《传感器及检测技术》课程设计-霍尔元件小车测距离系统设计

《传感器及检测技术》课程-霍尔元件小车测距离系统设计 吉林建筑工程学院 电气与电子信息工程学院 《传感器及检测技术》课程设计 设计目:霍尔元件小车测距离系统设计 专业班级: 信科071 学生姓名: 学 号: 指导教师: 设计时间: 教师评语: 成绩 评阅教师 日期 目录 一、课程设计目的……………………………………………………….1 二、课程设计内容……………………………………………………….1 三、课程设计要求……………………………………………………….1 四、传感器工作原理…………………………………………………….1 五、系统框图…………………………………………………………….2 六、单元电路设计原理………………………………………………...4 七、电路原理图…………………………………………………………8 八、 设计中的问题及解决方法…………………………………………8 九、 …………………………………………………………………9 十、 参考文献…………………………………………………………...10 霍尔元件小车测距系统设计 一、 课程设计目的: 通过《传感器及检测技术》课程设计，使我们掌握传感器及检测系统设计的方 法和设计原则及相应的硬件调试的方法。进一步理解传感器及检测系统的设计和应 用。 二、课程设计内容: 将霍尔元件安装到小车的车轮上，经磁敏三极管采集磁信号，通过对磁信号的计数计算行驶距离，其中霍尔元件在车轮上等距安装。 功能:1)LED数码管显示小车的行驶距离(单位:cm)。 2)具有小车前进和后退检测功能，并用指示灯显示。 3)记录小车的行驶时间，并实时计算小车的行驶速度。 4)距离测量误差,2cm。 5)其它。 三、课程设计要求: 1)掌握传感器的工作原理及相应的辅助电路设计方法。 2)独立设计原理图及相应的硬件电路。 3)设计说明格式，层次合理，重点突出。并附上详细的原理图。 四、 传感器工作原理: 霍尔效应就是金属或半导体薄片置于磁场中，磁场方向垂 直于薄片，当有电流流过薄片时，在垂直于电流和磁场的方向 将产生电动势，这种现象称为霍尔效应。 如右图所示。 霍尔传感器是根据霍尔效应制作的一种磁场传感器。霍尔 效应是磁电效应的一种，这一现象是霍尔(A.H.Hall， 1855—1938)于1879年在研究金属的导电机构时发现的。后来 发现半导体、导电流体等也有这种效应，而半导体的霍尔效应比金属强得多，利用这现 1 象制成的各种霍尔元件，广泛地应用于工业自动化技术、检测技术及信息处理等方面。霍尔效应是研究半导体材料性能的基本方法。通过霍尔效应实验测定的霍尔系数，能够判断半导体材料的导电类型、载流子浓度及载流子迁移率等重要参数。 使用霍尔传感器获得脉冲信号，其机械结构也可以做得较为简单，只要在转轴的圆周上粘上一粒磁钢，让霍尔开关靠近磁钢，就有信号输出，转轴旋转时，就会不断地产生脉冲信号输出。如果在圆周上粘上多粒磁钢，可以实现旋转一周，获得多个脉冲输出。在粘磁钢时要注意，霍尔传感器对磁场方向敏感，粘之前可以先手动接近一下传感器，如果没有信号输出，可以换一个方向再试。这种传感器不怕灰尘、油污，在工业现场应用广泛。 霍尔元件是应用霍尔效应的半导体。一般用于电机中测定转子转 速,如录象机的磁鼓,电脑中的散热风扇等;是一种基于霍尔效应的磁传 感器,已发展成一个品种多样的磁传感器产品族，并已得到广泛的应 用。 若把霍尔元件置于电场强度为E、磁场强度为H的电磁场中，则在该元件中将产生电流I，元件上同时产生的霍尔电位差与电场强度E成正比，如果再测出该电磁场的磁场强度，则电磁场的功率密度瞬时值P可由P=EH确定。 利用这种方法可以构成霍尔功率传感器。 如果把霍尔元件集成的开关按预定位置有规律地布置在物体上，当装在运动物体上的永磁体经过它时，可以从测量电路上测得脉冲信号。根据脉冲信号列可以传感出该运动物体的位移。若测出单位时间内发出的脉冲数，则可以确定其运动速度。 五、 系统框图 系统总体框图 2 系统上电 外部中断 服务程序 初始化开中断 计数值加一 记录中断个数 换算成行驶距离 中断返回 送显示 定时中断记算时间并除行服务程序 驶距离算出速度 TH0/TL0赋值 送显示 计数值加一 检测两霍尔传感器相序， 得出小车前进方向 中断返回 送指示 灯 程序框图 3 六、 单元电路设计原理 1、霍尔元件测距设计 霍尔集成片内部由三片霍尔金属板组成，当磁铁正对金属板时，根据霍尔效应，金属板发生横向导通，因此可以在车轮上安装磁片，而将霍尔集成片安装在固定轴上，通过对脉冲计数进行距离测量。小车后轮每转一圈，霍尔元件产生的脉冲送入单片机的T0口进行计数，单片机完成脉冲数到距离的转换。测量误差可在软件中给予补偿。 由于要求距离测量误差,2cm，所以要求磁片数目不小于“车轮周长/2”。 装两个霍儿元件在车轮旁边，磁片足够大以便通过检测两个霍尔元件的相序判断轮子是正转还是反转，也就知道了前进还是后退。 霍尔传感器3144的外形图和与磁场的作用关 系如右图所示。磁场由磁钢提供，所以霍尔传感器 和磁钢需要配对使用。 霍尔传感器检测转速示意图如下。在非磁材料 的圆盘边上粘贴一块磁钢，霍尔传感器固定在圆盘 外缘附近。圆盘每转动一圈，霍尔传感器便输出一 个脉冲。通过单片机测量产生脉冲的频率就可以得 出圆盘的转速。 当没有信号产生时，可以改变一下磁钢的方向，霍尔对磁钢方向有要求。没有磁钢时输出高电平，有磁钢时输出低电平。 检测装置 霍尔传感器接线图 4 2、单片机 主控芯片采用AT89S52单片机来设计，其管脚如图所示: AT89S52管脚图 AT89S52 是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器。使用Atmel公司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。AT89S52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，AT89S52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。 3(数码管显示 HD7279A是一片具有串行接口的，可驱动8位共阴式数码管(或64只独立LED)的智能显示驱动芯片，该芯片同时还可连接多达64键的键盘矩阵，单片即可完成LED显示、键盘接口的全部功能，同时还节省了I/O口资源。 HD7279A内部含有译码器，可直接收BCD码或16进制码，并同时具有2种译码方式，此外，还具有多种控制指令，如消隐、闪烁、左移、右移、段寻址等。HD7279A具有 5 片选信号，可方便地实现多于8位的显示或多余64键的键盘接口。 特点如下1)串行接口，无需外围元件可直接驱动LED 2)各位独立控制译码/不译码及消隐和闪烁属性 3)(循环)左移/(循环)右移指 4)具有段寻址指令，方便控制独立LED 5)64键键盘控制器，内含去抖动电路 6)有DIP和SOOC两种封装形式供选择 其指令系统由6条纯指令,7条带数据指令和1条读键盘指令组成.6条纯指令为: (1) 复位指令:指令代码为A4H，其功能为清除所有显示，包括字符消隐属性和闪烁属性。 (2) 测试指令:指令代码为BFH，其功能为将所有的LED点亮并闪烁，可用于自检。 (3) 左移指令:指令代码为A1H，其功能为将所有的显示左移1位移位后，最右位空(无显示)，不改变消隐和闪烁属性。 (4) 右移指令:指令代码为A0H，其功能与左移指令相似,只是方向相反。 (5) 循环左移指令:指令代码为A3H，其功能为将所有的显示循环左移1位，移位后，最左位内容移至最右位，不改变消隐和闪烁属性。 (6) 循环右移指令:指令代码为A2H，其功能与循环左移指令相似，只是方向相反。 注释:由于数码管只有6个而移位和循环指令是相对于8个数码管的，因而输入命令后的效果不明显。 几点说明 1. 微处理器通过KEY引脚电平来判断是否有键按下，在使用查询方式管理键盘时，该引脚接至微处理器的1位I/O端口。如果使用中断方式，该引脚应接至微处理器的外部中断输入端，同时应将该中断触发控制位设置成下降沿有效的边沿触发方式，若置成电平触发方式，则应注意在按键时间较长时可能引起的多次中断问题。 2. HD7279A没有提供组合键功能，如果某些场合确需双键组合使用，可在微处理器某位I/O引脚接入一键，与HD7279A所连键盘共同组成双键功能。 3. HD7279A的3,5,26脚均为空闲引脚，一律悬空.。在本实验仪上共进行了左移，右移，测试，循环指令的测试，了解了其功能。 6 HD7279A引脚说明 引脚 名称 说明 1,2 VDD 正电源 3,5 NC 无连接，必须悬空 4 VSS 接地 6 CS 片选输入端，此引脚为低电平时，可向芯片发送指令及读 取键盘数据 7 CLK 同步时钟输入端，向芯片发送数据及读取键盘数据时，此 引脚电平上升沿表示数据有效 8 DATA 串行数据输入/输出端，当芯片接收指令时，此引脚为输 入端，当读取键盘数据时，此引脚在“读”指令最后一个 时钟的下降沿变为输出端 9 KEY 按键有效输出端，平时为高电平，当检测到有效按键时， 此引脚变为低电平 10-16 SG-SA 段g-段a驱动输出 17 DP 小数点驱动输出 18-25 DIG0-DIG7 数字0-数字7驱动输出 26 CLKO 振荡输出端 27 RC RC振荡器连接端 28 RESET 复位端 串行接口: HD7279A采用串行方式与微处理器通讯，串行数据从DATA引脚送入芯片，并由CLK端同步。当片选信号变为低电平后，DATA引脚上的数据在CLK引脚的上升沿被写入HD7279A的缓冲寄存器。 HD7279A的指令结构有三种类型:1、不带数据的纯指令，指令的宽度为8个BIT，即微处理器发送8个CLK脉冲。2、带数据的指令，宽度为16个BIT，即微处理器发送16个CLK脉冲。3、读取键盘数据指令，宽度为16个BIT，前8个位微处理器发送到HD7279A的指令，后8个BIT位HD7279A返回的键盘代码。执行此指令时，HD7279A的DATA端在第9个CLK脉冲的上升沿变为输出状态，并与第16个脉冲的下降沿恢复为输入状态，等待接收下一个指令。 7 七、电路原理图(见附录) 八、 设计中的问题及解决方法 时间和距离的显示:单片机通过读取按键开关信号(P3.7)来控制数码管显示时间和距离，当开关断开时，即P3.7为高电片时，数码管显示距离;当开关闭合时，即P3.7为低电平时，数码管显示小车行驶时间。 电阻、电容值大小选择:由于生产的电阻、电容值大小都有固定值，所以只能选择最相近的电阻、电容。电阻、电容值的大小通过估算而得出。 小车前进后退显示:数码管显示距离的正负表示小车前进和后退，通过读取控制电机信号的电平来控制程序的流程，进而显示数码管的正负。 8 九、 总结 两周的传感器课程设计使我可以说收获良多。在此期间我失落过，也曾一度热情高涨。从开始时遇到困难时的为难到最后收获后的兴奋心情，点点滴滴无不令我回味无常。 这次主要是一个根据霍尔元件及传感器原理还有单片机相关知识做成的小车测距离的设计。刚拿到这个题目我无从下手，真的感觉很难，因为涉及到很多知识点，然后还得把它们都融合到一块，着实让我为难了。但是心中有一种不挠的劲头支撑着我硬是把那些知识都重新巩固了一下，更加熟练了。凭借这种熟练我脑中开始逐渐构造出了这次设计原理的框架，并且一步步填充，最后成功完成了此次设计。回想刚完成的那一刻，心中真是充满了喜悦。 一分耕耘一分收获，这话一点不假。我从这次设计中学到了太多的东西了:逻辑能力，想法的扩展能力，对知识的结合能力等等„ 马上就毕业了，希望这次意义非凡的课程设计能让我在以后的工作中更加轻松自如。 9 十、 参考文献 [1] 陈守仁.自动检测技术.北京.机械工业出版社.1991 [2] 张毅刚.单片机原理及应用.高等教育出版社.2003 [3] 张福学.传感器应用及其电路精选.北京.电子工业出版社.2000 .微型计算机及应用.清华大学出版社.2006 [4] 钱晓捷 [5] 陈粤初等.单片机应用系统设计与实践.北京.北京航空航天大学出版社.1991 [6] 张毅刚 MCS-51实用汇编子程序设计 哈尔滨 哈尔滨工业大学出版社 2003 10