传感技术自学报告
第2章 总体方案设计
2.1 方案一
电机在工农业生产过程实施控制中，转速的检测与控制一般占有很大比例，它对系统的稳态误差及动态响应性能都有着至关重要的影响。为此，有人开发出以C8051F020控制器的电机转速检测控制系统，该系统使用不同于其他的非接触式光电红外元器件检测电机的转速，能控制电机进行精确的运动控制。该全数字电机转速检测系统可以固定安装在电机设备上，也可以制作专用的手持转速表。在工农业生产控制和民用电器中都有较高使用价值。
该系统要求 C8051F020 单片机计算出由光电元器件采集电路检测的电机转速，然后根据电机运转状态调整电机转速。如此反复，使电机运转在稳定的转速。系统主要功能模块包括转速采集电路、驱动电路、显示电路和控制电路。系统的整体结构如图9所示。 光电采集显示电路 电路 C8051F020 电机 单片机 控制器 驱动电路 控制电路 图9 系统结构图
2.2 方案二
霍尔元件的脉冲发生器成本低、构造容易、性能好。它成功地嵌入目前国内大学中普遍采用的DCS-1型直流调速系统实验装置中，已可靠运作两年以上。而且有关用测速发电机测速的系统实验可以照常进行，硬件上无须做任何运动，反复卸下一个、装上另一个，才能进行相应的系统实验。
具体执行步骤：霍尔传感器选用霍尼韦尔公司的SS41型霍尔位置传感器/开关输出。它尺寸小,有灵敏的磁特性响应速度快 ,工作速度从0～100kHz ,完全满足采样时间的要求。可采用单5V电源供电,输出电压值小于0.4V ,故与微机接口时,需有后续电路放大脉冲信号。用实验的方法测定传感器与磁片的敏感距离,确定传感器的固定位置。
磁片选用 30SH型。将磁片粘贴于电机连动轴的一周 ,注意辨别每个磁片的 N、S 极 ,(N 极贴向转动轴 ,S极朝向霍尔传感器) 。按磁片数目与
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轴的周长计算间距 ,均匀粘贴。要提高测量精度 ,应适当增加电机旋转 1 周时产生的脉冲数 ,即增加粘贴的磁片个数 ,从而使间距变小。但间距不能太小 ,否则会影响到霍尔传感器的输出脉冲。采用 502 胶水粘贴即可 ,电机高速运转时 ,也从未出现过磁片的被甩出或滑动现象。微机接口电路将传感器输出的微弱的脉冲信号转换为幅值为 +5V 的单片机标准输入信号。用LM311比较器实现。霍尔传感器是利用霍尔效应进行工作的，其核心元件是根据霍尔效应原理制成的霍尔元件。本文介绍一种泵驱动轴的转速采用霍尔转速传感器测量。霍尔转速传感器的结构原理图如图10, 转速传感器的接线图如图11。
图10霍尔转速传感器的结构原理图
图11方案霍尔转速传感器的接线图
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2.3 方案三 利用单片机来进行测速，在本次实验中我们准备运用AT89C51单片机控制的智能化转速测量仪。本设计主要用AT89C51作为控制核心，由霍尔传感器、LED数码显像管、HIN232CPE电平转换、及RS232构成。运用单片机来实现转速测量的流程框图12如下所示：
单 片 机 电 平 转 换 传感器 AT89C51 电 路
LED显示 驱动电路 送PC机界面
图12单片机测速流程图
2.4 方案分析对比
通过分析可知我们选择方案三与方案二结合的方法，因为方案三更便于实现，其优点硬件是电路简单，软件功能完善，测量速度快、精度高、控制系统可靠，性价比较高等特点，而且方案二中的霍尔元件为敏感元件，通过霍尔元件测速并用单片机计数。这个综合方案包含知识全面，对传感器测量发电机转速的不同的方法及原理设计有较多介绍，在测量系统中能学到关于测量转速的传感器采样问题，单片机部分的内容，显示部分等各个模块的通信和联调。全面了解单片机和信号放大的具体内容。进一步锻炼我们在信号采集，处理，显示发面的实际工作能力。
2.5 小结
硬件设计思路：硬件设计的任务是根据总体设计要求，在选择的机型的基础上，具体确定系统中所要使用的元器件，设计出系统的原理框图、电路原理图。
软件设计思路：软件需要解决的是定时器0的记数和外部中断0的设定、由于测量的转速范围大，所以低速和高速都要考虑在内，关键在于一个四字节除三字节程序的实现。显示部分、需要有一个二进制到十进制的转化程序，以及转换成非压缩BCD 的程序后、才能进行调用查表程序送到显示。PC机串口和单片机串行口的工作方式，包括串行口的通讯速率、奇偶校验位、停止位等均由通信部分的软件部分实现。
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第3章 具体设计与特性分析
3.1 传感器设计
敏感元件部分为霍尔元件，转换元件为单片机AT89C51。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。它取消了传感器和测量电路之间的界限，实现了材料、元件、电路三位一体。集成霍尔传感器与分立相比，由于减少了焊点，因此显著地提高了可靠性。
霍尔元件的相关参数：
电参数： 参数 符号 测试条件 量值 单位 最小 典型 最大 电源电压 VCC 4.5-24V
输出低电平电压 Vout Iout=20mA B>BOP -200-400mV
输出高电平电流 IOFF Vout=24V B 电源电流 ICC VCC=24V 输出端开路 10 mA
输出上升时间 tr Vcc=12V RL=1.1KΩ CL=20Pf--0.12 μS 输出下降时间 tf Vcc=12V RL=1.1KΩ CL=20Pf--0.18 μS
图13霍尔元件结构图 1KH?ned。霍尔元件的灵敏度分析：。霍尔开关中的霍尔元件的工作温度范
围为-40 ～150℃（存储温度为150℃）
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3.2 转换电路设计 转换电路是由电平转换电路构成的，电平转换电路的电路图如下所示：
图14电平转换电路原理图
由于RS-232C总线上传输的信号逻辑电平与TTL逻辑电平差异很大，所以就存在这两种电平的转换问题，下面就介绍一下电平转换器HIN232CPE。HIN232CPE能将RS-232C电平转换成TTL电平，也能将TTL电平转换成RS-232C电平，只需单+5V供电，由内部升高电路产生10V～+12V。内部有两个发送器(TTL电平转换为RS-232C电平)和两个接收器(RS-232电平转换为TTL电平)。HIN232CPE芯片引脚排列和外部元件连接线路如图15所示。
图15 HIN232CPE 电平转换器及外接元件图
3.3 传感器总体分析
敏感元件、转换元件、转换电路结合之后，在硬件和软件方面都需要调试：
硬件调试分为上电前的调试和上电后的调试。
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