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传感器课程设计报告.doc

发布时间：2022-06-09 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：6.82M 资料格式：doc 举报 版权申诉
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    一 前言
    二 系统概述
    2.1 系统组成
    2.2 处理方法
    2.3 系统工作原理
    2.3.1 霍尔传感器
    2.3.3 转速测量原理
    3.1 单片机控制电路设计
    3.2 脉冲产生电路设计
    3.3 按键电路设计
    3.4 数据显示电路设计
    3.4.1 数码管结构和显示原理
    3.4.2 缓冲器74LS244
    传感器课程设计报告 目：霍尔转速器 题 指导老师：_____________ 名：_____________ 姓 号：_____________ 学 1
    摘 要： 转速是发动机重要的工作参数之一,也是其它参数计算的重要依据。针对工 业上常见的发动机设计了以单片机 STC89C51 为控制核心的转速测量系统。系统 利用霍尔传感器作为转速检测元件，并利用设计的调理电路对霍尔转速传感器输 出的信号进行滤波和整形,将得到的标准方波信号送给单片机进行处理。实际测 试表明,该系统能满足发动机转速测量要求。 关键词：转速测量，霍尔传感器，信号处理，数据处理 2
    一 前言 在工农业生产和工程实践中，经常会遇到各种需要测量转速的场合，例如在 发动机、电动机、卷扬机、机床主轴等旋转设备的试验、运转和控制中，常需要 测量和显示其转速。要测速，首先要解决的是采样问题。测量转速的方法分为模 拟式和数字式两种。模拟式采用测速发电机为检测元件，得到的信号是模拟量。 早期直流电动机的控制均以模拟电路为基础，采用运算放大器，非线性集成电路 以及少量的数字电路组成，控制系统的硬件部分非常复杂，功能单一，而且系统 非常不灵活、调试困难。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。随着微型计算机的广泛应用，单片机技术的日 新月异，特别是高性能价格比的单片机的出现，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，智能 化微电脑代替了一般机械式或模拟式结构，并使系统能达到更高的性能。采用单 片机构成控制系统，可以节约人力资源和降低系统成本，从而有效的提高工作效 率。 直流电动机具有良好的起动、制动性能，宜于在大范围内平滑调速。测速电 机的电压高低反映了转速的高低，在许多需要调速或快速正反向电力拖动领域中 得到了广泛的应用。从控制的角度来看，直流调速还是交流拖动系统的基础。本 文介绍一种用 STC89C51 单片机测量小型电动机转速的方法。系统以单片机 STC89C51 为控制核心，用 NJK-8002D 霍尔集成传感器作为测量小型直流电机转 速的检测元件，经过单片机数据处理，用 8 位 LED 数码管动态显示小型直流电机 的转速。 霍尔传感器在实际应用中越来越广泛，将永磁体按适当的方式固定在被测轴 上，霍尔传感器置于磁铁的气隙中，当轴转动时，霍尔传感器输出的电压则包含 有转速的信息。将霍尔传感器输出电压经后续电路处理，便可得到转速的数据。 基于以上特点，我们设计了感器的直流电机转速测量系统。利用霍尔效应测量转 速的工作原理非常简单，可靠性高，性能稳定，率响应快、抗干扰能力强等优点 3
    二 系统概述 2.1 系统组成 系统由传感器、信号预处理电路、处理器、显示器和系统软件等部分组成。 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 STC89C51 单片机，显示器采用 8 位 LED 数码管动态显示。系 统原理框图如图所示： 电机 霍尔传感器 信号处理 单片机 串口 转速测量系统原理框图 LED显示 RAM 键盘 系统软件主要包括测量初始化模块、信号频率测量模块、浮点数算术运算模 块、浮点数到 BCD 码转换模块、显示模块、按键功能模块、定时器中断服务模块。 系统软件框图如图所示。 初始化模块 频率测量模块 浮点数算术运算模块 显示模块 浮点数到BCD码转换模块 4
    2.2 处理方法 系统的设计以 STC89C51 单片机为核心，利用它内部的定时/计数器完成待测 信号频率的测量。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 STC89C51 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。 外部输入每个机器周期被采样一次,这样检测一次从 1 到 0 的跳变至少需要 2 个 机器周期(24 个振荡周期),所以最大计数速率为时钟频率的 1/24(使用 12MHz 时 钟时 ,最大计数速率为 500KHz)。定时/计数器的工作由相应的运行控制位 TR 控制,当 TR 置 1 时,定时/计数器开始计数，当 TR 清 0 时,停止计数。 2.3 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。 5
    2.3.1 霍尔传感器 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 SiKO 的 NJK-8002D 的霍尔传感器，其响应频率为 100KHz，额 定电压为 5-30（V）、检测距离为 10（mm）。其在大电流磁场或磁钢磁场的作用下， 能测量高频、工频、直流等各种波形电流。该传感器具有测量精度高、电压范围 宽、功耗小、输出功率大等优点，广泛应用在高速计数、测频率、测转速等领域。 输出电压 4～25V，直流电源要有足够的滤波电容，测量极性为 N 极。安装时将 一非磁性圆盘固定在电动机的转轴上，将磁钢粘贴在圆盘边缘，磁钢采用永久磁 铁，其磁力较强，霍尔元件固定在距圆盘 1-10mm 处。当磁钢与霍尔元件相对位 置发生变化时，通过霍尔元件感磁面的磁场强度就会发生变化。圆盘转动，磁钢 靠近霍尔元件，穿过霍尔元件的磁场较强，霍尔元件输出低电平；当磁场减弱时， 输出高电平，从而使得在圆盘转动过程中，霍尔元件输出连续脉冲信号。这种传 感器不怕灰尘、油污，在工业现场应用广泛。 2.3.2 霍尔元件的工作原理及结构 霍尔元件是根据霍尔效应进行磁电转换的磁敏元件，其典型的工作原理图如 图所示。霍尔元件是一个 N 型半导体薄片，若在其相对两侧通以控制电流 I，而 在薄片垂直方向加以磁场氏 则在半导体另外两侧便会产生一个大小与电流，和 磁场 B 的乘积成工比的电压。这个现象就是霍尔效应，所产生的电压叫霍尔电 压 UR. 式中:UH---霍尔电压； RH---霍尔系数； d---霍尔元件的厚度; I---通过霍尔元件的电流; B---加在霍尔元件上的磁场磁力线密度; ---元件形状函数，其中 L 为元件的长度，W 为元件的宽度。 从上面的公式可以看出，霍尔电压正比于电流强度和磁场强度，且与霍尔元件的 形状有关。在电流强度恒定以及霍尔元件形状确定的条件下，霍尔电压正比于磁 场强度。当所加磁场方向改变时，霍尔电压的符号也随之改变因此，霍尔元件可 以用来测量磁场的大小及方向。 霍尔元件常采用锗、硅、砷化镓、砷化铟及锑化钢等半导体制作。用锑化铟 半导体制成的霍尔元件灵敏度最高，但受温度的影响较大。用锗半导体制成的霍 6
    尔元件，虽然灵敏度较低，但它的温度特性及线性度较好。目前使用锑化铟霍尔 元件的场合较多。 2.3.3 转速测量原理 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： qVB f  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 HU 称为霍 尔电压。 HR / dBI 霍尔电压大小为： HU 式中： HR —霍尔常数， ｄ—元件厚度， Ｂ—磁感应强度， Ｉ—控制电流 设 HK HK 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 d/ , 则 HU = HR (mV) HK / dBI (mV) 时，霍尔电动势也反向。图 2.3 为霍耳元件的原理结构图。 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。 图 2.3 霍耳元件的原理结构图 7
    三 系统硬件电路设计 3.1 单片机控制电路设计 系统选用 STC89C51 作为转速信号的处理核心。STC89C51 包含 2 个 16 位 定时/计数器、4K×8 位片内 FLASH 程序存储器、4 个 8 位并行 I/O 口。16 位 定时/计数器用于实现待测信号的频率测量。8 位并行口 P0、P2 用于把测量结果 送到显示电路。4K×8 位片内 FLASH 程序存储器用于放置系统软件。STC89C51 与具有更大程序存储器的芯片管脚兼容,如:89C52(8K×8 位)或 89C55(32K×8 位),为系统软件升级打下坚实的物质基础。STC89C51 最大的优点是：可直接通 过计算机串口线下载程序,而无需专用下载线和编程器。 STC89C51 单片机是在一块芯片中集成了 CPU、RAM、ROM、定时器/计数器和 多功能 I/O 口等一台计算机所需要的基本功能部件。其基本结构框图如图 3.1， 包括： ·一个 8 位 CPU； ·4KB ROM； ·128 字节 RAM 数据存储器； ·21 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 64KB ROM 或 64KB RAM； ·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； 4K ROM （EPROM） （8031 无） 特殊功能寄 存器 SFR 128 字节 RAM T0 T1 定时/计数 器 T0、T1 时钟源 CPU 并行 I/O 接口 串行接口 中断系统 8
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