霍尔传感器应用测速方面讲解

2023年4月20日发(作者：全友家居39800的套餐竟包括什么)

传感器原理及工程应用（论文）

霍尔传感器应用测速方面

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2011 年月 12

目录

目录

前言 ......................................................... 1

1绪论 ....................................................... 1

1.１脉冲信号的获得 ......................................... 1

1.２ 方案分析论证 .......................................... 2

1.３单片机模块论证与选择 ................................... 2

1.４显示模块论证与选择 ..................................... 2

1.５ 报警模块论证与选择 .................................... 3

1.６电源模块论证与选择 ..................................... 3

2 基于霍尔传感器的电机转速测量系统硬件设计 .................. 4

2.１总体硬件设计 ........................................... 4

2.２系统电路设计 ........................................... 5

2.３ 霍尔传感器测量电路设计 ................................ 5

2.４ 霍尔传感器测量原理 .................................... 6

2.５ 转速测量方法 .......................................... 7

2.６ 反相器74LS14 ......................................... 7

2.７ 光电耦合器............................................ 8

2.８ 蜂鸣器 .............................................. 9

结论 ........................................................ 10

参考文献 .................................................... 11

前言

前言

测速是工农业生产中经常遇到的问题，学会使用单片机技术设计测速仪表具有

很重要的意义。要测速，首先要解决是采样的问题。在使用模拟技术制作测速表时，

常用测速发电机的方法，即将测速发电机的转轴与待测轴相连，测速发电机的电压

高低反映了转速的高低。

使用单片机进行测速，可以使用简单的脉冲计数法。只要转轴每旋转一周，产

生一个或固定的多个脉冲，并将脉冲送入单片机中进行计数，即可获得转速的信息。

在直流电机的多年实际运行的过程中，机械测速电机不足之处日益明显，其主要表

现为直流测速电机DG中的炭刷磨损及交流测速发电机TG中的轴承磨损，增加了

设备的维护工作量，也随着增加了发生故障的可能性；同时机械测速电机在更换炭

刷及轴承的检修作业过程中，需要将直流电动机停运，安装过程中需要调整机械测

速电机轴与主电机轴的同轴度，延长了检修时间，影响了设备的长期平稳运行。

随着电力电子技术的不断发展，一些新颖器件的不断涌现，原有器件的性能也

随着逐渐改进，采用电力电子器件构成的各种电力电子电路的应用范围与日俱增。

因此采用电子脉冲测速取代原直流电动机械测速电机已具备理论基础，如可采用磁

阻式、霍尔效应式、光电式等方式检测电机转速。

经过比较分析后，决定采用测速齿轮和霍尔元件代替原来的机械测速电机。霍尔传感器作

为测速器件得到广泛应用。霍尔传感器是利用霍尔效应实现磁电转换的一种传感器。霍尔效应

这种物理现象的发现，虽然已有一百多年的历史，但是直到20世纪40年代后期，由于半导体

工艺的不断改进，才被人们所重视和应用。我国从70年代开始研究霍尔器件,经过20余年的研

究和开发,目前已经能生产各种性能的霍尔元件,霍尔传感器具有灵敏度高、线性度好、稳定性

高、体积小和耐高温等特点

[2]

传感器论文

1绪论

1.1 脉冲信号的获得

霍尔传感器是对磁敏感的传感元件，常用于开关信号采集的有CS3020、CS3040

等，这种传感器是一个3端器件，外形与三极管相似，只要接上电源、地，即可工

作，输出通常是集电极开路（OC）门输出，工作电压范围宽，使用非常方便。如图

1所示是CS3020的外形图，将有字面对准自己，三根引脚从左向右分别是Vcc，地，

输出。

图1 CS3020外形图

使用霍尔传感器获得脉冲信号，其机械结构也可以做得较为简单，只要在转轴

的圆周上粘上一粒磁钢，让霍尔开关靠近磁钢，就有信号输出，转轴旋转时，就会

不断地产生脉冲信号输出。如果在圆周上粘上多粒磁钢，可以实现旋转一周，获得

多个脉冲输出。在粘磁钢时要注意，霍尔传感器对磁场方向敏感，粘之前可以先手

动接近一下传感器，如果没有信号输出，可以换一个方向再试。这种传感器不怕灰

尘、油污，在工业现场应用广泛。

霍耳式位移传感器 它的测量原理是保持霍耳元件的激励电流不变，并

使其在一个梯度均匀的磁场中移动，则所移动的位移正比于输出的霍耳电势。

磁场梯度越大，灵敏度越高；梯度变化越均匀,霍耳电势与位移的关系越接近

于线性。图2中是三种产生梯度磁场的磁系统：a系统的线性范围窄，位移

Z=0时，霍耳电势≠0；b系统当Z<2毫米时具有良好的线性，Z=0时,霍耳电

势=0；c系统的灵敏度高,测量范围小于1毫米。图中N、S分别表示正、负磁

极。霍耳式位移传感器的惯性小、频响高、工作可靠、寿命长，因此常用于

将各种非电量转换成位移后再进行测量的场合。

传感器论文

+5V

101

R

P1

1

+

M

-

104

33

104

C

2

10K

+

-

R

1

47μ

C

1

+

HG

CS3020

2

C

3

203

R

P2

4

510Ω

1

11

104

R

2

OUT

2

C

4

LM324

图2 测速电路原理图

1.2 方案分析论证

方案一：采用型号为A3144的霍尔片作为霍尔测速模块的核心，该霍尔片体

积小，安装灵活，价格合理，可用于测速，可与普通的磁钢片配合工作。

方案二：采用型号为CHV-20L的霍尔元器件作为霍尔测速模块的核心,该霍

尔器件额定电流为100mA,输出电压为5V,电源为12～15V。体积较大，价格昂贵。

因此选择方案一。

1.３ 单片机模块论证与选择

方案一：采用型号为AT89C51的单片机作为主控制器，使用霍尔传感器进行

测量的直流电机转速测量系统。AT89C51是带4K字节闪烁可编程擦除只读存储

器的低电压、高性能CMOS8位微处理器。它将多功能8位CPU和闪烁存储器组

合在单个芯片中，为许多控制提供了灵活性高且价格低廉的方案。

[3]

方案二：采用单片机C8051F060作为主控制器，使用霍尔传感器进行测量的

直流电机转速测量系统。C8051F060系列单片机是美国CYGNAL公司推出的

一种与51系列单片机内核兼容的单片机。C8051F060作为新一代8051单片机，

[4]

具有功能强大、体积小、工作稳定等特点，适用于复杂控制系统。

因此选择方案一。

1.４显示模块论证与选择

方案一：采用LED数码管动态扫描,LED数码管价格适中,亮度高，显示数字合

适,但是连接复杂，耗电流大，驱动电路复杂。

方案二：采用点阵式数码管显示，点阵式数码管是由八行八列的发光二极管组

成，对于显示简单文字比较适合,如果显示数字则浪费资源,而且价格也相对较高。

方案三：采用LCD液晶显示屏,液晶显示屏的显示功能强大,可显示大量文字,

图形,显示多样,清晰可见,并且连接很方便 ,所以在此设计中采用了LCD液晶显示

屏。

因此选择方案三。

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1.５ 报警模块论证与选择

方案一：采用蜂鸣器与发光二极管作为声光报警主要器件。该方案不论在硬件

焊接方面还是在编写软件方面都简单方便，而且成本低廉。

方案二：采用语音播报系统作为声光报警的核心。该方案更具人性化、智能化，

但是就该设计要求而言，方案过于复杂，相对成本过高，工作量偏大。

因此选择方案一。

1.６电源模块论证与选择

方案一：采用交流220V/50Hz电源转换为直流5V电源作为电源模块。该方

案实施简单，电路搭建方便，可作为单片机开发常备电源使用。

方案二：采用干电池串并联达到5V作为电源模块。该方案实施简单，无需搭

建电路，但相对该方案不够稳定，电池耗电快，带负载后压降过高，可能无法使系

统稳定持续运行。

方案三：采用可充电锂电池结合稳压模块作为电源模块。该方案简单易行，而

且相对稳定、误差小，但该方案相对价格过高，针对该设计要求性价比低。

因此选择方案一。

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2 基于霍尔传感器的电机转速测量系统硬件设计

2.1 总体硬件设计

使用单片机测量电机转速的基本结构如图2-1所示。该系统包括霍尔传感器、

隔离整形电路、主CPU、显示电路、报警电路及电源等部分。

图3 系统总体结构图

其测量过程是测量转速的霍尔传感器和电机机轴同轴连接，机轴每转一周，产

生一定量的脉冲个数，由霍尔器件电路输出。经过电耦合器后，即经过隔离整形电

路后，成为转数计数器的计数脉冲。同时霍尔传感器电路输出幅度为12V的脉冲经

光电耦合后降为5V，保持同单片机AT89C51逻辑电平相一致，控制计数时间，

即可实现计数器的计数值对应机轴的转速值。主CPU将该值数据处理后，在LCD液

晶显示器上显示出来。一旦超速，CPU通过喇叭和转灯发出声、光报警信号。

1.传感器部分

主要分为两个部分。第一部分是利用霍尔器件将电机的转速转化为脉冲信号。

霍尔测速模块由铁质的测速齿轮和带有霍尔元件的支架构成。测速齿轮如图2-2所

示，齿轮厚度大约2mm，将其固定在待测电机的转轴上。将霍尔元件固定在距齿轮

外圆1mm的探头上，霍尔元件的对面粘贴小磁钢，当测速齿轮的每个齿经过探头正

前方时，改变了磁通密度，霍尔元件就输出一个脉冲信号。第二部分是使用六反相

器和光耦，将传感器输出的信号进行整形隔离，减少计数的干扰。

2.处理器

采用AT89C51单片机作为系统的处理器。

3.显示部分

该部分有两个功能，在正常情况下，通过LCD液晶显示器显示当前的频率数值，

当电机的转速超出一定的范围后，通过蜂鸣器进行报警。蜂鸣器是一种一体化结构

的电子讯响器，采用直流电压供电，广泛应用于计算机、打印机、复印机、报警器、

电子玩具、汽车电子设备、电话机、定时器等电子产品中作发声器件。

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2.2 系统电路设计

实际测量时，要把霍尔传感器固定在直流测速电机的底板上，与霍尔探头相对

的电机的轴上固定着一片磁钢块，电机每转一周，霍尔传感器便发出一个脉冲信号，

将此脉冲信号接到开发的多功能实验板上的P3.2[]上，设定Ｔ0定时，每分

INT0

钟所计的进入P3.2的脉冲个数即为直流电机的转速。

由于在虚拟仿真电路图中，没有电机及传感器，所以就直接用一个脉冲信号代

替，电路图如图2-3所示。

图4 总体硬件电路图

2.３ 霍尔传感器测量电路设计

根据霍尔效应，人们用半导体材料制成的元件叫霍尔元件。它具有对磁场敏感、

结构简单、体积小、频率响应宽、输出电压变化大和使用寿命长等优点，因此，在

测量、自动化、计算机和信息技术等领域得到广泛的应用。

霍尔传感器A3144是Allegro MicroSystems公司生产的宽温、开关型霍

尔效应传感器，其工作温度范围可达-40℃～150℃。它由电压调整电路、反相电

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源保护电路、霍尔元件、温度补偿电路、微信号放大器、施密特触发器和OC门输

出极构成，通过使用上拉电阻可以将其输出接入CMOS逻辑电路。该芯片具有尺寸

小、稳定性好、灵敏度高等特点，有两种封装形式，一种是3脚贴片微小型封装，

后缀为“LH”；另一种是3脚直插式封装，后缀为“UA”。

[5]

A3144E系列单极高温霍尔效应集成传感器是由稳压电源，霍尔电压发生器，

差分放大器，施密特触发器和输出放大器组成的磁敏传感电路，其输入为磁感应强

度，输出是一个数字电压讯号。它是一种单磁极工作的磁敏电路，适用于矩形或者

柱形磁体下工作。可应用于汽车工业和军事工程中。

霍尔传感器的外形图和与磁场的作用关系如图2-4所示。磁场由磁钢提供，所

以霍尔传感器和磁钢需要配对使用。

霍尔元件和磁钢管脚图 图6霍尔传感器的外形图

该霍尔传感器的接线图如图5所示。

图7 霍尔传感器的接线图

2.４ 霍尔传感器测量原理

测量电机转速的第一步就是要将电机的转速表示为单片机可以识别的脉冲信

号，从而进行脉冲计数。霍尔器件作为一种转速测量系统的传感器，它有结构牢固、

体积小、重量轻、寿命长、安装方便等优点，因此选用霍尔传感器检测脉冲信号，

其基本的测量原理如图2-6所示，当电机转动时，带动传感器运动，产生对应频率

的脉冲信号，经过信号处理后输出到计数器或其他的脉冲计数装置，进行转速的测

量。

[6]

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图8 霍尔器件测速原理

2. 5 转速测量方法

转速的测量方法很多，根据脉冲计数来实现转速测量的方法主要有M法(测频

法)、T法(测周期法)和MPT法(频率周期法)，该系统采用了M法(测频法)。由于

转速是以单位时间内转数来衡量，在变换过程中多数是有规律的重复运动。根据霍

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，转盘随侧轴旋转，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：

60

n= (2-1)

PT

式中：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。根据式

(2-1)即可计算出直流电机的转速。

[7]

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，结果在器件的两个侧面之间

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。

[8]

2. 6 反相器74LS14

74LS14是一个6反相器，引脚定义如图2-7所示：A端为输入端，Y端为输出

端，一片芯片一共6路，即1，3，5，9，11，13为输入端，2，4，6，8，10，12

为输出端，输出结果与输入结果反相。即如果输入端为高电平，那么输出为低电平。

如果输入低电平，输出为高电平。

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图9反相器引脚图

2. 7 光电耦合器

光电耦合器，是近几年发展起来的一种半导体光电器件，由于它具有体积小、

寿命长、抗干扰能力强、工作温度宽及无触点输入与输出在电气上完全隔离等特点，

被广泛地应用在电子技术领域及工业自动控制领域中，它可以代替继电器、变压器、

斩波器等，而用于隔离电路、开关电路、数模转换、逻辑电路、过流保护、长线传

输、高压控制及电平匹配等。

光电耦合器是以光为媒介传输电信号的一种电—光—电转换器件。它由发光源

和受光器两部分组成。把发光源和受光器组装在同一密闭的壳体内，彼此间用透明

绝缘体隔离。发光源的引脚为输入端，受光器的引脚为输出端，常见的发光源为发

光二极管，受光器为光敏二极管、光敏三极管等。光电耦合器的种类较多，常见有

光电二极管型、光电三极管型、光敏电阻型、光控晶闸管型、光电达林顿型、集成

电路型等。

光电耦合器件（简称光耦）是把发光器件（如发光二极管）和光敏器件（如光

敏三极管）组装在一起，通过光线实现耦合构成电—光和光—电的转换器件。在光

电耦合器输入端加电信号使发光源发光，光的强度取决于激励电流的大小，此光照

射到封装在一起的受光器上后，因光电效应而产生了光电流，由受光器输出端引出，

这样就实现了电一光一电的转换。

[9]

光电耦合器分为很多种类，图2-8所示为常用的三极管型光电耦合器原理图。

当电信号送入光电耦合器的输入端时，发光二极管通过电流而发光，光敏元件

受到光照后产生电流，CE导通；当输入端无信号，发光二极管不亮，光敏三极管

截止，CE不通。对于数位量，当输入为低电平“0”时，光敏三极管截止，输出为

高电平“1”；当输入为高电平“1”时，光敏三极管饱和导通，输出为低电平“0”。

若基极有引出线则可满足温度补偿、检测调制要求。这种光耦合器性能较好，价格

便宜，因而应用广泛。

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图10 最常用的光电耦合器内部结构图

光电耦合器的接线原理如图11所示。

图11 光电耦合器接线原理

2.8 蜂鸣器

蜂鸣器是一种一体化结构的电子讯响器，采用直流电压供电，广泛应用于计算

机、打印机、复印机、报警器、电子玩具、汽车电子设备、电话机、定时器等电子

产品中作发声器件。

报警器的种类很多，比如：扬声器、蜂鸣器等，本设计中选用电磁式蜂鸣器作

为报警器。电磁式蜂鸣器由振荡器、电磁线圈、磁铁、振动膜片及外壳等组成。接

通电源后，振荡器产生的音频信号电流通过电磁线圈，使电磁线圈产生磁场。振动

膜片在电磁线圈和磁铁的相互作用下，周期性地振动发声。

结论

结论

霍尔转速传感器的应用优势主要有三个，一是霍尔转速传感器的输出信号不会

受到转速值的影响，二是霍尔转速传感器的频率相应高，三是霍尔转速传感器对电

磁波的抗干扰能力强，因此霍尔转速传感器多应用在控制系统的转速检测中。同时，

霍尔转速传感器的稳定性好，抗外界干扰能力强，如抗错误的干扰信号等，因此不

易因环境的因素而产生误差。霍尔转速传感器的测量频率范围宽，远远高于电磁感

应式无源传感器。另外，霍尔转速传感器在防护措施有效的情况下，可以不受电子、

电气环境影响。霍尔转速传感器的，测量结果精确稳定，输出信号可靠，可以放油、

防潮，并且能在温度较高的环境中工作，普通霍尔转速传感器的工作温度可以达到

100℃。霍尔转速传感器的安装简单，使用方便，能实现远距离传输。

参考文献

参考文献

[1]于炳亮，电机转速测量方法研究[Ｚ],2005.

[2]成辉,传感器的理论与设计基础及其应用[Ｚ]．北京：国防工业出版社

[Ｍ].1999.

[3]任小青，王晓娟,基于AT89C51单片机的频率计设计方法的研究.青海大学学报

[Ｚ].2009.

[4]来清民,传感器与单片机接口及实例.北京航空航天大学出版社[Ｍ].2008.

[5]邵显涛，陈明，李俊,基于霍尔传感器电机转速的单片机测量.电子测试

[Ｚ].2008.

[6]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.电子测试

[Ｚ].2008.

[7]姜文华,电动机测试系统及霍尔效应传感器在测试中的应用.2003.

黑龙江八一农垦大学

传感器原理及工程应用（设计）成绩单

院系 信息技术学院 专 业 入学时间 2009．9

学号 2 学生姓名 郑春阳 班 级 2009级电气一班

周数 2 任爽 职称 讲师 起止日期 2011.12.6 指导教师

电气工程及

其自动化

论文（设计）题目

指

导

教

师

评

语

评

阅

人

评

语

答

辩

小

组

评

语 答辩小组负责人签名 年 月 日

评

分

评阅人签名 年 月 日

指导教师签名 年 月 日

霍尔传感器应用测速方面

指导教师 评阅人 答辩小组 平均分 五级制等级