传感器与测试技术课程设计

传感器与测试技术上课成设定计策报纸苏名称：学号：专业领域：1.1系统方块图系统由传感器、信号预处理电路、处理器、显示器和系统软件等组成。传感器部分使用霍尔传感器，其作用是将电动机的速度转换为脉冲信号。信号预处理电路包括正在测量的信号放大、波形转换、波形整形电路等。其中放大器实现了测量信号的放大，降低了测量信号的幅度要求，实现了小信号的测量。波形转换和波形整形电路将正负交变信号波形转换为TTL/CMOS兼容的信号，该信号可以被单芯片微机接受。处理器是AT89C51微控制器，显示器使用8位LED数字管动态显示。本课题采用以8051系列AT89C51微控制器为中心开发的霍尔传感器测量速度的系统。如图1所示，显示了系统硬件框图。1.2系统工作原理旋转速度是工程中常用的参数，旋转主体的速度通常以每分钟的旋转数表示。单位为r/min。由霍尔元件和外围设备组成的速度测量电路将电机速度转换为脉冲信号，传输到微控制器AT89C51的计数器T0，并使用T1定期测量电机的实际速度。该系统采用单片机进行速度测量，采用脉冲计数法，利用霍尔传感器获得脉冲信号。在轴盘上贴上两个磁铁，使霍尔传感器接近磁铁，主轴每周产生两个脉冲，主轴旋转，产生连续脉冲信号输出等机器结构也更简单。由霍尔装置的电路部分输出，成为速度计数器的计数脉冲。控制计数时间后，计数器的计数值与机器轴的速度值相对应。微控制器CPU在处理数据后通过LED显示。1.2.1霍尔传感器霍尔传感器是对磁性敏感的传感器元素，由自强，虎鱼组件等组成。测量系统中的速度传感器使用SiKO的NJK-8002D霍尔传感器，响应频率为100KHz，额定电压为5-30(V)，检测距离为10(mm)。在大电流磁场或磁场下，可以测量高频、工频、直流等各种波形电流。该传感器具有高测量精度、宽电压范围、小功耗、大输出功率等优点，广泛应用于高速计数、频率测量、速度测量等。输出电压4至25v，直流电源必须具有以n极测量的足够的滤波电容器。安装时，将非磁性光盘固定在电机轴上，在光盘边缘粘贴磁铁，磁铁使用永久磁铁，磁力强，孔组件固定在光盘1-10mm上。磁铁和霍尔元件的相对位置发生变化时，通过霍尔元件的磁表面磁场强度发生变化。圆盘旋转，磁铁靠近霍尔元件，通过霍尔元件的磁场强，霍尔元件输出低水平；磁场减弱后，输出功率会很高，在圆盘旋转的同时，霍尔元件会输出连续脉冲信号。这个传感器在工业现场广泛使用，不怕灰尘和油渍。1.2.2速度测量原理霍尔装置由长度、宽度、高度分别为l、b、d的半导体材料制成。外部磁场b垂直于薄片平面(沿厚度d)，并且在l方向的两端加上外部电场，就会产生恒定电流。电子在磁场内运动，因此以f=qVB大小受到劳伦磁力中心：f-Lauren磁性、q-载体电荷、v-载体运动速度、b-磁感应强度。这样，电子的移动轨迹发生偏移，在霍尔元件片的两侧分别产生电子积累或电荷过剩，形成霍尔电场，霍尔元件两侧之间的电位差HU称为霍尔电压。孔电压大小为：中间：RH-孔常数、d-元素厚度、b-磁感应强度、I-控制电流KH是孔元件的感应系数(mV/mA/T)，表示此孔元件在单位磁感应强度和单位控制电流下输出孔电动势的大小。请注意，电磁感应强度b逆转，霍尔电动势也反转。图2是霍尔元件的原理结构图。在控制电流保持恒定的情况下，霍尔感应电压取决于外部磁场强度，根据该原理，两个永磁体可以固定在电机轴上转盘的边缘，表盘与正在测量的轴一起旋转，在表盘与轴一起旋转的同时，霍尔元件受磁铁产生的磁场的影响，传递输出脉冲信号的表盘也随之旋转。传感器内置电路将该信号放大、整形、良好的矩形脉冲信号输出、更宽的测量频率范围、更准确、更可靠的输出信号广泛应用于工业、汽车、航空等速度测量领域。其频率与速度成正比，可以通过测量脉冲的周期或频率来计算速度。基于霍尔传感器测速系统的硬件设计2.1系统硬件电路2.2系统总电路模拟图基于霍尔传感器测速系统的软件设计本设计软件由三部分组成：主程序、数据处理显示程序、计时器中断服务程序。(1)主程序主要完成LED显示初始化、中断初始化、计时器初始化、寄存器、标志位初始化等初始化功能。主程序流程图如图5所示。(2)数据处理显示模块程序。在此模块中，单片机在一秒内处理计数值，并将其转换为r/min发送显示缓存以供显示。具体算法如下：单片机每秒n/2(r/s)(磁盘上连接了两个磁体)。N/2(r/s)=30n(r/min)。也就是说，将计数值乘以30，就能得到每分钟电动机的速度。数据处理显示模块流程图如图6所示。(3)计时器1中断服务编程。计时器1更新定时功能、定时50ms、定时中断次数和每1s的显示数据。流程图如图7所示。4.创建调试4.1硬件调试在硬件调试过程中，逐步调试硬件的各个功能模块，并在调试成功后对其进行调整。安装固定马达和霍尔传感器时要附着磁铁，请注意霍尔传感器对磁场方向敏感，因此在附着前可以手动接近传感器，如果没有信号输出，可以换个方向再试。霍尔传感器探头对准转盘上磁钢的位置，安装距离必须在10mm以内，才能检测感应磁场变化。磁场增强后，霍尔传感器输出较低的水平，指示灯亮起。磁场减弱后，高水平输出，指示灯熄灭。传感器旋转时，感应电压指示灯高频率闪烁，因此指示灯没有明显闪烁。如果对NJK8002D霍尔传感器应用15V电压，则输出端可以输出4V感应电压。输出振幅为4V的矩形脉冲信号。5.2软件调试如果已连接测量系统和PC，则在将电源线连接到USB接头之前，必须连接串行通信电缆。卸下时，首先拔下电源，然后拔下串行通信电缆。否则，很容易损坏PC上的串行端口。软件编程调试需要MedWinV2.39软件，这是单片机的集成开发环境。编程时容易出现错误的输入或其他一些语法错误，最重要的是，必须调试没有达到所需功能的语法错误的模块，然后才能将其排除。MedWinV2.39软件具有强大的编程调试功能，可以模拟实际微控制器端口和内部功能部件的状态值。该软件具有硬件调试和软件调试功能，可以观察单芯片内存设备的操作值，从而显示单芯片端口、中断、计时器1、计时器2和串行端口的操作值。可以单步调试或调试模块。最好的是，您可以为可疑的语句模块设置断点。通过MedWinV2.39强大的编译调试任务，可以轻松调试软件部分。在特定调试过程中，系统分别调试数据处理程序、密钥编程、中断服务子程序和LED显示程序，以便对主程序进行全面调试。编译后生成对象代码BIN文件。使用AT微控制器下载相应的软件，然后下载到实验版的单片机上。软件下载的最后一步：单击软件界面中的“下载”按钮后，软件将自动完成程序下载，但前提是实验版的串行通信线和电源线与PC连接良好，实验版的电源开关关闭，单击“下载”按钮，然后打开实验版电源开关。最后结合硬件和软件，通过全面调试实现了系统的速度测量功能。5.分析测试结果设计基本上完成了主题内的各项要求，其中电机速度的测量比较准确，与实际速度有10转/分钟左右的差异，准确度在整个范围内优于10转/分，有一定的误差，分析主要是由于以下原因：(1)电机的转盘是用塑料盘换成的，因此高速旋转时容易发生不稳定的振动，因此得到的脉冲信号频率与实际速度有一定的误差。2)妨碍处理的入口和中断处理程序都有一定的时间错误，导致计时时间的错误，这也是导致测量错误的因素。3)在固定设备时手动操作，因此初始信号获取有一定的时差。结论：霍尔传感器具有灰尘、油污染、简单安装、容易损坏等优点