基于霍爾傳感器的單片機(jī)測(cè)速裝置設(shè)計(jì)

　　趙文婷

　　南京信息工程大學(xué)濱江學(xué)院，南京 210044

　　摘要：本文設(shè)計(jì)了一個(gè)基于HZL201霍爾齒輪傳感器的單片機(jī)測(cè)速裝置，整個(gè)設(shè)計(jì)由一種測(cè)量轉(zhuǎn)速裝置，轉(zhuǎn)速信號(hào)處理電路，通過8050三極管對(duì)信號(hào)整形處理，將脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)的TTL 電平，便于AT89S52單片機(jī)的計(jì)數(shù)運(yùn)算，并能夠?qū)⑥D(zhuǎn)速信號(hào)顯示在液晶顯示器上。運(yùn)用Keil軟件進(jìn)行單片機(jī)的C語(yǔ)言編程，并且通過Proteus軟件仿真單片機(jī)與顯示結(jié)果，驗(yàn)證了本設(shè)計(jì)的可行性。該測(cè)速裝置具有線路簡(jiǎn)單、實(shí)時(shí)性好、成本低、安裝調(diào)試方便和節(jié)省空間等特點(diǎn)，尤其是在測(cè)量空間有限、軸偏心或傳感器不便安裝的條件下，該測(cè)量方法有明顯的優(yōu)勢(shì)。

　　關(guān)鍵詞：霍爾傳感器；速度測(cè)量；單片機(jī)；系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　1 概述

　　1.1 課題背景

　　在我們的日常生活中，霍爾傳感器被廣泛應(yīng)用。例如，在翻蓋或是滑蓋的手機(jī)中，用來檢測(cè)手機(jī)蓋翻開或是滑動(dòng)的器件就是霍爾傳感器；再如，在電腦鍵盤上，實(shí)現(xiàn)光標(biāo)移動(dòng)的滾動(dòng)鍵就是由霍爾傳感器組成的；還有，在汽車變速箱、電動(dòng)門窗等需要電機(jī)的部件中也有霍爾傳感器的應(yīng)用。我們?cè)诿刻斓纳钪卸荚谂c霍爾傳感器打交道。

　　傳統(tǒng)式的轉(zhuǎn)速測(cè)量通常是采用測(cè)速發(fā)電機(jī)為檢測(cè)元件，這種方法是模擬式的，因此其得到的信號(hào)是電壓信號(hào)，其抗干擾能力差，靈活性差。

　　隨著微型計(jì)算機(jī)的廣泛應(yīng)用，現(xiàn)在的轉(zhuǎn)速測(cè)量普遍采用了以單片機(jī)為核心的數(shù)字化測(cè)量，其通常采用光電編碼器，霍爾元件等為檢測(cè)元件。

　　轉(zhuǎn)速是工程中應(yīng)用非常廣泛的一個(gè)參數(shù)，其測(cè)量方法較多，而模擬量的采集和模擬處理一直是轉(zhuǎn)速測(cè)量的主要方法，這種測(cè)量方法已不能適應(yīng)現(xiàn)代科技發(fā)展的要求，在測(cè)量范圍和測(cè)量精度上，已不能滿足大多數(shù)系統(tǒng)的使用。隨著大規(guī)模及超大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字系統(tǒng)測(cè)量得到普遍應(yīng)用，特別是單片機(jī)對(duì)脈沖數(shù)字信號(hào)的強(qiáng)大處理能力，使得全數(shù)字測(cè)量系統(tǒng)越來越普及，其轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)也可以用全數(shù)字化處理。在測(cè)量范圍和測(cè)量精度方面都有極大的提高。因此，本課題的目的是：對(duì)各種測(cè)量轉(zhuǎn)速的基本方法予以分析，針對(duì)不同的應(yīng)用環(huán)境，利用80C51系列單片機(jī)設(shè)計(jì)一種全數(shù)字化測(cè)速系統(tǒng)，從提高測(cè)量精度的角度出發(fā)，分析討論其產(chǎn)生誤差的可能原因，為今后的實(shí)際使用提供借鑒。并從實(shí)際硬件電路出發(fā)，分析電路工作原理和軟件流程，根據(jù)仿真情況提出修改方案和解決辦法。

　　本設(shè)計(jì)以單片機(jī)為中心，設(shè)計(jì)的全數(shù)字化測(cè)量轉(zhuǎn)速系統(tǒng)，在工業(yè)控制和民用電器中都有較高使用價(jià)值。其可以應(yīng)用于工業(yè)控制中的某一部分，如數(shù)控車床的電機(jī)轉(zhuǎn)速檢測(cè)和控制、水泵流量控制以及需要利用轉(zhuǎn)速檢測(cè)來進(jìn)行控制的許多場(chǎng)合。如車輛的里程表、車速表等。其次該轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)由于采用全數(shù)字化結(jié)構(gòu)，因而可以很方便的和工業(yè)控制計(jì)算機(jī)進(jìn)行連接，實(shí)行遠(yuǎn)程管理和控制，進(jìn)一步提高現(xiàn)代化水平。并且，幾乎不需做很大改變直接就能作為單獨(dú)的使用產(chǎn)品。總之，轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)的研究是一件非常有意義的課題。

　　1.2 本設(shè)計(jì)課題的目的和意義

　　在工程實(shí)踐中，經(jīng)常會(huì)遇到各種需要測(cè)量轉(zhuǎn)速的場(chǎng)合。例如在發(fā)動(dòng)機(jī)、電動(dòng)機(jī)、卷?yè)P(yáng)機(jī)、機(jī)床主軸等旋轉(zhuǎn)設(shè)備的試驗(yàn)、運(yùn)轉(zhuǎn)和控制中，常需要分時(shí)或連續(xù)測(cè)量和顯示其轉(zhuǎn)速及瞬時(shí)轉(zhuǎn)速。要測(cè)速，首先要解決是采樣問題。在使用模技術(shù)制作測(cè)速表時(shí)，常用測(cè)速發(fā)電機(jī)的方法，即將測(cè)速發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)軸與待測(cè)軸相連，測(cè)速發(fā)電機(jī)的電壓高低反映了轉(zhuǎn)速的高低。為了能精確地測(cè)量轉(zhuǎn)速外，還要保證測(cè)量的實(shí)時(shí)性，要求能測(cè)得瞬時(shí)轉(zhuǎn)速方法。因此轉(zhuǎn)速的測(cè)試具有重要的意義。

　　這次設(shè)計(jì)內(nèi)容包含知識(shí)全面，對(duì)傳感器測(cè)量發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速的方法及原理設(shè)計(jì)有相關(guān)介紹，在測(cè)量系統(tǒng)中能學(xué)到關(guān)于測(cè)量轉(zhuǎn)速的傳感器進(jìn)行信號(hào)轉(zhuǎn)換的問題，單片機(jī)部分的內(nèi)容，顯示部分等各個(gè)模塊的聯(lián)通與調(diào)試。全面了解單片機(jī)和信號(hào)放大的具體內(nèi)容。進(jìn)一步鍛煉我們?cè)谛盘?hào)采集，處理，顯示發(fā)面的實(shí)際工作能力。

　　在眾多的數(shù)字式轉(zhuǎn)速傳感器中，因霍爾傳感器具有無觸點(diǎn)、長(zhǎng)壽命、高可靠性、無火花、無自激振蕩、溫度性能好、抗污染能力強(qiáng)、構(gòu)造簡(jiǎn)單、堅(jiān)固、體積小、耐沖擊等優(yōu)點(diǎn)，所以選用霍爾效應(yīng)接近式傳感器作為自動(dòng)控制系統(tǒng)中電機(jī)的轉(zhuǎn)速傳感器。該傳感器是開關(guān)元件，直接輸出為脈沖頻率信號(hào)，但是由于存在電磁噪聲干擾，必須對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，從而提高采集準(zhǔn)確度和抗干擾能力。處理后的信號(hào)轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的方波信號(hào)，將該信號(hào)傳輸?shù)紸T89S52單片機(jī)上，再經(jīng)過相應(yīng)的軟件設(shè)計(jì)，就可以通過LCD顯示電路顯示出電機(jī)的轉(zhuǎn)速。

　　1.3 設(shè)計(jì)的要求

　　（1）霍爾傳感器能夠接受到齒輪信號(hào)盤發(fā)出的轉(zhuǎn)動(dòng)信號(hào)；

　　（2）霍爾傳感器產(chǎn)生的信號(hào)通過信號(hào)處理電路能夠產(chǎn)生給單片機(jī)處理的TTL電平；

　　（3）能夠精確的在液晶顯示屏上顯示齒輪的轉(zhuǎn)速。

　　2 設(shè)計(jì)原理和方案

　　2.1 霍爾傳感器的介紹

　　霍爾傳感器是根據(jù)霍爾效應(yīng)制作的一種磁場(chǎng)傳感器。霍爾效應(yīng)是磁電效應(yīng)的一種，這一現(xiàn)象是霍爾（Edwin H. Hall，1855—1938）于1879年在研究金屬的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)時(shí)發(fā)現(xiàn)的。后來發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)體、導(dǎo)電流體等也有這種效應(yīng)，而半導(dǎo)體的霍爾效應(yīng)比金屬?gòu)?qiáng)得多，利用這種現(xiàn)象制成的各種霍爾組件，廣泛地應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)、檢測(cè)技術(shù)及信息處理等方面。霍爾效應(yīng)是研究半導(dǎo)體材料性能的基本方法。

　　通過霍爾效應(yīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)定的霍爾系數(shù)，能夠判斷半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電類型、載流子濃度及載流子遷移率等重要參數(shù)。霍爾器件是一種采用半導(dǎo)體材料制成的磁電轉(zhuǎn)換器件。如果在輸入端通入控制電流IC，當(dāng)有一磁場(chǎng)B穿過該器件感磁面，則在輸出端出現(xiàn)霍爾電勢(shì)UH。在磁場(chǎng)力作用下，在金屬或通電半導(dǎo)體中將產(chǎn)生霍爾效應(yīng)，其輸出電壓與磁場(chǎng)強(qiáng)度成正比。基于霍爾效應(yīng)的霍耳傳感器常用于測(cè)量磁場(chǎng)強(qiáng)度，其測(cè)量范圍從10Oe到幾千奧斯特。盡管人們?cè)缭?879年就知道了霍爾效應(yīng)，但直到20世紀(jì)60年代末期，隨著固態(tài)電子技術(shù)的發(fā)展，霍爾效應(yīng)才開始被人們所應(yīng)用。

　　2.1.1 霍爾效應(yīng)

　　在半導(dǎo)體薄片兩端通以控制電流Ｉ，并在薄片的垂直方向施加磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場(chǎng)，則在垂直于電流和磁場(chǎng)的方向上，將產(chǎn)生電勢(shì)差為UH的霍爾電壓。這一現(xiàn)象便是霍爾效應(yīng)，如圖2.1霍爾效應(yīng)原理圖所示。

　　圖2.1 霍爾效應(yīng)原理圖

　　固體材料中的載流子在外加磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)，因?yàn)槭艿铰鍋銎澚Φ淖饔枚管壽E發(fā)生偏移，并在材料兩側(cè)產(chǎn)生電荷積累，形成垂直于電流方向的電場(chǎng)，最終使載流子受到的洛侖茲力與電

　　場(chǎng)斥力相平衡，從而在兩側(cè)建立起一個(gè)穩(wěn)定的電勢(shì)差即霍爾電壓。正交電場(chǎng)和電流強(qiáng)度與磁場(chǎng)強(qiáng)度的乘積之比就是霍爾系數(shù)。平行電場(chǎng)和電流強(qiáng)度之比就是電阻率。大量的研究揭示：參加材料導(dǎo)電過程的不僅有帶負(fù)電的電子，還有帶正電的空穴。