霍尔传感器测速设计.docx
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霍尔传感器测速设计
宁波理工学院
传感器大作业
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
学院信息科学与工程学院
完成日期2014.5.24
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
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,电控单元经过分析、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。
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
(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。
(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
,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
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。
图4-4单片机电路相连接
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。
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:
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。
图4-9软件启动
(2)电机缓慢转动时如图4-10所示。
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
(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。