霍尔传感器组成的转速测量仪的设计要点.docx
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霍尔传感器组成的转速测量仪的设计要点
结课论文
题目：
基于霍尔传感器发动机转速测仪设计
学生姓名：
学生学号：
系别：
机电工程系
专业：
机械化及其自动化
届别：
指导教师：
时间：
目录
1摘要...................................................2
2系统概述................................................3
2.1系统组成.............................................3
2.2霍尔传感器测转速原理及特性...........................5
2.3光电式速度传感器概述.................................6
2.4系统工作原理及处理方法...............................7
2.4.1系统工作原理.......................................7
2.4.2处理方法...........................................9
3霍尔传感器测转速系统的单元电路介绍......................10
3.1单片机的简介........................................12
3.2脉冲产生电路设计....................................13
.3霍尔传感器选型........................................14
3.4开关霍尔传感器的性能分析.............................16
3.5系统显示电路介绍.....................................18
4.数码管显示和液晶显示的利弊..............................18
5基于霍尔传感器测转速系统的软件设计......................19
参考文献..................................................22
附录......................................................24
摘要
在工程实践中，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。
数字式通常采用光电编码器，霍尔元件等为检测元件，得到的信号是脉冲信号。
随着微型计算机的广泛应用，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。
本文便是运用STC89C51单片机控制的智能化转速测量仪。
电机在运行过程中，需要对其进行监控，转速是一个必不可少的一个参数。
本系统就是对电机转速进行测量，并可以和PC机进行通信，显示电机的转速，并观察电机运行的基本状况。
本设计主要用STC89C51作为控制核心，由霍尔传感器、LCD显示器、HIN232CPE电平转换、及RS232构成。
详细介绍了单片机的测量转速系统及PC机与单片机之间的串行通讯。
充分发挥了单片机的性能。
本文重点是测量速度并显示在LCD上。
其优点硬件是电路简单，软件功能完善，测量速度快、精度高、控制系统可靠，性价比较高等特点。
关键字：
STC89C51单片机、转速、霍尔传感器
2、系统概述
2.1系统组成
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：
发动机
液晶显示转速
单片机
STC89C52
霍尔传感器
超速报警
电源
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兼容信号。
处理器采用STC89C52单片机，显示器采用LCD1602液晶显示器动态显示。
2.2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：
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
称为霍尔电压。
霍尔电压大小为：
（mV）
式中：
—霍尔常数，ｄ—元件厚度，Ｂ—磁感应强度，Ｉ—控制电流
设
则
=
（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。
2、霍尔传感器的特性:
半导体磁敏传感器是利用半导体材料中的自由电子和空穴随磁场而改变其运动方向这一特性制成的，按其结构可分为体型和结型两大类。
体型的主要有霍尔传感器（材料主要是InSb、InAs、Ge、Si、GaAs）和磁敏电阻（材料主要有InSb、InAs），结型的主要有磁敏二极管（材料主要是Ge、Si）和磁敏三极管（材料主要是Si）。
霍尔传感器是一种基于霍尔效应的磁传感器。
霍尔效应自1879年被美国物理学家爱德文·霍尔发现至今已有100多年的历史，但直到20世纪50年代，由于微电子学的发展，才被重视和开发，现在，已发展成一个品牌多样的传感器产品族，并得到广泛的应用。
霍尔传感器可以检测磁场及其变化，可在各种与磁场相关的场合中应用。
霍尔传感器具有许多优点，其结构牢固，体积小，质量轻，寿命长，安装方便，功能消耗小，频率高，耐震动，不怕灰尘，油污，水汽及盐雾等的污染或腐蚀。
霍尔传感器可直接用于检测磁场或磁特性，也可以通过在被检对象上人为设置的磁场，来检测许多非电、非磁的物理量，例如力、力矩、压力、应力、位置、位移、速度、加速度、角度、角速度、转数、转速以及工作状态发生变化的时间等，还可转换成电量来进行检测和控制。
图2.2霍尔元件的原理结构图
2.3光电式速度传感器概述
光电式速度传感器将速度的变化转变成光通量的变化，在通过光电转换元件将光通量的变化转换成电量变化，光电转换元件的工作原理是光电效应。
光电效应是指用光照射某一物体，可以看作是一连串带有一定能量为的光子轰击在这个物体上，此时光子能量就传递给电子，并且是一个光子的全部能量一次性地被一个电子所吸收，电子得到光子传递的能量后其状态就会发生变化，从而使受光照射的物体产生相应的电效应可以分为三部分外光电效应、内光电效应、光生伏特效应。
2.3.1速度检测的原理
它是由装在轴上的带孔或缝隙的旋转盘，光源，光接收器等组成，输入轴与被测轴相连接。
光源发出的光通过缝隙旋转盘照射到光敏器件上，使光敏器件感光并产生电脉冲。
转轴连续转动，光敏器件就输出一系列与转速及带缝隙旋转盘上缝隙数成正比的电脉冲数。
在指示缝隙数一定的情况下，该脉冲数和转速成正比。
光电式速度传感器原理图
左图光线被遮住，接收器无信号右图光线未被遮住，接收器有信号
当带缝隙的旋转盘随被测轴转动时，由于圆盘上的缝隙间距与指示缝隙的相同，因此带缝隙旋转盘每转一周，光敏器件输出与之相等的电脉冲，根据测量时间内的脉冲数N就可测出测速为n=60N/Zt，式中，Z为带缝隙旋转盘上的缝隙数：
n为转速。
2.3.2脉冲信号调理电路
由光电传感器输出的电信号一般还要经过相应放大和整形调理电路处理以达到一般数字电路能识别的矩形脉冲。
采用施密特触发器在脉冲的产生和整形电路中应用很广。
施密特触发器是一种能够把输入波形整形成为适合于数字电路需要的矩形脉冲的电路。
同时该触发器具有脉冲幅度鉴别且具有很好的抗干扰性。
下图为输入输出整形电路；
整形输入输出电路
上图可知通过施密特触发器输出的波形具有很好的方波脉冲特性，所以经过放大整形电路后信号再传给频率计或者单片机内部的计数器通过一系列的数据运算就可以求得速度参数值了。
2.3.3光电式传感器速度检测的优越特性
光电速度传感器为非接触式转速表光电速度传感器采用光学原理制造，属于非接触式速度测量仪表，它的测量距离一般可达200mm左右。
光电转速传感器的测量无需与被测量对象接触，不会对被测量轴形成额外的负载，因此光电速度传感器的测量误差更小，精度更高。
光电速度传感器的结构紧凑光电速度传感器的结构紧凑，主要由投射光线部件、接收光线部件也就是光敏元件和放大元件等组成，因此光电速度传感器的体积设计小巧、内部结构精致，非常便于使用者的携带、安装和使用。
光电速度传感器的抗干扰性好光电速度传感器多采用LED作为光线投射部件，极少会出现光线停顿的情况，也不会存在灯泡烧毁等故障危险。
另外，光电速度传感器的光源都是经过特殊方式调制的，有极强的抗干扰能力，不会受普通光线的干扰。
光电速度传感器的测量能力好光电速度传感器的可采用光纤封装，可于测量微小的物体，特别是微小旋转体的测量，特别适用于高精密、小元件的机械设备测量。
光电速度传感器的运行稳定，有良好的可靠性，测量的精度较高，能满足使用者的测量要求。
2.3.4光电式速度传感器应用及发展前景
光电速度传感器由于非接触、性能高等优点，在测量速度时对被测物体损害小，所以其在测量领域有着举足轻重的地位。
比如现在很多电动车以及汽车都是采用光电来检测当前的行驶速度，从而及时通过显示器很直观显示给用户。
其实车速传感器种类很多，但是当车速高于100km/h时，一般其他传感器测量的方法误差较大，需采用非接触式光电速度传感器，测速范围0.5～250km/h，重复精度0.1%，距离测量误差优于0.3%。
除了汽车速度里程表会涉及到光电式速度传感器，汽车发动机也会用到传感器。
近年来生产的DF4型机车都采用光电式速度传感器代测速交流电机Ⅱ轴光电式速度传感器产生信号供列车监控记录装置，Ⅴ轴产生的速度信号供机车双针速度表、励磁调节器、轮缘涂油器。
这主要是因为光电式速度检测具有高精度、抗震动和检修方便等优点。
现代工业生产自动化设备越来越多，其中多电机的检测也十分普遍，其中用光电式传感器对电机以及柴油机的转速检测也十分常见，现在很多电控柴油机的转速参数检测看重此传感器的线性度好、分辨率高、噪音小等优点而被选用。
同时光电速度传感器还和其他系统相互组成发展新兴的产品设备，现在采用光电式速度传感器和数据预处理电路及微机多路数据采集系统组成的车辆道路性能检测器，可以为交通部门提供方便、便捷、准确、高效的车辆外场路面行驶性能检测和新型车辆性能测试，是一种先进的车辆性能虚拟测试系统。
它不仅能测量速度，也可以检测加速度，距离、车辆制动等多种性能。
且这种仪器经过使用，具有测量速度快、精确、功能扩展性好、性价比高、能够适用各种机动车辆性能测量。
同时，光电式非接触传感器还可以测量钢板、编织等连续运动目标的高精度测速度和测长。
在高速发展社会，人们对各类控制装置技术要求越来越高。
由于现在自动化程度、光电技术以及传感器检测技术迅速发展，加上现在对速度检测也愈发重要。
这就推动了光电式速度检测的研究与发展了。
目前光电式速度传感器除了传统意义上的速度检测还主要朝着多用途、新型传感器材料、创新传感技术的开发、应对恶劣环境条件下工作如高温、高压等；还有低成本传感器的开发以及传感器与其他微技术相结合应用的发展。
所以，以后不管是速度检测还是其他物理量检测的光电式传感器以后发展前景非常好，应用将更加广泛。
2.4系统工作原理及处理方法
2.4.1系统工作原理：
转速是工程上一个常用的参数，旋转体的转速常以每分钟的转数来表示。
其单位为r／min。
由霍尔元件及外围器件组成的测速电路将电动机转速转换成脉冲信号，送至单片机STC89C51的计数器T0进行计数，用T1定时测出电动机的实际转速。
此系统使用单片机进行测速，采用脉冲计数法，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，只要在转轴的圆盘上粘上两粒磁钢，让霍尔传感器靠近磁钢，机轴每转一周，产生两个脉冲，机轴旋转时，就会产生连续的脉冲信号输出。
由霍尔器件电路部分输出，成为转速计数器的计数脉冲。
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。
单片机CPU将该数据处理后，通过LCD显示出来。
发动机
单片机
传感器
整形电路
支架
信号盘GND
转速测量系统安装图
2.4.2处理方法:
测速实际上就是测频，通常可以用计数法、测脉宽法和等精度法来进行测试。
所谓计数法，就是给定一个闸门时间，在闸门时间内计数输入的脉冲个数；测脉宽法是利用待测信号的脉宽来控制计数门，对一个高精度的高频计数信号进行计数。
由于闸门与被测信号不能同步，因此，这两种方法都存在±1误差的问题，第一种方法适用于信号频率高时使用，第二种方法则在信号频率低时使用。
等精度法则对高、低频信号都有很好的适应性。
此系统采用计数法测速。
单片机STC89C52内部具有2个16位定时/计数器,定时/计数器的工作可以由编程来实现定时、计数和产生计数溢出中断要求的功能。
在构成为定时器时,每个机器周期加1（使用12MHz时钟时,每1us加1）,这样以机器周期为基准可以用来测量时间间隔。
在构成为计数器时,在相应的外部引脚发生从1到0的跳变时计数器加1,这样在计数闸门的控制下可以用来测量待测信号的频率。
3霍尔传感器测转速系统的单元电路介绍
3.1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www.mcu-）。
其基本结构框图如图3.1，包括：
·一个8位CPU；
·4KBROM；
·128字节RAM数据存储器；
·26个特殊功能寄存器SFR；
·4个8位并行I/O口，其中P0、P2为地址/数据线，可寻址64KBROM或64KBRAM；
·一个可编程全双工串行口；
·具有5个中断源，两个优先级，嵌套中断结构；
·两个16位定时器/计数器；
·一个片内震荡器及时钟电路；
计数脉冲输入
T0T1
特殊功能寄存器SFR128字节RAM
定时/计数器T0、T1
时钟源
4KROM（EPROM）
（8031无）
中断系统
串行接口
并行I/O接口
CPU
P0P1P2P3TXDRXD
中断输入
图3.1STC89C52单片机结构框图
STC89C52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。
STC89C52单片机40条引脚说明如下:
（1）电源引脚。
V
正常运行和编程校验（8051/8751）时为5V电源,V
为接地
（2）I/O总线。
P
-P
（P0口），P
-P
（P1口），P
-P
（P2口），P
-P
（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。
P3口引脚及线号
引脚
第二功能
P3.0（10）
RXD
串行输入口
P3.1（11）
TXD
串行输出口
P3.2（12）
INT0
外部中断0
P3.3（13）
INT1
外部中断1
P3.4 （14）
T0
定时器0外部输入
P3.5（15）
T1
定时器1外部输入
P3.6（16）
WR
外部数据存储器写脉冲
P3.7（17）
RD
外部数据存储器读脉冲
表3.1P3口线的第二功能定义：
STC89C52单片机的片外总线结构：
①地址总线（AB）：
地址总线宽为16位，因此，其外部存储器直接寻址为64K字节，16位地址总线由P0口经地址锁存器提供8位地址（A0至A7）；P2口直接提供8位地址（A8至A15）。
②数据总线（DB）：
数据总线宽度为8位，由P0提供。
③控制总线（CB）：
由P3口的第二功能状态和4根独立控制线RESET、EA、ALE、PSEN组成。
3.2脉冲产生电路设计
LM358内部包括有两个独立的、高增益、内部频率补偿的双运算放大器，适合于电源电压范围很宽的单电源使用，也适用于双电源工作模式，在推荐的工作条件下，电源电流与电源电压无关。
它的使用范围包括传感放大器、直流增益模块和其他所有可用单电源供电的使用运算放大器的场合。
LM358的封装形式有塑封8引线双列直插式和贴片式。
特性:
∙内部频率补偿
∙直流电压增益高（约100dB）
∙单位增益频带宽（约1MHz）
∙电源电压范围宽：
单电源（3—30V）
∙双电源（±1.5一±15V）
∙低功耗电流，适合于电池供电
∙低输入偏流
∙低输入失调电压和失调电流
∙共模输入电压范围宽，包括接地
∙差模输入电压范围宽，等于电源电压范围
∙输出电压摆幅大（0至Vcc-1.5V）
如图3.2所示，信号预处理电路为系统的前级电路，其中霍尔传感元件b,d为两电源端，d接正极，b接负极；a,c两端为输出端，安装时霍尔传感器对准转盘上的磁钢,当转盘旋转时，从霍尔传感器的输出端获得与转速率成正比的脉冲信号，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，图中LM358部分为过零整形电路使输入的交变信号更精确的变换成规则稳定的矩形脉冲，便于单片机对其进行计数。
b
cHd
a
图3.2信号预处理电路
3.3霍尔传感器选型
霍尔效应自1879年被美国物理学家爱德文·霍尔发现至今已有100多年的历史，但直到20世纪50年代，由于微电子学的发展，才被重视和开发，现在，已发展成一个品牌多样的传感器产品族，并得到广泛的应用。
霍尔传感器是对磁敏感的传感元件，由磁钢、霍耳元件等组成。
测量系统的转速传感器选用OH137的霍尔传感器。
3.4开关霍尔传感器的性能分析
OH137霍尔开关电路是为了适用客户低成本高性能要求开发生产的系列产品，其应用领域广泛，性能可靠稳定。
电路内部由反向电压保护器、电压调整器，霍尔电压发生器，差分放大器，史密特触发器和集电极开路输出级组成，能将变化的磁场讯号转换成数字电压输出。
产品特点：
产品一致性好、灵敏度可按照客户要求定制、电路可和各种逻辑电路直接接口
可实现功能：
无触点开关、位置检测、速度检测、流量检测
典型应用领域：
直流无刷电机、家用电器、缝纫设备、纺织机械、编码器、安全报警装置等自动化控制领域
极限参数：
（TA=25℃）
电源电压VCC···························4.5-24V
输出负载电流IO···················25mA
工作温度范围TA···············-40～85℃
贮存温度范围TS················-55～150℃
电特性：
TA=25℃
参数
符号
测试条件
量值
单位
最小
典型
最大
电源电压
VCC
4.5
-
24
V
输出低电平电压
VOL
Vcc=4.5V,RL=2KΩ，B≥BOP
-
200
400
mV
输出漏电流
IOH
Vout=Vccmax，B≤BRP
-
0.1
10
μA
电源电流
ICC
VCC=VccmaxOC开路
-
3
5
mA
输出上升时间
tr
Vcc=12V,RL=820Ω,CL=20pF
-
0.12
1.20
μS
输出下降时间
tf
Vcc=12V,RL=820Ω,CL=20pF
-
0.14
1.40
μS
磁特性：
（VCC=4.5～24V）1mT=10GS
参数
符号
量值
单位
最小
典型
最大
工作点
BOP
-
-
18
mT
释放点
BRP
2
-
-
mT
回差
BH
6
-
8
mT
管腿说明：
1.电源2.地3.输出
使用注意：
1）安装时要尽量减小施加到电路外壳或引线上的机械应力。
2）焊接温度要低于260℃，时间小于3秒。
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