刘祝同电力电子课程设计论文概论.docx

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刘祝同电力电子课程设计论文概论

电力电子技术课程设计

题目：

基于单片机的步进电机速度测量系统设计

专业：

电气自动化技术

班级：

14电气

姓名：

刘祝同

学号：

140104011

指导教师：

喻丽丽

基于单片机的步进电机速度测量系统设计

电气工程与自动化周会武

［摘要］本文重点介绍了用霍尔开关传感器作为测量元件。

霍尔开关器件无触点、无磨损、输出波形清晰、无抖动、无回跳、位置重复精度高（可达μm级）。

取用了各种补偿和保护措施的霍尔器件的工作温度范围宽，可达－55℃～150℃。

而它的输出为脉冲信号，可以利用单片机的定时/计数功能进而测得步进电机的转速。

此测速系统具有优异的性能价格比、体积小、可靠性高，由单片机直接接收由霍尔开关传感器送来的脉冲信号，经过运算，得出实际转速，然后利用数码管把实际速度显示出来，并利用发光二极管实现超速或低速报警。

经过实物论证，此设计方案满足课题要求。

[关键字]霍尔传感器；单片机；数码管；光报警

目　　录

1序言1

1.1课题研究的背景及意义1

1.2国内外的研究现状综述1

2速度测量方案论证2

2.1方案一2

2.2方案二3

2.3速度测量方案的确定3

3开关型霍尔传感器介绍4

3.1开关型霍尔传感器工作原理4

3.2开关型霍尔传感器的应用4

4单元模块电路方案设计5

4.1系统硬件电路总体设计5

4.2速度检测部分6

4.3单片机最小系统6

4.3.1主控器STC89C527

4.3.2时钟电路9

4.3.3复位电路10

4.4数码显示部分10

4.4.1LED结构与原理11

4.4.2LED显示器显示方式12

4.5光报警装置13

4.6下载部分14

4.6.1RS-232接口与单片机串行通信基本原理14

4.6.2RS-232串行通信接口电路14

5软件设计15

5.1单片机程序设计的特点15

5.2程序总体设计流程图16

6.速度测量软、硬件调试18

6.1调试中出现的问题及解决方案19

结束语19

参考文献20

致谢21

1序言

1.1课题研究的背景及意义

在工程实践中，经常会遇到各种需要测量转速的场合，例如在发动机、电动机、机床主轴等旋转设备的试验运转和控制中，常需要分时或连续测量、显示其转速及瞬时速度。

为了能精确地测量转速，还要保证测量的实时性，要求能测得瞬时转速。

本文提出一种基于89C52单片机实施电机转速测量的方法，利用霍尔传感器采集脉冲信号，通过定时计数算法程序，将转速结果实时显示出来[1]。

随着科技的飞速发展，计算机应用技术日益渗透到社会生产生活的各个领域，而单片机的应用则起到了举足轻重的作用。

单片机又称单片微控制器，就是把一个计算机系统集成到一个芯片上。

它完整地包含了计算机内部的CPU（运算器、控制器）、程序存储器（相当于计算机的硬盘）、数据存储器（相当于计算机的内存）、输入输出端口等。

虽然它的运算速度无法和计算机相比，但在一些实际的控制应用场合已经足够使用了。

对于高等院校电子类和计算机类的学生，学习单片机是很重要的，而进行应用单片机的课程设计更是重中之重，将所学理论知识应用到实际，使更加全面的了解和掌握单片机的应用[2]。

在本次设计中也用到了一些常用的数字电子单元元件，如霍尔传感器，霍尔器件作为一种转速测量系统的传感器，具有结构牢固、体积小、重量轻、寿命长、安装方便等优点。

在实际的使用中，一般需要一个铁质的测速齿轮，齿厚大于2mm即可，将之固定在待测转速的轴上。

1.2国内外的研究现状综述

转速是电动机极为重要的一个状态参数，在很多运动系统的测控中，都需要对电机的转速进行测量，速度测量的精度直接影响系统的控制情况，它是关系测控效果的一个重要因素。

不论是直流调速系统还是交流调速系统，只有转速的高精度检测才能得到高精度的控制系统。

在电机的转速测量中，影响测量精度的主要因素有两个：

一是采样点的多少，采样点越多，速度测量结果越精确，尤其是对于低转速的测量。

二是采样频率，采样频率越高，采样的数据就越准确。

常用的数字测量方法电机转动速度的数字检测基本方法是利用与电动机同轴连接的光电脉冲发生器的输出脉冲频率与转速成正比的原理。

根据脉冲发生器发出的脉冲速度和序列，测量转速和判别其转动方向。

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M/T法（频率/周期法）。

步进电动机又称脉冲电动机或阶跃电动机，国外一般称为Steppingmotor、Pulsemotor或Stepperservo，其应用发展已有约80年的历史。

可以说步进电动机天生就是一种离散运动的装置，是纯粹的数字控制电动机，步迸电机驱动器通过外加控制脉冲，控制步进电动机各相绕组的导通或截止，从而使电动机产生步进运动。

就是说给一个电脉冲信号，电动机就转过一个角度或者前进一步，其输出转角、转速与输入脉冲的个数、频率有着严格的比例关系。

这些关系在负载能力范围内不随电源电压、负载大小、环境条件等的变化而变化。

在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，同时步进电机只有周期性的误差而无累积误差，精度高。

步进电动机可以在宽广的频率范围内通过改变脉冲频率来实现调速、快速起停、正反转控制等，这是步进电动机最突出的优点。

正是由于步进电机具有突出的优点，所以成了机电一体化的关键产品之一，广泛应用在各种自动化控制系统中。

随着微电子和计算机技术的发展，步进电机的需求量与日俱增，在各个国民经济领域都有应用。

比如在数控系统中就得到广泛的应用。

目前世界各国都在大力发展数控技术，我国的数控系统也取得了很大的发展，我国已经能够自行研制开发适合我国数控机床发展需要的各种档次的数控系统。

其中华中数控系统解决了“五轴联动”，为“神州”系列飞船顺列升空立下了汗马功劳。

虽然与发达国家相比，我们我国的数控技术方面整体发展水平还比较低，但已经在我国占有非常重要的地位，并起了很大的作用。

我国数控系统在初期就是以单板机或单片机为数控核心，以步进电机为执行元件，由于其结构简单，价格便宜，很适合我国中小型企业使用。

2速度测量方案论证

2.1方案一

此方案包括传感器、处理器和显示3个部分。

其方框图如图2.1所示。

在该方案中传感器是由红外发光二极管，和红外光敏三极管构成。

测速的过程为：

在电机的转轴上安装一个圆盘，并在圆盘的边缘处开一个孔让二极管发出的红外光刚好可以通过。

在圆盘的上下方分别安装好发光二极管和光敏三极管，当电机转动时就可以通过圆盘来改变光敏三极管接收的光线，从而产生点位信号的变化，这样就构成了一个收发检测系统，可以检测电机的转速。

运用的原理和光电耦合器是相同的[3]。

图2.1　方案一方框图

2.2方案二

此方案也由传感器、处理器和显示3个部分几部分组成，但所选择的传感器类型不同,其方框图如图2.2所示。

此方案的测速系统主要是由开关型霍尔传感器AH44E以及磁钢构成，由它们来检测电机的转速。

工作方式为：

将磁钢安装在电机的转轴上，而霍尔传感器则放在转轴的旁边，霍尔传感器连接在电路中，当磁钢随转轴经过霍尔传感器时，由开关型霍尔传感器的工作原理知，此时将输出一个低电平信号；而当磁钢离开霍尔传感器后，又将输出一个高电平。

这样通过高低电平的转换，将其送入单片机后就可以测量它的转速[4]。

图2.2　方案二方框图

2.3速度测量方案的确定

两个方案的主体电路相同，只是传感器的的选择不同。

而选择开关型霍尔传感器则具有多种优点：

1.精度高：

在工作温度区内精度优于1%。

2.过载能力强：

当原边电流超负荷，模块达到饱和，可自动保护，即使过载电流是额定值的20倍时，模块也不会损坏。

3.模块的高灵敏度，使之能够区分在“高分量”上的弱信号，例如：

在几百安的直流分量上区分出几毫安的交流分量。

4.还可以通过使用多块磁钢来倍频，以增加测量的精度。

鉴于以上考虑，最终选定方案二为本次课程设计方案。

3开关型霍尔传感器介绍

3.1开关型霍尔传感器工作原理

霍尔传感器是利用霍尔效应原理制成的一种磁敏传感器。

它是近年来为适应信息采集的需要而迅速发展起来的一种新型传感器，这类传感器具有工作频带宽，响应快、面积小、灵敏度高、无缺点、便于集成化、多功能化等优点，且易与计算机和其它数字仪表接口，因此被广泛用于自动监测、自动测量、自动报警、自动控制、信息传递、生物医学等各个领域。

此处主要介绍开关型霍尔传感器。

开关型霍尔传感器由稳压器A、硅霍尔片B、差分放大器C、施密特触发器D和OC门输出E五部分组成，如图3.1所示：

从输入端1输入电压Vcc，经稳压器A稳压后加在硅霍尔片B的两端，以提供恒定不变的工作电流．在垂直于霍尔片的感应面方向施加磁场，产生霍尔电势差Vw，该n信号经差分放大器C放大后送至施密特触发器D整形。

当磁场达到“工作点”（即B0）时，触发器D输出高电压（相对于地电位），使三极管E导通，输出端V0输出低电位，此状态称为“开”。

当施加的磁场达到“释放点”（即B0）时，触发器D输出低电压，使三极管E截止，输出端V0输出高电位，此状态称为“关”。

这样2次高低电位变换，使霍尔传感器完成了1次开关动作[5]。

开关型霍尔传感器构成图如图3.1所示：

图3.1开关型霍尔传感器构成图

3.2开关型霍尔传感器的应用

开关型霍尔集成传感器（以下简称开关型霍尔传感器）主要被应用于周期和频率的测量、转速的测量、液位控制等方面。

常用的开关型霍尔传感器有美国sPRAG1公司的UGN3000系列如UGN3020、UGN3O3O等。

它没有输入端，因磁场是由空间输入的。

规定用磁铁的S极接近开关型霍尔传感器正面时形成的B为正值，从图3.2曲线看：

当B=0时，V0为高；B=Bop时，V0立即变低，这点称为“工作点”。

继续升高B，V0不变。

降低B到Brp时，V0又回升。

这点称为“释放点”。

如图3.2所示，Brp一Bop称为磁滞。

在此差值内，输出电位保持高电位或低电位不变，因而输出稳定可靠。

图3.2开关型霍尔传感器输出电压与外加磁感应强度关系

4单元模块电路方案设计

4.1系统硬件电路总体设计

图4.1电路总体设计

4.2速度检测部分

速度检测部分是由开关型霍尔传感器和磁钢组成。

其电路图如图4.2所示。

测量电机转速的第一步就是要将电机地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，具有结构牢固、体积小、重量轻、寿命长、安装方便等优点，当电机转动时，带动安装在电机上的磁铁，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。

在实际的使用中，一般需要两个磁钢，将之固定在待测转速的轴上[6]。

所谓磁钢，就是磁钢就是一种有磁性的钢铁。

在传感检测电路中将磁钢安装在电机的转轴上，而霍尔传感器则放在转轴的旁边，霍尔传感器连接在电路中，当磁钢随转轴经过霍尔传感器时，由开关型霍尔传感器的工作原理知，此时将输出一个低电平信号；而当磁钢离开霍尔传感器后，又将输出一个高电平。

这样通过高低电平的转换，将其送入单片机后就可以测量它的转速[7]。

其电路如下图4.2

图4.2传感器部分

4.3单片机最小系统

单片机最小系统设计:

本设计单片机最小系统如图4.3所示，由主控器STC89C52、时钟电路和复位电路三部分组成。

单片机STC89C52作为核心控制器控制着整个系统的工作，而时钟电路负责产生单片机工作所必需的时钟信号，复位电路使得单片机能够正常、有序、稳定地工作[8]。

图4.3单片机最小系统

4.3.1主控器STC89C52