精品毕业论文设计基于霍尔传感器的转速测量设计.docx
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精品毕业论文设计基于霍尔传感器的转速测量设计
南京大学
毕业论文
题目
基于霍尔传感器的转速测量设计
摘要
在工程实践中，经常碰到需要测量转速的场合，而单片机作为一款性价比很高的微控制器在测速系统有着广泛的应用。
首先，本文叙述了单片机测量转速的系统构成及转速测量的几种常用方法。
其次，介绍了一种基于89C51单片机的电动机测速系统，该系统利用霍尔传感器产生脉冲信号，通过定时算法程序，将转速结果实时显示出来。
最后，对测量指标进行了分析、比较并提出改进方案。
关键词：
单片机；转速测量；霍尔传感器
Abstract（外语专业的需要）
Inengineeringpractice,oftenneedtomeasuretherotationalspeed,microcontrollerandmicrocontrollerasaveryhighpriceiswidelyusedinthevelocitymeasurementsystem.Firstly,thispaperdescribesseveralmethodsofmeasuringspeedandspeedmeasurementsystem.Secondly,introducesakindofmotorspeedmeasurementsystembasedon89C51MCU,thesystembyHolzersensorgeneratesapulsesignal,throughthetimingalgorithmprocedures,willspeedresultsinrealtimedisplay.Finally,analyzedthemeasurementindexes,andputforwardtheimprovementscheme.
Keywords:
singlechip;tachometricsurvey；speed
目录
摘要I
Abstract（外语专业的需要）II
第一章绪论1
1.1课题的背景1
1.2课题的目的及意义1
1.3设计思路与内容1
第二章基于单片机的转速测量原理3
2.1转速的测量原理3
2.2转速的测量方法3
2.2.1测频法“M法”3
2.2.2测周期法“T法”4
2.2.3测频测周法M/T法5
2.3误差和精度分析5
2.3.1“M法”测量误差分析5
2.3.2“T法”测量误差分析6
2.3.3“M/T法”测量误差分析6
第三章霍尔传感器测转速系统的单元电路介绍8
3.1单片机的介绍8
3.2霍尔传感器选型10
3.3开关霍尔传感器的性能分析10
3.4系统显示电路介绍12
3.4.174HC595的介绍12
3.4.2数码管介绍13
第四章电路的硬件设计15
4.1设计的方框图15
4.2程序流程图16
4.2单元电路的设计17
4.2.1单片机主控电路设计17
4.2.2脉冲产生电路设计18
4.2.3按键电路设计19
4.2.4数码管结构和显示原理20
4.3电路的整机原理图的设计（分析工作原理）21
第五章软件设计23
5.1单片机转速程序设计思路及过程23
5.1.1单片机程序设计思路23
5.1.2单片机转速计算程序23
5.1.3二-十进制转换程序24
5.2程序设计26
第六章总结与展望27
致谢28
参考文献29
第一章绪论
1.1课题的背景
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。
1.2课题的目的及意义
在实践中,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、卷扬机、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和显示其转速及瞬时转速。
要测速，首先要解决是采样问题。
在使用模技术制作测速表时，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。
为了能精确地测量转速外,还要保证测量的实时性,要求能测得瞬时转速方法。
因此转速的测试具有重要的意义。
这次设计内容包含知识全面，对传感器测量发电机转速的不同的方法及原理设计有较多介绍，在测量系统中能学到关于测量转速的传感器采样问题，单片机部分的内容，显示部分等各个模块的通信和联调。
全面了解单片机和信号放大的具体内容。
进一步锻炼我们在信号采集，处理，显示发面的实际工作能力。
1.3设计思路与内容
计算转速公式：
n=60/NTc（r/min）
其中，N是内部定时器的计数值，为三字节，分别由TH0，TL0，VTT构成；
Tc为时基，由于采用11.0592M的晶振，所以Tc不在是1um，而是12M/11.0592M约为1.08um，带入上面公式，即可得到转速的精确计算公式：
再下面我们将介绍除数是如何获得的：
单片机的转速测量完成，定时器T0作为内部定时器，外部中断来的时候读取TH0，TL0，并同时清零TH0、TL0，使定时器再次循环计内部脉冲。
此外，对于低速情况下，我们还要设定一个软件计数器VTT，当外部中断还没来而内部定时器已经溢出，产生定时器0中断时，增加VTT，作为三字节中的高字节。
三字节组成除数，上面的常数为四字节，所以计算程序实际上就是调用一个四字节除三字节商为两字节（最高转速36000r/min足够）的程序。
为数码管能够显示出来，需将二进制转换为十进制，在将十进制转换为非压缩BCD码后，才能调用查表程序，最后送显示。
传感器的定子上有2个互相垂直的绕组A和B,在绕组的中心线上粘有霍尔片HA和HB,转子为永久磁钢,霍尔元件HA和HB的激励电机分别与绕组A和B相连,它们的霍尔电极串联后作为传感器的输出。
图1.1霍尔转速传感器的结构原理图
图1.2霍尔转速传感器的结构原理图
第二章基于单片机的转速测量原理
2.1转速的测量原理
转速是工程中应用非常广泛的一个参数，而随着大规模及超大规模集成电路技术的发展，数字测量系统得到普遍应用，利用单片机对脉冲数字信号的强大处理能力，应用全数字化的结构，使数字测量系统的越来越普及。
在测量范围和测量精度方面都有极大的提高。
转速的测量方法有很多，由于转速是以单位时间内的转速来衡量的，所以本文采用霍尔元器件测量转速。
霍尔器件是有半导体材料制成的一种薄片，其长为l，宽为b，厚度为d。
若在垂直于薄片方向（即沿厚度d的方向）施加外磁场，在沿长为l的方向的两端面加外电场，则其内部会有一定的电流通过。
由于电子在磁场中运动，所以将受到一个洛仑兹力，其大小为：
F=qVB,
式中：
F为洛伦兹力；q为载流子电荷，V为载流子运动速度，B为磁感应强度。
由于受洛伦兹力，电子的运动方向轨迹将发生偏移，在霍尔元器件薄片的两个侧面分别产生电兹积聚或电荷过剩，形成霍尔电场。
在霍尔器件两个侧面间形成的电位差为霍尔电压，其大小为：
U=RBI/d
式中：
R为霍尔常数，I为控制电流。
设K=R/d,它称为霍尔器件的灵敏系统，表示该霍尔元件在单位磁感应强度和单位控制电流下输出霍尔电动势的大小。
若控制电流保持不变，则霍尔感应电压将随外界磁场强度而变化。
根据这一原理，可将一块永久磁钢固定在电动机转轴上转盘的边沿，转盘随被转轴旋转，磁钢也将跟着同步旋转，在转盘附近安装一个霍尔元件，电机旋转时，霍尔元件受到磁钢所产生的磁场影响，故可输出脉冲信号，其频率和转速成正比，测出霍尔元器件输出的脉冲周期或频率即可计算出转速。
2.2转速的测量方法
2.2.1测频法“M法”
在一定测量时间T内，测量脉冲发生器产生的脉冲数m1来测量转速。
如图2-1所示：
2-1“M”法测量转速脉冲
设在时间T内，转轴转过的弧度数为X，则的转速n可由下式表示。
（2-1）
转轴转过的弧度数X,可用下式所示
（2-2）
将（2-1）式代入（2-2）式，得转速n的表达式为：
（2-3）
-转速单位：
（转/分）
-定时时间单位：
（秒）
2.2.2测周期法“T法”
转速可以用两脉冲产生的间隔宽度Tp来决定。
如图2-2所示：
图2-2“T”法脉宽测量
Tp通过定时器测得。
定时器对时基脉冲（频率为fc）进行计数定时，在TP内计数值若为m2，则计算公式为：
（2-4）
即：
（2-5）
-为转轴转一周脉冲发生器产生的脉冲数。
-为硬件产生的基准时钟脉冲频率单位Hz。
-转速单位：
（转/分）。
-时基脉冲。
2.2.3测频测周法M/T法
所谓测频测周法，即是综合了“T”法和“M”法分别对高、低转速具有的不同精度，利用各自的优点而产生的方法，精度位于两者之间。
如图2-3所示。
图2-3“M/T”法定时/计数测量
转速计算如下：
设高频脉冲的频率为fc，脉冲发生器每转发出P个脉冲，由式（2-2）和（2-5）可得M/T法转速计算公式为：
-转速值。
单位：
（转/分）。
-晶体震荡频率。
单位Hz。
-输入脉冲数，反映转角。
-时基脉冲数。
2.3误差和精度分析
2.3.1“M法”测量误差分析
由转速公式：
给出
因定时时间和输入脉冲不能保证严格同步，以及在T内能否正好测量外部脉冲的完整周期个数，所以m1可能产生一个脉冲的量化误差，故转速变化：
（2-7）
其相对误差为：
（2-8）
（2-9）
（2-10）
ε-相对误差。
-加入一个脉冲后的转速值。
-误差。
由（2-10）式可知，ε随转速n增大而减小，因此，这种方法适合于高速测量，当转速越低，产生的误差会越大。
2.3.2“T法”测量误差分析
因m1的量化误差也是1个脉冲，故引起的转速变化也可以由下式给出：
（2-11）
其相对误差为：
（2-12）
所以由（2-12）式可知，ε随转速减小而减小。
因此，这种方法适合于低速测量，转速增高，误差增大。
2.3.3“M/T法”测量误差分析
由其测量原理可知。
输入计数脉冲和计数定时值在理论上是严格同步的，因此，在理论上，m1（定时器的计数值）不考虑误差，由于实际启动是由程序来控制的（系统应采取由输入计数脉冲来同步），故可能会产生一个脉冲的量化误差，因而，转速变化为：
其相对误差为：
（2-13）
由上式可知：
这种转速测量方法的相对误差与转速n无关，只与晶体振荡产生的脉冲有关，故可适合各种转速下的测量。
保证其测量精度的途径是增大定时时间T，或提高时基脉冲的频率fc。
因此，在实际操作时往往采用一种称变M/T的测量方法，即所谓变M/T法，在M/T法的基础上，让测量时间Tc始终等于转速输入脉冲信号的周期之和。
并根据第一次的所测转速及时调整预测时间Tc，兼顾高低转速时的测量精度。
第三章霍尔传感器测转速系统的单元电路介绍
3.1单片机的介绍
本设计采用STC89C51芯片，芯片采用40脚双列直插式封装，32个I/O口，芯片工作电压3.8～5.5V，工作温度0～70°C（商业级），工作频率可高达30MHz，芯片的外形和引脚见下图
（2）
图3-1STC89C51引脚图
STC89C51是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。
使用高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。
片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。
在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在线系统可编程Flash，使得STC89C51为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。
STC89C51具有以下标准功能：
8k字节Flash，256字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，2个数据指针，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。
另外，STC89C51可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。
空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。
掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。
8位微控制器8K字节在系统可编程Flash。
P0～P3口结构，第一功能、第二功能请参考数据手册（STC89C51数据手册下载地址）。
其基本结构框图如图3.1，包括：
·一个8位CPU；
·4KBROM；
·128字节RAM数据存储器；
·26个特殊功能寄存器SFR；
·4个8位并行I/O口，其中P0、P2为地址/数据线，可寻址64KBROM或64KBRAM；
·一个可编程全双工串行口；
·具有5个中断源，两个优先级，嵌套中断结构；
·两个16位定时器/计数器；
·一个片内震荡器及时钟电路；
STC89C51系列单片机中HMOS工艺制造的芯片采用双列直插（DIP）方式封装,有40个引脚。
STC89C51单片机40条引脚说明如下:
（1）电源引脚。
V正常运行和编程校验（8051/8751）时为5V电源,V为接地
（2）I/O总线。
P-P（P0口），P-P（P1口），P-P（P2口），P-P（P3口）为输入/输出引线。
（3）时钟。
XTAL1：
片内震荡器反相放大器的输入端。
XTAL2：
片内震荡器反相放器的输出端，也是内部时钟发生器的输入端。
（4）控制总线。
由P3口的第二功能状态和4根独立控制线RESET、EA、ALE、PSEN组成。
值得强调的是，P3口的每一条引脚均可独立定义为第一功能的输入输出或第二功能。
如表3.1所示。
P3口引脚及线号
引脚
第二功能
P3.0（10）
RXD
串行输入口
P3.1（11）
TXD
串行输出口
P3.2（12）
INT0
外部中断0
P3.3（13）
INT1
外部中断1
P3.4 （14）
T0
定时器0外部输入
P3.5（15）
T1
定时器1外部输入
P3.6（16）
WR
外部数据存储器写脉冲
P3.7（17）
RD
外部数据存储器读脉冲
表3.1P3口线的第二功能定义：
STC89C51单片机的片外总线结构：
①地址总线（AB）：
地址总线宽为16位，因此，其外部存储器直接寻址为64K字节，16位地址总线由P0口经地址锁存器提供8位地址（A0至A7）；P2口直接提供8位地址（A8至A15）。
②数据总线（DB）：
数据总线宽度为8位，由P0提供。
③控制总线（CB）：
由P3口的第二功能状态和4根独立控制线RESET、EA、ALE、PSEN组成。
3.2霍尔传感器选型
霍尔效应自1879年被美国物理学家爱德文·霍尔发现至今已有100多年的历史，但直到20世纪50年代，由于微电子学的发展，才被重视和开发，现在，已发展成一个品牌多样的传感器产品族，并得到广泛的应用。
霍尔传感器是对磁敏感的传感元件，由磁钢、霍耳元件等组成。
测量系统的转速传感器选用OH137的霍尔传感器。
3.3开关霍尔传感器的性能分析
OH137霍尔开关电路是为了适用客户低成本高性能要求开发生产的系列产品，其应用领域广泛，性能可靠稳定。
电路内部由反向电压保护器、电压调整器，霍尔电压发生器，差分放大器，史密特触发器和集电极开路输出级组成，能将变化的磁场讯号转换成数字电压输出。
产品特点：
产品一致性好、灵敏度可按照客户要求定制、电路可和各种逻辑电路直接接口
可实现功能：
无触点开关、位置检测、速度检测、流量检测
典型应用领域：
直流无刷电机、家用电器、缝纫设备、纺织机械、编码器、安全报警装置等自动化控制领域
极限参数：
（TA=25℃）
电源电压VCC···························4.5-24V
输出负载电流IO···················25mA
工作温度范围TA···············-40～85℃
贮存温度范围TS················-55～150℃
电特性：
TA=25℃
参数
符号
测试条件
量值
单位
最小
典型
最大
电源电压
VCC
4.5
-
24
V
输出低电平电压
VOL
Vcc=4.5V,RL=2KΩ，B≥BOP
-
200
400
mV
输出漏电流
IOH
Vout=Vccmax，B≤BRP
-
0.1
10
μA
电源电流
ICC
VCC=VccmaxOC开路
-
3
5
mA
输出上升时间
tr
Vcc=12V,RL=820Ω,CL=20pF
-
0.12
1.20
μS
输出下降时间
tf
Vcc=12V,RL=820Ω,CL=20pF
-
0.14
1.40
μS
磁特性：
（VCC=4.5～24V）1mT=10GS
参数
符号
量值
单位
最小
典型
最大
工作点
BOP
-
-
18
mT
释放点
BRP
2
-
-
mT
回差
BH
6
-
8
mT
表3.2产品性能分析
图3-2测试电路：
：
图3-3磁电转换特性
3.4系统显示电路介绍
3.4.174HC595的介绍
74HC595是硅结构的CMOS器件，兼容低电压TTL电路，遵守JEDEC标准。
74HC595是具有8位移位寄存器（如图2-8工作时序）和一个存储器，三态输出功能。
移位寄存器和存储器是分别的时钟。
数据在SCHcp的上升沿输入，在STcp的上升沿进入的存储寄存器中去。
如果两个时钟连在一起，则移位寄存器总是比存储寄存器早一个脉冲。
移位寄存器有一个串行移位输入（Ds），和一个串行输出（Q7’）,和一个异步的低电平复位，存储寄存器有一个并行8位的，具备三态的总线输出，当使能OE时（为低电平），存储寄存器的数据输出到总线。
8位串行输入/输出或者并行输出移位寄存器，具有高阻关断状态。
它的管脚分布和各管脚功能如图2-9所示。
图3-5管脚分布和管脚功能
图3-674HC595工作时序
3.4.2数码管介绍
数码管按发光二极管单元连接方式分为共阳极数码管和共阴极数码管。
共阳数码管是指将所有发光二极管的阳极接到一起形成公共阳极（COM）的数码管。
共阳数码管在应用时应将公共极COM接到+5V，当某一字段发光二极管的阴极为低电平时，相应字段就点亮。
当某一字段的阴极为高电平时，相应字段就不亮。
。
共阴数码管是指将所有发光二极管的阴极接到一起形成公共阴极（COM）的数码管。
共阴数码管在应用时应将公共极COM接到地线GND上，当某一字段发光二极管的阳极为高电平时，相应字段就点亮。
当某一字段的阳极为低电平时，相应字段就不亮。
原理如图2-10所示。
图3-7数码管
第四章电路的硬件设计
4.1设计的方框图
系统由传感器、信号预处理电路、处理器、显示器和系统软件等部分组成。
传感
器部分采用霍尔传感器，负责将电机的转速转化为脉冲信号。
信号预处理电路包含待测信号放大、波形变换、波形整形电路等部分，其中放大器实现对待测信号的放大,降低对待测信号的幅度要求，实现对小信号的测量；波形变换和波形整形电路实现把正负交变的信号波形变换成可被单片机接受的TTL/CMOS兼容信号。
处理器采用STC89C51单片机，显示器采用8位LED数码管动态显示。
系统原理框图如图2.1所示：
图4.1转速测量系统原理框图
系统软件主要包括测量初始化模块、信号频率测量模块、浮点数算术运算模块、浮点数到BCD码转换模块、显示模块、按键功能模块、定时器中断服务模块。
系统软件框图如图2.2所示。
图4.2系统软件框图
4.2程序流程图
4.2单元电路的设计
图4.3硬件电路
4.2.1单片机主控电路设计
系统选用STC89C51作为转速信号的处理核心。
STC89C51包含2个16位定时/计数器、4K×8位片内FLASH程序存储器、4个8位并行I/O口。
16位定时/计数器用于实现待测信号的频率测量。
8位并行口P0、P2用于把测量结果送到显示电路。
4K×8位片内FLASH程序存储器用于放置系统软件。
STC89C51与具有更大程序存储器的芯片管脚兼容,如:
89C52（8K×8位）或89C55（32K×8位）,为系统软件升级打下坚实的物质基础。
STC89C51最大的优点是：
可直接通过计算机串口线下载程序,而无需专用下载线和编程器。
STC89C51单片机是在一块芯片中集成了CPU、RAM、ROM、定时器/计数器和多功能I/O口等一台计算机所需要的基本功能部件。
其基本结构框图如图3.1，包括：
·一个8位CPU；
·4KBROM；
·128字节RAM数据存储器；
·21个特殊功能寄存器SFR；
·4个8位并行I/O口，其中P0、P2为地址/数据线，可寻址64KBROM或64KBRAM；
·一个可编程全双工串行口；
·具有5个中断源，两个优先级，嵌套中断结构；
·两个16位定时器/计数器；
·一个片内震荡器及时钟电路；
STC89C51系列单片机中HMOS工艺制造的芯片采用双列直插（DIP）方式封装,有40个引脚。
STC89C51单片机40条引脚说明如下:
（1）电源引脚。
V正常运行和编程校验（8051/8751）时为5V电源,V为接地端。
（2）I/O总线。
P-P（P0口），P-P（P1口），P-P（P2口），P-P（P3口）为输入/输出引线。
（3）时钟。
XTAL1：
片内震荡器反相放大器的输入端。
XTAL2：
片内震荡器反相放器的输出端，也是内部时钟发生器的输入端。
（4）控制总线。
由P3口的第二功能状态和4根独立控制线RESET、EA、ALE、PSEN组成。
值得强调的是，P3口的每一条引脚均可独立定义为第一功能的输入输出或第二功能。
如表3.1所示。
STC89C51单片机的片外总线结构：
①地址总线（AB）：
地址总线宽为16位，因此，其外部存储器直接寻址为64K字节，16位地址总线由P0口经地址锁存器提供8位地址（
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