霍尔传感器应用之数字转速表

1、 电子技术课程设计 一种霍尔集成传感器的应用设计 院（系）名称 信 息 工 程 学 院 专 业 班 级 XXXXXXXXXXXXXX 学 号 XXXXXX 学 生 姓 名 XXXXX 指 导 教 师 XXXXX 2012年6月1日 课程设计说明书摘要本课题是利用电子技术知识设计出一个数字转速表，数字转速表是一个将被测转轴的转速用数码显示电路进行定量显示的计数装置。用一个装有永久磁铁的转盘装置，可与被测轴相连，当被测轴旋转时，便带动转盘随之转动。当转盘上的磁铁经过霍尔集成传感器时，被转换成转速电信号。被测轴每旋转一周，霍尔集成传感器便输出一个电脉冲。时基信号在一个单位时间（例如1min）内控制选

2、通门开启，让转速信号脉冲通过，后送至计数显示组件，实现在单位时间内的计数。当计数器的内容被送至寄存器并被显示后，上一次的测量结果被刷新，在下一个时基信号上升沿到来时，又重复上述过程。关键字：霍尔传感器 555电路 选通门电路 数字转速表目录1 绪论11.1课题描述11.2 基本工作原理及框图12 相关芯片及硬件电路设计22.1 霍尔传感器相关介绍2 2.1.1 霍尔效应2 2.1.2 霍尔传感器3 2.1.4霍尔传感器的特性3 2.1.5霍尔传感器的应用42.2时基信号发生器52.2.1555定时器内部结构52.2.2多谐振荡器工作原理62.2.3振荡周期72.3选通门电路82.3.1 TTL

3、与非门的工作原理82.4 LED显示电路83数字电路表总电路图10总 结12致谢13参考文献14 第13页课程设计说明书1 绪论1.1课题描述 随着科学技术的发展电子应用技术日益频繁的被人们所利用，不仅在日常生活中而且在生产中更是被人们喜于接受。这些对推动我国经济发展以及提高生产效率等有重大意义。电子技术应用不仅应用在高端科技领域内而且和生活息息相关，例如各种电器电路板设计，维修等都需要结合电子技术来完成。而作为电子信息工程专业的学生掌握这一技术显得更为重要，而课程设计这一环节是对我们是否掌握知识的一大考验，或者是理论结合实际的一种锻炼，更是对我们前面所学过的科目如模拟电子技术才，数字电子技术

4、以及原理图设计等的综合应用。而且通过数字转速表设计这课题的设计通过真正意义上的实践来发现自己的不足并通过深思后再得到老师和同学的帮助更能留下深的印象并在以后的学习实践中来弥补自己的不足。而课程设计最大一方面的意义是能提高我们得应用能力和科技创新能力。本课题是设计一个具有实际应用意义的电子转速表，它是一个将被测转轴的转速用数码显示电路进行定量显示的技术装置。1.2 基本工作原理及框图时基信号电 路本课题设计的数字转速表是由装有永久磁铁的转盘、霍尔集成传感器、选通门电路、时基信号电路、计数及数码显示电路等组成。其基本工作原理是：由霍尔传感器获取转速信号，信号通过由时基信号控制的选通门，最后被送进计

5、数器，通过对脉冲进行计数而推算出转速,并由数字显示器件直接显示。LED显示器计数器转盘装置和霍尔集成传感器选通门电 路电路图1.2.1 转速表基本原理框图 2 相关芯片及硬件电路设计2.1 霍尔传感器相关介绍2.1.1 霍尔效应美国物理学家E·HALL于1879年发现了一种新的物理效应，即在一片金属拨片的前后方向通有电流I，在垂直于金属面的方向上加一个磁场（磁感应强度为B），就可以发现在金属薄片的左右两侧会产生电压VH 。实验证明，只要磁场不是特别强，VH和I及B成正比，与薄片的厚度d成反比。即：VH =RH·I·B/d图2.1.1 霍尔原理这个效应后来就以HAL

6、L来命名，称为霍尔效应。称VH为霍尔电压，RH霍尔系数，金属薄片也就称为霍尔元件。对于一个确定的霍尔元件RH和d都已确定，所以上式可以改写成：VH=(RH/d)·I·B=KH·I·B 这里KH=RH/d，KH就称为霍尔灵敏度 霍尔效应的本质是：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

7、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 霍尔传感器 霍尔传感器是根据霍尔效应制作的一种磁场传感器。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。图2.1.2 霍尔传感器霍尔传感器也称为霍尔集成电路，其外形较小。如图2.1.2所示，是其中两个型号的外形图。2.1.3霍尔传感器的分类霍尔传感器分为线型霍尔传感器和开关型霍尔传感器两种。（1）线性型霍尔传感器由霍尔元件、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

8、输出数字量。2.1.4霍尔传感器的特性（1）线性型霍尔传感器的特性图2.1.3 输出电压与外加磁场强度呈线性关系，如图2.1.3所示，可见，在B1B2的磁1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2.1.4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。图2.1.4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。2.1.5霍尔传感器的应用 （一

9、）线性型霍尔传感器主要用于一些物理量的测量。例如：1电流传感器由于通电螺线管内部存在磁场，其大小与导线中的电流成正比，故可以利用霍尔传感器测量出磁场，从而确定导线中电流的大小。利用这一原理可以设计制成霍尔电流传感器。其优点是不与被测电路发生电接触，不影响被测电路，不消耗被测电源的功率，特别适合于大电流传感。 霍尔电流传感器工作原理如图6所示，标准圆环铁芯有一个缺口，将霍尔传感器插入缺口中，圆环上绕有线圈，当电流通过线圈时产生磁场，则霍尔传感器有信号输出。2位移测量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，当霍尔传感器在Z轴上作Z位移时，传

10、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小。（二）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。在非磁性材料的圆盘边上粘一块磁钢，霍尔传感器放在靠近圆盘边缘处，圆盘旋转一周，霍尔传感器就输出一个脉冲，从而可测出转数（计数器），若接入频率计，便可测出转速。如果把开关型霍尔传感器按预定位置有规律地布置在轨道上，当装在运动车辆上的永磁体经过它时，可以从测量电路上测得脉冲信号。根据脉冲信号的分布可以测出车辆的运动速度。2.2时基信号发生器用555定时电路构成的多谢振荡器作为时基信号发生器。2.

11、2.1555定时器内部结构555定时器是一种模拟电路和数字电路相结合的中规模集成电路,其内部结构如图2.2.1及管脚排列如图2.2.2所示。 图2.2.1 555定时器内部结构 图2.2.2 555定时器管脚排列 它由分压器、比较器、基本R-S触发器和放电三极管等部分组成。分压器由三个5的等值电阻串联而成。分压器为比较器、提供参考电压，比较器的参考电压为，加在同相输入端，比较器的参考电压为，加在反相输入端。比较器由两个结构相同的集成运放、组成。高电平触发信号加在的反相输入端，与同相输入端的参考电压比较后，其结果作为基本R-S触发器端的输入信号；低电平触发信号加在的同相输入端，与反相输入端的参考

12、电压比较后，其结果作为基本RS触发器端的输入信号。基本R-S触发器的输出状态受比较器、的输出端控制。2.2.2多谐振荡器工作原理 由555定时器组成的多谐振荡器如图2.2.3所示，其中R1、R2和电容C为外接元件。其工作波如图2.2.4所示。 图2.2.3 555定时器构成的多谐振荡器图2.2.4 多谐振荡器工作电波设电容的初始电压0，t0时接通电源，由于电容电压不能突变，所以高、低触发端0<，比较器1输出为高电平，输出为低电平，即，（1表示高电位，0表示低电位），触发器置，定时器输出此时，定时器内部放电三极管截止，电源经，向电容充电，逐渐升高。当上升到时，输出由0翻转为，这时，触发顺保

13、持状态不变。所以0<t<期间，定时器输出为高电平。时刻，上升到，比较器的输出由1变为0，这时，触发器复0，定时器输出。期间，放电三极管导通，电容通过放电。按指数规律下降，当时比较器输出由0变为1，触发器的，的状态不变，的状态仍为低电平。时刻，下降到，比较器输出由1变为0，R-S触发器的1，0，触发器处于1，定时器输出。此时电源再次向电容C放电，重复上述过程。通过上述分析可知，电容充电时，定时器输出，电容放电时，0，电容不断地进行充、放电，输出端便获得矩形波。多谐振荡器无外部信号输入，却能输出矩形波，其实质是将直流形式的电能变为矩形波形式的电能。2.2.3振荡周期 由图2.2.4可知

14、，振荡周期。为电容充电时间，为电容放电时间。充电时间 放电时间 矩形波的振荡周期因此改变、和电容C的值，便可改变矩形波的周期和频率。对于矩形波，除了用幅度，周期来衡量外，还有一个参数：占空比q，q=（脉宽）/（周期T），指输出一个周期内高电平所占的时间。图（C）所示电路输出矩形波的占空比。 2.3选通门电路2.3.1 TTL与非门的工作原理 （ 1 ）电路结构 如图2.3.1所示，TTl与非门电路图2.3.1 TTl与非门电路组成：I：输入级 V1多发射极管（共用基极，电极） II：中间级（例相级）V2R2R3. III：输出级V3+V4达林顿管（设计输出器）与V3构成推拉式输出级。 （2）工

15、作原理输入有低电平 0.3V ： K 点电位为 1V; V 1 导通， V 2 ,V 5 截止， V 3 V 4导通。（ F 为 3.6V高电平。 )输入全为高电平 3V 则 K 点电位 3.7V 在三个 PN 结的钳制下 V K =2.1V，V 1 集电结正偏发射结反偏。R 1 处于倒置工作状态（ B 反）R 1 V 5 - 饱和M点电位 1V则 V 3 微导通，V 4 截止（则 F=0.3V 低电平）2.4 LED显示电路计算机输出的是BCD码，要想在数码管上显示十进制数，就必须先把BCD码转换成 7 段字型数码管所要求的代码。我们把能够将计算机输出的BCD码换成 7 段字型代码，并使数码

16、管显示出十进制数的电路称为“七段字型译码器”。 图2.4.1 七段字型译码器在数字测量仪表和各种数字系统中，都需要将数字量直观地显示出来，一方面供人们直接读取测量和运算的结果；另一方 面用于监视数字系统的工作情况。因此，数字显示电路是许多数字设备不可缺少的部分。数字显示电路通常由译码器、驱动 器和显示器等部分组成，如图2.4.2所示。 下面对显示器和译码驱动器分别进行介绍。 图2.4.2 数字显示电路组成方框图 数码显示器是用来显示数字、文字或符号的器件，现在已有多种不同类型的产品，广泛应用于各种数字设备中，目前数码显示器件正朝着小型、低功耗、平面化方向发展。 数码的显示方式一般有三

17、种：第一种是字形重叠式，它是将不同字符的电极重叠起来，要显示某字符，只须使相应的电极发 亮即可，如辉光放电管、边光显示管等。第二种是分段式，数码是由分布在同一平面上若干段发光的笔划组成，如荧光数码管等。第三种是点阵式，它由一些按一定规律排列的可发光的点阵所组成，利用光点的不同组合便可显示不同的数码，如场致发光记分牌。 数字显示方式目前以分段式应用最普遍，图2.4.1表示七段式数字显示器利用不同发光段组合方式，显示015等阿拉伯数字。在实际应用中，1015并不采用，而是用2位数字显示器进行显示。 3数字电路表总电路图数字转数表的电路如图3-1所示。它主要由装有永久磁铁的磁盘、霍尔集成传感器、选通

18、门电路、时基信号电路、电源计数及数码显示电路等组成。计数及数码显示电路采用CMOS-LED数码显示组件CLlO2，它可以计数并显示数码。图3-1 数字转数表的电路转盘的输入轴与被测旋转轴相连，当被测轴旋转时，便带动转盘随之转动。当转盘上的小永久磁铁经过霍尔集成传感器IC1时，IC1便会将磁信号转换为转速电信号。该信号经与非门l反相输人至与非门3的输入端，而与非门3的另一输大端接来自时基电路IC2的方波脉冲信号。这个时基信号是用来控制与非门3的开与刁，形成选通门，以此来控制转速信号能否从与非门3输出。当接通电源后，转速信号立即被送往与非门3的输入端，如果此时时基信号为低电平，则选通门关闭，转速信

19、号元法通过选通门。当第一个时基信号到来时，选通门才被打开，并同时使CMOS-LED数码显示组件IC4、IC5、IC6的LE端呈寄存状态。时基信号的上升沿也同时触发由与非门4、5组成的反相器及由R4、R5、R7、C3、VD2及VD3组成的微分复位电路，复位脉冲由VD3输出后加至IC4、IC5、IC6的R端，使址数器复位清零。在完成上述功能后，时基信号在一个单位时间(例如lmin)内保持高电平。在这段时间内，选通门与非门3一直处于开启状态，转速信号则通过选通门送至LED数码显示组件，实现了在单位时间内的计数。在单位时间结束时，时基信号又回到低电平，此时选通门关闭并自动置计数电路的LE端为选通状态。

20、此时，计数器的计数内容送至寄存器并同时显示其内容。当第二个时基信号到来时，又把计数器的内容清零，并重复上述过程。但此时的寄存器及显示器的内容不变，只有当第二次采样结束后，才会更新而显示新的测试结果。总 结通过这次课程设计我学会了很多东西，不仅在知识方面还有在做人做事方面，总的来说是受益匪浅。课程设计使我明白了：不积跬步，无以至千里的道理。课题设计关键还是平时多积累知识还有就是有团队合作精神，更重要的是有不怕麻烦，敢于迎着困难而上的精神。通过这几天的学习心里还是有几点感受的：团队合作很重要。拿到课题之后同学们对第一次课程设计都不熟悉，而在一起讨论并结合老师给的模板无疑是最重要的，最有效的。在我们

21、资料不是很多的情况下在一起共享我们手中有的资料更能提高我们完成设计的效率，而且最为重要的是这样更能促进我们小组成员之间的团队能力，这样为以后合作提供双赢的机会。有效率的利用网络。现在是网络时代，提倡的就是资源共享，这在为我们大家搜索可利用资源方面提供有效的工具，更是为工作节约的大量的时间。但是学会合理筛选资源更重要，因为网络上资源大部分是不能和我们的心意的，这就需要去筛选。像大的搜索引擎百度，谷歌等只要我们输入有效的关键字是很容易得到我们想要的。但是选资源是还是选择更为专业的为好，像百度文库等。抱着不完成作业誓不罢休的精神。由于对课程设计还不是很熟悉再加上工作量很大，需要查找很多资源，画电路图也比较麻烦所以会经常出错，所以一定有不