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1、天津农学院结 课 论 文 题 目: 基于霍尔转速传感器的发动机 转速检测仪的设计 学生姓名 系 别 专业班级 2009级 农机专业 2 班 任课教师 成绩评定 2011年12月17目录1 前言.32 传感器的选择.32.1 霍尔传感器的简介.32.2 霍尔传感器.32.3 霍尔传感器的优势.42.4 传感器的确立.43 传感器的工作原理.53.1霍尔转速传感器测速原理.53.2思路框图.54 基于霍尔转速传感器系统的硬件设计. 64.1 硬件电路连接模块图.64.2转速信号处理电路设计.74.3单片机AT89C51的介绍.84.3.1 AT89C51简介.84.3.2 主要特性.84.3.3
2、管脚分布.84.4 LED显示的硬件图.95 单片机系统的软件设计.95.1 定时器的初始化.105.2中断允许控制.105.3 主程序流程图.115.4 主程序.116 总结.127参考文献.12附录.13附录1 单片机各引脚功能.13附录2 主程序.14基于霍尔转速传感器的发动机转速检测仪的设计1 前言在现代工程项目中，需要测量转速的地方极为普遍。仅以数控机床为例，实现主轴的旋转速度控制，就需要对主轴的转速进行实时测量；以及工作台的位移速度，大部分也是通过测量转轴的转速来间接测量的。以往传统的测量是主要以模拟方式为主，最典型的就是测速发动机。但随着集成电路技术的发展，是利用与该设备同轴连接
3、的霍尔转速传感器的输出脉冲频率与转速成正比的原理,根据脉冲发生器发出的脉冲速度和序列,测量转速，最后通过单片机为核心的数字化测量系统以其强大的处理能力结果由数码管显示出来。因此这种技术由于低成本、高可靠性得到了广泛应用。2 传感器的选择2.1 霍尔传感器的简介目前发动机转速采集按传感器类型主要分电磁感应式、霍尔效应式和光电式3 种。霍尔转速传感器则是基于霍尔效应工作的，当一块置于磁场中的金属片上通过电流I时，在金属片的两侧会产生微量的霍尔电压u，该电压的大小会随着磁场强度的改变而变化，其输出的信号是矩形脉冲信号, 很适合于数字控制系统, 抗干扰能力强, 而且输出电压信号稳定, 只要存在磁场,
4、霍尔元件总是产生相同的电压, 其大小与转速无关,而且与被测物体的运动速度无关，即使是在发动机起动的低转速状态下, 仍能够获得较高的检测精度。根据这个特性，霍尔转速传感器对环境的要求不高，无论高速还是低速都能很好的使用，而且稳定性好、响应快、安装简便。本次测速系统设计中采用了霍尔转速传感器作为检测元件。因此利用霍尔传感器来测量转速，根据磁场的变化来使霍尔传感器产生脉冲，经过单片机计数，再通过数据计算转化成所测转速，最后由数码管显示出来。2.2 霍尔传感器霍尔转速传感器安装在测速轮外侧间隔13mm，磁场由安装在测速轮上的磁钢提供，当磁钢块经过霍尔传感器正前方时，磁通密度发生改变，霍尔元件便会产生脉
5、冲信号并形成计数脉冲送入单片机中，由单片机完成计算得到相应的转速，通过LED显示速度的变化。测速轮上安装的磁钢块越多，带轮每转一圈传感器发出的脉冲也就越多。相应转速测量的精度也会提高。因此为了提高测量精度，需要在测速轮上加装多个磁钢块。霍尔转速传感器的主要组成部分是传感头和齿圈，而传感头又是由霍尔元件、永磁体和电子电路组成的，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。如下图所示：图1 霍尔传感器原理图图2 霍尔器件的接线图2.3 霍尔传
6、感器的优势光电编码器是一种通过光电转换进行工作的传感器，测量精度高。但是光电编码盘安装要求较高，由于软连接的原因，容易松动，可靠性差。而且安装需要一定距离，在一些无间隙，同光泽或相似光泽的物体上面会有误差产生。磁电式转速传感器是利用电磁感应原理工作的，当测速轮旋转时，通过传感器线圈的磁力线发生变化，相应的回路中就产生周期性的感应电动势，通过对该电压变化周期计数，就可计算出测速轮的转速。而且电压的大小与磁通量的变化率有关，速度越大，产生的电压就越大。因此虽然磁电式转速传感器结构简单、成本低，但在低速场合，磁电式转速传感器就会由于线圈上产生的感应电压太小而无法工作。 霍尔转速传感器是利用霍尔元件制
7、成的，利用霍尔效应原理工作的:一个金属或半导体薄片置于磁场中，磁场垂直于薄片，当薄片通以电流Ie时，在薄片的两侧面上就会产生一个微量的霍尔电压UH，如果改变磁场上的强度，霍尔电压的大小亦随之改变，当磁场消失时，霍尔电压变为零。霍尔转速传感器的输出信号不会受到转速值的影响,而且对电磁波的抗干扰能力强因此，通过了解以上三种传感器，发现霍尔传感器的优势更为显著。2.4 传感器的确立本文是对发动机转速的测量，确定了传感器的工作环境，通过以上的了解发现霍尔传感器有这方面的优势，所以本文最后选择霍尔转速传感器。3 传感器的工作原理3.1 霍尔转速传感器测速原理根据霍尔效应原理，测量转速时，在非磁性的转盘上
8、粘上一块磁钢，把霍尔传感器的感应面对准磁钢的磁极，并将其固定在机架上.机器轴旋转时，固定在转盘上的磁钢随之旋转，当磁钢转到传感器的位置时，霍尔传感器便输出一个脉冲信号，经施密特触发器整型，送到单片机的外部中断INT0引脚.转轴每转一圈霍尔传感器输出一个脉冲信号，相邻两个脉冲之间的时间间隔为转轴转一圈的时间，由此可计算出转轴的转速. 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：f 洛仑磁力载流子电荷 载流子运动速度磁感应强
9、度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：(mV)霍尔常数 元件厚度磁感应强度控制电流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。3.2 思路框图发动机信号处理单片机处理串口键盘霍尔传感器RAMLED显示图3 转速测量原理框图发动机飞轮：信号的产生霍尔传感器：用来对信号的采样信号处理：对传感器送过来的信号进行放大和整形，在送入单片机进行数据的处理转换单片机：对
10、处理过的信号进行转换成转速的实际值，送入LEDLed显示：用来对所测量到的转速进行显示串口：数据一位一位地按顺序传送RAM:随机存储器键盘：输入系统参数和输出测量结果4 基于霍尔转速传感器系统的硬件设计 随着单片机的不断推陈出新，特别是高性价比的单片机的涌现，转速测量控制普遍采用了以单片机为核心的数字化和智能化系统对测量转速系统的硬件和编程进行研究，设计出一种以单片机为主的转速测量系统，保证了测量精度。4.1 硬件电路连接模块图图4 硬件电路连接图5 转速测量系统安装示意图4.2 转速信号处理电路设计转速信号处理电路包括信号放大电路、整形及三极管整形电路。由于产生的电压信号很小，所以要进行放大处理，一般要放大至少1000 倍（60dB），然后在进行信号处理工作。信号放大装置选用运算放大器TL084 作为放大电压放大元件，采用两级放大电路，每一级都采用反响比例运算电路如图4.4.设计的电压放大倍数为3000 倍。其中第一级放大倍数为30，第二级放大倍数为100.放大后电压变化范围为04.8V。TL084 采用12V 双电源供电，由于电源的供电电压在一定范围内有副值上的波动，形成干扰信号。为起到消除干扰，实现滤波作用，故供电电源两端需接10UF 的电
