传感器原理应用课程设计基于霍尔传感器的转速测量电路设计

《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） 电子电气工程学院 班 级 电子信息 指导教师 职 称

二O一一年 七 月 十二

日

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，例如在发动机、电动机、卷扬机、机床主轴等旋转设备的试验、运转和控制中，常需要测量和显示其转速。要测速，首先要解决的是采样问题。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。早期直流电动机的控制均以模拟电路为基础，采用运算放大器，非线性集成电路以及少量的数字电路组成，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。随着微型计算机的广泛应用，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，智能化微电脑代替了一般机械式或模拟式结构，并使系统能达到更高的性能。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。

直流电动机具有良好的起动、制动性能，宜于在大范围内平滑调速。测速电机的电压高低反映了转速的高低，在许多需要调速或快速正反向电力拖动领域中得到了广泛的应用。从控制的角度来看，直流调速还是交流拖动系统的基础。本文介绍一种用STC89C51单片机测量小型电动机转速的方法。系统以单片机STC89C51为控制核心，用NJK-8002D霍尔集成传感器作为测量小型直流电机转速的检测元件，经过单片机数据处理，用8位LED数码管动态显示小型直流电机的转速。

目 录

摘 要 ........................................................................................................................... I 目 录 .......................................................................................................................... II 第一章 绪论（数码显示转速） .............................................................................. 1

1.1 课题的背景 .................................................................................................. 2 1.2 课题的目的及意义 ....................................................................................... 3 1.3 设计的思路与内容 ....................................................................................... 4 第二章 电路的硬件设计 ............................................................................................. 5

2.1 设计的方框图 ................................................................................................. 6 2.2 单元电路的设计 ............................................................................................. 7 2.3电路的整机原理图的设计（分析工作原理） .............................................. 8 第三章（应用单片机实现）软件设计 ....................................................................... 9

3.1 程序流程图 ................................................................................................... 10 3.2 ....................................................................................................................... 11 第四章 总结 ........................................................................................................... 12 谢 辞 ......................................................................................................................... 13 参考文献 ..................................................................................................................... 14

第一章 绪论

1.1 课题的背景

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]。

1.2 课题的目的及意义

在实践中,经常会遇到各种需要测量转速的场合, 例如在发动机、电动机、卷扬机、机床主轴等旋转设备的试验、运转和控制中,常需要分时或连续测量和显示其转速及瞬时转速。要测速，首先要解决是采样问题。在使用模技术制作测速表时，常用测速发电机的方法，即将测速发电机的转轴与待测轴相连，测速发电机的电压高低反映了转速的高低。为了能精确地测量转速外,还要保证测量的实时性,要求能测得瞬时转速方法。因此转速的测试具有重要的意义。 这次设计内容包含知识全面，对传感器测量发电机转速的不同的方法及原理设计有较多介绍，在测量系统中能学到关于测量转速的传感器采样问题，单片机部分的内容，显示部分等各个模块的通信和联调。全面了解单片机和信号放大的具体内容。进一步锻炼我们在信号采集，处理，显示发面的实际工作能力。

1.3 设计的思路与内容

计算转速公式： n=60/NTc (r/min)

其中，N是内部定时器的计数值，为三字节，分别由TH0，TL0，VTT构成；

Tc为时基，由于采用11.0592M的晶振，所以Tc不在是1um，而是

12M/11.0592M约为1.08um，带入上面公式，即可得到转速的精确计算公式： N=60*11059200/12N=55296000/N

再将55296000化为二进制存入单片机的内存单元。 下面我们将介绍除数是如何获得的：

单片机的转速测量完成，定时器T0作为内部定时器，外部中断来的时候读取TH0，TL0，并同时清零TH0、TL0，使定时器再次循环计内部脉冲。此外，对于低速情况下，我们还要设定一个软件计数器VTT，当外部中断还没来而内部定时器已经溢出，产生定时器0中断时，增加VTT，作为三字节中的高字节。三字节组成除数，上面的常数为四字节，所以计算程序实际上就是调用一个四字节除三字节商为两字节（最高转速36000r/min足够）的程序。

为数码管能够显示出来，需将二进制转换为十进制，在将十进制转换为非压缩BCD码后，才能调用查表程序，最后送显示。

传感器的定子上有2 个互相垂直的绕组A 和B, 在绕组的中心线上粘有霍尔片HA 和HB ,转子为永久磁钢,霍尔元件HA 和HB 的激励电机分别与绕组A 和B 相连,它们的霍尔电极串联后作为传感器的输出。

霍尔转速传感器的结构原理图

方案霍尔转速传感器的接线图

第二章 电路的硬件设计

2.1设计方框图

系统由传感器、信号预处理电路、处理器、显示器和系统软件等部分组成。传感器部分采用霍尔传感器，负责将电机的转速转化为脉冲信号。信号预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STC89C51单片机，显示器采用8位LED数码管动态显示。系统原理框图如图2.1所示：

图2.1转速测量系统原理框图

系统软件主要包括测量初始化模块、信号频率测量模块、浮点数算术运算模块、浮点数到BCD码转换模块、显示模块、按键功能模块、定时器中断服务模块。系统软件框图如图2.2所示。

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图2.2 系统软件框图

传感器原理与应用期末设计

程序流程图

2.2单元电路的设计 硬件电路

单片机主控电路设计

系统选用 STC89C51 作为转速信号的处理核心。STC89C51 包含 2 个16位定时/计数器、4K×8 位片内 FLASH 程序存储器、4个8位并行I/O口。16 位定时/计数器用于实现待测信号的频率测量。8位并行口P0、P2用于把测量结果送到显示电路。4K×8 位片内FLASH程序存储器用于放置系统软件。STC89C51与具有更大程序存储器的芯片管脚兼容,如:89C52(8K×8 位)或 89C55(32K×8 位),为系统软件升级打下坚实的物质基础。STC89C51最大的优点是：可直接通过计算机串口线下载程序,而无需专用下载线和编程器。

STC89C51单片机是在一块芯片中集成了CPU、RAM、ROM、定时器/计数器和多功能I/O口等一台计算机所需要的基本功能部件。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； ·21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；

计数脉冲输入

T0 T1

P0 P1 P2 P3 TXD RXD INT

INT1

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。VCC正常运行和编程校验(8051/8751)时为5V电源,VSS为接地端。 （2）I/O总线。P0.0- P0.7（P0口），P1.0- P1.7（P1口），P2.0- P2.7（P2口），P3.0- P3.7（P3口）为输入/输出引线。

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。 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。

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、PSEN组成。

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，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

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

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。

2.3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：f qVB

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UH称为霍尔电压。

霍尔电压大小为： UH RH I B/d(mV)

式中：RH—霍尔常数， ｄ—元件厚度， Ｂ—磁感应强度， Ｉ—控制电流 设 KH RH/d, 则UH=KH I B/d(mV)

KH 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

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。

VCC

转速测量系统安装图

信号处理模块原理图

第三章 （应用单片机实现）软件设计

主程序流程图

显示子程序流程

定时计数子程序流程

第四章 总结

好长时间没有这么系统地设计过系统。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。让我即将毕业走向社会之前有了一次完美的考验。

总之，在这次综合大考验中，我无形中学到了不少东西。无论是知识还是与同学的合作方面，我都有很多感受，当然这些成绩的取得和指导老师的帮助是分不开的。

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] 张景元.基于单片机的多用途定时器的设计与实现.电子工程师2000年第

8期

[3] 关宗安 仲丛久.基于单片机实现的多路定时控制器的设计.沈阳航空工业

学院学报.2004年6月.第21卷第3期

[4] 范立南.单片微机接口与控制技术.沈阳：辽宁大学出版社.1996 [5] 张友德.单片微型机原理、应用与实践.上海：复旦大学出版社.1992 [6] 魏文广 现代传感技术 北京：航空工业出版社.1995

[7]何希庆,高伟.MCS-51单片机原理、实验、实例[M].山东:山东大学出版

社.1989

[8]张毅刚,彭喜源，潭晓昀.MCS-51单片机应用设计[M].哈尔滨：哈尔滨工

业大学出版社.1997

[9] 何道情 传感器与传感技术 北京：科学出版社 2004

[10] 牛德芳 半导体传感器原理及其应用 大连理工大学出版社1994年

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/zv3n.html