職業(yè)教育物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)專業(yè)改革創(chuàng)新教材傳感器應(yīng)用實(shí)例項(xiàng)目4制作簡易轉(zhuǎn)速測量儀機(jī)械工業(yè)出版社項(xiàng)目4制作簡易轉(zhuǎn)速測量儀項(xiàng)目目標(biāo)：1）了解常用霍爾傳感器的型號及特點(diǎn)。

2）能根據(jù)任務(wù)要求進(jìn)行轉(zhuǎn)速測量儀制作方案的設(shè)計。

3）會按照方案進(jìn)行轉(zhuǎn)速測量儀的制作與調(diào)試。

4）能對項(xiàng)目實(shí)施進(jìn)行評價。4.1項(xiàng)目描述本項(xiàng)目要求設(shè)計一款簡單實(shí)用的轉(zhuǎn)速測量儀，能夠?qū)﹄姍C(jī)（或其他機(jī)械設(shè)備）的轉(zhuǎn)速進(jìn)行測量，并用數(shù)碼管進(jìn)行轉(zhuǎn)速的實(shí)時顯示，可運(yùn)用于測速要求不高的場合。圖4-1轉(zhuǎn)速測試儀霍爾傳感器數(shù)碼管顯示電源、程序?qū)懭肟趶?fù)位鍵開始、暫停鍵圖4-2簡易轉(zhuǎn)速測量儀4.2項(xiàng)目分析要檢測電機(jī)（或其他機(jī)械設(shè)備）的轉(zhuǎn)速，首先應(yīng)將轉(zhuǎn)速這一非電量參數(shù)，通過霍爾傳感器及其外圍器件組成的測速電路轉(zhuǎn)換成脈沖信號送至單片機(jī)。然后，經(jīng)單片機(jī)處理計算后，將得到的轉(zhuǎn)速值傳送到顯示接口電路中，用數(shù)碼管顯示數(shù)值。4．2．1整體方案設(shè)計

4．2．2電路設(shè)計及工作原理分析1.電源電路該電路為+5V線性穩(wěn)壓電源電路，通過變壓器降壓、橋式整流、電容濾波、三端集成穩(wěn)壓器7805穩(wěn)壓，最終得到穩(wěn)定的+5V直流電壓輸出。2.轉(zhuǎn)速信號拾取電路圖4-6

傳感器硬件連接示意圖

電機(jī)轉(zhuǎn)盤的機(jī)械結(jié)構(gòu)做得較為簡單，在電機(jī)的轉(zhuǎn)軸上安裝一個固定的非磁性圓盤，然后再在圓盤的圓周上均勻的安放四個小磁鋼，隨著圓盤每轉(zhuǎn)動一周，產(chǎn)生四個脈沖，那么，隨著電機(jī)不停的轉(zhuǎn)動，霍爾傳感器的輸出端（3腳）就會獲得連續(xù)的脈沖信號輸出，成為轉(zhuǎn)速計數(shù)器的計數(shù)脈沖。3.單片機(jī)信號處理及顯示電路接P0口圖4-7單片機(jī)信號處理及顯示電路

OH137霍爾開關(guān)傳感器輸出的是數(shù)字信號，可以直接把脈沖信號送入單片機(jī)進(jìn)行處理。單片機(jī)采用STC15F2K60S2，主要是對由傳感器采集的轉(zhuǎn)速脈沖信號進(jìn)行處理、計算等任務(wù)，并將計算后得到的轉(zhuǎn)速值用顯示器顯示。單片機(jī)的P1口實(shí)現(xiàn)數(shù)碼管的段選，P2.5\P2.6\P2.7實(shí)現(xiàn)三位數(shù)碼管的位選。4.鍵盤電路圖4-8鍵盤電路

電路中利用SW1、SW2兩個按鍵來實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速測量的啟動、暫停以及對轉(zhuǎn)速顯示清零功能。為了保證在按鍵斷開時，單片機(jī)的I/O口有確定的高電平，SW1、SW2每個按鍵均采用了上拉電阻。4．3項(xiàng)目實(shí)施4．3．1準(zhǔn)備工具與元器件1．工具清單

電烙鐵1把、焊錫絲1卷、穩(wěn)壓電源1臺、數(shù)字萬用表1只、示波器1臺、常用旋具1套、電機(jī)一臺、導(dǎo)線若干。

2．元器件清單見表4-14．3．2安裝與調(diào)試1．核心元件選用OH137霍爾單極開關(guān)電路內(nèi)部由反向電壓保護(hù)器、電壓調(diào)整器，霍爾電壓發(fā)生器，差分放大器，史密特觸發(fā)器和集電極開路輸出極組成，能將變化的磁場訊號轉(zhuǎn)換成數(shù)字電壓輸出。1腳：VCC2腳：GND3腳：VOUT圖4-10OH137霍爾單極開關(guān)外形圖表4-2OH137霍爾單極開關(guān)電路的特性參數(shù)霍爾單極開關(guān)電路OH137在安裝時要盡量減小施加到電路外殼或引線上的機(jī)械應(yīng)力，焊接溫度要低于260℃，時間小于3秒，在實(shí)際應(yīng)用中需要在1、3腳之間加一上拉電阻。2．元器件檢測（1）根據(jù)元器件清單，進(jìn)行元器件的清點(diǎn)和分類，如圖4-13所示；（2）識別三位七段LED顯示器HS310361K-24的引腳；（3）識別霍爾傳感器OH137的引腳；（4）注意集成芯片STC15F2K6032引腳排列；（5）正確識讀色環(huán)電阻；（6）識別三極管引腳。圖4-13元器件圖知識小貼士：（1）檢測OH137傳感器的方法：在OH137傳感器的輸出端接一示波器，并使傳感器慢慢靠近電機(jī)轉(zhuǎn)軸上的非磁性圓盤，觀察波形，選擇一最佳位置獲得較好的脈沖信號。（2）三位七段LED顯示器檢測方法：指針式萬用表用R×100或R×1k擋檢測，數(shù)字式萬用表用二極管檔檢測，用黑表筆接顯示器的一腳，紅表筆分別接其余管腳，若均不亮，則對調(diào)表筆，直至顯示器中有一段點(diǎn)亮，然后再根據(jù)表筆所接情況來確定顯示器的類型為共陰或共陽型，以及各引腳所對應(yīng)的顯示段。3．元器件成形加工安裝前對各元器件引腳進(jìn)行成形處理，為保證引腳成形的質(zhì)量和一致性，應(yīng)使用專用工具和成形模具，按照工藝要求對元器件進(jìn)行引腳成形。再將各元器件引腳準(zhǔn)備焊接處進(jìn)行刮削去污，去氧化層，然后在各引腳準(zhǔn)備焊接處上錫。裝插元件應(yīng)遵循先低后高的原則進(jìn)行，所有元件的焊接時間，一般控制在2到3秒鐘的時間焊完，較大的焊點(diǎn)在3到4秒鐘的時間焊完。當(dāng)一次焊接不完時要等一段時間元件冷卻后再進(jìn)行二次焊接，避免由于溫度過高造成的元器件損壞。4．簡易轉(zhuǎn)速測量儀的安裝將經(jīng)過成形、處理過的元器件按原理圖（見附錄4-1）進(jìn)行焊接安裝，安裝時各元器件均不能裝錯，特別要注意有極性的元器件不能裝反，如發(fā)光二極管和集成電路等。元器件參考布局如圖4-14所示。安裝工藝要求見表4-4。圖4-14元器件布局圖圖4-15簡易轉(zhuǎn)速測量儀表4-4元器件安裝工藝5．簡易轉(zhuǎn)速測量儀的調(diào)試步驟一：調(diào)試儀器準(zhǔn)備直流穩(wěn)壓電源、數(shù)字萬用表、示波器、電動機(jī)步驟二：通電前檢查（1）檢查三極管引腳是否裝錯，電解電容正負(fù)極性是否裝反。（2）檢查集成電路引腳連接是否正確。（3）檢查霍爾傳感器引腳連接是否正確。（4）檢查電路連線是否正確，各焊點(diǎn)是否焊牢，元器件是否相互碰觸。（5）用數(shù)字萬用表通斷檔測量電源正負(fù)接入點(diǎn)之間電阻，應(yīng)為高阻狀態(tài)。如有短路現(xiàn)象，應(yīng)立即排查。（6）轉(zhuǎn)速探頭的安裝：在電機(jī)的轉(zhuǎn)軸上安裝一固定的非磁性圓盤，并在圓盤的一個圓周上均勻的安放四粒小磁鋼，使電機(jī)轉(zhuǎn)動，觀察非磁性圓盤安裝是否牢固。步驟三：通電調(diào)試將電路的USB接口線接入電腦的USB口，如圖4-16所示。這時電路已接入+5V電源，并可以進(jìn)行程序的下載了。圖4-16電路通電（1）測霍爾單極開關(guān)電路OH137輸出端波形。將示波器探頭的接地端連接在OH137霍爾單極開關(guān)的GND端，檢測頭接到3腳OUT上記錄波形數(shù)據(jù)。如果未測出正常波形請分析原因，并記錄。（2）單片機(jī)調(diào)試。啟動stc-isp軟件后，主界面如圖4-18所示。計算機(jī)會自動識別單片機(jī)型號和串口號，并輸入用戶程序運(yùn)行時的頻率值22.1184MHz。圖4-18stc-isp軟件主界面改為“22.1184”4．4知識拓展1．霍爾傳感器概述霍爾元件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，并已得到廣泛應(yīng)用?；魻栐且环N磁傳感器，利用他們可以檢測磁場及其變化，可以應(yīng)用于各種與磁場有關(guān)的場合中。知識小貼士：

霍爾效應(yīng)，指通電的載體在受到垂直于載體平面的外磁場作用時，則載流子受到洛倫茲力的作用，并有向兩邊聚集的傾向，由于自由電子的聚集（一邊多,一邊必然少）從而形成電勢差，在經(jīng)過特殊工藝制備的半導(dǎo)體材料這種效應(yīng)更為顯著，從而形成了霍爾元件?；魻杺鞲衅饕曰魻栃?yīng)為工作基礎(chǔ)，由霍爾元件和它的附屬電路組成的集成傳感器。具有許多優(yōu)點(diǎn)，結(jié)構(gòu)牢固，體積小，重量輕，壽命長，安裝方便，功耗小，頻率高（可達(dá)1MHZ），耐震動，不怕灰塵、水汽及煙霧等污染或腐蝕?；魻杺鞲衅髦饕袃纱箢?，一類為開關(guān)型器件，一類為線性霍爾器件，從結(jié)構(gòu)形式（品種）及用量、產(chǎn)量前者大于后者。前者輸出數(shù)字量，后者輸出模擬量。

線性型霍爾集成電路是將霍爾元件和恒流源、線性差動放大器等做在一個芯片上，輸出電壓為伏級，比直接使用霍爾元件方便得多。較典型的線性霍爾器件如UGN3501系列，如圖4-20所示。圖4-20線性霍爾器件

開關(guān)型霍爾集成電路是將霍爾元件、穩(wěn)壓電路、放大器、施密特觸發(fā)器、OC門（集電極開路輸出門）等電路做在同一個芯片上。當(dāng)外加磁場強(qiáng)度超過規(guī)定的工作點(diǎn)時，OC門由高阻態(tài)變?yōu)閷?dǎo)通狀態(tài)，輸出變?yōu)榈碗娖?；?dāng)外加磁場強(qiáng)度低于釋放點(diǎn)時，OC門重新變?yōu)楦咦钁B(tài)，輸出高電平。這類器件中較典型的有UGN3020、3022等，如圖4-21所示。圖4-21開關(guān)型霍爾器件2．霍爾傳感器的應(yīng)用舉例（1）測量磁場利用經(jīng)過校準(zhǔn)的UGN3503型霍爾線性器件來檢測磁感應(yīng)強(qiáng)度的簡便方法。測量時，把霍爾傳感器放在待測磁場中,通以控制電流,用萬用表測其輸出電壓，然后根據(jù)廠家提供的每塊電路的校準(zhǔn)曲線查得相應(yīng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度值。使用前，將器件通電一分鐘，使之達(dá)到穩(wěn)定。（2）無觸點(diǎn)開關(guān)

鍵盤是電子計算機(jī)系統(tǒng)中的一個重要的外部設(shè)備。采用無觸點(diǎn)開關(guān)，每個鍵上都有兩小塊永久磁鐵，鍵按下后，磁鐵的磁場加在鍵下方的開關(guān)型集成霍爾傳感器上，完成開關(guān)動作。3．單片機(jī)STC15F2K60S2STC15F2K60S2系列單片機(jī)是STC生產(chǎn)的單時鐘、單機(jī)器周期（1T）的單片機(jī)，是高速、高可靠、低功耗、超強(qiáng)抗干擾的新一代8051單片機(jī)，芯片采用28腳雙列直插式封裝，26個輸入/輸出（I/O）端口，芯片工作電壓4.5V-5.5V，無需外接晶體振蕩電路和外部復(fù)位，無需編程器/仿真器，可在線編程，方便用戶調(diào)試。芯片的外形和引腳如圖4-22所示。圖4-22STC15FK60S2的外形和引腳排列圖4．LED數(shù)碼管LED數(shù)碼管也稱半導(dǎo)體數(shù)碼管，具有發(fā)光顯示清晰、響應(yīng)速度快、耗電省、體積小、壽命長、耐沖擊、易與各種驅(qū)動電路連接等優(yōu)點(diǎn)，在各種數(shù)顯儀器儀表、數(shù)字控制設(shè)備中得到廣泛應(yīng)用。數(shù)碼管種類很多，品種五花八門，常見的數(shù)碼管如圖4-23所示。圖4-23數(shù)碼管外形圖（1）1位七段數(shù)碼管數(shù)碼管可以分為共陽極與共陰極兩種，共陽極就是把所有LED的陽極連接到共同接點(diǎn)com，而每個LED的陰極分別為a、b、c、d、e、f、g及dp（小數(shù)點(diǎn)）；共陰極則是把所有LED的陰極連接到共同接點(diǎn)com，而每個LED的陽極分別為a、b、c、d、e、f、g及dp（小數(shù)點(diǎn)），如圖4-24所示。圖4-241位LED數(shù)碼管外形、引腳示意圖檢測方法：首先，將指針式萬用表撥至“R×10k”電阻擋。由于LED數(shù)碼管內(nèi)部的發(fā)光二極管正向?qū)妷阂话恪?.8V，所以萬用表的電阻檔應(yīng)置于內(nèi)部電池電壓是15V（或9V）的“R×10k”擋。然后，進(jìn)行檢測。測共陰型數(shù)碼管時，萬用表紅表筆（注意：紅表筆接表內(nèi)電池負(fù)極、黑表筆接表內(nèi)電池正極）應(yīng)接數(shù)碼管的“-”公共端，黑表筆則分別去接各筆段電極（a～h腳）；而測共陽極的數(shù)碼管，黑表筆應(yīng)接數(shù)碼管的“+”公共端，紅表筆則分別去接a～h腳。正常情況下，萬用表的指針應(yīng)該偏轉(zhuǎn)（一般示數(shù)在100kΩ以內(nèi)），說明對應(yīng)筆段的發(fā)光二極管導(dǎo)通，同時對應(yīng)筆段會發(fā)光。若測到某個管腳時，萬用表指針不偏轉(zhuǎn)，所對應(yīng)的筆段也不發(fā)光，則說明被測筆段的發(fā)光二極管已經(jīng)開路損壞。（2）3位七段數(shù)碼管3位數(shù)碼管共用a、b、c、d、e、f、g及dp這8根數(shù)據(jù)線，為人們的使用提供了方便，因?yàn)槔锩嬗?個數(shù)碼管，所以它有3個公共端，共有11個引腳。如圖4-25所示。引腳排列依然是從左下角的那個腳（1腳）開始，以逆時針方向依次為1~11腳，下圖中的數(shù)字與之一一對應(yīng)。圖4-253位數(shù)碼管外形及結(jié)構(gòu)示意圖5．單片機(jī)轉(zhuǎn)速的計算方法分析轉(zhuǎn)速的計算方法有定時計數(shù)法（測頻法/M法）、定數(shù)計時法（測周法/T法）、同步計數(shù)計時法（M/T）。（1）定時計數(shù)法（測頻法/M法）（2）定數(shù)測