霍尔传感器测速设计

霍尔传感器测速 宁波理工学院 题 目 霍尔传感器测速设计 姓 名 李培勇 学 号 3110403060 专业班级 11级电信1班 指导教师 李林功 学 院 信息科学与学院 完成日期 2014.5.24 and actively carry out investment. This year, the introduction of overseas Chinese of 220,000 yuan, Wei Jia Gou Jian, Chongxin hope primary school 1. Local records compilation work, ensure that the log is 摘 要 本文介绍了霍尔传感器在汽车电子中的应用，设计了基于霍尔传感器与单片机AT89C2051结合来实现电机转速的测量。完成了霍尔传感器测量电路的设计和显示电路的设计。测量转速的传感器与装有磁铁的转盘保持好一定的位置，转盘每转一周，霍尔传感器采集一定量的脉冲信号，把采集好的脉冲信号输入到单片机中进行数据处理，经过处理后实现电机速度的测量。在显示电路设计中，通过1602实现在LCD上直观地显示电机的转速值。硬件与软件配合，实现了测速。仿真实验证实了所设计的硬件电路及软件程序的正确性，满足设计要求。 关键词:霍尔传感器;测速;单片机 and actively carry out investment. This year, the introduction of overseas Chinese of 220,000 yuan, Wei Jia Gou Jian, Chongxin hope primary school 1. Local records compilation work, ensure that the log is 目 录 摘 要............................................. 错误～未定义书签。 第1章 概述 ....................................... 错误～未定义书签。 1.1 传感器未来的发展趋势 ....................... 错误～未定义书签。 1.2 传感器在汽车电子中的应用 .................................... 1 1.3 霍尔传感器的应用 ............................................ 2 1.4 霍尔传感器在汽车测速中的应用 ................................ 2 第2章 霍尔传感器的原理 ........................... 错误～未定义书签。 2.1 霍尔效应的定义 ............................. 错误～未定义书签。 2.2 霍尔传感器工作磁体的设置 ................... 错误～未定义书签。 2.3 霍尔传感器的工作原理 ........................................ 3 第3章 霍尔传感器测速设计 .......................................... 3 3.1 系统总实现要求 .............................................. 3 3.2 系统实现 ................................................ 4 3.3 总体硬件设计 ............................... 错误～未定义书签。 3.3.1 硬件图 .......................................... 5 3.2 硬件电路设计 ........................................ 6 3. 第4章 系统软件设计 ................................................ 7 4.1 总体软件设计 ................................................ 7 4.1.1 软件流程图 .......................................... 7 4.1.2 程序设计 ........................................... 8 4.2 实验结果 .................................................... 9 4.3 本章小结 ................................................... 12 and actively carry out investment. This year, the introduction of overseas Chinese of 220,000 yuan, Wei Jia Gou Jian, Chongxin hope primary school 1. Local records compilation work, ensure that the log is 第1章 概述 1.1传感器未来的发展趋势 由于传感器在市场需求很大和它在控制系统中起到的重要作用，世界各国对其理论研究非常重视，也不断的出现新的产品。未来传感器技术发展的新途径将会是:功能化、模块化、智能化、微型化。 传感器的具体发展方向可以主要概括为以下几个方面: (1)在传感器的原理上，利用新材料生产新型传感器。 (2)开发多功能化的传感器，主要是可将放大、整形、补偿等外围电路一体化的集成化传感器和智能小型传感器。 (3)开发数字输出型传感器，随时能与微机相连。 (4)实现传感器控制信号直接显示，这种新型传感器主要有以下几种:用于舒适性和安全性的环境传感器、用于实现夜视功能的传感器、用于实现汽车主动安全的传感器、用于实现线控转向与制动的传感器、用于驾驶员身份识别的生物统计传感器以及遥感勘测传感器等。 1.2传感器在汽车电子中的应用 汽车传感器是汽车部件中一种重要的传感电子设备，随着汽车配置的越来越高，汽车传感器也越来越先进。汽车霍尔电子控制装置的应用也越来越广泛，每个电子控制装置都包括传感器、电控单元、执行机构三部分。它利用传感器监测汽车有关工作状况，并将相关信息传给电控单元，电控单元经过、运算、判断后，发送指令给执行机构，从而使汽车的工作状况达到最佳。车用传感器主要用于发动机控制系统、底盘控制系统、汽车测速系统、车身控制系统和防抱死装置。它的应用大大提高了汽车电子化程度，增加了汽车驾驶的安全系数。 and actively carry out investment. This year, the introduction of overseas Chinese of 220,000 yuan, Wei Jia Gou Jian, Chongxin hope primary school 1. Local records compilation work, ensure that the log is 1.3霍尔传感器的应用 霍尔传感器的应用十分广泛。线性霍尔传感器主要是用于一些物理量的测量，比如对电流和位移的测量。开关型霍尔传感器主要用于测转数、转速、风速、流速、接近开关、关门告知器、报警器、自动控制电路等。 1.4霍尔传感器在汽车测速中的应用 测速装置在机车控制系统中占有非常重要的地位，对测速装置的要求是分辨能力强、高精度和尽可能短的检测时间。本设计介绍了应用霍尔传感器通过测量磁场强度，来得到稳定的脉冲方波信号，实现机车转速的测量。 第二章 霍尔传感器的原理 2.1霍尔效应的定义 通电导体在垂直电流方向的磁场作用下，在与电流和磁场垂直的方向上形成电荷积累和出现电势差的现象，称为霍尔效应。 2.2霍尔传感器工作磁体的设置 将一非磁性圆盘固定装在电机转轴上，圆盘边缘等距离用环氧树脂粘贴块状磁钢，磁钢采用永久磁，如图3-1所示。由于霍尔传感器的磁特性，我们这里把磁场作为霍尔传感器运动和位置的载体，通常情况下我们用永久磁钢作为磁场。当两齿轮之间空隙正对霍尔传感器时，磁力线比较分散，测得场强比较弱。如果某一齿正对霍尔传感器时，穿过的磁力线比较多，场强较大。由于此过程中磁力and actively carry out investment. This year, the introduction of overseas Chinese of 220,000 yuan, Wei Jia Gou Jian, Chongxin hope primary school 1. Local records compilation work, ensure that the log is 线密度发生变化而引起霍尔电压的变化，霍尔元件将输出一个方波电压。 图3-1 霍尔传感器检测信号图 2.3霍尔传感器的工作原理 在汽车测速系统中霍尔传感器与机轴相连接，当汽车运动时机轴每转一周，产生一定的脉冲个数，霍尔器件将所产生的信号输入机车中的小型微机中，微机对所接受到的脉冲信号进行计算处理，得出当前速度值，并通过LCD显示当前速度，如果速度高于上限的话，一般车内会安有报警系统，随之报警。 第三章 霍尔传感器测速设计 3.1系统总设计要求 如果把霍尔传感器放在电机预定的位置上，当电机转动时，永磁体经过霍尔传感器时，可以测量电路中的脉冲信号。根据脉冲信号的分布可以测得电机速度。 3.2系统实现方案 and actively carry out investment. This year, the introduction of overseas Chinese of 220,000 yuan, Wei Jia Gou Jian, Chongxin hope primary school 1. Local records compilation work, ensure that the log is (1)霍尔测速模块的选择 方案一:采用霍尔元件传感器;选型号OH137产品性能好、灵敏度、电路可和各种逻辑电路直接相连，价格也便宜(10~20元之间不等)。 方案二:采用霍尔传感器;选型号为CHV-25P/10的霍尔传感器，其额定电压为10V，输出信号5V/25mA，电源为12~15V。体积大，价格较贵(40~120元之间不等)。 从性价比方面综合考虑，选择方案一。 (2)计数模块的选择 可以采用片外计数器和片内计数器两个方案。片外计数器的方案是采用8253等片外专用计数芯片进行脉冲计数，单片机控制8253的过程，并在技术完毕后读取计数值。片内计数方案是指采用单片机的内部计数器完成对脉冲的计数过程。 使用片内计数器的优点在于降低单片机系统的成本。每到一个脉冲将会产生一个T1的计数，在T0产生的100ms中断完成后，T1的中断溢出次数就是所需要计的脉冲数。特点在于:使用了内部的T1作为外部脉冲的计数器，并且，为了避免计数器的溢出，将T1的初值设为0。所以选用片内计数。 (3)显示方式的选择 方案一:采用8段LED数码管作为显示模块核心。数码管显示器件相对便宜，但是耗能大、编写程序相对麻烦，工作量大。 方案二:采用LCD液晶显示器作为显示模块核心。LCD显示器工作原理简单，编程方便，节能环保。因此选择方案二。 (4)单片机模块的论证与选择 方案一:选用 AT89C2051单片机速度快、功耗低、体积小、资源丰富。 方案二:选用PhilipsP89C51RD2有4个PDA，属于兼容版。 方案比较:因为设计是汽车测速，所以我还是选用了方案一中AT89C2051单片机，选用AT89C2051是因为价格便宜、低功耗。 and actively carry out investment. This year, the introduction of overseas Chinese of 220,000 yuan, Wei Jia Gou Jian, Chongxin hope primary school 1. Local records compilation work, ensure that the log is (5)转速测量方法与论证 方案一:测周法是测量两个脉冲之间的时间，换算成周期，从而得到频率。测出产生N个脉冲内所需要的时间t，则信号的周期为，测量频率误差f,N/t ，误差主要来自采样的时间误差，低频脉冲情况下误差较小，测量,f,N,t/t2 精度高。 方案二:测频法是测量单位时间内的脉数，换算成频率。在设定t 时间内，测量产生N个脉冲，则信号的周期为，测量频率误差，误差fNt,/,,,fNt/主要来自脉冲个数正负一个计数误差，高频脉冲情况下误差较小，测量精度高。 方案比较:由于两个方案都产生的误差，但是方案一中的时间误差，而本设计是汽车测速要测得是时刻速度，故选择方案二。 3.3总体硬件设计 3.3.1硬件流程图 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，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。保持同89C2051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。以单片机AT89C205l为控制核心，用霍尔集成传感器作为测量转速的检测元件，最后用液晶显示器1602显示的机车转速的方法，系统硬件原理图如图4-1所示。 图4-1 系统硬件流程图 and actively carry out investment. This year, the introduction of overseas Chinese of 220,000 yuan, Wei Jia Gou Jian, Chongxin hope primary school 1. Local records compilation work, ensure that the log is 3.3.2硬件电路设计 (1)通过霍尔传感器产生脉冲信号，并经过74LS14进行放大，硬件电路图如图4-2所示。 图4-2 产生测速信号硬件原理图 (2)将产生的脉冲信号进行耦合处理。其中Signal代表脉冲信号，脉冲信号通过光电耦合器将其转换为单片机可采集的5V脉冲信号，如图4-3所示。 图4-3对产生的脉冲信号进行耦合 (3)将耦合处理后的信号介入单片机中0点位置如图4-4所示。 and actively carry out investment. This year, the introduction of overseas Chinese of 220,000 yuan, Wei Jia Gou Jian, Chongxin hope primary school 1. Local records compilation work, ensure that the log is 图4-4单片机电路相连接 and actively carry out investment. This year, the introduction of overseas Chinese of 220,000 yuan, Wei Jia Gou Jian, Chongxin hope primary school 1. Local records compilation work, ensure that the log is 第四章 系统软件设计 4.1总体软件设计 4.1.1软件流程图 软件设计流程图如图4-8所示。 图4-8主程序流程图 4.1.2程序设计流程 电机转速测量需要经过的4个基本步骤:1是控制方式;2是确定计数方式;3是信号输入方式;4是计数值的读取;通过AT89C2051，单片机完成对电机转速脉冲计数的控制，读取寄存器完成转速频率的确定。 霍尔传感器脉冲信号连and actively carry out investment. This year, the introduction of overseas Chinese of 220,000 yuan, Wei Jia Gou Jian, Chongxin hope primary school 1. Local records compilation work, ensure that the log is INT0INT0到引脚。计数次数为3次，将3次结果取平均，从而提高计数的稳定性和精确性。 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。输出的电压信号保持同单片机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。 INT0本系统采用89C2051中的中断对转速脉冲计数。定时器T0工作于定 INT0时方式，工作于方式1。每到1s读一次外部中断计数值，此值即为脉冲信号的频率，根据式(4-1)可计算出电机的转速。 当电机通过传动部分带圆盘旋转时，霍尔传感器根据圆盘上得磁片获得一系 INT0列脉冲信号。这些脉冲信号通过单片机系统定时/计数器计数，定时器T0定时。定时器T0完成100次溢出中断的时间T除以测得的脉冲数m，经过单位换算，就可以算得电机旋转的速度。 电机转速计算公式: n,60,m/(N1,T,N)(rpm) INT0其中:n为直流电机转速，N为栅格数，N1为T0中断次数，m为在规定时间内测得的脉冲数，T为定时器T0定时溢出时间。 4.2实验结果 (1)仿真软件准备就绪如图4-9所示。 and actively carry out investment. This year, the introduction of overseas Chinese of 220,000 yuan, Wei Jia Gou Jian, Chongxin hope primary school 1. Local records compilation work, ensure that the log is 图4-9 软件启动 (2)电机缓慢转动时如图4-10所示。 and actively carry out investment. This year, the introduction of overseas Chinese of 220,000 yuan, Wei Jia Gou Jian, Chongxin hope primary school 1. Local records compilation work, ensure that the log is 图4-10 电机慢速转动 (3)电机快速转动时如图4-11所示。 图4-11 电机快速转动 and actively carry out investment. This year, the introduction of overseas Chinese of 220,000 yuan, Wei Jia Gou Jian, Chongxin hope primary school 1. Local records compilation work, ensure that the log is (4)仿真说明 将所用的程序和画好的电路图放入仿真软件中，启动软件，在图中0处输入模拟的脉冲信号，当脉冲变化幅度较大时代表电机快速转动，相反脉冲信号变化幅度比较小时代表电机慢速转动。当输入大幅度变化的脉冲信号时出现图4-11的结果，输入变化幅度小的脉冲信号时出现图4-10的结果，说明仿真结果的正确性。 4.3本章小结 本文介绍了霍尔传感器的测速原理，设计了基于单片机AT89C2051的电机转速测量系统。完成了霍尔传感器测量电路的设计和显示电路的设计。对于采用霍尔传感器的测速装置的设计来说，利用运用放大，混合电路简单且易于实现、功耗小、成本低、反应迅速、输出稳定等特性。实现了对机车速度的测量，在生产工程上有一定的参考价值。 and actively carry out investment. This year, the introduction of overseas Chinese of 220,000 yuan, Wei Jia Gou Jian, Chongxin hope primary school 1. Local records compilation work, ensure that the log is