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

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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 《傳感器及檢測技術(shù)》課程設(shè)計 設(shè)計題目：霍爾元件小車測距離系統(tǒng)設(shè)計 專業(yè)班級： 信科071 學(xué)生姓名： 學(xué) 號： 指導(dǎo)教師： 設(shè)計時間： 教師評語： 成績 評閱教師 日期 目錄 一、課程設(shè)計目的………………

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

3、 十、 參考文獻…………………………………………………………...10 霍爾元件小車測距系統(tǒng)設(shè)計 一、 課程設(shè)計目的： 通過《傳感器及檢測技術(shù)》課程設(shè)計，使我們掌握傳感器及檢測系統(tǒng)設(shè)計的方法和設(shè)計原則及相應(yīng)的硬件調(diào)試的方法。進一步理解傳感器及檢測系統(tǒng)的設(shè)計和應(yīng)用。 二、課程設(shè)計內(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，通過對磁信號的計數(shù)計算行駛距離，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）具有小車前進和后退檢測功能，并用指示燈顯示。 3）記錄小車的行駛時間，并實時計算小車

4、的行駛速度。 4）距離測量誤差＜2cm。 5）其它。 三、課程設(shè)計要求： 1）掌握傳感器的工作原理及相應(yīng)的輔助電路設(shè)計方法。 2）獨立設(shè)計原理圖及相應(yīng)的硬件電路。 3）設(shè)計說明書格式規(guī)范，層次合理，重點突出。并附上詳細的原理圖。 四、 傳感器工作原理： 霍爾效應(yīng)就是金屬或半導(dǎo)體薄片置于磁場中，磁場方向垂直于薄片，當有電流流過薄片時，在垂直于電流和磁場的方向?qū)a(chǎn)生電動勢，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)電機構(gòu)時發(fā)現(xiàn)的。后來 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)比金屬強得多，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)自動化技術(shù)、檢測技術(shù)及信息處理等方面。霍爾效應(yīng)是研究半導(dǎo)體材料性能的基本方法。通過霍爾效應(yīng)實驗測定的霍爾系數(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，其機械結(jié)構(gòu)也可以做得較為簡單，只要在轉(zhuǎn)軸的圓周上粘上一粒磁鋼，讓霍爾開關(guān)靠近磁鋼，就有信號輸出，轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)時，就會不斷地產(chǎn)生脈沖信號輸出。如果在圓周上粘上多粒磁鋼，可以實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)一周，獲得多個脈沖輸出。在粘磁鋼時要注意，霍爾傳感器對磁場方向敏感

6、，粘之前可以先手動接近一下傳感器，如果沒有信號輸出，可以換一個方向再試。這種傳感器不怕灰塵、油污，在工業(yè)現(xiàn)場應(yīng)用廣泛。 霍爾元件是應(yīng)用霍爾效應(yīng)的半導(dǎo)體。一般用于電機中測定轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速,如錄象機的磁鼓,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強度為E、磁場強度為H的電磁場中，則在該元件中將產(chǎn)生電流I，元件上同時產(chǎn)生的霍爾電位差與電場強度E成正比，如果再測出該電磁場的磁場強度，則電磁場的功率密度瞬時值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關(guān)按預(yù)定位置有規(guī)律地布置

7、在物體上，當裝在運動物體上的永磁體經(jīng)過它時，可以從測量電路上測得脈沖信號。根據(jù)脈沖信號列可以傳感出該運動物體的位移。若測出單位時間內(nèi)發(fā)出的脈沖數(shù)，則可以確定其運動速度。 五、 系統(tǒng)框圖 系統(tǒng)總體框圖 2 系統(tǒng)上電 初始化開中斷 記錄中斷個數(shù) 換算成行駛距離 送顯示 記算時間并除行駛距離算出速度 送顯示 檢測兩霍爾傳感器相序，得出小車前進方向 送指示燈 外部中斷服務(wù)程序 計數(shù)值加一 定時中斷服務(wù)程序 TH0/TL0賦值 中斷返回 計數(shù)值加一 中斷返回 程序框圖 3 六、 單元電路設(shè)計原理 1、霍爾元件測距設(shè)計

8、 霍爾集成片內(nèi)部由三片霍爾金屬板組成，當磁鐵正對金屬板時，根據(jù)霍爾效應(yīng)，金屬板發(fā)生橫向?qū)?，因此可以在車輪上安裝磁片，而將霍爾集成片安裝在固定軸上，通過對脈沖計數(shù)進行距離測量。小車后輪每轉(zhuǎn)一圈，霍爾元件產(chǎn)生的脈沖送入單片機的T0口進行計數(shù)，單片機完成脈沖數(shù)到距離的轉(zhuǎn)換。測量誤差可在軟件中給予補償。 由于要求距離測量誤差＜2cm，所以要求磁片數(shù)目不小于“車輪周長/2”。 裝兩個霍兒元件在車輪旁邊，磁片足夠大以便通過檢測兩個霍爾元件的相序判斷輪子是正轉(zhuǎn)還是反轉(zhuǎn)，也就知道了前進還是后退。 霍爾傳感器3144的外形圖和與磁場的作用關(guān)系如右圖所示。磁場由磁鋼提供，所以霍爾傳感器和磁鋼需要配對

9、使用。 霍爾傳感器檢測轉(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)動一圈，霍爾傳感器便輸出一個脈沖。通過單片機測量產(chǎn)生脈沖的頻率就可以得出圓盤的轉(zhuǎn)速。 當沒有信號產(chǎn)生時，可以改變一下磁鋼的方向，霍爾對磁鋼方向有要求。沒有磁鋼時輸出高電平，有磁鋼時輸出低電平。 檢測裝置 霍爾傳感器接線圖 4 2、單片機 主控芯片采用AT89S52單片機來設(shè)計，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允許程序存儲器在系統(tǒng)可編程，亦適于常規(guī)編程器。AT89S52具有以下標準功能：8k字節(jié)Flash，256字節(jié)RAM，32位I/O口線，看門狗定時器，2個數(shù)據(jù)指針，三個16位定時器/計數(shù)器，一個6向量2級中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口，片內(nèi)晶振及時鐘電路。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、定時器/計數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護方式下，RAM內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復(fù)位為止。 3．數(shù)碼管

11、顯示 HD7279A是一片具有串行接口的，可驅(qū)動8位共陰式數(shù)碼管（或64只獨立LED）的智能顯示驅(qū)動芯片，該芯片同時還可連接多達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進制碼，并同時具有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，可方便地實現(xiàn)多于8位的顯示或多余64鍵的鍵盤接口。 特點如下1）串行接口，無需外圍元件可直接驅(qū)動LED 2）各位獨立控制譯碼/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，方便控制獨立LED 5）64鍵鍵盤控制器，內(nèi)含去抖動電路 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) 測試指令：指令代碼為BFH，其功能為將所有的LED點亮并閃爍，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個而移位和循環(huán)指令是相對于8個數(shù)碼管的，因而輸入命令后的效果不明顯。 幾點說明 1. 微處理器通過KEY引腳電平來判斷是否有鍵按下，在使用查詢方式管理鍵盤時，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)注意在按鍵時間較長時可能引起的多次中斷問題

14、。 2. HD7279A沒有提供組合鍵功能，如果某些場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.。在本實驗儀上共進行了左移，右移，測試，循環(huán)指令的測試，了解了其功能。 6 HD7279A引腳說明 引腳 名稱 說明 1,2 VDD 正電源 3,5 NC 無連接，必須懸空 4 VSS 接地 6 CS 片選輸入端，此引腳為低電平時，可向芯片發(fā)送指令及讀取鍵盤數(shù)據(jù) 7

15、CLK 同步時鐘輸入端，向芯片發(fā)送數(shù)據(jù)及讀取鍵盤數(shù)據(jù)時，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，當芯片接收指令時，此引腳為輸入端，當讀取鍵盤數(shù)據(jù)時，此引腳在“讀”指令最后一個時鐘的下降沿變?yōu)檩敵龆? 9 KEY 按鍵有效輸出端，平時為高電平，當檢測到有效按鍵時，此引腳變?yōu)榈碗娖? 10-16 SG-SA 段g-段a驅(qū)動輸出 17 DP 小數(shù)點驅(qū)動輸出 18-25 DIG0-DIG7 數(shù)字0-數(shù)字7驅(qū)動輸出 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。當片選信號變?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BIT，即微處理器發(fā)送8個CLK脈沖。2、帶數(shù)據(jù)的指令，寬度為16個BIT，即微處理器發(fā)送16個CLK脈沖。3、讀取鍵盤數(shù)據(jù)指令，寬度為16個BIT，前8個位微處理器發(fā)送到HD7279A的指令，后8個BIT位HD7279A返回的鍵盤代碼。執(zhí)行此指令時，HD7279A的DATA端在第9個CLK脈沖的上升沿變?yōu)檩敵鰻顟B(tài)，并與第16個脈沖的下降沿

17、恢復(fù)為輸入狀態(tài)，等待接收下一個指令。 7 七、電路原理圖（見附錄） 八、 設(shè)計中的問題及解決方法 時間和距離的顯示：單片機通過讀取按鍵開關(guān)信號（P3.7）來控制數(shù)碼管顯示時間和距離，當開關(guān)斷開時，即P3.7為高電片時，數(shù)碼管顯示距離；當開關(guān)閉合時，即P3.7為低電平時，數(shù)碼管顯示小車行駛時間。 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、電容值的大小通過估算而得出。 小車前進后退顯示：數(shù)碼管顯示距離的正負表示小車前進和后退，通過讀取控制電機信號的電平來控制程序的流程，進而顯示數(shù)碼管的正負。

18、 8 九、 總結(jié) 兩周的傳感器課程設(shè)計使我可以說收獲良多。在此期間我失落過，也曾一度熱情高漲。從開始時遇到困難時的為難到最后收獲后的興奮心情，點點滴滴無不令我回味無常。 這次主要是一個根據(jù)霍爾元件及傳感器原理還有單片機相關(guān)知識做成的小車測距離的設(shè)計。剛拿到這個題目我無從下手，真的感覺很難，因為涉及到很多知識點，然后還得把它們都融合到一塊，著實讓我為難了。但是心中有一種不撓的勁頭支撐著我硬是把那些知識都重新鞏固了一下，更加熟練了。憑借這種熟練我腦中開始逐漸構(gòu)造出了這次設(shè)計原理的框架，并且一步步填充，最后成功完成了此次設(shè)計?；叵雱偼瓿傻哪且豢蹋闹姓媸浅錆M了喜悅。

19、 一分耕耘一分收獲，這話一點不假。我從這次設(shè)計中學(xué)到了太多的東西了：邏輯能力，想法的擴展能力，對知識的結(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)計能讓我在以后的工作中更加輕松自如。 　　 9 十、 參考文獻 [1] 陳守仁.自動檢測技術(shù).北京.機械工業(yè)出版社.1991 [2] 張毅剛.單片機原理及應(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.微型計算機及應(yīng)用.清華大學(xué)出版社.2006 [5] 陳粵初等.單片機應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計與實踐.北京.北京航空航天大學(xué)出版社.1991 [6] 張毅剛 MCS-51實用匯編子程序設(shè)計 哈爾濱 哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社 2003 10