霍尔传感器应用设计Word文档下载推荐.docx
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指导教师：
摘要
电动机作为机械化、电气化和自动化的原动机，广泛应用于国民经济建设、国防建设、科学技术研究和人民物质文明生活的各个领域。
电机是生产过程中应用十分广泛的装置，对其转速进行准确测量就显得十分必要。
本文介绍了霍尔传感器测速的原理，设计了基于单片机AT89C51的直流电机转速测量系统。
完成了电机转速测量系统的硬件电路设计、霍尔传感器测量电路的设计、显示电路的设计。
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幅度为12V的脉冲。
经光电隔离器后成为输出幅度为5V转数计数器的计数脉冲。
控制定时器计数时间，即可实现对电机转速的测量。
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。
并对电机转速测量系统的硬件电路、显示电路进行了调试。
与软件配合，实现了显示、报警功能。
仿真实验表明所设计的硬件电路及软件程序是正确的，满足设计要求。
关键词：
电机转速测量；
霍尔传感器；
单片机；
89C51；
LCD
Abstract
Motors,astheoriginalmachineofmechanization,electrificationandautomationarewidelyandcommonusedinthevariousareasofconstructionofnationaleconomy,nationaldefense,scienceandtechnologyresearchandmaterialitycivilization.Anditisveryimportantinmanufacturing,measuringitsrotationalspeedbecomesveryessentialandnecessary.
TheprinciplesofmotorspeedmeasurementswithhallsensorwasdescribedinthisarticleandDCmotorspeedmeasurementsystemwhichisbasedonAT89C51wasdesigned,andthecorrespondinghardwarecircuitdesignswasalsocompletedaccordingly.Thehallsensorisconnectedwithcrankshaftbycoaxialjunction.Everyrevolutionofthecrankshaftwillgenerateacertainamountofpulseswhoseamplitudeis12v.Theopto-couplerturnsthesecertainamountofpulsesinto5-amplitudecountimpulse.Themotorspeedcanbemeasuredbycontrollingthetime.Inthedesignofdisplaycircuit,thenumberofmotorspeedisdisplayedinLCDdirectlythrough1602.Themotorspeedmeasurementsystemandthehardwarecircuits,displaycircuitfunctionaredebuggedtocooperatewiththesoftwaretodisplayandalarmusers.Thesimulationresultshaveprovedthatthehardwarecircuitsdesignandsoftwareprogramiscorrect,andthesystemcanmeetthedesigningrequirementcompletely.
KeyWords:
MotorSpeedMeasurement;
HallSensor;
Microcomputer;
89C51；
引言
霍尔元件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。
霍尔器件是一种磁传感器。
用它们可以检测磁场及其变化，可在各种与磁场有关的场合中使用。
霍尔器件以霍尔效应为其工作基础。
霍尔器件具有许多优点，它们的结构牢固，体积小，重量轻，寿命长，安装方便，功耗小，频率高（可达1MHZ），耐震动，不怕灰尘、油污、水汽及盐雾等的污染或腐蚀。
霍尔线性器件的精度高、线性度好；
霍尔开关器件无触点、无磨损、输出波形清晰、无抖动、无回跳、位置重复精度高（可达μm级）。
采用了各种补偿和保护措施的霍尔器件的工作温度范围宽，可达.55℃～150℃。
按照霍尔器件的功能可将它们分为:
霍尔线性器件和霍尔开关器件。
前者输出模拟量，后者输出数字量。
文章介绍了霍尔传感器的工作原理，阐述了霍尔传感器测速系统的工作过程，利用脉冲计数法实现了对转速的测量，通过LCD直观地显示电机的转速值。
结合硬件电路设计，采用模块化方法进行了软件设计。
编制了电机转速的测量设计了测量模块、转速模块、报警模块、显示模块等的C51程序，并通过PROTEUSE软件进行了仿真。
仿真结果表明所设计的软件程序是正确的。
1课题设计目的和要求
课题设计目的如下：
（1）掌握单片机的原理以及技术应用，传感器应用电路的设计方法。
（2）熟悉集成元件的选择和集成电路芯片的功能及使用方法。
（3）熟悉仿真软件的使用。
（4）掌握接线方法和腐蚀焊接技术。
课程题设计要求如下：
（1）选定传感器。
霍尔传感器具有灵敏、可靠、体积小巧、无触点、无磨损、使用寿命长、功耗低等优点，综合了电机转速测量系统的要求。
（2）设计一个单片机最小系统，掌握单片机接口电路的设计技巧，学会利用单片机的定时器和中断系统对脉冲信号进行测量或计数。
（3）实时测量显示并有报警功能，实时测量根据脉冲计数来实现转速测量的方法。
2设计方案论证
2.1霍尔测速模块论证与选择
方案一：
采用型号为A3144的霍尔片作为霍尔测速模块的核心，该霍尔片体积小，安装灵活，价格合理，可用于测速，可与普通的磁钢片配合工作。
方案二：
采用型号为CHV-20L的霍尔元器件作为霍尔测速模块的核心,该霍尔器件额定电流为100mA,输出电压为5V,电源为12～15V。
体积较大，价格昂贵。
因此选择方案一。
2.2系统的组成框图
图1系统的原理框图
3硬件设计
3.1霍尔传感器硬件设计
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。
同时传感器电路输出幅度为12v的脉冲经光电耦合后降为5v，保持同89C51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。
一旦超速，CPU通过喇叭发出声报警信号。
3.1.1A3144霍尔开关的工作原理及应用说明
根据霍尔效应，人们用半导体材料制成的元件叫霍尔元件。
它具有对磁场敏感、结构简单、体积小、频率响应宽、输出电压变化大和使用寿命长等优点，因此，在测量、自动化、计算机和信息技术等领域得到广泛的应用。
霍尔传感器A3144是AllegroMicroSystems公司生产的宽温、开关型霍尔效应传感器，其工作温度范围可达-40℃～150℃。
它由电压调整电路、反相电源保护电路、霍尔元件、温度补偿电路、微信号放大器、施密特触发器和OC门输出极构成，通过使用上拉电阻可以将其输出接入CMOS逻辑电路。
该芯片具有尺寸小、稳定性好、灵敏度高等特点，有两种封装形式，一种是3脚贴片微小型封装，后缀为“LH”；
另一种是3脚直插式封装，后缀为“UA”[5]。
A3144E系列单极高温霍尔效应集成传感器是由稳压电源，霍尔电压发生器，差分放大器，施密特触发器和输出放大器组成的磁敏传感电路，其输入为磁感应强度，输出是一个数字电压讯号。
它是一种单磁极工作的磁敏电路，适用于矩形或者柱形磁体下工作。
可应用于汽车工业和军事工程中。
霍尔传感器的外形图和与磁场的作用关系如图2-4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。
霍尔元件和磁钢管脚图
图2霍尔传感器的外形图
该霍尔传感器的接线图如图3所示。
图3霍尔传感器的接线图
3.1.2霍尔传感器测量原理
测量电机转速的第一步就是要将电机的转速表示为单片机可以识别的脉冲信号，从而进行脉冲计数。
霍尔器件作为一种转速测量系统的传感器，它有结构牢固、体积小、重量轻、寿命长、安装方便等优点，因此选用霍尔传感器检测脉冲信号，其基本的测量原理如图2-6所示，当电机转动时，带动传感器运动，产生对应频率的脉冲信号，经过信号处理后输出到计数器或其他的脉冲计数装置，进行转速的测量[6]。
图4霍尔器件测速原理
3.1.3转速测量方法
转速的测量方法很多，根据脉冲计数来实现转速测量的方法主要有M法（测频法）、T法（测周期法）和MPT法（频率周期法），该系统采用了M法（测频法）。
由于转速是以单位时间内转数来衡量，在变换过程中多数是有规律的重复运动。
根据霍尔效应原理，将一块永久磁钢固定在电机转轴上的转盘边沿，转盘随侧轴旋转，磁钢也将跟着同步旋转，在转盘下方安装一个霍尔器件，转盘随轴旋转时，受磁钢所产生的磁场的影响，霍尔器件输出脉冲信号，其频率和转速成正比。
脉冲信号的周期与电机的转速有以下关系：
n=
（2-1）
式中：
n为电机转速；
P为电机转一圈的脉冲数；
T为输出方波信号周期。
根据式（2-1）即可计算出直流电机的转速[7]。
霍尔器件是由半导体材料制成的一种薄片，在垂直于平面方向上施加外磁场B，在沿平面方向两端加外电场，则使电子在磁场中运动，结果在器件的两个侧面之间产生霍尔电势。
其大小和外磁场及电流大小成比例。
霍尔开关传感器由于其体积小，无触点，动态特性好，使用寿命长等特点，故在测量转动物体旋转速度领域得到了广泛应用[8]。
3.2AT89S51芯片介绍
AT89S51是一个低功耗，高性能CMOS8位单片机，片内含4kBytesISP（In-systemprogrammable）的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISPFlash存储单元，AT89S51在众多嵌入式控制应用系统中得到广泛应用。
3.2.1AT89S51芯片主要性能特点
（1）4kBytesFlash片内程序存储器；
（2）128bytes的随机存取数据存储器（RAM）；
（3）32个外部双向输入/输出（I/O）口；
（4）5个中断优先级、2层中断嵌套中断；
（5）6个中断源；
（6）2个16位可编程定时器/计数器；
（7）2个全双工串行通信口；
（8）片内振荡器和时钟电路；
（10）与MCS-51兼容；
（11）全静态工作：
0Hz-33MHz；
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