霍尔传感器测速设计.doc

宁波理工学院

传感器大作业

题 目 霍尔传感器测速设计 　 　　　　　　　 　 　　　　

姓 名 李培勇
学 号 3110403060
专业班级 11级电信1班
指导教师 李林功
学 院 信息科学与工程学院
完成日期 2014.5.24

摘 要
本文介绍了霍尔传感器在汽车电子中的应用，设计了基于霍尔传感器与单片机AT89C2051结合来实现电机转速的测量。完成了霍尔传感器测量电路的设计和显示电路的设计。测量转速的传感器与装有磁铁的转盘保持好一定的位置，转盘每转一周，霍尔传感器采集一定量的脉冲信号，把采集好的脉冲信号输入到单片机中进行数据处理，经过处理后实现电机速度的测量。在显示电路设计中，通过1602实现在LCD上直观地显示电机的转速值。硬件与软件配合，实现了测速。仿真实验证实了所设计的硬件电路及软件程序的正确性，满足设计要求。

关键词：霍尔传感器；测速；单片机

目 录

摘 要 I
第1章 概述 1
1.1 传感器未来的发展趋势 1
1.2 传感器在汽车电子中的应用 1
1.3 霍尔传感器的应用 2
1.4 霍尔传感器在汽车测速中的应用 2
第2章 霍尔传感器的原理 2
2.1 霍尔效应的定义 2
2.2 霍尔传感器工作磁体的设置 2
2.3 霍尔传感器的工作原理 3
第3章 霍尔传感器测速设计 3
3.1 系统总实现要求 3
3.2 系统实现方案 4
3.3 总体硬件设计 5
3.3.1 硬件流程图 5
3.3.2 硬件电路设计 6
第4章 系统软件设计 7
4.1 总体软件设计 7
4.1.1 软件流程图 7
4.1.2 程序设计 8
4.2 实验结果 9
4.3 本章小结 12

第1章 概述

1.1传感器未来的发展趋势
由于传感器在市场需求很大和它在控制系统中起到的重要作用，世界各国对其理论研究非常重视，也不断的出现新的产品。未来传感器技术发展的新途径将会是：功能化、模块化、智能化、微型化。
传感器的具体发展方向可以主要概括为以下几个方面：
（1）在传感器的原理上，利用新材料生产新型传感器。
（2）开发多功能化的传感器，主要是可将放大、整形、补偿等外围电路一体化的集成化传感器和智能小型传感器。
（3）开发数字输出型传感器，随时能与微机相连。
（4）实现传感器控制信号直接显示，这种新型传感器主要有以下几种：用于舒适性和安全性的环境传感器、用于实现夜视功能的传感器、用于实现汽车主动安全的传感器、用于实现线控转向与制动的传感器、用于驾驶员身份识别的生物统计传感器以及遥感勘测传感器等。

1.2传感器在汽车电子中的应用
汽车传感器是汽车部件中一种重要的传感电子设备，随着汽车配置的越来越高，汽车传感器也越来越先进。汽车霍尔电子控制装置的应用也越来越广泛，每个电子控制装置都包括传感器、电控单元、执行机构三部分。它利用传感器监测汽车有关工作状况，并将相关信息传给电控单元，电控单元经过分析、运算、判断后，发送指令给执行机构，从而使汽车的工作状况达到最佳。车用传感器主要用于发动机控制系统、底盘控制系统、汽车测速系统、车身控制系统和防抱死装置。它的应用大大提高了汽车电子化程度，增加了汽车驾驶的安全系数。
1.3霍尔传感器的应用
霍尔传感器的应用十分广泛。线性霍尔传感器主要是用于一些物理量的测量，比如对电流和位移的测量。开关型霍尔传感器主要用于测转数、转速、风速、流速、接近开关、关门告知器、报警器、自动控制电路等。

1.4霍尔传感器在汽车测速中的应用
测速装置在机车控制系统中占有非常重要的地位，对测速装置的要求是分辨能力强、高精度和尽可能短的检测时间。本设计介绍了应用霍尔传感器通过测量磁场强度，来得到稳定的脉冲方波信号，实现机车转速的测量。

第二章 霍尔传感器的原理

2.1霍尔效应的定义
通电导体在垂直电流方向的磁场作用下，在与电流和磁场垂直的方向上形成电荷积累和出现电势差的现象，称为霍尔效应。

2.2霍尔传感器工作磁体的设置
将一非磁性圆盘固定装在电机转轴上，圆盘边缘等距离用环氧树脂粘贴块状磁钢，磁钢采用永久磁，如图3-1所示。由于霍尔传感器的磁特性，我们这里把磁场作为霍尔传感器运动和位置的载体，通常情况下我们用永久磁钢作为磁场。当两齿轮之间空隙正对霍尔传感器时，磁力线比较分散，测得场强比较弱。如果某一齿正对霍尔传感器时，穿过的磁力线比较多，场强较大。由于此过程中磁力线密度发生变化而引起霍尔电压的变化，霍尔元件将输出一个方波电压。

图3-1 霍尔传感器检测信号图

2.3霍尔传感器的工作原理
在汽车测速系统中霍尔传感器与机轴相连接，当汽车运动时机轴每转一周，产生一定的脉冲个数，霍尔器件将所产生的信号输入机车中的小型微机中，微机对所接受到的脉冲信号进行计算处理，得出当前速度值，并通过LCD显示当前速度，如果速度高于上限的话，一般车内会安有报警系统，随之报警。

第三章 霍尔传感器测速设计

3.1系统总设计要求
如果把霍尔传感器放在电机预定的位置上，当电机转动时，永磁体经过霍尔传感器时，可以测量电路中的脉冲信号。根据脉冲信号的分布可以测得电机速度。

3.2系统实现方案

（1）霍尔测速模块的选择
方案一：采用霍尔元件传感器；选型号OH137产品性能好、灵敏度、电路可和各种逻辑电路直接相连，价格也便宜（10~20元之间不等）。
方案二：采用霍尔传感器；选型号为CHV-25P/10的霍尔传感器，其额定电压为10V，输出信号5V/25mA，电源为12~15V。体积大，价格较贵（40~120元之间不等）。
从性价比方面综合考虑，选择方案一。

（2）计数模块的选择
可以采用片外计数器和片内计数器两个方案。片外计数器的方案是采用8253等片外专用计数芯片进行脉冲计数，单片机控制8253的过程，并在技术完毕后读取计数值。片内计数方案是指采用单片机的内部计数器完成对脉冲的计数过程。
使用片内计数器的优点在于降低单片机系统的成本。每到一个脉冲将会产生一个T1的计数，在T0产生的100ms中断完成后，T1的中断溢出次数就是所需要计的脉冲数。特点在于：使用了内部的T1作为外部脉冲的计数器，并且，为了避免计数器的溢出，将T1的初值设为0。所以选用片内计数。

（3）显示方式的选择
方案一：采用8段LED数码管作为显示模块核心。数码管显示器件相对便宜，但是耗能大、编写程序相对麻烦，工作量大。
方案二：采用LCD液晶显示器作为显示模块核心。LCD显示器工作原理简单，编程方便，节能环保。因此选择方案二。

（4）单片机模块的论证与选择
方案一：选用 AT89C2051单片机速度快、功耗低、体积小、资源丰富。
方案二：选用PhilipsP89C51RD2有4个PDA，属于兼容版。
方案比较：因为设计是汽车测速，所以我还是选用了方案一中AT89C2051单片机，选用AT89C2051是因为价格便宜、低功耗。
（5）转速测量方法与论证
方案一：测周法是测量两个脉冲之间的时间，换算成周期，从而得到频率。测出产生N个脉冲内所需要的时间t，则信号的周期为，测量频率误差，误差主要来自采样的时间误差，低频脉冲情况下误差较小，测量精度高。
方案二：测频法是测量单位时间内的脉数，换算成频率。在设定t 时间内，测量产生N个脉冲，则信号的周期为，测量频率误差，误差主要来自脉冲个数正负一个计数误差，高频脉冲情况下误差较小，测量精度高。
方案比较：由于两个方案都产生的误差，但是方案一中的时间误差，而本设计是汽车测速要测得是时刻速度，故选择方案二。
3.3总体硬件设计
3.3.1硬件流程图
基于霍尔传感器的速度测量系统工作过程是：测量转速的霍尔传感器和机轴同轴连接，机轴每转一周，产生一定量的脉冲个数，由霍尔器件电路部分输出。经光电耦合后，成为转速计数器的计数脉冲。保持同89C2051逻辑电平相一致。控制计数时间，即可实现计数器的计数值对应机轴的转速值。CPU将该值数据处理后，在LCD上显示出来。以单片机AT89C205l为控制核心，用霍尔集成传感器作为测量转速的检测元件，最后用液晶显示器1602显示的机车转速的方法，系统硬件原理图如图4-1所示。

图4-1 系统硬件流程图

3.3.2硬件电路设计
（1）通过霍尔传感器产生脉冲信号，并经过74LS14进行放大，硬件电路图如图4-2所示。

图4-2 产生测速信号硬件原理图

（2）将产生的脉冲信号进行耦合处理。其中Signal代表脉冲信号，脉冲信号通过光电耦合器将其转换为单片机可采集的5V脉冲信号，如图4-3所示。

图4-3对产生的脉冲信号进行耦合

（3）将耦合处理后的信号介入单片机中0点位置如图4-4所示。

图4-4单片机电路相连接

第四章 系统软件设计
4.1总体软件设计
4.1.1软件流程图
软件设计流程图如图4-8所示。

图4-8主程序流程图

4.1.2程序设计流程
电机转速测量需要经过的4个基本步骤：1是控制方式；2是确定计数方式；3是信号输入方式；4是计数值的读取；通过AT89C2051，单片机完成对电机转速脉冲计数的控制，读取寄存器完成转速频率的确定。 霍尔传感器脉冲信号连到引脚。计数次数为3次，将3次结果取平均，从而提高计数的稳定性和精确性。
其测量过程是测量转速的霍尔传感器和电机机轴同轴连接，机轴每转一周，产生一定量的脉冲个数，由霍尔器件电路输出。经过电耦合器后，即经过隔离整形电路后，成为转数计数器的计数脉冲。输出的电压信号保持同单片机AT89C51逻辑电平相一致，控制计数时间，即可实现计数器的计数值对应机轴的转速值。主CPU将该值数据处理后，在LCD液晶显示器上显示出来。
本系统采用89C2051中的中断对转速脉冲计数。定时器T0工作于定时方式，工作于方式1。每到1s读一次外部中断计数值，此值即为脉冲信号的频率，根据式（4-1）可计算出电机的转速。
当电机通过传动部分带圆盘旋转时，霍尔传感器根据圆盘上得磁片获得一系列脉冲信号。这些脉冲信号通过单片机系统定时/计数器计数，定时器T0定时。定时器T0完成100次溢出中断的时间T除以测得的脉冲数m，经过单位换算，就可以算得电机旋转的速度。
电机转速计算公式：

其中：n为直流电机转速，N为栅格数，N1为T0中断次数，m为在规定时间内测得的脉冲数，T为定时器T0定时溢出时间。

4.2实验结果
（1）仿真软件准备就绪如图4-9所示。

图4-9 软件启动

（2）电机缓慢转动时如图4-10所示。

图4-10 电机慢速转动

（3）电机快速转动时如图4-11所示。

图4-11 电机快速转动

（4）仿真说明
将所用的程序和画好的电路图放入仿真软件中，启动软件，在图中0处输入模拟的脉冲信号，当脉冲变化幅度较大时代表电机快速转动，相反脉冲信号变化幅度比较小时代表电机慢速转动。当输入大幅度变化的脉冲信号时出现图4-11的结果，输入变化幅度小的脉冲信号时出现图4-10的结果，说明仿真结果的正确性。

4.3本章小结
本文介绍了霍尔传感器的测速原理，设计了基于单片机AT89C2051的电机转速测量系统。完成了霍尔传感器测量电路的设计和显示电路的设计。对于采用霍尔传感器的测速装置的设计来说，利用运用放大，混合电路简单且易于实现、功耗小、成本低、反应迅速、输出稳定等特性。实现了对机车速度的测量，在生产工程上有一定的参考价值。