基于霍尔传感器的单片机测速装置设计

1、滨江大学毕业论文(设计)基于霍尔传感器的单片机测速装置设计医院电子工程系专业电子信息工程学生姓名学号指导老师李鹏担任副教授Ii 1月12日5月31日列表1概述31.1主题背景31.2设计主题的目的和意义41.3设计要求42设计原则和方案42.1霍尔传感器简介42.1.1霍尔效应52.1.2孔装置52.1.3霍尔传感器分类62.1.4霍尔传感器特性72.2霍尔测速设计原理82.2.1速度测量方法82.2.2各种速度测量的优点和缺点82.2.3测试部分92.2.4处理部分92.2.5标记部分92.3全系统设计103硬件设计103.1电源部分103.2孔速度测量装置113.3速度信号处理电路133.

2、4单片机系统133.5 ISP下载界面143.6液晶显示电路143.6.1液晶显示器的基本原理153 . 6 . 2 1602液晶屏的基本参数和针脚功能154软件设计165设计模拟175.1普罗米修斯简介175.2 Multisim软件简介195.3 Keil软件简介216汇总22谢谢24附录I 26附录二27基于霍尔传感器的单片机测速装置设计赵文贞南京信息工程大学滨江学院，南京摘要：本论文设计了基于HZL201霍尔齿轮传感器的单片机速度测量装置，其总体设计允许速度测量装置、速度信号处理电路、通过8050晶体管进行信号形成处理、将脉冲信号转换为标准TTL级，从而在AT89S52单片机计算和液晶

3、显示中显示速度信号。使用Keil软件进行单片机c语言编程，通过Proteus软件模拟单片机和显示结果，验证了此设计的可行性。该测速装置具有线条简单、实时性好、成本低、安装调试方便、节省空间的特点，特别是测量空间有限、轴向偏心或传感器安装困难等优点。关键字：霍尔传感器；速度测量；微控制器；系统设计1概述1.1任务背景霍尔传感器在我们的日常生活中被广泛使用。例如，在带有襟翼或滑动罩的手机上，检测盖子打开或滑动的设备是霍尔传感器。例如，在计算机键盘上实现光标移动的滚动键由霍尔传感器组成。另外，汽车变速器、电动门窗等需要马达的零件也有霍尔传感器应用装置。我们在日常生活中与霍尔传感器打交道。传统的速度测

4、量一般使用速度测量仪作为检测元件，这种方法是模拟的，因此结果信号是电压信号，抗干扰能力小，灵活性低。随着微机的广泛应用，目前速度测量一般采用单片机驱动的数字测量，一般采用光电编码器、霍尔元件等作为检测元件。转速是工程中应用非常广泛的一个参数，测量方法更多，而模拟收集和模拟处理一直是速度测量的主要方法，这种测量方法不再符合现代科技发展的要求，在测量范围和测量精度上不再适合大多数系统的使用。随着大规模和超大规模集成电路技术的发展，数字系统测量得到了广泛的应用，尤其是单片机脉冲数字信号的强处理能力，使全数字测量系统的普及加速，速度测量系统也能进行数字处理。测量范围和测量精度都有很大提高。因此，本课题

5、的目的是分析测量转速的各种基本方法，针对各种应用环境，利用80C51系列微控制器，从提高测量精度的角度分析和讨论误差的可能原因，为未来实际使用提供参考。并从实际硬件电路出发，分析了电路工作原理和软件过程，提出了基于仿真情况的修改和解决方案。该设计以单片机为中心，是工业控制和民用家电产品中具有高使用价值的全数字测量速度系统。可应用于工业控制部分，例如需要使用Cnc车床的电动机速度检测和控制、泵流量控制和速度检测进行控制的多个情况。车辆里程表、速度计等。第二，该测速系统采用全数字结构，易于与工业控制计算机连接，实施远程管理和控制，进一步提高现代化水平。此外，作为独立的产品，开箱即可使用，不会发生重

6、大变化。总之速度测量系统的研究是一个很有意义的课题。1.2设计主题的目的和重要性在工程实践中，经常遇到需要测量旋转速度的各种情况。例如，在发动机、电动机、绞车、机械主轴等旋转装置的测试、运行和控制中，通常需要通过时间共享或连续测量来显示和显示相应的速度和瞬时速度。要测量速度，首先解决的是取样问题。使用模式技术制作速度表时，很快就要将速度表的轴与要测量的轴连接起来，速度表的电压水平经常使用反映速度表高低的速度表。不仅能准确测量速度，而且要确保测量的实时性，需要测量瞬时转速的方法。因此，速度测试非常重要。此次设计包含传感器测量发电机速度的方法和原理设计的综合知识，可以学习测量系统中测量速度的传感器

7、的信号转换问题、单片机部分的内容、显示部分等各个模块的联通和调试。完全理解单片机和信号放大的具体内容。进一步锻炼信号收集、处理、头发表面的实际工作能力。在众多数字速度传感器中，霍尔传感器无触点，寿命长，可靠性高，无火花，自激振动，温度性能好，防污染能力好，结构简单，坚固，体积小，冲击等优点，因此使用霍尔效应接近传感器作为自动控制系统的电机速度传感器。该传感器作为开关组件直接输出为脉冲频率信号，但由于电磁噪声干扰，必须处理信号，以提高获取精度和抗干扰能力。经过处理的信号可以转换为标准方波信号，发送到AT89S52微控制器，然后通过相应的软件设计通过液晶显示电路表示电动机的速度。1.3设计要求(1

8、)霍尔传感器可以接受来自齿轮信号板的旋转信号；(2)霍尔传感器生成的信号可以通过信号处理电路生成由单片机处理的TTL级；(3)在液晶显示屏上准确显示齿轮的转速。2设计原则和程序2.1霍尔传感器简介霍尔传感器是根据霍尔效应制造的一种磁场传感器。霍尔效应是一种磁电效应，霍尔(Edwin H. Hall，1855-1938年)在研究金属的导电仪器时发现。后来发现，半导体、导电流体等也有这种效果，半导体的霍尔效应比金属强很多，利用这种现象制造的各种霍尔元件广泛用于工业自动化技术、检测技术、信息处理等。霍尔效应是研究半导体材料特性的基本方法。通过霍尔效应实验测量的霍尔系数可以确定半导体材料的导电类型、载

9、流子浓度和载流子迁移率等重要参数。霍尔装置是用半导体材料制成的磁电转换装置。如果输入部通过控制电流IC，则当磁场b通过设备电感面时，孔电位UH出现在输出端。霍尔效应发生在磁力仪中的金属或电式半导体上，输出电压与磁场强度成正比。基于霍尔效应的霍尔传感器通常用于测量磁场的强度，其测量范围从10Oe到数千奥斯特不等。霍尔效应早在1879年就知道了，但在20世纪60年代末，随着固态电子技术的发展，人们才开始应用。2.1.1霍尔效应在半导体片两端通过以控制电流的I，并在片的垂直方向应用磁感应强度b的均匀磁场，将产生在与电流和磁场垂直的方向上具有UH的电位差的孔电压。这是霍尔效应，如图2.1霍尔效应图所示

10、。图2.1霍尔效应结构图在固体材料中，载流子电流在外部磁场中运动时受到洛伦兹力的作用，偏移轨迹，在材料两侧产生电荷积累，形成垂直于电流方向的电场，最终形成电流者接收的洛伦兹力和电场斥力均衡，两侧设定了一定的电位差霍尔电压。正交电场和电流强度乘以磁场强度的比值就是霍尔系数。平行电场与电流强度的比率是电阻率。有很多研究结果表明，参与材料传导过程的电子和有正电的孔很多。2.1.2孔装置霍尔器件分为霍尔元件和霍尔集成电路两类。电子是一种简单的霍尔膜，使用时必须放大得到的霍尔电压。后者将霍尔芯片及其信号处理电路集成到同一个芯片中。根据霍尔效应，人们把半导体材料制成的零件称为霍尔元件。孔零部件配置：由孔座

11、、四个簧片和外壳组成，图2.2霍尔组件和型号命名方法。图2.2霍尔组件和型号命名磁场敏感、结构简单、尺寸小、频率响应宽、输出电压变化大、寿命长等优点，广泛应用于测量、自动化、计算机和信息技术领域。孔元素的特性包括孔系数(也称为孔常数)RH、孔灵敏度KH(也称为孔产品灵敏度)、孔额定励磁电流、孔最大允许励磁电流、孔输入、输出电阻、孔元素的电阻温度系数、孔副电位(也称为孔偏移零点)、孔输出电压、孔电压输出率霍尔元件的功率差异很小，因此通常将霍尔元件集成到放大器电路、温度补偿电路和电压调节器电源电路等单个芯片上，这称为霍尔传感器。2.1.3孔传感器分类霍尔传感器可以根据霍尔设备的功能分为线性霍尔传感

12、器和开关霍尔传感器。1)线性霍尔传感器线性霍尔传感器由输出模拟输出的霍尔元件、线性放大器和灌水器跟随组成。2)开关孔传感器开关型霍尔传感器由输出数字量的电压调节器、霍尔元件、差分放大器、史密斯的特殊触发器和输出级别组成。霍尔传感器是根据霍尔效应原理制作的电流和电压传感器。根据霍尔电位处理方法，霍尔传感器可分为以下两类：1)第一类是适当放大霍尔电位，直接提供给试验机或控制装置。就是“直接感应式霍尔电流传感器”。该传感器压力等级高、成本低、性能稳定，但精度受温度变化的影响较大，动态响应特性不理想。我们公司使用电路补偿成功地解决了上述问题。(2)第二类是磁场平衡孔传感器，使用单孔或双孔器件，在零磁通

13、状态下工作，具有以下特点：(1)测量范围广，可以测量各种电流，如直流、交流、脉冲电流等。(2)电气隔离性能好。(3)测量精度高，线性度好。(4)对外部电磁和温度等因素的干扰能力强。(5)电流上升率高，响应速度快。(6)过载能力强。(7)小巧轻便，安装简单方便。目前产品是磁场平衡孔传感器。2.1.4霍尔传感器特性(1)线性霍尔传感器的特性图2.3线性霍尔传感器特性输出电压根据图2.3线性霍尔传感器的特性，在B1 B2的磁感应强度范围内具有较好的线性性，如果磁感应强度超出此范围，则显示饱和状态。(2)开关孔传感器特性图2.4开关型霍尔传感器的特性说明。其中BOP是操作点“on”的磁感应强度，BRP

14、是释放点“off”的磁感应强度。图2.4开关孔传感器特性如果附加的磁感应强度超过动作点Bop，则传感器输出级别低；如果磁感应强度低于动作点Bop，则传感器输出级别不变，只有始终下降到发射点Brp时，传感器才会从低级跳跃更改为高级。Bop和Brp之间的歇斯底里使交换机行为更加可靠。还有“闩锁式”开关孔传感器，其作用类似于图3.5闩锁式孔传感器特性。图2.5键孔传感器特性如果磁感应强度超过动作点Bop，则传感器输出从高电平跳变为低电平，在外部磁场撤消后，输出状态保持不变(即锁定状态)，并且必须应用到达Brp的反向磁感应强度，才能改变电平。2.2孔速度测量设计原理2.2.1速度测量方法测量旋转速度的

15、方法如下：(1)定时系数法(频率测量法)。主要原理如下：在特定时间间隔T1中，计数所计数的信号的迭代变化数n，所测量的信号的频率f可以表示为：样式(2.2.1)(2)固定计时方法(测量周期方法)。主要原理如下：如果所测量信号的一个周期内的计数时钟脉冲数为m，则所测量信号的频率FX可以通过以下表达式计算：(中间fc是时钟频率)式(2.2.2)2.2.2各种速度测量的优点和缺点(1)频率测量方法频率测量法根据测量进行量化，低速测量的测量误差大，误差可以用以下表达式计算：样式(2.2.3)显然，信号频率低的时候，即n小的时候，有很大的误差。(2)测量周期方法测量周期方法在测量中也有时间单位错误，在高

16、速测量中有很大的错误，可以用以下表达式计算这些错误：样式(2.2.4)显然，如果正在测量的信号频率较高，则对于特定时钟频率，m越小，误差越大。2.2.3测试部分速度测量通常对检测部分要求很高，例如数字测量，尤其是光电传感器(通常是光栅传感器)、霍尔传感器、光电编码器等，本设计中霍尔传感器HZL201的优点是霍尔传感器的输出信号不受速度值的影响。其次，霍尔速度传感器的频率相应地高。第三，霍尔速度传感器对电磁波的抗干扰能力强。因此，霍尔速度传感器更多地用于控制系统的速度检测。与此同时，霍尔速度传感器稳定性好，对抗错误干扰信号等外部干扰有很强的抗扰性，不容易发生环境因素引起的误差。霍尔速度传感器的测量频率范围比电磁感应手动传感器大得多。此外，霍尔速度传感器可能不受电子、电气环境