《傳感器及檢測(cè)技術(shù)》課程設(shè)計(jì)霍爾元件小車測(cè)距離系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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1、 吉林建筑工程學(xué)院 電氣與電子信息工程學(xué)院 《傳感器及檢測(cè)技術(shù)》課程設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)題目：霍爾元件小車測(cè)距離系統(tǒng)設(shè)計(jì) 專業(yè)班級(jí)： 信科071 學(xué)生姓名： 學(xué) 號(hào)： 指導(dǎo)教師： 設(shè)計(jì)時(shí)間： 教師評(píng)語(yǔ)： 成績(jī) 評(píng)閱教師 日期 目錄 一、課程設(shè)計(jì)目的………………

2、……………………………………….1 二、課程設(shè)計(jì)內(nèi)容……………………………………………………….1 三、課程設(shè)計(jì)要求……………………………………………………….1 四、傳感器工作原理…………………………………………………….1 五、系統(tǒng)框圖…………………………………………………………….2 六、單元電路設(shè)計(jì)原理………………………………………………...4 七、電路原理圖…………………………………………………………8 八、 設(shè)計(jì)中的問(wèn)題及解決方法…………………………………………8 九、 總結(jié)…………………………………………………………………9

3、 十、 參考文獻(xiàn)…………………………………………………………...10 霍爾元件小車測(cè)距系統(tǒng)設(shè)計(jì) 一、 課程設(shè)計(jì)目的： 通過(guò)《傳感器及檢測(cè)技術(shù)》課程設(shè)計(jì)，使我們掌握傳感器及檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的方法和設(shè)計(jì)原則及相應(yīng)的硬件調(diào)試的方法。進(jìn)一步理解傳感器及檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用。 二、課程設(shè)計(jì)內(nèi)容： 將霍爾元件安裝到小車的車輪上，經(jīng)磁敏三極管采集磁信號(hào)，通過(guò)對(duì)磁信號(hào)的計(jì)數(shù)計(jì)算行駛距離，其中霍爾元件在車輪上等距安裝。 功能：1）LED數(shù)碼管顯示小車的行駛距離（單位：cm）。 2）具有小車前進(jìn)和后退檢測(cè)功能，并用指示燈顯示。 3）記錄小車的行駛時(shí)間，并實(shí)時(shí)計(jì)算小車

4、的行駛速度。 4）距離測(cè)量誤差＜2cm。 5）其它。 三、課程設(shè)計(jì)要求： 1）掌握傳感器的工作原理及相應(yīng)的輔助電路設(shè)計(jì)方法。 2）獨(dú)立設(shè)計(jì)原理圖及相應(yīng)的硬件電路。 3）設(shè)計(jì)說(shuō)明書格式規(guī)范，層次合理，重點(diǎn)突出。并附上詳細(xì)的原理圖。 四、 傳感器工作原理： 霍爾效應(yīng)就是金屬或半導(dǎo)體薄片置于磁場(chǎng)中，磁場(chǎng)方向垂直于薄片，當(dāng)有電流流過(guò)薄片時(shí)，在垂直于電流和磁場(chǎng)的方向?qū)a(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，這種現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)。 如右圖所示。 霍爾傳感器是根據(jù)霍爾效應(yīng)制作的一種磁場(chǎng)傳感器?；魻栃?yīng)是磁電效應(yīng)的一種，這一現(xiàn)象是霍爾（A.H.Hall，1855—1938）于1879年在研究金屬

5、的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)時(shí)發(fā)現(xiàn)的。后來(lái) 發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)體、導(dǎo)電流體等也有這種效應(yīng)，而半導(dǎo)體的霍爾效應(yīng)比金屬?gòu)?qiáng)得多，利用這現(xiàn) 1 象制成的各種霍爾元件，廣泛地應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)、檢測(cè)技術(shù)及信息處理等方面?；魻栃?yīng)是研究半導(dǎo)體材料性能的基本方法。通過(guò)霍爾效應(yīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)定的霍爾系數(shù)，能夠判斷半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電類型、載流子濃度及載流子遷移率等重要參數(shù)。 使用霍爾傳感器獲得脈沖信號(hào)，其機(jī)械結(jié)構(gòu)也可以做得較為簡(jiǎn)單，只要在轉(zhuǎn)軸的圓周上粘上一粒磁鋼，讓霍爾開(kāi)關(guān)靠近磁鋼，就有信號(hào)輸出，轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，就會(huì)不斷地產(chǎn)生脈沖信號(hào)輸出。如果在圓周上粘上多粒磁鋼，可以實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)一周，獲得多個(gè)脈沖輸出。在粘磁鋼時(shí)要注意，霍爾傳感器對(duì)磁場(chǎng)方向敏感

6、，粘之前可以先手動(dòng)接近一下傳感器，如果沒(méi)有信號(hào)輸出，可以換一個(gè)方向再試。這種傳感器不怕灰塵、油污，在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用廣泛。 霍爾元件是應(yīng)用霍爾效應(yīng)的半導(dǎo)體。一般用于電機(jī)中測(cè)定轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速,如錄象機(jī)的磁鼓,電腦中的散熱風(fēng)扇等;是一種基于霍爾效應(yīng)的磁傳感器,已發(fā)展成一個(gè)品種多樣的磁傳感器產(chǎn)品族，并已得到廣泛的應(yīng)用。 若把霍爾元件置于電場(chǎng)強(qiáng)度為E、磁場(chǎng)強(qiáng)度為H的電磁場(chǎng)中，則在該元件中將產(chǎn)生電流I，元件上同時(shí)產(chǎn)生的霍爾電位差與電場(chǎng)強(qiáng)度E成正比，如果再測(cè)出該電磁場(chǎng)的磁場(chǎng)強(qiáng)度，則電磁場(chǎng)的功率密度瞬時(shí)值P可由P=EH確定。 利用這種方法可以構(gòu)成霍爾功率傳感器。 如果把霍爾元件集成的開(kāi)關(guān)按預(yù)定位置有規(guī)律地布置

7、在物體上，當(dāng)裝在運(yùn)動(dòng)物體上的永磁體經(jīng)過(guò)它時(shí)，可以從測(cè)量電路上測(cè)得脈沖信號(hào)。根據(jù)脈沖信號(hào)列可以傳感出該運(yùn)動(dòng)物體的位移。若測(cè)出單位時(shí)間內(nèi)發(fā)出的脈沖數(shù)，則可以確定其運(yùn)動(dòng)速度。 五、 系統(tǒng)框圖 系統(tǒng)總體框圖 2 系統(tǒng)上電 初始化開(kāi)中斷 記錄中斷個(gè)數(shù) 換算成行駛距離 送顯示 記算時(shí)間并除行駛距離算出速度 送顯示 檢測(cè)兩霍爾傳感器相序，得出小車前進(jìn)方向 送指示燈 外部中斷服務(wù)程序 計(jì)數(shù)值加一 定時(shí)中斷服務(wù)程序 TH0/TL0賦值 中斷返回 計(jì)數(shù)值加一 中斷返回 程序框圖 3 六、 單元電路設(shè)計(jì)原理 1、霍爾元件測(cè)距設(shè)計(jì)

8、 霍爾集成片內(nèi)部由三片霍爾金屬板組成，當(dāng)磁鐵正對(duì)金屬板時(shí)，根據(jù)霍爾效應(yīng)，金屬板發(fā)生橫向?qū)ǎ虼丝梢栽谲囕喩习惭b磁片，而將霍爾集成片安裝在固定軸上，通過(guò)對(duì)脈沖計(jì)數(shù)進(jìn)行距離測(cè)量。小車后輪每轉(zhuǎn)一圈，霍爾元件產(chǎn)生的脈沖送入單片機(jī)的T0口進(jìn)行計(jì)數(shù)，單片機(jī)完成脈沖數(shù)到距離的轉(zhuǎn)換。測(cè)量誤差可在軟件中給予補(bǔ)償。 由于要求距離測(cè)量誤差＜2cm，所以要求磁片數(shù)目不小于“車輪周長(zhǎng)/2”。 裝兩個(gè)霍兒元件在車輪旁邊，磁片足夠大以便通過(guò)檢測(cè)兩個(gè)霍爾元件的相序判斷輪子是正轉(zhuǎn)還是反轉(zhuǎn)，也就知道了前進(jìn)還是后退。 霍爾傳感器3144的外形圖和與磁場(chǎng)的作用關(guān)系如右圖所示。磁場(chǎng)由磁鋼提供，所以霍爾傳感器和磁鋼需要配對(duì)

9、使用。 霍爾傳感器檢測(cè)轉(zhuǎn)速示意圖如下。在非磁材料的圓盤邊上粘貼一塊磁鋼，霍爾傳感器固定在圓盤外緣附近。圓盤每轉(zhuǎn)動(dòng)一圈，霍爾傳感器便輸出一個(gè)脈沖。通過(guò)單片機(jī)測(cè)量產(chǎn)生脈沖的頻率就可以得出圓盤的轉(zhuǎn)速。 當(dāng)沒(méi)有信號(hào)產(chǎn)生時(shí)，可以改變一下磁鋼的方向，霍爾對(duì)磁鋼方向有要求。沒(méi)有磁鋼時(shí)輸出高電平，有磁鋼時(shí)輸出低電平。 檢測(cè)裝置 霍爾傳感器接線圖 4 2、單片機(jī) 主控芯片采用AT89S52單片機(jī)來(lái)設(shè)計(jì)，其管腳如圖所示： AT89S52管腳圖 AT89S52 是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器。使用Atm

10、el公司高密度非易失性存儲(chǔ)器技術(shù)制造，與工業(yè)80C51產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。片上Flash允許程序存儲(chǔ)器在系統(tǒng)可編程，亦適于常規(guī)編程器。AT89S52具有以下標(biāo)準(zhǔn)功能：8k字節(jié)Flash，256字節(jié)RAM，32位I/O口線，看門狗定時(shí)器，2個(gè)數(shù)據(jù)指針，三個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，一個(gè)6向量2級(jí)中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口，片內(nèi)晶振及時(shí)鐘電路。另外，AT89S52可降至0Hz靜態(tài)邏輯操作，支持2種軟件可選擇節(jié)電模式?？臻e模式下，CPU停止工作，允許RAM、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護(hù)方式下，RAM內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機(jī)一切工作停止，直到下一個(gè)中斷或硬件復(fù)位為止。 3．?dāng)?shù)碼管

11、顯示 HD7279A是一片具有串行接口的，可驅(qū)動(dòng)8位共陰式數(shù)碼管（或64只獨(dú)立LED）的智能顯示驅(qū)動(dòng)芯片，該芯片同時(shí)還可連接多達(dá)64鍵的鍵盤矩陣，單片即可完成LED顯示、鍵盤接口的全部功能，同時(shí)還節(jié)省了I/O口資源。 HD7279A內(nèi)部含有譯碼器，可直接收BCD碼或16進(jìn)制碼，并同時(shí)具有2種譯碼方式，此外，還具有多種控制指令，如消隱、閃爍、左移、右移、段尋址等。HD7279A具有 5 片選信號(hào)，可方便地實(shí)現(xiàn)多于8位的顯示或多余64鍵的鍵盤接口。 特點(diǎn)如下1）串行接口，無(wú)需外圍元件可直接驅(qū)動(dòng)LED 2）各位獨(dú)立控制譯碼/不譯碼及消隱和閃爍屬性 3）（循環(huán)）左移/（循環(huán)）右移

12、指 4）具有段尋址指令，方便控制獨(dú)立LED 5）64鍵鍵盤控制器，內(nèi)含去抖動(dòng)電路 6）有DIP和SOOC兩種封裝形式供選擇 其指令系統(tǒng)由6條純指令,7條帶數(shù)據(jù)指令和1條讀鍵盤指令組成.6條純指令為: (1) 復(fù)位指令：指令代碼為A4H，其功能為清除所有顯示，包括字符消隱屬性和閃爍屬性。 (2) 測(cè)試指令：指令代碼為BFH，其功能為將所有的LED點(diǎn)亮并閃爍，可用于自檢。 (3) 左移指令：指令代碼為A1H，其功能為將所有的顯示左移1位移位后，最右位空(無(wú)顯示)，不改變消隱和閃爍屬性。 (4) 右移指令：指令代碼為A0H，其功能與左移指令相似,只是方向相反。 (5) 循環(huán)左移

13、指令：指令代碼為A3H，其功能為將所有的顯示循環(huán)左移1位，移位后，最左位內(nèi)容移至最右位，不改變消隱和閃爍屬性。 (6) 循環(huán)右移指令：指令代碼為A2H，其功能與循環(huán)左移指令相似，只是方向相反。 注釋：由于數(shù)碼管只有6個(gè)而移位和循環(huán)指令是相對(duì)于8個(gè)數(shù)碼管的，因而輸入命令后的效果不明顯。 幾點(diǎn)說(shuō)明 1. 微處理器通過(guò)KEY引腳電平來(lái)判斷是否有鍵按下，在使用查詢方式管理鍵盤時(shí)，該引腳接至微處理器的1位I/O端口。如果使用中斷方式，該引腳應(yīng)接至微處理器的外部中斷輸入端，同時(shí)應(yīng)將該中斷觸發(fā)控制位設(shè)置成下降沿有效的邊沿觸發(fā)方式，若置成電平觸發(fā)方式，則應(yīng)注意在按鍵時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)可能引起的多次中斷問(wèn)題

14、。 2. HD7279A沒(méi)有提供組合鍵功能，如果某些場(chǎng)合確需雙鍵組合使用，可在微處理器某位I/O引腳接入一鍵，與HD7279A所連鍵盤共同組成雙鍵功能。 3. HD7279A的3,5,26腳均為空閑引腳，一律懸空.。在本實(shí)驗(yàn)儀上共進(jìn)行了左移，右移，測(cè)試，循環(huán)指令的測(cè)試，了解了其功能。 6 HD7279A引腳說(shuō)明 引腳 名稱 說(shuō)明 1,2 VDD 正電源 3,5 NC 無(wú)連接，必須懸空 4 VSS 接地 6 CS 片選輸入端，此引腳為低電平時(shí)，可向芯片發(fā)送指令及讀取鍵盤數(shù)據(jù) 7

15、CLK 同步時(shí)鐘輸入端，向芯片發(fā)送數(shù)據(jù)及讀取鍵盤數(shù)據(jù)時(shí)，此引腳電平上升沿表示數(shù)據(jù)有效 8 DATA 串行數(shù)據(jù)輸入/輸出端，當(dāng)芯片接收指令時(shí)，此引腳為輸入端，當(dāng)讀取鍵盤數(shù)據(jù)時(shí)，此引腳在“讀”指令最后一個(gè)時(shí)鐘的下降沿變?yōu)檩敵龆? 9 KEY 按鍵有效輸出端，平時(shí)為高電平，當(dāng)檢測(cè)到有效按鍵時(shí)，此引腳變?yōu)榈碗娖? 10-16 SG-SA 段g-段a驅(qū)動(dòng)輸出 17 DP 小數(shù)點(diǎn)驅(qū)動(dòng)輸出 18-25 DIG0-DIG7 數(shù)字0-數(shù)字7驅(qū)動(dòng)輸出 26 CLKO 振蕩輸出端 27 RC RC振蕩器連接端 28 RESET 復(fù)位端 串行接口： HD7279

16、A采用串行方式與微處理器通訊，串行數(shù)據(jù)從DATA引腳送入芯片，并由CLK端同步。當(dāng)片選信號(hào)變?yōu)榈碗娖胶?，DATA引腳上的數(shù)據(jù)在CLK引腳的上升沿被寫入HD7279A的緩沖寄存器。 HD7279A的指令結(jié)構(gòu)有三種類型：1、不帶數(shù)據(jù)的純指令，指令的寬度為8個(gè)BIT，即微處理器發(fā)送8個(gè)CLK脈沖。2、帶數(shù)據(jù)的指令，寬度為16個(gè)BIT，即微處理器發(fā)送16個(gè)CLK脈沖。3、讀取鍵盤數(shù)據(jù)指令，寬度為16個(gè)BIT，前8個(gè)位微處理器發(fā)送到HD7279A的指令，后8個(gè)BIT位HD7279A返回的鍵盤代碼。執(zhí)行此指令時(shí)，HD7279A的DATA端在第9個(gè)CLK脈沖的上升沿變?yōu)檩敵鰻顟B(tài)，并與第16個(gè)脈沖的下降沿

17、恢復(fù)為輸入狀態(tài)，等待接收下一個(gè)指令。 7 七、電路原理圖（見(jiàn)附錄） 八、 設(shè)計(jì)中的問(wèn)題及解決方法 時(shí)間和距離的顯示：?jiǎn)纹瑱C(jī)通過(guò)讀取按鍵開(kāi)關(guān)信號(hào)（P3.7）來(lái)控制數(shù)碼管顯示時(shí)間和距離，當(dāng)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)，即P3.7為高電片時(shí)，數(shù)碼管顯示距離；當(dāng)開(kāi)關(guān)閉合時(shí)，即P3.7為低電平時(shí)，數(shù)碼管顯示小車行駛時(shí)間。 電阻、電容值大小選擇：由于生產(chǎn)的電阻、電容值大小都有固定值，所以只能選擇最相近的電阻、電容。電阻、電容值的大小通過(guò)估算而得出。 小車前進(jìn)后退顯示：數(shù)碼管顯示距離的正負(fù)表示小車前進(jìn)和后退，通過(guò)讀取控制電機(jī)信號(hào)的電平來(lái)控制程序的流程，進(jìn)而顯示數(shù)碼管的正負(fù)。

18、 8 九、 總結(jié) 兩周的傳感器課程設(shè)計(jì)使我可以說(shuō)收獲良多。在此期間我失落過(guò)，也曾一度熱情高漲。從開(kāi)始時(shí)遇到困難時(shí)的為難到最后收獲后的興奮心情，點(diǎn)點(diǎn)滴滴無(wú)不令我回味無(wú)常。 這次主要是一個(gè)根據(jù)霍爾元件及傳感器原理還有單片機(jī)相關(guān)知識(shí)做成的小車測(cè)距離的設(shè)計(jì)。剛拿到這個(gè)題目我無(wú)從下手，真的感覺(jué)很難，因?yàn)樯婕暗胶芏嘀R(shí)點(diǎn)，然后還得把它們都融合到一塊，著實(shí)讓我為難了。但是心中有一種不撓的勁頭支撐著我硬是把那些知識(shí)都重新鞏固了一下，更加熟練了。憑借這種熟練我腦中開(kāi)始逐漸構(gòu)造出了這次設(shè)計(jì)原理的框架，并且一步步填充，最后成功完成了此次設(shè)計(jì)。回想剛完成的那一刻，心中真是充滿了喜悅。

19、 一分耕耘一分收獲，這話一點(diǎn)不假。我從這次設(shè)計(jì)中學(xué)到了太多的東西了：邏輯能力，想法的擴(kuò)展能力，對(duì)知識(shí)的結(jié)合能力等等… 馬上就畢業(yè)了，希望這次意義非凡的課程設(shè)計(jì)能讓我在以后的工作中更加輕松自如。 　　 9 十、 參考文獻(xiàn) [1] 陳守仁.自動(dòng)檢測(cè)技術(shù).北京.機(jī)械工業(yè)出版社.1991 [2] 張毅剛.單片機(jī)原理及應(yīng)用.高等教育出版社.2003 [3] 張福學(xué).傳感器應(yīng)用及其電路精選.北京.電子工業(yè)出版社.2000 [4] 錢曉捷.微型計(jì)算機(jī)及應(yīng)用.清華大學(xué)出版社.2006 [5] 陳粵初等.單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)踐.北京.北京航空航天大學(xué)出版社.1991 [6] 張毅剛 MCS-51實(shí)用匯編子程序設(shè)計(jì) 哈爾濱 哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社 2003 10