基于霍爾傳感器的單片機測速裝置設計

　　趙文婷

　　南京信息工程大學濱江學院，南京 210044

　　摘要：本文設計了一個基于HZL201霍爾齒輪傳感器的單片機測速裝置，整個設計由一種測量轉速裝置，轉速信號處理電路，通過8050三極管對信號整形處理，將脈沖信號轉化為標準的TTL 電平，便于AT89S52單片機的計數運算，并能夠將轉速信號顯示在液晶顯示器上。運用Keil軟件進行單片機的C語言編程，并且通過Proteus軟件仿真單片機與顯示結果，驗證了本設計的可行性。該測速裝置具有線路簡單、實時性好、成本低、安裝調試方便和節省空間等特點，尤其是在測量空間有限、軸偏心或傳感器不便安裝的條件下，該測量方法有明顯的優勢。

　　關鍵詞：霍爾傳感器；速度測量；單片機；系統設計

　　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用。例如，在翻蓋或是滑蓋的手機中，用來檢測手機蓋翻開或是滑動的器件就是霍爾傳感器；再如，在電腦鍵盤上，實現光標移動的滾動鍵就是由霍爾傳感器組成的；還有，在汽車變速箱、電動門窗等需要電機的部件中也有霍爾傳感器的應用。我們在每天的生活中都在與霍爾傳感器打交道。

　　傳統式的轉速測量通常是采用測速發電機為檢測元件，這種方法是模擬式的，因此其得到的信號是電壓信號，其抗干擾能力差，靈活性差。

　　隨著微型計算機的廣泛應用，現在的轉速測量普遍采用了以單片機為核心的數字化測量，其通常采用光電編碼器，霍爾元件等為檢測元件。

　　轉速是工程中應用非常廣泛的一個參數，其測量方法較多，而模擬量的采集和模擬處理一直是轉速測量的主要方法，這種測量方法已不能適應現代科技發展的要求，在測量范圍和測量精度上，已不能滿足大多數系統的使用。隨著大規模及超大規模集成電路技術的發展，數字系統測量得到普遍應用，特別是單片機對脈沖數字信號的強大處理能力，使得全數字測量系統越來越普及，其轉速測量系統也可以用全數字化處理。在測量范圍和測量精度方面都有極大的提高。因此，本課題的目的是：對各種測量轉速的基本方法予以分析，針對不同的應用環境，利用80C51系列單片機設計一種全數字化測速系統，從提高測量精度的角度出發，分析討論其產生誤差的可能原因，為今后的實際使用提供借鑒。并從實際硬件電路出發，分析電路工作原理和軟件流程，根據仿真情況提出修改方案和解決辦法。

　　本設計以單片機為中心，設計的全數字化測量轉速系統，在工業控制和民用電器中都有較高使用價值。其可以應用于工業控制中的某一部分，如數控車床的電機轉速檢測和控制、水泵流量控制以及需要利用轉速檢測來進行控制的許多場合。如車輛的里程表、車速表等。其次該轉速測量系統由于采用全數字化結構，因而可以很方便的和工業控制計算機進行連接，實行遠程管理和控制，進一步提高現代化水平。并且，幾乎不需做很大改變直接就能作為單獨的使用產品。總之，轉速測量系統的研究是一件非常有意義的課題。

　　1.2 本設計課題的目的和意義

　　在工程實踐中，經常會遇到各種需要測量轉速的場合。例如在發動機、電動機、卷揚機、機床主軸等旋轉設備的試驗、運轉和控制中，常需要分時或連續測量和顯示其轉速及瞬時轉速。要測速，首先要解決是采樣問題。在使用模技術制作測速表時，常用測速發電機的方法，即將測速發電機的轉軸與待測軸相連，測速發電機的電壓高低反映了轉速的高低。為了能精確地測量轉速外，還要保證測量的實時性，要求能測得瞬時轉速方法。因此轉速的測試具有重要的意義。

　　這次設計內容包含知識全面，對傳感器測量發電機轉速的方法及原理設計有相關介紹，在測量系統中能學到關于測量轉速的傳感器進行信號轉換的問題，單片機部分的內容，顯示部分等各個模塊的聯通與調試。全面了解單片機和信號放大的具體內容。進一步鍛煉我們在信號采集，處理，顯示發面的實際工作能力。

　　在眾多的數字式轉速傳感器中，因霍爾傳感器具有無觸點、長壽命、高可靠性、無火花、無自激振蕩、溫度性能好、抗污染能力強、構造簡單、堅固、體積小、耐沖擊等優點，所以選用霍爾效應接近式傳感器作為自動控制系統中電機的轉速傳感器。該傳感器是開關元件，直接輸出為脈沖頻率信號，但是由于存在電磁噪聲干擾，必須對信號進行處理，從而提高采集準確度和抗干擾能力。處理后的信號轉換成標準的方波信號，將該信號傳輸到AT89S52單片機上，再經過相應的軟件設計，就可以通過LCD顯示電路顯示出電機的轉速。

　　1.3 設計的要求

　　（1）霍爾傳感器能夠接受到齒輪信號盤發出的轉動信號；

　　（2）霍爾傳感器產生的信號通過信號處理電路能夠產生給單片機處理的TTL電平；

　　（3）能夠精確的在液晶顯示屏上顯示齒輪的轉速。

　　2 設計原理和方案

　　2.1 霍爾傳感器的介紹

　　霍爾傳感器是根據霍爾效應制作的一種磁場傳感器。霍爾效應是磁電效應的一種，這一現象是霍爾（Edwin H. Hall，1855—1938）于1879年在研究金屬的導電機構時發現的。后來發現半導體、導電流體等也有這種效應，而半導體的霍爾效應比金屬強得多，利用這種現象制成的各種霍爾組件，廣泛地應用于工業自動化技術、檢測技術及信息處理等方面。霍爾效應是研究半導體材料性能的基本方法。

　　通過霍爾效應實驗測定的霍爾系數，能夠判斷半導體材料的導電類型、載流子濃度及載流子遷移率等重要參數。霍爾器件是一種采用半導體材料制成的磁電轉換器件。如果在輸入端通入控制電流IC，當有一磁場B穿過該器件感磁面，則在輸出端出現霍爾電勢UH。在磁場力作用下，在金屬或通電半導體中將產生霍爾效應，其輸出電壓與磁場強度成正比。基于霍爾效應的霍耳傳感器常用于測量磁場強度，其測量范圍從10Oe到幾千奧斯特。盡管人們早在1879年就知道了霍爾效應，但直到20世紀60年代末期，隨著固態電子技術的發展，霍爾效應才開始被人們所應用。

　　2.1.1 霍爾效應

　　在半導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強度為B的勻強磁場，則在垂直于電流和磁場的方向上，將產生電勢差為UH的霍爾電壓。這一現象便是霍爾效應，如圖2.1霍爾效應原理圖所示。

　　圖2.1 霍爾效應原理圖

　　固體材料中的載流子在外加磁場中運動時，因為受到洛侖茲力的作用而使軌跡發生偏移，并在材料兩側產生電荷積累，形成垂直于電流方向的電場，最終使載流子受到的洛侖茲力與電

　　場斥力相平衡，從而在兩側建立起一個穩定的電勢差即霍爾電壓。正交電場和電流強度與磁場強度的乘積之比就是霍爾系數。平行電場和電流強度之比就是電阻率。大量的研究揭示：參加材料導電過程的不僅有帶負電的電子，還有帶正電的空穴。