霍爾傳感器小車測距課程設計報告

1、-. z. -. -可修編- .傳感器與檢測技術課程設計論文設計題目：霍爾傳感器測速系統(tǒng)設計者：王新班級：信科082*：10308211 指導教師：王超吳賀君日期：-. z.-. z.一、設計目的通過傳感器及檢測技術課程設計，使學生掌握傳感器及檢測系統(tǒng)設計的方法和設計原則及相應的硬件調試的方法。進一步理解傳感器及檢測系統(tǒng)的設計和應用。用霍爾元件設計測量車速的電子系統(tǒng)，通過對霍爾元件工作原理的掌握實現對車速測量的應用，設計出具體的電子系統(tǒng)電路，并且能夠完成準確的車速測量。二、設計容及要求2.1設計容霍爾傳感器一般由霍爾元件和磁鋼組成，當霍爾元件和磁鋼相對運動時，就會產生脈沖信號，根據磁鋼和脈沖數

2、量就可以計算轉速，進而求出車速?，F要求設計一個測量系統(tǒng)，在小車的適當位置安裝霍爾元件及磁鋼，使之具有以下功能：功能：1LED數碼管顯示小車的行駛距離單位：cm。 2具有小車前進和后退檢測功能，并用指示燈顯示。 3記錄小車的行駛時間，并實時計算小車的行駛速度。 4距離測量誤差2cm。 5其它。2.2設計要求設計要求首先選定傳感器，霍爾傳感器具有靈敏、可靠、體積小巧、無觸點、無磨損、使用壽命長、功耗低等優(yōu)點，綜合了電機轉速測量系統(tǒng)的要求。其次設計一個單片機小系統(tǒng)，掌握單片機接口電路的設計技巧，學會利用單片機的定時器和中斷系統(tǒng)對脈沖信號進展測量或計數。再次實時測量顯示并有報警功能，實時測量根據脈沖計

3、數來實現轉速測量的方法。要求霍爾傳感器轉速為05000r/min。三、霍爾傳感器測速原理3.1霍爾效應所謂霍爾效應，是指磁場作用于載流金屬導體、半導體中的載流子時，產生橫向電位差的物理現象。金屬的霍爾效應是1879年被美國物理學家霍爾發(fā)現的。當電流通過金屬箔片時，假設在垂直于電流的方向施加磁場，則金屬箔片兩側面會出現橫向電位差。半導體中的霍爾效應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極強的霍爾效應。霍爾效應的原理圖如圖1-2所示。圖1-2霍爾效應的原理圖當電流I通過放在磁場中的半導體基片霍爾元件且電流方向和磁場方向垂直時，在垂直于電流和磁通的半導體基片的橫向側面上即產生一個電壓，

4、這個電壓稱為霍爾電壓UH?；魻栯妷篣H的上下與通過的電流I和磁場強度B成正比，可用以下公式表示： QUOTE 式中 QUOTE 霍爾元件的靈敏度 I電流 B磁場強度由上式知霍爾電動勢與 QUOTE 、I、B有關。當I、B大小一定時， QUOTE 越大， QUOTE 越大。顯然，一般希望 QUOTE 越大越好。假設磁感應強度B不垂直于霍爾元件，而是與其法線成*一角度時，此時的霍爾電動勢為 QUOTE = QUOTE IBcos 由上式可知，當通過的電流I為一定值時，霍爾電壓 QUOTE 與磁場強度B成正比，且當B的方向改變時，霍爾電勢的方向也隨之改變。即霍爾電壓的大小只與磁場強度大小關而與磁通的

5、變化速率無關。如果所施加的磁場為交變磁場，則霍爾電勢為同頻率的交變電動勢。由于通電導線周圍存在磁場，其大小與導線中的電流成正比，故可以利用霍爾元件測量出磁場，就可確定導線電流的大小。利用這一原理可以設計制成霍爾電流傳感器。其優(yōu)點是不與被測電路發(fā)生電接觸，不影響被測電路，不消耗被測電源的功率，特別適合于大電流傳感。假設把霍爾元件置于電場強度為E、磁場強度為H的電磁場中，則在該元件中將產生電流I，元件上同時產生的霍爾電位差與電場強度E成正比，如果再測出該電磁場的磁場強度，則電磁場的功率密度瞬時值P可由P=EH確定。如果把霍爾元件集成的開關按預定位置有規(guī)律地布置在物體上，當裝在運動物體上的永磁體經過

6、它時，可以從測量電路上測得脈沖信號。根據脈沖信號列可以傳感出該運動物體的位移。假設測出單位時間發(fā)出的脈沖數，則可以確定其運動速度。3.2霍爾元件基于霍爾效應做成的元件稱為霍爾元件。因為乘積靈敏度K_H與半導體的電子濃度和霍爾元件厚度成反比，一般都是選擇半導體材料做霍爾元件，且厚度選擇得越小，K_H越高但霍爾元件的機械強度有所下降，且輸入、輸出電阻增加。因此，霍爾元件不能做得太薄。霍爾元件的殼體可用塑料、環(huán)氧樹脂等制造。另外霍爾元件為四端子器件。3.3霍爾元件測速原理基于霍爾傳感器的速度測量系統(tǒng)工作過程是：測量轉速的霍爾傳感器和機軸同軸連接，機軸每轉一周，產生一定量的脈沖個數，由霍爾器件電路局部

7、輸出。經光電耦合后，成為轉速計數器的計數脈沖。同時傳感器電路輸出幅度為12v的脈沖經光電耦合后降為5v，保持同89C51邏輯電平相一致?？刂朴嫈禃r間，即可實現計數器的計數值對應機軸的轉速值。CPU將該值數據處理后，在LCD上顯示出來。一旦超速，CPU通過喇叭和指示燈發(fā)出聲、光報警信號。四、系統(tǒng)框圖及主程序流程框圖4.1系統(tǒng)框圖以單片機AT89C5l為控制核心，用霍爾集成傳感器作為測量轉速的檢測元件，最后用字符型液晶顯示器1602(HD44780控制)顯示的小型直流電動機轉速的方法，是數字式測量方法，智能化微電腦代替了傳統(tǒng)的機械式或模擬式構造。系統(tǒng)原理框圖如圖4-1所示。LCD顯示車輪單片機聲光

8、報警計數器光電耦合器霍爾傳感器LCD顯示車輪單片機聲光報警計數器光電耦合器霍爾傳感器圖4-1系統(tǒng)原理框圖本次設計系統(tǒng)以單片機AT89C5l為控制核心。用霍爾集成傳感器作為測量小型直流電機轉速的檢測元件，經過單片機數據處理，用字符型液晶顯示器1602顯示小型直流電機的轉速。另外系統(tǒng)還可完成對電機的開關控制、系統(tǒng)工作時間、當前時間及電機狀態(tài)的顯示。單片機轉速測量系統(tǒng)。組成單片機轉速測量系統(tǒng)的有傳感器、處理器、計數器和顯示器四個局部組成。YNNYN3次采樣完畢等待中斷初始化開場4.2主程序流程圖YNNYN3次采樣完畢等待中斷初始化開場是否啟動顯示處理數據濾波處理是否到達報警器的值？Y五、硬件電路設計

9、是否啟動顯示處理數據濾波處理是否到達報警器的值？Y5.1整體電路設計霍爾傳感器和電機機軸同軸連接，機軸每轉一周，產生一定量的脈沖個數，由霍爾器件電路輸出。經過電耦合器后，即經過隔離整形電路后，成為轉數計數器的計數脈沖。同時霍爾傳感器電路輸出幅度為12V的脈沖經光電耦合后降為5V，保持同單片機AT89C51邏輯電平相一致，控制計數時間，即可實現計數器的計數值對應機軸的轉速值。先進展初始化設置各定時器初值，然后判斷是否啟動系統(tǒng)進展測量。如果是，就啟動系統(tǒng)運行。如果不是就等待啟動。啟動系統(tǒng)后，霍爾傳感器檢測脈沖到來后，啟動外部中斷，每來一個脈沖中斷一次，記錄脈沖個數。同時啟動T0定時器工作，每1秒定

10、時中斷一次，讀取記錄的脈沖個數，即電機轉速。連續(xù)采樣三次，取平均值記為一次轉速值。再進展數值的判斷，假設數值高于5000rpm則報警并返回初始化階段，否則就進展正常速度液晶顯示。5.2傳感器局部主要分為兩個局部。第一局部是利用霍爾器件將電機轉速轉化為脈沖信號；第二個局部是使用光耦，將傳感器輸出的信號和單片機的計數電路兩個局部隔開，減少計數的干擾。用于測量的A44E集成霍爾開關，磁鋼用直徑D=6.004mm，長度為L=3.032mm的釹鐵硼磁鋼。電源用直流，霍爾開關輸出由四位半直流數字電壓表測量，磁感應強度B用95A。5.3定時器中斷主程序在對定時器、計數器、堆棧等進展初始化后即判斷標志位是否為

11、1，如果為1，說明要求對數據進展計算處理，首先將標志位清零，以保證下次能正常判斷，然后進入數據處理程序，由于這里的閘門時間為1s，而顯示要求為轉/分，因此，要將測到的數據進展轉換，轉換的方法是將測得的數據乘以60，但由于轉軸上安裝有4只磁鋼，每旋轉一周可以得到4個脈沖，因此，要將測得的數據除以4，所以綜合起來，將測得的數據乘以60/4=15即可得到每分鐘的轉速。計算得到的結果是二進制的整數，要將數據送往顯示緩沖區(qū)需要將該數轉化為BCD碼。運算得到的是壓縮BCD碼，需要將其轉換為非壓縮BCD碼。定時器T0用作4ms定時發(fā)生器，在定時中斷程序中進展數碼管的動態(tài)掃描，同時產生1s的閘門信號。1s閘門

12、信號的產生是通過一個計數器Count，每次中斷時間為4ms，每計250次即為1s，到了1s后，即去除計數器Count，然后關閉作為計數器用的INT0，讀出TH0、TL0中的數值，分別送入SpCount和SpCount+1單元，將T0中的值清空，置標志位為1，要求主程序進展速度值的計算。這里還有一個細節(jié)，用作1s閘門信號產生的Count每次中斷都會加1，而INT0卻有一個周期是被關閉的，因此，計數值是251而不是250。系統(tǒng)采用外部晶振，系統(tǒng)時鐘SYSCLK等于18432000，T0定時1ms，初始化時TH0=(-SY-SCLK1000)8；TL0=-SYSCLK1000。等待1s到，輸出轉速脈

13、沖個數N，計算電機轉速值。將1s的轉速值換算成1 min的電機轉速值，并在LCD上輸出測量結果。/*-主函數-*/ void main() int_all();/全局初始化 while(1) disp_count();/數據處理 if(zhuan5000) /轉速警告 warning=1; if(zhuan4999) warning=0; write_mand(0*80); for (i=0;i5000) warning=1; if(zhuan4999) warning=0; 5.5轉速處理程序的設計測速的方法決定了測速信號的硬件連接，測速實際上就是測頻，因此，頻率測量的一些原則同樣適用于測速

14、。通常，可以用計數法、測脈寬法和等精度法來進展測試。所謂計數法，就是給定一個閘門時間，在閘門時間計數輸入的脈沖個數；測脈寬法是利用待測信號的脈寬來控制計數門，對一個高精度的高頻計數信號進展計數。由于閘門與被測信號不能同步，因此，這兩種方法都存在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性。對于轉速與速度的處理方法：；其中： n為測得的1s脈沖數， d為車輪直徑，/*-數據處理-*/ void disp_count() display9=(zhuan/1000+0); /轉換轉速的千位 display10=(zhuan/

15、100%10+0); /轉換轉速的百位 display11=(zhuan/10%10+0); /轉換轉速的十位19 display12=(zhuan%10+0); /轉換轉速的十位 5.6 MCS-8051單片機的選用MCS-51單片機是美國INTE公司于1980年推出的產品，典型產品有 8031部沒有程序存儲器，實際使用方面已經被市場淘汰、8051芯片采用HMOS，功耗是630mW，是89C51的5倍，實際使用方面已經被市場淘汰和8751等通用產品，一直到現在， MCS-51核系列兼容的單片機仍是應用的主流產品比方目前流行的89S51、已經停產的89C51等。通過外接時鐘電路和復位電路構成最

16、小單片機系統(tǒng)，即可實現單片機的根本功能應用。六、設計中的問題及解決方法6.1 處理器的選擇處理器種類分為MCU、ARM、DSP等，考慮到實用性與經濟行，決定采用MCU作為處理芯片，因為ARM和DSP比擬昂貴而且構造較大，對于處理簡單的計時和信號處理有些浪費，所以還是選用廉價實用的8051作為處理器。6.2霍爾元件的選擇按照霍爾開關的感應方式可將它們分為：單極性霍爾開關、雙極性霍爾開關、全極性霍爾開關。單極性霍爾開關的感應方式：磁場的一個磁極靠近它，輸出低電位電壓低電平或關的信號，磁場磁極離開它輸出高電位電壓高電平或開的信號，但要注意的是，單極性霍爾開關它會指定*磁極感應才有效，一般是正面感應磁

17、場S極，反面感應N極。雙極性霍爾開關的感應方式：因為磁場有兩個磁極N、S正磁或負磁，所以兩個磁極分別控制雙極性霍爾開關的開和關上下電平，它一般具有鎖定的作用，也就是說當磁極離開后，霍爾輸出信號不發(fā)生改變，直到另一個磁極感應。另外，雙極性霍爾開關的初始狀態(tài)是隨機輸出，有可能是高電平，也有可能是低電平。全極性霍爾開關的感應方式：全極性霍爾開關的感應方式與單極性霍爾開關的感應方式相似，區(qū)別在于，單極性霍爾開關會指定磁極，而全極性霍爾開關不會指定磁極，任何磁極靠近輸出低電平信號，離開輸出高電平信號。考慮到實際情況，采用雙極性霍爾元件，把磁珠極性來源進展脈沖計數。七、體會心得通過本次設計使我對霍爾元件及

18、霍爾效應有了進一步的了解：霍爾轉速傳感器的穩(wěn)定性好，抗外界干擾能力強，如抗錯誤的干擾信號等，因此不易因環(huán)境的因素而產生誤差?；魻栟D速傳感器的測量頻率圍寬，遠遠高于電磁感應式無源傳感器?；魻栟D速傳感器的穩(wěn)定性好，抗外界干擾能力強，如抗錯誤的干擾信號等，因此不易因環(huán)境的因素而產生誤差?；魻栟D速傳感器的測量頻率圍寬，遠遠高于電磁感應式無源傳感器。并且霍爾轉速傳感器的安裝簡單，使用方便，能實現遠距離傳輸。另外，霍爾轉速傳感器在防護措施有效的情況下，可以不受電子、電氣環(huán)境影響。同時也通過本次課程設計是我對傳感器自動檢測技術及應用這門課程有了更深的了解，掌握如何應用傳感器去設計電子產品，為將來的實踐工作打下了根底。同時也感教師給了我們做這次設計的時機。參考文獻1 建祥.電子車速表的設計J.理工大學學報，1999，20，(3): 78-81. 2 施密特觸發(fā)器原理及特性. wenku.baidu./view/2bbb242de2bd960590c67752.