基于霍尔传感器的电机转速测量系统.docx
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基于霍尔传感器的电机转速测量系统
基于霍尔传感器的电机转速测量系统
设计任务与要求
设计任务
依照学校毕业设计的要求，设计一个功能知足设计要求、工作稳固、以单片机为核心的基于霍尔传感器的电机转速测量系统，能够实此刻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。
设计要求
第一选定传感器，霍尔传感器具有灵敏、靠得住、体积小巧、无触点、无磨损、利用寿命长、功耗低等优势，综合了电机转速测量系统的要求。
第二设计一个单片机小系统，把握单片机接口电路的设计技术，学会利用单片机的按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，实时测量依照脉冲计数来实现转速测量的方式。
要求霍尔传感器转速为0～5000r/min。
2课题方案设计
系统整体设计要求
若是把霍尔传感器按预定位置有规律地布置在轨道上，当永磁体通过它时，能够从测量电路上测得脉冲信号。
依照脉冲信号的散布能够测出电机速度。
系统模块结构论证
霍尔测速模块论证与选择
方案一：
采纳霍尔元件传感器即霍尔片；霍尔片可分为贴片型和直插型。
由于贴片型不经常使用，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，且与一般的磁钢片配套利用，价钱一样为~3元。
方案二：
采纳霍尔传感器；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，价钱一样为40~120元之间不等。
从性价例如面综合考虑因此选择方案一。
计数器模块论证与选择
能够采纳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纳8253等片外的专用计数芯片进行脉冲计数，单片机操纵8253的技术进程，并在技术完毕后读取计数值。
片内计数方案是指采纳单片机的内部计数器完成对脉冲的计数进程。
利用片内的计数器的优势在于降低单片机系统的本钱。
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的中断溢出次数确实是所需要计的脉冲数。
特点在于：
利用了内部的T1作为外部脉冲的计数器，而且，为了幸免计数器的溢出，将T1的初值设为0。
显示模块论证与选择
方案一：
采纳8段LED数码管作为显示模块核心。
数码管显示器件相对廉价，可是耗能大、编写程序相对麻烦，工作量大。
方案二：
采纳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。
报警模块论证与选择
方案一：
采纳蜂鸣器与发光二极管作为声光报警要紧器件。
该方案不论在硬件和焊接方面仍是在编写软件方面都简单方便，而且本钱低廉。
方案二：
采纳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，可是就该设计要求而言，方案过于复杂，相对本钱太高，工作量偏大。
因此选择方案一。
电源模块论证与选择
方案一：
采纳交流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利用。
方案二：
采纳干电池串并联达到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固，电池耗电快，带负载后压降太高，可能无法使系统稳固持续运行。
方案三：
采纳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，而且相对稳固、误差小，但该方案相对价钱太高，针对该设计要求性价比低。
因此选择方案一。
单片机模块论证与选择
方案一：
选用P89C51的单片机速度极快、功耗低、体积小、资源丰硕，有各类不同的规格，最快的达100MPS，引脚还可编程确信功能
方案二：
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，因此我仍是选用了方案一中51系列的单片机，因为51的架构十分典型。
选择方案一中51系列单片机我以为要紧考虑以下方面：
1.价钱廉价；2.开发手腕廉价；3.自己动手焊接相对容易。
转速测量方案论证
转速的测量方式很多，依照脉冲计数来实现转速测量的方式要紧有M法（测频法）、T法（测周期法）和MPT法（频率周期法），该系统采纳了M法（测频法）。
由于转速是以单位时刻内转数来衡量，在变换进程中多数是有规律的重复运动[4]。
方案一电机轴一侧贴磁片
利用霍尔传感器取得脉冲信号，其机械结构也能够做得较为简单，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。
若是在圆周上粘上多粒磁钢，能够实现旋转一周，取得多个脉冲输出。
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[5]。
方案二电机转轴加测速转盘
传感器采纳霍尔器件将电机的转速转化为脉冲信号，处置器采纳89C205l单片机.计数器采纳单片机片内汁数器完成对脉冲的计数，显示器采纳字符型液晶显示器1602进行显示。
系统原理框图如图3-1所示。
系统工作进程：
测量转速的霍尔传感器与机轴相连接，机轴每转一周，产生必然的脉冲个数，霍尔器件电路部份输出，成为转速计数器的计数脉冲。
操纵计数时间，即可实现计数器的计数值对应机轴的转速值。
单片机CPU将数据处置后，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，磁钢采纳永久磁[6]。
图2-1霍尔传感器检测信号图
方案对照
方案一与方案二综合进行对照，发觉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。
小结
本章通过整体设计进行对方案选择的最终确信，研究了霍尔测速、计数器、显示、报警、电源、单片机等各部份模块的可行性方案。
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系统整体设计
整体硬件设计
基于霍尔传感器的速度测量系统工作进程是：
测量转速的霍尔传感器和机轴同轴连接，机轴每转一周，产生必然量的脉冲个数，由霍尔器件电路部份输出。
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，维持同89C51逻辑电平相一致。
操纵计数时刻，即可实现计数器的计数值对应机轴的转速值。
CPU将该值数据处置后，在LCD上显示出来。
一旦超速，CPU通过喇叭和指示灯发作声、光报警信号[7]。
硬件原理图
以单片机AT89C5l为操纵核心，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操纵）显示的小型直流电动机转速的方式，是数字式测量方式，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
硬件电路设计总图
在原理图基础上对各部份进行了详细的设计，硬件电路图如图3-2所示。
图3-2硬件电路图
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式。
系统以单片机AT89C5l为操纵核心.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，通过单片机数据处置，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操纵、系统工作时刻、当前时刻及电机状态的显示。
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、处置器、计数器和显示器四个部份组成。
传感器部份
要紧分为两个部份。
第一部份是利用霍尔器件将电机转速转化为脉冲信号；第二个部份是利用光耦，将传感器输出的信号和单片机的计数电路两个部份隔开，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=，长度为L=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
计数器
片内计数方案是指采纳单片机的内部计数器完成对脉冲的计数进程。
处置器
处置器是单片机，采纳的是89C51单片机。
LCD显示部份
显示部份有两个功能，在正常的情形下，通过LCD显示当前的频率数值，当电机的转速超出必然的范围后，通过灯光和蜂鸣器进行报警。
外接报警部份
在单片机应用的设计上，很多方案都会用到蜂鸣器，大部份都是利用蜂鸣器来做提示或报警。
用I/O按时翻转电平来产生驱动波形的方式会比较麻烦一点，必需利用按时器来做按时，通过按时翻转电平产生符合蜂鸣器要求的频率的波形，那个波形就能够够用来驱动蜂鸣器了。
比如为2500Hz的蜂鸣器的驱动，能够明白周期为400μs，如此只需要驱动蜂鸣器的I/O口每200μs翻转一次电平就能够够产生一个频率为2500Hz，占空比为1/2duty的方波，再通过三极管放大就能够够驱动那个蜂鸣器了。
由于蜂鸣器的工作电流一样比较大，以致于单片机的I/O口是无法直接驱动的，因此要利用放大电路来驱动，一样利用三极管来放电流就能够够了[10]。
4软件设计
程序设计步骤
第一步分析问题，明确任务要求，关于复杂的问题，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。
第二步确信算法，即依如实际问题和指令系统的特点确信完成这一任务须经历的步骤。
第三步依照所选择的算法，确信内存单元的分派：
利用那些寄放器：
程序运行中的中间数据及结果寄存在那些单元，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。
第四步依照流程图，编写源程序。
第五步上机对原程序进行编译、调试。
程序流程图
电机转速测量需要通过的4个大体步骤：
1是操纵方式；2是确信计数方式；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操纵，读取寄放器完成转速频率的确信。
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，从而提高计数的稳固性和精准性。
其测量进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，产生必然量的脉冲个数，由霍尔器件电路输出。
通过电耦合器后，即通过隔离整形电路后，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，维持同单片机AT89C51逻辑电平相一致，操纵计数时刻，即可实现计数器的计数值对应机轴的转速值。
主CPU将该值数据处置后，在LCD液晶显示器上显示出来[11]。
本系统采纳89C51中的
中断对转速脉冲计数。
按时器T0工作于按时方式，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，依照式（4-1）可计算出电机的转速。
当直流电机通过传动部份带圆盘旋转时，霍尔传感器依照圆盘上得磁片取得一系列脉冲信号。
这些脉冲信号通过单片机系统按时/计数器
计数，按时器T0按时。
按时器T0完成100次溢出中断的时刻T除以测得的脉冲数m，通过单位换算，就能够够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
在规按时刻内测得的脉冲数，T为按时器T0按时溢出时刻[12]。
主程序流程图
主程序工作进程如下。
先进行初始化设置各按时器初值，然后判定是不是启动系统进行测量。
若是是，就启动系统运行。
若是不是就等待启动。
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按时器工作，每1秒按时中断一次，读取记录的脉冲个数，即电机转速。
持续采样三次，取平均值记为一次转速值。
再进行数值的判定，假设数值高于5000rpm那么报警并返回初始化时期，不然就进行正常速度液晶显示。
图4-1主流程图
中断效劳流程图
在处于中断效劳程序时期，第一进行关中断设置。
第二进行对
位进行的脉冲个数计数的数值读取。
再次对
、T0进行赋初值而且进行关中断设置。
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、按时器中断
图4-3T0中断流程图
软件程序设计
主程序设计
主程序在对、计数器、堆栈等进行初始化后即判定标志位是不是为1，若是为1，说明要求对数据进行计算处置，第一将标志位清零，以保证下次能正常判定，然后进入数据处置程序，由于那个地址的闸门时刻为1s，而显示要求为转/分，因此，要将测到的数据进行转换，转换的方式是将测得的数据乘以60，但由于转轴上安装有4只磁钢，每旋转一周能够取得4个脉冲，因此，要将测得的数据除以4，因此综合起来，将测得的数据乘以60/4=15即可取得每分钟的转速。
计算取得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。
运算取得的是紧缩BCD码，需要将其转换为非紧缩BCD码，从标号CBCD开始的一段程序即作了如此的处置[13]。
按时器T0用作4ms按时发生器，在按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，每次中断时刻为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，别离送入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。
那个地址还有一个细节，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。
系统采纳外部晶振，系统时钟SYSCLK等于，T0按时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（）;
IO引脚输出的电流较小，单片机输出的TTL电平大体上驱动不了蜂鸣器，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，若是没有那个延时程序的话，输出的频率将大大超出人耳朵的听觉能力，咱们将不能听到声音。
更改延时常数，能够改变输出频率，也就能够够调整蜂鸣器的音调。
代码为:
if（zhuan>5000）
{
warning=1;
}
if（zhuan<4999）
{
warning=0;
}
转速程序的设计
测速的方式决定了测速信号的硬件连接，测速事实上确实是测频，因此，频率测量的一些原那么一样适用于测速。
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，确实是给定一个闸门时刻，在闸门时刻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操纵计数门，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，这两种方式都存在±1误差的问题，第一种方式适用于信号频率高时利用，第二种方式那么在信号频率低时利用。
等精度法那么对高、低频信号都有专门好的适应性[15]。
/*-----------------------数据处置------------------------*/
voiddisp_count（）
{
display[9]=（zhuan/1000+'0'）;/转换转速的千位
display[10]=（zhuan/100%10+'0'）;BJ）。
目标文件可由LIB51创建生成库文件，也能够与库文件一路经L51连接定位生成绝对目标文件（.ABS）。
ABS文件由OH51转换成标准的Hex文件，以供调试器DScope51或TScope51利用进行源代码级调试，也可由仿真器利用直接对目标板进行调试，也能够直接写入程序存贮器如EPROM中。
图5-1C51工具包的整体结构图
应用Keil软件进行程序调试
软件的调试必需在开发系统的支持下进行。
先别离调试通过各个模块程序,然后调试中断效劳程序,最后调试主程序,将各部份连接进行调试。
调试的范围能够由小到大,慢慢增加,必要的中间信号能够先做设定。
通常交叉利用单步运行,断点运行,持续运行等多种方式,每次执行完毕后,检查CPU执行现场,RAM的有关内容,I/O接口的状态等。
发觉一个问题,解决一个问题,直至全数通过。
第一新建一个工程项目文件;第二为工程选择目标器件;再次为工程项目设置软硬件调试环境；并创建源程序文件并输入程序代码，及保留创建的源程序项目文件；最后把源程序文件添加到项目中[17]。
Proteus软件仿真
在Proteus软件中画出原理图,向单片机中加入需要调试的程序的HEX文件,即能够进行调试了.
仿真步骤
利用Proteus实现单片机系统开发进程一样分为四步：
1.在Proteus平台上进行单片机系统电路设计、选择元器件、接插件、连接电路和电气检测等（简称Proteus电路设计）；
2.在Proteus平台上进行单片机系统源程序设计、编辑、汇编编译、调试，最后生成目标代码文件（*.hex）（简称Proteus软件设计）；
再次在Proteus平台上将目标代码文件加载到单片机系统中，并实现单片机系统的实时交互、协同仿真（简称Proteus仿真）；
最后仿真正确后，安装实际单片机系统电路，并将目标代码文件（*.hex）下载到实际单片机中运行、调试。
假设显现问题，可与Proteus设计与仿真彼此配合调试，直至运行成功（简称实际产品安装、运行与调试）。
笔者的实践证明：
依照Proteus仿真通过的设计来安装的实际系统，只要安装正确、元器件无误，焊接牢靠，大体都能顺利通过[18]。
仿真实例
第一，进行参数的选定。
本系统主芯片采纳的是AT89C51，因此选定该型号。
图5-2芯片型号选择
第二，在OptionForTargetTarget1当选择生成HEX文件。
图5-3HEX文件生成
运行的第一步，点击运行程序。
确认运行程序无误，即没有错误和警告。
图5-4确认程序无误
点击生成工程文件并生成HEX文件。
图5-5已生成HEX文件
可通过Debug中的Run和Step来对程序的对应代码进行一一调试。
图5-6程序运行调试
通进程序加入芯片，在Proteus软件里仿真的成效图。
图5-7显示图
硬件软件联合调试
联调步骤
第一步安装Keil与Proteus；
第二步把Proteus安装目录下文件复制到Keil安装目录的C51BIN目录中；
第三步修改Keil安装目录下文件，在C51字段加入TDRV5=（"ProteusVSMMonitor-51Driver"）打开Proteus，画出相应电路。
在Proteus的Tools菜单当选中Useremotedebugmonitor；
第四步在Keil中编写MCU的程序；及进入Keil的Proteus菜单Optionfortarget工程名。
在Debug选项中右栏上部的下拉菜选中ProteusVSMMonitor-51Driver。
在进入seting，若是同一台机IP名为如不是同一台机那么填另一台的IP地址。
端口号必然为8000注意：
能够在一台机械上运行Keil，另一台中运行Proteus进行远程仿真。
第五步即最后在Keil中进行Debug，同时在Proteus中查看直观的结果[19]。
搭接检查步骤
第一检查元件的好坏；按电路图买好元件后第一检查买回元件的好坏，按各元件的检测方式别离进行检测，必然要认真认真。
第二放置各元件；按电路图的位置将各元件安置好，第一放置核心元件，然后再放其他元件，专门注意顺序不能倒置。
再次电路接线；在保证电路元器件完好及各元器件放置无误合理的情形下，开始对电路连接布线，由于本设计用面包板搭件，因此布线要无跨线而且工整[20]。
6结论
本文给出了一种单片机实现电机转速的测量系统,克服了传统方式测量的不足,能够实现电机转速不同区段的精度测量。
该速度测量系统具有测量速度快，测量精度高的优势，不但可应用于一样的机电操纵进程中进行速度测量，而且可应用于其它要求转速精准测量系统中。
要紧通过学习了霍尔传感器、89C51单片机、1206LCD显示等知识，查阅了相关资料，实现了“基于霍尔传感器的电机转速测量系统设计”的大体要求。
本系统实现了题目大体部份和扩展部份的要求，可达到设计的大体条件要求。
所设计的系统具有以下功能：
1关于设计采纳89C51单片机作为测量转速的主CPU芯片，系统硬件设备结构简单合理，本钱低，实时性好。
2测速系统采纳霍尔传感器作为灵敏速度信号，具有频率响应快，抗干扰能力强等特点。
霍尔传感器的输出信号经信号调理后，通过单片机对持续脉冲记数来实现转速测量，充分利用了单片机的内部资源，有很高的性价比。
通过测试并对误差进行分析发觉，该系统的测量误差在5%之内，而且在测量范围内转速越高测量精度越高。
因此该系统在一样的转速检测和操纵中都可应用。
3针对采纳1206LCD显示测速值，直观、稳固，易于实现，该显示方式能够推行到其他工程应用领域。
并应用KEIL进行了软仿真，调试结果说明所设计的软件程序正确。
4测速系统的功能还有待进一步扩充，如判别转速方向的能力；电路布局、和抗干扰方面还有专门大的提升空间。
提高是有限的但提高也是全面的，正是这一次设计让我积存了无数实际体会，使我的头脑更好的被知识武装了起来，也必然会让我在以后的工作学习中表现出更高的应变能力，更强的沟通力和明白得力。
顺利如期的完本钱次毕业设计给了我专门大的信心，让我了解专业知识的同时也对本专业的进展前景充满信心。
附录
源程序：
#include<>
#include<>
#defineuintunsignedint
#defineucharunsignedchar
/*-----------------------端口命名------------------------*/
sbitrs=P2^7;代传感器集成电路[M].北京:
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