精品霍尔传感器组成的转速测量电路Word下载.docx
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本课题采是以STC89C52单片机为核心将处理好的信号经过数据处理转换成所测得的实际十进制信号的系统。
系统硬件原理框图如图2-1:
系统框图原理如图2-1所示,系统由传感器、信号处理、显示电路和系统软件等部分组成。
传感器采用霍尔传感器,负责将转速转化为脉冲信号。
信号处理电路包含待测信号放大、波形变换、波形整形电路等部分,其中放大器实现对待测信号的放大,降低对待测信号的幅度要求,实现对小信号的测量;
波形变换和波形整形电路实现把正负交变的信号波形变换成可被单片机接受的TTL/CMOS兼容信号。
处理器采用STC89C52单片机,显示器采用8位LED数码管动态显示。
2霍尔传感器测转速原理及特性
1、霍尔传感器测速原理:
霍尔器件是由半导体材料制成的一种薄片,器件的长、宽、高分别为l、b、d。
若在垂直于薄片平面(沿厚度d)方向施加外磁场B,在沿l方向的两个端面加一外电场,则有一定的电流流过。
由于电子在磁场中运动,所以将受到一个洛仑磁力,其大小为:
式中:
f—洛仑磁力,q—载流子电荷,V—载流子运动速度,B—磁感应强度。
这样使电子的运动轨迹发生偏移,在霍尔元器件薄片的两个侧面分别产生电子积聚或电荷过剩,形成霍尔电场,霍尔元器件两个侧面间的电位差
称为霍尔电压.
霍尔电压大小为:
(mV)
—霍尔常数,d—元件厚度,B-磁感应强度,I-控制电流
设
则
=
为霍尔器件的灵敏系数(mV/mA/T),它表示该霍尔元件在单位磁感应强度和单位控制电流下输出霍尔电动势的大小。
应注意,当电磁感应强度B反向时,霍尔电动势也反向。
若控制电流保持不变,则霍尔感应电压将随外界磁场强度而变化,根据这一原理,可以将两块永久磁钢固定在电动机转轴上转盘的边沿,转盘随被测轴旋转,磁钢也将跟着同步旋转,在转盘附近安装一个霍尔元件,转盘随轴旋转时,霍尔元件受到磁钢所产生的磁场影响,输出脉冲信号.传感器内置电路对该信号进行放大、整形,输出良好的矩形脉冲信号,测量频率范围更宽,输出信号更精确稳定,已在工业,汽车,航空等测速领域中得到广泛的应用。
其频率和转速成正比,测出脉冲的周期或频率即可计算出转速。
2、霍尔传感器的特性:
半导体磁敏传感器是利用半导体材料中的自由电子和空穴随磁场而改变其运动方向这一特性制成的,按其结构可分为体型和结型两大类.体型的主要有霍尔传感器(材料主要是InSb、InAs、Ge、Si、GaAs)和磁敏电阻(材料主要有InSb、InAs),结型的主要有磁敏二极管(材料主要是Ge、Si)和磁敏三极管(材料主要是Si)。
霍尔传感器是一种基于霍尔效应的磁传感器。
霍尔效应自1879年被美国物理学家爱德文·
霍尔发现至今已有100多年的历史,但直到20世纪50年代,由于微电子学的发展,才被重视和开发,现在,已发展成一个品牌多样的传感器产品族,并得到广泛的应用。
霍尔传感器可以检测磁场及其变化,可在各种与磁场相关的场合中应用.
霍尔传感器具有许多优点,其结构牢固,体积小,质量轻,寿命长,安装方便,功能消耗小,频率高,耐震动,不怕灰尘,油污,水汽及盐雾等的污染或腐蚀.
霍尔传感器可直接用于检测磁场或磁特性,也可以通过在被检对象上人为设置的磁场,来检测许多非电、非磁的物理量,例如力、力矩、压力、应力、位置、位移、速度、加速度、角度、角速度、转数、转速以及工作状态发生变化的时间等,还可转换成电量来进行检测和控制。
3系统工作原理及处理方法
1、系统工作原理:
转速是工程上一个常用的参数,旋转体的转速常以每分钟的转数来表示。
其单位为r/min。
由霍尔元件及外围器件组成的测速电路将电动机转速转换成脉冲信号,送至单片机STC89C51的计数器T0进行计数,用T1定时测出电动机的实际转速。
此系统使用单片机进行测速,采用脉冲计数法,使用霍尔传感器获得脉冲信号。
其机械结构也可以做得较为简单,只要在转轴的圆盘上粘上两粒磁钢,让霍尔传感器靠近磁钢,机轴每转一周,产生两个脉冲,机轴旋转时,就会产生连续的脉冲信号输出。
由霍尔器件电路部分输出,成为转速计数器的计数脉冲。
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.单片机CPU将该数据处理后,通过LED显示出来.
传感器
信号盘GND
转速测量系统安装图
2、处理方法:
测速实际上就是测频,通常可以用计数法、测脉宽法和等精度法来进行测试。
所谓计数法,就是给定一个闸门时间,在闸门时间内计数输入的脉冲个数;
测脉宽法是利用待测信号的脉宽来控制计数门,对一个高精度的高频计数信号进行计数。
由于闸门与被测信号不能同步,因此,这两种方法都存在±
1误差的问题,第一种方法适用于信号频率高时使用,第二种方法则在信号频率低时使用。
等精度法则对高、低频信号都有很好的适应性。
此系统采用计数法测速。
单片机STC89C52内部具有2个16位定时/计数器,定时/计数器的工作可以由编程来实现定时、计数和产生计数溢出中断要求的功能。
在构成为定时器时,每个机器周期加1(使用12MHz时钟时,每1us加1),这样以机器周期为基准可以用来测量时间间隔.在构成为计数器时,在相应的外部引脚发生从1到0的跳变时计数器加1,这样在计数闸门的控制下可以用来测量待测信号的频率.
3霍尔传感器测转速系统的单元电路介绍
1单片机的介绍
本设计采用STC89C52芯片,芯片采用40脚双列直插式封装,32个I/O口,芯片工作电压3.8~5.5V,工作温度0~70°
C(商业级),工作频率可高达30MHz,芯片的外形和引脚见下图
(2)
图
(2)STC89C52外形和引脚图
STC89C52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器,具有8K在系统可编程Flash存储器。
使用高密度非易失性存储器技术制造,与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。
片上Flash允许程序存储器在系统可编程,亦适于常规编程器。
在单芯片上,拥有灵巧的8位CPU和在线系统可编程Flash,使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。
STC89C52具有以下标准功能:
8k字节Flash,256字节RAM,32位I/O口线,看门狗定时器,2个数据指针,三个16位定时器/计数器,一个6向量2级中断结构,全双工串行口,片内晶振及时钟电路。
另外,STC89C52可降至0Hz静态逻辑操作,支持2种软件可选择节电模式。
空闲模式下,CPU停止工作,允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。
掉电保护方式下,RAM内容被保存,振荡器被冻结,单片机一切工作停止,直到下一个中断或硬件复位为止。
8位微控制器8K字节在系统可编程Flash。
P0~P3口结构,第一功能、第二功能请参考数据手册(STC89C52数据手册下载地址www。
mcu—)。
其基本结构框图如图3.1,包括:
·
一个8位CPU;
4KBROM;
128字节RAM数据存储器;
26个特殊功能寄存器SFR;
4个8位并行I/O口,其中P0、P2为地址/数据线,可寻址64KBROM或64KBRAM;
一个可编程全双工串行口;
具有5个中断源,两个优先级,嵌套中断结构;
两个16位定时器/计数器;
一个片内震荡器及时钟电路;
计数脉冲输入
T0T1
P0P1P2P3TXDRXD
中断输入
图3。
1STC89C52单片机结构框图
STC89C52系列单片机中HMOS工艺制造的芯片采用双列直插(DIP)方式封装,有40个引脚.STC89C52单片机40条引脚说明如下:
(1)电源引脚。
V
正常运行和编程校验(8051/8751)时为5V电源,V
为接地
(2)I/O总线。
P
—P
(P0口),P
(P1口),P
-P
(P2口),P
(P3口)为输入/输出引线。
(3)时钟.
XTAL1:
片内震荡器反相放大器的输入端。
XTAL2:
片内震荡器反相放器的输出端,也是内部时钟发生器的输入端。
(4)控制总线。
由P3口的第二功能状态和4根独立控制线RESET、EA、ALE、PSEN组成.
值得强调的是,P3口的每一条引脚均可独立定义为第一功能的输入输出或第二功能。
如表3.1所示。
P3口引脚及线号
引脚
第二功能
P3.0(10)
RXD
串行输入口
P3。
1(11)
TXD
串行输出口
2(12)
INT0
外部中断0
3(13)
INT1
外部中断1
4
(14)
T0
定时器0外部输入
5(15)
T1
定时器1外部输入
6(16)
WR
外部数据存储器写脉冲
P3.7(17)
RD
外部数据存储器读脉冲
表3.1P3口线的第二功能定义:
STC89C52单片机的片外总线结构:
①地址总线(AB):
地址总线宽为16位,因此,其外部存储器直接寻址为64K字节,16位地址总线由P0口经地址锁存器提供8位地址(A0至A7);
P2口直接提供8位地址(A8至A15).
②数据总线(DB):
数据总线宽度为8位,由P0提供。
③控制总线(CB):
由P3口的第二功能状态和4根独立控制线RESET、EA、ALE、PSEN组成。
3.2霍尔传感器选型
霍尔发现至今已有100多年的历史,但直到20世纪50年代,由于微电子学的发展,才被重视和开发,现在,已发展成一个品牌多样的传感器产品族,并得到广泛的应用。
霍尔传感器是对磁敏感的传感元件,由磁钢、霍耳元件等组成。
测量系统的转速传感器选用OH137的霍尔传感器。
3开关霍尔传感器的性能分析
OH137霍尔开关电路是为了适用客户低成本高性能要求开发生产的系列产品,其应用领域广泛,性能可靠稳定.电路内部由反向电压保护器、电压调整器,霍尔电压发生器,差分放大器,史密特触发器和集电极开路输出级组成,能将变化的磁场讯号转换成数字电压输出.
产品特点:
产品一致性好、灵敏度可按照客户要求定制、电路可和各种逻辑电路直接接口
可实现功能:
无触点开关、位置检测、速度检测、流量检测
典型应用领域:
直流无刷电机
、家用电器、缝纫设备、纺织机械、编码器、安全报警装置等自动化控制领域
极限参数:
(TA=25℃)
电源电压VCC·
5—24V
输出负载电流IO·
25mA
工作温度范围TA·
-40~85℃
贮存温度范围TS·
-55~150℃
电特性:
TA=25℃
参数
符号
测试条件
量值
单位
最小
典型
最大
电源电压
VCC
5
-
24
输出低电平电压
VOL
Vcc=4。
5V,RL=2KΩ,B≥BOP
—
200
400
mV
输出漏电流
IOH
Vout=Vccmax,B≤BRP
0。
1
10
μA
电源电流
ICC
VCC=VccmaxOC开路
3
mA
输出上升时间
tr
Vcc=12V,RL=820Ω,CL=20pF
12
1.20
μS
输出下降时间
tf
Vcc=12V,RL=820Ω,CL=20pF
14
1.40
磁特性:
(VCC=4。
5~24V)1mT=10GS
工作点
BOP
18
mT
释放点
BRP
2
回差
BH
6
8
测试电路:
磁电转换特性:
外型尺寸图:
3.4系统显示电路介绍
3.4.174HC595的介绍
74HC595是硅结构的CMOS器件,兼容低电压TTL电路,遵守JEDEC标准。
74HC595是具有8位移位寄存器(如图2-8工作时序)和一个存储器,三态输出功能。
移位寄存器和存储器是分别的时钟.数据在SCHcp的上升沿输入,在STcp的上升沿进入的存储寄存器中去。
如果两个时钟连在一起,则移位寄存器总是比存储寄存器早一个脉冲。
移位寄存器有一个串行移位输入(Ds),和一个串行输出(Q7’),和一个异步的低电平复位,存储寄存器有一个并行8位的,具备三态的总线输出,当使能OE时(为低电平),存储寄存器的数据输出到总线。
8位串行输入/输出或者并行输出移位寄存器,具有高阻关断状态.它的管脚分布和各管脚功能如图2—9所示。
图3-9管脚分布和管脚功能
图3-874HC595工作时序
3.4.2数码管介绍
数码管按发光二极管单元连接方式分为共阳极数码管和共阴极数码管。
共阳数码管是指将所有发光二极管的阳极接到一起形成公共阳极(COM)的数码管.共阳数码管在应用时应将公共极COM接到+5V,当某一字段发光二极管的阴极为低电平时,相应字段就点亮。
当某一字段的阴极为高电平时,相应字段就不亮。
。
共阴数码管是指将所有发光二极管的阴极接到一起形成公共阴极(COM)的数码管。
共阴数码管在应用时应将公共极COM接到地线GND上,当某一字段发光二极管的阳极为高电平时,相应字段就点亮。
当某一字段的阳极为低电平时,相应字段就不亮。
原理如图2—10所示。
图3—10数码管
4基于霍尔传感器的硬件电路设计
5基于霍尔传感器测转速系统的软件设计
5.1软件流程图
图5—1主程序流程图
图5。
2数据处理显示模块流程图
图5-4定时器1中断服务程序流程图
5.2C语言程序
#include〈reg51.h>
#include〈stdio.h〉
#include<
intrins.h〉
#defineucharunsignedchar
#defineuintunsignedint
#defineDataPortP1
sbitLATCH1=P2^0;
//定义锁存使能端口段锁存
sbitLATCH2=P2^1;
//
sbitPPP=P3^1;
sbitzzz=P0^7;
unsignedcharcodeHEYAO_WeiMa[]={0xfe,0xfd,0xfb,0xf7,0xef,0xdf,0xbf,0x7f};
unsignedcharcodeTempData[]={0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f,0x00,0x40};
ucharTemp[8];
uchartimecount;
bitflag;
unsignedlongx;
voiddelay();
voidjing();
voidDisplay(unsignedcharFirstBit,unsignedcharNum)
{
staticunsignedchari=0;
do{
DataPort=0xff;
//清空数据,防止有交替重影
LATCH1=1;
//段锁存
LATCH1=0;
DataPort=HEYAO_WeiMa[i+FirstBit];
//取位码
LATCH2=1;
//位锁存
LATCH2=0;
DataPort=Temp[i];
//取显示数据,段码
LATCH1=0;
i++;
delay();
if(i==Num)
i=0;
}while(PPP==1);
}
voidmain()
{
PPP=1;
TMOD=0x15;
//TH1定时,模式1;
TH0计数,模式1
TH0=0;
TL0=0;
TH1=(65536—50000)/256;
TL1=(65536—50000)%256;
ET0=1;
ET1=1;
//TH0,1溢出允许中断
EA=1;
//允许中断
TR1=1;
TR0=1;
//开始计数
while
(1)
if(flag==1)
flag=0;
x=(TH0*256+TL0)*5;
if(x〉6000)
jing();
Temp[3]=TempData[x%10];
Temp[2]=TempData[x/10%10];
Temp[1]=TempData[x/100%10];
Temp[0]=TempData[x/1000%10];
Display(0,4);
timecount=0;
TH0=0;
TH1=(65536-50000)/256;
TL1=(65536-50000)%256;
TR0=1;
TR1=1;
PPP=1;
voidt0(void)interrupt1using0
inti;
for(i=0;
i〈500;
i++)
zzz=!
zzz;
delay();
zzz=1;
voidt1(void)interrupt3using0
TL1=(65536-50000)%256;
timecount++;
if(timecount==120)//6s
TR0=0;
TR1=0;
timecount=0;
flag=1;
}
voidjing()
inti;
i〈500;
zzz=!
zzz;
zzz=1;
voiddelay()
{inti;
for(i=0;
i〈255;
{_nop_();
总结与展望
本此设计,主要进行了以下几方面的工作:
首先,复习了上学期所学的传感器,在其中着重学习并理解霍尔传感器的工作原理;
其次,根据老师所提供的传感器,查找搜集其特性,制作设计方案;
然后,完成测温系统的硬件选型和电路设计;
最后,完成测温系统的软件流程图设计.
在这个小学期之间,根据我所选的题目,编出了实验的程序。
总体来讲,此次设计的题目比较简单.通过这次的设计,又查阅了相关资料,与老师所讲的结合,基本上掌握了数码管动态显示的原理。
在试验箱上模拟成功后,结合所发的板子修改了程序,但是在将程序考到开发板上之后偶遇到了一些问题。
显示的结果与与预想的不同,经过反复试验最终搞清楚的其中的原理。
对于定时器、计数器的中断,有了深入认识。
怎么算初值,怎么申请中断,怎么响应,返回到什么位置等更深层次的应用并学为己有.并且学会了有多个等待多个中断返回时,怎么进行合理利用,使他们每个都能返回到该返回的位置,不出现错误。
这一点我觉得很有用。
这次设计,有程序,有硬件,有理论,有实践,通过它们的结合,我所学到的知识形成了一个系统,不再是孤立的,而是硬件与软件的结合,提高了自己的程序运用能力,对于编程的思路有了更进一步的悟性.不再是一个机械的运用,而是根据具体情况来编写自己的程序,有了一定的灵活运用能力。
还记得,在上次的小学期中,做的单片机的程序,这次与传感相结合,不仅使我又一次的加深了对软件编程的理解,还从实际出发,有了一个更整体的认识。
对于霍尔传感器的基本原理更有了进一步的理解.霍尔传感器具有不怕灰尘、油污,安装简易,不易损坏等优点,在工业现场得到了广泛应用。
测试结果表明对电动机转速的测量精度较高,基本能够满足实际的测试需要,有一定的实际应用价值.就本课题而言,并末实现真正工业意义上的测转速控制,今后还应在控制的实现上进一步深入的探讨,这类研究将对工业测转速有着深远的影响,是一个值得深入的方向。
在此期间,每位同学都在尽自己最大的努力来完成设计任务,都认识到了设计的意义与目的。
指导老师们是最辛苦的了,在这里,深表对老师的感谢。
参考文献
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西安电子科技大学出版社,2000.7
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北京:
清华大学出版社,1999
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科学出版社。
2008年6月
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