傳感器與測試技術課程設計

1、傳感器與測試技術課程設計報告姓名： 學號： 專業(yè)： 1.1系統(tǒng)組成框圖 系統(tǒng)由傳感器、信號預處理電路、處理器、顯示器和系統(tǒng)軟件等部分組成。傳感器部分采用霍爾傳感器，負責將電機的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)化為脈沖信號。信號預處理電路包含待測信號放大、波形變換、波形整形電路等部分，其中放大器實現(xiàn)對待測信號的放大,降低對待測信號的幅度要求，實現(xiàn)對小信號的測量；波形變換和波形整形電路實現(xiàn)把正負交變的信號波形變換成可被單片機接受的TTL/CMOS兼容信號。 處理器采用AT89C51單片機，顯示器采用8位LED數(shù)碼管動態(tài)顯示。本課題采用的是以8051系列的AT89C51單片機為核心開發(fā)的霍爾傳感器測轉(zhuǎn)速的

2、系統(tǒng)。系統(tǒng)硬件原理框圖如圖1所示：1.2系統(tǒng)工作原理 轉(zhuǎn)速是工程上一個常用的參數(shù)，旋轉(zhuǎn)體的轉(zhuǎn)速常以每分鐘的轉(zhuǎn)數(shù)來表示。其單位為 rmin。由霍爾元件及外圍器件組成的測速電路將電動機轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換成脈沖信號，送至單片機AT89C51的計數(shù)器 T0進行計數(shù)，用T1定時測出電動機的實際轉(zhuǎn)速。此系統(tǒng)使用單片機進行測速，采用脈沖計數(shù)法，使用霍爾傳感器獲得脈沖信號。其機械結(jié)構(gòu)也可以做得較為簡單，只要在轉(zhuǎn)軸的圓盤上粘上兩粒磁鋼，讓霍爾傳感器靠近磁鋼，機軸每轉(zhuǎn)一周，產(chǎn)生兩個脈沖，機軸旋轉(zhuǎn)時，就會產(chǎn)生連續(xù)的脈沖信號輸出。由霍爾器件電路部分輸出，成為轉(zhuǎn)速計數(shù)器的計數(shù)脈沖?？刂朴嫈?shù)時間，即可

3、實現(xiàn)計數(shù)器的計數(shù)值對應機軸的轉(zhuǎn)速值。單片機CPU將該數(shù)據(jù)處理后，通過LED顯示出來。1.2.1霍爾傳感器霍爾傳感器是對磁敏感的傳感元件，由磁鋼、霍耳元件等組成。測量系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速傳感器選用SiKO 的 NJK-8002D 的霍爾傳感器,其響應頻率為100KHz，額定電壓為5-30（V）、檢測距離為10（mm）。其在大電流磁場或磁鋼磁場的作用下，能測量高頻、工頻、直流等各種波形電流。該傳感器具有測量精度高、電壓范圍寬、功耗小、輸出功率大等優(yōu)點，廣泛應用在高速計數(shù)、測頻率、測轉(zhuǎn)速等領域。輸出電壓425V，直流電源要有足夠的濾波電容，測量極性為N極。安裝時將一非磁性圓盤固定

4、在電動機的轉(zhuǎn)軸上，將磁鋼粘貼在圓盤邊緣，磁鋼采用永久磁鐵，其磁力較強，霍爾元件固定在距圓盤1-10mm處。當磁鋼與霍爾元件相對位置發(fā)生變化時，通過霍爾元件感磁面的磁場強度就會發(fā)生變化。圓盤轉(zhuǎn)動，磁鋼靠近霍爾元件，穿過霍爾元件的磁場較強，霍爾元件輸出低電平；當磁場減弱時，輸出高電平，從而使得在圓盤轉(zhuǎn)動過程中，霍爾元件輸出連續(xù)脈沖信號。這種傳感器不怕灰塵、油污，在工業(yè)現(xiàn)場應用廣泛。1.2.2轉(zhuǎn)速測量原理霍爾器件是由半導體材料制成的一種薄片，器件的長、寬、高分別為 l、b、d。若在垂直于薄片平面（沿厚度 d）方向施加外磁場B，在沿l方向的兩個端面加一外電場，則有一定的電流流過。由

5、于電子在磁場中運動，所以將受到一個洛侖磁力，其大小為：f=qVB式中：f洛侖磁力， q載流子電荷， V載流子運動速度， B磁感應強度。這樣使電子的運動軌跡發(fā)生偏移，在霍爾元器件薄片的兩個側(cè)面分別產(chǎn)生電子積聚或電荷過剩，形成霍爾電場，霍爾元器件兩個側(cè)面間的電位差HU稱為霍爾電壓?；魻栯妷捍笮椋菏街校篟H霍爾常數(shù)， d元件厚度，B磁感應強度， I控制電流K H為霍爾器件的靈敏系數(shù)(mV/mA/T)，它表示該霍爾元件在單位磁感應強度和單位控制電流下輸出霍爾電動勢的大小。應注意，當電磁感應強度B反向時，霍爾電動勢也反向。圖2為霍耳元件的原理

6、結(jié)構(gòu)圖。若控制電流保持不變，則霍爾感應電壓將隨外界磁場強度而變化，根據(jù)這一原理，可以將兩塊永久磁鋼固定在電動機轉(zhuǎn)軸上轉(zhuǎn)盤的邊沿，轉(zhuǎn)盤隨被測軸旋轉(zhuǎn)，磁鋼也將跟著同步旋轉(zhuǎn)，在轉(zhuǎn)盤附近安裝一個霍爾元件，轉(zhuǎn)盤隨軸旋轉(zhuǎn)時，霍爾元件受到磁鋼所產(chǎn)生的磁場影響，輸出脈沖信號。傳感器內(nèi)置電路對該信號進行放大、整形，輸出良好的矩形脈沖信號，測量頻率范圍更寬，輸出信號更精確穩(wěn)定，已在工業(yè)，汽車，航空等測速領域中得到廣泛的應用。其頻率和轉(zhuǎn)速成正比，測出脈沖的周期或頻率即可計算出轉(zhuǎn)速。2.基于霍爾傳感器測轉(zhuǎn)速系統(tǒng)的硬件設計2.1系統(tǒng)硬件電路2.2系統(tǒng)總電路仿真圖3.基于霍爾傳感器測轉(zhuǎn)速系統(tǒng)的軟件設計本設計軟件為主程序、

7、數(shù)據(jù)處理顯示程序、定時器中斷服務程序三個部分。（1） 主程序主要完成初始化功能，包括LED顯示的初始化，中斷的初始化，定時器的初始化，寄存器、標志位的初始化等。主程序流程圖如圖5所示。（2）數(shù)據(jù)處理顯示模塊程序。此模塊中單片機對在1秒內(nèi)的計數(shù)值進行處理，轉(zhuǎn)換成r/min送顯示緩存以便顯示。具體算法如下:設單片機每秒計數(shù)到n個值，即n/2 (r/s)(圓盤貼兩個磁鋼)。則n/2 (r/s)=30n(r/min)。即只要將計數(shù)值乘以30便可得到每分鐘電機的轉(zhuǎn)速。數(shù)據(jù)處理顯示模塊流程圖如圖6所示。（3）定時器1中斷服務程序設計。定時器1完成計時功能，定時50ms，進行定時中斷計數(shù)

8、并每隔1s更新一次顯示數(shù)據(jù)。流程圖如圖7所示。4.制作調(diào)試4.1硬件調(diào)試硬件調(diào)試時先分步調(diào)試硬件中各個功能模塊，調(diào)試成功后再進行統(tǒng)調(diào)。安裝固定電機和霍爾傳感器時，粘貼磁鋼需注意，霍爾傳感器對磁場方向敏感，粘貼之前可以先手動接近一下傳感器，如果沒有信號輸出，可以換一個方向再試?；魻杺鞲衅魈筋^要對準轉(zhuǎn)盤上的磁鋼位置，安裝距離要在10mm以內(nèi)才可靈敏的感應磁場變化。在磁場增強時霍爾傳感器輸出低電平，指示燈亮；磁場減弱時輸出高電平，指示燈熄滅。當電機轉(zhuǎn)動時，感應電壓指示燈高頻閃爍，所以視覺上指示燈不會有多大的閃爍感。當給NJK 8002D 型霍爾傳感器施加15V電壓時其輸出端可以輸

9、出4V的感應電壓。輸出幅值為4V的矩形脈沖信號。5.2軟件調(diào)試測量系統(tǒng)與PC機連接時一定要先連接串行通信電纜，然后再將其電源線插入USB接口；拆除時先斷開其電源，再斷開串行通信電纜，否則極易損壞PC機的串口。 在進行軟件編程調(diào)試時需要用到單片機的集成開發(fā)環(huán)境MedWin V2.39 軟件，編程時極易出現(xiàn)誤輸入或其他的一些語法錯誤，最重要的還有一些模塊無語法錯誤卻達不到預期的功能，都要經(jīng)過調(diào)試才能排除。MedWin V2.39 軟件具有很強大的編程調(diào)試功能，能夠模擬仿真實際單片機的端口和內(nèi)部功能部件的狀態(tài)值。該軟件中有硬件調(diào)試和軟件調(diào)試功能，可以觀察單片機

10、內(nèi)存單元對應的運行值，可以顯示單片機端口、中斷、定時器1、定時器2還有串口對應的運行值?？梢詥尾秸{(diào)試也可以模塊調(diào)試，最好的是可以對你所懷疑的語句模塊設置斷點。MedWin V2.39 具有的強大的編譯調(diào)試功極大地方便了對軟件部分的調(diào)試。在具體調(diào)試過程中，系統(tǒng)將各功能模塊如數(shù)據(jù)處理程序、按鍵程序設計、中斷服務子程序、LED顯示程序分別分開進行調(diào)試，最后進行主程序的整體調(diào)試。編譯無誤后生成目標代碼BIN文件。采用AT單片機下載相應的軟件，將其下載到實驗板的單片機中。下載軟件的最后一步：點擊軟件界面中的下載按鈕，在點擊前一定要保持實驗板的串行通信線及電源線與PC機連接良好，并且實

11、驗板的電源開關處于關閉狀態(tài)，然后點擊下載按鈕，再打開實驗板電源開關，此時軟件將自動完成程序下載。最后將硬件和軟件結(jié)合起來整體調(diào)試實現(xiàn)系統(tǒng)的測速功能。5. 測試結(jié)果分析設計基本完成題目中的各項要求，其中電機轉(zhuǎn)速的測量比較精確，與實際轉(zhuǎn)速相差10 轉(zhuǎn)/分左右，精度在全量程范圍內(nèi)優(yōu)于10轉(zhuǎn)/分，存在一定的誤差，經(jīng)分析主要是由以下原因造成：1) 由于電機的轉(zhuǎn)盤是采用塑料盤片磨制而成，高速旋轉(zhuǎn)時容易打飄不穩(wěn)，導致獲得的脈沖信號頻率與實際轉(zhuǎn)速有一定的誤差。2) 中斷處理的進入和中斷處理程序都會有一定時間的誤差，從而導致定時時間的誤差，這也是造成測量誤差的一個因素。3) 在固定裝置時，由于是手動操作，從而導致初始獲得信號有一定的時差。結(jié)論：霍爾傳感器具有不怕灰塵、油污，安裝簡易，不易損壞等優(yōu)點，