1、題目 基于霍爾傳感器的轉(zhuǎn)速測量電路設(shè)計姓 名 學 號 院（系）電子系電子信息工程 班 級 指導教師 職 稱 二o一三年 六 月 十二 日摘要2概述2一 霍爾傳感器測轉(zhuǎn)速原理及特性3二 系統(tǒng)組成框圖4三 單片機主控電路設(shè)計5 (一)單片機的介紹5 （二）脈沖產(chǎn)生電路設(shè)計7 （三）按鍵電路設(shè)計8 （四）數(shù)碼管結(jié)構(gòu)和顯示原理9 （五）電路的整機原理圖的設(shè)計（分析工作原理）10四 應用單片機實現(xiàn)11 （一）基本框圖12 （二）基于霍爾傳感器的硬件電路設(shè)計13 （三）c語言程序13五 總結(jié)16六 參考文獻17 摘要在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和工程實踐中，經(jīng)常會遇到各種需要測量轉(zhuǎn)速的場合，測量轉(zhuǎn)速的方法分為模擬式和數(shù)字

2、式兩種。模擬式采用測速發(fā)電機為檢測元件，得到的信號是模擬量，控制系統(tǒng)的硬件部分非常復雜，功能單一，而且系統(tǒng)非常不靈活、調(diào)試困難。數(shù)字式通常采用光電編碼器、圓光柵、霍爾元件等為檢測元件，得到的信號是脈沖信號。單片機技術(shù)的日新月異，特別是高性能價格比的單片機的出現(xiàn)，轉(zhuǎn)速測量普遍采用以單片機為核心的數(shù)字式測量方法，使得許多控制功能及算法可以采用軟件技術(shù)來完成。采用單片機構(gòu)成控制系統(tǒng)，可以節(jié)約人力資源和降低系統(tǒng)成本，從而有效的提高工作效率。 本課題，是要利用霍爾傳感器來測量轉(zhuǎn)速。由磁場的變化來使霍爾傳感器產(chǎn)生脈沖，由單片機計數(shù)，經(jīng)過數(shù)據(jù)計算轉(zhuǎn)化成所測轉(zhuǎn)速，再由數(shù)碼管顯示出來。概述在直流電機的多年實際運

3、行的過程中，機械測速電機不足之處日益明顯，其主要表現(xiàn)為直流測速電機dg中的炭刷磨損及交流測速發(fā)電機tg中的軸承磨損，增加了設(shè)備的維護工作量，也隨著增加了發(fā)生故障的可能性；同時機械測速電機在更換炭刷及軸承的檢修作業(yè)過程中，需要將直流電動機停運，安裝過程中需要調(diào)整機械測速電機軸與主電機軸的同軸度，延長了檢修時間，影響了設(shè)備的長期平穩(wěn)運行。隨著電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展，一些新穎器件的不斷涌現(xiàn)，原有器件的性能也隨著逐漸改進，采用電力電子器件構(gòu)成的各種電力電子電路的應用范圍與日俱增。因此采用電子脈沖測速取代原直流電動機械測速電機已具備理論基礎(chǔ)，如可采用磁阻式、霍爾效應式、光電式等方式檢測電機轉(zhuǎn)速。經(jīng)過比較

4、分析后，決定采用測速齒輪和霍爾元件代替原來的機械測速電機。霍爾傳感器作為測速器件得到廣泛應用。霍爾傳感器是利用霍爾效應實現(xiàn)磁電轉(zhuǎn)換的一種傳感器。霍爾效應這種物理現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)，雖然已有一百多年的歷史，但是直到20世紀40年代后期，由于半導體工藝的不斷改進，才被人們所重視和應用。我國從70年代開始研究霍爾器件,經(jīng)過20余年的研究和開發(fā),目前已經(jīng)能生產(chǎn)各種性能的霍爾元件,霍爾傳感器具有靈敏度高、線性度好、穩(wěn)定性高、體積小和耐高溫等特點2。一 霍爾傳感器測轉(zhuǎn)速原理及特性1、霍爾傳感器測速原理：霍爾器件是由半導體材料制成的一種薄片，器件的長、寬、高分別為 l、。若在垂直于薄片平面（沿厚度 ）方向施加外磁場

5、，在沿方向的兩個端面加一外電場，則有一定的電流流過。由于電子在磁場中運動，所以將受到一個洛侖磁力，其大小為：式中：f洛侖磁力， 載流子電荷， 載流子運動速度， 磁感應強度。這樣使電子的運動軌跡發(fā)生偏移，在霍爾元器件薄片的兩個側(cè)面分別產(chǎn)生電子積聚或電荷過剩，形成霍爾電場，霍爾元器件兩個側(cè)面間的電位差稱為霍爾電壓。霍爾電壓大小為： (mv) 式中：霍爾常數(shù)， 元件厚度， 磁感應強度， 控制電流設(shè) , 則=(mv)為霍爾器件的靈敏系數(shù)(mv/ma/t)，它表示該霍爾元件在單位磁感應強度和單位控制電流下輸出霍爾電動勢的大小。應注意，當電磁感應強度反向時，霍爾電動勢也反向。若控制電流保持不變，則霍爾感應

6、電壓將隨外界磁場強度而變化，根據(jù)這一原理，可以將兩塊永久磁鋼固定在電動機轉(zhuǎn)軸上轉(zhuǎn)盤的邊沿，轉(zhuǎn)盤隨被測軸旋轉(zhuǎn)，磁鋼也將跟著同步旋轉(zhuǎn)，在轉(zhuǎn)盤附近安裝一個霍爾元件，轉(zhuǎn)盤隨軸旋轉(zhuǎn)時，霍爾元件受到磁鋼所產(chǎn)生的磁場影響，輸出脈沖信號。傳感器內(nèi)置電路對該信號進行放大、整形，輸出良好的矩形脈沖信號，測量頻率范圍更寬，輸出信號更精確穩(wěn)定，已在工業(yè)，汽車，航空等測速領(lǐng)域中得到廣泛的應用。其頻率和轉(zhuǎn)速成正比，測出脈沖的周期或頻率即可計算出轉(zhuǎn)速二 系統(tǒng)組成框圖在測量電機轉(zhuǎn)速時我們從采用了電磁感應式傳感器。當電機轉(zhuǎn)動時，帶動傳感器。這種傳感器可以將轉(zhuǎn)速信號轉(zhuǎn)變成一個對應頻率的脈沖信號輸出，經(jīng)過信號處理后輸出到計數(shù)器。脈

7、沖信號的頻率與電機的轉(zhuǎn)速是一種線性的正比關(guān)系，因此對電機轉(zhuǎn)速的測量，實質(zhì)上是對脈沖信號的頻率的測量。本課題采是以stc89c52單片機為核心將處理好的信號經(jīng)過數(shù)據(jù)處理轉(zhuǎn)換成所測得的實際十進制信號的系統(tǒng)。系統(tǒng)硬件原理框圖如圖2-1：單片機四位數(shù)碼管顯示電路霍爾傳感器信號處理圖2-1系統(tǒng)框圖系統(tǒng)框圖原理如圖2-1所示，系統(tǒng)由傳感器、信號處理、顯示電路和系統(tǒng)軟件等部分組成。傳感器采用霍爾傳感器，負責將轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)化為脈沖信號。信號處理電路包含待測信號放大、波形變換、波形整形電路等部分，其中放大器實現(xiàn)對待測信號的放大,降低對待測信號的幅度要求，實現(xiàn)對小信號的測量；波形變換和波形整形電路實現(xiàn)把正負交變的信號波

8、形變換成可被單片機接受的ttl/cmos兼容信號。 處理器采用stc89c52單片機，顯示器采用8位led數(shù)碼管動態(tài)顯示。三 單片機主控電路設(shè)計(一)單片機的介紹本設(shè)計采用stc89c52芯片，芯片采用40腳雙列直插式封裝，32個i/o口，芯片工作電壓3.85.5v，工作溫度070c（商業(yè)級），工作頻率可高達30mhz，芯片的外形和引腳見下圖（2） 圖（2） stc89c52外形和引腳圖stc89c52 是一種低功耗、高性能cmos8位微控制器，具有 8k 在系統(tǒng)可編程flash 存儲器。使用高密度非易失性存儲器技術(shù)制造，與工業(yè)80c51 產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。片上flash允許程序存儲器在

9、系統(tǒng)可編程，亦適于常規(guī)編程器。在單芯片上，擁有靈巧的8 位cpu 和在線系統(tǒng)可編程flash，使得stc89c52為眾多嵌入式控制應用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。 stc89c52具有以下標準功能： 8k字節(jié)flash，256字節(jié)ram， 32 位i/o 口線，看門狗定時器，2 個數(shù)據(jù)指針，三個16 位 定時器/計數(shù)器，一個6向量2級中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口，片內(nèi)晶振及時鐘電路。另外，stc89c52可降至0hz靜態(tài)邏輯操作，支持2種軟件可選擇節(jié)電模式。空閑模式下，cpu 停止工作，允許ram、定時器/計數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護方式下，ram內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機一切工

10、作停止，直到下一個中斷或硬件復位為止。8 位微控制器 8k字節(jié)在系統(tǒng)可編程 flash。p0p3口結(jié)構(gòu)，第一功能、第二功能請參考數(shù)據(jù)手冊（stc89c52數(shù)據(jù)手冊下載地址www.mcu-）。其基本結(jié)構(gòu)框圖如圖3.1，包括：一個8位cpu；4kb rom；128字節(jié)ram數(shù)據(jù)存儲器；26個特殊功能寄存器sfr； 4個8位并行i/o口，其中p0、p2為地址/數(shù)據(jù)線，可尋址64kb rom或64kb ram；一個可編程全雙工串行口；具有5個中斷源，兩個優(yōu)先級，嵌套中斷結(jié)構(gòu)；兩個16位定時器/計數(shù)器； 一個片內(nèi)震蕩器及時鐘電路； t0 t1特殊功能寄存器sfr 128字節(jié)ram定時/計數(shù)器 t0、t1

11、時鐘源4k rom（eprom）（8031無）cpu并行i/o接口串行接口中斷系統(tǒng) p0 p1 p2 p3 txd rxd 中斷輸入圖3.1 stc89c51單片機結(jié)構(gòu)框圖stc89c51系列單片機中hmos工藝制造的芯片采用雙列直插(dip)方式封裝,有40個引腳。stc89c51單片機40條引腳說明如下: (1)電源引腳。v正常運行和編程校驗(8051/8751)時為5v電源,v為接地端。（2）i/o總線。p- p（p0口），p- p（p1口），p- p（p2口），p- p（p3口）為輸入/輸出引線。（3）時鐘。xtal1：片內(nèi)震蕩器反相放大器的輸入端。xtal2：片內(nèi)震蕩器反相放器的輸出

12、端，也是內(nèi)部時鐘發(fā)生器的輸入端。（4）控制總線。 由p3口的第二功能狀態(tài)和4根獨立控制線reset、ea、ale、psen組成。值得強調(diào)的是，p3口的每一條引腳均可獨立定義為第一功能的輸入輸出或第二功能。如表3.1所示。p3口引腳及線號引腳第二功能p3.0 (10)rxd串行輸入口p3.1 (11)txd串行輸出口p3.2 (12)int0外部中斷0p3.3 (13)int1外部中斷1p3.4 (14)t0定時器0外部輸入p3.5 (15)t1定時器1外部輸入p3.6 (16)wr外部數(shù)據(jù)存儲器寫脈沖p3.7 (17)rd外部數(shù)據(jù)存儲器讀脈沖表3.1 p3口線的第二功能定義：stc89c51單

13、片機的片外總線結(jié)構(gòu)：地址總線（ab）：地址總線寬為16位，因此，其外部存儲器直接尋址為64k字節(jié)，16位地址總線由p0口經(jīng)地址鎖存器提供8位地址（a0至a7）；p2口直接提供8位地址（a8至a15）。數(shù)據(jù)總線（db）：數(shù)據(jù)總線寬度為8位，由p0提供。控制總線（cb）：由p3口的第二功能狀態(tài)和4根獨立控制線reset、ea、ale、ps （二）脈沖產(chǎn)生電路設(shè)計lm358內(nèi)部包括有兩個獨立的、高增益、內(nèi)部頻率補償?shù)碾p運算放大器，適合于電源電壓范圍很寬的單電源使用，也適用于雙電源工作模式，在推薦的工作條件下，電源電流與電源電壓無關(guān)。它的使用范圍包括傳感放大器、直流增益模塊和其他所有可用單電源供電的使

14、用運算放大器的場合。lm358的封裝形式有塑封8引線雙列直插式和貼片式。特性: 內(nèi)部頻率補償 直流電壓增益高(約100db) 單位增益頻帶寬(約1mhz) 電源電壓范圍寬：單電源(330v) 雙電源(1.5一15v) 低功耗電流，適合于電池供電 低輸入偏流 低輸入失調(diào)電壓和失調(diào)電流 共模輸入電壓范圍寬，包括接地 差模輸入電壓范圍寬，等于電源電壓范圍 輸出電壓擺幅大(0至vcc-1.5v)如圖3.2所示，信號預處理電路為系統(tǒng)的前級電路，其中霍爾傳感元件b,d為兩電源端，d接正極，b接負極；a,c兩端為輸出端，安裝時霍爾傳感器對準轉(zhuǎn)盤上的磁鋼,當轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)時，從霍爾傳感器的輸出端獲得與轉(zhuǎn)速率成正比的

15、脈沖信號，傳感器內(nèi)置電路對該信號進行放大、整形，輸出良好的矩形脈沖信號，圖中l(wèi)m358部分為過零整形電路使輸入的交變信號更精確的變換成規(guī)則穩(wěn)定的矩形脈沖，便于單片機對其進行計數(shù)。 信號預處理電路 （三）按鍵電路設(shè)計通過軟件設(shè)置按鍵開關(guān)功能： 按 k0清零、復位按k1顯示計時時間按k2顯示計數(shù)脈沖數(shù)此按鍵電路為低電平有效，當無按鍵按下時，單片機輸入引腳p1.0、p1.1、p1.2、p1.3端口均為高電平。當其中任一按鍵按下時，其對應的p1端口變?yōu)榈碗娖剑谲浖欣眠@個低電平設(shè)計其功能。軟件中還設(shè)置了按鍵防抖動誤觸發(fā)功能，軟件中設(shè)置定時器1 50ms中斷一次，每次中斷都對按鍵進行掃描，如果掃描到

16、有按鍵按下，則延遲10ms，再次進行鍵掃描，若仍有按鍵按下，則按鍵為真，并從p1口讀取數(shù)據(jù)，低電平對應的即為有效按鍵，如圖3.3所示。圖3.3 按鍵電路圖 （四）數(shù)碼管結(jié)構(gòu)和顯示原理圖3.4為數(shù)碼管的引腳接線圖，實驗板上以p0口作輸出口，經(jīng)74ls244驅(qū)動，接8只共陽數(shù)碼管s0-s7。表3.2為驅(qū)動led數(shù)碼管的段代碼表為低電平有效，1-代表對應的筆段不亮，0-代表對應的筆段亮。若需要在最右邊（s0）顯示“5”，只要將從表中查得的段代碼64h寫入p0口，再將p2.0置高，p2.1-p2.7置低即可。設(shè)計中采用動態(tài)顯示，所以其亮度只有一個led數(shù)碼管靜態(tài)顯示亮度的八分之一。表3.2 驅(qū)動led

17、數(shù)碼管的段代碼數(shù)字dpecgbfa十六進制p0.7p0.6p0.5p0.4p0.3p0.2 p0.1p0.0共陰共陽010110111b74810001010014eb210101101ad523100111019d624000111101e64610111011bb4470001010115ea810111111bf409100111119f60數(shù)碼管的引腳接線圖這里設(shè)計的系統(tǒng)先用 6 位led數(shù)碼管動態(tài)顯示小型直流電機的轉(zhuǎn)速。當轉(zhuǎn)速高于六位所能顯示的值（999999）時就會自動向上進位顯示。（五）電路的整機原理圖的設(shè)計（分析工作原理）霍爾器件是由半導體材料制成的一

18、種薄片，器件的長、寬、高分別為 l、。若在垂直于薄片平面（沿厚度 ）方向施加外磁場，在沿方向的兩個端面加一外電場，則有一定的電流流過。由于電子在磁場中運動，所以將受到一個洛侖磁力，其大小為：式中：f洛侖磁力， 載流子電荷， 載流子運動速度， 磁感應強度。這樣使電子的運動軌跡發(fā)生偏移，在霍爾元器件薄片的兩個側(cè)面分別產(chǎn)生電子積聚或電荷過剩，形成霍爾電場，霍爾元器件兩個側(cè)面間的電位差稱為霍爾電壓。霍爾電壓大小為： (mv) 式中：霍爾常數(shù)， 元件厚度， 磁感應強度， 控制電流設(shè) , 則=(mv)為霍爾器件的靈敏系數(shù)(mv/ma/t)，它表示該霍爾元件在單位磁感應強度和單位控制電流下輸出霍爾電動勢的大

19、小。應注意，當電磁感應強度反向時，霍爾電動勢也反向。圖2.3為霍耳元件的原理結(jié)構(gòu)圖。若控制電流保持不變，則霍爾感應電壓將隨外界磁場強度而變化，根據(jù)這一原理，可以將兩塊永久磁鋼固定在電動機轉(zhuǎn)軸上轉(zhuǎn)盤的邊沿，轉(zhuǎn)盤隨被測軸旋轉(zhuǎn)，磁鋼也將跟著同步旋轉(zhuǎn)，在轉(zhuǎn)盤附近安裝一個霍爾元件，轉(zhuǎn)盤隨軸旋轉(zhuǎn)時，霍爾元件受到磁鋼所產(chǎn)生的磁場影響，輸出脈沖信號。傳感器內(nèi)置電路對該信號進行放大、整形，輸出良好的矩形脈沖信號，測量頻率范圍更寬，輸出信號更精確穩(wěn)定，已在工業(yè)，汽車，航空等測速領(lǐng)域中得到廣泛的應用。其頻率和轉(zhuǎn)速成正比，測出脈沖的周期或頻率即可計算出轉(zhuǎn)速。 轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)安裝圖 信號處理模塊原理圖四 應用單片機實現(xiàn)（

20、一）基本框圖顯示開始初始化定時器計時器刷新數(shù)碼管延時2ms開始顯示緩存初始化led顯示初始化數(shù)碼顯示開定時器開計數(shù)器定時0.5s計數(shù)0.5s讀出計數(shù)器值并清零計數(shù)器定時重新裝初始值并啟動定時器開始（二）基于霍爾傳感器的硬件電路設(shè)計（三）c語言程序#include #include #include #define uchar unsigned char#define uint unsigned int#define dataport p1sbit latch1=p20;/定義鎖存使能端口 段鎖存sbit latch2=p21;/ sbit ppp=p31;sbit zzz=p07;unsign

21、ed 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 unsig

22、ned char i=0;do dataport=0xff; /清空數(shù)據(jù)，防止有交替重影 latch1=1; /段鎖存 latch1=0; dataport=heyao_weimai+firstbit; /取位碼 latch2=1; /位鎖存 latch2=0; dataport=tempi; /取顯示數(shù)據(jù)，段碼 latch1=1; /段鎖存 latch1=0; i+; delay(); if(i=num) i=0; while(ppp=1);void main() ppp=1; tmod=0x15;/th1定時，模式1；th0計數(shù)，模式1 th0=0; tl0=0; th1=(65536-5

23、0000)/256; tl1=(65536-50000)%256; et0=1; et1=1;/th0,1溢出允許中斷 ea=1;/允許中斷 tr1=1; tr0=1;/開始計數(shù) 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; 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(time