项目六 霍尔传感器测量电机转速 主讲：XXX 学校：XXX

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转速测量仪 转速是电机设备中最基本、最重要的参数之一，起动时的点火转速、运行中的转速调整、超速时的停车保护、甚至负荷的大小也能从转速的大小上得到体现，因此转速测定是电机监控保护的基础。请利用霍尔传感器设计一个电机转速测试仪：电机转速在设定范围内时，绿色指示灯亮，蜂鸣器轻声断续鸣叫；当电机转速低于正常转速时，红色指示灯亮，蜂鸣器轻声断续鸣叫；当电机转速高于正常转速时，红色指示灯闪烁，蜂鸣器长鸣，进行警告。

霍尔转速测量仪 支架 传感器

转速测量仪 本电机转速测试仪可由单片机来控制。整个控制系统由脉冲信号采集电路、显示电路、按键与PIC18F252接口电路、蜂鸣器报警电路组成。

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转速测量仪 脉冲信号的周期与电机的转速有以下关系： n=60/pT 式中 转速测量可以使用的传感器也很多，如光电传感器、电涡流式传感器、光栅传感器、霍尔传感器等。本项目应用霍尔效应原理，将一块永久磁钢固定在电机转轴上的转盘边沿，转盘随测轴旋转，磁钢也将跟着同步旋转，在转盘下方安装一个霍尔器件，转盘随轴旋转时，受磁钢所产生的磁场的影响，霍尔器件输出脉冲信号，其频率和转速成正比。 脉冲信号的周期与电机的转速有以下关系： n=60/pT 光电转速测量仪 n为电机转速；P为电机转一圈的脉冲数；T为输出方波信号周期.根据公式，即可计算出直流电机的转速。 式中

转速测量 永磁体安装在轴端 永磁体安装在轴侧

霍尔效应 霍尔器件是由半导体材料制成的一种薄片，在垂直于平面方向上施加外磁场B，在沿平面方向两端加外电场，则使电子在磁场中运动，结果在器件的2个侧面之间产生霍尔电势。 其大小和外磁场及电流大小成比例

霍尔效应 霍尔开关传感器由于其体积小、无触点、动态特性好、使用寿命长等特点，故在测量转动物体旋转速度领域得到了广泛应用。 霍尔传感器的型号很多，有的使用非常方便，如美国史普拉格公司(SPRAGUE)生产的3000系列霍尔开关传感器3013，它是一种硅单片集成电路，器件的内部含有稳压电路、霍尔电势发生器、放大器、史密特触发器和集电极开路输出电路，具有工作电压范围宽、可靠性高、外电路简单、输出电平可与各种数字电路兼容等特点。 日本生产的集成UGN—35**系列 霍尔传感器具有高灵敏度，工作温度范围宽 （－20—+85℃）等特点，且价格合适，在市场上得到广泛应用。 ugn-3501t霍尔传感器

系统框图 根据项目要求，还需要有显示器用于显示测试转速。按键用于设定运行速度和线程; 此外，还有声光报警器件，分别采用蜂鸣器和红绿两色LED发光二极管。 测速电路系统框图

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信号采集和转换 由于UGN－3501T具有较高的灵敏度，它能感受很小磁场变化。因而可以检测黑色金属的有无。当钢球滚过霍尔传感器位置时，传感器输出一个峰值为20mV的脉冲，此脉冲信号经运放放大后驱动三极管，使之完成导通、截止过程。把计数器接于三极管输出端即可构成计数器

显示电路 显示电路可以采用LED数码管，也可以采用液晶显示，而后者具有美观和节能的特点。故本项目采用液晶显示模块LCM141来显示转速（即行驶速度）和行驶里程。该电路如图所示。

按键与PIC18F252接口 三个按键分别与PIC18F252对应的PORTB端口的 RB4、RB5、RB6连接。 对应的连接关系 移位键KEY_SR接RB6 增加键KEY_ADD接RB5 菜单切换键KEY_F接RB4口

按键与PIC18F252接口 1 三个按键分别与PIC18F252对应的PORTB端口的 1 RB4、RB5、RB6连接。 1 1 三个按键分别与PIC18F252对应的PORTB端口的 RB4、RB5、RB6连接。 1 1 对应的连接关系 移位键KEY_SR接RB6 增加键KEY_ADD接RB5 根据电路图所示，当没有键按下的时候，各口的值为0，当某个键按下，则对应口的值就变成1。 菜单切换键KEY_F接RB4口

蜂鸣器报警电路 根据设计要求，当电机转速异常时，应报警停机。该部分电路比较简单，如图所示。 VCC 2 1 C1 104 滤波电容 H1 D1 1N4148 续流二极管 2 1 H1 蜂鸣器 Q1 8050 三极管 R1 1K 根据设计要求，当电机转速异常时，应报警停机。该部分电路比较简单，如图所示。

总体电路 根据设计要求，当电机转速异常时，应报警停机。

执行及显示 可利用电子电工仿真软件 multisim或Prosys对电路进行仿真。

组装调试 实验无误后，在Protel DXP2004中，画出电路图，设计PCB板，并生成材料表。 准备材料，焊接成品，检验效果，根据厂家提供的超声波传感器安装说明进行安装调试，并思考，如何提高超声波测距器的精度。

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基本工作原理 半导体材料中的自由电子及空穴随磁场改变其运动方向 磁场 电能 磁敏传感器 半导体材料中的自由电子及空穴随磁场改变其运动方向 金属或半导体薄片置于磁感应强度为B的磁场中，磁场方向垂直于薄片，当有电流I流过薄片时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势EH，这种现象称为霍尔效应（Hall Effect），该电动势称为霍尔电动势（Hall EMF），上述半导体薄片称为霍尔元件（Hall Element）。用霍尔元件做成的传感器称为霍尔传感器（Hall Transducer）

基本工作原理 式中 KH——霍尔元件的灵敏度 霍尔属于四端元件，如图霍尔元件示意图所示，其中一对（即a,b端）称为激励电流端，另外一对（即c,d端）称为霍尔电动势输出端，c端和d端一般应处于侧面的中点。 由实验可知，流入激励电流端的电流I越大、作用在薄片上的磁场强度B越强，霍尔电动势也就越高。霍尔电动势可用下式表示 式中 KH——霍尔元件的灵敏度

若电流和磁场同时改变方向时，霍尔电势方向不变 基本工作原理 霍尔电动势与输入电流I、磁感应强度B成正比，且当B的方向改变时，霍尔电动势的方向也随之改变。如果所施加的磁场为交变磁场，则霍尔电动势为同频率的交变电动势。 从上式可知 若磁感应强度B不垂直于霍尔元件，而是与其法线成某一角度θ时，实际上作用于霍尔元件上的有效磁感应强度是其法线方向（与薄片垂直的方向）的分量，即B cos ，这时的霍尔电动势为 若电流和磁场同时改变方向时，霍尔电势方向不变

a）霍尔效应原理图 b）薄膜型霍尔元件结构示意图 c）图形符号 d）外形 基本工作原理 目前常用的霍尔元件材料是N型硅，霍尔元件的壳体可用塑料、环氧树脂等制造。下图为霍尔元件外形图。 a） b） d） c） a）霍尔效应原理图 b）薄膜型霍尔元件结构示意图 c）图形符号 d）外形

主要特性参数 输入电阻 恒流源作为激励源的原因：霍尔元件两激励电流端的直流电阻称为输入电阻。它的数值从几十欧到几百欧，视不同型号的元件而定。温度升高，输入电阻变小，从而使输入电流变大，最终引起霍尔电动势变大。使用恒流源可以稳定霍尔原件的激励电流。 最大激励电流 激励电流增大，霍尔元件的功耗增大，元件的温度升高，从而引起霍尔电动势的温漂增大，因此每种型号的元件均规定了相应的最大激励电流，它的数值从几毫安至十几毫安。

a）外形 b）接近式 c）滑过式 d）分流翼片式 霍尔接近开关 a） b） d） c） 用霍尔接近开关也能实现接近开关的功能，但是它只能用于铁磁材料，并且还需要建立一个较强的闭合磁场。 霍尔接近开关应用示意图如图所示。在该图中，磁极的轴线与霍尔接近开关的轴线在同一直线上。 a）外形 b）接近式 c）滑过式 d）分流翼片式 1－运动部件 2－软铁分流翼片

a）外形 b）接近式 c）滑过式 d）分流翼片式 霍尔接近开关 a） b） d） c） 当磁铁随运动部件移动到距霍尔接近开关几毫米时，霍尔接近开关的输出由高电平变为低电平，经驱动电路使继电器吸合或释放，控制运动部件停止移动（否则将撞坏霍尔接近开关）起到限位的作用。 a）外形 b）接近式 c）滑过式 d）分流翼片式 1－运动部件 2－软铁分流翼片

霍尔接近开关 a） b） d） c） 在图 d中，磁铁和霍尔接近开关保持一定的间隙、均固定不动。软铁制作的分流翼片与运动部件联动。

霍尔接近开关 改变分流翼片的宽度可以改变霍尔接近开关的高电平与低电平的占空比。 当它移动到磁铁与霍尔接近开关之间时，磁力线被屏蔽（分流），无法到达霍尔接近开关，所以此时霍尔接近开关输出跳变为高电平。 a） b） d） c） 改变分流翼片的宽度可以改变霍尔接近开关的高电平与低电平的占空比。

霍尔集成电路 对电源稳定性要求低等 5 霍尔集成电路（又称霍尔IC）的优点 温漂小 4 1 体积小 3 输出幅度大 灵敏度高 2

霍尔集成电路 开关型 线性型

霍尔集成电路 霍尔元件和恒流源、线性差动放大器等做在一个芯片上，输出电压为伏级，比直接使用霍尔元件方便得多。 开关型霍尔集成电路的内部电路 霍尔元件、稳压电路、放大器、施密特触发器、OC门（集电极开路输出门）等电路做在同一个芯片上。 当外加磁场强度超过规定的工作点时，OC门由高阻态变为导通状态，输出变为低电平。 开关型霍尔集成电路的内部电路 当外加磁场强度低于释放点时，OC门重新变为高阻态，输出高电平。

. 霍尔集成电路 霍尔集成电路（又称霍尔IC）的优点：体积小、灵敏度高、输出幅度大、温漂小、对电源稳定性要求低等。 霍尔 元件 Vcc 施密特触发电路 霍尔 元件 OC门 双端输入、 单端输出运放 .

霍尔集成电路 线性型霍尔集成电路 a）外形尺寸 b）内部电路框图 线性型霍尔集成电路输出特性

霍尔集成电路 开关型霍尔集成电路 a）外形尺寸 b）内部电路框图 开关型霍尔集成电路的史密特输出特性

霍尔集成电路 具有史密特特性的OC门输出状态与磁感应强度变化之间的关系 B/ T OC门输出状态 OC门接法 磁感应强度B的变化方向及数值 0  0.02  0.023  0.03  0.02  0.016  0 接上拉电阻RL 高电平① 高电平② 低电平 低电平 低电平③ 高电平 高电平 不接上拉电阻RL 高阻态 高阻态 低电平 低电平 低电平 高阻态 高阻态 ①：OC门输出的高电平电压由VCC决定；②、③：OC门的迟滞区输出状态必须视B的变化方向而定.

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认识霍尔传感器 某电气有限公司霍尔传感器产品

认识霍尔传感器 某电气有限公司霍尔传感器产品 检测距离（mm） 10mm DC PNP NO HG-HL10-ZPK NC   PNP NO         HG-HL10-ZPK NC         HG-HL10-ZPB NO+NC         HG-HL10-ZPKB NPN         HG-HL10-ZNK         HG-HL10-ZNB         HG-HL10-ZNKB

霍尔传感器的典型应用 A 磁感应强度测量仪 SL3501M ：霍尔线性集成传感器 RP1：调整表头量程；RP2：调零； C1：低通滤波 测量上限：0.3 T

磁场梯度越大，灵敏度越高；磁场梯度越均匀，输出线性越好。 霍尔传感器的典型应用 霍尔位移传感器 磁场梯度越大，灵敏度越高；磁场梯度越均匀，输出线性越好。 测量范围：1 ~ 2 mm

霍尔传感器的典型应用 V 直流功率测量仪

霍尔传感器的典型应用 永磁体安装在轴端 转速测量 永磁体安装在轴侧

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