霍尔传感器小车测距课程设计

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1、 成绩评定：成绩评定： 传感器技术传感器技术课程设计课程设计 题 目 霍尔传感器小车测距 摘要摘要对车速测量，利用霍尔传感器工作频带宽、响应速度快、测量 精度高的特性结合单片机控制电路，设计出了一种新型的测速系 统，实现了对脉冲信号的精确、快速测量，硬件成本低，算法简 单，稳定性好。霍尔传感器测量电路设计、显示电路设计。测量 速度的霍尔传感器和车轴同轴连接，车轴没转一周，产生一定量 的脉冲个数，有霍尔器件电路部分输出幅度为 12 V 的脉冲。经光 电隔离器后成为输出幅度为 5 V 转数计数器的计数脉冲。控制定 时器计数时间，即可实现对车速的测量。在显示电路设计中，实 现 LED 上直观地显示车

2、轮的转数值。与软件配合，实现了显示、 报警功能关键词：单片机关键词：单片机 AT89C51 传感器 LED 仿真目 录一 、设计目的-1二、设计任务与要求-12.12.1 设计任务设计任务-12.22.2 设计要求设计要求-1三、设计步骤及原理分析-13.13.1 设计方法设计方法-13.23.2 设计步骤设计步骤-33.33.3 设计原理分析设计原理分析-10四、课程设计小结与体会-11五、参考文献-111一、设计目的一、设计目的通过传感器及检测技术课程设计，使学生掌握传感器及检测系统设计的方法和设计原则及相应的硬件调试的方法。进一步理解传感器及检测系统的设计和应用。用霍尔元件设计测量车速的

3、电子系统，通过对霍尔元件工作原理的掌握实现对车速测量的应用，设计出具体的电子系统电路，并且能够完成精确的车速测量。二、设计内容及要求二、设计内容及要求2.1 设计设计任务任务 霍尔传感器一般由霍尔元件和磁钢组成，当霍尔元件和磁钢相对运动时，就会产生脉冲信号，根据磁钢和脉冲数量就可以计算转速，进而求出车速。现要求设计一个测量系统，在小车的适当位置安装霍尔元件及磁钢，使之具有以下功能：功能：1）LED 数码管显示小车的行驶距离（单位：cm） 。2）具有小车前进和后退检测功能，并用指示灯显示。3）记录小车的行驶时间，并实时计算小车的行驶速度。4）距离测量误差2cm。5）其它。2.2 设计要求设计要求

4、设计要求 首先选定传感器，霍尔传感器具有灵敏、可靠、体积小巧、无触点、无磨损、使用寿命长、功耗低等优点，综合了电机转速测量系统的要求。其次设计一个单片机小系统，掌握单片机接口电路的设计技巧，学会利用单片机的定时器和中断系统对脉冲信号进行测量或计数。再次实时测量显示并有报警功能，实时测量根据脉冲计数来实现转速测量的方法。要求霍尔传感器转速为205000r/min。三、三、设计步骤及原理分析设计步骤及原理分析3.13.1 设计方法设计方法3.13.11 1 霍尔效应霍尔效应 所谓霍尔效应，是指磁场作用于载流金属导体、半导体中的载流子时，产生横向电位差的物理现象。金属的霍尔效应是 1879 年被美国

5、物理学家霍尔发现的。当电流通过金属箔片时，若在垂直于电流的方向施加磁场，则金属箔片两侧面会出现横向电位差。半导体中的霍尔效应比金属箔片中更为明显，而铁磁金属在居里温度以下将呈现极强的霍尔效应。霍尔效应的原理图如图 1-2 所示。图 1-2 霍尔效应的原理图 当电流 I 通过放在磁场中的半导体基片（霍尔元件）且电流方向和磁场方向垂直时，在垂直于电流和磁通的半导体基片的横向侧面上即产生一个电压，这个电压称为霍尔电压 U。霍尔电压 U 的高低与通过的电流 I 和磁场强度 B 成正比，可用下列公式表示：式中 K霍尔元件的灵敏度 I电流 B磁场强度 3由上式知霍尔电动势与、I、B 有关。当 I、B 大小

6、一定时，越大，越大。显然，一般希望越大越好。 若磁感应强度 B 不垂直于霍尔元件，而是与其法线成某一角度 时，此时的霍尔电动势为 U =KIBcos 由上式可知，当通过的电流 I 为一定值时，霍尔电压与磁场强度 B 成正比，且当 B 的方向改变时，霍尔电势的方向也随之改变。即霍尔电压的大小只与磁场强度大小关而与磁通的变化速率无关。如果所施加的磁场为交变磁场，则霍尔电势为同频率的交变电动势。由于通电导线周围存在磁场，其大小与导线中的电流成正比，故可以利用霍尔元件测量出磁场，就可确定导线电流的大小。利用这一原理可以设计制成霍尔电流传感器。其优点是不与被测电路发生电接触，不影响被测电路，不消耗被测电

7、源的功率，特别适合于大电流传感。若把霍尔元件置于电场强度为 E、磁场强度为 H 的电磁场中，则在该元件中将产生电流I，元件上同时产生的霍尔电位差与电场强度 E 成正比，如果再测出该电磁场的磁场强度，则电磁场的功率密度瞬时值 P 可由 P=EH 确定。 如果把霍尔元件集成的开关按预定位置有规律地布置在物体上，当装在运动物体上的永磁体经过它时，可以从测量电路上测得脉冲信号。根据脉冲信号列可以传感出该运动物体的位移。若测出单位时间内发出的脉冲数，则可以确定其运动速度。 3.1.23.1.2 霍尔元件测速原理霍尔元件测速原理 基于霍尔传感器的速度测量系统工作过程是：测量转速的霍尔传感器和机轴同轴连接，

8、机轴每转一周，产生一定量的脉冲个数，由霍尔器件电路部分输出。经光电耦合后，成为转速计数器的计数脉冲。同时传感器电路输出幅度为 12v 的脉冲经光电耦合后降为 5v，保持同 89C51 逻辑电平相一致。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。CPU 将该值数据处理后，在 LCD 上显示出来。一旦超速，CPU 通过喇叭和指示灯发出声、光报警信号。43.23.2 设计步骤设计步骤3.2.13.2.1 系统框图及主程序流程框图系统框图及主程序流程框图1.1.系统框图系统框图以单片机 AT89C5l 为控制核心，用霍尔集成传感器作为测量转速的检测元件，最后用字符型液晶显示器 1602(HD

9、44780 控制)显示的小型直流电动机转速的方法，是数字式测量方法，智能化微电脑代替了传统的机械式或模拟式结构。系统原理框图如图 3 所示。图 3-2-1 系统原理框图本次设计系统以单片机 AT89C5l 为控制核心。用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，用字符型液晶显示器 1602 显示车轮霍 尔 传 感 器光 电 耦 合 器计数器单片机LCD 显 示声光报警5小型直流电机的转速。另外系统还可完成对电机的开关控制、系统工作时间、当前时间及电机状态的显示。单片机转速测量系统。组成单片机转速测量系统的有传感器、处理器、计数器和显示器四个部分组成。62.2. 主程

10、序流程图主程序流程图开始开始初始化初始化是否启动是否启动等待中断等待中断3 次采样完毕数据滤波处理数据滤波处理是否达到是否达到报警器的报警器的值？值？显示处理显示处理NYNYNY73 3 整体电路设计整体电路设计霍尔传感器和电机机轴同轴连接，机轴每转一周，产生一定量的脉冲个数，由霍尔器件电路输出。经过电耦合器后，即经过隔离整形电路后，成为转数计数器的计数脉冲。同时霍尔传感器电路输出幅度为 12V 的脉冲经光电耦合后降为 5V，保持同单片机 AT89C51 逻辑电平相一致，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。先进行初始化设置各定时器初值，然后判断是否启动系统进行测量。如果是，就

11、启动系统运行。如果不是就等待启动。启动系统后，霍尔传感器检测脉冲到来后，启动外部中断，每来一个脉冲中断一次，记录脉冲个数。同时启动T0 定时器工作，每 1 秒定时中断一次，读取记录的脉冲个数，即电机转速。连续采样三次，取平均值记为一次转速值。再进行数值的判断，若数值高于 5000rpm 则报警并返回初始化阶段，否则就进行正常速度液晶显示。 4 4 传感器部分传感器部分主要分为两个部分。第一部分是利用霍尔器件将电机转速转化为脉冲信号；第二个部分是使用光耦，将传感器输出的信号和单片机的计数电路两个部分隔开，减少计数的干扰。用于测量的 A44E 集成霍尔开关，磁钢用直径 D=6.004mm，长度为L

12、=3.032mm 的钕铁硼磁钢。电源用直流，霍尔开关输出由四位半直流数字电压表测量，磁感应强度 B 用 95A。5 5 定时器中断定时器中断 主程序在对定时器、计数器、堆栈等进行初始化后即判断标志位是否为 1，如果为 1，说明要求对数据进行计算处理，首先将标志位清零，以保证下次能正常判断，然后进入数据处理程序，由于这里的闸门时间为 1s，而显示要求为转/分，因此，要将测到的数据进行转换，转换的方法是将测得的数据乘以 60，但由于转轴上安装有 4 只磁钢，每旋转一周可以得到 4 个脉冲，因此，要将测得的数据除以4，所以综合起来，将测得的数据乘以 60/4=15 即可得到每分钟的转速。计算得到的结

13、果是二进制的整数，要将数据送往显示缓冲区需要将该数转化为 BCD 码。运算得到的是压缩 BCD 码，需要将其转换为非压缩 BCD 码。定时器 T0 用作 4ms 定时发生器，在定时中断程序中进行数码管的动态扫描，同时产生 1s 的闸门信号。1s 闸8门信号的产生是通过一个计数器 Count，每次中断时间为 4ms，每计 250 次即为1s，到了 1s 后，即清除计数器 Count，然后关闭作为计数器用的 INT0，读出TH0、TL0 中的数值，分别送入 SpCount 和 SpCount+1 单元，将 T0 中的值清空，置标志位为 1，要求主程序进行速度值的计算。这里还有一个细节，用作 1s

14、闸门信号产生的 Count 每次中断都会加 1，而 INT0 却有一个周期是被关闭的，因此，计数值是 251 而不是 250。系统采用外部晶振，系统时钟 SYSCLK 等于，T0 定时 1ms，初始化时 TH0=(-SY-SCLK1000)8；TL0=-（SYSCLK1000） 。等待 1s 到，输出转速脉冲个数 N，计算电机转速值。将 1s 内的转速值换算成 1 min 内的电机转速值，并在LCD 上输出测量结果。/*-主函数-*/ void main() int_all();/全局初始化 while(1) disp_count();/数据处理 if(zhuan5000) /转速警告 war

15、ning=1; if(zhuan5000) warning=1; if(zhuan4999) warning=0; 8 8 转速处理程序的设计转速处理程序的设计 测速的方法决定了测速信号的硬件连接，测速实际上就是测频，因此，频率测量的一些原则同样适用于测速。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12应性。对于转速与速度的处理方法：；3 / 4( / )() 10 (/ )vnr sd mmm s其