基于开关霍尔健身器测距系统设计-开题报告

中 北 大 学毕业论文开题报告学 生 姓 名：学 号：学 院 、 系 ： 信息与通信工程学院专 业 ： 电气工程及其自动化论 文 题 目 ： 基于开关霍尔健身器测距系统设计指 导 教 师 : 2013 年 3 月 6 日毕 业 论 文 开 题 报 告文 献 综 述1.选课目的和意义： 目的：霍尔传感器具有良好的可靠性，灵敏度和温度稳定性，因而在汽车、工业控制和安全系统的位置、速度、电流等检测中得到广泛应用。本文将对（基于开关）霍尔传感器在测距领域的智能化测量应用进行研究，并设计出基于开关霍尔测距硬件电路系统。该测量技术将被设计成健身器材。意义：在本次设计中，涉及到传感器技术，电子测量技术，c 语言程序编写技术，以及数字信号处理等的多种学科知识的综合运用。通过本设计，能提高本专业各个学科综合知识的实际运用能力，提高实际动手能力，提高自身的科学性、系统性、及全面性的综合设计素质。2.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（18551938）于 1879 年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，利用这现象制成的各种霍尔元件，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 VH。在磁场力作用下，在金属或通电半导体中将产生霍耳效应，其输出电压与磁场强度成正比。基于霍耳效应的霍耳传感器常用于测量磁场强度，其测量范围从 10Oe 到几千奥斯特。尽管人们早在 1879年就知道了霍耳效应，但直到 20 世纪 60 年代末期，随着固态 电子技术的发展，霍耳效应才开始被人们所应用。如果把通有电流 i 的导体放在垂直于它的磁场中，则在导体的两侧 p1、p2 会产生一电势差 uh，它与电流 i 及磁感应强度 b 成正比，与导体厚度 d 成反比，即：uhk（ibd），式中 k 为霍尔系数。霍尔系数越大，表明霍尔效应越显著。人们常利用某些半导体材料（如锗、锑化铟）显著的霍尔效应来制成直流和低频磁场电压变换器。3.开关型霍尔传感器 1 总体介绍开关型霍尔传感器由稳压器、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。霍尔传感器也可分为开环原理和闭环原理。开环也就是开关型，闭环就是线性型的。霍尔传感器适用于气动、液动、气缸和活塞泵的位置测定亦可作限位开关用。当磁性目标接近时，产生霍尔效应经放大输出开关信号。与电感式开关比较有以下优点，可安装在金属中，可并排紧密安装，可穿过金属进行检测。缺点是：距离受磁场强度的影响及检测体接近方向的 影响，有可能出现二个工作点，固定时不允许使用铁质材料。总之霍尔传感器技术的实用化有了迅速发展，且以体积小、重量轻、检测分辨率高、灵敏度高、测温范围宽、保密性好、抗电磁干扰能力强、抗腐蚀性强等明显优于传统传感器的特点，其应用范围深入至国防军事、航天航空、土木工程、电力、能源、环保、医学等。现如今光纤传感器已经能够对温度、压力、温度、振动、电流、电压、磁场等物理量进行测定，发展空间相当广阔。2 开关型特性如图所示，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。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。4.工作原理：霍尔电流传感器是根据霍尔原理制成的。它有两种工作方式，即磁平衡式和直式。霍尔电流传感器一般由原边电路、聚磁环、霍尔器件、（次级线圈）和放大电路等组成。1 直放式电流传感器（开环式）众所周知，当电流通过一根长导线时，在导线周围将产生一磁场，这一磁场的大小与流过导线的电流成正比，它可以通过磁芯聚集感应到霍尔器件上并使其有一信号输出。这一信号经信号放大器放大后直接输出，一般的额定输出标定为 4V。2 磁平衡式电流传感器（闭环式）磁平衡式电流传感器也称补偿式传感器，即主回路被测电流 Ip 在聚磁环处所产生的磁场通过一个次级线圈，电流所产生的磁场进行补偿， 从而使霍尔器件处于检测零磁通的工作状态。磁平衡式电流传感器的具体工作过程为：当主回路有一电流通过时，在导线上产生的磁场被聚磁环聚集并感应到霍尔器件上， 所产生的信号输出用于驱动相应的功率管并使其导通，从而获得一个补偿电流 Is。 这一电流再通过多匝绕组产生磁场 ，该磁场与被测电流产生的磁场正好相反，因而补偿了原来的磁场， 使霍尔器件的输出逐渐减小。当与 Ip 与匝数相乘 所产生的磁场相等时，Is 不再增加，这时的霍尔器件起指示零磁通的作用 ，此时可以通过 Is 来平衡。被测电流的任何变化都会破坏这一平衡。 一旦磁场失去平衡，霍尔器件就有信号输出。经功率放大后，立即就有相应的电流流过次级绕组以对失衡的磁场进行补偿。从磁场失衡到再次平衡，所需的时间理论上不到 1s，这是一个动态平衡的过程。参考文献1 霍尔传感器趋势，互联网。2 侯振鹏. 嵌入式 C 语言程序设计M. 北京: 人民邮电出版社, 20063 彭军. 传感器与检测技术M. 西安: 西安电子科技大学出版社, 20034 白韶红，集成霍尔传感器的发展，自动化仪表，2003 年 03 期。5 胡少监，霍尔相位传感器组件及相关关键技术研究，中国科学院上海微系统所博士学位论文，2002 年 7 月。6 万和舟，一种开关型霍尔磁敏传感器芯片的设计，上海大学微电子中心硕士学位论文，2005 年 2 月。7 宁伟超，宽温区开关型霍尔磁敏传感器芯片的设计，上海大学微电子中心硕士学位论文，2007 年 1 月。8 马忠梅. 单片机的 C 语言应用程序设计M. 北京: 北京航空航天大学出版社, 20059 宋 青，权伟龙，齐新元，开关型霍尔传感器的原理与工程实现，物理实验，2003 年 07 期。10 陈东军，一种带有反馈随动机构的霍尔位移传感器研究，厦门大学机电工程系硕士论文，2001 年 10 月。11 赵亮. 单片机 C 语言编程与实例M. 北京: 人民邮电出版社, 200312 高茜，提高霍尔传感器精确度的研究，沈阳电力高等专科学校学报，2002 年 1 月。13 涂有瑞，半导体磁场传感器的过去和未来，传感器世界，2003 年 07 期。14 邓重一,欧伟明，一种霍尔传感器中的非线性问题修正方法的研究,电气开关,2005 年 06 期15 贺安之，阎大鹏.现代传感器原理及应用，宇航出版社，1995 年 6 月。16 刘庆刚,张存礼,刘婷.消除霍尔传感器误差的有效方法J, 自动化技术与应用,2006.(25)6:65-66 毕 业 论 文 开 题 报 告本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段（途径）：1. 选题研究的内容：霍尔传感器有着广泛的用途，本文主要研究开关型霍尔传感器测距的应用。我们将对气缸中磁环活塞的运动进行实时监测，当磁环活塞运动的位移达到系统要求的位移时，系统能自动报警提示并退出。2. 选题研究的技术路线、研究方法和要解决的主要问题：本设计主要分为原边电路、聚磁环、霍尔器件、（次级线圈），放大电路等。两 块 永 久 磁 铁 同 极 性 相 对 放 置 ， 将 线 性 型 霍 尔 传 感 器 置 于 中 间 ， 其 磁 感 应 强 度为 零 ， 这 个 点 可 作 为 位 移 的 零 点 ， 当 霍 尔 传 感 器 位 移 时 ， 传 感 器 有 一 个 电 压 输 出 ，电 压 大 小 与 位 移 大 小 成 正 比 。 如 果 把 拉 力 、 压 力 等 参 数 变 成 位 移 ， 便 可 测 出 拉 力及 压 力 的 大