非接触式电机转速测量系统的设计.docx

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非接触式电机转速测量系统的设计

毕业设计说明书

非接触式电机转速测量系统的设计

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2012年6月

非接触式电机转速测量系统的设计

摘要：

由于直流有刷电机定子转子间的摩擦驱动，电机转速稳定性一直不高。

因此，电机转速稳定性的监控对电机性能分析意义重大，并且电机伺服控制也要求对电机转速进行准确测量。

论文介绍了霍尔传感器测速的基本原理，设计了基于单片机AT89S52的直流电机转速测量系统，完成了电机转速测量系统的硬件电路设计和软件流程设计，重点进行了霍尔传感器测量电路的设计与显示电路的设计，通过四位LED数码管直观地显示电机转速。

关键词：

非接触式测量；单片机；AT89S52；霍尔传感器；LED数码管显示器

Designofnon-contactmeasuringsysteminmotorspeed

Abstract：

Becauseofthefrictionbetweendcmotorstatorandrotor,thestabilityofthemotorspeedislow.Therefore,thecontrolofthemotor’sstabilityplaysanimportantroleinmotorperformanceanalysis.Thecontrolofservomotorrequirestheaccuratemeasurementonthemotorspeed.

Thispaperintroducesthebasicprincipleofhallspeedsensor,designingthedcmotorspeedmeasuringsystembasedonmonolithicintegratedcircuitAT89S52,completingthemotorspeedmeasurementsystemdesignofhardwarecircuitandthesoftwareprocessdesign.Weputtheemphasisonthedesignofhallsensorsmeasuringcircuitandthedesignofdisplaycircuit.AndweusethefourLEDdigitaltubeanddirect-viewingshowingthemotorspeed.

KeyWords:

Non-contactmeasurement;Single-chipmicrocomputer;AT89S52;Hallsensors;LEDdigitaldisplay

1引言

1.1研究背景及意义

在某些工业自动控制领域、某些装备应用上,经常会遇到各种需要测量电机转速的场合.由于伺服驱动系统不断朝着数字化智能化方向发展，因此转速的控制成为在工业测控系统实现的关键环节。

而如何测量电机的转速以实现对转速的高精度控制成为电机应用的一个突出问题之一。

传统的电机转速测量方法是采用直流测速机,其原理是由被测电机拖动测速发电机,再对测速发电机产生的电压进行测量,在将电压换算成转速.采用测速发电机测速主要缺点如下:

首先,测速发电机作为被测电机的负载,必然对转速产生影响,在一定情况下影响测量精度;其次,测速发电机电压作为模拟量,无法直接与数字控制系统连接,必须经过A/D转换,增加系统控制的复杂程度;最后,由于制造工艺的限制,测速发电机的性能很难有大的提高,在某些场合测速发电机甚至影响整个系统的性能.目前常用的转速测量方法有测速发电机测速法和光电码盘测速法等。

他们各有优点和缺点，直流测速发电机是应用范围较广的测速元件，它的主要优点是灵敏度、高线性误差小，但由于它具有电刷和换向接触装置，因而可靠性较差，应用范围有限;普通光电编码器虽然精度较高，但体积大，成本高[1-2]。

随着计算机在社会领域的渗透，在电子技术飞速发展的今天，单片机的应用正在不断地走向深入。

针对这种情况,本文设计以单片机为核心的电机转速测量系统,，相对于直流测速机更具有测量精度高、体积小、性价比高等优点。

单片机技术在自动控制领域有着十分广泛的应用，如汽车、航空、电话、传真、视频等。

很多行业涉及到自动控制的情况下涉及到单片机技术。

电子产品的人性化和智能化已经非常成熟，单片机就是一个微型中央处理器，通过编程即能完成很多智能化的工作，因此它的出现给电子技术智能化和微型化起到了很大的推动作用。

随着人们生活水平的提高，社会经济的发展，人们开始注重身体素质的提高。

臂如在火车、汽车、工厂许多地方都用到电机的驱动，当然也要精确的知道它的转速，本设计就是测试电机的转速[3-5]。

意义在于巩固和加深在《电机与拖动》和《单片机原理及接口技术》中所学到的基本理论知识和基本技能，本次设计在理论学习的基础上，通过完成一个涉及单片机的资源应用并具有综合功能的小系统目标板的设计与编程应用，使理论知识与实际应用结合起来。

基本掌握常用电子电路的一般设计方法，提高和培养在电子电路方面的设计和实验能力，而且能够对电子电路、电子元器件等方面的知识进一步加深认识，同时在软件编程、排版调试、相关仪器设备的使用技能等方面得到较全面的锻炼和提高，学会运用理论来分析和解决实际问题，提高实际工作的能力,为今后能够独立进行某些单片机应用系统的开发设计工作打下一定的基础。

转速系统是工业和农业以及日常生活中不可缺少的一个系统。

转速检测的快速性和精度将直接影响系统的效果和动静态性能，如何提高测量精度，如何减轻工作人员的工作负担，如何采取有效措施减少经济损失，如何保障工农业顺利进行等问题迫在眉睫。

因此，电机测速系统的研究与实现就具有了十分重要的意义[6-7]！

1.2国内外研究现状

目前国内外测量电机转速的方法很多，按照不同的理论方法，先后产生过模拟测速法（离心式转速表）、同步测速法（机械式或闪光式频闪测速仪）以及计数测速法。

计数测速法又可分为机械式定时计数法和电子式定时计数法。

由于光电测量方法灵活多样，可测参数众多，一般情况下又具有非接触、高精度、高分辨率、高可靠性和反应快等优点，加之激光光源、光栅、光学码盘、CCD器件、光导纤维等的相继出现和成功应用，使得光电传感器在检测和控制领域得到了广泛的应用。

而采用光电编码器的电机转速测量系统测量准确度高、采样速度快、测量范围宽和测量精度高等优点，具有广阔的应用前景。

以前人们经常习惯于用单片机、PLC来开发电机转速测速系统。

随着科学技术的不断提高，FPGA日益成熟，其强大的功能已被人们深刻认识。

使用FPGA来开发电机转速测速系统具有无法比拟的优点。

再加上光电编码器发展如此迅速，十分具有诱惑力。

现在国内外大多采用光电编码器作为载体，以FPGA为核心进行设计开发。

针对目前出现的测速系统进行改善和提高。

2系统工作原理与总体设计

2.1测量系统工作原理

测量电机转速主要包括三个过程：

信号转换、采集过程；信号运算处理、分析过程；速度显示。

（1）信号转换、采集过程主要是将电机的转速信号转换成单片机可以处理的信号。

首先将电机的转速信号通过传感器转换成对应频率的脉冲信号，并将脉冲信号送入单片机进行采集。

（2）信号运算处理、分析过程主要是把送入单片机系统的经过转换的信号通过软件和算法进行运算处理和分析，得出电机的转速。

（3）单片机将处理好后的数据在显示器上显示出来[8-10]。

2.2非接触式测量的基本原理

实际测量中，由于受到环境、温度等检测条件的限制，考虑用非接触式测量系统测量转速。

根据其所用的传感器的类型不同，其原理也有所不同。

有：

光电传感器、霍尔传感器、磁电感应传感器、压电加速度传感器等等。

举例：

比如基于霍尔传感器的转速测量仪是将霍尔元传感器和转轴同轴连接，转轴每转一周，产生一定量的脉冲个数由霍尔传感器电路输出。

经过整形电路后，成为转速计数器的计数脉冲。

经过信号处理后输出到计数器或其他的脉冲计数装置，进行转速测量[11-12]。

2.3霍尔效应

霍尔效应是磁电效应的一种，这一现象是美国物理学家霍尔（A.H.Hall，1855—1938）于1879年在研究金属的导电机构时发现的。

当电流垂直于外磁场通过导体时，在导体的垂直于磁场和电流方向的两个端面之间会出现电势差，这一现象便是霍尔效应。

这个电势差也被叫做霍尔电势差。

它定义了磁场和感应电压之间的关系，这种效应和传统的感应效果完全不同。

当电流通过一个位于磁场中的导体的时候，磁场会对导体中的电子产生一个垂直于电子运动方向上的作用力，从而在导体的两端产生电压差。

虽然这个效应多年前就已经被大家知道并理解，但基于霍尔效应的传感器在材料工艺获得重大进展前并不实用，直到出现了高强度的恒定磁体和工作于小电压输出的信号调节电路。

根据设计和配置的不同，霍尔效应传感器可以作为开/关传感器或者线性传感器。

图2.1霍尔效应

霍尔效应在应用技术中特别重要。

根据霍尔效应做成的霍尔器件，就是以磁场为工作媒体，将物体的运动参量转变为数字电压的形式输出，使之具备传感和开关的功能。

迄今为止，已在现代汽车上广泛应用的霍尔器件有：

在分电器上作信号传感器、ABS系统中的速度传感器、汽车速度表和里程表、液体物理量检测器、各种用电负载的电流检测及工作状态诊断、发动机转速及曲轴角度传感器、各种开关，等等。

例如汽车点火系统，设计者将霍尔传感器放在分电器内取代机械断电器，用作点火脉冲发生器。

这种霍尔式点火脉冲发生器随着转速变化的磁场在带电的半导体层内产生脉冲电压，控制电控单元（ECU）的初级电流。

相对于机械断电器而言，霍尔式点火脉冲发生器无磨损免维护，能够适应恶劣的工作环境，还能精确地控制点火正时，能够较大幅度提高发动机的性能，具有明显的优势。

用作汽车开关电路上的功率霍尔电路，具有抑制电磁干扰的作用。

许多人都知道，轿车的自动化程度越高，微电子电路越多，就越怕电磁干扰。

而在汽车上有许多灯具和电器件，尤其是功率较大的前照灯、空调电机和雨刮器电机在开关时会产生浪涌电流，使机械式开关触点产生电弧，产生较大的电磁干扰信号。

采用功率霍尔开关电路可以减小这些现象。

霍尔器件通过检测磁场变化，转变为电信号输出，可用于监视和测量汽车各部件运行参数的变化。

例如位置、位移、角度、角速度、转速等等，并可将这些变量进行二次变换；可测量压力、质量、液位、流速、流量等。

霍尔器件输出量直接与电控单元接口，可实现自动检测。

目前的霍尔器件都可承受一定的振动，可在零下40摄氏度到零上150摄氏度范围内工作，全部密封不受水油污染，完全能够适应汽车的恶劣工作环境。

霍尔效应是磁电效应的一种，这一现象是霍尔于1879年在研究金属的导电机构时发现的。

后来发现半导体、导电流体等也有这种效应，而半导体的霍尔效应比金属强得多，利用这现象制成的各种霍尔元件，广泛地应用于工业自动化技术、检测技术及信息处理等方面。

霍尔效应是研究半导体材料性能的基本方法。

通过霍尔效应实验测定的霍尔系数，能够判断半导体材料的导电类型、载流子浓度及载流子迁移率等重要参数。

2.4系统总体设计

使用单片机作为本体测量电机转速的基本结构如图2.2所示。

该系统包括霍尔传感器、隔离整形电路、主CPU、显示电路、时钟电路、电源及复位电路等部分。

图2.2总电路设计图

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，电机轴每转一周，产生一定量的脉冲个数，由霍尔器件电路输出,经过整形电路后，成为转数计数器的计数脉冲。

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。

单片机将该值数据处理后，在LED液晶显示器上显示出来[19]。

3硬件电路设计

3.1单片机的选取：

AT89S52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Atmel公司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和在系统可编程Flash，使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、有效的解决方案。

所以我选取AT89S52单片机作为非接触式电机转速测量系统的主要控制器[13]。

AT89S52单片机说明，其主要性能：

（1）与MCS-51单片机产品兼容;

（2）8K字节在系统可编程Flash存储器;

（3）1000次擦写周期;

（4）全静态操作：

0Hz～33Hz;

（5）三级加密程序存储器;

（6）32个可编程I/O口线;

（7）三个16位定时器/计数器;

（8）八个中断源;

（9）全双工UART串行通道;

（10）低功耗空闲和掉电模式;

（11）掉电后中断可唤醒;

（12）看门狗定时器;

（13）双数据指针;

（14）掉电标识符;

AT89S52功能特性描述：

AT89S52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，AT89S52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[15]。

AT89S52引脚结构：

图3.1AT89S52引脚示意图

AT89S52一共有40个引脚，其功能分别为：

VCC:

接电源

GND:

接地

P0口：

P0口是一个8位漏极开路的双向I/O口。

作为输出口，每位能驱动8个TTL逻辑电平。

对P0端口写“1”时，引脚用作高阻抗输入。

当访问外部程序和数据存储器时，P0口也被作为低8位地址/数据复用。

在这种模式下，P0具有内部上拉电阻。

在flash编程时，P0口也用来接收指令字节；在程序校验时，输出指令字节。

程序校验时，需要外部上拉电阻。

P1口：

P1口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，p1输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。

对P1端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。

作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。

此外，P1.0和P1.2分别作定时器/计数器2的外部计数输入（P1.0/T2）和时器/计数器2的触发输入（P1.1/T2EX），具体如下表所示。

在flash编程和校验时，P1口接收低8位地址字节。

P1口部分引脚功能如表3.1所示：

表3.1P1引脚功能

P1引脚号

第二功能

P1.0

T2（定时器/计数器T2的外部计数输入），时钟输出

P1.1

T2EX（定时器/计数器T2的捕捉/重载触发信号和方向控制）

P1.5

MOSI（在系统编程用）

P1.6

MISO（在系统编程用）

P1.7

SCK（在系统编程用）

P2口：

P2口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。

对P2端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。

作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。

在访问外部程序存储器或用16位地址读取外部数据存储器（例如执行MOVX@DPTR）时，P2口送出高八位地址。

在这种应用中，P2口使用很强的内部上拉发送1。

在使用8位地址（如MOVX@RI）访问外部数据存储器时，P2口输出P2锁存器的内容。

在flash编程和校验时，P2口也接收高8位地址字节和一些控制信号。

P3口：

P3口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，p2输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。

对P3端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。

作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。

P3口亦作为AT89S52特殊功能（第二功能）使用，如下表所示。

在flash编程和校验时，P3口也接收一些控制信号。

P3口部分引脚功能如表3.2所示：

表3.2P3口引脚功能

P3口引脚号

第二功能

P3.0

RXD（串行输入）

P3.1

TXD（串行输出）

P3.2

INT0（外部中断0）

P3.3

INT0（外部中断0）

P3.4

T0（定时器0外部输入）

P3.5

T1（定时器1外部输入）

P3.6

WR（外部数据存储器写选通）

P3.7

RD（外部数据存储器写选通）

RST:

复位输入。

晶振工作时，RST脚持续2个机器周期高电平将使单片机复位。

看门狗计时完成后，RST脚输出96个晶振周期的高电平。

特殊寄存器AUXR（地址8EH）上的DISRTO位可以使此功能无效。

DISRTO默认状态下，复位高电平有效。

ALE/PROG：

地址锁存控制信号（ALE）是访问外部程序存储器时，锁存低8位地址的输出脉冲。

在flash编程时，此引脚（PROG）也用作编程输入脉冲。

在一般情况下，ALE以晶振六分之一的固定频率输出脉冲，可用来作为外部定时器或时钟使用。

然而，特别强调，在每次访问外部数据存储器时，ALE脉冲将会跳过。

如果需要，通过将地址为8EH的SFR的第0位置“1”，ALE操作将无效。

这一位置“1”，

ALE仅在执行MOVX或MOVC指令时有效。

否则，ALE将被微弱拉高。

这个ALE使能标志位（地址为8EH的SFR的第0位）的设置对微控制器处于外部执行模式下无效。

PSEN:

外部程序存储器选通信号（PSEN）是外部程序存储器选通信号。

当AT89S52从外部程序存储器执行外部代码时，PSEN在每个机器周期被激活两次，而在访问外部数据存储器时，PSEN将不被激活。

EA/VPP:

访问外部程序存储器控制信号。

为使能从0000H到FFFFH的外部程序存储器读取指令，EA必须接GND。

为了执行内部程序指令，EA应该接VCC。

在flash编程期间，EA也接收12伏VPP电压。

XTAL1:

振荡器反相放大器和内部时钟发生电路的输入端。

XTAL2:

振荡器反相放大器的输出端[15]。

3.2传感器部分

测量电机转速的第一步就是要将电机的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。

霍尔传感器作为一种转速测量系统的传感器，它有结构牢固、体积小、重量轻、寿命长、安装方便等优点，因此选用霍尔传感器检测脉冲信号，其基本的测量原理如图3.2所示，当电机转动时，带动传感器运动，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。

图3.2霍尔传感器件测量原理图

霍尔传感器具有许多优点，它们的结构牢固，体积小，重量轻，寿命长，安装方便，功耗小，频率高（可达1MHZ），耐震动，不怕灰尘、油污、水汽及盐雾等的污染或腐蚀。

霍尔线性器件的精度高、线性度好；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）。

采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℃[14]。

霍尔传感器是根据霍尔效应制作的一种磁场传感器。

霍尔传感器属于磁敏元件，磁敏元件也是基于磁电转换原理，磁敏传感器是把磁学物理量转换成电信号。

随着半导体技术的发展，磁敏元件得到应用和发展，广泛用于自动控制、信息传递、电磁场、生物医学等方面的电磁、压力、加速度、振动测量。

它的特点是结构简单、体积小、动态特性好、寿命长。

霍尔传感器的特点：

1、霍尔传感器可以测量任意波形的电流和电压，如：

直流、交流、脉冲波形等，甚至对瞬态峰值的测量。

副边电流忠实地反应原边电流的波形。

而普通互感器则是无法与其比拟的，它一般只适用于测量50Hz正弦波。

2、原边电路与副边电路之间完全电绝缘，绝缘电压一般为2KV至12KV，特殊要求可达20KV至50KV。

3、精度高：

在工作温度区内精度优于1%，该精度适合于任何波形的测量。

而普通互感器一般精度为3%至5%且适合50Hz正弦波形。

4、线性度好：

优于0.1%。

5、动态性能好：

响应时间小于１μs跟踪速度di/dt高于50A/μs。

6、霍尔传感器模块这种优异的动态性能为提高现代控制系统的性能提供了关键的基础。

与此相比普通的互感器响应时间为10-12ms，它已不能适应工作控制系统发展的需要。

7、工作频带宽：

在0-100kHz频率范围内精度为１％。

在0－5kHz频率范围内精度为0.5%。

8、测量范围：

霍尔传感器模块为系统产品，电流测量可达50KA，电压测量可达6400V。

9、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。

10、模块尺寸小，重量轻，易于安装，它在系统中不会带来任何损失。

11、模块的初级与次级之间的“电容”是很弱的，在很多应用中，共模电压的各种影响通常可以忽略，当达到几千伏/μs的高压变化时，模块有自身屏蔽作用。

12、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。

13、可靠性高：

失效率：

λ=0.43x10-6/小时。

14、抗外磁场干扰能力强：

在距模块5-10cm处有一个两倍于工作电流（2Ip）的电流所产生的磁场干扰而引起的误差小于0.5%，这对大多数应用，抗外磁场干扰是足够的，但对很强磁场的干扰要采取适当的措施。

　霍尔传感器分为线型霍尔传感器和开关型霍尔传感器两种：

（1）线性型霍尔传感器由霍尔元件、线性放大器和射极跟随器组成，它输出模拟量。

（2）开关型霍尔传感器由稳压器、霍尔元件、差分放大器，斯密特触发器和输出级组成，它输出数字量。

而开关型霍尔传感器主要用于测转数、转速、风速、流速、接近开关、关门告知器、报警器、自动控制电路等。

所以我们选择的霍尔传感器型号是A3144，是AllegroMicroSystems公司生产的宽温、开关型霍尔效应传感器，其工作温度范围可达-40℃～150℃。

它由电压调整电路、反相电源保护电路、霍尔元件、温度补偿电路、微信号放大器、施密特触发器和OC门输出极构成，通过使用上拉电阻可以将其输出接入CMOS逻辑电路。

该芯片具有尺寸小、稳定性好、灵敏度高等特点。

A3144系列单极高温霍尔效应集成传感器是由稳压电源，霍尔电压发生器，差分放大器，施密特触发器和输出放大器组成的磁性传感电路，其输入为磁感应强度，输出是一个数字电压信号，其输出电压范围是4.5V～24V。

它是一种单磁极工作的磁敏电路，适用于矩形或者柱形磁体下工作,可应用于汽车工业和军事工程中。

该霍尔传感器的接线图如图3.3所示。

图3.3霍尔元件A3144连接示意图

本设计利用霍尔器件将电机的转速转化为脉冲信号。

霍尔测速模块由铁质的测速齿轮和带有霍尔元件的支架构成。

测速齿轮如图所示，齿轮厚度大约2mm，将其固定在待测电机的转轴上。

将霍尔元件固定在距齿轮外圆1mm的探头上，霍尔元件的对面粘贴小磁钢，当测速齿轮的每个齿经过探头正前方时，改变了磁通密度，霍尔元件就输出一个脉冲信号[20]。

霍尔传感器连接电机如图3.4和图3.5。

测速齿轮霍尔原件

图3.4霍尔传感器

图3.5电机转轮和霍尔传感器位置图

3.3整形电路的设计

由于霍尔传感器输出的信号不是规则的矩形