基于霍尔传感器的电机转速测量系统Word文件下载.docx
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4.3.4报警程序设计18
4.3.5转速程序的设计18
4.3.6软件程序基础知识准备19
5软件调试20
5.1Proteus及KEIL软件简介20
5.1.1Proteus软件20
5.1.2KEIL软件20
5.2应用KEIL软件进行程序调试21
5.3Proteus软件仿真21
5.3.1仿真步骤21
5.3.2仿真实例22
5.4硬件软件联合调试25
5.4.1联调步骤25
5.4.2搭接检查步骤26
6结论27
附录28
参考文献34
致谢35
1.3设计任务与要求
1.3.1设计任务
根据学校毕业设计的要求，设计一个功能满足设计要求、工作稳定、以单片机为核心的基于霍尔传感器的电机转速测量系统，能够实现在电机工作时转速的测量，并在发生故障时能及时的发出报警信号。
本设计包括完整的硬件设计和相应的软件设计。
1.3.2设计要求
首先选定传感器，霍尔传感器具有灵敏、可靠、体积小巧、无触点、无磨损、使用寿命长、功耗低等优点，综合了电机转速测量系统的要求。
其次设计一个单片机小系统，掌握单片机接口电路的设计技巧，学会利用单片机的定时器和中断系统对脉冲信号进行测量或计数。
再次实时测量显示并有报警功能，实时测量根据脉冲计数来实现转速测量的方法。
要求霍尔传感器转速为0～5000r/min。
2课题方案设计
2.1系统总体设计要求
如果把霍尔传感器按预定位置有规律地布置在轨道上，当永磁体经过它时，可以从测量电路上测得脉冲信号。
根据脉冲信号的分布可以测出电机速度。
2.2系统模块结构论证
2.2.1霍尔测速模块论证与选择
方案一：
采用霍尔元件传感器即霍尔片；
霍尔片可分为贴片型和直插型。
由于贴片型不常用，因此选择直插型。
选型号为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，可用于测速，且与普通的磁钢片配套使用，价格一般为2.5~3元。
方案二：
采用霍尔传感器；
选型号为CHV-25P/10的霍尔传感器，其额定电压为10v,输出信号5v/25mA,电源为12~15v。
体积大，价格一般为40~120元之间不等。
从性价比方面综合考虑因此选择方案一。
2.2.2计数器模块论证与选择
可以采用片外计数器和片内计数器两个方案。
片外计数器的方案是指采用8253等片外的专用计数芯片进行脉冲计数，单片机控制8253的技术过程，并在技术完毕后读取计数值。
片内计数方案是指采用单片机的内部计数器完成对脉冲的计数过程。
使用片内的计数器的优点在于降低单片机系统的成本。
每到一个脉冲将会产生一个T1的计数，在T0产生的100ms中断完成后，T1的中断溢出次数就是所需要计的脉冲数。
特点在于：
使用了内部的T1作为外部脉冲的计数器，并且，为了避免计数器的溢出，将T1的初值设为0。
2.2.3显示模块论证与选择
采用8段LED数码管作为显示模块核心。
数码管显示器件相对便宜，但是耗能大、编写程序相对麻烦，工作量大。
采用LCD液晶显示器作为显示模块核心。
LCD显示器工作原理简单，编程方便，节能环保。
因此选择方案二。
2.2.4报警模块论证与选择
采用蜂鸣器与发光二极管作为声光报警主要器件。
该方案不论在硬件和焊接方面还是在编写软件方面都简单方便，而且成本低廉。
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。
2.2.5电源模块论证与选择
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。
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。
2.2.6单片机模块论证与选择
选用P89C51的单片机速度极快、功耗低、体积小、资源丰富，有各种不同的规格，最快的达100MPS，引脚还可编程确定功能
PhilipsP89C51RD2有4个PDA,属于兼容版。
方案比较：
因为项目的目标是测速系统的应用，所以我还是选用了方案一中51系列的单片机，因为51的架构十分典型。
选择方案一中51系列单片机我认为主要考虑以下方面：
1.价格便宜；
2.开发手段便宜；
3.自己动手焊接相对容易。
2.3转速测量方案论证
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[4]。
2.3.1方案一电机轴一侧贴磁片
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[5]。
2.3.2方案二电机转轴加测速转盘
传感器采用霍尔器件将电机的转速转化为脉冲信号，处理器采用89C205l单片机.计数器采用单片机片内汁数器完成对脉冲的计数，显示器采用字符型液晶显示器1602进行显示。
系统原理框图如图3-1所示。
系统工作过程：
测量转速的霍尔传感器与机轴相连接，机轴每转一周，产生一定的脉冲个数，霍尔器件电路部分输出，成为转速计数器的计数脉冲。
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。
单片机CPU将数据处理后，通过LCD显示出来。
转速的测量转速传感器由磁钢、霍尔元件组成。
将一非磁性圆盘固定装在电机转轴上，圆盘边缘等距离用环氧树脂粘贴块状磁钢，磁钢采用永久磁[6]。
图2-1霍尔传感器检测信号图
2.3.3方案对比
方案一与方案二综合进行对比，发现方案一最少只需一粒磁片即可达到所需要求，简单方便，经济实惠，并易于操作。
因此经比较选择方案一。
2.4小结
本章通过总体设计进行对方案选择的最终确定，研究了霍尔测速、计数器、显示、报警、电源、单片机等各部分模块的可行性方案。
介绍了系统各模块结构并进行方案的比较、论证和最终的选择。
3系统总体设计
3.1总体硬件设计
基于霍尔传感器的速度测量系统工作过程是：
测量转速的霍尔传感器和机轴同轴连接，机轴每转一周，产生一定量的脉冲个数，由霍尔器件电路部分输出。
经光电耦合后，成为转速计数器的计数脉冲。
同时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89C51逻辑电平相一致。
CPU将该值数据处理后，在LCD上显示出来。
一旦超速，CPU通过喇叭和指示灯发出声、光报警信号[7]。
3.1.1硬件原理图
以单片机AT89C5l为控制核心，用霍尔集成传感器作为测量转速的检测元件，最后用字符型液晶显示器1602（HD44780控制）显示的小型直流电动机转速的方法，是数字式测量方法，智能化微电脑代替了传统的机械式或模拟式结构。
系统硬件原理图如图3-1所示[8]。
图3-1硬件原理图
3.1.2硬件电路设计总图
在原理图基础上对各部分进行了详细的设计，硬件电路图如图3-2所示。
图3-2硬件电路图
3.2系统子模块简介
本文介绍一种用AT89C51单片机测量小型电动机转速的方法。
系统以单片机AT89C5l为控制核心.用霍尔集成传感器作为测量小型直流电机转速的检测元件，经过单片机数据处理，用字符型液晶显示器1602显示小型直流电机的转速。
另外系统还可完成对电机的开关控制、系统工作时间、当前时间及电机状态的显示。
单片机转速测量系统。
组成单片机转速测量系统的有传感器、处理器、计数器和显示器四个部分组成。
3.2.1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转速转化为脉冲信号；
第二个部分是使用光耦，将传感器输出的信号和单片机的计数电路两个部分隔开，减少计数的干扰。
用于测量的A44E集成霍尔开关，磁钢用直径D=6.004mm，长度为L=3.032mm的钕铁硼磁钢。
电源用直流，霍尔开关输出由四位半直流数字电压表测量，磁感应强度B用95A型集成霍尔元件测量[9]。
图3-3霍尔片管脚管脚接线
3.2.2计数器
3.2.3处理器
处理器是单片机，采用的是89C51单片机。
3.2.4LCD显示部分
显示部分有两个功能，在正常的情况下，通过LCD显示当前的频率数值，当电机的转速超出一定的范围后，通过灯光和蜂鸣器进行报警。
3.2.5外接报警部分
在单片机应用的设计上，很多方案都会用到蜂鸣器，大部分都是使用蜂鸣器来做提示或报警。
用I/O定时翻转电平来产生驱动波形的方式会比较麻烦一点，必须利用定时器来做定时，通过定时翻转电平产生符合蜂鸣器要求的频率的波形，这个波形就可以用来驱动蜂鸣器了。
比如为2500Hz的蜂鸣器的驱动，可以知道周期为400μs，这样只需要驱动蜂鸣器的I/O口每200μs翻转一次电平就可以产生一个频率为2500Hz，占空比为1/2duty的方波，再通过三极管放大就可以驱动这个蜂鸣器了。
由于蜂鸣器的工作电流一般比较大，以致于单片机的I/O口是无法直接驱动的，所以要利用放大电路来驱动，一般使用三极管来放电流就可以了[10]。
4软件设计
4.1程序设计步骤
第一步分析问题，明确任务要求，对于复杂的问题，还要讲要解决的问题抽象成数学模型，即用数学表达式来描述。
第二步确定算法，即根据实际问题和指令系统的特点确定完成这一任务须经历的步骤。
第三步根据所选择的算法，确定内存单元的分配：
使用那些寄存器：
程序运行中的中间数据及结果存放在那些单元，以利于提高程序的效率和运行速度：
然后制定出解决问题的步骤和顺序，画出程序的流程图。
第四步根据流程图，编写源程序。
第五步上机对原程序进行编译、调试。
4.2程序流程图
电机转速测量需要经过的4个基本步骤：
1是控制方式；
2是确定计数方式；
3是信号输入方式；
4是计数值的读取；
通过89C51，单片机完成对电机转速脉冲计数的控制，读取寄存器完成转速频率的确定。
而SGN电机脉冲信号连到
引脚。
计数次数为3次，将3次结果取平均，从而提高计数的稳定性和精确性。
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[11]。
本系统采用89C51中的
中断对转速脉冲计数。
定时器T0工作于定时方式，工作于方式1。
每到1s读一次外部中断
计数值，此值即为脉冲信号的频率，根据式（4-1）可计算出电机的转速。
当直流电机通过传动部分带圆盘旋转时，霍尔传感器根据圆盘上得磁片获得一系列脉冲信号。
这些脉冲信号通过单片机系统定时/计数器
计数，定时器T0定时。
定时器T0完成100次溢出中断的时间T除以测得的脉冲数m，经过单位换算，就可以算得直流电机旋转的速度。
直流电机转速计算公式：
n=60·
m/（N1·
T·
N）（rpm）（4-1）
其中：
n为直流电机转速,N为栅格数，N1为T0中断次数，m为
在规定时间内测得的脉冲数，T为定时器T0定时溢出时间[12]。
4.2.1主程序流程图
主程序工作过程如下。
先进行初始化设置各定时器初值，然后判断是否启动系统进行测量。
如果是，就启动系统运行。
如果不是就等待启动。
启动系统后，霍尔传感器检测脉冲到来后，启动外部中断，每来一个脉冲中断一次，记录脉冲个数。
同时启动T0定时器工作，每1秒定时中断一次，读取记录的脉冲个数，即电机转速。
连续采样三次，取平均值记为一次转速值。
再进行数值的判断，若数值高于5000rpm则报警并返回初始化阶段，否则就进行正常速度液晶显示。
图4-1主流程图
4.2.2中断服务流程图
在处于中断服务程序阶段，首先进行关中断设置。
其次进行对
位进行的脉冲个数计数的数值读取。
再次对
、T0进行赋初值并且进行关中断设置。
最后进行中断返回。
一、外部计数中断
图4-2外部中断流程图
二、定时器中断
图4-3T0中断流程图
4.3软件程序设计
4.3.1主程序设计
主程序在对定时器、计数器、堆栈等进行初始化后即判断标志位是否为1，如果为1，说明要求对数据进行计算处理，首先将标志位清零，以保证下次能正常判断，然后进入数据处理程序，由于这里的闸门时间为1s，而显示要求为转/分，因此，要将测到的数据进行转换，转换的方法是将测得的数据乘以60，但由于转轴上安装有4只磁钢，每旋转一周可以得到4个脉冲，因此，要将测得的数据除以4，所以综合起来，将测得的数据乘以60/4=15即可得到每分钟的转速。
计算得到的结果是二进制的整数，要将数据送往显示缓冲区需要将该数转化为BCD码。
运算得到的是压缩BCD码，需要将其转换为非压缩BCD码，从标号CBCD开始的一段程序即作了这样的处理[13]。
定时器T0用作4ms定时发生器，在定时中断程序中进行数码管的动态扫描，同时产生1s的闸门信号。
1s闸门信号的产生是通过一个计数器Count，每次中断时间为4ms，每计250次即为1s，到了1s后，即清除计数器Count，然后关闭作为计数器用的INT0，读出TH0、TL0中的数值，分别送入SpCount和SpCount+1单元，将T0中的值清空，置标志位为1，要求主程序进行速度值的计算。
这里还有一个细节，用作1s闸门信号产生的Count每次中断都会加1，而INT0却有一个周期是被关闭的，因此，计数值是251而不是250。
系统采用外部晶振，系统时钟SYSCLK等于18432000，T0定时1ms，初始化时TH0=（-SY-SCLK／1000）》8；
TL0=-（SYSCLK／1000）。
等待1s到，输出转速脉冲个数N，计算电机转速值。
将1s内的转速值换算成1min内的电机转速值，并在LCD上输出测量结果[14]。
/*------------------------主函数-------------------------*/
voidmain（）
{
int_all（）;
//全局初始化
while
（1）
{
disp_count（）;
//数据处理
if（zhuan>
5000）//转速警告
{
warning=1;
}
if（zhuan<
4999）
warning=0;
write_command（0x80）;
for（i=0;
i<
sizeof（display）-1;
i++）
write_data（display[i]）;
//LCD显示
delay（5）;
}
}
4.3.2中断服务程序设计
/*-------------------外部中断0计数程序-------------------*/
voidcounter（void）interrupt0
EX1=0;
//关外部中断0
count++;
//计数加1
if（count==4）//4次循环为电机转一圈
{
count=1;
//初始化计数
z++;
//转圈计数加1
EX1=1;
//开外部中断0
/*-----------------内部中断0计时计数程序-----------------*/
voidTime0（void）interrupt2using0
TH0=0x4c;
//50ms定时
TL0=0x00;
msec++;
if（msec==20）//50*20=1S
msec=0;
zhuan=z;
z=0;
4.3.3显示程序设计
液晶显示模块是一个慢显示器件，所以在执行每条指令之前一定要确认模块的忙标志为低电平，表示不忙，否则此指令失效。
要显示字符时要先输入显示字符地址，也就是告诉模块在哪里显示字符。
在对液晶模块的初始化中要先设置其显示模式，在液晶模块显示字符时光标是自动右移的，无需人工干预。
每次输入指令前都要判断液晶模块是否处于忙的状态。
向LCD输入的数据有两种，一种是指令，一种是数据。
指令是负责初始化LCD与LCD显示字符是什么位置。
数据是告诉该显示什么。
命令与数据是RS端的高低电平来确定。
数据开始的时候是由LCDCS高电平开始，低电平结束。
图4-4显示流程图
/*--------------------向LCD1602写命令--------------------*/
voidwrite_command（ucharcommand）
rs=0;
//选择写命令
P0=command;
//向LCD写命令
lcdcs=1;
//信号使能端高电平
lcdcs=0;
//信号使能端低电平
/*-------------------------------------------------------*/
/*--------------------向LCD1602写数据--------------------*/
voidwrite_data（uchardata0）
rs=1;
//选择写数据
P0=data0;
//向LCD写数据
//信号使能端高电平
//信号使能端低电平
4.3.4报警程序设计
蜂鸣器发声原理是电流通过电磁线圈，使电磁线圈产生磁场来驱动振动膜发声的，因此需要一定的电流才能驱动它，单片机IO引脚输出的电流较小，单片机输出的TTL电平基本上驱动不了蜂鸣器，因此需要增加一个电流放大的电路。
蜂鸣器程序设计思路：
本程序通过在输出一个音频范围的方波，驱动实验板上的蜂鸣器发出蜂鸣声，其中Delay延时子程序的作用是使输出的方波频率在人耳朵听觉能力之内的20KHZ以下，如果没有这个延时程序的话，输出的频率将大大超出人耳朵的听觉能力，我们将不能听到声音。
更改延时常数，可以改变输出频率，也就可以调整蜂鸣器的音调。
代码为:
if（zhuan>
5000）
4.3.5转速程序的设计
测速的方法决定了测速信号的硬件连接，测速实际上就是测频，因此，频率测量的一些原则同样适用于测速。
通常，可以用计数法、测脉宽法和等精度法来进行测试。
所谓计数法，就是给定一个闸门时间，在闸门时间内计数输入的脉冲个数；
测脉宽法是利用待测信号的脉宽来控制计数门，对一个高精度的高频计数信号进行计数。
由于闸门与被测信号不能同步，因此，这两种方法都存在±
1误差的问题，第一种方法适用于信号频率高时使用，第二种方法则在信号频率低时使用。
等精度法则对高、低频信号都有很好的适应性[15]。
/*-----------------------数据处理------------------------*/
voiddisp_count（）
display[9]=（zhuan/1000+'
0'
）;
/转换转速的千位
display[10]=（zhuan/100%10+'
//转换转速的百位
display[11]=（zhuan/10%10+'
//转换转速的十位
display[12]=（zhuan%10+'
4.3.6软件程序基础知识准备
针对AT89C51单片机，头文件AT89x51.h给出了特殊功能寄存器SFR所有端口的定义。
其次,C语言编程基础：
十六进制表示字节0x5a：
二进制为01011010B；
0x6E为01101110。
如果将一个16位二进数赋给一个8位的字节变量，则自动截断为低8位而丢掉高8位。
TMOD=（TMOD&
0xf0）|0x05;
表示给变量TMOD的低四位赋值0x5，而不改变TMOD的高四位。
While
（1）;
表示无限执行该语句，即死循环。
语句后的分号表示空循环体，也就是{;
在引脚输出方波编程方法：
（比如P3.2引脚）
#include//该头文档中有单片机内部资源的符号化定义，其中包含P3.2//
voidmain（void）//void表示没有输入参数，也没有函数返值，这入单片机运行的复位入口//
While
（1）//非零表示真，如果为真则执行下面循环体的语句//
P3_2=1;
//给P3_2赋值1，引脚P3.2就能输出高电平VCC//
P3_2=0;
//给P3_2赋值0，引脚P3.2就能输出低电平GND//
}//由于一直为真，所以不断输出高、低、高、低……，从而形成方波//
5软件调试
5.1Proteus及Keil软件简介
5.1.1Proteus软件
Proteus软件是一种低投资的电子设计自动化软件，提供可仿真数字和模拟、交流和直流等数千种元器件和多达30多个元件库。
Proteus软件提供多种现实存在的虚拟仪器仪表。
此外，Proteus还提供图形显示功能，可以将线路上变化的信号
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