霍尔传感器组成的转速测量电路

1课程设计任务书测速是工农业生产中经常遇到的问题，学会使用单片机技术设计测速仪表具有很重要的意义。要测速，首先要解决是采样的问题。在使用模拟技术制作测速表时，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。使用单片机进行测速，可以使用简单的脉冲计数法。只要转轴每旋转一周，产生一个或固定的多个脉冲，并将脉冲送入单片机中进行计数，即可获得转速的信息。本课题采用的是系统硬件原理框图如图1-1：一、主要内容利用强磁铁与霍尔元件组成测试转体转速的测量电路，包括计数与显示电路。二、 基本要求实现基本功能完成3000字设计报告画出电路图发挥部分，设计超速报警，完成信号传输。三、 主要技术指标（或研究方法）测量范围0—6000r/min精度±5r/min工作电压5V〜12V5V〜12V工作电流低于500mA工作环境温度-60°C〜65°C四、应收集的资料及参考文献霍尔元件原理与应用显示元件原理数据采样整理单元2霍尔传感器转速测量系统硬件设计2.1电机转速测量系统的硬件电路设计2.1.1总体硬件设计使用单片机测量电机转速的基本结构如图2-1所示。该系统包括霍尔传感器、隔离整形电路、主CPU、显示电路、报警电路及电源等部分。图2-1系统总体结构图其测量过程是测量转速的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。主CPU将该值数据处理后，在LCD液晶显示器上显示出来。一旦超速，CPU通过喇叭和转灯发出声、光报警信号。1•传感器部分主要分为两个部分。第一部分是利用霍尔器件将电机的转速转化为脉冲信号。霍尔测速模块由铁质的测速齿轮和带有霍尔元件的支架构成。测速齿轮如图2-2所示，齿轮厚度大约2mm,将其固定在待测电机的转轴上。将霍尔元件固定在距齿轮外圆1mm的探头上，霍尔元件的对面粘贴小磁钢，当测速齿轮的每个齿经过探头正前方时，改变了磁通密度，霍尔元件就输出一个脉冲信号。第二部分是使用六反相器和光耦，将传感器输出的信号进行整形隔离，减少计数的干扰。

霍尔元件磁钢测速齿轮间隙霍尔元件图2-2转速变换装置霍尔元件磁钢测速齿轮间隙霍尔元件图2-2转速变换装置2.处理器采用AT89C51单片机作为系统的处理器。3.显示部分该部分有两个功能，在正常情况下，通过LCD液晶显示器显示当前的频率数值，当电机的转速超出一定的范围后，通过蜂鸣器进行报警。蜂鸣器是一种一体化结构的电子讯响器，采用直流电压供电，广泛应用于计算机、打印机、复印机、报警器、电子玩具、汽车电子设备、电话机、定时器等电子产品中作发声器件。2.1.2系统电路设计实际测量时，要把霍尔传感器固定在直流测速电机的底板上，与霍尔探头相对的电机的轴上固定着一片磁钢块，电机每转一周，霍尔传感器便发出一个脉冲信号，将此脉冲信号接到开发的多功能实验板上的P3.2[INTO]上，设定TO定时，每分钟所计的进入P3.2的脉冲个数即为直流电机的转速。由于在虚拟仿真电路图中，没有电机及传感器，所以就直接用一个脉冲信号代替，电路图如图2-3所示。LCD1<tbh=-LiinihLLCD1<tbh=-LiinihL4RV1利C14C2U1I—|12MHZ

——CRYSTAL"曰7&；XTHUXTHL2RST-=TD：n=-1TKC31lF“ECR81DK31—PSENALEEApmP1.1P12pijphP1£P1J5P1.TLU2:AT4L9U■:C14C2U1I—|12MHZ

——CRYSTAL"曰7&；XTHUXTHL2RST-=TD：n=-1TKC31lF“ECR81DK31—PSENALEEApmP1.1P12pijphP1£P1J5P1.TLU2:AT4L9U■:TExTTi-POH'AD口PO.1.'AD1P02.WD2P0.3,'AD3PO.^ADiPDSMD5PDJ6WD6PO.TJftDT39T：3?36J3Lnj3332psn-psP2.1JW3P22M1DP23ft11P2.4JW12P2SW13P2J&WUP2.TJW1SPlUffiXD

P3.1/TXDP32'irrmP33flNTTP3.i,'TI]

P3J5/T1P3J&WRPS.T.'RD-_^LL^Z3._^3L曲2725_HL11_12_L1_li_l£_ILLS1SPEAKER-汀曰6R71EEK<TExT-RESPWDKB-=TE>n=-A7B9CS1-汀曰：A-=TD：T-图2-3总体硬件电路图2.2霍尔传感器测量电路设计2.2.1霍尔元件根据霍尔效应，人们用半导体材料制成的元件叫霍尔元件。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、自动化、计算机和信息技术等领域得到广泛的应用。霍尔传感器A3144是AllegroMicroSystems公司生产的宽温、开关型霍尔效应传感器，其工作温度范围可达-40°C〜150°C。它由电压调整电路、反相电源保护电路、霍尔元件、温度补偿电路、微信号放大器、施密特触发器和OC门输出极构成，通过使用上拉电阻可以将其输出接入CMOS逻辑电路。该芯片具有尺寸小、稳定性好、灵敏度高等特点，有两种封装形式，一种是3脚贴片微小型封装，后缀为“LH”；另一种是3脚直插式封装，后缀为“UA”[5。

A3144E系列单极高温霍尔效应集成传感器是由稳压电源，霍尔电压发生器，差分放大器，施密特触发器和输出放大器组成的磁敏传感电路，其输入为磁感应强度，输出是一个数字电压讯号。它是一种单磁极工作的磁敏电路，适用于矩形或者柱形磁体下工作。可应用于汽车工业和军事工程中。霍尔传感器的外形图和与磁场的作用关系如图2-4所示。磁场由磁钢提供，所以霍尔传感器和磁钢需要配对使用。管脚图霍尔元件和磁钢管脚图图2-4霍尔传感器的外形图该霍尔传感器的接线图如图2-5所示。+5v+5v+5vQiok•out图2-5霍尔传感器的接线图2.2.2霍尔传感器测量原理测量电机转速的第一步就是要将电机的转速表示为单片机可以识别的脉冲信号，从而进行脉冲计数。霍尔器件作为一种转速测量系统的传感器，它有结构牢固、体积小、重量轻、寿命长、安装方便等优点，因此选用霍尔传感器检测脉冲信号，其基本的测量原理如图2-6所示，当电机转动时，带动传感器运动，产生对应频率的脉冲信号，经过信号处理后输出到计数器或其他的脉冲计数装置，进行转速的测量［6。

霍尔传感嚣信号处理+V霍尔传感嚣信号处理+V图2-6霍尔器件测速原理2.2.3转速测量方法转速的测量方法很多，根据脉冲计数来实现转速测量的方法主要有M法（测频法）、T法（测周期法）和MPT法（频率周期法），该系统采用了M法（测频法）。由于转速是以单位时间内转数来衡量，在变换过程中多数是有规律的重复运动。根据霍尔效应原理，将一块永久磁钢固定在电机转轴上的转盘边沿，转盘随侧轴旋转，磁钢也将跟着同步旋转，在转盘下方安装一个霍尔器件，转盘随轴旋转时,受磁钢所产生的磁场的影响，霍尔器件输出脉冲信号，其频率和转速成正比。脉冲信号的周期与电机的转速有以下关系:60(2-1)n=—(2-1)PT式中：n为电机转速；P为电机转一圈的脉冲数；T为输出方波信号周期。根据式（2-1）即可计算出直流电机的转速［7。霍尔器件是由半导体材料制成的一种薄片，在垂直于平面方向上施加外磁场B,在沿平面方向两端加外电场，则使电子在磁场中运动，结果在器件的两个侧面之间产生霍尔电势。其大小和外磁场及电流大小成比例。霍尔开关传感器由于其体积小，无触点，动态特性好，使用寿命长等特点，故在测量转动物体旋转速度领域得到了广泛应用。2.3系统软件设计2.3.1设计思想本系统采用89C51中的INTO中断对转速脉冲计数。定时器TO工作于定时方式，工作于方式1。每到Is读一次外部中断INTO计数值，此值即为脉冲信号的频率，代表的即是电机的转速。2.3.2总体软件流程先进行初始化设置各定时器初值，然后判断是否启动系统进行测量。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TO定时器工作，每1秒定时中断一次，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。再进行数值的判断，若数值高于5000r/min则报警并返回初始化阶段，否则就进行正常速度液晶显示。如图2-16所示。2.3.3C语言程序#include<REG52.H>#defineucharunsignedchar#defineuintunsignedint#defineulongunsignedlong#defineLED_DATPIsbitLED_SEG0二PO八3;sbitLED_SEG1二PO八2;sbitLED_SEG2二PO";sbitLED_SEG3二POP;sbitpin_SpeedSenser二P3入5;//光电传感器信号接在T1上#defineTIME_CYLC100//12M晶振，定时器10ms中断一次我们1秒计算一次转速//1000ms/10ms二100#definePLUS_PER10//码盘的齿数，这里假定码盘上有10个齿，即传感器检测到10个脉冲，认为1圈#defineK100.0 //校准系数unsignedcharcode七3匕16[]二｛0乂3仁0乂06,0乂550乂4仁0乂66,0乂60,0乂70,0乂07,0乂7仁0乂6竹；//0XC0,0XF9,0XA4,0XB0,0X99,0X92,0X82,0XF8,0X80,0X90共阳uchardataDisbuf[4];//显示缓冲区uintTcounter二0; //时间计数器bitFlag_Fresh二0;//刷新标志bitFlag_clac二0;//计算转速标志bitFlag_Err二0;//超量程标志//在数码管上显示一个四位数voidDisplayFresh();//计算转速，并把结果放入数码管缓冲区voidClacSpeed();//初始化定时器T0voidinit_timer0();//初始化定时器T1voidinit_timer1();//延时函数voidDelay(uintms);voidit_timer0()interrupt1/*interruptaddressis0x000b*/{TFO二0; //d定时器TO用于数码管的动态刷新THO二OxCO; /*initvalues*/TLO二0x00;Tcounter++;if(Tcounter>TIME_CYLC){Flag_clac=1;//周期到，该重新计算转速了}}voidit_timer1()interrupt3/*interruptaddressis0x001b*/{TF1二0; //定时器T1用于单位时间内收到的脉冲数//要速度不是很快，T1永远不会溢出Flag_Err=1; //如果速度很高，我们应考虑另外一种测速方法，：脉冲宽度算转速}voidmain(void){Disbuf[0]二0;//开机时，初始化为0000Disbuf[1]二0;Disbuf[2]二0;Disbuf[3]二0;init_timer0();init_timer1();while(1){if(Flag_Fresh){Flag_Fresh二0;DisplayFreshO; //定时刷新数码管显示}if(Flag_clac){Flag_clac二0;ClacSpeedO;//计算转速，并把结果放入数码管缓冲区Tcounter二0;//周期定时清零TH1二TL1二0x00;//脉冲计数清零}if(Flag_Err) //超量程处理{//数码管显示字母Disbuf[0]二//数码管显示字母'EEEE'Disbuf[1]二0x9e;Disbuf[2]二0x9e;Disbuf[3]二0x9e;while(1){DisplayFreshO;//不再测速等待复位i}}}}//在数码管上显示一个四位数voidDisplayFresh(){LED_SEG0二0;LED_DAT二table[Disbuf[0]];Delay(1);LED_SEG1二0;LED_DAT二table[Disbuf[1]];Delay(1);LED_SEG2二0;

LED_DAT二table[Disbuf[2]];Delay(l);LED_SEG3二0;LED_DAT二table[Disbuf[3]];Delay(l);}//计算转速，并把结果放入数码管缓冲区voidClacSpeedO{uintspeed;uintPlusCounter;PlusCounter二TH1*256+TL1;speed二K*(PlusCounter/PLUS_PER)/60;//K是校准系数，如速度不准，调节K的大小Disbuf[0]二(speed/1000)%10;Disbuf[1]二(speed/100)%10;Disbuf[2]二(speed/10)%10;Disbuf[3]二speed%10;}//初始化定时器T0voidinit_timer0(){TMOD&二OxfO;//定时10毫秒 /*Timer0mode1withsoftwaregate*/TMOD|二0x01; /*GATEOR;C/T0#R;MIOR;MOOh;*/TH0二TH0二0xC0;/*initvalues*/TL0二0x00;TL0二0x00;ETOh;EA=1;TR0=1;}//延时函数/*enableinterrupts*/ //开中断/*timerOrun*/ //开计数器

voidDelay(uintms){uchari;while(ms——)for(i=0;i<100;i++); //==...}//初始化定时器T1voidinit_timer1(){TMOD&二TMOD&二OxOF;TMOD|二0x50;/*GATE0=0;C/T0#=1;M10=0;M00=1;*/TH1二0x00;TL1二0x00;ET1=1;EA=1;TR1=1;/*initvalues*//*enabletimerlinterrupt*//*enableinterrupts*//*timerlrun*/}2.3.4系统仿真器件选择完毕后，就可以开始绘制原理图了。先用鼠标从器件选择窗口选中需要的器件，预览窗口将出现该器件的图标。再将鼠标指向编辑窗口并单击左键,将选中的器件放置到原理图中。放置电源和地线端时，要从“终端”按钮栏中选取。在两个元器件之间进行连线的方式很简单，先将鼠标指向第一个器件的连接点并单击左键，再将鼠标移到另一个器件的连接点并单击左键，这两个点就连接到一起了。对于相隔较远，直接连线不方便的器件，可以用标号的方式进行连接。连接后的部分硬件电路如图3-2所示。C：122—3]_UI■=TE：eLCD1LUD16L■=TExTKRV1_LRP1?XTAL1POn-ADDPO.I.'ADIPD2.'ftD2PEL朋MPD.S'ftDSPn.&'ADbRGTPn.T.'ADTP2R孤P2.1JM—P22M1DPSENP23W11ALE卩2皿12EuP2J&W13P2.6,'AHP2.T^15P1UP3IVRXDP1JP33'1NT1P1.iP3.</n]P15P3.S-T1P1.6P3.t；<iilRP1.TP3.T/FDA7BSC51-=TE<P-_2L

-22.

S3.__2L

-2S.26272S_1IL_li_L1_1S.—It_ILLS1SPEAKER-=TEx^-RESPACKB-=TEC§P3.2R31DK-：TB：>R71[EK-=TB：n=-图3-2硬件电路图3结论本文设计应用中，主要进行了以下几方面的工作：本文在前半部分详细系统比较了测速方法的优缺点及为何用霍尔传感器测转速，这使我们更加了解本设计的设计目的及要求。在了解测转速技术实现原理和霍尔传感器工作原理的基础上研究和分析了系统设计方案，并对测速系统中遇到的不同的场景进行了分析；完成测速系统的硬件选型和电路设计；完成测速系统的软件流程图设计；本文通过对霍尔传感器测速系统的设计过程及分析得出如下结论：霍尔传感器测转速系统对转速的测量具有较高的精度，最小精度±5r/min,其自身特点优越：开关速度快，无瞬间抖动。能直接和晶体管及TTL、MOS等逻辑电路连接。适用于无触点开关、位置控制、转速检测、隔离检测、汽车点火器等。其主要技术指标达到了系统设计的要求；本文关于霍尔传感器测速系统的设计，实现了“霍尔传感器转速测量系统设计”的基本要求。所设计的系统具有以下功能：1.设计采用89C51单片机作为测量转速的主CPU芯片，系统硬件设备结构简单合理，成本低，实时性好。2•测速系统采用霍尔传感器作为敏感速率信号，具有频率响应快，抗干扰能力强等特点。霍尔传感器的输出信号经信号调理后，通过单片机对连续脉冲计数来实现转速测量，充分利用了单片机的内部资源，有很高的性价比。3•采用显示测速值，直观、稳定，易于实现，该显示方式可以推广到其他工程应用领域。4•进行了软件仿真，绘制出电机转速测量系统的硬件电路，调试结果表明所设计的硬件电路正确。5•测速系统的功能还有待进一步扩充，如判别转速方向的能力，电路布局和抗干扰方面还有很大的提升空间。参考文献于炳亮.电机转速测量方法研究[J].山东科学.2005(05).74〜78成辉.传感器的理论与设计基础及其应用[M].北京：国防工业