基于霍爾傳感器的單片機(jī)測速裝置設(shè)計(jì)

1、濱江大學(xué)畢業(yè)論文(設(shè)計(jì))基于霍爾傳感器的單片機(jī)測速裝置設(shè)計(jì)醫(yī)院電子工程系專業(yè)電子信息工程學(xué)生姓名學(xué)號(hào)指導(dǎo)老師李鵬擔(dān)任副教授Ii 1月12日5月31日列表1概述31.1主題背景31.2設(shè)計(jì)主題的目的和意義41.3設(shè)計(jì)要求42設(shè)計(jì)原則和方案42.1霍爾傳感器簡介42.1.1霍爾效應(yīng)52.1.2孔裝置52.1.3霍爾傳感器分類62.1.4霍爾傳感器特性72.2霍爾測速設(shè)計(jì)原理82.2.1速度測量方法82.2.2各種速度測量的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)82.2.3測試部分92.2.4處理部分92.2.5標(biāo)記部分92.3全系統(tǒng)設(shè)計(jì)103硬件設(shè)計(jì)103.1電源部分103.2孔速度測量裝置113.3速度信號(hào)處理電路133.

2、4單片機(jī)系統(tǒng)133.5 ISP下載界面143.6液晶顯示電路143.6.1液晶顯示器的基本原理153 . 6 . 2 1602液晶屏的基本參數(shù)和針腳功能154軟件設(shè)計(jì)165設(shè)計(jì)模擬175.1普羅米修斯簡介175.2 Multisim軟件簡介195.3 Keil軟件簡介216匯總22謝謝24附錄I 26附錄二27基于霍爾傳感器的單片機(jī)測速裝置設(shè)計(jì)趙文貞南京信息工程大學(xué)濱江學(xué)院，南京摘要：本論文設(shè)計(jì)了基于HZL201霍爾齒輪傳感器的單片機(jī)速度測量裝置，其總體設(shè)計(jì)允許速度測量裝置、速度信號(hào)處理電路、通過8050晶體管進(jìn)行信號(hào)形成處理、將脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)TTL級(jí)，從而在AT89S52單片機(jī)計(jì)算和液晶

3、顯示中顯示速度信號(hào)。使用Keil軟件進(jìn)行單片機(jī)c語言編程，通過Proteus軟件模擬單片機(jī)和顯示結(jié)果，驗(yàn)證了此設(shè)計(jì)的可行性。該測速裝置具有線條簡單、實(shí)時(shí)性好、成本低、安裝調(diào)試方便、節(jié)省空間的特點(diǎn)，特別是測量空間有限、軸向偏心或傳感器安裝困難等優(yōu)點(diǎn)。關(guān)鍵字：霍爾傳感器；速度測量；微控制器；系統(tǒng)設(shè)計(jì)1概述1.1任務(wù)背景霍爾傳感器在我們的日常生活中被廣泛使用。例如，在帶有襟翼或滑動(dòng)罩的手機(jī)上，檢測蓋子打開或滑動(dòng)的設(shè)備是霍爾傳感器。例如，在計(jì)算機(jī)鍵盤上實(shí)現(xiàn)光標(biāo)移動(dòng)的滾動(dòng)鍵由霍爾傳感器組成。另外，汽車變速器、電動(dòng)門窗等需要馬達(dá)的零件也有霍爾傳感器應(yīng)用裝置。我們?cè)谌粘Ｉ钪信c霍爾傳感器打交道。傳統(tǒng)的速度測

4、量一般使用速度測量儀作為檢測元件，這種方法是模擬的，因此結(jié)果信號(hào)是電壓信號(hào)，抗干擾能力小，靈活性低。隨著微機(jī)的廣泛應(yīng)用，目前速度測量一般采用單片機(jī)驅(qū)動(dòng)的數(shù)字測量，一般采用光電編碼器、霍爾元件等作為檢測元件。轉(zhuǎn)速是工程中應(yīng)用非常廣泛的一個(gè)參數(shù)，測量方法更多，而模擬收集和模擬處理一直是速度測量的主要方法，這種測量方法不再符合現(xiàn)代科技發(fā)展的要求，在測量范圍和測量精度上不再適合大多數(shù)系統(tǒng)的使用。隨著大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字系統(tǒng)測量得到了廣泛的應(yīng)用，尤其是單片機(jī)脈沖數(shù)字信號(hào)的強(qiáng)處理能力，使全數(shù)字測量系統(tǒng)的普及加速，速度測量系統(tǒng)也能進(jìn)行數(shù)字處理。測量范圍和測量精度都有很大提高。因此，本課題

5、的目的是分析測量轉(zhuǎn)速的各種基本方法，針對(duì)各種應(yīng)用環(huán)境，利用80C51系列微控制器，從提高測量精度的角度分析和討論誤差的可能原因，為未來實(shí)際使用提供參考。并從實(shí)際硬件電路出發(fā)，分析了電路工作原理和軟件過程，提出了基于仿真情況的修改和解決方案。該設(shè)計(jì)以單片機(jī)為中心，是工業(yè)控制和民用家電產(chǎn)品中具有高使用價(jià)值的全數(shù)字測量速度系統(tǒng)。可應(yīng)用于工業(yè)控制部分，例如需要使用Cnc車床的電動(dòng)機(jī)速度檢測和控制、泵流量控制和速度檢測進(jìn)行控制的多個(gè)情況。車輛里程表、速度計(jì)等。第二，該測速系統(tǒng)采用全數(shù)字結(jié)構(gòu)，易于與工業(yè)控制計(jì)算機(jī)連接，實(shí)施遠(yuǎn)程管理和控制，進(jìn)一步提高現(xiàn)代化水平。此外，作為獨(dú)立的產(chǎn)品，開箱即可使用，不會(huì)發(fā)生重

6、大變化?？傊俣葴y量系統(tǒng)的研究是一個(gè)很有意義的課題。1.2設(shè)計(jì)主題的目的和重要性在工程實(shí)踐中，經(jīng)常遇到需要測量旋轉(zhuǎn)速度的各種情況。例如，在發(fā)動(dòng)機(jī)、電動(dòng)機(jī)、絞車、機(jī)械主軸等旋轉(zhuǎn)裝置的測試、運(yùn)行和控制中，通常需要通過時(shí)間共享或連續(xù)測量來顯示和顯示相應(yīng)的速度和瞬時(shí)速度。要測量速度，首先解決的是取樣問題。使用模式技術(shù)制作速度表時(shí)，很快就要將速度表的軸與要測量的軸連接起來，速度表的電壓水平經(jīng)常使用反映速度表高低的速度表。不僅能準(zhǔn)確測量速度，而且要確保測量的實(shí)時(shí)性，需要測量瞬時(shí)轉(zhuǎn)速的方法。因此，速度測試非常重要。此次設(shè)計(jì)包含傳感器測量發(fā)電機(jī)速度的方法和原理設(shè)計(jì)的綜合知識(shí)，可以學(xué)習(xí)測量系統(tǒng)中測量速度的傳感器

7、的信號(hào)轉(zhuǎn)換問題、單片機(jī)部分的內(nèi)容、顯示部分等各個(gè)模塊的聯(lián)通和調(diào)試。完全理解單片機(jī)和信號(hào)放大的具體內(nèi)容。進(jìn)一步鍛煉信號(hào)收集、處理、頭發(fā)表面的實(shí)際工作能力。在眾多數(shù)字速度傳感器中，霍爾傳感器無觸點(diǎn)，壽命長，可靠性高，無火花，自激振動(dòng)，溫度性能好，防污染能力好，結(jié)構(gòu)簡單，堅(jiān)固，體積小，沖擊等優(yōu)點(diǎn)，因此使用霍爾效應(yīng)接近傳感器作為自動(dòng)控制系統(tǒng)的電機(jī)速度傳感器。該傳感器作為開關(guān)組件直接輸出為脈沖頻率信號(hào)，但由于電磁噪聲干擾，必須處理信號(hào)，以提高獲取精度和抗干擾能力。經(jīng)過處理的信號(hào)可以轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)方波信號(hào)，發(fā)送到AT89S52微控制器，然后通過相應(yīng)的軟件設(shè)計(jì)通過液晶顯示電路表示電動(dòng)機(jī)的速度。1.3設(shè)計(jì)要求(1

8、)霍爾傳感器可以接受來自齒輪信號(hào)板的旋轉(zhuǎn)信號(hào)；(2)霍爾傳感器生成的信號(hào)可以通過信號(hào)處理電路生成由單片機(jī)處理的TTL級(jí)；(3)在液晶顯示屏上準(zhǔn)確顯示齒輪的轉(zhuǎn)速。2設(shè)計(jì)原則和程序2.1霍爾傳感器簡介霍爾傳感器是根據(jù)霍爾效應(yīng)制造的一種磁場傳感器。霍爾效應(yīng)是一種磁電效應(yīng)，霍爾(Edwin H. Hall，1855-1938年)在研究金屬的導(dǎo)電儀器時(shí)發(fā)現(xiàn)。后來發(fā)現(xiàn)，半導(dǎo)體、導(dǎo)電流體等也有這種效果，半導(dǎo)體的霍爾效應(yīng)比金屬強(qiáng)很多，利用這種現(xiàn)象制造的各種霍爾元件廣泛用于工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)、檢測技術(shù)、信息處理等?；魻栃?yīng)是研究半導(dǎo)體材料特性的基本方法。通過霍爾效應(yīng)實(shí)驗(yàn)測量的霍爾系數(shù)可以確定半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電類型、載

9、流子濃度和載流子遷移率等重要參數(shù)?；魻栄b置是用半導(dǎo)體材料制成的磁電轉(zhuǎn)換裝置。如果輸入部通過控制電流IC，則當(dāng)磁場b通過設(shè)備電感面時(shí)，孔電位UH出現(xiàn)在輸出端?；魻栃?yīng)發(fā)生在磁力儀中的金屬或電式半導(dǎo)體上，輸出電壓與磁場強(qiáng)度成正比?；诨魻栃?yīng)的霍爾傳感器通常用于測量磁場的強(qiáng)度，其測量范圍從10Oe到數(shù)千奧斯特不等。霍爾效應(yīng)早在1879年就知道了，但在20世紀(jì)60年代末，隨著固態(tài)電子技術(shù)的發(fā)展，人們才開始應(yīng)用。2.1.1霍爾效應(yīng)在半導(dǎo)體片兩端通過以控制電流的I，并在片的垂直方向應(yīng)用磁感應(yīng)強(qiáng)度b的均勻磁場，將產(chǎn)生在與電流和磁場垂直的方向上具有UH的電位差的孔電壓。這是霍爾效應(yīng)，如圖2.1霍爾效應(yīng)圖所示

10、。圖2.1霍爾效應(yīng)結(jié)構(gòu)圖在固體材料中，載流子電流在外部磁場中運(yùn)動(dòng)時(shí)受到洛倫茲力的作用，偏移軌跡，在材料兩側(cè)產(chǎn)生電荷積累，形成垂直于電流方向的電場，最終形成電流者接收的洛倫茲力和電場斥力均衡，兩側(cè)設(shè)定了一定的電位差霍爾電壓。正交電場和電流強(qiáng)度乘以磁場強(qiáng)度的比值就是霍爾系數(shù)。平行電場與電流強(qiáng)度的比率是電阻率。有很多研究結(jié)果表明，參與材料傳導(dǎo)過程的電子和有正電的孔很多。2.1.2孔裝置霍爾器件分為霍爾元件和霍爾集成電路兩類。電子是一種簡單的霍爾膜，使用時(shí)必須放大得到的霍爾電壓。后者將霍爾芯片及其信號(hào)處理電路集成到同一個(gè)芯片中。根據(jù)霍爾效應(yīng)，人們把半導(dǎo)體材料制成的零件稱為霍爾元件?？琢悴考渲茫河煽鬃?/p>

11、、四個(gè)簧片和外殼組成，圖2.2霍爾組件和型號(hào)命名方法。圖2.2霍爾組件和型號(hào)命名磁場敏感、結(jié)構(gòu)簡單、尺寸小、頻率響應(yīng)寬、輸出電壓變化大、壽命長等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于測量、自動(dòng)化、計(jì)算機(jī)和信息技術(shù)領(lǐng)域。孔元素的特性包括孔系數(shù)(也稱為孔常數(shù))RH、孔靈敏度KH(也稱為孔產(chǎn)品靈敏度)、孔額定勵(lì)磁電流、孔最大允許勵(lì)磁電流、孔輸入、輸出電阻、孔元素的電阻溫度系數(shù)、孔副電位(也稱為孔偏移零點(diǎn))、孔輸出電壓、孔電壓輸出率霍爾元件的功率差異很小，因此通常將霍爾元件集成到放大器電路、溫度補(bǔ)償電路和電壓調(diào)節(jié)器電源電路等單個(gè)芯片上，這稱為霍爾傳感器。2.1.3孔傳感器分類霍爾傳感器可以根據(jù)霍爾設(shè)備的功能分為線性霍爾傳感

12、器和開關(guān)霍爾傳感器。1)線性霍爾傳感器線性霍爾傳感器由輸出模擬輸出的霍爾元件、線性放大器和灌水器跟隨組成。2)開關(guān)孔傳感器開關(guān)型霍爾傳感器由輸出數(shù)字量的電壓調(diào)節(jié)器、霍爾元件、差分放大器、史密斯的特殊觸發(fā)器和輸出級(jí)別組成。霍爾傳感器是根據(jù)霍爾效應(yīng)原理制作的電流和電壓傳感器。根據(jù)霍爾電位處理方法，霍爾傳感器可分為以下兩類：1)第一類是適當(dāng)放大霍爾電位，直接提供給試驗(yàn)機(jī)或控制裝置。就是“直接感應(yīng)式霍爾電流傳感器”。該傳感器壓力等級(jí)高、成本低、性能穩(wěn)定，但精度受溫度變化的影響較大，動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性不理想。我們公司使用電路補(bǔ)償成功地解決了上述問題。(2)第二類是磁場平衡孔傳感器，使用單孔或雙孔器件，在零磁通

13、狀態(tài)下工作，具有以下特點(diǎn)：(1)測量范圍廣，可以測量各種電流，如直流、交流、脈沖電流等。(2)電氣隔離性能好。(3)測量精度高，線性度好。(4)對(duì)外部電磁和溫度等因素的干擾能力強(qiáng)。(5)電流上升率高，響應(yīng)速度快。(6)過載能力強(qiáng)。(7)小巧輕便，安裝簡單方便。目前產(chǎn)品是磁場平衡孔傳感器。2.1.4霍爾傳感器特性(1)線性霍爾傳感器的特性圖2.3線性霍爾傳感器特性輸出電壓根據(jù)圖2.3線性霍爾傳感器的特性，在B1 B2的磁感應(yīng)強(qiáng)度范圍內(nèi)具有較好的線性性，如果磁感應(yīng)強(qiáng)度超出此范圍，則顯示飽和狀態(tài)。(2)開關(guān)孔傳感器特性圖2.4開關(guān)型霍爾傳感器的特性說明。其中BOP是操作點(diǎn)“on”的磁感應(yīng)強(qiáng)度，BRP

14、是釋放點(diǎn)“off”的磁感應(yīng)強(qiáng)度。圖2.4開關(guān)孔傳感器特性如果附加的磁感應(yīng)強(qiáng)度超過動(dòng)作點(diǎn)Bop，則傳感器輸出級(jí)別低；如果磁感應(yīng)強(qiáng)度低于動(dòng)作點(diǎn)Bop，則傳感器輸出級(jí)別不變，只有始終下降到發(fā)射點(diǎn)Brp時(shí)，傳感器才會(huì)從低級(jí)跳躍更改為高級(jí)。Bop和Brp之間的歇斯底里使交換機(jī)行為更加可靠。還有“閂鎖式”開關(guān)孔傳感器，其作用類似于圖3.5閂鎖式孔傳感器特性。圖2.5鍵孔傳感器特性如果磁感應(yīng)強(qiáng)度超過動(dòng)作點(diǎn)Bop，則傳感器輸出從高電平跳變?yōu)榈碗娖?，在外部磁場撤消后，輸出狀態(tài)保持不變(即鎖定狀態(tài))，并且必須應(yīng)用到達(dá)Brp的反向磁感應(yīng)強(qiáng)度，才能改變電平。2.2孔速度測量設(shè)計(jì)原理2.2.1速度測量方法測量旋轉(zhuǎn)速度的

15、方法如下：(1)定時(shí)系數(shù)法(頻率測量法)。主要原理如下：在特定時(shí)間間隔T1中，計(jì)數(shù)所計(jì)數(shù)的信號(hào)的迭代變化數(shù)n，所測量的信號(hào)的頻率f可以表示為：樣式(2.2.1)(2)固定計(jì)時(shí)方法(測量周期方法)。主要原理如下：如果所測量信號(hào)的一個(gè)周期內(nèi)的計(jì)數(shù)時(shí)鐘脈沖數(shù)為m，則所測量信號(hào)的頻率FX可以通過以下表達(dá)式計(jì)算：(中間fc是時(shí)鐘頻率)式(2.2.2)2.2.2各種速度測量的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)(1)頻率測量方法頻率測量法根據(jù)測量進(jìn)行量化，低速測量的測量誤差大，誤差可以用以下表達(dá)式計(jì)算：樣式(2.2.3)顯然，信號(hào)頻率低的時(shí)候，即n小的時(shí)候，有很大的誤差。(2)測量周期方法測量周期方法在測量中也有時(shí)間單位錯(cuò)誤，在高

16、速測量中有很大的錯(cuò)誤，可以用以下表達(dá)式計(jì)算這些錯(cuò)誤：樣式(2.2.4)顯然，如果正在測量的信號(hào)頻率較高，則對(duì)于特定時(shí)鐘頻率，m越小，誤差越大。2.2.3測試部分速度測量通常對(duì)檢測部分要求很高，例如數(shù)字測量，尤其是光電傳感器(通常是光柵傳感器)、霍爾傳感器、光電編碼器等，本設(shè)計(jì)中霍爾傳感器HZL201的優(yōu)點(diǎn)是霍爾傳感器的輸出信號(hào)不受速度值的影響。其次，霍爾速度傳感器的頻率相應(yīng)地高。第三，霍爾速度傳感器對(duì)電磁波的抗干擾能力強(qiáng)。因此，霍爾速度傳感器更多地用于控制系統(tǒng)的速度檢測。與此同時(shí)，霍爾速度傳感器穩(wěn)定性好，對(duì)抗錯(cuò)誤干擾信號(hào)等外部干擾有很強(qiáng)的抗擾性，不容易發(fā)生環(huán)境因素引起的誤差?；魻査俣葌鞲衅鞯臏y量頻率范圍比電磁感應(yīng)手動(dòng)傳感器大得多。此外，霍爾速度傳感器可能不受電子、電氣環(huán)境