基于磁敏电阻传感器测电机转速的毕业设计.docx
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基于磁敏电阻传感器测电机转速的毕业设计
摘要
在生产活动中离不开电机,电机转速的大小阻碍生产活动的进行。
那么,关于电机转速的测量即是关键。
本设计是基于12C5A60S2单片机设计的基于单片机操纵的电机转速的测量系统。
该系统采纳磁敏电阻传感器检测转速,通过单桥电路将检测到的磁信号转变成电信号即电压信号。
再利用LM339芯片对检测到的电压信号进行整形,转换为数字信号,再利用单片机的外部中断对数字信号进行计数,其实质是检测下降沿。
另一方面,利用向单片机发送PWM波对电机进行调速。
显示方面,利用1602液晶屏进行转速显示。
该系统拟采纳C语言编程,实现对单片机的操纵。
关键字:
12C5A60S2单片机磁敏电阻传感器LM339芯片PWM波1602液晶屏
Abstract
Inproductionactivitieswithoutmotor,motorspeedaffectsthesizeoftheproductionactivities.So,formeasuringtherotationalspeedofmotoristhekey.Thisdesignisbasedonthe12c5a60s2microcontrollerdesignbasedonsinglechipmicrocomputercontrolmotorspeedmeasurementsystem.Thissystemadoptsmagneticresistorsensordetectionspeed,throughsinglebridgecircuittodetectthemagneticsignalintoelectricalsignalvoltagesignal.ReuseLM339plasticchiptodetectthevoltagesignal,convertedtodigitalsignal,usingMCUexternalinterruptcounttodigitalsignal,theessenceofwhichisfallingedgedetection.Ontheotherhand,theuseofsendMCUPWMwave'sspeedonthemotor.Showrespect,weuse1602LCDscreenforrotationalspeed.ThesystemusingClanguageprogramming,realizethesinglechipmicrocomputercontrol.
Keywords:
12c5a60s2microcontrollerLM339magneticresistorsensorchipPWMwave1602LCDscreen
1绪论……………………………………………………………………………………1
课题研究的目的和意义………………………………………………………………1
转速在国内外的研究…………………………………………………………………1
要紧研究内容…………………………………………………………………………2
2电机转速测量方式……………………………………………………………………2
1绪论
课题研究的目的和意义
转速是工程应用中超级普遍的一个参数,其测量方式较多,传统的测速方式一样以测速发电机为要紧检测元件,取得的是模拟量,这种测量技术已不适应于现代科技进展的要求,在测量范围和测量精度上,已不能知足大多数系统的利用。
随着大规模及超大规模集成电路技术的进展,数字系统测量取得普遍应用。
由于单片机在测量转速方面具有体积小、性能强、本钱低的特点,愈来愈受到企业用户的青睐,单片机对脉冲数字信号的壮大处置能力,使得全数字化愈来愈普及,其转速测量系统也能够用全数字化处置,在在测量范围和测量精度方面都有极大的提高。
以单片机为核心,设计的数字化转速测速系统,使系统能达到更高的性能,具有较强的应用价值。
它的研究结果能够用于咱们的实际生活中,一方面能够应用于工业操纵中的某一部份,如数控车床的电机转速检测和操纵、睡泵流量操纵和需要利用转速检测来进行操纵的许多场合,如车辆的里程表、车速表等。
另一方面由于该转速测量系统采纳全数字结构,因此能够很方便的实行远程治理和操纵,进一步提高现代化水平。
总之,转速测量系统的研究是一件超级成心义的课题。
本课题研究的是电机转速测量系统,对了解电机工作状态,提高电机工作效率有专门大帮忙,该课题主若是对电机转速测量系统进行硬件和软件的设计,同时从实际硬件电路动身,分析电路的工作原理,依照设计的具体情形提出修改方案和解决方法。
转速测量在国内外的研究
目前国内外测量电机转速的方式很多,依照不同的理论方式,前后产生过模拟测速法、同步测速法和计数测速法。
计数测速法又可分为机械式按时计数法和电子式按时计数法。
传统的电机转速检测多采纳测速发电机或光电数字脉冲变编码器,也有采纳电磁式、电容式、磁阻式等。
还有一些特殊的测速器是利用置于旋转体内的放射性磁性材料来发出脉冲信号。
其中应用最广的是光电式,光电式测速系统具有低惯性、低噪声、高分辨率和高精度的优势。
加上激光光源、光栅、光学码盘、CCD器件、光导纤维等的利用接踵显现和成功应用,使得光电传感器在检测和操纵领域取得了普遍的应用。
而利用半导体材料制作的新型转速传感器即磁敏转速传感器又具有光电传感器一系列优势。
核心部件是采纳磁敏电阻作为检测的元件,再通过全新的信号处置电路令噪声降低,功能更完善。
通过与其它类型齿轮转速传感器的输出波形对照,所测到转速的误差极小,线性特性具有专门好的一致性。
它的感应付象为磁性材料或导磁材料,如磁钢、铁和电工钢等。
当被测体上带有凸起(或凹陷)的磁性或导磁材料,随着被测物体转动时,传感器输出与旋转频率相关的脉冲信号,达到测速或位移检测的发讯目的。
利用磁敏电阻传感器测电机转速具有高灵敏度、高靠得住性、触发距离远、信号触发为铁(软)磁材料。
可实现远距离输送、抗电磁干扰能力强、具有良好的抗冲击性和抗震性。
要紧研究内容
a.该系统要实现的功能有:
1)液晶显示器实时显示所测得的转速值;
2)键盘对设定的高低速值进行相关设置;
b.为了实现系统功能,要紧研究了一下内容:
1)分析转速测量经常使用的两种方式;
2)依照电机转速测量系统的要求选择适合的传感器;
3)系统中各个模块的论证和选择,整体方案的设计。
4)系统中各硬件模块设计和软件设计;
5)系统调试。
2电机转速测量经常使用方式
电机转速测量的要紧方式有测周期法(“T”法)和测频法(“M”)。
测频法(“M”)
在必然测量时刻T内,测量脉冲发生器(替代输入脉冲)产生的脉冲数m1来测量转速,如图2-1所示,设在时刻T内,转轴转过的弧度数为X,那么转速n由式(2-1)计算取得。
式(2-1)
转轴转过的弧度数X的计算见式(2-2)。
式(2-2)
图2-1“M”法测脉冲宽度
将式(2-2)代入式(2-1),那么转速n的表达式见式(2-3)。
式(2-3)
式中n——表示转速单位:
(转/分);
T——表示定不时刻单位:
(秒);
m1——表式产生的脉冲个数。
在该方式中,由于定不时刻T和脉冲不能保证严格同步,和在T内可否正好测量外部脉冲的完整的周期不确信,因此可能产生1个脉冲的量化误差。
因此,为了提高测量精度,T要有足够长的时刻。
定不时刻可依照测量对象预先设置。
设置的时刻太长,能够提高精度,而设置的时刻太短,测量精度会受到必然的阻碍。
而且在规定的检测时刻内对脉冲个数计数,尽管检测时刻必然,但检测的旗帜时刻具有随机性,当被测转速较高时,才有较高的测量精度,而且测量准确度随转速的减小而降低,该方式适合于高速测量。
测周期法(“T”法)
转速能够用两脉冲产生的距离宽度Tp来决定。
如图2-2所示。
Tpt通过按时器测得。
按时器对时钟脉冲(fc频率)进行计数按时,在Tp内计数值假设为m2,那么计算公式见式(2-4)。
式(2-4)
即n=
式(2-5)
式中P——表示为转轴转一周脉冲发生器产生的脉冲数;
fc—————表示硬件产生的基准时钟脉冲频率;单位(Hz);
n———表示转速单位:
(转/分);
m2———表示时基脉冲。
图2-2“T”法测脉冲宽度
由“T”法可知,该法测量精度的误差要紧有两个方面,一是由两脉冲的上升沿触发机会不一致而产生的;二是由计数和按时起始不一致而产生的。
因此要求脉冲的上升沿(或下降沿)峻峭和计数和按时严格同步。
该方式在被测转速较低(相邻两个转速脉冲信号时刻距离较大)时,才有较高的测量精度,其测量准确度随着转速的增大而降低,适于低速测量。
本设计系统中采纳的方式
通过度析可知,M法适合于高速测量,当转速较低,产生的误差会越大。
T法适合于低速测量,转速增高,误差增大。
由于本系统中所测的电机转速较高,且基于M法的测量,其电路和程序较为简单,因此本设计中采纳M法进行测量。
3系统整体方案设计
各模块方案论证与选择
传感器论证与选择
方案一:
光电传感器
光电传感器是应用超级普遍的一种器件,有各类各样的形式,如透射式、反射式等,光电转速传感器是依照光敏二极管工作原理制造的一种感应接收强度转变的电子器件,当它发出的光被目标反射或阻断时,那么接收器感应出相应的电信号。
它包括调制光源,由光敏元件等组成的光学系统、放大器、开关或模拟量输出装置。
光电式传感器由独立且相对放置的光发射器和收光器组成。
以透射式为例,如图3-1所示,当不透光的物体挡住发射与接收之间的间隙时,开关管关断,不然打开。
为此能够制作一个遮光叶片如图3-2所示,安装在转轴上,当扇叶通过时,产生脉冲信号。
当叶片数较多时,旋转一周能够取得多个脉冲信号。
图3-2遮光叶片
方案二:
光电编码器
光电编码器的工作原理与光电传感器的一样,只是它将光电传感器、电子电路、码盘等做成一个整体,只要用联轴器将光电传感器的轴与转轴相连,就能够取得多种输出信号。
它普遍应用于数控机床、回转台、伺服传动、机械人、雷达、军事目标测定等需要检测角度的装置和设备中。
讲旋转编码器安装在电机轴上,如此每当电机转过一圈编码器就会发出一个脉冲,利用脉冲数对转速进行测量。
如图3-3所示,是某光电编码器的外形。
图3-3光电编码器成品
方案三:
霍尔传感器
霍尔传感器是磁灵敏的传感元件,经常使用于开关信号搜集的有CS3020、CS3040、A04E、A44E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,输出一般是集电极开路(OC)们输出,工作电压范围宽,利用超级方便。
利用霍尔传感器取得脉冲信号,其机械结构也能够做的较为简单,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,转轴选择时,就会不断地产生脉冲信号。
若是在圆周上粘上多粒磁钢,就能够够实现旋转一周取得多个脉冲输出,单片机依照脉冲数来计算转速值。
霍尔元件和磁钢如图3-4所示。
在粘磁钢时要注意,霍尔传感器对磁场方向灵敏粘之前能够先手动接近一下传感器,若是没有信号输出,能够换一个方向再试。
方案四:
磁敏电阻传感器
磁阻传感器具有很高的磁场检测灵敏度,能够测量微弱的磁场。
它的感应付象为磁性材料或导磁材料,如磁钢、铁和电工钢等。
当被测体上带有凸起(或凹陷)的磁性或导磁材料,随着被测物体转动时,传感器输出与旋转频率相关的脉冲信号,达到测速或位移检测的发讯目的。
利用磁敏电阻传感器测电机转速具有高灵敏度、高靠得住性、触发距离远、信号触发为铁(软)磁材料。
可实现远距离输送、抗电磁干扰能力强、具有良好的抗冲击性和抗震性。
由于光电传感器受环境阻碍较大,且光电编码器安装不方便,由于软连接的缘故,很容易松动,靠得住性差,而霍尔传感器在信号采样时,会显现采样不精准,因为它是靠磁性感应才搜集脉冲的,利历时刻长了会显现磁性变小,阻碍脉冲的采样精度。
而磁敏转速传感器由磁敏电阻作感应元件,是一种新型的转速传感器。
核心部件是采纳磁敏电阻作为检测的元件,再通过全新的信号处置电路令噪声降低,功能更完善。
通过与其它类型齿转速传感器的输出波形对照,所测到转速的误差极小和线性特性具有专门好的一致性。
它的感应付象为磁性材料或导磁材料,如磁钢、铁和电工钢等。
当被测体上带有凸起(或凹陷)的磁性或导磁材料,随着被测物体转动时,传感器输出与旋转频率相关的脉冲信号,达到测速或位移检测的发讯目的。
由于磁敏电阻转速传感器灵敏度高 、高靠得住性、寿命长、触发距离远 ;信号触发为铁(软)磁材料,可实现远距离输送、抗电磁干扰能力强、良好的抗冲击性和抗震性。
与四端口的霍尔传感器相较,磁敏电阻传感器是二端型元件,利用加倍方便。
因此本设计采纳方案四,利用磁敏电阻传感器搜集脉冲信号。
单片机模块论证与选择
方案一:
采纳型号为STC89C52作为主控器,利用磁敏电阻传感器进行测量的直流电机转速测量系统。
STC89C52是一种低功耗、高性能CMOS8位单片机,片内集成了8kb可重复编程的FLASH程序存储器。
256字节的数据存储空间,具有TSP功能,可直接通过串口下载用户程序,方便调试程序,带有2KB的EEPROM存储空间,与MC-51完全兼容。
方案二:
STC12C5A60S2/AD/PWM系列单片机是STC生产的单时钟/机械周期(IT)的单片机,是高速/低功耗/超强抗干扰的新一代8051单片机,指令代码完全兼容传统8051,但速度快8-12倍。
内部集成MAX810专用复位电路,2路PWM,8路高速10位A/D转换(25万次/秒),针对电机操纵,强干扰场合。
两种单片机相较之下,采纳STC12C5A60S2/AD/PWM系列单片机更能知足利用要求,减少芯片的利用数量,使得硬件电路更为简练,具有更强的操作性。
显示模块论证与选择
方案一:
采纳LED数码管动态扫描,LED数码管价钱适中,亮度高,显示数字适合,可是连接复杂,耗电流大,驱动电路复杂。
方案二:
采纳点阵式数码管显示,点阵式数码管事由八行八列的发光二极管组成,关于显示简单文字比较适合,若是显示数字那么浪费资源,而且价钱也相对较高。
方案三:
采纳LCD液晶显示屏,液晶显示屏的显示功能壮大,可显示大量文字、图形,显示多样,清楚可见,而且连接方便,因此在此设计中采纳了LCD1602液晶显示屏。
因此选择方案三。
整体设计方案
本系统的硬件要紧由电机、磁敏电阻传感器、信号调理电路,和STC12C5A60S2单片机,LCD1602液晶显示器,矩阵键盘组成。
电机测速原理是在非磁性材料的圆盘上粘贴
12块磁钢,磁敏电阻传感器固定在圆盘外缘,当电机转动时,磁钢通过磁敏电阻传感器正前方,改变了磁感应强度,电机每转动一圈,磁敏电阻传感器便输出12个脉冲,随着转盘的不断转动,就不断产生脉冲信号,经信号处置电路后送人单片机处置,转化为数字脉冲,脉冲信号的频率与转动速度成正比,依照单位时刻距离内的脉冲数,就可取得被测电机转速。
系统原理框图见图3-5。
图转速测量系统流程模块图
4硬件电路设计
单片机最小系统设计
单片机的最小系统是指一个真正可用的最小配置系统,由时钟电路、复位电路和电源电路组成。
STC12C5A60S2系列单片机的内部结构框图如以下图所示。
STC12C5A60S2单片机中包括中央处置器(CPU)、程序存储器(Flash)、数据存储器(SRAM)、按时/计数器、UART串口、串口二、I/O接口、高速A/D转换、SPI接口、PCA、看门狗及片内R/C振荡器和外部晶体振荡电路等模块。
STC12C5A60S2系列单片机几乎包括了数据搜集和操纵中所需的所有单元模块,可称得上一个片上系统。
图3-6STC12C5A60S2系列单片机最小应用系统
关于复位电路:
时钟频率低于12MHz时,能够不用C1,R1接1K电阻到地
时钟频率高于12MHz时,建议利用第二复位功能角
(STC12C5A60S2系列在RST2/EX_LVD/口
STC12C5201AD系列在RST2/EX_LVD/口)
关于晶振电路:
若是外部时钟频率在33MHz以上时,建议直接利用外部有源晶振。
若是利用内部R/C振荡器时钟(室温情形下5V单片机为:
MHz~7MHz,3V单片机为8MHz~2MHz),XTAL和XTAL2脚浮空��若是外部时钟频率在27MHz以上时,利用标称频率确实是大体频率的晶体,不要利用三泛音的晶体,不然如参数搭配不妥,就有可能振在基频,现在实际频率就只有标称频率的1/3了,或直接利用外部有源晶振,时钟XTAL1脚输入,XTAL2脚必需浮空。
那时钟频率高于时钟频率高于高于12MHz时,建议利用第二复位功能脚,能够不用,建议利用第二复位功能脚,能够不用C1,R1接1K电阻到地,现在的最小应用系统如下所示。
图3-7STC12C5A60S2系列单片机最小应用系统
磁敏电阻传感器测量电路设计
磁敏电阻传感器原理
磁敏电阻传感器是利用磁阻效应制成的一种磁敏电阻传感器。
它是今年来为适应信息搜集的需要而迅速进展起来的一种新型传感器,这种传感器具有以下特性:
1)原始信号强,后序处置电路简单;
2)永磁体与MR元件非接触,无触点;
3)电性能寿命无穷;
4)纯电阻元件,响应速度0到10-9s,反映迅速准确;
5)灵敏度高,输出信号大,易于搜集处置;
6)分辨率高;
7)结构简单,轻巧;
8)无磨损、无接触电噪声,可适用于水、油、汽、粉尘、侵蚀性气体、振动、冲击等多种恶劣环境下。
锑化锢磁阻转速传感器由一对电阻值相当的锑化锢磁敏电阻(MRI、MRZ)组成的磁灵敏元件和相应的信号处置电路组成。
锑化锢磁灵敏元件由引脚(一、二、3)、一对阻值大致相等的锑化锢磁阻电阻MRI和MRZ、永磁体、绝缘基片、起屏蔽和爱惜作用的金属外壳组成,并由环氧树脂灌封,如图3-8所示。
其工作电压一样为SVDC。
图3-8锑化铟磁灵敏元件示用意
图3-9为它的工作原理图。
其中,图(a)为磁灵敏元件上表面周围没有铁磁性物体时期内部永磁体的磁场示用意,它使得MR1和MR2处在一样的磁场环境中;图(b)为铁磁性物体通过MR1时的示用意,铁磁性物体上的箭头方向标明它的运动方向。
从该示用意可见,现在永磁体的磁场散布发生了明显的转变:
通过MR1的磁力线明显增多而通过MR2的磁力线明显减少,现在MR1的电阻值增大而MR2的电阻值减小;图(c)为铁磁性物体通过MR2时的示用意,铁磁性物体上的箭头方向也标明它的运动方向。
从该示用意可见,现在永磁体的磁场散布转变情形恰好与铁磁性物体通过MR1时的情形相反:
通过MR2的磁力线明显增多而通过MR1的磁力线明显减少,现在MR2的电阻值增大而MR1的电阻值减小;图(d)为齿轮在磁灵敏元件上表面周围转动时的示用意。
当磁性元件近MR2时,对应图(b)情形,那么MR1的电阻值增大,由欧姆定律可知:
Va处的电压降低;当齿轮齿部接近MR2时,对应图(c)情形,那么MR2的电阻值增大,由欧姆定律可知:
Va处的电压升高。
如此,持续的转动就使得Va处的电压以15V为中心发生周期性的降低和升高,即相当于Va处有的交流小信号输出。
图(a)无铁磁性物体时示用意图(b)铁磁性物体通过MR1时示用意
图(c)铁磁性物体通过MR2时的示用意图(d)转动示用意
图3-10为某一转速时Va处的输出波形。
横轴代表时刻,一小格为;纵轴代表电压,一小格为2mV。
图中T处的毛刺状波是磁阻感元件的噪声。
可见它具有明显的周期性,周期的大小反映了电机转动时转速的快慢。
波形的下尖峰对应磁性元件间隙部份接近MR1时的输出电压,上尖峰对应磁性元件接近MR2时的输出电压。
图3-10某一转速时Va处的输出波形