基于霍爾傳感器的單片機測速裝置設計

1、濱江大學畢業(yè)論文(設計)基于霍爾傳感器的單片機測速裝置設計醫(yī)院電子工程系專業(yè)電子信息工程學生姓名學號指導老師李鵬擔任副教授Ii 1月12日5月31日列表1概述31.1主題背景31.2設計主題的目的和意義41.3設計要求42設計原則和方案42.1霍爾傳感器簡介42.1.1霍爾效應52.1.2孔裝置52.1.3霍爾傳感器分類62.1.4霍爾傳感器特性72.2霍爾測速設計原理82.2.1速度測量方法82.2.2各種速度測量的優(yōu)點和缺點82.2.3測試部分92.2.4處理部分92.2.5標記部分92.3全系統(tǒng)設計103硬件設計103.1電源部分103.2孔速度測量裝置113.3速度信號處理電路133.

2、4單片機系統(tǒng)133.5 ISP下載界面143.6液晶顯示電路143.6.1液晶顯示器的基本原理153 . 6 . 2 1602液晶屏的基本參數(shù)和針腳功能154軟件設計165設計模擬175.1普羅米修斯簡介175.2 Multisim軟件簡介195.3 Keil軟件簡介216匯總22謝謝24附錄I 26附錄二27基于霍爾傳感器的單片機測速裝置設計趙文貞南京信息工程大學濱江學院，南京摘要：本論文設計了基于HZL201霍爾齒輪傳感器的單片機速度測量裝置，其總體設計允許速度測量裝置、速度信號處理電路、通過8050晶體管進行信號形成處理、將脈沖信號轉換為標準TTL級，從而在AT89S52單片機計算和液晶

3、顯示中顯示速度信號。使用Keil軟件進行單片機c語言編程，通過Proteus軟件模擬單片機和顯示結果，驗證了此設計的可行性。該測速裝置具有線條簡單、實時性好、成本低、安裝調試方便、節(jié)省空間的特點，特別是測量空間有限、軸向偏心或傳感器安裝困難等優(yōu)點。關鍵字：霍爾傳感器；速度測量；微控制器；系統(tǒng)設計1概述1.1任務背景霍爾傳感器在我們的日常生活中被廣泛使用。例如，在帶有襟翼或滑動罩的手機上，檢測蓋子打開或滑動的設備是霍爾傳感器。例如，在計算機鍵盤上實現(xiàn)光標移動的滾動鍵由霍爾傳感器組成。另外，汽車變速器、電動門窗等需要馬達的零件也有霍爾傳感器應用裝置。我們在日常生活中與霍爾傳感器打交道。傳統(tǒng)的速度測

4、量一般使用速度測量儀作為檢測元件，這種方法是模擬的，因此結果信號是電壓信號，抗干擾能力小，靈活性低。隨著微機的廣泛應用，目前速度測量一般采用單片機驅動的數(shù)字測量，一般采用光電編碼器、霍爾元件等作為檢測元件。轉速是工程中應用非常廣泛的一個參數(shù)，測量方法更多，而模擬收集和模擬處理一直是速度測量的主要方法，這種測量方法不再符合現(xiàn)代科技發(fā)展的要求，在測量范圍和測量精度上不再適合大多數(shù)系統(tǒng)的使用。隨著大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路技術的發(fā)展，數(shù)字系統(tǒng)測量得到了廣泛的應用，尤其是單片機脈沖數(shù)字信號的強處理能力，使全數(shù)字測量系統(tǒng)的普及加速，速度測量系統(tǒng)也能進行數(shù)字處理。測量范圍和測量精度都有很大提高。因此，本課題

5、的目的是分析測量轉速的各種基本方法，針對各種應用環(huán)境，利用80C51系列微控制器，從提高測量精度的角度分析和討論誤差的可能原因，為未來實際使用提供參考。并從實際硬件電路出發(fā)，分析了電路工作原理和軟件過程，提出了基于仿真情況的修改和解決方案。該設計以單片機為中心，是工業(yè)控制和民用家電產品中具有高使用價值的全數(shù)字測量速度系統(tǒng)?？蓱糜诠I(yè)控制部分，例如需要使用Cnc車床的電動機速度檢測和控制、泵流量控制和速度檢測進行控制的多個情況。車輛里程表、速度計等。第二，該測速系統(tǒng)采用全數(shù)字結構，易于與工業(yè)控制計算機連接，實施遠程管理和控制，進一步提高現(xiàn)代化水平。此外，作為獨立的產品，開箱即可使用，不會發(fā)生重

6、大變化?？傊俣葴y量系統(tǒng)的研究是一個很有意義的課題。1.2設計主題的目的和重要性在工程實踐中，經常遇到需要測量旋轉速度的各種情況。例如，在發(fā)動機、電動機、絞車、機械主軸等旋轉裝置的測試、運行和控制中，通常需要通過時間共享或連續(xù)測量來顯示和顯示相應的速度和瞬時速度。要測量速度，首先解決的是取樣問題。使用模式技術制作速度表時，很快就要將速度表的軸與要測量的軸連接起來，速度表的電壓水平經常使用反映速度表高低的速度表。不僅能準確測量速度，而且要確保測量的實時性，需要測量瞬時轉速的方法。因此，速度測試非常重要。此次設計包含傳感器測量發(fā)電機速度的方法和原理設計的綜合知識，可以學習測量系統(tǒng)中測量速度的傳感器

7、的信號轉換問題、單片機部分的內容、顯示部分等各個模塊的聯(lián)通和調試。完全理解單片機和信號放大的具體內容。進一步鍛煉信號收集、處理、頭發(fā)表面的實際工作能力。在眾多數(shù)字速度傳感器中，霍爾傳感器無觸點，壽命長，可靠性高，無火花，自激振動，溫度性能好，防污染能力好，結構簡單，堅固，體積小，沖擊等優(yōu)點，因此使用霍爾效應接近傳感器作為自動控制系統(tǒng)的電機速度傳感器。該傳感器作為開關組件直接輸出為脈沖頻率信號，但由于電磁噪聲干擾，必須處理信號，以提高獲取精度和抗干擾能力。經過處理的信號可以轉換為標準方波信號，發(fā)送到AT89S52微控制器，然后通過相應的軟件設計通過液晶顯示電路表示電動機的速度。1.3設計要求(1

8、)霍爾傳感器可以接受來自齒輪信號板的旋轉信號；(2)霍爾傳感器生成的信號可以通過信號處理電路生成由單片機處理的TTL級；(3)在液晶顯示屏上準確顯示齒輪的轉速。2設計原則和程序2.1霍爾傳感器簡介霍爾傳感器是根據(jù)霍爾效應制造的一種磁場傳感器?；魻栃且环N磁電效應，霍爾(Edwin H. Hall，1855-1938年)在研究金屬的導電儀器時發(fā)現(xiàn)。后來發(fā)現(xiàn)，半導體、導電流體等也有這種效果，半導體的霍爾效應比金屬強很多，利用這種現(xiàn)象制造的各種霍爾元件廣泛用于工業(yè)自動化技術、檢測技術、信息處理等?；魻栃茄芯堪雽w材料特性的基本方法。通過霍爾效應實驗測量的霍爾系數(shù)可以確定半導體材料的導電類型、載

9、流子濃度和載流子遷移率等重要參數(shù)?；魻栄b置是用半導體材料制成的磁電轉換裝置。如果輸入部通過控制電流IC，則當磁場b通過設備電感面時，孔電位UH出現(xiàn)在輸出端?；魻栃l(fā)生在磁力儀中的金屬或電式半導體上，輸出電壓與磁場強度成正比?；诨魻栃幕魻杺鞲衅魍ǔＳ糜跍y量磁場的強度，其測量范圍從10Oe到數(shù)千奧斯特不等?；魻栃缭?879年就知道了，但在20世紀60年代末，隨著固態(tài)電子技術的發(fā)展，人們才開始應用。2.1.1霍爾效應在半導體片兩端通過以控制電流的I，并在片的垂直方向應用磁感應強度b的均勻磁場，將產生在與電流和磁場垂直的方向上具有UH的電位差的孔電壓。這是霍爾效應，如圖2.1霍爾效應圖所示

10、。圖2.1霍爾效應結構圖在固體材料中，載流子電流在外部磁場中運動時受到洛倫茲力的作用，偏移軌跡，在材料兩側產生電荷積累，形成垂直于電流方向的電場，最終形成電流者接收的洛倫茲力和電場斥力均衡，兩側設定了一定的電位差霍爾電壓。正交電場和電流強度乘以磁場強度的比值就是霍爾系數(shù)。平行電場與電流強度的比率是電阻率。有很多研究結果表明，參與材料傳導過程的電子和有正電的孔很多。2.1.2孔裝置霍爾器件分為霍爾元件和霍爾集成電路兩類。電子是一種簡單的霍爾膜，使用時必須放大得到的霍爾電壓。后者將霍爾芯片及其信號處理電路集成到同一個芯片中。根據(jù)霍爾效應，人們把半導體材料制成的零件稱為霍爾元件?？琢悴考渲茫河煽鬃?/p>

11、、四個簧片和外殼組成，圖2.2霍爾組件和型號命名方法。圖2.2霍爾組件和型號命名磁場敏感、結構簡單、尺寸小、頻率響應寬、輸出電壓變化大、壽命長等優(yōu)點，廣泛應用于測量、自動化、計算機和信息技術領域。孔元素的特性包括孔系數(shù)(也稱為孔常數(shù))RH、孔靈敏度KH(也稱為孔產品靈敏度)、孔額定勵磁電流、孔最大允許勵磁電流、孔輸入、輸出電阻、孔元素的電阻溫度系數(shù)、孔副電位(也稱為孔偏移零點)、孔輸出電壓、孔電壓輸出率霍爾元件的功率差異很小，因此通常將霍爾元件集成到放大器電路、溫度補償電路和電壓調節(jié)器電源電路等單個芯片上，這稱為霍爾傳感器。2.1.3孔傳感器分類霍爾傳感器可以根據(jù)霍爾設備的功能分為線性霍爾傳感

12、器和開關霍爾傳感器。1)線性霍爾傳感器線性霍爾傳感器由輸出模擬輸出的霍爾元件、線性放大器和灌水器跟隨組成。2)開關孔傳感器開關型霍爾傳感器由輸出數(shù)字量的電壓調節(jié)器、霍爾元件、差分放大器、史密斯的特殊觸發(fā)器和輸出級別組成。霍爾傳感器是根據(jù)霍爾效應原理制作的電流和電壓傳感器。根據(jù)霍爾電位處理方法，霍爾傳感器可分為以下兩類：1)第一類是適當放大霍爾電位，直接提供給試驗機或控制裝置。就是“直接感應式霍爾電流傳感器”。該傳感器壓力等級高、成本低、性能穩(wěn)定，但精度受溫度變化的影響較大，動態(tài)響應特性不理想。我們公司使用電路補償成功地解決了上述問題。(2)第二類是磁場平衡孔傳感器，使用單孔或雙孔器件，在零磁通

13、狀態(tài)下工作，具有以下特點：(1)測量范圍廣，可以測量各種電流，如直流、交流、脈沖電流等。(2)電氣隔離性能好。(3)測量精度高，線性度好。(4)對外部電磁和溫度等因素的干擾能力強。(5)電流上升率高，響應速度快。(6)過載能力強。(7)小巧輕便，安裝簡單方便。目前產品是磁場平衡孔傳感器。2.1.4霍爾傳感器特性(1)線性霍爾傳感器的特性圖2.3線性霍爾傳感器特性輸出電壓根據(jù)圖2.3線性霍爾傳感器的特性，在B1 B2的磁感應強度范圍內具有較好的線性性，如果磁感應強度超出此范圍，則顯示飽和狀態(tài)。(2)開關孔傳感器特性圖2.4開關型霍爾傳感器的特性說明。其中BOP是操作點“on”的磁感應強度，BRP

14、是釋放點“off”的磁感應強度。圖2.4開關孔傳感器特性如果附加的磁感應強度超過動作點Bop，則傳感器輸出級別低；如果磁感應強度低于動作點Bop，則傳感器輸出級別不變，只有始終下降到發(fā)射點Brp時，傳感器才會從低級跳躍更改為高級。Bop和Brp之間的歇斯底里使交換機行為更加可靠。還有“閂鎖式”開關孔傳感器，其作用類似于圖3.5閂鎖式孔傳感器特性。圖2.5鍵孔傳感器特性如果磁感應強度超過動作點Bop，則傳感器輸出從高電平跳變?yōu)榈碗娖?，在外部磁場撤消后，輸出狀態(tài)保持不變(即鎖定狀態(tài))，并且必須應用到達Brp的反向磁感應強度，才能改變電平。2.2孔速度測量設計原理2.2.1速度測量方法測量旋轉速度的

15、方法如下：(1)定時系數(shù)法(頻率測量法)。主要原理如下：在特定時間間隔T1中，計數(shù)所計數(shù)的信號的迭代變化數(shù)n，所測量的信號的頻率f可以表示為：樣式(2.2.1)(2)固定計時方法(測量周期方法)。主要原理如下：如果所測量信號的一個周期內的計數(shù)時鐘脈沖數(shù)為m，則所測量信號的頻率FX可以通過以下表達式計算：(中間fc是時鐘頻率)式(2.2.2)2.2.2各種速度測量的優(yōu)點和缺點(1)頻率測量方法頻率測量法根據(jù)測量進行量化，低速測量的測量誤差大，誤差可以用以下表達式計算：樣式(2.2.3)顯然，信號頻率低的時候，即n小的時候，有很大的誤差。(2)測量周期方法測量周期方法在測量中也有時間單位錯誤，在高

16、速測量中有很大的錯誤，可以用以下表達式計算這些錯誤：樣式(2.2.4)顯然，如果正在測量的信號頻率較高，則對于特定時鐘頻率，m越小，誤差越大。2.2.3測試部分速度測量通常對檢測部分要求很高，例如數(shù)字測量，尤其是光電傳感器(通常是光柵傳感器)、霍爾傳感器、光電編碼器等，本設計中霍爾傳感器HZL201的優(yōu)點是霍爾傳感器的輸出信號不受速度值的影響。其次，霍爾速度傳感器的頻率相應地高。第三，霍爾速度傳感器對電磁波的抗干擾能力強。因此，霍爾速度傳感器更多地用于控制系統(tǒng)的速度檢測。與此同時，霍爾速度傳感器穩(wěn)定性好，對抗錯誤干擾信號等外部干擾有很強的抗擾性，不容易發(fā)生環(huán)境因素引起的誤差?；魻査俣葌鞲衅鞯臏y量頻率范圍比電磁感應手動傳感器大得多。此外，霍爾速度傳感器可能不受電子、電氣環(huán)境