霍尔传感器小车测距课程设计报告

1、-. z. -. -可修编- .传感器与检测技术课程设计论文设计题目：霍尔传感器测速系统设计者：王新班级：信科082*：10308211 指导教师：王超吴贺君日期：-. z.-. z.一、设计目的通过传感器及检测技术课程设计，使学生掌握传感器及检测系统设计的方法和设计原则及相应的硬件调试的方法。进一步理解传感器及检测系统的设计和应用。用霍尔元件设计测量车速的电子系统，通过对霍尔元件工作原理的掌握实现对车速测量的应用，设计出具体的电子系统电路，并且能够完成准确的车速测量。二、设计容及要求2.1设计容霍尔传感器一般由霍尔元件和磁钢组成，当霍尔元件和磁钢相对运动时，就会产生脉冲信号，根据磁钢和脉冲数

2、量就可以计算转速，进而求出车速。现要求设计一个测量系统，在小车的适当位置安装霍尔元件及磁钢，使之具有以下功能：功能：1LED数码管显示小车的行驶距离单位：cm。 2具有小车前进和后退检测功能，并用指示灯显示。 3记录小车的行驶时间，并实时计算小车的行驶速度。 4距离测量误差2cm。 5其它。2.2设计要求设计要求首先选定传感器，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。其次设计一个单片机小系统，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展测量或计数。再次实时测量显示并有报警功能，实时测量根据脉冲计

3、数来实现转速测量的方法。要求霍尔传感器转速为05000r/min。三、霍尔传感器测速原理3.1霍尔效应所谓霍尔效应，是指磁场作用于载流金属导体、半导体中的载流子时，产生横向电位差的物理现象。金属的霍尔效应是1879年被美国物理学家霍尔发现的。当电流通过金属箔片时，假设在垂直于电流的方向施加磁场，则金属箔片两侧面会出现横向电位差。半导体中的霍尔效应比金属箔片中更为明显，而铁磁金属在居里温度以下将呈现极强的霍尔效应。霍尔效应的原理图如图1-2所示。图1-2霍尔效应的原理图当电流I通过放在磁场中的半导体基片霍尔元件且电流方向和磁场方向垂直时，在垂直于电流和磁通的半导体基片的横向侧面上即产生一个电压，

4、这个电压称为霍尔电压UH。霍尔电压UH的上下与通过的电流I和磁场强度B成正比，可用以下公式表示： QUOTE 式中 QUOTE 霍尔元件的灵敏度 I电流 B磁场强度由上式知霍尔电动势与 QUOTE 、I、B有关。当I、B大小一定时， QUOTE 越大， QUOTE 越大。显然，一般希望 QUOTE 越大越好。假设磁感应强度B不垂直于霍尔元件，而是与其法线成*一角度时，此时的霍尔电动势为 QUOTE = QUOTE IBcos 由上式可知，当通过的电流I为一定值时，霍尔电压 QUOTE 与磁场强度B成正比，且当B的方向改变时，霍尔电势的方向也随之改变。即霍尔电压的大小只与磁场强度大小关而与磁通的

5、变化速率无关。如果所施加的磁场为交变磁场，则霍尔电势为同频率的交变电动势。由于通电导线周围存在磁场，其大小与导线中的电流成正比，故可以利用霍尔元件测量出磁场，就可确定导线电流的大小。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。假设把霍尔元件置于电场强度为E、磁场强度为H的电磁场中，则在该元件中将产生电流I，元件上同时产生的霍尔电位差与电场强度E成正比，如果再测出该电磁场的磁场强度，则电磁场的功率密度瞬时值P可由P=EH确定。如果把霍尔元件集成的开关按预定位置有规律地布置在物体上，当装在运动物体上的永磁体经过

6、它时，可以从测量电路上测得脉冲信号。根据脉冲信号列可以传感出该运动物体的位移。假设测出单位时间发出的脉冲数，则可以确定其运动速度。3.2霍尔元件基于霍尔效应做成的元件称为霍尔元件。因为乘积灵敏度K_H与半导体的电子浓度和霍尔元件厚度成反比，一般都是选择半导体材料做霍尔元件，且厚度选择得越小，K_H越高但霍尔元件的机械强度有所下降，且输入、输出电阻增加。因此，霍尔元件不能做得太薄。霍尔元件的壳体可用塑料、环氧树脂等制造。另外霍尔元件为四端子器件。3.3霍尔元件测速原理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，由霍尔器件电路局部

7、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通过喇叭和指示灯发出声、光报警信号。四、系统框图及主程序流程框图4.1系统框图以单片机AT89C5l为控制核心，用霍尔集成传感器作为测量转速的检测元件，最后用字符型液晶显示器1602(HD44780控制)显示的小型直流电动机转速的方法，是数字式测量方法，智能化微电脑代替了传统的机械式或模拟式构造。系统原理框图如图4-1所示。LCD显示车轮单片机声光

8、报警计数器光电耦合器霍尔传感器LCD显示车轮单片机声光报警计数器光电耦合器霍尔传感器图4-1系统原理框图本次设计系统以单片机AT89C5l为控制核心。用霍尔集成传感器作为测量小型直流电机转速的检测元件，经过单片机数据处理，用字符型液晶显示器1602显示小型直流电机的转速。另外系统还可完成对电机的开关控制、系统工作时间、当前时间及电机状态的显示。单片机转速测量系统。组成单片机转速测量系统的有传感器、处理器、计数器和显示器四个局部组成。YNNYN3次采样完毕等待中断初始化开场4.2主程序流程图YNNYN3次采样完毕等待中断初始化开场是否启动显示处理数据滤波处理是否到达报警器的值？Y五、硬件电路设计

9、是否启动显示处理数据滤波处理是否到达报警器的值？Y5.1整体电路设计霍尔传感器和电机机轴同轴连接，机轴每转一周，产生一定量的脉冲个数，由霍尔器件电路输出。经过电耦合器后，即经过隔离整形电路后，成为转数计数器的计数脉冲。同时霍尔传感器电路输出幅度为12V的脉冲经光电耦合后降为5V，保持同单片机AT89C51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。先进展初始化设置各定时器初值，然后判断是否启动系统进展测量。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

10、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。再进展数值的判断，假设数值高于5000rpm则报警并返回初始化阶段，否则就进展正常速度液晶显示。5.2传感器局部主要分为两个局部。第一局部是利用霍尔器件将电机转速转化为脉冲信号；第二个局部是使用光耦，将传感器输出的信号和单片机的计数电路两个局部隔开，减少计数的干扰。用于测量的A44E集成霍尔开关，磁钢用直径D=6.004mm，长度为L=3.032mm的钕铁硼磁钢。电源用直流，霍尔开关输出由四位半直流数字电压表测量，磁感应强度B用95A。5.3定时器中断主程序在对定时器、计数器、堆栈等进展初始化后即判断标志位是否为

11、1，如果为1，说明要求对数据进展计算处理，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，要将测到的数据进展转换，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。定时器T0用作4ms定时发生器，在定时中断程序中进展数码管的动态扫描，同时产生1s的闸门信号。1s闸门

12、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，即去除计数器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，要求主程序进展速度值的计算。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-SCLK1000)8；TL0=-SYSCLK1000。等待1s到，输出转速脉

13、冲个数N，计算电机转速值。将1s的转速值换算成1 min的电机转速值，并在LCD上输出测量结果。/*-主函数-*/ void main() int_all();/全局初始化 while(1) disp_count();/数据处理 if(zhuan5000) /转速警告 warning=1; if(zhuan4999) warning=0; write_mand(0*80); for (i=0;i5000) warning=1; if(zhuan4999) warning=0; 5.5转速处理程序的设计测速的方法决定了测速信号的硬件连接，测速实际上就是测频，因此，频率测量的一些原则同样适用于测速

14、。通常，可以用计数法、测脉宽法和等精度法来进展测试。所谓计数法，就是给定一个闸门时间，在闸门时间计数输入的脉冲个数；测脉宽法是利用待测信号的脉宽来控制计数门，对一个高精度的高频计数信号进展计数。由于闸门与被测信号不能同步，因此，这两种方法都存在1误差的问题，第一种方法适用于信号频率高时使用，第二种方法则在信号频率低时使用。等精度法则对高、低频信号都有很好的适应性。对于转速与速度的处理方法：；其中： n为测得的1s脉冲数， d为车轮直径，/*-数据处理-*/ void disp_count() display9=(zhuan/1000+0); /转换转速的千位 display10=(zhuan/

15、100%10+0); /转换转速的百位 display11=(zhuan/10%10+0); /转换转速的十位19 display12=(zhuan%10+0); /转换转速的十位 5.6 MCS-8051单片机的选用MCS-51单片机是美国INTE公司于1980年推出的产品，典型产品有 8031部没有程序存储器，实际使用方面已经被市场淘汰、8051芯片采用HMOS，功耗是630mW，是89C51的5倍，实际使用方面已经被市场淘汰和8751等通用产品，一直到现在， MCS-51核系列兼容的单片机仍是应用的主流产品比方目前流行的89S51、已经停产的89C51等。通过外接时钟电路和复位电路构成最

16、小单片机系统，即可实现单片机的根本功能应用。六、设计中的问题及解决方法6.1 处理器的选择处理器种类分为MCU、ARM、DSP等，考虑到实用性与经济行，决定采用MCU作为处理芯片，因为ARM和DSP比拟昂贵而且构造较大，对于处理简单的计时和信号处理有些浪费，所以还是选用廉价实用的8051作为处理器。6.2霍尔元件的选择按照霍尔开关的感应方式可将它们分为：单极性霍尔开关、双极性霍尔开关、全极性霍尔开关。单极性霍尔开关的感应方式：磁场的一个磁极靠近它，输出低电位电压低电平或关的信号，磁场磁极离开它输出高电位电压高电平或开的信号，但要注意的是，单极性霍尔开关它会指定*磁极感应才有效，一般是正面感应磁

17、场S极，反面感应N极。双极性霍尔开关的感应方式：因为磁场有两个磁极N、S正磁或负磁，所以两个磁极分别控制双极性霍尔开关的开和关上下电平，它一般具有锁定的作用，也就是说当磁极离开后，霍尔输出信号不发生改变，直到另一个磁极感应。另外，双极性霍尔开关的初始状态是随机输出，有可能是高电平，也有可能是低电平。全极性霍尔开关的感应方式：全极性霍尔开关的感应方式与单极性霍尔开关的感应方式相似，区别在于，单极性霍尔开关会指定磁极，而全极性霍尔开关不会指定磁极，任何磁极靠近输出低电平信号，离开输出高电平信号。考虑到实际情况，采用双极性霍尔元件，把磁珠极性来源进展脉冲计数。七、体会心得通过本次设计使我对霍尔元件及

18、霍尔效应有了进一步的了解：霍尔转速传感器的稳定性好，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围宽，远远高于电磁感应式无源传感器。霍尔转速传感器的稳定性好，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围宽，远远高于电磁感应式无源传感器。并且霍尔转速传感器的安装简单，使用方便，能实现远距离传输。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。同时也通过本次课程设计是我对传感器自动检测技术及应用这门课程有了更深的了解，掌握如何应用传感器去设计电子产品，为将来的实践工作打下了根底。同时也感教师给了我们做这次设计的时机。参考文献1 建祥.电子车速表的设计J.理工大学学报，1999，20，(3): 78-81. 2 施密特触发器原理及特性. wenku.baidu./view/2bbb242de2bd960590c67752.