基于霍尔传感器的转速测量系统设计

课程设计说明书题目基于霍尔传感器的转速测量系统设计课程名称检测技术及系统课程设计院（系、部、中心）专业电气工程及其自动化班级学生姓名学号240102255设计时间2013.6.3~2013.6.14设计地点工程实践中心8—315指导教师目录一、课程设计任务书成绩11．课程设计应达到的目的…………………………………………………32．课程设计题目及要求……………………………………………………33．课程设计任务及工作量的要求…………………………………………44．主要参考文献……………………………………………………………45．课程设计进度安排………………………………………………………56．成绩考核办法……………………………………………………………5二、课程设计正文1、系统组成及工作原理……………………………………………………62、转速测量原理……………………………………………………………63、转速测量系统组成框图…………………………………………………64、霍尔传感器测速原理及特性……………………………………………75、信号调理电路……………………………………………………………86、数码管结构和显示原理…………………………………………………87、AT89C52单片机简述……………………………………………………98、单片机与数码管的接线图………………………………………………109、课程设计感受……………………………………………………………11附录一：总体电路图………………………………………………………12附录二:单片机程序………………………………………………………132课程设计任务书课程名称检测技术与系统课程设计院（系、部、中心）专业电气工程及其自动化班级起止日期13.6.3~13.6.14指导教师1．课程设计应达到的目的3通过对本课程的设计，使学生掌握常见被测量的检测原理、方法和技术，了解国内外对这些工程量进行测控的系统组建原理，通过对检测系统的设计与分析，增强学生理解和运用所学知识来解决实际问题的能力,逐步掌握根据具体测控要求、性能指标设计出先进测控系统的方法和技术。2．课程设计题目及要求题目：基于霍尔传感器的转速测量系统设计要求：（1）性能指标：测速范围：0~3000RPM，测量精度：±0.5RPM；（2）根据题意，明确测速系统性能指标及系统能完成的功能；（3）根据系统要求，选择合适的传感器（尽量选择实验室中已有的传感器）；（4）设计传感器测量电路；（5）选择单片机的品种、型号，设计单片机的外围测量电路；（6）计算有关的电路参数，有条件的情况下，根据实验室现有设备进行实验数据的测取，明确测量电路输出与被测非电量的关系；（7）画出系统原理框图（此部分放在说明书的开始）；（8）画出系统电路图，最好用PROTEL画；（9）在说明书中详细说明本系统工作原理。3．课程设计任务及工作量的要求〔包括课程设计计算说明书、图纸、实物样品等要求〕4(1)给出设计说明书一份；(2)有条件的情况下尽量给出必要的实验数据；(3)在说明书中附上完整的系统电路原理图（手画或用PROTEL画）。4．主要参考文献1、李现明，吴皓编著.自动检测技术.北京：机械工业出版社，20092、徐仁贵.单片微型计算机应用技术.北京：机械工业出版社.20013、陈爱弟.Protel99实用培训教程.北京：人民邮电出版社.20005．课程设计进度安排5起止日期工作内容10年12月27日布置设计任务，熟悉课题，查找资料；10年12月2日结合测控对象，选择合适的传感器，理解传感器性能；10年12月29日设计传感器测量电路，选择合适的单片机，设计其外围电路；10年12月30日设计电路参数，有条件情况下，在实验室进行实验，进一步理解测量电路输入输出关系；10年12月31日继续设计论证电路参数，完善系统设计方案；11年1月3日查找资料，理解系统各部分工作原理；11年1月4日理清系统说明要点，着手设计说明书的书写；11年1月5日书写设计说明书，充分理解系统每一部分作用；11年1月6日完善设计说明书，准备设计答辩。11年1月7日设计答辩。6．成绩考核办法平时表现30%，设计成果40%，答辩表现30%.教研室审查意见：教研室主任签字：年月日院（系、部、中心）意见：主管领导签字：年月日基于霍尔传感器的转速测量系统设计6摘要:随着微型计算机的广泛应用，单片机技术的日新月异，特别是高性能单片机的出现，转速测量普遍采用以单片机为核心的数字式测量方法，使得许多控制功能及算法可以采用软件技术来完成，使系统能达到更高的性能。数字式通常采用光电编码器、圆光栅、霍尔元件等为检测元件，得到的信号是脉冲信号。一、系统组成及工作原理1.1测速器件在测量电机转速时我们从采用了电磁感应式传感器。当电机转动时，带动传感器。这种传感器可以将转速信号转变成一个对应频率的脉冲信号输出，经过信号处理后输出到计数器。脉冲信号的频率与电机的转速是一种线性的正比关系，因此对电机转速的测量，实质上是对脉冲信号的频率的测量。利用STC89C51单片机的输入捕捉功能，可得到相邻的两个上升沿的时间差T，即转速N=2∏/T(rad/s)。1.2信号处理部分信号预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；通过比较器使霍尔元件传感器产生的模拟信号转换成电压信号。1.3处理器计数部分利用STC89C51单片机的输入捕捉功能，可得到相邻的两个上升沿的时间差，从而计算出转速。1.4显示部分通过晶体管显示测得的转速。二、转速测量原理转速测量的方法很多，在此采用频率测量法。其测量原理为，在固定的测量时间内，计取转速传感器产生的脉冲个数，从而算出实际转速。设固定的测量时间Tc（min），计数器计取的脉冲个数m1，假定脉冲发生器每转输出p个脉冲，对应被测转速为N（r/min），则f=pN/60；另在测量时间Tc内，计取转速传感器输出的脉冲个数m1应为m1=Tcf，所以，当测得m1值时，就可算出实际转速值N=60m1/pTc。本检测装置中发动机的转速传感器信号盘安装在转轴上，工作时传感器输出信号经整形后可得到相应的方波脉冲信号。利用STC89C51单片机的输入捕捉功能，可得到相邻的两个上升沿的时间差，即可算出当前转速N。公式为：式中，i—转速信号盘每转输出信号数；j—信号盘转1圈发动机转的圈数（信号盘安装在曲轴上时j=1，装在凸轮轴上则j=2）；T—单片机输入捕捉所计算出的相邻两个上升沿之间的时间差值。三、转速测量系统组成框图系统由霍尔元件传感器、信号预处理电路、处理器、显示器等部分组成。传感器部分采用霍尔传感器，负责将电机的转速转化为脉冲信号。信号预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7幅度要求，实现对小信号的测量；通过比较器使霍尔元件传感器产生的模拟信号转换成电压信号。处理器采用STC89C51单片机，显示器采用8位LED数码管动态显示。系统组成框图如图所示。转速测量系统组成框图四、霍尔传感器测速原理及特性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。若在垂直了薄片平面(沿厚度d)方向施加外磁场B，在沿1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：f=qVB式中：f一洛仑磁力，q一载流子电荷，V一载流子运动速度，B一磁感应强度。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U称为霍尔电压。霍尔电压大小为：U=R×I×B/d(mv)式中：R。一霍尔常数，d一元件厚度，B一磁感应强度，I一控制电流设K=R/d，则U=K×I×B/d(mv)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止转盘的边沿，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，偷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下泛的应用。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：霍尔传感器是一种基于霍尔效应的磁传感器。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，也可以通过在校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8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。五、信号调理电路信号调理电路为系统的前级电路，安装时霍尔传感器对准转盘上的磁钢，当转盘旋转时，从霍尔传感器的输出端获得与转速率成正比的脉冲信号，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，便于单片机对其进行计数。信号调理电路六、数码管结构和显示原理数码管按发光二极管单元连接方式分为共阳极数码瞥和共阴极数码管。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，相应字毁就点亮，当某一字段的阳极为低电平时，相应字段就不亮。七、AT89C52单片机简述9主要功能特性：·兼容MCS51指令系统·8k可反复擦写(1000次）FlashROM·32个双向I/O口·256x8bit内部RAM·3个16位可编程定时/计数器中断·时钟频率0-24MHz·2个串行中断·可编程UART串行通道·2个外部中断源·共6个中断源·2个读写中断口线·3级加密位·低功耗空闲和掉电模式·软件设置睡眠和唤醒功能89c52单片机个引脚的原理与功能VCC:供电电压GND：接地P0口：Ｐ０口为一个８位漏极开路双向Ｉ／Ｏ口，没脚可吸收８ＴＴＬ门电路，当Ｐ１口的电路第一次写１时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部数据存储器，它被定义数据/地址的第八位在flash编程时，P0口作为原码输入口，当flash进行校验时，P0口输出原码，此时P0口外部必须拉高。P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故，在flash在编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。P2口：P2口为一个内不上拉的8双向I/O口，P2缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上啦的缘故。P2口当用于外部程序存储或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在flash编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接受输出4个TTL门电流。当P3口写入