方法決定了測(cè)速信號(hào)的硬件連接，測(cè)速實(shí)際上就是測(cè)頻，因此，頻率測(cè)量的一些原則同樣適用于測(cè)速。通常，可以用計(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。對(duì)于轉(zhuǎn)速與速度的處理方法：；其中： n為測(cè)得的1s脈沖數(shù)， d為車輪直徑， /*-數(shù)據(jù)處

15、理-*/ void disp_count() display9=(zhuan/1000+0); /轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)速的千位 display10=(zhuan/100%10+0); /轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)速的百位 display11=(zhuan/10%10+0); /轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)速的十位 19 display12=(zhuan%10+0); /轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)速的十位 3.3設(shè)計(jì)原理分析3.3.1 處理器的選擇處理器種類分為MCU、ARM、DSP等，考慮到實(shí)用性與經(jīng)濟(jì)行，決定采用MCU作為處理芯片，因?yàn)锳RM和DSP比較昂貴而且結(jié)構(gòu)較大，對(duì)于處理簡(jiǎn)單的計(jì)時(shí)和信號(hào)處理有些浪費(fèi)，所以還是選用廉價(jià)實(shí)用的8051作為處理器。3.3.2霍爾元

16、件的選擇按照霍爾開關(guān)的感應(yīng)方式可將它們分為：?jiǎn)螛O性霍爾開關(guān)、雙極性霍爾開關(guān)、全極性霍爾開關(guān)。 單極性霍爾開關(guān)的感應(yīng)方式：磁場(chǎng)的一個(gè)磁極靠近它，輸出低電位電壓（低電平）或關(guān)的信號(hào)，磁場(chǎng)磁極離開它輸出高電位電壓（高電平）或開的信號(hào)，但要注意的是，單極性霍爾開關(guān)它會(huì)指定某磁極感應(yīng)才有效，一般是正面感應(yīng)磁場(chǎng)S極，反面感應(yīng)N極。 雙極性霍爾開關(guān)的感應(yīng)方式：因?yàn)榇艌?chǎng)有兩個(gè)磁極N、S（正磁或負(fù)磁），所以兩個(gè)磁極分別控制雙極性霍爾開關(guān)的開和關(guān)（高低電平），它一般具有鎖定的作用，也就是說(shuō)當(dāng)磁極離開后，霍爾輸出信號(hào)不發(fā)生改變，直到另一個(gè)磁極感應(yīng)。另外，雙極性霍爾開關(guān)的初始狀態(tài)是隨機(jī)輸出，有可能是高電平，也有可能是

17、低電平。 全極性霍爾開關(guān)的感應(yīng)方式：全極性霍爾開關(guān)的感應(yīng)方式與單極性霍爾開關(guān)的感應(yīng)方式相似，區(qū)別在于，單極性霍爾開關(guān)會(huì)指定磁極，而全極性霍爾開關(guān)不會(huì)指定磁極，任何磁極靠近輸出低電平信號(hào)，離開輸出高電平信號(hào)?？紤]到實(shí)際情況，采用雙極性霍爾元件，把磁珠極性來(lái)源進(jìn)行脈沖計(jì)數(shù)。3.3.3 系統(tǒng)完整電路框圖（附錄）四、課程設(shè)計(jì)小結(jié)與體會(huì)通過(guò)本次設(shè)計(jì)使我對(duì)霍爾元件及霍爾效應(yīng)有了進(jìn)一步的了解：霍爾轉(zhuǎn)速傳感器的穩(wěn)定性好，抗外界干擾能力強(qiáng)，如抗錯(cuò)誤的干擾信號(hào)等，因此不易因環(huán)境的因素而產(chǎn)生誤差。霍爾轉(zhuǎn)速傳感器的測(cè)量頻率范圍寬，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于電磁感應(yīng)式無(wú)源傳感器?；魻栟D(zhuǎn)速傳感器的穩(wěn)定性好，抗外界干擾能力強(qiáng)，如抗錯(cuò)誤的干擾

18、信號(hào)等，因此不易因環(huán)境的因素而產(chǎn)生誤差?；魻栟D(zhuǎn)速傳感器的測(cè)量頻率范圍寬，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于電磁感應(yīng)式無(wú)源傳感器。并且霍爾轉(zhuǎn)速傳感器的安裝簡(jiǎn)單，使用方便，能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸。另外，霍爾轉(zhuǎn)速傳感器在防護(hù)措施有效的情況下，可以不受電子、電氣環(huán)境影響。同時(shí)也通過(guò)本次課程設(shè)計(jì)是我對(duì)傳感器自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)及應(yīng)用這門課程有了更深的了解，掌握如何應(yīng)用傳感器去設(shè)計(jì)電子產(chǎn)品，為將來(lái)的實(shí)踐工作打下了基礎(chǔ)。同時(shí)也感謝老師給了我們做這次設(shè)計(jì)的機(jī)會(huì)。五、參考文獻(xiàn)1 鄭建祥.電子車速表的設(shè)計(jì)J.江蘇理工大學(xué)學(xué)報(bào)，1999，20，(3): 78-81. 2 施密特觸發(fā)器原理及特性. 3 移位寄存器74LS16中文資料. 4 李建波.接口技術(shù)實(shí)習(xí)指導(dǎo)書-電機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量實(shí)習(xí)M.廣東:廣東機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院自編教材. 5 LED七段數(shù)碼顯示管. 6霍爾傳感器在機(jī)車測(cè)速中的應(yīng)用研究. 7常慧玲.傳感器與自動(dòng)檢測(cè)M.北京：電子工業(yè)出版社，2009. 8李增國(guó).傳感器與檢測(cè)技術(shù)M.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，200