霍尔传感器应用测速方面

传感器原理及工程应用（论文）霍尔传感器应用测速方面学生姓名：指导教师：专业：学号：2011 年12 月目录前言 (1)1绪论 (1)1.１脉冲信号的获得 (1)1.２方案分析论证 (2)1.３单片机模块论证与选择 (2)1.４显示模块论证与选择 (2)1.５报警模块论证与选择 (3)1.６电源模块论证与选择 (3)2 基于霍尔传感器的电机转速测量系统硬件设计 (4)2.１总体硬件设计 (4)2.２系统电路设计 (5)2.３霍尔传感器测量电路设计 (5)2.４霍尔传感器测量原理 (6)2.５转速测量方法 (7)2.６反相器74LS14 (7)2.７光电耦合器 (8)2.８蜂鸣器 (9)结论 (10)参考文献 (11)前言测速是工农业生产中经常遇到的问题，学会使用单片机技术设计测速仪表具有很重要的意义。

要测速，首先要解决是采样的问题。

在使用模拟技术制作测速表时，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。

使用单片机进行测速，可以使用简单的脉冲计数法。

只要转轴每旋转一周，产生一个或固定的多个脉冲，并将脉冲送入单片机中进行计数，即可获得转速的信息。

在直流电机的多年实际运行的过程中，机械测速电机不足之处日益明显，其主要表现为直流测速电机DG中的炭刷磨损及交流测速发电机TG中的轴承磨损，增加了设备的维护工作量，也随着增加了发生故障的可能性；同时机械测速电机在更换炭刷及轴承的检修作业过程中，需要将直流电动机停运，安装过程中需要调整机械测速电机轴与主电机轴的同轴度，延长了检修时间，影响了设备的长期平稳运行。

随着电力电子技术的不断发展，一些新颖器件的不断涌现，原有器件的性能也随着逐渐改进，采用电力电子器件构成的各种电力电子电路的应用范围与日俱增。

因此采用电子脉冲测速取代原直流电动机械测速电机已具备理论基础，如可采用磁阻式、霍尔效应式、光电式等方式检测电机转速。

经过比较分析后，决定采用测速齿轮和霍尔元件代替原来的机械测速电机。

霍尔传感器作为测速器件得到广泛应用。

霍尔传感器是利用霍尔效应实现磁电转换的一种传感器。

霍尔效应这种物理现象的发现，虽然已有一百多年的历史，但是直到20世纪40年代后期，由于半导体工艺的不断改进，才被人们所重视和应用。

我国从70年代开始研究霍尔器件,经过20余年的研究和开发,目前已经能生产各种性能的霍尔元件,霍尔传感器具有灵敏度高、线性度好、稳定性高、体积小和耐高温等特点[2]1绪论1.1 脉冲信号的获得霍尔传感器是对磁敏感的传感元件，常用于开关信号采集的有CS3020、CS3040等，这种传感器是一个3端器件，外形与三极管相似，只要接上电源、地，即可工作，输出通常是集电极开路（OC）门输出，工作电压范围宽，使用非常方便。

如图1所示是CS3020的外形图，将有字面对准自己，三根引脚从左向右分别是Vcc，地，输出。

图1 CS3020外形图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，只要在转轴的圆周上粘上一粒磁钢，让霍尔开关靠近磁钢，就有信号输出，转轴旋转时，就会不断地产生脉冲信号输出。

如果在圆周上粘上多粒磁钢，可以实现旋转一周，获得多个脉冲输出。

在粘磁钢时要注意，霍尔传感器对磁场方向敏感，粘之前可以先手动接近一下传感器，如果没有信号输出，可以换一个方向再试。

这种传感器不怕灰尘、油污，在工业现场应用广泛。

霍耳式位移传感器它的测量原理是保持霍耳元件的激励电流不变，并使其在一个梯度均匀的磁场中移动，则所移动的位移正比于输出的霍耳电势。

磁场梯度越大，灵敏度越高；梯度变化越均匀,霍耳电势与位移的关系越接近于线性。

图2中是三种产生梯度磁场的磁系统：a系统的线性范围窄，位移Z=0时，霍耳电势≠0；b系统当Z<2毫米时具有良好的线性，Z=0时,霍耳电势=0；c系统的灵敏度高,测量范围小于1毫米。

图中N、S分别表示正、负磁极。

霍耳式位移传感器的惯性小、频响高、工作可靠、寿命长，因此常用于将各种非电量转换成位移后再进行测量的场合。

C1图2 测速电路原理图1.2 方案分析论证方案一：采用型号为A3144的霍尔片作为霍尔测速模块的核心，该霍尔片体积小，安装灵活，价格合理，可用于测速，可与普通的磁钢片配合工作。

方案二：采用型号为C HV-20L的霍尔元器件作为霍尔测速模块的核心,该霍尔器件额定电流为100mA,输出电压为5V,电源为12～15V。

体积较大，价格昂贵。

因此选择方案一。

1.３单片机模块论证与选择方案一：采用型号为AT89C51的单片机作为主控制器，使用霍尔传感器进行测量的直流电机转速测量系统。

AT89C51是带4K字节闪烁可编程擦除只读存储器的低电压、高性能C MO S8位微处理器。

它将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，为许多控制提供了灵活性高且价格低廉的方案[3]。

方案二：采用单片机C8051F060作为主控制器，使用霍尔传感器进行测量的直流电机转速测量系统。

C8051F060系列单片机是美国C YGN AL公司推出的一种与51系列单片机内核兼容的单片机[4]。

C8051F060作为新一代8051单片机，具有功能强大、体积小、工作稳定等特点，适用于复杂控制系统。

因此选择方案一。

1.４显示模块论证与选择方案一：采用LED数码管动态扫描,LED数码管价格适中,亮度高，显示数字合适,但是连接复杂，耗电流大，驱动电路复杂。

方案二：采用点阵式数码管显示，点阵式数码管是由八行八列的发光二极管组成，对于显示简单文字比较适合,如果显示数字则浪费资源,而且价格也相对较高。

方案三：采用LCD液晶显示屏,液晶显示屏的显示功能强大,可显示大量文字,图形,显示多样,清晰可见,并且连接很方便 ,所以在此设计中采用了LCD液晶显示屏。

因此选择方案三。

1.５报警模块论证与选择方案一：采用蜂鸣器与发光二极管作为声光报警主要器件。

该方案不论在硬件焊接方面还是在编写软件方面都简单方便，而且成本低廉。

方案二：采用语音播报系统作为声光报警的核心。

该方案更具人性化、智能化，但是就该设计要求而言，方案过于复杂，相对成本过高，工作量偏大。

因此选择方案一。

1.６电源模块论证与选择方案一：采用交流220V/50Hz电源转换为直流5V电源作为电源模块。

该方案实施简单，电路搭建方便，可作为单片机开发常备电源使用。

方案二：采用干电池串并联达到5V作为电源模块。

该方案实施简单，无需搭建电路，但相对该方案不够稳定，电池耗电快，带负载后压降过高，可能无法使系统稳定持续运行。

方案三：采用可充电锂电池结合稳压模块作为电源模块。

该方案简单易行，而且相对稳定、误差小，但该方案相对价格过高，针对该设计要求性价比低。

因此选择方案一。

2 基于霍尔传感器的电机转速测量系统硬件设计2.1 总体硬件设计使用单片机测量电机转速的基本结构如图2-1所示。

该系统包括霍尔传感器、隔离整形电路、主CPU、显示电路、报警电路及电源等部分。

图3 系统总体结构图其测量过程是测量转速的霍尔传感器和电机机轴同轴连接，机轴每转一周，产生一定量的脉冲个数，由霍尔器件电路输出。

经过电耦合器后，即经过隔离整形电路后，成为转数计数器的计数脉冲。

同时霍尔传感器电路输出幅度为12V的脉冲经光电耦合后降为5V，保持同单片机AT89C51逻辑电平相一致，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。

主CPU将该值数据处理后，在LCD液晶显示器上显示出来。

一旦超速，CPU通过喇叭和转灯发出声、光报警信号。

1.传感器部分主要分为两个部分。

第一部分是利用霍尔器件将电机的转速转化为脉冲信号。

霍尔测速模块由铁质的测速齿轮和带有霍尔元件的支架构成。

测速齿轮如图2-2所示，齿轮厚度大约2mm，将其固定在待测电机的转轴上。

将霍尔元件固定在距齿轮外圆1mm的探头上，霍尔元件的对面粘贴小磁钢，当测速齿轮的每个齿经过探头正前方时，改变了磁通密度，霍尔元件就输出一个脉冲信号。

第二部分是使用六反相器和光耦，将传感器输出的信号进行整形隔离，减少计数的干扰。

2.处理器采用AT89C51单片机作为系统的处理器。

3.显示部分该部分有两个功能，在正常情况下，通过LCD液晶显示器显示当前的频率数值，当电机的转速超出一定的范围后，通过蜂鸣器进行报警。

蜂鸣器是一种一体化结构的电子讯响器，采用直流电压供电，广泛应用于计算机、打印机、复印机、报警器、电子玩具、汽车电子设备、电话机、定时器等电子产品中作发声器件。

2.2 系统电路设计实际测量时，要把霍尔传感器固定在直流测速电机的底板上，与霍尔探头相对的电机的轴上固定着一片磁钢块，电机每转一周，霍尔传感器便发出一个脉冲信号，将此脉冲信号接到开发的多功能实验板上的P3.2[0INT]上，设定Ｔ0定时，每分钟所计的进入P3.2的脉冲个数即为直流电机的转速。

由于在虚拟仿真电路图中，没有电机及传感器，所以就直接用一个脉冲信号代替，电路图如图2-3所示。

图4 总体硬件电路图2.３霍尔传感器测量电路设计根据霍尔效应，人们用半导体材料制成的元件叫霍尔元件。

它具有对磁场敏感、结构简单、体积小、频率响应宽、输出电压变化大和使用寿命长等优点，因此，在测量、自动化、计算机和信息技术等领域得到广泛的应用。

霍尔传感器A3144是Allegro Micro S ystems公司生产的宽温、开关型霍尔效应传感器，其工作温度范围可达-40℃～150℃。

它由电压调整电路、反相电源保护电路、霍尔元件、温度补偿电路、微信号放大器、施密特触发器和OC门输出极构成，通过使用上拉电阻可以将其输出接入CMOS逻辑电路。

该芯片具有尺寸小、稳定性好、灵敏度高等特点，有两种封装形式，一种是3脚贴片微小型封装，后缀为“LH”；另一种是3脚直插式封装，后缀为“UA”[5]。

A3144E系列单极高温霍尔效应集成传感器是由稳压电源，霍尔电压发生器，差分放大器，施密特触发器和输出放大器组成的磁敏传感电路，其输入为磁感应强度，输出是一个数字电压讯号。

它是一种单磁极工作的磁敏电路，适用于矩形或者柱形磁体下工作。

可应用于汽车工业和军事工程中。

霍尔传感器的外形图和与磁场的作用关系如图2-4所示。

磁场由磁钢提供，所以霍尔传感器和磁钢需要配对使用。

霍尔元件和磁钢管脚图图6霍尔传感器的外形图该霍尔传感器的接线图如图5所示。

图7霍尔传感器的接线图2.４霍尔传感器测量原理测量电机转速的第一步就是要将电机的转速表示为单片机可以识别的脉冲信号，从而进行脉冲计数。

霍尔器件作为一种转速测量系统的传感器，它有结构牢固、体积小、重量轻、寿命长、安装方便等优点，因此选用霍尔传感器检测脉冲信号，其基本的测量原理如图2-6所示，当电机转动时，带动传感器运动，产生对应频率的脉冲信号，经过信号处理后输出到计数器或其他的脉冲计数装置，进行转速的测量[6]。