基于霍尔元件的转速测量系统设计

基于霍尔元件的转速测量系统设计内容摘要：

研究。 程序开发软件 keil Keil C51 是 美国 Keil Software 公司出品的 51 系列兼容单片机 C 语言软件开发系统，与汇编相比， C 语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势，因而易学易用。 Keil 提供了包括 C 编译器、宏汇编、连接器、库管理和一个功能强大的仿真调试器等在内的完整开发方案，通过一个集成开发环境（ uVision）将这些部分组合在一起。 Keil C51 生成的目标代码效率非常 之高，多数语句生成的汇编代码很紧凑，容易理解。 在开发大型软件时更能体现高级语言的优势。 KeilSoftware 公司推出的 uVision4 是一款可用于多种 8051MCU的集成开发环境 (IDE)，该 IDE 同时也是 PK51 及其它开发套件的一个重要组件。 除增加了源代码、功能导航器、模板编辑以及改进的搜索功能外， uVision3 还提供了一个配置向导功能，加速了启动代码和配置文件的生成。 此外其内置的仿真器可模拟目标 MCU，包括指令集、片上外围设备及外部信号等。 uVision3 提供逻辑分析器，可监控基于 MCUI/O 引脚 和外设状态变化下的程序变量。 uVision4 提供对多种最新的 8051 类微处理器的支持，包括 AnalogDevices 的ADuC83x 和 ADuC84x，以及 Infineon 的 XC866 等。 因此，此次设计采用 Keil 来完成软件实现。 武汉理工大学 毕业设计（论文） 6 2 系统硬件设计 硬件的功能由总体设计所规定，硬件设计的任务是根据总体设计要求，在选择的机型的基础上，具体确定系统中所要使用的元器件，设计出系统的电路原理图，必要时做一些部件实验，以确定电路图的正确性，以及工艺结构的设计加工、印制板的制作、样机的组装等。 整体框架设计 本设计主要用 AT89C51 作为控制核心， 由霍尔传感器、 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 AT89C51 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 1所示。 图 1 转速测量系统原理框图 传感器：用来对信号的采样。 放大、整形电路：对传感器送过来的信号进行放大和整形，在送入单片机进行数据的处理转换。 单片机：对处理过的信号进行转换成转速的实际值，送入 LED。 LED 显示：用来对所测量到的转速进行显示。 信号采集系统 设计 霍尔传感器 首先，我们选用霍尔传感器来将转速信号转化为变化的电信号。 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 NJK8002D 的霍尔传感器，其响应频率为 100KHz，额定电压为 530（ V）、检测距离为 10mm。 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 110mm 处。 当磁钢与霍传感器 放大、整形电路 单片机 LED 显示 武汉理工大学 毕业设计（论文） 7 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。 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 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： f qVB 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。 霍尔电压大小为： / ( )HHU R I B d m V   式中： HR — 霍尔常数， d— 元件厚度， B— 磁感应强度， I— 控制电流。 设 /HHK R d , 则： ()HHU K I B mV   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 反向时，霍尔电动势也反向。 图 2 为霍尔元件的原理结构图。 图 2 霍尔元件原理结构图 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 [1]。 武汉理工大学 毕业设计（论文） 8 放大电路 转速信号处理电路包括信号放大电路、整形及三极管整形电路。 我们采用三个运算放大器对其进行信号的放大。 图 3 为我所设计的信号放大的电路图。 图 3 信号放大电路 由于产生的电压信号很小，所以要进行放大处理，一般要放大至少 1000 倍（≥ 60dB） ，然后再进行信号处理工作。 信号放大装置选用运算放大器 TL084 作为放大电压放大元件，采用三级放大电路，前两级级都采用反响比例运算电路，第三级采用回滞电压电路，同时也是后续整形电路的一部分，如图 3 所示。 设计的电压放大倍数为 3000 倍。 其中第一级放大倍数为反向 30 倍，第二级放大倍数为反向 2 倍，第三级约为同向 50 倍。 放大后电压变化范围为 0～。 TL084 采用 12V双电源供电，由于电源的供电电压在一定范围内有幅 值上的波动，所以会形成干扰信号。 为起到消除干扰，实现滤波作用，故供电电源两端需接 10UF 的电容接地，电容选择金属化聚丙已烯膜电容。 两级运放放大所采用的供电电源均采用此种接法。 第一级与第二级的电路原理比较简单，有放大器的虚短与虚断，可得知其放大的倍数，不做过多分析。 第三级为放大与整形的公共部分，其具体分析见下文。 武汉理工大学 毕业设计（论文） 9 整形电路 整形电路的主要作用是将正弦波信号转化为方波脉冲信号，正弦波信号电压的最大幅值约为 ，最小幅值为 0V。 整形电路设计的是一种回滞电压比较器，它具有惯性，起到抗干扰的作用。 从而向输入端输入的回滞比较器。 在整形电路的输入端接一个电容 C5（ 103），起到的作用是阻止其他信号的干扰，并且将放大的信号进行滤波，解耦。 R9 和R11 是防止电路短路，起到保护电路的作用。 图 4 为我所设计的信号整形电路。 图 4 信号整形电路 一次整形后的信号基本上为177。 ，在脉冲计数时，常用的是 +的脉冲信号。 如果直接采用 ，会增加电路的复杂性，故一般不直接使用，而是先进行二次整形。 第二次用三极管整形电路，当输出为 ，三极管 Q2（ 8050）的基 射极和电阻 R14 组成并 联电路，电流经过 R R14，三极管 Q2 处于反向偏置状态，所以， Q2的集 射极未接通，故处于截止状态。 电源回路由 R15，三极管 Q2 的集 射极组成，采用单电源 +4V 供电，由于集射极截止，处于断路状态，故输出电压 U0 为 +4V。 当第一次整形输出为 +，三极管 VT2 基 射极处于正向偏置状态，有电流 I 通过，故此时三极管的集 射极处于通路状态。 电源电流流经电阻 R15，三极管的集 射极到地端，由于集 武汉理工大学 毕业设计（论文） 10 射极导通时的电阻很小，可以忽略不计。 电源电压主要在 R19 上，其输出电压约为 0V。 综上所述，三极管整形的电路的 输入关系是：信号为 ， U0=+4V；信号为 +，U0=0V。 单片机处理系统 设计 单片机 AT89C51 单片机我们采用 AT89C51(其引脚图如图 5)，相较于 INTEL 公司的 8051 它本身带有一定的优点。 AT89C51 是一种带 4K 字节闪烁 可编程可擦除只读存贮器 （ FPEROM—Falsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压，高性能 CMOS 8 位微处理器，俗称单片机。 该器件采用 ATMEL 高密度非易失存储器制造技 术制造，与工业标准的MCS51 指令集和输出管脚相兼容。 由于将多功能 8 位 CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中， ATMEL 的 AT89C51 是一种高效微控制器， AT89C 单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案 [2]。 图 5 所示为 AT89C51 的引脚图。 图 5 AT89C51 引脚图 该型号单片机具有以下多个特点和功能。 与 MCS51 兼容。 4K 字节可编程闪烁存储器 寿命： 1000 写 /擦循环。 武汉理工大学 毕业设计（论文） 11 数据保留时间： 10 年。 全静态工作： 0Hz24Hz。 三级程序存储器锁定。 128*8 位内部 RAM。 32 可编程 I/O 线。 两个 16 位定时器 /计数器。 5 个中断源。 片内振荡器和时钟电路。 VCC：供电电压。 GND：接地。 此外， AT89C51 设有稳态逻辑，可以在低到零频率的条件下静态逻辑，支持两种软件可选的掉电模式。 在闲置模式下， CPU 停止工作。 但 RAM，定时器，计数器，串口和中断系统仍在工作。 在掉电模式下，保存 RAM 的内容并且冻结振荡器，禁止所用其他芯片功能，直到下一个硬件复位为止。 复位电路 MCS51 单片机复位电路 是指 单片机的初始化操作。 单片机启运运行时，都需要先复位，其作用是使 CPU和系统中其他部件处于一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作。 因而，复位是一个很重要的操作方式。 但单片机本身是不能自动进行复位的，必须配合相应的外部电路才能实现。 图 6 RC 上电 复位电路 图 7 RC 按键 复位电路 武汉理工大学 毕业设计（论文） 12 复位电路的基本功能是：系统上电时提供复位信号，直至系统电源稳定后，撤销复位信号。 为可靠起见，电源稳定后还要经一定的延时才撤销复位信号，以防电源开关或电源插头分 合过程中引起的抖动而影响复位。 RST：复位输入。 当振荡器复位器件时，要保持 RST 脚两个机器周期的高电平时间。 单片机的复位是由外部的复位电路来实现的。 片内复位电路是复位引脚 RST 通过一个斯密特触发器与复位电路相连，斯密特触发器用来抑制噪声，它的输出在每个机器周期的S5P2，由复位电路采样一次。 复位电路通常采用上电自动复位（如图 6）和按钮复位 (如图7)两种方式 [3]。 而在单片机的实际应用中，两种复位电路都要有的，系统会自动地附带上电复位电路。 图 8 所示为我的设计中的按键复位电路。 图 8 复位。