传感器课程设计---霍尔元件测转速

电控学院

     传感器课程设计

院 （系）：   电气与控制工程学院   

专业班级：    10级测控2班        

姓    名：                        

学    号：                        

指导教师：                        

2013年 1月 3日

霍尔元件测速电路

在工程实践中，经常会遇到各种需要测量转速的场合，测量转速的方法分为模拟式和数字式两种。模拟式采用测速发电机为检测元件，得到的信号是模拟量。数字式通常采用电磁编码器，霍尔元件等为检测元件，得到的信号是脉冲信号。随着微型计算机的广泛应用，特别是高性能价格比的单片机的出现，转速测量普遍采用以单片机为核心的数字式测量方法。

本文便是运用ATC51单片机控制，霍尔元件采集信号的智能化转速测量仪。电机在运行过程中，通过霍尔测速元件的开关性能，每次转过一圈，输出一个高电平，再通过单片机的计数功能，将单位时间的高电平数记录下来，这样就可以通过单片机来测量电机的转速，同时通过数码管予以显示。

本设计主要用ATC51作为控制核心，由霍尔传感器、LED数码显像管、及RS232构成。详细介绍了单片机的测量转速系统，充分发挥了单片机的性能。本文重点是利用霍尔元件3144测量速度并通过单片机显示在6位LED数码管上。

其优点是硬件电路简单，软件功能完善，测量速度快、精度高、控制系统可靠，性价比较高等特点。

1.任务

通过ATC51单片机接收霍尔传感器传来的脉冲信号,单片机根据外部中断，以及内部定时器进行记数计算出电机转速送到LED。

2.原理

2.1测速原理 

霍尔传感器检测转速示意图如图2-1所示。在非磁材料的圆盘边上粘贴一块磁钢, 霍尔传感器固定在圆盘外缘附近。圆盘每转动一圈, 霍尔传感器便输出一个脉冲。通过单片机测量产生脉冲的频率,就可以得出圆盘的转速.。同样道理,根据圆盘(车轮)的转速,再结合 圆盘的周长就是计算出物体的位移。 如果要增加 测量位移的精度,可以在圆盘(车轮)上多增加几个磁钢.。备注:当没有信号产生时,可以改变一 下磁钢的方向,霍尔对磁钢方向有要求。没有磁钢时输出高电平,有磁钢时 输出低电平。

图2-1测速原理图

2.2组成及框图：

传感器电路、转速测量、LED显示、电平转换电路设计等将在以下章节作详细地设计。

图2-2原理框图

2.3应用：

从实用的角度看，评价一个系统实用价值的重要标准，就是这个系统对社会生活和科技观念有多大的贡献。转速测量系统具有大范围、高精度等优点、测量速度快，这种系统将会有良好的应用。

3.内容

3.1电路图

图3-1电路原理图

原理介绍：当磁铁通过霍尔元件时则霍尔输出高电平，没磁时是低电平，所以可以通过单片机让它计数，再通过数码管显示。

3.2器件选择

3.2.1 单片机

根据系统功能要求以及单片机硬件电路设计思路（如图3－1）对单片机模块进行设计，要使单片机准确的测量电机转速，并且使测出的数据能显示出来，所以整个单片机部分分为传感器电路、时钟电路、复位电路、执行元件以及显示电路五个部分。

单片机我们采用ATC51(其引脚图如图3－1)，相较于INTEL公司的8051它本身带有一定的优点。ATC51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存贮器（FPEROM—Falsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压，高性能CMOS 8位微处理器，俗称单片机。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的ATC51是一种高效微控制器， ATC单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。

图3-2 ATC51引脚图

主要特性：

·与MCS-51 兼容

·4K字节可编程闪烁存储器  寿命：1000写/擦循环

    ·数据保留时间：10年

·全静态工作：0Hz-24Hz

·三级程序存储器锁定

·128*8位内部RAM

·32可编程I/O线

·两个16位定时器/计数器

·5个中断源 

·可编程串行通道

·低功耗的闲置和掉电模式

·片内振荡器和时钟电路

3.2.2 LED

a.LED原理

LED（Light-Emitting Diode）是一种外加电压从而渡过电流并发出可见光的器件。LED是属于电流控制器件，使用时必须加限流电阻。LED有单个LED和八段LED之分，也有共阴和共阳两种。

b.LED结构

常用的七段显示器的结构如图3-2所示。发光二极管的阳极连在一起的称为共阳极显示器,阴极连在一起的称为共阴极显示器。1位显示器由八个发光二极管组成，其中七个发光二极管a~g控制七个笔画（段）的亮或暗，另一个控制一个小数点的亮和暗，这种笔画式的七段显示器能显示的字符较少，字符的开头有些失真，但控制简单，使用方便。

此外，要画出电路图，首先还要搞清楚他的引脚图的分布，在了解了正确的引脚图后才能进行正确的字型段码编码。才能显示出正确的数字来，如图3-3所示，为七段数码管的管脚图。

图3-3 七段发光显示器的结构

图3-4 七段发光显示器管脚的结构

3.2.3霍尔传感器

a.3144原理框图

图3-5 3144原理图

b.3144原理

3144应用霍尔效应原理，采用半导体集成技术制造的磁敏电路，它是由电压调整器，霍尔电压发生器，差分放大器，施密特触发器，温度补偿电路和集电极开路的输出级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。使用霍尔传感器获得脉冲信号，只要在转轴的圆周上粘上一粒磁钢，让霍尔开关靠近磁钢，就有信号输出，转轴旋转时，就会不断地产生脉冲信号输出。如果在圆周上粘上多粒磁钢，可以实现旋转一周，获得多个脉冲输出。在粘磁钢时要注意，霍尔传感器对磁场方向敏感，粘之前可以先手动接近一下传感器，如果没有信号输出，可以换一个方向再试。这种传感器不怕灰尘、油污，在工业现场应用广泛。

c.霍尔器件的优点

霍尔器件具有许多优点，他们的结构牢固，体积小，重量轻，寿命长，安装方便，功耗小，频率高（可达1MHZ），耐震动，不怕灰尘、水汽及烟雾等污染或腐蚀。霍尔线性器件的精度高、线性度好；霍尔开关器件无触点、无磨损、输出波形清晰、无抖动、无回调、位置重复精度高（可达um级）。采用了各种补偿措施的霍尔器件的工作温度范围广，可达55-150度。

d．霍尔器件的分类

按照霍尔器件的功能可将他们分为：霍尔线性器件和霍尔开关器件。前者输出模拟量，后者输出数字量。

按被检测的对象的性质可将它们分为：直接应用和间接应用。前者是直接检测出被测对象本身的磁场或磁特性，后者是检测被检测对象上人为设置的磁场，用这个磁场作为被检测信息的载体，通过它，将许多非电、非磁的物理量例如力、力矩、压力、应力、位置、位移、加速度、角度、角速度、转速、转数以及工作状态发生变化的时间等，转换成电量来进行检测和控制。

按照输出信号的形式，可以分为开关型集成霍尔传感器和线性集成霍尔传感器两种类型。

e．霍尔器件的应用

使用霍尔器件检测磁场：将霍尔器件做成各种形式的探头，放在被测磁场中，因霍尔器件只对垂直于霍尔片表面的磁感应强度敏感，因而必须令磁力线和器件表面垂直，通电后即可由输出电压得到被测磁场的磁感应强度。若不垂直，则应求出其垂直分量来计算被测磁场的磁感应强度值。而且，因霍尔元件的尺寸极小，可以进行多点检测，由计算机进行数据处理，可以得到场的分布状态，并可对狭缝，小孔中的磁场进行检测用磁场作为被传感物体的运动和位置信息载体时，一般采用永久磁钢来产生工作磁场。例如，用一个5×4×2.5（mm3）的钕铁硼Ⅱ号磁钢，就可在它的磁极表面上得到约2300高斯的磁感应强度。在空气隙中，磁感应强度会随距离增加而迅速下降。为保证霍尔器件，尤其是霍尔开关器件的可靠工作，在应用中要考虑有效工作气隙的长度。在计算总有效工作气隙时，应从霍尔片表面算起。在封装好的霍尔电路中，霍尔片的深度在产品手册中会给出。 

 因为霍尔器件需要工作电源，在作运动或位置传感时，一般令磁体随被检测物体运动，将霍尔器件固定在工作系统的适当位置，用它去检测工作磁场，再从检测结果中提取被检信息。

3.3参数计算

转速=转的圈数/时间

单片机定时计数5秒，显示屏显示8转。

n=8/5=1.6 rad/s

    3.4程序

#include

#define uchar unsigned char

#define uint  unsigned int

uint i = 0;

sbit KEY = P3^2;

uchar Count = 0;

uchar code table[10] =

{0xc0,0xF9,0xA4,0xB0,0x99,0x92,0x82,0xF8,0x80,0x90};

void Delay(uint del)

{

    uint x,y;

for(x=0; x for(y=0; y<1827; y++);

}

void Time0_Init()

{

    TMOD = 0x01;      //定时器0选用方式1

    TH0  = 0x4c;      //初值的计算    50ms

    TL0  = 0x00;    

    TR0 = 1;          //启动定时器

    ET0 = 1;          //打开定时器中断允许位

}

void Outside_Init(void)

{

    EX0 = 1;  //开外部中断0

    IT0 = 1;  //负边沿触发

}        

void Outside_Int1(void) interrupt 0    using 1

{

    if(KEY== 0)

    {

        i++;

    }

}

void Time0_Int() interrupt 1

{

    TH0 = 0x4c;

    TL0 = 0x00;

    Count++;            //长度加1

}

void Main(void)

{

    Time0_Init();

    Outside_Init();

    EA = 1;                //打开总中断

    while(1)

    {

        P2=0x01;

        P0 = table[i];      

        if(Count == 100)            //当Count为 100时，i 

自加一次，100 * 50MS = 5S

        {    

             P2=0x02;

            P0 = table[i];

            Delay(10000)    ;

        }        

    }

}

4.心得体会

为期一周的课程设计结束了，通过这次课程设计，加强了我的动手、思考和解决问题的能力。在设计过程中，老是遇到这样那样的情况，觉得电路这样接就行，实际上连起来就发现不行。还有书中的知识太多太杂，有些是理论上的，实际中并不行，不能很好的联系实际，借助这次课程设计，我了解了51单片机，霍尔元件3144，数码显示管的性能及其使用条件。并且还学会了用DXP绘图，刚开始对这个不熟悉，常常找不到元件，而且画的还不美观，布局不合理，浪费了不少时间，经过学习，在课程设计结束时终于掌握了它。

这次课程设计，使我懂得了理论联系实际的重要，还有团队合作的必不可少，实习中一个人知道原理是远远不够的，必须让每个人都知道，这样才能更好的完成设计。此次设计的完成离不开老师和其他通过学的帮助。