傳感器原理應用課程設計--基于霍爾傳感器的轉(zhuǎn)速測量電路設計

1、<p>　　《傳感器原理應用》期末課程設計</p><p>　　題目 基于霍爾傳感器的轉(zhuǎn)速測量電路設計</p><p>　　姓 名 學 號 </p><p>　　院（系） 電子電氣工程學院 </p><p>　　班 級 電子信息

2、 </p><p>　　指導教師 職 稱 </p><p>　　二O一一年 七 月 十二 日</p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和工程實踐中，經(jīng)常會遇到各種需要測量轉(zhuǎn)速的場合，例如在發(fā)動機、電動機、卷揚機、機床主軸等旋轉(zhuǎn)設備的試驗、運轉(zhuǎn)和控制

3、中，常需要測量和顯示其轉(zhuǎn)速。要測速，首先要解決的是采樣問題。測量轉(zhuǎn)速的方法分為模擬式和數(shù)字式兩種。模擬式采用測速發(fā)電機為檢測元件，得到的信號是模擬量。早期直流電動機的控制均以模擬電路為基礎，采用運算放大器，非線性集成電路以及少量的數(shù)字電路組成，控制系統(tǒng)的硬件部分非常復雜，功能單一，而且系統(tǒng)非常不靈活、調(diào)試困難。數(shù)字式通常采用光電編碼器、圓光柵、霍爾元件等為檢測元件，得到的信號是脈沖信號。隨著微型計算機的廣泛應用，單片機技術的日新月異，特

4、別是高性能價格比的單片機的出現(xiàn)，轉(zhuǎn)速測量普遍采用以單片機為核心的數(shù)字式測量方法，使得許多控制功能及算法可以采用軟件技術來完成，智能化微電腦代替了一般機械式或模擬式結(jié)構(gòu)，并使系統(tǒng)能達到更高的性能。采用單片機構(gòu)成控制系統(tǒng)，可以節(jié)約人力資源和降低系統(tǒng)成本，從而有效的提高工作效率。</p><p>　　直流電動機具有良好的起動、制動性能，宜于在大范圍內(nèi)平滑調(diào)速。測速電機的電壓高低反映了轉(zhuǎn)速的高低，在許多需要調(diào)速或快速正反

5、向電力拖動領域中得到了廣泛的應用。從控制的角度來看，直流調(diào)速還是交流拖動系統(tǒng)的基礎。本文介紹一種用STC89C51單片機測量小型電動機轉(zhuǎn)速的方法。系統(tǒng)以單片機STC89C51為控制核心，用NJK-8002D霍爾集成傳感器作為測量小型直流電機轉(zhuǎn)速的檢測元件，經(jīng)過單片機數(shù)據(jù)處理，用8位LED數(shù)碼管動態(tài)顯示小型直流電機的轉(zhuǎn)速。</p><p><b>　　目 錄</b></p>&

6、lt;p><b>　　摘 要I</b></p><p><b>　　目 錄II</b></p><p>　　第一章緒論（數(shù)碼顯示轉(zhuǎn)速）1</p><p>　　1.1課題的背景2</p><p>　　1.2 課題的目的及意義3</p><p>　　1.

7、3 設計的思路與內(nèi)容4</p><p>　　第二章 電路的硬件設計5</p><p>　　2.1 設計的方框圖6</p><p>　　2.2 單元電路的設計7</p><p>　　2.3電路的整機原理圖的設計（分析工作原理）8</p><p>　　第三章（應用單片機實現(xiàn)）軟件設計9</p>

8、<p>　　3.1 程序流程圖10</p><p><b>　　3.2 11</b></p><p>　　第四章 總結(jié)12</p><p><b>　　謝 辭13</b></p><p><b>　　參考文獻14</b></p><

9、p><b>　　緒論 </b></p><p><b>　　課題的背景</b></p><p>　　在直流電機的多年實際運行的過程中，機械測速電機不足之處日益明顯，其主要表現(xiàn)為直流測速電機DG中的炭刷磨損及交流測速發(fā)電機TG中的軸承磨損，增加了設備的維護工作量，也隨著增加了發(fā)生故障的可能性；同時機械測速電機在更換炭刷及軸承的檢修作業(yè)過程中

10、，需要將直流電動機停運，安裝過程中需要調(diào)整機械測速電機軸與主電機軸的同軸度，延長了檢修時間，影響了設備的長期平穩(wěn)運行。</p><p>　　隨著電力電子技術的不斷發(fā)展，一些新穎器件的不斷涌現(xiàn)，原有器件的性能也隨著逐漸改進，采用電力電子器件構(gòu)成的各種電力電子電路的應用范圍與日俱增。因此采用電子脈沖測速取代原直流電動機械測速電機已具備理論基礎，如可采用磁阻式、霍爾效應式、光電式等方式檢測電機轉(zhuǎn)速。</p>

11、<p>　　經(jīng)過比較分析后，決定采用測速齒輪和霍爾元件代替原來的機械測速電機。霍爾傳感器作為測速器件得到廣泛應用。霍爾傳感器是利用霍爾效應實現(xiàn)磁電轉(zhuǎn)換的一種傳感器?；魻栃@種物理現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)，雖然已有一百多年的歷史，但是直到20世紀40年代后期，由于半導體工藝的不斷改進，才被人們所重視和應用。我國從70年代開始研究霍爾器件,經(jīng)過20余年的研究和開發(fā),目前已經(jīng)能生產(chǎn)各種性能的霍爾元件,霍爾傳感器具有靈敏度高、線性度好、穩(wěn)定性

12、高、體積小和耐高溫等特點[2]。</p><p>　　1.2 課題的目的及意義</p><p>　　在實踐中,經(jīng)常會遇到各種需要測量轉(zhuǎn)速的場合, 例如在發(fā)動機、電動機、卷揚機、機床主軸等旋轉(zhuǎn)設備的試驗、運轉(zhuǎn)和控制中,常需要分時或連續(xù)測量和顯示其轉(zhuǎn)速及瞬時轉(zhuǎn)速。要測速，首先要解決是采樣問題。在使用模技術制作測速表時，常用測速發(fā)電機的方法，即將測速發(fā)電機的轉(zhuǎn)軸與待測軸相連，測速發(fā)電機的電壓高

13、低反映了轉(zhuǎn)速的高低。為了能精確地測量轉(zhuǎn)速外,還要保證測量的實時性,要求能測得瞬時轉(zhuǎn)速方法。因此轉(zhuǎn)速的測試具有重要的意義。 這次設計內(nèi)容包含知識全面，對傳感器測量發(fā)電機轉(zhuǎn)速的不同的方法及原理設計有較多介紹，在測量系統(tǒng)中能學到關于測量轉(zhuǎn)速的傳感器采樣問題，單片機部分的內(nèi)容，顯示部分等各個模塊的通信和聯(lián)調(diào)。全面了解單片機和信號放大的具體內(nèi)容。進一步鍛煉我們在信號采集，處理，顯示發(fā)面的實際工作能力。</p><p&

14、gt;　　1.3 設計的思路與內(nèi)容</p><p>　　計算轉(zhuǎn)速公式： n=60/NTc (r/min)</p><p>　　其中，N是內(nèi)部定時器的計數(shù)值，為三字節(jié)，分別由TH0，TL0，VTT構(gòu)成；</p><p>　　Tc為時基，由于采用11.0592M的晶振，所以Tc不在是1um，而是12M/11.0592M約為1.08um，帶入上面公式，即可得到轉(zhuǎn)速

15、的精確計算公式： N=60*11059200/12N=55296000/N</p><p>　　再將55296000化為二進制存入單片機的內(nèi)存單元。</p><p>　　下面我們將介紹除數(shù)是如何獲得的：</p><p>　　單片機的轉(zhuǎn)速測量完成，定時器T0作為內(nèi)部定時器，外部中斷來的時候讀取TH0，TL0，并同時清零TH0、TL0，使定時器再次循環(huán)計內(nèi)部脈沖。此

16、外，對于低速情況下，我們還要設定一個軟件計數(shù)器VTT，當外部中斷還沒來而內(nèi)部定時器已經(jīng)溢出，產(chǎn)生定時器0中斷時，增加VTT，作為三字節(jié)中的高字節(jié)。三字節(jié)組成除數(shù)，上面的常數(shù)為四字節(jié)，所以計算程序?qū)嶋H上就是調(diào)用一個四字節(jié)除三字節(jié)商為兩字節(jié)（最高轉(zhuǎn)速36000r/min足夠）的程序。</p><p>　　為數(shù)碼管能夠顯示出來，需將二進制轉(zhuǎn)換為十進制，在將十進制轉(zhuǎn)換為非壓縮BCD碼后，才能調(diào)用查表程序，最后送顯示。&l

17、t;/p><p>　　傳感器的定子上有2 個互相垂直的繞組A 和B, 在繞組的中心線上粘有霍爾片HA 和HB ,轉(zhuǎn)子為永久磁鋼,霍爾元件HA 和HB 的激勵電機分別與繞組A 和B 相連,它們的霍爾電極串聯(lián)后作為傳感器的輸出。</p><p>　　霍爾轉(zhuǎn)速傳感器的結(jié)構(gòu)原理圖</p><p>　　方案霍爾轉(zhuǎn)速傳感器的接線圖</p><p>　　第二章

18、 電路的硬件設計</p><p><b>　　2.1設計方框圖</b></p><p>　　系統(tǒng)由傳感器、信號預處理電路、處理器、顯示器和系統(tǒng)軟件等部分組成。傳感器部分采用霍爾傳感器，負責將電機的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)化為脈沖信號。信號預處理電路包含待測信號放大、波形變換、波形整形電路等部分，其中放大器實現(xiàn)對待測信號的放大,降低對待測信號的幅度要求，實現(xiàn)對小信號的測量；波形變換和波形

19、整形電路實現(xiàn)把正負交變的信號波形變換成可被單片機接受的TTL/CMOS兼容信號。 處理器采用STC89C51單片機，顯示器采用8位LED數(shù)碼管動態(tài)顯示。系統(tǒng)原理框圖如圖2.1所示：</p><p>　　圖2.1轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)原理框圖</p><p>　　系統(tǒng)軟件主要包括測量初始化模塊、信號頻率測量模塊、浮點數(shù)算術運算模塊、浮點數(shù)到BCD碼轉(zhuǎn)換模塊、顯示模塊、按鍵功能模塊、定時器中斷服務模塊。

20、系統(tǒng)軟件框圖如圖2.2所示。</p><p><b>　　\</b></p><p>　　圖2.2 系統(tǒng)軟件框圖</p><p><b>　　程序流程圖</b></p><p><b>　　主程序流程圖　</b></p><p>　　2.2單元電路的設計

21、</p><p><b>　　硬件電路</b></p><p><b>　　單片機主控電路設計</b></p><p>　　系統(tǒng)選用 STC89C51 作為轉(zhuǎn)速信號的處理核心。STC89C51 包含 2 個16位定時/計數(shù)器、4K×8 位片內(nèi) FLASH 程序存儲器、4個8位并行I/O口。16 位定時/計數(shù)器用于

22、實現(xiàn)待測信號的頻率測量。8位并行口P0、P2用于把測量結(jié)果送到顯示電路。4K×8 位片內(nèi)FLASH程序存儲器用于放置系統(tǒng)軟件。STC89C51與具有更大程序存儲器的芯片管腳兼容,如:89C52(8K×8 位)或 89C55(32K×8 位),為系統(tǒng)軟件升級打下堅實的物質(zhì)基礎。STC89C51最大的優(yōu)點是：可直接通過計算機串口線下載程序,而無需專用下載線和編程器。</p><p>　　

23、STC89C51單片機是在一塊芯片中集成了CPU、RAM、ROM、定時器/計數(shù)器和多功能I/O口等一臺計算機所需要的基本功能部件。其基本結(jié)構(gòu)框圖如圖3.1，包括：</p><p><b>　　·一個8位CPU；</b></p><p><b>　　·4KB ROM；</b></p><p>　　

24、3;128字節(jié)RAM數(shù)據(jù)存儲器；</p><p>　　·21個特殊功能寄存器SFR；</p><p>　　· 4個8位并行I/O口，其中P0、P2為地址/數(shù)據(jù)線，可尋址64KB ROM或64KB RAM；</p><p>　　·一個可編程全雙工串行口；</p><p>　　·具有5個中斷源，兩個優(yōu)先級，

25、嵌套中斷結(jié)構(gòu)；</p><p>　　·兩個16位定時器/計數(shù)器； </p><p>　　·一個片內(nèi)震蕩器及時鐘電路；</p><p><b>　　計數(shù)脈沖輸入</b></p><p><b>　　T0 T1</b></p><p

26、>　　P0 P1 P2 P3 TXD RXD </p><p><b>　　中斷輸入</b></p><p>　　圖3.1 STC89C51單片機結(jié)構(gòu)框圖</p><p>　　STC89C51系列單片機中HMOS工藝制造的芯片采用雙列直插(DIP)方式封裝,有40個引腳。STC89C51單片機40條引腳說明如

27、下:</p><p>　　(1)電源引腳。V正常運行和編程校驗(8051/8751)時為5V電源,V為接地端。</p><p>　?。?）I/O總線。P- P（P0口），P- P（P1口），P- P（P2口），P- P（P3口）為輸入/輸出引線。</p><p><b>　?。?）時鐘。</b></p><p>　　XT

28、AL1：片內(nèi)震蕩器反相放大器的輸入端。</p><p>　　XTAL2：片內(nèi)震蕩器反相放器的輸出端，也是內(nèi)部時鐘發(fā)生器的輸入端。</p><p><b>　?。?）控制總線。</b></p><p>　　由P3口的第二功能狀態(tài)和4根獨立控制線RESET、EA、ALE、PSEN組成。</p><p>　　值得強調(diào)的是，P3

29、口的每一條引腳均可獨立定義為第一功能的輸入輸出或第二功能。如表3.1所示。</p><p>　　表3.1 P3口線的第二功能定義：</p><p>　　STC89C51單片機的片外總線結(jié)構(gòu)： ①地址總線（AB）：地址總線寬為16位，因此，其外部存儲器直接尋址為64K字節(jié)，16位地址總線由P0口經(jīng)地址鎖存器提供8位地址（A0至A7）；P2口直接提供8位地址（A8至A15）。

30、60;②數(shù)據(jù)總線（DB）：數(shù)據(jù)總線寬度為8位，由P0提供。 ③控制總線（CB）：由P3口的第二功能狀態(tài)和4根獨立控制線RESET、EA、ALE、PSEN組成。</p><p><b>　　脈沖產(chǎn)生電路設計</b></p><p>　　LM358內(nèi)部包括有兩個獨立的、高增益、內(nèi)部頻率補償?shù)碾p運算放大器，適合于電源電壓范圍很寬的單電源使用，也適用于雙電源工作

31、模式，在推薦的工作條件下，電源電流與電源電壓無關。它的使用范圍包括傳感放大器、直流增益模塊和其他所有可用單電源供電的使用運算放大器的場合。    LM358的封裝形式有塑封8引線雙列直插式和貼片式。</p><p><b>　　特性:</b></p><p><b>　　內(nèi)部頻率補償 </b></p

32、><p>　　直流電壓增益高(約100dB) </p><p>　　單位增益頻帶寬(約1MHz) </p><p>　　電源電壓范圍寬：單電源(3—30V)</p><p>　　雙電源(±1.5一±15V) </p><p>　　低功耗電流，適合于電池供電 </p><p>&l

33、t;b>　　低輸入偏流 </b></p><p>　　低輸入失調(diào)電壓和失調(diào)電流 </p><p>　　共模輸入電壓范圍寬，包括接地 </p><p>　　差模輸入電壓范圍寬，等于電源電壓范圍 </p><p>　　輸出電壓擺幅大(0至Vcc-1.5V)</p><p>　　如圖3.2所示，信號預處理電

34、路為系統(tǒng)的前級電路，其中霍爾傳感元件b,d為兩電源端，d接正極，b接負極；a,c兩端為輸出端，安裝時霍爾傳感器對準轉(zhuǎn)盤上的磁鋼,當轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)時，從霍爾傳感器的輸出端獲得與轉(zhuǎn)速率成正比的脈沖信號，傳感器內(nèi)置電路對該信號進行放大、整形，輸出良好的矩形脈沖信號，圖中LM358部分為過零整形電路使輸入的交變信號更精確的變換成規(guī)則穩(wěn)定的矩形脈沖，便于單片機對其進行計數(shù)。</p><p><b>　　b</b&

35、gt;</p><p><b>　　cHd</b></p><p><b>　　a</b></p><p><b>　　信號預處理電路</b></p><p><b>　　按鍵電路設計</b></p><p>　　通過軟件設置按

36、鍵開關功能： 按 K0清零、復位</p><p><b>　　按K1顯示計時時間</b></p><p>　　按K2顯示計數(shù)脈沖數(shù)</p><p>　　此按鍵電路為低電平有效，當無按鍵按下時，單片機輸入引腳P1.0、P1.1、P1.2、P1.3端口均為高電平。當其中任一按鍵按下時，其對應的P1端口變?yōu)榈碗娖?，在軟件中利用這個低電平

37、設計其功能。軟件中還設置了按鍵防抖動誤觸發(fā)功能，軟件中設置定時器1 50ms中斷一次，每次中斷都對按鍵進行掃描，如果掃描到有按鍵按下，則延遲10ms，再次進行鍵掃描，若仍有按鍵按下，則按鍵為真，并從P1口讀取數(shù)據(jù)，低電平對應的即為有效按鍵，如圖3.3所示。</p><p>　　圖3.3 按鍵電路圖</p><p>　　數(shù)碼管結(jié)構(gòu)和顯示原理</p><p>　　圖

38、3.4為數(shù)碼管的引腳接線圖，實驗板上以P0口作輸出口，經(jīng)74LS244驅(qū)動，接8只共陽數(shù)碼管S0-S7。表3.2為驅(qū)動LED數(shù)碼管的段代碼表為低電平有效，1-代表對應的筆段不亮，0-代表對應的筆段亮。若需要在最右邊（S0）顯示“5”，只要將從表中查得的段代碼64H寫入P0口，再將P2.0置高，P2.1-P2.7置低即可。設計中采用動態(tài)顯示，所以其亮度只有一個LED數(shù)碼管靜態(tài)顯示亮度的八分之一。</p><p>　

39、　表3.2 驅(qū)動LED數(shù)碼管的段代碼</p><p><b>　　數(shù)碼管的引腳接線圖</b></p><p>　　這里設計的系統(tǒng)先用 6 位LED數(shù)碼管動態(tài)顯示小型直流電機的轉(zhuǎn)速。當轉(zhuǎn)速高于六位所能顯示的值（999999）時就會自動向上進位顯示。</p><p>　　2.3電路的整機原理圖的設計（分析工作原理）</p><

40、p>　　霍爾器件是由半導體材料制成的一種薄片，器件的長、寬、高分別為 l、ｂ、ｄ。若在垂直于薄片平面（沿厚度 ｄ）方向施加外磁場Ｂ，在沿ｌ方向的兩個端面加一外電場，則有一定的電流流過。由于電子在磁場中運動，所以將受到一個洛侖磁力，其大小為：</p><p>　　式中：f—洛侖磁力， ｑ—載流子電荷， Ｖ—載流子運動速度， Ｂ—磁感應強度。</p><p>　　這樣使電子的運動軌跡發(fā)生

41、偏移，在霍爾元器件薄片的兩個側(cè)面分別產(chǎn)生電子積聚或電荷過剩，形成霍爾電場，霍爾元器件兩個側(cè)面間的電位差稱為霍爾電壓。</p><p>　　霍爾電壓大小為： (mV) </p><p>　　式中：—霍爾常數(shù)， ｄ—元件厚度， Ｂ—磁感應強度， Ｉ—控制電流</p><p>　　設 , 則=(mV)</p><p>　　為霍爾器件的靈敏系數(shù)(mV

42、/mA/T)，它表示該霍爾元件在單位磁感應強度和單位控制電流下輸出霍爾電動勢的大小。應注意，當電磁感應強度Ｂ反向時，霍爾電動勢也反向。圖2.3為霍耳元件的原理結(jié)構(gòu)圖。</p><p>　　若控制電流保持不變，則霍爾感應電壓將隨外界磁場強度而變化，根據(jù)這一原理，可以將兩塊永久磁鋼固定在電動機轉(zhuǎn)軸上轉(zhuǎn)盤的邊沿，轉(zhuǎn)盤隨被測軸旋轉(zhuǎn)，磁鋼也將跟著同步旋轉(zhuǎn)，在轉(zhuǎn)盤附近安裝一個霍爾元件，轉(zhuǎn)盤隨軸旋轉(zhuǎn)時，霍爾元件受到磁鋼所產(chǎn)生的

43、磁場影響，輸出脈沖信號。傳感器內(nèi)置電路對該信號進行放大、整形，輸出良好的矩形脈沖信號，測量頻率范圍更寬，輸出信號更精確穩(wěn)定，已在工業(yè)，汽車，航空等測速領域中得到廣泛的應用。其頻率和轉(zhuǎn)速成正比，測出脈沖的周期或頻率即可計算出轉(zhuǎn)速。 </p><p><b>　　VCC</b></p><p>　　傳感器

44、 </p><p>　　信號盤 GND </p><p>　　轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)安裝圖 </p><p><b>　　信號處理模塊原理圖</b></p><p>　　第三章 （應用單片機實現(xiàn)）軟件設計</p><p><b>　　主

45、程序流程圖</b></p><p><b>　　顯示子程序流程 </b></p><p>　　定時計數(shù)子程序流程 </p><p><b>　　第四章 總結(jié)</b></p><p>　　好長時間沒有這么系統(tǒng)地設計過系統(tǒng)。通過這次設計,讓我對整個設計從初期到完工有了個總體的把握。由于平

46、時只是做些功能模塊的設計,不用考慮所用資源對后面工作的影響。而這次不同,這次是個完整的工程,所有資源都是有限的,你得為后面的工作留好足夠多的資源,要不就不能完成任務。所以就得去查一些有關設計方面的資料。最后我得說,我得感謝這次設計,因為它讓我學到的不僅是理論實踐知識,還有對工作的態(tài)度和團隊合作的那種默契。讓我即將畢業(yè)走向社會之前有了一次完美的考驗。</p><p>　　總之，在這次綜合大考驗中，我無形中學到了不少

47、東西。無論是知識還是與同學的合作方面，我都有很多感受，當然這些成績的取得和指導老師的幫助是分不開的。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1] 楊立軍 。傳感器原理與應用。中南大學出版社 2007年第一期</p><p>　　[2] 張景元.基于單片機的多用途定時器的設計與實現(xiàn).電子工程師2000年第</p

48、><p><b>　　8期</b></p><p>　　[3] 關宗安 仲叢久.基于單片機實現(xiàn)的多路定時控制器的設計.沈陽航空工業(yè)</p><p>　　學院學報.2004年6月.第21卷第3期</p><p>　　[4] 范立南.單片微機接口與控制技術.沈陽：遼寧大學出版社.1996</p><p>

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