基于霍尔传感器的单片机测速装置设计Word下载.docx

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本文设计了一个基于HZL201霍尔齿轮传感器的单片机测速装置，整个设计由一种测量转速装置，转速信号处置电路，通过8050三极管对信号整形处置，将脉冲信号转化为标准的TTL电平，便于AT89S52单片机的计数运算，并能够将转速信号显示在液晶显示器上。

运用Keil软件进行单片机的C语言编程，而且通过Proteus软件仿真单片机与显示结果，验证了本设计的可行性。

该测速装置具有线路简单、实时性好、本钱低、安装调试方便和节省空间等特点，尤其是在测量空间有限、轴偏心或传感器不便安装的条件下，该测量方式有明显的优势。

关键词：

霍尔传感器；

速度测量；

单片机；

系统设计

1概述

课题背景

在咱们的日常生活中，霍尔传感器被普遍应用。

例如，在翻盖或是滑盖的电话中，用来检测电话盖掀开或是滑动的器件确实是霍尔传感器；

再如，在电脑键盘上，实现光标移动的转动键确实是由霍尔传感器组成的；

还有，在汽车变速箱、电动门窗等需要电机的部件中也有霍尔传感器的应用。

咱们在天天的生活中都在与霍尔传感器打交道。

传统式的转速测量一般是采纳测速发电机为检测元件，这种方式是模拟式的，因此其取得的信号是电压信号，其抗干扰能力差，灵活性差。

随着微型运算机的普遍应用，此刻的转速测量普遍采纳了以单片机为核心的数字化测量，其通常采纳光电编码器，霍尔元件等为检测元件。

转速是工程中应用超级普遍的一个参数，其测量方式较多，而模拟量的搜集和模拟处置一直是转速测量的要紧方式，这种测量方式已不能适应现代科技进展的要求，在测量范围和测量精度上，已不能知足大多数系统的利用。

随着大规模及超大规模集成电路技术的进展，数字系统测量取得普遍应用，专门是单片机对脉冲数字信号的壮大处置能力，使得全数字测量系统愈来愈普及，其转速测量系统也能够用全数字化处置。

在测量范围和测量精度方面都有极大的提高。

因此，本课题的目的是：

对各类测量转速的大体方式予以分析，针对不同的应用环境，利用80C51系列单片机设计一种全数字化测速系统，从提高测量精度的角度动身，分析讨论其产生误差的可能缘故，为尔后的实际利用提供借鉴。

并从实际硬件电路动身，分析电路工作原理和软件流程，依照仿真情形提出修改方案和解决方法。

本设计以单片机为中心，设计的全数字化测量转速系统，在工业操纵和民用电器中都有较高利用价值。

其能够应用于工业操纵中的某一部份，如数控车床的电机转速检测和操纵、水泵流量操纵和需要利用转速检测来进行操纵的许多场合。

如车辆的里程表、车速表等。

第二该转速测量系统由于采纳全数字化结构，因此能够很方便的和工业操纵运算机进行连接，实行远程治理和操纵，进一步提高现代化水平。

而且，几乎不需做专门大改变直接就能够作为单独的利用产品。

总之，转速测量系统的研究是一件超级成心义的课题。

本设计课题的目的和意义

在工程实践中，常常会碰到各类需要测量转速的场合。

例如在发动机、电动机、卷扬机、机床主轴等旋转设备的实验、运转和操纵中，常需要分时或持续测量和显示其转速及瞬时转速。

要测速，第一要解决是采样问题。

在利用模技术制作测速表时，经常使用测速发电机的方式，即将测速发电机的转轴与待测轴相连，测速发电机的电压高低反映了转速的高低。

为了能精准地测量转速外，还要保证测量的实时性，要求能测得瞬时转速方式。

因此转速的测试具有重要的意义。

这次设计内容包括知识全面，对传感器测量发电机转速的方式及原理设计有相关介绍，在测量系统中能学到关于测量转速的传感器进行信号转换的问题，单片机部份的内容，显示部份等各个模块的联通与调试。

全面了解单片机和信号放大的具体内容。

进一步锻炼咱们在信号搜集，处置，显示发面的实际工作能力。

在众多的数字式转速传感器中，因霍尔传感器具有无触点、长寿命、高靠得住性、无火花、无自激振荡、温度性能好、抗污染能力强、构造简单、牢固、体积小、耐冲击等优势，因此选用霍尔效应接近式传感器作为自动操纵系统中电机的转速传感器。

该传感器是开关元件，直接输出为脉冲频率信号，可是由于存在电磁噪声干扰，必需对信号进行处置，从而提高搜集准确度和抗干扰能力。

处置后的信号转换成标准的方波信号，将该信号传输到AT89S52单片机上，再通过相应的软件设计，就能够够通过LCD显示电路显示出电机的转速。

设计的要求

（1）霍尔传感器能够同意到齿轮信号盘发出的转动信号；

（2）霍尔传感器产生的信号通过信号处置电路能够产生给单片机处置的TTL电平；

（3）能够精准的在液晶显示屏上显示齿轮的转速。

2设计原理和方案

霍尔传感器的介绍

霍尔传感器是依照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（EdwinH.Hall，1855—1938）于1879年在研究金属的导电机构时发觉的。

后来发觉半导体、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，利用这种现象制成的各类霍尔组件，普遍地应用于工业自动化技术、检测技术及信息处置等方面。

霍尔效应是研究半导体材料性能的大体方式。

通过霍尔效应实验测定的霍尔系数，能够判定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。

霍尔器件是一种采纳半导体材料制成的磁电转换器件。

若是在输入端通入操纵电流IC，当有一磁场B穿过该器件感磁面，那么在输出端显现霍尔电势UH。

在磁场力作用下，在金属或通电半导体中将产生霍尔效应，其输出电压与磁场强度成正比。

基于霍尔效应的霍耳传感器经常使用于测量磁场强度，其测量范围从10Oe到几千奥斯特。

尽管人们早在1879年就明白了霍尔效应，但直到20世纪60年代末期，随着固态电子技术的进展，霍尔效应才开始被人们所应用。

霍尔效应

在半导体薄片两头通以操纵电流Ｉ，并在薄片的垂直方向施加磁感应强度为B的匀强磁场，那么在垂直于电流和磁场的方向上，将产生电势差为UH的霍尔电压。

这一现象即是霍尔效应，如图霍尔效应原理图所示。

图霍尔效应原理图

固体材料中的载流子在外加磁场中运动时，因为受到洛仑兹力的作用而使轨迹发生偏移，并在材料双侧产生电荷积存，形成垂直于电流方向的电场，最终使载流子受到的洛仑兹力与电

场斥力相平稳，从而在双侧成立起一个稳固的电势差即霍尔电压。

正交电场和电流强度与磁场强度的乘积之比确实是霍尔系数。

平行电场和电流强度之比确实是电阻率。

大量的研究揭露：

参加材料导电进程的不仅有带负电的电子，还有带正电的空穴。

2.1.2霍尔器件

霍尔器件分为：

霍尔元件和霍尔集成电路两大类。

前者是一个简单的霍尔片，利历时常常需要将取得的霍尔电压进行放大。

后者将霍尔片和它的信号处置电路集成在同一个芯片上。

依照霍尔效应，人们用半导体材料制成的元件叫霍尔元件。

霍尔元件的组成：

由霍尔片、四根引线和壳体组成，

如图霍尔元件的组成及型号命名方式所示。

图霍尔元件的组成及型号命名

它具有对磁场灵敏、结构简单、体积小、频率响应宽、输出电压转变大和利用寿命长等优势，因此，在测量、自动化、运算机和信息技术等领域取得普遍的应用。

霍尔元件的特性有霍尔系数（又称霍尔常数）RH，霍尔灵敏度KH（又称霍尔乘积灵敏度），霍尔额定鼓励电流，霍尔最大许诺鼓励电流，霍尔输入、输出电阻，霍尔元件的电阻温度系数，霍尔不等位电势（又称霍尔偏移零点），霍尔输出电压，霍尔电压输出比率，霍尔寄生直流电势，霍尔电势温度系数等。

由于霍尔元件产生的电势差很小，故通常将霍尔元件与放大器电路、温度补偿电路及稳压电源电路等集成在一个芯片上，称之为霍尔传感器。

霍尔传感器的分类

依照霍尔器件的功能可将霍尔传感器分为线性型霍尔传感器和开关型霍尔传感器两种：

1）线性型霍尔传感器

线性型霍尔传感器是由霍尔元件、线性放大器和射极跟从器组成，它输出模拟量。

2）开关型霍尔传感器

开关型霍尔传感器是由稳压器、霍尔元件、差分放大器，斯密特触发器和输出级组成，它输出数字量。

霍尔传感器是依照霍尔效应原理而制成的电流和电压传感器。

依照对霍尔电势处置的方式不同，霍尔传感器又可分为以下两类：

1）第一类是直接将霍尔电势做适当放大处置以后提供给检测仪器或操纵设备，确实是所谓的直接检测式霍尔电流传感器。

这种传感器耐压品级高，本钱低，性能稳固，但精度受温度转变阻碍大，动态响应特性很不睬想。

我公司采纳电路补偿，圆满解决以上问题。

2）第二类是磁场平稳式霍尔传感器，它采纳了单或双霍尔元件，并工作在零磁通状态，且有以下特点：

（1）测量范围宽，可测量各类电流，如直流、交流、脉冲电流等。

（2）电气隔离性能好。

（3）测量精度高，线性度好。

（4）抗外界电磁和温度等因素的干扰能力强。

（5）电流上升率大，响应速度快。

（6）过载能力强。

（7）体积小，重量轻，安装简单、方便。

目前的产品中以磁场平稳式霍尔传感器为主。

霍尔传感器的特性

（1）线性型霍尔传感器的特性

图线性型霍尔传感器的特性

输出电压与外加磁场强度呈线性关系，如图线性型霍尔传感器的特性所示，可见，在B1～B2的磁感应强度范围内有较好的线性度，磁感应强度超出此范围时那么呈现饱和状态。

（2）开关型霍尔传感器的特性

如图开关型霍尔传感器的特性所示，其中BOP为工作点“开”的磁感应强度，BRP为释放点“关”的磁感应强度。

图开关型霍尔传感器的特性

当外加的磁感应强度超过动作点Bop时，传感器输出低电平，当磁感应强度降到动作点Bop以下时，传感器输出电平不变，一直要降到释放点Brp时，传感器才由低电平跃变成高电平。

Bop与Brp之间的滞后使开关动作更为靠得住。

另外还有一种“锁键型”（或称“锁存型”）开关型霍尔传感器，其特性如图锁键型霍尔传感器特性所示。

图锁键型霍尔传感器特性

当磁感应强度超过动作点Bop时，传感器输出由高电平跃变成低电平，而在外磁场撤消后，其输出状态维持不变（即锁存状态），必需施加反向磁感应强度达到Brp时，才能使电平产生转变。

霍尔测速设计原理

转速测量的方式

转速测量的方式有以下几种：

（1）按时计数法（测频率法）。

其要紧原理如下：

在必然的时刻距离T1内，计数被测信号的重复转变次数N，那么被测信号的频率f可表示为：

式（2.2.1）

（2）定数计时法（测周期法）。

在被测信号的一个周期内，计数时钟脉冲数为m，那么被测信号的频率fx能够采纳以下表达式计算：

（式中fc为时钟频率）式（2.2.2）

各类转速测量的优缺点

（1）测频率法

测频法在测量上有量化，低速时测量误差较大，其误差可采纳以下表达式计算：

式（2.2.3）

显然信号频率较低时，即N较小，那么有较大的误差。

（2）测周期法

测周期法在测量上也有时刻单位误差，高速测量有较大的误差，其误差可采纳以下表达式计算：

式（2.2.4）

显然当被测信号频率较高时，关于必然的时钟频率，那么m越小，显然误差较大。

检测部份

转速测量关于检测部份要求较高，一样而言专门是数字化测量时，检测部份可采纳光电式传感器（一样是光栅传感器），霍尔传感器和光电编码器等，关于本次设计而言，采纳霍尔传感器，此霍尔传感器HZL201的优势是要紧有三个：

一是霍尔转速传感器的输出信号可不能受到转速值的阻碍；

二是霍尔转速传感器的频率相应高；

三是霍尔转速传感器对电磁波的抗干扰能力强。

因此霍尔转速传感器多应用在操纵系统的转速检测中。

同时，霍尔转速传感器的稳固性好，抗外界干扰能力强，如抗错误的干扰信号等，因此不易因环境的因素而产生误差。

霍尔转速传感器的测量