基于霍尔传感器的转速测量电路的设计.doc

《传感器原理应用》期末课程设计

题目 基于霍尔传感器的转速测量电路设计

姓 名

学 号

院（系）电子系电子信息工程

班 级

指导教师

职 称

二O一三年 六 月 十二 日
17
摘要 2
概述 2
一 霍尔传感器测转速原理及特性 3
二 系统组成框图 4
三 单片机主控电路设计 5
(一)单片机的介绍 5
（二）脉冲产生电路设计 7
（三）按键电路设计 8
（四）数码管结构和显示原理 9
（五）电路的整机原理图的设计（分析工作原理） 10
四 应用单片机实现 11
（一）基本框图 12
（二）基于霍尔传感器的硬件电路设计 13
（三）C语言程序 13
五 总结 16
六 参考文献 17

摘要

在工农业生产和工程实践中，经常会遇到各种需要测量转速的场合，测量转速的方法分为模拟式和数字式两种。模拟式采用测速发电机为检测元件，得到的信号是模拟量，控制系统的硬件部分非常复杂，功能单一，而且系统非常不灵活、调试困难。数字式通常采用光电编码器、圆光栅、霍尔元件等为检测元件，得到的信号是脉冲信号。单片机技术的日新月异，特别是高性能价格比的单片机的出现，转速测量普遍采用以单片机为核心的数字式测量方法，使得许多控制功能及算法可以采用软件技术来完成。采用单片机构成控制系统，可以节约人力资源和降低系统成本，从而有效的提高工作效率。
本课题，是要利用霍尔传感器来测量转速。由磁场的变化来使霍尔传感器产生脉冲，由单片机计数，经过数据计算转化成所测转速，再由数码管显示出来。

概述

在直流电机的多年实际运行的过程中，机械测速电机不足之处日益明显，其主要表现为直流测速电机DG中的炭刷磨损及交流测速发电机TG中的轴承磨损，增加了设备的维护工作量，也随着增加了发生故障的可能性；同时机械测速电机在更换炭刷及轴承的检修作业过程中，需要将直流电动机停运，安装过程中需要调整机械测速电机轴与主电机轴的同轴度，延长了检修时间，影响了设备的长期平稳运行。
随着电力电子技术的不断发展，一些新颖器件的不断涌现，原有器件的性能也随着逐渐改进，采用电力电子器件构成的各种电力电子电路的应用范围与日俱增。因此采用电子脉冲测速取代原直流电动机械测速电机已具备理论基础，如可采用磁阻式、霍尔效应式、光电式等方式检测电机转速。
经过比较分析后，决定采用测速齿轮和霍尔元件代替原来的机械测速电机。霍尔传感器作为测速器件得到广泛应用。霍尔传感器是利用霍尔效应实现磁电转换的一种传感器。霍尔效应这种物理现象的发现，虽然已有一百多年的历史，但是直到20世纪40年代后期，由于半导体工艺的不断改进，才被人们所重视和应用。我国从70年代开始研究霍尔器件,经过20余年的研究和开发,目前已经能生产各种性能的霍尔元件,霍尔传感器具有灵敏度高、线性度好、稳定性高、体积小和耐高温等特点[2]。

一 霍尔传感器测转速原理及特性

1、霍尔传感器测速原理：
霍尔器件是由半导体材料制成的一种薄片，器件的长、宽、高分别为 l、ｂ、ｄ。若在垂直于薄片平面（沿厚度 ｄ）方向施加外磁场Ｂ，在沿ｌ方向的两个端面加一外电场，则有一定的电流流过。由于电子在磁场中运动，所以将受到一个洛仑磁力，其大小为：
式中：f—洛仑磁力， ｑ—载流子电荷， Ｖ—载流子运动速度， Ｂ—磁感应强度。
这样使电子的运动轨迹发生偏移，在霍尔元器件薄片的两个侧面分别产生电子积聚或电荷过剩，形成霍尔电场，霍尔元器件两个侧面间的电位差称为霍尔电压。
霍尔电压大小为： (mV)
式中：—霍尔常数， ｄ—元件厚度， Ｂ—磁感应强度， Ｉ—控制电流
设 , 则=(mV)
为霍尔器件的灵敏系数(mV/mA/T)，它表示该霍尔元件在单位磁感应强度和单位控制电流下输出霍尔电动势的大小。应注意，当电磁感应强度Ｂ反向时，霍尔电动势也反向。
若控制电流保持不变，则霍尔感应电压将随外界磁场强度而变化，根据这一原理，可以将两块永久磁钢固定在电动机转轴上转盘的边沿，转盘随被测轴旋转，磁钢也将跟着同步旋转，在转盘附近安装一个霍尔元件，转盘随轴旋转时，霍尔元件受到磁钢所产生的磁场影响，输出脉冲信号。传感器内置电路对该信号进行放大、整形，输出良好的矩形脉冲信号，测量频率范围更宽，输出信号更精确稳定，已在工业，汽车，航空等测速领域中得到广泛的应用。其频率和转速成正比，测出脉冲的周期或频率即可计算出转速

二 系统组成框图

在测量电机转速时我们从采用了电磁感应式传感器。当电机转动时，带动传感器。这种传感器可以将转速信号转变成一个对应频率的脉冲信号输出，经过信号处理后输出到计数器。脉冲信号的频率与电机的转速是一种线性的正比关系，因此对电机转速的测量，实质上是对脉冲信号的频率的测量。
本课题采是以STC89C52单片机为核心将处理好的信号经过数据处理转换成所测得的实际十进制信号的系统。系统硬件原理框图如图2-1：

单
片
机
四位数码管显示电路
霍尔传感器
信号处理
图2-1系统框图

系统框图原理如图2-1所示，系统由传感器、信号处理、显示电路和系统软件等部分组成。传感器采用霍尔传感器，负责将转速转化为脉冲信号。信号处理电路包含待测信号放大、波形变换、波形整形电路等部分，其中放大器实现对待测信号的放大,降低对待测信号的幅度要求，实现对小信号的测量；波形变换和波形整形电路实现把正负交变的信号波形变换成可被单片机接受的TTL/CMOS兼容信号。 处理器采用STC89C52单片机，显示器采用8位LED数码管动态显示。

三 单片机主控电路设计
(一)单片机的介绍
本设计采用STC89C52芯片，芯片采用40脚双列直插式封装，32个I/O口，芯片工作电压3.8～5.5V，工作温度0～70°C（商业级），工作频率可高达30MHz，芯片的外形和引脚见下图（2）

图（2） STC89C52外形和引脚图

STC89C52 是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有 8K 在系统可编程Flash 存储器。使用高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51 产品指令和引脚完全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8 位CPU 和在线系统可编程Flash，使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。 STC89C52具有以下标准功能： 8k字节Flash，256字节RAM， 32 位I/O 口线，看门狗定时器，2 个数据指针，三个16 位 定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。另外，STC89C52可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU 停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。8 位微控制器 8K字节在系统可编程 Flash。P0～P3口结构，第一功能、第二功能请参考数据手册（STC89C52数据手册下载地址www.mcu-）。
其基本结构框图如图3.1，包括：
·一个8位CPU；
·4KB ROM；
·128字节RAM数据存储器；
·26个特殊功能寄存器SFR；
· 4个8位并行I/O口，其中P0、P2为地址/数据线，可寻址64KB ROM或64KB RAM；
·一个可编程全双工串行口；
·具有5个中断源，两个优先级，嵌套中断结构；
·两个16位定时器/计数器；
·一个片内震荡器及时钟电路；
T0 T1
特殊功能寄存器SFR 128字节RAM

定时/计数器 T0、T1
时钟源
4K ROM（EPROM）
（8031无）

CPU

并行I/O接口
串行接口
中断系统

P0 P1 P2 P3 TXD RXD
中断输入
图3.1 STC89C51单片机结构框图

STC89C51系列单片机中HMOS工艺制造的芯片采用双列直插(DIP)方式封装,有40个引脚。STC89C51单片机40条引脚说明如下:
(1)电源引脚。V正常运行和编程校验(8051/8751)时为5V电源,V为接地端。
（2）I/O总线。P- P（P0口），P- P（P1口），P- P（P2口），P- P（P3口）为输入/输出引线。
（3）时钟。
XTAL1：片内震荡器反相放大器的输入端。
XTAL2：片内震荡器反相放器的输出端，也是内部时钟发生器的输入端。
（4）控制总线。
由P3口的第二功能状态和4根独立控制线RESET、EA、ALE、PSEN组成。
值得强调的是，P3口的每一条引脚均可独立定义为第一功能的输入输出或第二功能。如表3.1所示。
P3口引脚及线号
引脚
第二功能
P3.0 (10)
RXD
串行输入口
P3.1 (11)
TXD
串行输出口
P3.2 (12)
INT0
外部中断0
P3.3 (13)
INT1
外部中断1
P3.4  (14)
T0
定时器0外部输入
P3.5 (15)
T1
定时器1外部输入
P3.6 (16)
WR
外部数据存储器写脉冲
P3.7 (17)
RD
外部数据存储器读脉冲
表3.1 P3口线的第二功能定义：
STC89C51单片机的片外总线结构： 
①地址总线（AB）：地址总线宽为16位，因此，其外部存储器直接寻址为64K字节，16位地址总线由P0口经地址锁存器提供8位地址（A0至A7）；P2口直接提供8位地址（A8至A15）。 
②数据总线（DB）：数据总线宽度为8位，由P0提供。 
③控制总线（CB）：由P3口的第二功能状态和4根独立控制线RESET、EA、ALE、PS

（二）脉冲产生电路设计
LM358内部包括有两个独立的、高增益、内部频率补偿的双运算放大器，适合于电源电压范围很宽的单电源使用，也适用于双电源工作模式，在推荐的工作条件下，电源电流与电源电压无关。它的使用范围包括传感放大器、直流增益模块和其他所有可用单电源供电的使用运算放大器的场合。
    LM358的封装形式有塑封8引线双列直插式和贴片式。
特性:
· 内部频率补偿
· 直流电压增益高(约100dB)
· 单位增益频带宽(约1MHz)
· 电源电压范围宽：单电源(3—30V)
· 双电源(±1.5一±15V)
· 低功耗电流，适合于电池供电
· 低输入偏流
· 低输入失调电压和失调电流
· 共模输入电压范围宽，包括接地
· 差模输入电压范围宽，等于电源电压范围
· 输出电压摆幅大(0至Vcc-1.5V)
如图3.2所示，信号预处理电路为系统的前级电路，其中霍尔传感元件b,d为两电源端，d接正极，b接负极；a,c两端为输出端，安装时霍尔传感器对准转盘上的磁钢,当转盘旋转时，从霍尔传感器的输出端获得与转速率成正比的脉冲信号，传感器内置电路对该信号进行放大、整形，输出良好的矩形脉冲信号，图中LM358部分为过零整形电路使输入的交变信号更精确的变换成规则稳定的矩形脉冲，便于单片机对其进行计数。

信号预处理电路
（三）按键电路设计
通过软件设置按键开关功能： 按 K0清零、复位
按K1显示计时时间
按K2显示计数脉冲数
此按键电路为低电平有效，当无按键按下时，单片机输入引脚P1.0、P1.1、P1.2、P1.3端口均为高电平。当其中任一按键按下时，其对应的P1端口变为低电平，在软件中利用这个低电平设计其功能。软件中还设置了按键防抖动误触发功能，软件中设置定时器1 50ms中断一次，每次中断都对按键进行扫描，如果扫描到有按键按下，则延迟10ms，再次进行键扫描，若仍有按键按下，则按键为真，并从P1口读取数据，低电平对应的即为有效按键，如图3.3所示。

图3.3 按键电路图

（四）数码管结构和显示原理
图3.4为数码管的引脚接线图，实验板上以P0口作输出口，经74LS244驱动，接8只共阳数码管S0-S7。表3.2为驱动LED数码管的段代码表为低电平有效，1-代表对应的笔段不亮，0-代表对应的笔段亮。若需要在最右边（S0）显示“5”，只要将从表中查得的段代码64H写入P0口，再将P2.0置高，P2.1-P2.7置低即可。设计中采用动态显示，所以其亮度只有一个LED数码管静态显示亮度的八分之一。
表3.2 驱动LED数码管的段代码
数字
d
p
e
c
g
b
f
a
十六进制
P0.7
P0.6
P0.5
P0.4
P0.3
P0.2
P0.1
P0.0
共阴
共阳
0
1
0
1
1
0
1
1
1
B7
48
1
0
0
0
1
0
1
0
0
14
EB
2
1
0
1
0
1
1
0
1
AD
52
3
1
0
0
1
1
1
0
1
9D
62
4
0
0
0
1
1
1
1
0
1E
E1
5
1
0
0
1
1
0
1
1
9B
64
6
1
0
1
1
1
0
1
1
BB
44
7
0
0
0
1
0
1
0
1
15
EA
8
1
0
1
1
1
1
1
1
BF
40
9
1
0
0
1
1
1
1
1
9F
60

数码管的引脚接线图

这里设计的系统先用 6 位LED数码管动态显示小型直流电机的转速。当转速高于六位所能显示的值（999999）时就会自动向上进位显示。

（五）电路的整机原理图的设计（分析工作原理）
霍尔器件是由半导体材料制成的一种薄片，器件的长、宽、高分别为 l、ｂ、ｄ。若在垂直于薄片平面（沿厚度 ｄ）方向施加外磁场Ｂ，在沿ｌ方向的两个端面加一外电场，则有一定的电流流过。由于电子在磁场中运动，所以将受到一个洛仑磁力，其大小为：
式中：f—洛仑磁力， ｑ—载流子电荷， Ｖ—载流子运动速度， Ｂ—磁感应强度。
这样使电子的运动轨迹发生偏移，在霍尔元器件薄片的两个侧面分别产生电子积聚或电荷过剩，形成霍尔电场，霍尔元器件两个侧面间的电位差称为霍尔电压。
霍尔电压大小为： (mV)
式中：—霍尔常数， ｄ—元件厚度， Ｂ—磁感应强度， Ｉ—控制电流
设 , 则=(mV)
为霍尔器件的灵敏系数(mV/mA/T)，它表示该霍尔元件在单位磁感应强度和单位控制电流下输出霍尔电动势的大小。应注意，当电磁感应强度Ｂ反向时，霍尔电动势也反向。图2.3为霍耳元件的原理结构图。

若控制电流保持不变，则霍尔感应电压将随外界磁场强度而变化，根据这一原理，可以将两块永久磁钢固定在电动机转轴上转盘的边沿，转盘随被测轴旋转，磁钢也将跟着同步旋转，在转盘附近安装一个霍尔元件，转盘随轴旋转时，霍尔元件受到磁钢所产生的磁场影响，输出脉冲信号。传感器内置电路对该信号进行放大、整形，输出良好的矩形脉冲信号，测量频率范围更宽，输出信号更精确稳定，已在工业，汽车，航空等测速领域中得到广泛的应用。其频率和转速成正比，测出脉冲的周期或频率即可计算出转速。

转速测量系统安装图

信号处理模块原理图

四 应用单片机实现

（一）基本框图

显示
开始
初始化定时器计时器
刷新数码管
延时2ms

开始
显示缓存初始化

LED显示初始化

数码显示

开定时器

开计数器

定时0.5s
计数0.5s
读出计数器值并清零
计数器定时重新装初始值并启动定时器
开始

（二）基于霍尔传感器的硬件电路设计

（三）C语言程序
#include <reg51.h>
#include <stdio.h>
#include <intrins.h>
#define uchar unsigned char
#define uint unsigned int
#define DataPort P1
sbit LATCH1=P2^0;//定义锁存使能端口 段锁存
sbit LATCH2=P2^1;//
sbit PPP=P3^1;
sbit zzz=P0^7;
unsigned char code HEYAO_WeiMa[]={0xfe,0xfd,0xfb,0xf7,0xef,0xdf,0xbf,0x7f};
unsigned char code TempData[]={0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f,0x00,0x40};
uchar Temp[8];
uchar timecount;
bit flag;
unsigned long x;//
void delay() ;
void jing();
void Display(unsigned char FirstBit,unsigned char Num)
{
static unsigned char i=0;
do{
DataPort=0xff; //清空数据，防止有交替重影
LATCH1=1; //段锁存
LATCH1=0;
DataPort=HEYAO_WeiMa[i+FirstBit]; //取位码
LATCH2=1; //位锁存
LATCH2=0;
DataPort=Temp[i]; //取显示数据，段码
LATCH1=1; //段锁存
LATCH1=0;
i++;
delay();
if(i==Num)
i=0;
}while(PPP==1);
}
void main()
{
PPP=1;
TMOD=0x15;//TH1定时，模式1；TH0计数，模式1
TH0=0;
TL0=0;
TH1=(65536-50000)/256;
TL1=(65536-50000)%256;
ET0=1;
ET1=1;//TH0,1溢出允许中断
EA=1;//允许中断
TR1=1;
TR0=1;//开始计数
while(1)
{
if(flag==1)
{
flag=0;
x=(TH0*256+TL0)*5;
if(x>6000)
{
jing();
}
Temp[3]= TempData[x%10];
Temp[2]= TempData[x/10%10];
Temp[1]=TempData[x/100%10];
Temp[0]=TempData[x/1000%10];
Display(0,4);
timecount=0;
TH0=0;
TL0=0;
TH1=(65536-50000)/256;
TL1=(65536-50000)%256;
TR0=1;
TR1=1;
PPP=1;
}
}
}
void t0(void) interrupt 1 using 0
{
int i;
for(i=0;i<500;i++)
{
zzz=!zzz;
delay();
}
zzz=1;
}
void t1(void) interrupt 3 using 0
{
TH1=(65536-50000)/256;
TL1=(65536-50000)%256;
timecount++;
if(timecount==120)//6s
{
TR0=0;
TR1=0;
timecount=0;
flag=1;
}
}
void jing()
{
int i;
for(i=0;i<500;i++)
{
zzz=!zzz;
delay();
}
zzz=1;
}
void delay()
{ int i;
for (i=0;i<255;i++)
{ _nop_(); }
}

五 总结

通过这次设计,让我对整个设计从初期到完工有了个总体的把握。由于平时只是做些功能模块的设计,不用考虑所用资源对后面工作的影响。而这次不同,这次是个完整的工程,所有资源都是有限的,你得为后面的工作留好足够多的资源,要不就不能完成任务。所以就得去查一些有关设计方面的资料。最后我得说,我得感谢这次设计,因为它让我学到的不仅是理论实践知识,还有对工作的态度和团队合作的那种默契。这次设计，有程序，有硬件，有理论，有实践，通过它们的结合，我所学到的知识形成了一个系统，不再是孤立的，而是硬件与软件的结合，提高了自己的程序运用能力，对于编程的思路有了更进一步的悟性。不再是一个机械的运用，而是根据具体情况来编写自己的程序，有了一定的灵活运用能力。最后我得说,我得感谢这次设计,因为它让我学到的不仅是理论实践知识,还有对工作的态度和团队合作的那种默契。

六 参考文献
[1]杨立军 。传感器原理与应用。中南大学出版社 2007年第一期
[2] 李华.MCS-51系列单片机实用接口技术[M].北京：北京航空航天大学出版社,1993,29-33.
[3] 康华光，电子技术基础（模拟部分），高教出版社，2003
[4] 余锡存,曹国华.单片机原理与接口技术[M] .西安：西安电子科技大学出版社,2000.7
[5] 河道清，张禾，谌海云，传感器与传感器技术.科学出版社.2008年 6月
[6]谭浩强.C程序设计（第二版）[M].北京：清华大学出版社，1999
[7] 河道清，张禾，谌海云，传感器与传感器技术.科学出版社.2008年 6月