转速测量系统的设计及实现毕业论文(编辑修改稿)

转速测量系统的设计及实现毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

32 霍尔效应原理图 在参杂浓度很低、电阻率很大的 N 型衬底上用杂质扩散法制作出 导电区，它的厚度非常薄，电阻值约几百欧姆。 在导电薄片的两侧对称的用杂质扩散法制作出霍尔 电动势引出端，因此它是四段元件。 其中一对成为激励电流端，另一对成为霍尔电动势输出端。 霍尔传感器的工作原理 可以用 N 型半导体霍尔元件 的 例 子 来说明。 将电流 I 通入霍尔元件的电流输入端，将霍尔元件垂直放入磁场中，设此时 磁场 的磁感应强度为 B。 霍尔元件内部的 电子（运动方向与电流方向相反）受到罗伦磁力 的作用，向内侧偏移，该侧形成电子的堆积，从而在薄片对应方向产生电场 E。 这样流过霍尔元件的电子同时受到 罗伦磁力 和 电场力 的作用 ，而且这两个力的方向相反。 电子积累越多，也越大，而罗伦磁力保持不变。 最后 | = |时，电子的积累达到动态平衡。 此时， 就能够在半导体薄片的对应面之间形成 电动势 ，这种电动势 被称为 霍尔电动势。 通过大量的 实验 得 知， 通过半导体薄片的电流越大加在其上的 磁场强度 B 越强 ，转速测量系统的设计及实现 7 在半导体薄片的对应面之间形成 电动势 就越高。 霍尔电动势 可用下面的公式表示： = IB （ 31） 式中 — 霍尔元件的灵敏度。 当霍尔元件与磁场方向不垂直时 ， 磁感应强度 B 的方向 与霍尔元件将有一个角度设为 θ ，则实际上加在霍尔传感器上的有效作用将会 下降。 此时的霍尔电动势 可用下面的公式表示： = Bcosθ （ 32） 由 公式（ 32）得知 ，霍尔电动势与电流 I、磁感应强度 B 成正比。 由此得知 霍尔电动势的方向 将随 磁感应强度 B 方向 的改变而改变。 当 所施加的磁场为 周期性变化的 磁场 时 ， 那么 霍尔电动势 则 为同频率的 时变 电动势。 鉴于霍尔传感器的以上特性，应保持磁感应强度 B 垂直于霍尔元件。 本系统的设计使用的是 开关型 集成霍尔传感器 ， 集成霍尔传感器是利用硅集成电路工艺将霍尔元件和测量线路集成在一起的一种传感器。 它 有很多的优点，比如 体积比较 小、重量 也比较 轻、功耗 较 低 、 耐震动 性好 、 不怕灰尘、水汽及烟雾 等， 鉴于这么多的优点集成霍尔传感器得到了大规模的使用。 开关型集成霍尔传感器 是在普通的霍尔元件的输出端添加了一系列的抗干扰电路、稳压电路等使得普通的霍尔传 感器的性能得到了很大的提高，并保证输出的是高低电平的数字信号。 则用单片机处理 开关型集成霍尔传感器 的输出信号显得十分方便。 霍尔传感器测速装置的 设计 霍尔传感器的使用十分简单，只需要将霍尔元件的感应磁场的一面与被测的物体的磁感应强的方向垂直放置就行。 也可以将霍尔传感器做成带螺纹的探头，这样的设计方便安装 使用。 当 磁感应强度 的方向与霍尔元件的 霍尔片表面 垂直时产生霍尔电动势最大，故在安装时应保持磁铁的磁力线与霍尔器件的表面垂直。 极小的尺寸外形，使得霍尔传感器能够进行多点的检查， 这样可以 提高检测的精确度 ， 可 方便 微型计算机对霍尔传感器的输出端进行数据处理。 本次系统设计 采用 圆柱形的 永久 性小 磁钢来转速测量系统的设计及实现 8 产生工作磁场。 本次系统设计所采用的霍尔传感器 A3144 是 Allegro MicroSystems 公司生产的宽温、开关型霍尔效应传感器， 霍尔传感器 A3144 的工作温度为 40℃～ 150℃。 霍尔传感器 A3144 具有尺寸小、稳定性好、灵敏度高等特点。 本次设计采用的是 3 脚直插式封装 器件 ， 器件 后缀为“ UA”。 A3144 型霍尔传感器由稳压电路、电压发生电路、差分放大电路和输出放大电路等电路组成 ，其输入 端的信号为 磁感应强度 ，输出 端为高低电平的数字信号。 它能在 矩形或者柱形 永久性磁铁所产生的 单磁极磁感应强度 下工作。 霍尔传感器的 接线 电路 如图 33 所示， 霍尔传感器 实物 如图 34 所示 ,。 需要注意的是霍尔传感器的输出端应接 10K 的上拉电阻。 图 33 霍尔传感器 接线 电路图 图 34 霍尔元件 的 实际 管脚图 根据 霍尔传感器 的测速原理来设计本系统的测速装置， 本系统采用一个圆柱形的永久性磁铁作为磁场源。 并选用铜制的柱形支架把圆柱形永久性磁铁固定 在待测电机的 轴上， 为防止电动机在高速旋转时小磁铁被甩出，需要用胶带再次固定小磁铁。 铜制的柱形支架可 以再淘宝网上或郑州市中州商场购买。 安装时应保证圆柱形永久性磁铁 的磁极与霍尔传感器的表面相垂直， 用扎带将小直流电动机固定好。 鉴于电动机转动时会有很大的震动干扰，故电动机安装在万能板上，显示和数据处理单元 单独 放在另一个电路板上 两块电路板之间用杜邦线连接。 测速装置的 安装如图 35。 转速测量系统的设计及实现 9 图 35 霍尔传感器 测速装置的安装示意图 隔离电路 为了能 让单片机对外部脉冲进行精确计数，本系统采用了光电耦合器对霍尔传感器的输入脉冲进行隔离。 光电耦合器的工作原理如图 37， 当电流从 光电耦合器的输入端 进入后， 发光二 极 管 开始正向导通并发光。 光敏 光敏三极管 受到光照后产生电流，发射结 CE 开始 导通；当输入端 不加 信号 时 ，发光二极 管 不亮，光敏三极管 处于 截止状态 ， 发射结 CE 不 能导 通。 对于 脉冲 电信号 ，当输入 端 为低电平 0 时，光敏三极管截止，输出为高电平 1；当输入为 段为 高电平 1 时，光敏三极管饱和导通，输出为低电平 0。 由以上的电路分析得出光电耦合器能够 实电 光 电 之间的 转换 ，实现了输入和输出间的隔离。 本次设计采用的 光 电 耦合器性能较好 且 价格便宜， 试验表明能够很不错的实现 输入输出间 的 互相隔离 ，提高了 本系统测量 的精确度。 光电耦合器如图 36， 接线时霍尔传感器的输出端接光电耦合器的输入 端 ， 光电耦合器的输出端接单片机的外部中断 0 入口（ ）。 转速测量系统的设计及实现 10 图 36 光电耦合器 图 37 光电耦合器 电路 原理图 在光电耦合器的输出端还可以接 74LS04 反向器，反向器的加入再次增强了本系统的抗干扰 性。 74LS04 反向器 内部有 6 组反向器，内部原理如图 38 所示。 本系统只使用 74LS04 反向器内部的两组反向器，让引脚 2 和引脚 3 短接在一起，引脚 1 接光电耦合器的输出端，引脚 4 接单片机的外部中断 0 端口。 由于霍尔传感器需要和电动机接在同一个电路板上，而光电耦合器和 74LS04 反向器 都连接在霍尔传感器的后面，故它们可以和电动机放在同一块电路板上。 74LS04 反向器的使用可以参照图 38。 图 38 74LS04 反向器内部原理图 转速测量系统的设计及实现 11 逻辑 控制 电路 单片机工作原理 本系统采用 AT89S52 单片机 作为逻辑控制单元 ， 根据系统功能要求以及单片机 的内部电路工作原理 对 逻辑控制 模块进行设计， 使 AT89S52 单片机 能实现对电动机转速的准确测量并送给 LCD1602 显示。 可以把逻辑控制单元（ AT89S52 单片机） 部分分为 时钟电路、 处理执行 电路 和 复位电路 三 个部分。 AT89S52 型 单片机是一种带 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 八位微处理器，俗称单片机。 ATMEL 公司的 AT89S52 单片机是一种高效微控制器而且价格便宜、容易操作。 这为基于霍尔传感器的电动机 转速侧量系统的设计 提供了一种很好的方案。 AT89S52 型 单片机 的使用可以参照图 39。 图 39 AT89S52 单片机 引脚图 在本次设计中用到的 AT89S52 单片机 的 主要 管脚 进行详细地 说明： ：供电电压。 ：接地。 口： P0 口为一个 8 位漏 极 开路双向 I/O 口，每脚可吸收 8TTL 门电流。 P0口由输出锁存器、两个三态输入缓冲器和输出驱动及控制电路组成。 AT89S52 单片机的 P0 口既可以作为普通 I/O 口 ，又可以作为地址 /数据总线口。 本系统只用到 P0 的普通 I/O 口。 需要注意的是，由于输出驱动为漏极开路形式，需要接 10K 欧姆的上拉电阻。 转速测量系统的设计及实现 12 口： P2 口 是 一个内部 有 上拉电阻的 8 位双向 I/O 口， P2 口缓冲器可接收，输出 4 个 TTL 门电流。 本系统只用到 P2 口的 双向 I/O 口 来控制液晶显示器 LCD1602的读写控制。 口： P3 口管脚是 8 个带内部上拉电阻的双向 I/O 口，可接收输出 4 个 TTL门电流。 P3 口也可作为 AT89C51 的一些特殊功能口，如下表 31 所示。 本系统的设计用到了 引脚的外部中断 0 请求。 ： 单片机的 复位输入 端。 当 单片机复位 时， 需 要保持 RST 脚两个机器周期以上 的高电平时间。 具体的复位电路在下面的章节中会有详细的介绍。 表 31 P3 口的第二功能 引 脚 第二功能 信 号 名 称 RXD TXD INT0 INT1 T0 T1 WR RD 串行数据接收 串行数据发送 外部中断 0 请求 外部中断 1 请求 定时器 /计数器 0 计数输入 定时器 /计数器 1 计数输入 外部 RAM 写选通 外部 RAM 读选通 数据来 源：单片机应用开发技术，中国电力出版社 8./EA/VPP： 当 EA 为高电平时， 单片机访问的是内部程序储存器。 当 PC 的值超过内部程序储存器的范围时，自动转向外部程序储存器。 本次系统的设计 只用到了内部程序储存器， 故 需要将 EA 接高电平 VCC。 当 EA 为低电平时，只执行外部程序储存器，因此本次的毕业设计中应注意 EA 不能接地 也不能悬空。 ：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。 ：来自反向振荡器的输出。 本次系统。