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1、 传感器原理及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 小波 学 号8888888888 院（系） 电子电气工程学院 班 级 清华大学电子信息 指导教师 牛人 职 称 博士后 二O一一年 七 月 十二 日27rp摘 要：转速是发动机重要的工作参数之一,也是其它参数计算的重要依据。针对工业上常见的发动机设计了以单片机STC89C51为控制核心的转速测量系统。系统利用霍尔传感器作为转速检测元件，并利用设计的调理电路对霍尔转速传感器输出的信号进行滤波和整形,将得到的标准方波信号送给单片机进行处理。实际测试表明,该系统能满足发动机转速测量要求。关键词：转速测量，霍尔传感器，信号处
2、理，数据处理 Abstract: The rotate speed is one of the important parameters for the engine, and it is also the important factor that calculates other parameters. The rotate speed measurement system for the common engine is designed with the single chip STC89C51. The signal of the rotate speed is sampled by
3、 the Hall sensor, and it is transformed into square wave which will be sent to single chip computer. The result of the experiment shows that the measurement system is able to satisfy the requirement of the engine rotate speed measurement. Key words: rotate speed measurement, Hall sensor, signal proc
4、essing, data processing目 录1 前言42 系统概述42.1 系统组成42.2 处理方法52.3 系统工作原理63 系统硬件电路设计73.1 单片机主控电路设计73.2 脉冲产生电路设计93.3 按键电路设计103.4 数据显示电路设计113.5 稳压电源设计133.6 串行通信模块设计144 系统软件设计165 制作调试185.1 硬件调试185.2 软件调试196 测试结果分析19结论21参考文献22致谢23附录A241 前言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
5、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
6、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。2 系统概述2.1 系统组成系统由传感器、信号预处理电路、处理
7、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
8、框图如图2.2所示。图2.2 系统软件框图2.2 处理方法系统的设计以STC89C51单片机为核心，利用它内部的定时/计数器完成待测信号频率的测量。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STC89C51内部具有 2 个 16
9、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。外部输入每个机器周期被采样一次,这样检测一次从1到0的跳变至少需要2个机器周期(24 个振荡周期),所以最大计数速率为时钟频率的1/24(使用12MHz时钟时 ,最大计数速率为 500KHz)。定时/计数器的工作由相应的运行控制位TR控制,当TR置1时,定时
10、/计数器开始计数，当 TR清0时,停止计数。2.3 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
11、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。2.3.1 霍尔传感器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SiKO 的 NJK-8002D 的霍尔传感器，其响应频率为100KHz，额定电压为5-30（V）、检测距离为10（mm）。其在大电流磁场或磁钢磁场的作用下，能测量高频、工频、直流等各种波形电流。该传感器具有测量精度高、电压范围宽、功耗小、输出功率大等优点，广泛应用在高速计数、测频率、测转速等领域。输出电压425V，直流电源要有足够的滤波电容，测量极性为N极。安装时将一非磁性圆盘固定在电动机的转轴上，将磁钢粘贴在圆盘边缘，磁钢采
12、用永久磁铁，其磁力较强，霍尔元件固定在距圆盘1-10mm处。当磁钢与霍尔元件相对位置发生变化时，通过霍尔元件感磁面的磁场强度就会发生变化。圆盘转动，磁钢靠近霍尔元件，穿过霍尔元件的磁场较强，霍尔元件输出低电平；当磁场减弱时，输出高电平，从而使得在圆盘转动过程中，霍尔元件输出连续脉冲信号。这种传感器不怕灰尘、油污，在工业现场应用广泛。2.3.2 转速测量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：式中：f洛仑磁力， 载
13、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。霍尔电压大小为： (mV) 式中：霍尔常数， 元件厚度， 磁感应强度， 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
14、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。 图2.3 霍耳元件的原理结构图3 系统硬件电路设计3.1 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、4K8 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
15、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。4K8 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(8K8 位)或 89C55(32K8 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；
