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基于霍尔传感器的单片机测速装置设计
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基于霍尔传感器的单片机测速装置设计
赵文婷
南京信息工程大学滨江学院，南京 210044
摘要：本文设计了一个基于HZL201霍尔齿轮传感器的单片机测速装置，整个设计由一种测量转速装置，转速信号处理电路，通过8050三极管对信号整形处理，将脉冲信号转化为标准的TTL 电平，便于AT89S52单片机的计数运算，并能够将转速信号显示在液晶显示器上。运用Keil软件进行单片机的C语言编程，并且通过Proteus软件仿真单片机与显示结果，验证了本设计的可行性。该测速装置具有线路简单、实时性好、成本低、安装调试方便和节省空间等特点，尤其是在测量空间有限、轴偏心或传感器不便安装的条件下，该测量方法有明显的优势。
关键词：霍尔传感器；速度测量；单片机；系统设计
1 概述
1.1 课题背景
在我们的日常生活中，霍尔传感器被广泛应用。例如，在翻盖或是滑盖的手机中，用来检测手机盖翻开或是滑动的器件就是霍尔传感器；再如，在电脑键盘上，实现光标移动的滚动键就是由霍尔传感器组成的；还有，在汽车变速箱、电动门窗等需要电机的部件中也有霍尔传感器的应用。我们在每天的生活中都在与霍尔传感器打交道。
传统式的转速测量通常是采用测速发电机为检测元件，这种方法是模拟式的，因此其得到的信号是电压信号，其抗干扰能力差，灵活性差。
随着微型计算机的广泛应用，现在的转速测量普遍采用了以单片机为核心的数字化测量，其通常采用光电编码器，霍尔元件等为检测元件。
转速是工程中应用非常广泛的一个参数，其测量方法较多，而模拟量的采集和模拟处理一直是转速测量的主要方法，这种测量方法已不能适应现代科技发展的要求，在测量范围和测量精度上，已不能满足大多数系统的使用。随着大规模及超大规模集成电路技术的发展，数字系统测量得到普遍应用，特别是单片机对脉冲数字信号的强大处理能力，使得全数字测量系统越来越普及，其转速测量系统也可以用全数字化处理。在测量范围和测量精度方面都有极大的提高。因此，本课题的目的是：对各种测量转速的基本方法予以分析，针对不同的应用环境，利用80C51系列单片机设计一种全数字化测速系统，从提高测量精度的角度出发，分析讨论其产生误差的可能原因，为今后的实际使用提供借鉴。并从实际硬件电路出发，分析电路工作原理和软件流程，根据仿真情况提出修改方案和解决办法。
本设计以单片机为中心，设计的全数字化测量转速系统，在工业控制和民用电器中都有较高使用价值。其可以应用于工业控制中的某一部分，如数控车床的电机转速检测和控制、水泵流量控制以及需要利用转速检测来进行控制的许多场合。如车辆的里程表、车速表等。其次该转速测量系统由于采用全数字化结构，因而可以很方便的和工业控制计算机进行连接，实行远程管理和控制，进一步提高现代化水平。并且，几乎不需做很大改变直接就能作为单独的使用产品。总之，转速测量系统的研究是一件非常有意义的课题。
1.2 本设计课题的目的和意义
在工程实践中，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，常需要分时或连续测量和显示其转速及瞬时转速。要测速，首先要解决是采样问题。在使用模技术制作测速表时，常用测速发电机的方法，即将测速发电机的转轴与待测轴相连，测速发电机的电压高低反映了转速的高低。为了能精确地测量转速外，还要保证测量的实时性，要求能测得瞬时转速方法。因此转速的测试具有重要的意义。
这次设计内容包含知识全面，对传感器测量发电机转速的方法及原理设计有相关介绍，在测量系统中能学到关于测量转速的传感器进行信号转换的问题，单片机部分的内容，显示部分等各个模块的联通与调试。全面了解单片机和信号放大的具体内容。进一步锻炼我们在信号采集，处理，显示发面的实际工作能力。
在众多的数字式转速传感器中，因霍尔传感器具有无触点、长寿命、高可靠性、无火花、无自激振荡、温度性能好、抗污染能力强、构造简单、坚固、体积小、耐冲击等优点，所以选用霍尔效应接近式传感器作为自动控制系统中电机的转速传感器。该传感器是开关元件，直接输出为脉冲频率信号，但是由于存在电磁噪声干扰，必须对信号进行处理，从而提高采集准确度和抗干扰能力。处理后的信号转换成标准的方波信号，将该信号传输到AT89S52单片机上，再经过相应的软件设计，就可以通过LCD显示电路显示出电机的转速。
1.3 设计的要求
（1）霍尔传感器能够接受到齿轮信号盘发出的转动信号；
（2）霍尔传感器产生的信号通过信号处理电路能够产生给单片机处理的TTL电平；
（3）能够精确的在液晶显示屏上显示齿轮的转速。
2 设计原理和方案
2.1 霍尔传感器的介绍
霍尔传感器是根据霍尔效应制作的一种磁场传感器。霍尔效应是磁电效应的一种，这一现象是霍尔（Edwin H. Hall，1855—1938）于1879年在研究金属的导电机构时发现的。后来发现半导体、导电流体等也有这种效应，而半导体的霍尔效应比金属强得多，利用这种现象制成的各种霍尔组件，广泛地应用于工业自动化技术、检测技术及信息处理等方面。霍尔效应是研究半导体材料性能的基本方法。
通过霍尔效应实验测定的霍尔系数，能够判断半导体材料的导电类型、载流子浓度及载流子迁移率等重要参数。霍尔器件是一种采用半导体材料制成的磁电转换器件。如果在输入端通入控制电流IC，当有一磁场B穿过该器件感磁面，则在输出端出现霍尔电势UH。在磁场力作用下，在金属或通电半导体中将产生霍尔效应，其输出电压与磁场强度成正比。基于霍尔效应的霍耳传感器常用于测量磁场强度，其测量范围从10Oe到几千奥斯特。尽管人们早在1879年就知道了霍尔效应，但直到20世纪60年代末期，随着固态电子技术的发展，霍尔效应才开始被人们所应用。
2.1.1 霍尔效应
在半导体薄片两端通以控制电流Ｉ，并在薄片的垂直方向施加磁感应强度为B的匀强磁场，则在垂直于电流和磁场的方向上，将产生电势差为UH的霍尔电压。这一现象便是霍尔效应，如图2.1霍尔效应原理图所示。
图2.1 霍尔效应原理图
固体材料中的载流子在外加磁场中运动时，因为受到洛仑兹力的作用而使轨迹发生偏移，并在材料两侧产生电荷积累，形成垂直于电流方向的电场，最终使载流子受到的洛仑兹力与电
场斥力相平衡，从而在两侧建立起一个稳定的电势差即霍尔电压。正交电场和电流强度与磁场强度的乘积之比就是霍尔系数。平行电场和电流强度之比就是电阻率。大量的研究揭示：参加材料导电过程的不仅有带负电的电子，还有带正电的空穴。
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