测试技术课程设计-霍尔传感器组成的转速测量电路.doc

霍尔传感器组成的转速测量电路霍尔传感器组成的转速测量电路 报告书报告书 姓姓 名名 学学 号号 院院、系系、部部 电电气系气系 专专 业业 电电气工程及其自气工程及其自动动化化 2008级级 测试测试技技术课术课程程设计设计 1 1 课程设计任务书课程设计任务书 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。 一、主要内容 利用强磁铁与霍尔元件组成测试转体转速的测量电路，包括计数与显示电路。 二、基本要求 1. 实现基本功能 2完成 3000 字设计报告 3. 画出电路图 4. 发挥部分，设计超速报警，完成信号传输。 三、主要技术指标（或研究方法） 测量范围 06000r/min 精 度 5r/min 工作电压 5v12v 工作电流 低于 500ma 工作环境 温度-6065 四、应收集的资料及参考文献 霍尔元件原理与应用 显示元件原理 数据采样整理单 2 概述概述 2 2.12.1 系统组成框图系统组成框图 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。 2.22.2 霍尔传感器测转速原理及特性霍尔传感器测转速原理及特性 3 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、。 若在垂直于薄片平面（沿厚度 ）方向施加外磁场，在沿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：qvbf 式中：f洛仑磁力， 载流子电荷， 载流子运动速度， 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。 h u 霍尔电压大小为： (mv) h u h rdbi/ 式中：霍尔常数， 元件厚度， 磁感应强度， 控制电流 h r 设 , 则=(mv) h k h rd/ h u h kdbi/ 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。 2、霍尔传感器的特性: 半导体磁敏传感器是利用半导体材料中的自由电子和空穴随磁场而改变其运动方向这一特性制 成的，按其结构可分为体型和结型两大类。体型的主要有霍尔传感器（材料主要是 4 insb、inas、ge、si、gaas）和磁敏电阻（材料主要有 insb、inas） ，结型的主要有磁敏二极管（材 料主要是 ge、si）和磁敏三极管（材料主要是 si） 。 霍尔传感器是一种基于霍尔效应的磁传感器。霍尔效应自 1879 年被美国物理学家爱 德文霍尔发现至今已有 100 多年的历史，但直到 20 世纪 50 年代，由于微电子学的发 展，才被重视和开发，现在，已发展成一个品牌多样的传感器产品族，并得到广泛的应 用。霍尔传感器可以检测磁场及其变化，可在各种与磁场相关的场合中应用。 霍尔传感器具有许多优点，其结构牢固，体积小，质量轻，寿命长，安装方便，功 能消耗小，频率高，耐震动，不怕灰尘，油污，水汽及盐雾等的污染或腐蚀。 霍尔传感器可直接用于检测磁场或磁特性，也可以通过在被检对象上人为设置的磁 场，来检测许多非电、非磁的物理量，例如力、力矩、压力、应力、位置、位移、速度、 加速度、角度、角速度、转数、转速以及工作状态发生变化的时间等，还可转换成电量 来进行检测和控制。 2.32.3 系统工作原理及处理方法系统工作原理及处理方法 1、系统工作原理： 转速是工程上一个常用的参数，旋转体的转速常以每分钟的转数来表示。其单位为 rmin。由霍尔元件及外围器件组成的测速电路将电动机转速转换成脉冲信号，送至单 片机 stc89c51 的计数器 t0 进行计数，用 t1 定时测出电动机的实际转速。此系统使用 5 单片机进行测速，采用脉冲计数法，使用霍尔传感器获得脉冲信号。其机械结构也可以 做得较为简单，只要在转轴的圆盘上粘上两粒磁钢，让霍尔传感器靠近磁钢，机轴每转 一周，产生两个脉冲，机轴旋转时，就会产生连续的脉冲信号输出。由霍尔器件电路部 分输出，成为转速计数器的计数脉冲。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。单片机 cpu 将该数据处理后，通过 led 显示出来。 传感器 信号盘 gnd 转速测量系统安装图 2、处理方法: 测速实际上就是测频，通常可以用计数法、测脉宽法和等精度法来进行测试。所谓 计数法，就是给定一个闸门时间，在闸门时间内计数输入的脉冲个数；测脉宽法是利用 待测信号的脉宽来控制计数门，对一个高精度的高频计数信号进行计数。由于闸门与被 测信号不能同步，因此，这两种方法都存在1 误差的问题，第一种方法适用于信号频 率高时使用，第二种方法则在信号频率低时使用。等精度法则对高、低频信号都有很好 的适应性。此系统采用计数法测速。单片机 stc89c52 内部具有 2 个 16 位定时/计数器 ,定 时/计数器的工作可以由编程来实现定时、计数和产生计数溢出中断要求的功能。在构成 为定时器时,每个机器周期加 1(使用 12mhz 时钟时,每 1us 加 1),这样以机器周期为基 准可以用来测量时间间隔。在构成为计数器时,在相应的外部引脚发生从 1 到 0 的跳变 时计数器加 1,这样在计数闸门的控制下可以用来测量待测信号的频率。 3 霍尔传感器测转速系统的单元电路介绍霍尔传感器测转速系统的单元电路介绍 3.13.1 单片机的介绍单片机的介绍 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 3.85.5v，工作温度 070c（商业级） ，工作频率可高达 30mhz，芯片的外形 和引脚见下图（2） 电机 单片机 整形电路 6 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。p0p3 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） 。 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； 7 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； 计数脉冲输入 t0 t1 p0 p1 p2 p3 txd rxd 0int1int 中断输入 图 3.1 stc89c52 单片机结构框图 stc89c52 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。stc89c52 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 ccss （2）i/o 总线。p- p（p0 口），p- p（p1 口），p- p（p2 口）， 0 . 07 . 00 . 17 . 10 . 27 . 2 p- p（p3 口）为输入/输出引线。 0 . 37 . 3 （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 时钟源 cpu 串行接口并行 i/o 接口中断系统 特殊功能寄 存器 sfr 128 字节 ram 定时/计数 器 t0、t1 4k rom（eprom ） （8031 无） 8 表 3.1 p3 口 线的 第二 功能定义： stc89c52 单片机的片外总线结构： 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） 。 数据总线（db）：数据总线宽度为 8 位，由 p0 提供。 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、psen 组成。 3.23.2 霍尔传感器选型霍尔传感器选型 霍尔效应自 1879 年被美国物理学家爱德文霍尔发现至今已有 100 多年的历史，但 直到 20 世纪 50 年代，由于微电子学的发展，才被重视和开发，现在，已发展成一个品 牌多样的传感器产品族，并得到广泛的应用。 霍尔传感器是对磁敏感的传感元件，由磁钢、霍耳元件等组成。测量系统的转速传感 器选用 oh137 的霍尔传感器。 3.33.3 开关霍尔传感器的性能分析开关霍尔传感器的性能分析 oh137 霍尔开关电路是为了适用客户低成本高性能要求开发生产的系列产品，其应 用领域广泛，性能可靠稳定。电路内部由反向电压保护器、电压调整器，霍尔电压发生 器，差分放大器，史密特触发器和集电极开路输出级组成，能将变化的磁场讯号转换成 数字电压输出。 产品特点：产品一致性好、灵敏度可按照客户要求定制、电路可和各种逻辑电路直接接 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 9 口 可实现功能：无触点开关、位置检测、速度检测、流量检测 典型应用领域：直流无刷电机、家用电器、缝纫设备、纺织机械、编码器、安全报警装 置等自动化控制领域 极限参数：（ta=25） 电源电压 vcc4.5-24v 输出负载电流 io25ma 工作温度范围 ta -4085 贮存温度范围 ts -55150 电特性：ta=25 量 值 参 数 符 号 测试条件 最小典型最大 单 位 电源电压vcc4.5-24v 输出低电平 电压 vol vcc=4.5v, rl=2k，bbop -200400mv 输出漏电流iohvout=vccmax，bbrp-0.110 a 电源电流iccvcc=vccmax oc 开路-35ma 输出上升时 间 tr vcc=12v, rl=820, cl=20pf -0.121.20 s 输出下降时 间 tf vcc=12v, rl=820, cl=20pf -0.141.40 s 磁特性： (vcc=4.524v) 1mt=10gs 量 值 参 数符号 最小典型最大 单 位 工作点bop-18mt 释放点brp2-mt 回 差bh6-8mt 测试电路： 管腿说明：1.电源 2. 地 3.输出 使用注意：使用注意： 1）安装时要尽量减小施加到电路外壳或引 线上的机械应力。 2）焊接温度要低于 260，时间小于 3 秒。 3）电路为 oc 输出，需要在 1、3 腿（电源 与输出）之间加一上拉电阻。上拉电阻的阻 值与工作电压、通过电路的电流有关。 vout vcc=5v rl rl=820 cl=20 pf cl 10 磁电转换特性： 外型尺寸图： bh brp bop b voh vol 0 功能方框图： reg amp pin1.vcc pin3.vout pin2.gnd 11 3.43.4 系统显示电路介绍系统显示电路介绍 .1 74hc59574hc595 的介绍的介绍 74hc595 是硅结构的 cmos 器件， 兼容低电压 ttl 电路，遵守 jedec 标准。 74hc595 是具有 8 位移位寄存器（如图 2-8 工作时序）和一个存储器，三态输出功 能。 移位寄存器和存储器是分别的时钟。 数据在 schcp 的上升沿输入，在 stcp 的 上升沿进入的存储寄存器中去。如果两个时钟连在一起，则移位寄存器总是比存储寄 存器早一个脉冲。 移位寄存器有一个串行移位输入（ ds），和一个串行输出（ q7） ,和一个异步的低电平复位，存储寄存器有一个并行8 位的，具备三态的总线输出， 当使能 oe 时（为低电平），存储寄存器的数据输出到总线。 8 位串行输入/输出或者 并行输出移位寄存器，具有高阻关断状态。 它的管脚分布和各管脚功能如图 2-9 所 示。 图 3-9 管脚分布和管脚功能 12 图 3-8 74hc595 工作时序 .2 数码管介绍数码管介绍 数码管按发光二极管单元连接方式分为共阳极数码管和共阴极数码管。共阳数码 管是指将所有发光二极管的阳极接到一起形成公共阳极(com)的数码管。共阳数码 管在应用时应将公共极 com 接到+5v，当某一字段发光二极管的阴极为低电平时，相 应字段就点亮。当某一字段的阴极为高电平时，相应字段就不亮。 。共阴数码管是 指将所有发光二极管的阴极接到一起形成公共阴极 (com)的数码管。共阴数码管在 应用时应将公共极 com 接到地线 gnd 上，当某一字段发光二极管的阳极为高电平时， 相应字段就点亮。当某一字段的阳极为低电平时，相应字段就不亮。原理如图 2- 10 所示。 图 3-10 数码管 ab cde g gnd f dp gnd a b c e f g d dp a b c d e f g dp dp g f e d c b a 5v （a）（b） 共阴极共阳极 13 4 4 基于霍尔传感器的硬件电路设计基于霍尔传感器的硬件电路设计 14 5 5 基于霍尔传感器测转速系统的软件设计基于霍尔传感器测转速系统的软件设计 5.15.1 软件流程图软件流程图 开始 led显示缓存 初始化 时钟寄存器初始化 定时器中断初始化 led显示初始化 调用数据处理程序 调用显示子程序 调用按键处理程序 图 5-1 主程序流程图 秒标志位flag=1 处理转速，转换成r/min 转速的16进制数转换成10进制 bcd码 送显示缓冲器 返回 15 图 5.2 数据处理显示模块流程图 图 5-4 定时器 1 中断服务程序流程图 16 5.25.2 c c 语言程序语言程序 #include #include #include #define uchar unsigned char #define uint unsigned int #define dataport p1 sbit latch1=p20;/定义锁存使能端口 段锁存 sbit latch2=p21;/ sbit ppp=p31; sbit zzz=p07; 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 temp8; 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_weimai+firstbit; /取位码 latch2=1; /位锁存 latch2=0; dataport=tempi; /取显示数据，段码 latch1=1; /段锁存 latch1=0; i+; 17 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(x6000) jing(); temp3= tempdatax%10; temp2= tempdatax/10%10; temp1=tempdatax/100%10; temp0=tempdatax/1000%10; display(0,4); timecount=0; 18 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;i500;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() 19 int i; for(i=0;i500;i+) zzz=!zzz; delay(); zzz=1; void delay() int i; for (i=0;i255;i+) _nop_(); 20 总结与展望总结与展望 本此设计，主要进行了以下几方面的工作：首先，复习了上学期所学的传感器，在 其中着重学习并理解霍尔传感器的工作原理；其次，根据老师所提供的传感器，查找搜 集其特性，制作设计方案；然后，完成测温系统的硬件选型和电路设计；最后，完成测 温系统的软件流程图设计。 在这个小学期之间，根据我所选的题目，编出了实验的程序。