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1、密 级 公 开 学 号2 衡水学院毕业论文（设计）基于霍尔传感器的转速检测仪设计论文作者：刘世龙指导教师：侯晓云系别：物理与电子信息系专业电子信息工程年级：2015级提交日期：2017年4月18日答辩日期：2017年5月05日毕业论文（设计）学术承诺本人郑重承诺：所呈交的毕业论文（设计）是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文（设计）中不存在抄袭情况，论文（设计）中不包含其他人已经发表的研究成果，也不包含他人或其他教学机构取得的研究成果。作者签名： 日 期：_ 毕业论文（设计）使用授权的说明本人了解并遵守衡水学院有关保留、使用毕业论文（设计）的
2、规定。即：学校有权保留或向有关部门送交毕业论文（设计）的原件或复印件，允许论文（设计）被查阅和借阅；学校可以公开论文（设计）的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文（设计）及相关资料。作者签名： 指导教师签名：_日 期： 日 期：_15 / 23论文题目：基于霍尔传感器的转速检测仪设计摘 要：近年来，在现代化机械实际的应用中，设备的自动化已经成为一种主流，而且要求越来越高。其精度已经不再是一个数字的表述，而是器械性能的表达。在测速设备采用霍尔传感器之前，测量速度仪器使用磁电式。该测量仪虽然设计简单，价格低，但存在着一些缺点：当机械设备转动太慢输出信号的电压就太低，不利于检测系
3、统检测。当机械设备转动太快输出信号的电压就太高，检测的数据就会与实际不符。本设计测速是基于霍尔传感器，部件结构简单，外形小巧，非接触式，高精准，外界环境适应性强。基于霍尔传感器的转速检测仪设计运用51系列微处理器和基本电路的模块实现功能。本检测仪可以进行转动速度的测量。本设计采用STC89C51单片机作为微型处理器，加上传感器装置与显示器两个部分。使用型号A3144霍尔传感器元件作为传感器模块。显示器模块分别用2位一体共阳数码管、3位一体共阳数码管。然后与微处理器通信。用C语言实现软件功能，以达到检测实时转速的目的。关键词：电机转速测量；霍尔传感器；单片机；数码管 窗体底端TITLE：BASE
4、D ON THE SPEED OF THE HALL SENSOR DETECTOR DESIGNAbstract: In recent years, in the modern equipment in practical application, the automation equipment has become a mainstream, and the detection accuracy is also more and more high request, its precision is no longer a number, but the expression of eq
5、uipment performance. Before the hall sensor used in speed, mostly using magnetic speed measuring instrument, although the measurement instrument design is simple, low prices, but there are some disadvantages: when mechanical equipment turning slow signal output voltage is too low, go against inspect
6、ion system; When mechanical equipment turning too fast signal output voltage is too high, will do not tally with the actual test data. The design speed is based on hall sensor, My design is to use simple structure, small, non-contact, high precision accuracy and environmental applicability of hall s
7、ensor as the detector.Use models A3144 hall sensor element as the sensor module. Display module respectively with two one common Yang digital tube 0.36, three common Yang digital tube of 0.36.And then communicate with microprocessor. Using C language to achieve the function of software for the purpo
8、se of real-time speed detection.Key words：Motor Speed Measurement; Hall Sensor; Microcomputer; Nixie tube目 录摘 要IAbstractII1 绪论11.1 课题背景11.2 国内外研究现状11.3 课题的设计目标12 系统硬件设计32.1 总体硬件设计32.1.1 系统框图32.1.2 主控制器CPU简介32.1.3 主控制器电路设计32.2 霍尔传感器接口电路设计42.2.1 霍尔传感器原理简介42.2.2 A3144霍尔传感器参数分析42.2.3 A3144霍尔传感器接口设计52.3
9、数码管显示部分设计62.3.1 共阳数码管主要参数62.3.2 共阳数码管接口电路设计62.4 可调速电机部分设计73 系统软件分析思路设计83.1 开发软件的平台83.2 主程序流程图83.3 中断服务流程图84 系统测试部分11结语12参考文献13致谢14附录151 绪论1.1 课题背景由于现代自动化控制设备的普及，在我们平常的生活中也经常碰到需要控制转速的设备，比如医学仪器（手术刀）、农业机械设备、汽车、工业机械设备、甚至自行车的码表以及日常生活等各种需要检速的设备。随着高科技的发展对其检测的精准程度要求也随之提升。因为人们生活质量与需求的提高，而传统的磁电式测速仪无论是精准度方面还是结
10、构形状简单和持久性能方面都逐渐不能满足人们的需求。霍尔效应的发现逐渐引起了人们的关注等到60年代，随着半导体集成电路技术的成熟。人们把电路和元件集成到一起，就是现在的霍尔传感器。霍尔传感器的出现使得检测精度、持久耐用性方面有了巨大的提升。霍尔传感器测速仪的应用可以提高生产的精密度；也可以使自动智能化更加的服务于我们的生活。1.2 国内外研究现状最开始的不接触式的测速仪采用的传感设备大多为磁电式传感器。该测量仪虽然设计简单，价格低，但存在着一些缺点：当机械设备转动太慢输出信号的电压就太低，不利于检测系统检测。当机械设备转动太快输出信号的电压就太高，检测的数据就会与实际不符。上世纪40年代前期：霍
11、尔效应被发现。因为各方面的技术不成熟，人们并不重视这一现象。上世纪40年代中期：半导体应用技术出现。从而使得霍尔元件进一步发展。后来关于这一元件的仪器逐渐发展，比如磁罗盘由和磁场传感器等相关器件。上世纪60年代到80年代：半导体和集成电路的迅猛发展。现在的霍尔传感器已经发展到三维，有3个或者4个端口。所以现在应用非常广泛的霍尔传感器测速仪性能、结构、耐用性、抗击能力也得以巨大的进步。1.3 课题的设计目标1、根据霍尔传感器测速装置的基本要求，使得设计能够实现以下几个功能：不仅检测目标精度准确，而且感测速度范围大，得到被测电机当下转速。2、该设计分为4个模块，硬件设计简单易懂，且有效的实现其功能
12、与效果。3、在类似的转速测量仪中价格便宜，性能稳定，功能实用。根据霍尔传感器测速装置，本设计可以解决以下问题：1、LED显示模块和A3144霍尔传感器和软件模块的程序代码和调试。2、硬件电路的设计和电路的仿真。3、各个模块之间的运行协调。4、转速检测过程中受外界环境影响造成的测量精准度问题。2 系统硬件设计2.1 总体硬件设计本测速仪设计各个电路模块之间的工作流程是：检测转动速度的霍尔传感器固定到与机械转动轴相对应的位置，轴的每转动一圈对应的产生若干个固定量脉冲，通过电路把这些脉冲信号输送到单片机。微型处理器对每次传送来的脉冲信号进行处理最后将实时的转速显示到数码管。2.1.1 系统框图以ST
13、C89C51微型处理器作为本设计整个系统模块的核心部件，检测转速元器件使用霍尔传感器，然后将采集到的电机转速信号处理后转换为数字信号显示在数码管上，微小化的高度集成电路替代传统的方式。如图2-1所示。电机霍尔传感器单片机STC89C51数码管显示图2-1 系统框图2.1.2 主控制器CPU简介STC89C51带有可擦除只读存储器。它是一种高性能的微处理器。完整的最小的计算机系统就是单片机，只是单片机仅仅集成在一个小小芯片上。CPU、内存、总线、外存、接口、定时器、实时时钟等都集成在一块芯片上。单片机还叫做微控制器。它的质量轻，体积小，开发便利，减轻了简单电路设计学习时的复杂程度。2.1.3 主
14、控制器电路设计为了使微控制器正常工作，本设计的最小系统的组成包括：一个晶振电路，一个时钟电路，一个单片机，一个复位电路，一个上拉电阻等最基本的电路组成。单片机的最小系统如下图2-2所示。图2-2单片机最小系统电路图2.2 霍尔传感器接口电路设计2.2.1 霍尔传感器原理简介从霍尔效应的发现，科学家们根据这一现象使用半导体制作了这种具有感应磁场能力的元件，这种元件就是霍尔元件。它有着对磁场的敏感性能，并且其外形小巧，结构并不复杂，探测输出电压范围大，非接触式，精准度高，抵抗外界干扰性能好，结实稳靠。因为较传统的有着诸多的优点，因此在自动控制化领域得以广泛的应用。2.2.2 A3144霍尔传感器参
15、数分析根据本设计功能需要要求，选用A3144霍尔传感器。该传感器的主要性能及其参数详细明细见如下。1、性能指标表2-1。表2-1 性能指标型号测量范围测速精度分辨力封装A3144099999转/分钟513针引脚2、接口说明A3144霍尔传感器的供电电压为5V。传感器供电完成后，大约等待1秒度过传感器不稳定时期，因为在这时是无法发送指令的。3、串口说明霍尔传感器使用单总线的格式。每次只可以传送40bit。分别是转速的整数位与小数位。除此还有校验位，位数是8位。一次通信只能是4ms左右。4、霍尔元件的管脚与管脚接线如图2-3与图2-4所示。图2-3霍尔片管脚 图2-4管脚接线2.2.3 A3144
16、霍尔传感器接口设计A3144使用数据输出接口给MCU进行数据的传送。A3144霍尔传感器的上拉电阻与数据传输接口相互连接，起到信号稳定的作用。保证输出的数据有效、实时。A3144霍尔传感器接口电路设计如图2-5所示。图2-5 A3144霍尔传感器接口设计2.3 数码管显示部分设计2.3.1 共阳数码管主要参数表2-2 3位与2位一体共阳数码管主要参数表项目参考值逻辑工作电压（Vdd） +4.8 +5.2VLED 驱动电压（Vdd-Vo） +3.0 +5.0V工作温度（Ta）-20 +70（宽温）储存温度(Tsto) -30 + 80（宽温）工作电流（背光除外） 1.7mA(max)工作电流（背
17、光） 24.0mA(max)共阳数码管主要参数如表2-2所示。2位一体共阳数码管、3位一体共阳数码管从外观上看每位数字是由7段发光二极管组成。因为数码管显示数字所需12ms的时间，但是人的视觉会有暂留的现象。二极管还会有余晖效应。即使所有的数码管点亮不是在同一时间，但如果能够使得扫描速度达到很高，那么由于人的视觉的暂留现象缘故依旧察觉不到数码管数字的闪烁。这样既可以达到静态显示效果又可以节省掉大量的I/O端口还可以使得功能消耗降到最低。因此使用动态方式。2.3.2 共阳数码管接口电路设计共阳数码管是把发光的二极管的所有阳极连接。成为共阳极数码管（COM）。使用共阳数码管时把COM极连接直流+5
18、V。数码管的显示的驱动是使用PNP型三极管与5个9019电阻。利用了三极管的开关作用，所连接的电阻为限流电阻。三极管只有当微型处理器输出低电平时才会导通。电流经过三极管流到数码管的位穴（1H）。公共端就得到正的电压。通过P0口给d。这样数码管才能得以控制其所对应的字段。才可以把需要的数字输出显示。数码管显示模块电路图如图2-6所示。图2-6 数码管显示模块电路图2.4 可调速电机部分设计可调速小电机部分供电方式采用外部直流5V电压给其供电。采用201电位器调节电阻的大小，从而控制小电机的转速。小电机转轴带动一个轮盘，轮盘两端各粘贴一个磁条。自锁开关用于控制电机的供电。3 系统软件分析思路设计3
19、.1 开发软件的平台STC89C51其功耗低，基本干扰可以忽略的单片机。此程序代码所使用的开发环境是VC+6.0。VC+6.0是一款非常适合8051单片机程序代码编译的开发环境。它操作方便，占用内存小，开发性能强。它的仿真的功能很健全，所以我的设计选用VC+6.0作为该作品的开发工具。Keil-uVision4开发平台成熟性能稳健。它可以提高开发的效率，使得程序的开发进程加快。3.2 主程序流程图把测量模块的A3144器件与转动轴同轴连接。每转一圈都会产生若干定数的脉冲，霍尔传感器模块电路将产生的脉冲输出。微型处理器把传递过来的数据信号处理后把信号传递到数码管，由数码管输出可读数据。主流程图如
20、图3-1所示。开始初始化计算程序BCD码转换非压缩BCD码转换显示程序返回图3-1主程序流程图3.3 中断服务流程图当程序阶段处在中断服务时首要是设置关中断，然后是接收位脉冲的个数，然后是给T0赋初始值和设置关中断，最后把中断返回。1、外部计数中断，如流程图3-2所示。 关闭中断计数器+1初始化计数器转圈计数器+1判断是否为次，4次则为电机转一圈开外部中断INTO返回NY图3-2外部中断流程图2、定时中断，如流程图3-3所示。 关T0中断重新装入计时数值计时次数+1判断是否为20次20次则为1秒关INTO中断把转圈数赋值给数据处理参数LCD显示开中断返回YN图3-3 T0中断流程图4 系统测试
21、部分在毕业设计作品做完之后，还需要对其功能与性能进行全面的测试与调试。如果存在与设想不一致现象或者明显的缺陷之处，还需要对设计存在问题之处加以改正。使用开发环境编写完程序代码，必须要保证LED数码管、单片机、A3144传感器等各个模块之间能保持稳定正常的运行。最后使用STC_ISP_V483把程序 烧到微型处理器。给作品正常供电后，按下开关使用。第一观察数码管是否被点亮；第二观察小电机是否转动。确保硬件部分可以正常供电运行。然后进行软件部分的测试，把小电机的转轴上的小磁铁贴近霍尔传感器，使其能够感应到磁场。然后读取数码管上的数。等片刻之后看数字变化是否稳定，如果稳定则记录其数据。然后调整小电机
22、的转速，按以上步骤接着测速，记录数据。将所得数据与其他设备测得的值比较，如果误差较大则继续对所写代码与硬件设备进行调试。直至误差在允许范围之内。在设备的整个测试过程期间，设备并没有出现停止运行等严重的错误。经过多次的测试与调试，优化设备的性能，使其测速精准度非常接近了小电机的真实实时转速。结语本文介绍了一种的基于霍尔传感器的转速检测仪的软硬件设计。此作品测速的精准程度要高于传统的磁电式测速仪。本作品既可以用于电机的测速，有可以应用于其他转动设备的转速测量。且其测量精度准确可靠。本设计中主要运用到了，单片机、C语言、霍尔传感器数码管、电路等基础知识。从图书馆查阅相关资料。本作品设计具有下述几方面
23、优点：1、采用性能稳定技术成熟的89C51八位微处理器。硬件模块性价比高，布局合理简单。2、使用性能优于传统磁电式的霍尔传感器。其部件结构简单，外形小巧，非接触式，高精准，外界环境适应性强。性能好、价格低。测速仪的测量误差小。3、转速显示采用直观可读性好的数码管。有些能力也有待提高，比如判断轮轴的转动方向的能力，精准度还需向更高更精密的方面发展。抗干扰性能还需大幅度的提高。参考文献1 王金艳.霍尔传感器转速检测系统的设计与研究D.黑龙江:黑龙江大学,2010.2 段斌.基于霍尔传感器的转速与转向测量方法J.通信电源技术,2014,31(3):55-57.3 兰羽,张顺星.基于霍尔传感器的转速系
24、统设计J.电子测量技术,2013,36(12):84-86.4 许戴铭.基于单片机与霍尔传感器的转速测量设计J.价值工程,2012,31(8):22-23.5 谷金花.基于霍尔传感器的转速测量系统设计J.大众科技,2007,9(11):112-113.6 杨俊恩,孟志东,杨国鹏,张子春.差分霍尔传感器的转速测量技术研究J.仪表技术,2010,10:66-70.7 汪云.基于霍尔传感器的转速检测装置J.传感器技术,2003,22(10):45-47.8 李金波;刘黎明.基于霍尔传感器的转速测量系统的设计J.河南科技学院学报(自然科学版), 2009,37(3):55-56.9 韦鸿.传感器与检测
25、技术课程项目开发J.山海经,2015,17:145-146.10 吴昕;韦成杰.基于霍尔传感器的转速仪电路设计J.数字化用户,2013,24:22-23.11 张玮;张凤登.基于霍尔传感器的车载电动机实时处理系统J.传感器与微系统,2013,32(3):97-99.12 刘东辉;吴初娜.基于霍尔传感器的制动踏板行程测量系统设计J.长安大学学报（自然科学版），2012,32(2):106-110.13 牛洁;周静;苟娜.基于霍尔传感器的直流电机转速测量系统设计J.电子测试,2008,(5):75 -79.14 赵树磊;谢吉华;刘永锋.基于霍尔传感器的电机测速装置J.江苏电器，2008,(10):
26、53-56.15 Dong-Hyun Nam;Woo-Beom Lee;You-Sik Hong;Sang-Suk Lee.Measurement of spatial pulse Wave velocity by using a clip-type pulsimeter equipped with a Hall sensor and photople ThysmographuJ. Sensors,2013,13(4):4714-4723.致谢在我的毕业设计作品完成之际，首先我要衷心的感谢我的指导老师侯晓云老师来时对我这段时间的细心指导与督促，以及我知识欠缺方面的补充。侯老师科学态度严谨，对我
27、们要求规范严格，从论文的开题报告到论文的完成，侯老师一直以积极的态度督促着我们，这种负责认真的态度值得我们学习。老师考虑我们在外地实习的学生不方便的情况，给我们合理的安排时间，有什么情况及时的通知我们，我们既可以在外地放心的实习又不误下论文与作品的完成进度。由衷的感谢侯老师在大学期间对我孜孜不倦的教导。同时感谢与大学期间相伴的同学，是你们在我大学的路上给予我生活与学习上的帮助和鼓励。使得我的大学生活丰富多彩。感谢我的母校给与我自由的学习空间，是她使我在人生的道路上进一步成长，为我将来的走向社会奠定了扎实的基础。给了我迈向社会的自信勇气与能力。我会在工作中保持着认真负责的态度努力拼搏，做一个对社会有用的人实现我的梦想！附录测速装置的仿真电路图