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霍尔传感器测速论文

传感器综合设计实训

（论文）说明书

题目：

霍尔传感器应用设计

院（系）：

信息与通信学院

专业：

电子信息工程

学生姓名：

学号：

指导教师：

王守华归发弟

童有为李秀东胡机秀

2012年07月04日

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；LCD

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；

（12）三级程序存储器保密锁定；

（13）可编程串行通道；

（14）低功耗的闲置和掉电模式；

3.2.2AT89S51芯片管脚介绍

AT89S51芯片内部管脚图如图5所示：

图5AT89S51芯片管脚图

管脚介绍：

VCC：

电源电压输入端。

GND：

电源地。

P0口：

P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。

当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。

P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。

在FIASH编程时，P0口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。

P1口：

P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。

P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。

在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。

P2口：

P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。

并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。

这是由于内部上拉的缘故。

P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。

在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。

P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。

P3口：

P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。

当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。

作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。

P3口除了作为普通I/O口，还有第二功能：

P3.0RXD（串行输入口）

P3.1TXD（串行输出口）

P3.2/INT0（外部中断0）

P3.3/INT1（外部中断1）

P3.4T0（T0定时器的外部计数输入）

P3.5T1（T1定时器的外部计数输入）

P3.6/WR（外部数据存储器的写选通）

P3.7/RD（外部数据存储器的读选通）

P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。

I/O口作为输入口时有两种工作方式，即所谓的读端口与读引脚。

读端口时实际上并不从外部读入数据，而是把端口锁存器的内容读入到内部总线，经过某种运算或变换后再写回到端口锁存器。

只有读端口时才真正地把外部的数据读入到内部总线。

89C51的P0、P1、P2、P3口作为输入时都是准双向口。

除了P1口外P0、P2、P3口都还有其他的功能。

RST：

复位输入端，高电平有效。

当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。

ALE/PROG：

地址锁存允许/编程脉冲信号端。

当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的低位字节。

在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。

在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。

因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。

然而要注意的是：

每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。

如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。

此时，ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。

另外，该引脚被略微拉高。

如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。

PSEN：

外部程序存储器的选通信号，低电平有效。

在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。

但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。

EA/VPP：

外部程序存储器访问允许。

当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。

注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。

在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。

XTAL1：

片内振荡器反相放大器和时钟发生器的输入端。

XTAL2：

片内振荡器反相放大器的输出端。

3.3液晶显示部分

液晶显示部分图如图6所示：

图6液晶显示部分图

采用液晶1602，能够16*02即32个字符（16列2行）。

1602采用标准的16脚接口，其中，

第1脚：

VSS为电源地；

第2脚:

VDD接5V电源正极；

第3脚:

V0为液晶显示器对比度调整端，接地电源时对比度最高（对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度）。

第4脚：

RS为寄存器选择，高电平1时选择数据寄存器，低电平0时选择指令寄存器。

第5脚：

RW为读写信号线，高电平1时进行读操作，低电平0时进行写操作。

第6脚：

E（或EN）端为使能端。

第7-14脚：

D0-D7为8位双向数据端。

第15-16脚：

空脚或背灯电源。

15脚背光正极，16脚背光负极。

3.4电路检测部分

电路检测部分由电阻和发光二极管组成，接通电源，电路连接无误，灯亮。

发光二极管用来检测电路是否连通。

电路检测部分电路图如图7所示：

图7电路检测部分电路图

3.5L298N驱动电机部分

L298N为SGS-THOMSONMicroelectronics所出产的双全桥步进电机专用驱动芯（DualFull-BridgeDriver），内部包含4信道逻辑驱动电路，是一种二相和四相步进电机的专用驱动器，可同时驱动2个二相或1个四相步进电机，内含二个H-Bridge的高电压、大电流双全桥式驱动器，接收标准TTL逻辑准位信号，可驱动46V、2A以下的步进电机，且可以直接透过电源来调节输出电压；此芯片可直接由单片机的IO端口来提供模拟时序信号，但在本驱动电路中用L298来提供时序信号，节省了单片机IO端口的使用。

L298N之接脚如图9所示，Pin1和Pin15可与电流侦测用电阻连接来控制负载的电路；OUTl、OUT2和OUT3、OUT4之间分别接2个步进电机；input1~input4输入控制电位来控制电机的正反转；Enable则控制电机停转。

图8L298N引脚图

4软件设计

4.1程序设计流程图

主程序工作过程如下。

先进行初始化设置各定时器初值，然后判断是否启动系统进行测量。

如果是，就启动系统运行。

如果不是就等待启动。

启动系统后，霍尔传感器检测脉冲到来后，启动外部中断，每来一个脉冲中断一次，记录脉冲个数。

同时启动T0定时器工作，每1秒定时中断一次，读取记录的脉冲个数，即电机转速。

连续采样三次，取平均值记为一次转速值。

再进行数值的判断，若数值高于5000rpm则报警并返回初始化阶段，否则就进行正常速度液晶显示。

图9程序设计流程图

4.2应用程序设计

主程序在对定时器、计数器、堆栈等进行初始化后即判断标志位是否为1，如果为1，说明要求对数据进行计算处理，首先将标志位清零，以保证下次能正常判断，然后进入数据处理程序，由于这里的闸门时间为1s，而显示要求为转/分，因此，要将测到的数据进行转换，转换的方法是将测得的数据乘以60，但由于转轴上安装有4只磁钢，每旋转一周可以得到4个脉冲，因此，要将测得的数据除以4，所以综合起来，将测得的数据乘以60/4=15即可得到每分钟的转速。

计算得到的结果是二进制的整数，要将数据送往显示缓冲区需要将该数转化为BCD码。

运算得到的是压缩BCD码，需要将其转换为非压缩BCD码，从标号CBCD开始的一段程序即作了这样的处理[。

定时器T0用作4ms定时发生器，在定时中断程序中进行数码管的动态扫描，同时产生1s的闸门信号。

1s闸门信号的产生是通过一个计数器Count，每次中断时间为4ms，每计250次即为1s，到了1s后，即清除计数器Count，然后关闭作为计数器用的INT0，读出TH0、TL0中的数值，分别送入SpCount和SpCount+1单元，将T0中的值清空，置标志位为1，要求主程序进行速度值的计算。

这里还有一个细节，用作1s闸门信号产生的Count每次中断都会加1，而INT0却有一个周期是被关闭的，因此，计数值是251而不是250。

系统采用外部晶振，系统时钟SYSCLK等于18432000，T0定时1ms，初始化时TH0=（-SY-SCLK／1000）》8；TL0=-（SYSCLK／1000）。

等待1s到，输出转速脉冲个数N，计算电机转速值。

将1s内的转速值换算成1min内的电机转速值，并在LCD上输出测量结果。

5霍尔传感器测速设计原理框图及PCB图

图10霍尔传感器设计原理图

图11霍尔传感器PCB图

6实训总结

这次实训是体现我专业优势和特点的一次锻炼。

从选题，到选原理图制版至最后的写论文。

其间查找资料，老师指导，与同学交流，反复修改PCB，每一个过程都是对自己能力的一次检验和提高。

通过这次实践，我了解了数字电压表的制作，工作原理及相关芯片的使用和工作原理，锻炼了自己的实际动手能力，培养了自己独立工作能力。

我觉得这次实训是对我专业知识和实际动手能力的一次综合检验，同时也是为自己今后走向社会的一次热身。

这次实训收获颇多，比如学会了查找有用信息跟相关资料，有用的数据，并熟悉了做板的流程和巩固了相关专业知识。

与此同时，这次实训中也暴露出自己专业基础知识的很多不足之处以及缺乏综合应用专业知识的能力，对材料的不了解。

此次实践是对自己大学两年所学的知识的一次大检阅，使我明白自己知识还很不全面。

在最后的两年大学生活里，自己的求学之路还很长，以后更应该在工作实践中不断学习，努力使自己成为社会所需要的人才。

这次通过对直流数字电压表的设计与制作，让我了解了单片机的原理和单片机应用电路的设计理念，要制作一个电子产品一定要严格按照原理图设计，而且最后的成品不一定要与想象的完全一样，因为在实际焊接中有着各种各样的问题，所以一定要细心，这样做出来的产品才比较美观。

在做直流数字电压表的过程中，在一次又一次的失败面前，我没有退缩，而是勇敢的面对，积极的解决，不懂的地方大胆的向老师、同学请教，一问再问直到自己弄懂为止，通过充分的运用所学知识和老师、同学的帮助，我终于取得了成功。

通过亲自动手焊接、试验，遇到问题解决问题，我巩固了书本的知识，同时也学到了新的学问，明白了实践的可贵性，动手能力的提高，细心与耐心的培养，品尝自己劳动成果的喜悦，是我在这次实训中的最大的收获。

谢辞

虽然实训只有短短两个星期，但它的影响却留存长久，它让我们自己动手，品尝成功的喜悦，激发了我们对实践的兴趣与热情，在很大程度上鼓舞了我们的学习决心，它让我们做了一回成功的自己，有着一定的成就感，增强了我们的自信心，让我们以更大的勇气面对以后的学习，给了我们开拓进取的动力。

在这里我要诚挚的感谢王守华老师，一开始就给了我们充足的信心以及动力去完成这次实训，时刻提醒我们要按时做好该做的工作，做板时出现的问题也在一直帮助指导我们，自始至终都倾注着老师的心血。

付老师以严谨的治学之道、宽厚仁慈的胸怀、积极乐观的生活态度，兢兢业业的工作作风和大胆创新的进取精神为我树立了学习的典范，你们教诲与鞭策将激励我在学习和生活的道路上励精图治，开拓创新。

你们渊博的知识、开阔的视野和敏锐的思维给了我深深的启迪。

在这里我以最诚挚的心意感老师们。

感谢你们的指导跟鼓励让我在这次实训中能成功地完成作品，感谢你们在大学生活里给予我的教导，感谢你们不止让我学到了知识还懂得了更多做人做事的道理与态度，真的很感谢老师们。

同时也感谢学院给我的这次学习锻炼的机会，让我学到了这么多的知识，增强了实践能力，得到了那么大的收获。

参考文献

[1]刘笃仁，韩保君，刘