基于霍尔传感器的转速测量电路的设计

传感器原理期末设计

《传感器原理应用》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

学 号

院（系）电子系电子信息工程

班 级

指导教师

职 称

二O一三年 六 月 十二 日

1 摘要 ............................................. 2

概述 ............................................. 2

一 霍尔传感器测转速原理及特性 .................... 3

二 系统组成框图 ................................. 4

三 单片机主控电路设计 ............................ 5

(一)单片机的介绍 ............................... 5

（二）脉冲产生电路设计 .......................... 7

（三）按键电路设计 ............................ 8

（四）数码管结构和显示原理 .................... 9

（五）电路的整机原理图的设计（分析工作原理） 10

四 应用单片机实现 ............................... 11

（一）基本框图 ................................ 12

（二）基于霍尔传感器的硬件电路设计 ............ 13

（三）C语言程序 ............................. 13

五 总结 ......................................... 16

六 参考文献 ..................................... 17

2

摘要

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，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，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。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。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。

本课题，是要利用霍尔传感器来测量转速。由磁场的变化来使霍尔传感器产生脉冲，由单片机计数，经过数据计算转化成所测转速，再由数码管显示出来。

概述

在直流电机的多年实际运行的过程中，机械测速电机不足之处日益明显，其主要表现为直流测速电机DG中的炭刷磨损及交流测速发电机TG中的轴承磨损，增加了设备的维护工作量，也随着增加了发生故障的可能性；同时机械测速电机在更换炭刷及轴承的检修作业过程中，需要将直流电动机停运，安装过程中需要调整机械测速电机轴与主电机轴的同轴度，延长了检修时间，影响了设备的长期平稳运行。

随着电力电子技术的不断发展，一些新颖器件的不断涌现，原有器件的性能也随着逐渐改进，采用电力电子器件构成的各种电力电子电路的应用范围与日俱增。因此采用电子脉冲测速取代原直流电动机械测速电机已具备理论基础，如可采用磁阻式、霍尔效应式、光电式等方式检测电机转速。

经过比较分析后，决定采用测速齿轮和霍尔元件代替原来的机械测速电机。霍尔传感器作为测速器件得到广泛应用。霍尔传感器是利用霍尔效应实现磁电转换的一种传感器。霍尔效应这种物理现象的发现，虽然已有一百多年的历史，但是直到20世纪40年代后期，由于半导体工艺的不断改进，才被人们所重视和应用。我国从70年代开始研究霍尔器件,经过20余年的研究和开发,目前已经能生产各种性能的霍尔元件,霍尔传感器具有灵敏度高、线性度好、稳定性高、体积小和耐高温等特点[2]。

3

一 霍尔传感器测转速原理及特性

1、霍尔传感器测速原理：

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、ｂ、ｄ。若在垂直于薄片平面（沿厚度 ｄ）方向施加外磁场Ｂ，在沿ｌ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：qVBf

式中：f—洛仑磁力， ｑ—载流子电荷， Ｖ—载流子运动速度， Ｂ—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HU称为霍尔电压。

霍尔电压大小为： HUHRdBI/(mV)

式中：HR—霍尔常数， ｄ—元件厚度， Ｂ—磁感应强度， Ｉ—控制电流

设 HKHRd/, 则HU=HKdBI/(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Ｂ反向时，霍尔电动势也反向。

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

4 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

二 系统组成框图

在测量电机转速时我们从采用了电磁感应式传感器。当电机转动时，带动传感器。这种传感器可以将转速信号转变成一个对应频率的脉冲信号输出，经过信号处理后输出到计数器。脉冲信号的频率与电机的转速是一种线性的正比关系，因此对电机转速的测量，实质上是对脉冲信号的频率的测量。

本课题采是以STC89C52单片机为核心将处理好的信号经过数据处理转换成所测得的实际十进制信号的系统。系统硬件原理框图如图2-1：

系统框图原理如图2-1所示，系统由传感器、信号处理、显示电路和系统软件等部分组成。传感器采用霍尔传感器，负责将转速转化为脉冲信号。信号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

单

片

机 四位数码管显示电路 霍尔传感器 信号处理

图2-1系统框图

5 容信号。 处理器采用STC89C52单片机，显示器采用8位LED数码管动态显示。

三 单片机主控电路设计

(一)单片机的介绍

本设计采用STC89C52芯片，芯片采用40脚双列直插式封装，32个I/O口，芯片工作电压3.8～5.5V，工作温度0～70°C（商业级），工作频率可高达30MHz，芯片的外形和引脚见下图（2）

图（2） STC89C52外形和引脚图

STC89C52 是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有 8K 在系统可编程Flash 存储器。使用高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51 产品指令和引脚完全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8 位CPU 和在线系统可编程Flash，使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。 STC89C52具有以下标准功能： 8k字节Flash，256字节RAM， 32 位I/O 口线，看门狗定时器，2 个数据指针，三个16 位 定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。另外，STC89C52可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU 停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。8 位微控制器 8K字节在系统可编程 Flash。P0～P3口结构，第一功能、第二功能请参考数据手册（STC89C52数据手册下载地址）。

其基本结构框图如图3.1，包括：

6 ²一个8位CPU；

²4KB ROM；

²128字节RAM数据存储器；

²26个特殊功能寄存器SFR；

² 4个8位并行I/O口，其中P0、P2为地址/数据线，可寻址64KB ROM或64KB

RAM；

²一个可编程全双工串行口；

²具有5个中断源，两个优先级，嵌套中断结构；

²两个16位定时器/计数器；

²一个片内震荡器及时钟电路；

T0 T1

P0 P1 P2 P3 TXD RXD 0INT

1INT

中断输入

图3.1 STC89C51单片机结构框图

STC89C51系列单片机中HMOS工艺制造的芯片采用双列直插(DIP)方式封装,有40个引脚。STC89C51单片机40条引脚说明如下:

(1)电源引脚。VCC正常运行和编程校验(8051/8751)时为5V电源,VSS为接地端。

（2）I/O总线。P0.0- P7.0（P0口），P0.1- P7.1（P1口），P0.2- P7.2（P2口），P0.3- P7.3（P3口）为输入/输出引线。

（3）时钟。

XTAL1：片内震荡器反相放大器的输入端。

XTAL2：片内震荡器反相放器的输出端，也是内部时钟发生器的输入端。

（4）控制总线。

由P3口的第二功能状态和4根独立控制线RESET、EA、ALE、PSEN组成。

值得强调的是，P3口的每一条引脚均可独立定义为第一功能的输入输出或第二功能。如表3.1所示。 时钟源

CPU

串行接口 并行I/O接口 中断系统 特殊功能寄存器SFR

128字节RAM 定时/计数器 T0、T1 4K ROM（EPROM）

（8031无）