基于霍尔传感器的单片机测速装置设计.docx

1、基于霍尔传感器的单片机测速装置设计1 概述 31.1 课题背景 31.2 本设计课题的目的和意义 41.3 设计的要求 42 设计原理和方案 42.1 霍尔传感器的介绍 42.1.1 霍尔效应 52.1.2 霍尔器件 52.1.3 霍尔传感器的分类 62.1.4 霍尔传感器的特性 72.2 霍尔测速设计原理 82.2.1 转速测量的方法 82.2.2 各种转速测量的优缺点 82.2.3 检测部分 92.2.4 处理部分 92.2.5 显示部分 92.3 系统总体设计方案 103 硬件设计 103.1 电源部分 103.2 霍尔测速装置 113.3 转速信号处理电路 133.4 单片机系统 13

2、3.5 ISP下载接口 143.6 LCD液晶显示电路 143.6.1 LCD显示的基本原理 153.6.2 1602LCD的基本参数及引脚功能 154 软件设计 165 设计仿真 175.1 Proteus简介 175.2 Multisim 软件简介 195.3 Keil 软件简介 216 总结 22致谢 24附录一 26附录二 27摘要：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，转速信号处理电路，通过8050三极管对信号整形处理，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K

3、eil软件进行单片机的C语言编程，并且通过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、成本低、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，该测量方法有明显的优势。关键词：霍尔传感器；速度测量；单片机；系统设计1 概述1.1 课题背景在我们的日常生活中，霍尔传感器被广泛应用。例如，在翻盖或是滑盖的手机中，用来检测手机盖翻开或是滑动的器件就是霍尔传感器；再如，在电脑键盘上，实现光标移动的滚动键就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。我们在每天的生活中都在与

4、霍尔传感器打交道。传统式的转速测量通常是采用测速发电机为检测元件，这种方法是模拟式的，因此其得到的信号是电压信号，其抗干扰能力差，灵活性差。随着微型计算机的广泛应用，现在的转速测量普遍采用了以单片机为核心的数字化测量，其通常采用光电编码器，霍尔元件等为检测元件。转速是工程中应用非常广泛的一个参数，其测量方法较多，而模拟量的采集和模拟处理一直是转速测量的主要方法，这种测量方法已不能适应现代科技发展的要求，在测量范围和测量精度上，已不能满足大多数系统的使用。随着大规模及超大规模集成电路技术的发展，数字系统测量得到普遍应用，特别是单片机对脉冲数字信号的强大处理能力，使得全数字测量系统越来越普及，其转

5、速测量系统也可以用全数字化处理。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：对各种测量转速的基本方法予以分析，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出发，分析讨论其产生误差的可能原因，为今后的实际使用提供借鉴。并从实际硬件电路出发，分析电路工作原理和软件流程，根据仿真情况提出修改方案和解决办法。本设计以单片机为中心，设计的全数字化测量转速系统，在工业控制和民用电器中都有较高使用价值。其可以应用于工业控制中的某一部分，如数控车床的电机转速检测和控制、水泵流量控制以及需要利用转速检测来进行控制的许多场合。如车辆的里程表、车速表等

6、。其次该转速测量系统由于采用全数字化结构，因而可以很方便的和工业控制计算机进行连接，实行远程管理和控制，进一步提高现代化水平。并且，几乎不需做很大改变直接就能作为单独的使用产品。总之，转速测量系统的研究是一件非常有意义的课题。1.2 本设计课题的目的和意义在工程实践中，经常会遇到各种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试验、运转和控制中，常需要分时或连续测量和显示其转速及瞬时转速。要测速，首先要解决是采样问题。在使用模技术制作测速表时，常用测速发电机的方法，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。为了能精确地测量转速外，还要保证

7、测量的实时性，要求能测得瞬时转速方法。因此转速的测试具有重要的意义。这次设计内容包含知识全面，对传感器测量发电机转速的方法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，单片机部分的内容，显示部分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。进一步锻炼我们在信号采集，处理，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、高可靠性、无火花、无自激振荡、温度性能好、抗污染能力强、构造简单、坚固、体积小、耐冲击等优点，所以选用霍尔效应接近式传感器作为自动控制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

8、信号，但是由于存在电磁噪声干扰，必须对信号进行处理，从而提高采集准确度和抗干扰能力。处理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，再经过相应的软件设计，就可以通过LCD显示电路显示出电机的转速。1.3 设计的要求（1）霍尔传感器能够接受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理电路能够产生给单片机处理的TTL电平；（3）能够精确的在液晶显示屏上显示齿轮的转速。2 设计原理和方案2.1 霍尔传感器的介绍霍尔传感器是根据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（Edwin H. Hall，18551938）于1879年

9、在研究金属的导电机构时发现的。后来发现半导体、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种霍尔组件，广泛地应用于工业自动化技术、检测技术及信息处理等方面。霍尔效应是研究半导体材料性能的基本方法。通过霍尔效应实验测定的霍尔系数，能够判断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。霍尔器件是一种采用半导体材料制成的磁电转换器件。如果在输入端通入控制电流IC，当有一磁场B穿过该器件感磁面，则在输出端出现霍尔电势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常用于测量磁场强度，其测量范围从1

10、0Oe到几千奥斯特。尽管人们早在1879年就知道了霍尔效应，但直到20世纪60年代末期，随着固态电子技术的发展，霍尔效应才开始被人们所应用。2.1.1 霍尔效应在半导体薄片两端通以控制电流，并在薄片的垂直方向施加磁感应强度为B的匀强磁场，则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。这一现象便是霍尔效应，如图2.1霍尔效应原理图所示。图2.1 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，并在材料两侧产生电荷积累，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衡，从而在两侧建立起一个稳定的电势差即霍尔电压。正交电场

11、和电流强度与磁场强度的乘积之比就是霍尔系数。平行电场和电流强度之比就是电阻率。大量的研究揭示：参加材料导电过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，使用时常常需要将获得的霍尔电压进行放大。后者将霍尔片和它的信号处理电路集成在同一个芯片上。根据霍尔效应，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2.2霍尔元件的组成及型号命名方法所示。图2.2 霍尔元件的组成及型号命名它具有对磁场敏感、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、

12、自动化、计算机和信息技术等领域得到广泛的应用。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），霍尔额定激励电流，霍尔最大允许激励电流，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。2.1.3 霍尔传感器的分类 按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、

13、线性放大器和射极跟随器组成，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。霍尔传感器是根据霍尔效应原理而制成的电流和电压传感器。根据对霍尔电势处理的方式不同，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理以后提供给检测仪器或控制设备，就是所谓的直接检测式霍尔电流传感器。这种传感器耐压等级高，成本低，性能稳定，但精度受温度变化影响大，动态响应特性很不理想。我公司采用电路补偿，圆满解决以上问题。2）第二类是磁场平衡式霍尔传感器，它采用了单或双霍尔元件，并工作在零磁通状态，且有以下特点：（1）测量范

14、围宽，可测量各种电流，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衡式霍尔传感器为主。2.1.4 霍尔传感器的特性（1）线性型霍尔传感器的特性图2.3 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2.3线性型霍尔传感器的特性所示，可见，在B1B2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则呈现饱和状态。（2）开关型霍尔传感器的特性 如图2.4开关型霍尔传感器的特性所示，其中BOP为工作

15、点“开”的磁感应强度，BRP为释放点“关”的磁感应强度。图2.4 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为高电平。Bop与Brp之间的滞后使开关动作更为可靠。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3.5锁键型霍尔传感器特性所示。图2.5 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为低电平，而在外磁场撤消后，其输出状态保持不变（即锁存状态），必须施加反向磁感应强度达到Brp时，才能使电平产生变化

16、。2.2 霍尔测速设计原理2.2.1 转速测量的方法转速测量的方法有以下几种：（1）定时计数法（测频率法）。其主要原理如下：在一定的时间间隔T1内，计数被测信号的重复变化次数N，则被测信号的频率f可表示为： 式（2.2.1）（2）定数计时法（测周期法）。其主要原理如下：在被测信号的一个周期内，计数时钟脉冲数为m，则被测信号的频率fx可以采用下列表达式计算：（式中fc为时钟频率） 式（2.2.2）2.2.2 各种转速测量的优缺点（1）测频率法测频法在测量上有量化 ，低速时测量误差较大，其误差可采用下列表达式计算： 式（2.2.3）显然信号频率较低时，即N较小，则有较大的误差。（2）测周期法测周期

17、法在测量上也有 时间单位误差，高速测量有较大的误差，其误差可采用下列表达式计算： 式（2.2.4）显然当被测信号频率较高时，对于一定的时钟频率，则m越小，显然误差较大。2.2.3 检测部分转速测量对于检测部分要求较高，一般而言特别是数字化测量时，检测部分可采用光电式传感器（一般是光栅传感器），霍尔传感器以及光电编码器等，对于本次设计而言，采用霍尔传感器，此霍尔传感器HZL201的优点是主要有三个：一是霍尔转速传感器的输出信号不会受到转速值的影响；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控制系统的转速检测中。同时，霍尔转速传感器的稳定性

18、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频率范围宽，远远高于电磁感应式无源传感器。另外，霍尔转速传感器在防护措施有效的情况下，可以不受电子、电气环境影响。霍尔转速传感器的测量结果精确稳定，输出信号可靠，可以放油、防潮，并且能在温度较高的环境中工作，普通霍尔转速传感器的工作温度可以达到100。霍尔转速传感器的安装简单，使用方便，能实现远距离传输。注意检测部分主要除了霍尔传感元件外，还应包括测速齿轮，磁性转盘等。2.2.4 处理部分主要是单片机处理器，考虑到在工业环境中存在许多干扰，因此对单片机的基本要求是抗干扰强。这里主要介绍一下软件抗干扰

19、技术。（1）软件“看门狗”的应用选用某个定时器作“看门狗”，“看门狗”启动后应及时复位。（2）指令冗余技术可采用NOP指令，这会有效地降低程序计数器发生的错误（3）软件陷阱技术采用以下软件陷阱指令格式NOPNOPNOPLJMP 0000H2.2.5 显示部分主要采用LCD液晶显示电路，字符型液晶显示模块是一种专门用于显示字母、数字、符号等点阵式LCD，目前常用16*1，16*2，20*2和40*2行等的模块。1602LCD是指显示的内容为16*2，即可以显示两行，每行16个字符液晶模块（显示字符和数字）。2.3 系统总体设计方案按照霍尔传感器转速装置设计方案，总设计电路框图如图2.6所示。HZ

20、L201霍尔齿轮传感器接受齿轮信号盘的转动，转化为近似方波脉冲信号。由于要使用单片机进行转速信号计数，霍尔传感器输出的方波脉冲信号必须转化为标准TTL电平，所以在信号处理流程图中加入了信号处理电路。通过这个电路就能将霍尔传感器输出的电压信号变为标准的TTL电平，之后要做的工作就是将该转速信号显示在LCD上，通过一系列的处理，就能实时地反应转速信号的变化。图2.6 霍尔测速总设计电路框图3 硬件设计硬件电路主要分为电源部分、霍尔测速装置（转速信号处理电路）、单片机系统、ISP下载接口和LCD液晶显示电路五部分。3.1 电源部分本设计的电源部分分别有LM7805和LM7815两部分组成。由于霍尔转

21、速传感器所需电源电压为520V，若加入5V电源，其输出高电平就大于等于4V，这样提供单片机的电压就不足5V，使其运作可能会产生不良的效果，所以本设计采用给霍尔传感器和单片机分别供电的电源系统如图3.1所示。图3.1 电源电路图用LM78/LM79系列三端稳压IC来组成稳压电源所需的外围元件极少，电路内部还有过流、过热及调整管的保护电路，使用起来可靠、方便，而且价格便宜。该系列集成稳压IC型号中的lm78或lm79后面的数字代表该三端集成稳压电路的输出电压，如lm7806表示输出电压为正6V，lm7909表示输出电压为负9V。 因为三端固定集成稳压电路的使用方便，电子制作中经常采用。 最大输出电

22、流1.5A，LM78XX系列输出电压分别为5V；6V；8V；9V；10V；12V；15V；18V；24V。在实际应用中，应在三端集成稳压电路上安装足够大的散热器（当然小功率的条件下不用）。当稳压管温度过高时，稳压性能将变差，甚至损坏。 当制作中需要一个能输出1.5A以上电流的稳压电源，通常采用几块三端稳压电路并联起来，使其最大输出电流为N个1.5A，但应用时需注意：并联使用的集成稳压电路应采用同一厂家、同一批号的产品，以保证参数的一致。另外在输出电流上留有一定的余量，以避免个别集成稳压电路失效时导致其他电路的连锁烧毁。3.2 霍尔测速装置霍尔测速装置主要包括测速齿轮以及转速变换装置，下面详细介

23、绍一下各个装置的原理以及结构图。霍尔转速传感器的主要工作原理是霍尔效应，也就是当转动的金属部件通过霍尔传感器的磁场时会引起电势的变化，通过对电势的测量就可以得到被测量对象的转速值。霍尔转速传感器的主要组成部分是传感头和齿圈，而传感头又是由霍尔元件、永磁体和电子电路组成的。（1）齿轮信号盘和转速测量装置安装图。测速齿轮信号盘如图3.2所示，信号盘可用一般的黑色钢板制成。它就是转速测量时所用的转盘，盘上共有24个齿。中心孔用来在电机转轴上定位，从而信号盘与电机的转轴一起转动，传感器固定在支架上，垂直于信号盘。其安装图如图3.3所示。当信号盘随电机转轴旋转时，信号盘的每个齿经过探头正前方时产生感应，

24、探头就输出一个标准的脉冲信号。对该信号盘而言，每24个脉冲对应电机的1个工作循环。因此，脉冲信号的频率大小就反映了信号盘转速的高低，可由单片机进行测量并换算为转速。图3.2 测速齿轮信号盘图 图3.3 转速变换装置图（2）霍尔传感器的选择文中选用的是国产的HZL201霍尔齿轮传感器，如图3.4所示。该霍尔传感器是一种用于测量速度、角度、转速、长度等的新型传感器。由传感黑色金属齿轮或齿条的齿数转换成电压脉冲信号来测量物体的速度、转速等参量。该传感器红色端接电源正极，黑色端接地，黄色端为输出端。而它的特点在于传感黑色金属目标、输出幅度与齿轮转速无关，低速性能优异，工作频率高达20 kHz，抗电磁干

25、扰，经过三防抗振处理，有电源极性反向保护，安装维修方便。基本电参数如表3.1所示。图3.4 HZL201霍尔齿轮传感器此霍尔齿轮传感器应用在汽车凸轮轴和曲轴速度/位置检测，汽车和工业用速度表，汽车的抗滑/牵引控制，链条传送带速度和距离检测，“运动停止”检测器，计数器中。其连接和调节方式有： 传感器安装时，齿轮转动方向与画线平行以便得到最佳敏度。适当调节工作距离，可使传感器可靠工作。 可无特殊说明，传感器输出均采用集电极开路输出方式。红线：电源正极 黄线：输出 黑线：地 所测齿轮的齿间距应大于3mm，如间距小于3mm可提供齿轮样本定制。表3.1 霍尔齿轮传感器电参数型号HZL2系列参 数符 号H

26、ZL201HZL260HZL202HZL204HZL2*A型B型C型D型可定制电源电压VC520V电源电流IC15mA输出低电平VOL0.4V输出高电平VOH（VCC1）V工作距离d11.5mm工作频率f020KHZ工作温度TE：-40 +85 L：-40 +150（3）霍尔转速传感器的工作原理霍尔转速传感器在测量机械设备的转速时，被测量机械的金属齿轮、齿条等运动部件会经过传感器的前端，引起磁场的相应变化，当运动部件穿过霍尔元件产生磁力线较为分散的区域时，磁场相对较弱，而穿过产生磁力线较为几种的区域时，磁场就相对较强。霍尔转速传感器就是通过磁力线密度的变化，在磁力线穿过传感器上的感应元件时，产

27、生霍尔电势。霍尔转速传感器的霍尔元件在产生霍尔电势后，会将其转换为交变电信号，最后传感器的内置电路会将信号调整和放大，输出矩形脉冲信号。3.3 转速信号处理电路根据转速信号处理电路以及总设计流程图，首先设计了信号处理电路，传感器输出的转速信号为方波脉冲信号，它的高电平低于15V高于14V，而低电平接近0。可见该脉冲信号的电压幅值与单片机接口不匹配，因此该电路又选用了一个由三极管（8050）组成的整形电路处理转速信号使其满足单片机的接收要求。当输出为高电平信号时，三极管Q1的基-射级处于正向偏置状态，故集-射极处于正向通路状态，其输出电压约为0；当输出为低电平信号时，三极管Q1的基-射级处于反向

28、偏置状态，故集-射极处于断路状态，其输出电压约为+5 V。转速信号处理电路如图3.5所示，经处理后的方波脉冲信号满足单片机的接收要求。图3.5 转速信号处理电路图3.4 单片机系统单片机采用AT89S52，采用12MHZ的晶振频率。单片机的P3.5口接被处理后的被测信号，P2口接液晶显示器的数据输入端，P1.0，P1.1，P1.2通过外接控制电路接液晶显示器的控制端。单片机系统的电路如图3.6所示。图3.6 单片机系统电路图3.5 ISP下载接口ISP的接口连接如图3.7所示。其中SCK、MISO、RST、MOSI分别接对应于单片机P1.7、P1.6、RST、P1.5管脚。NC管脚可接地也可悬

29、空。图3.7 ISP下载接口3.6 LCD液晶显示电路显示电路由1602液晶组成，RS为数据或命令选择端。RW为读写控制端，E为使能端。其电路如图3.8所示。其中D0D7分别对应单片机的P2.0P2.7引脚。RS命令选择端接单片机P1.0引脚；RW读写控制端接单片机P1.1引脚；E使能端接单片机P1.2引脚。图3.8 LCD液晶显示电路图3.6.1 LCD显示的基本原理液晶显示器各种图形的显示原理如下：线段的显示：点阵图形式液晶由MN个显示单元组成，假设LCD显示屏有64行，每行有128列，每8列对应1字节的8位，即每行由16字节，共168=128个点组成，屏上6416个显示单元与显示RAM区

30、1024字节相对应，每一字节的内容和显示屏上相应位置的亮暗对应。例如屏的第一行的亮暗由RAM区的000H00FH的16字节的内容决定，当（000H）=FFH时，则屏幕的左上角显示一条短亮线，长度为8个点；当（3FFH）=FFH时，则屏幕的右下角显示一条短亮线；当（000H）=FFH，（001H）=00H，（002H）=00H，（00EH）=00H，（00FH）=00H时，则在屏幕的顶部显示一条由8段亮线和8条暗线组成的虚线。字符的显示：用LCD显示一个字符时比较复杂，因为一个字符由68或88点阵组成，既要找到和显示屏幕上某几个位置对应的显示RAM区的8字节，还要使每字节的不同位为“1”，其它的

31、为“0”，为“1”的点亮，为“0”的不亮。这样一来就组成某个字符。但由于内带字符发生器的控制器来说，显示字符就比较简单了，可以让控制器工作在文本方式，根据在LCD上开始显示的行列号及每行的列数找出显示RAM对应的地址，设立光标，在此送上该字符对应的代码即可。汉字的显示：一般采用图形的方式，事先从微机中提取要显示的汉字的点阵码（一般用字模提取软件），每个汉字占32B，分左右两半，各占16B，左边为1、3、5右边为2、4、6根据在LCD上开始显示的行列号及每行的列数可找出显示RAM对应的地址，设立光标，送上要显示的汉字的第一字节，光标位置加1，送第二个字节，换行按列对齐，送第三个字节直到32B显示完就可以LCD上得到一个完整汉字。3.6.2 1602LCD的基本参数及引脚功能1602LCD分为带背光和不带背光两种，基控制器大部分为HD44780，带背光的比不带背光的厚，是否带背光在应用中并无差别，两者尺寸差别如下图3.9所示。图3.9 1602LCD尺寸差别图