霍尔传感器组成的转速测量电路

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1、1课程设计任务书测速是工农业生产中经常遇到的问题，学会使用单片机技术设计测速仪表具 有很重要的意义。要测速，首先要解决是采样的问题。在使用模拟技术制作测速 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。使用单片机进行测速，可以使用简单的脉冲计 数法。只要转轴每旋转一周，产生一个或固定的多个脉冲，并将脉冲送入单片机 中进行计数，即可获得转速的信息。本课题采用的是系统硬件原理框图如图1-1：一、主要内容利用强磁铁与霍尔元件组成测试转体转速的测量电路，包括计数与显示电路。二、基本要求1. 实现基本功能2. 完成3000字设计报告3. 画出电路图

2、4. 发挥部分，设计超速报警，完成信号传输。三、主要技术指标（或研究方法）测量范围06000r/min精度 5r/min工作电压5V12V 5V12V工作电流低于500mA工作环境 温度-60C65C四、应收集的资料及参考文献 霍尔元件原理与应用 显示元件原理 数据采样整理单元2霍尔传感器转速测量系统硬件设计2.1电机转速测量系统的硬件电路设计2.1.1总体硬件设计使用单片机测量电机转速的基本结构如图2-1所示。该系统包括霍尔传感 器、隔离整形电路、主CPU、显示电路、报警电路及电源等部分。图2-1系统总体结构图其测量过程是测量转速的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

3、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。主CPU将该值数据处理 后，在LCD液晶显示器上显示出来。一旦超速，CPU通过喇叭和转灯发出声、光 报警信号。1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的转速转化为脉冲信 号。霍尔测速模块由铁质的测速齿轮和带有霍尔元件的支架构成。测速齿轮如图 2-2所示，齿轮厚度大约2mm,将其固定在待测电机的转轴上。将霍尔元件固定 在距齿轮

4、外圆1mm的探头上，霍尔元件的对面粘贴小磁钢，当测速齿轮的每个齿 经过探头正前方时，改变了磁通密度，霍尔元件就输出一个脉冲信号。第二部分 是使用六反相器和光耦，将传感器输出的信号进行整形隔离，减少计数的干扰。霍尔元件磁钢测速齿轮间隙霍尔元件图2-2转速变换装置2.处理器采用AT89C51单片机作为系统的处理器。3.显示部分该部分有两个功能，在正常情况下，通过LCD液晶显示器显示当前的频率数 值，当电机的转速超出一定的范围后，通过蜂鸣器进行报警。蜂鸣器是一种一体 化结构的电子讯响器，采用直流电压供电，广泛应用于计算机、打印机、复印机、 报警器、电子玩具、汽车电子设备、电话机、定时器等电子产品中作

5、发声器件。2.1.2系统电路设计实际测量时，要把霍尔传感器固定在直流测速电机的底板上，与霍尔探头相 对的电机的轴上固定着一片磁钢块，电机每转一周，霍尔传感器便发出一个脉冲 信号，将此脉冲信号接到开发的多功能实验板上的P3.2 INTO上，设定TO定 时，每分钟所计的进入P3.2的脉冲个数即为直流电机的转速。由于在虚拟仿真电路图中，没有电机及传感器，所以就直接用一个脉冲信号 代替，电路图如图2-3所示。LCD1tbh=-LiinihL4RV1 利C14C2U1I| 12MHZCRYSTAL曰7&；XTHUXTHL2RST-=TD：n=-1TKC31lF“ECR81DK31PSEN ALE EAp

6、m P1.1 P12 pi j ph P1 P1J5 P1.TLU2:AT4L9U :TExTTi-POHAD 口PO.1.AD1 P02.WD2 P0.3,AD3 PO.ADiPDSMD5PDJ6WD6 PO.TJftDT39 T： 3?36J3Lnj3332psn-psP2.1JW3P22M1D P23ft11P2.4JW12P2SW13 P2J&WU P2.TJW1SPlUffiXDP3.1/TXDP32irrm P33flNTTP3.i,TIP3J5/T1P3J&WRPS.T.RD-_LLZ3._3L 曲 27 25_HL11_12_L1 _li _l_ILLS1SPEAKER-汀曰6

7、R71EEK n=-A7B9CS1-汀曰：A-=TD：T-图2-3总体硬件电路图2.2霍尔传感器测量电路设计2.2.1霍尔元件根据霍尔效应，人们用半导体材料制成的元件叫霍尔元件。它具有对磁场敏 感、结构简单、体积小、频率响应宽、输出电压变化大和使用寿命长等优点，因 此，在测量、自动化、计算机和信息技术等领域得到广泛的应用。霍尔传感器A3144是Allegro MicroS ystems公司生产的宽温、开关型 霍尔效应传感器，其工作温度范围可达-40 C150 C。它由电压调整电路、反 相电源保护电路、霍尔元件、温度补偿电路、微信号放大器、施密特触发器和 OC门输出极构成，通过使用上拉电阻可以将

8、其输出接入CMOS逻辑电路。该芯片 具有尺寸小、稳定性好、灵敏度高等特点，有两种封装形式，一种是3脚贴片微 小型封装，后缀为“LH” ；另一种是3脚直插式封装，后缀为“UA” 5。A3144E系列单极高温霍尔效应集成传感器是由稳压电源，霍尔电压发生 器，差分放大器，施密特触发器和输出放大器组成的磁敏传感电路，其输入为磁 感应强度，输出是一个数字电压讯号。它是一种单磁极工作的磁敏电路，适用于 矩形或者柱形磁体下工作。可应用于汽车工业和军事工程中。霍尔传感器的外形图和与磁场的作用关系如图2-4所示。磁场由磁钢提供， 所以霍尔传感器和磁钢需要配对使用。管脚图霍尔元件和磁钢图2-4霍尔传感器的外形图

9、该霍尔传感器的接线图如图2-5所示。+5v+5vQiok out图2-5霍尔传感器的接线图2.2.2霍尔传感器测量原理测量电机转速的第一步就是要将电机的转速表示为单片机可以识别的脉冲 信号，从而进行脉冲计数。霍尔器件作为一种转速测量系统的传感器，它有结构 牢固、体积小、重量轻、寿命长、安装方便等优点，因此选用霍尔传感器检测脉 冲信号，其基本的测量原理如图2-6所示，当电机转动时，带动传感器运动，产 生对应频率的脉冲信号，经过信号处理后输出到计数器或其他的脉冲计数装置， 进行转速的测量6。霍尔传感嚣信号处理 +V图2-6霍尔器件测速原理2.2.3转速测量方法转速的测量方法很多，根据脉冲计数来实现

10、转速测量的方法主要有M法（测 频法）、T法（测周期法）和MPT法（频率周期法），该系统采用了 M法（测频法）。 由于转速是以单位时间内转数来衡量，在变换过程中多数是有规律的重复运动。 根据霍尔效应原理，将一块永久磁钢固定在电机转轴上的转盘边沿，转盘随侧轴 旋转，磁钢也将跟着同步旋转，在转盘下方安装一个霍尔器件，转盘随轴旋转时, 受磁钢所产生的磁场的影响，霍尔器件输出脉冲信号，其频率和转速成正比。脉 冲信号的周期与电机的转速有以下关系:60(2-1)n= PT式中：n为电机转速；P为电机转一圈的脉冲数；T为输出方波信号周期。根据 式（2-1）即可计算出直流电机的转速7。霍尔器件是由半导体材料制成

11、的一种薄片，在垂直于平面方向上施加外磁场B,在沿平面方向两端加外电场，则使电子在磁场中运动，结果在器件的两个侧 面之间产生霍尔电势。其大小和外磁场及电流大小成比例。霍尔开关传感器由于 其体积小，无触点，动态特性好，使用寿命长等特点，故在测量转动物体旋转速 度领域得到了广泛应用。2.3系统软件设计2.3.1设计思想本系统采用89C51中的INTO中断对转速脉冲计数。定时器TO工作于定时方 式，工作于方式1。每到Is读一次外部中断INTO计数值，此值即为脉冲信号的 频率，代表的即是电机的转速。2.3.2总体软件流程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， 就启动系统运行

12、。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TO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5000r/min则报 警并返回初始化阶段，否则就进行正常速度液晶显示。如图2-16所示。2.3.3 C语言程序#include #define uchar unsigned char#define uint unsigned int#define ulong unsigned long#define LED_DAT PIsbit LED_

13、SEG0 二 PO八3;sbit LED_SEG1 二 PO八2;sbit LED_SEG2 二 PO;sbit LED_SEG3 二 POP;sbit pin_SpeedSenser二P3入5; /光电传感器信号接在T1上#defineTIME_CYLC100/12M晶振，定时器10ms中断一次 我们1秒计算一次转速/ 1000ms/10ms 二 100#define PLUS_PER 10 /码盘的齿数，这里假定码盘上有10个齿，即传感器检测到 10个脉冲，认为1圈#define K 100.0/校准系数unsigned char code七3匕16二0乂3仁0乂06,0乂55 0乂4仁0

14、乂66,0乂60,0乂70,0乂07,0乂7仁0乂6竹；/0XC0,0XF9,0XA4,0XB0,0X99, 0X92,0X82,0XF8, 0X80,0X90 共阳uchar data Disbuf4;/ 显示缓冲区uin t Tcoun ter 二 0;/时间计数器bit Flag_Fresh 二 0; / 刷新标志bit Flag_clac二0; /计算转速标志bit Flag_Err 二 0; /超量程标志/在数码管上显示一个四位数void DisplayFresh();/计算转速，并把结果放入数码管缓冲区void ClacSpeed();/初始化定时器T0void init_ti mer0();/初始化定时器T1void init_ti mer1();/延时函数void Delay(ui nt ms);void it_timer0() interrupt 1 /* interrupt address is 0x000b */TFO二0;/d定时器TO用于数码管的动态刷新THO 二 OxCO;/* init values */TLO 二 0x00;Tcounter+;if(TcounterTIME_CYLC) Flag_clac = 1;/周期到，该重新计算转速了void it_timer1() interrupt 3 /* interrupt addr