轴转速实时检测系统电路设计.docx
《轴转速实时检测系统电路设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《轴转速实时检测系统电路设计.docx（29页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
轴转速实时检测系统电路设计
本科毕业设计
题目轴转速实时检测系统
电路设计
轴转速实时检测系统电路设计
摘要
本文主要介绍了一种由霍尔传感器和STC89C52单片机构成的轴转速检测系统，霍尔传感器主要承担对轴转动信号的转化以及传输，通过STC89C52单片机对这一信号的处理，再由数码管将得到的数据显示出来，便实现了对轴转速的实时监测。
STC89C52单片机是一种高性能的微处理器，这里利用其中断定时系统对信号进行处理；霍尔传感器作为一种新型电磁式传感器，具有较强的抗干扰能力，性能好，价格低廉，已被广泛应用到各种转速测量系统中。
实验可知，转速数值会随着电机转速的调节迅速变动，从这里可以得到由霍尔传感器和单片机构成的转速测量系统，能够运用在轴转速的一般实时监测中，具有较高的灵敏性、稳定性和可控性，而此类系统研发成本也较低，具有广阔的发展前景。
关键词:
霍尔传感器；STC89C52单片机；转速测量
Shaftspeedreal-timemonitoringsystem
Abstract
ThispaperdescribesashaftspeedbyaHallsensoranddetectionsystemconsistingofSTC89C52microcontroller,HallsensorshaftrotationismainlyresponsiblefortheconversionofsignalsandtransmittedthroughthehandlingoftheSTC89C52microcontrollersignals,andthenbydigitalcontrolwillbethedatashow,theyrealizedtheshaftspeedofreal-timemonitoring.STC89C52microcontrollerisahigh-performancemicroprocessors,thistimetodeterminewhichsystemtousesignalprocessing;Hallsensorsasanewelectromagneticsensor,withastronganti-interferenceability,goodperformance,lowcost,hasbeenwidelyappliedtoavarietyofspeedmeasurementsystem.
Experimentshowsthatthespeedvalueofthemotorspeedwillbeadjustedwiththerapidlychanging,thespeedcanbemeasuredbytheHallsensorandthemicrocontrollersystemisconstitutedfrom,theshaftspeedcanbeusedinreal-timemonitoringingeneral,hasahighsensitivity,stabilityandcontrollability,andlowerdevelopmentcostsofsuchasystem,andhasbroadprospectsfordevelopment.
Keywords:
Hallsensor；STC89C52microcontroller；speedmeasurement
前言
当今社会是一个数字电子技术发达的时代，传统的机械式或者模拟式系统正在逐日被淘汰，以微型计算机构成的运算系统已经能够较好地完成人们各方面的需求。
并且在一定程度上节约了人力资源、降低了系统的成本，有效的提高了工作效率。
数字系统是目前电子技术发展的主要方向。
本文主要介绍一种由微型计算机和传感器构成的测量系统，通过对此测量系统的设计，可以实时的了解当前数字电子技术发展现状，基本原理和简单系统的设计方法，并且从中体会到数字电子技术的强大作用。
在这里，本系统主要是以时下应用广泛的单片机为控制系统，霍尔传感器作为信号的采集器件，构成一个对轴转速的实时监测系统。
通过对单片机的编程，实现对转速信号的数字化处理，并得出转速的数值，由显示器件显示出来。
由霍尔传感器和单片机组成的电机测速装置涉及电子科学的许多课程，包括模拟电路，数字电路，单片机原理等，在设计的过程中需要应用很多所学的专业课知识，本次的设计也是对一个大学毕业生所学专业知识综合能力的测试，同时，也让我们对数字电子技术有了更深一步的了解，提高了动手操作的能力。
因此，选择霍尔传感器的轴转速测试系统具有现实意义。
本文所涉及的内容包涵了数字电子技术，微电子技术，传感器技术，单片机技术，自动控制技术等，是对电子技术的一个综述。
通过此次设计，还能认识到电子技术由复杂的模拟电子到简单的数字电子的发展过程，电子技术不断地在向简单、智能化的方向发展。
1绪论
1.1系统研究背景
电机是大家都非常熟悉的东西，它的作用也是很大的。
当今社会，电机的应用已经深入到我们生活的各个领域，诸如各类交通工具，飞机的螺旋桨、汽车的发动机、电梯等，工业上动力设备，传送带的动力电机、机床的转轮等，各类家用电器设备，洗衣机、电风扇、空调等。
但是，怎么才能使电机更好的为人们服务，那就需要我们对电机进行一定的控制，那么如何控制变成了历来研究的主要问题。
我们主要利用电机转轴的旋转作用。
那么，控制电机其实就是对转速的控制。
只要能得到转速数值，转速的控制就变得简单了。
转速的测量方法有很多，从信号的获取和处理方式上，主要可分为接触式、非接触式和模拟式、数字式等。
当然，每种方法都有自己的优缺点，不同的场合需要不同的方法来测量。
模拟式的测量方法一直是转速测量的主要方法，但是这种方法已经不能满足科技发展的需要，现在需要的是一种具有较强适应能力的系统。
随着大规模及超大规模集成电路技术的发展，现在普遍应用的是数字式测量系统，因为单片机对脉冲信号具有强大的处理能力，所以全数字式的系统越来越多，其转速测量系统也可以用全数字化处理。
并且使测量范围和测量精度等方面都得到了提高。
当然，那么，数字的测量系统是如何构成的，又是如何实现系统功能的呢？
本文主要对此问题进行一个讨论，介绍一种数字式轴转速实时检测系统电路设计的研究价值和发展前景。
1.2系统概述
首先，要研究这样一个数字系统，我们必须对这一系统有一个很好的了解，了解此类系统的构成、发展状况等的信息。
查阅资料、询问导师、动手实验等，这些都是不可缺少的部分。
在这里我主要通过理论验证加上硬件模型制作的方法来研究这一问题。
本系统主要涉及到信号的获取与处理过程。
信号的获取就是对转速信号的转化，信号的处理就是通过芯片对信号的处理并通过仪器显示出来。
对信号的获取和处理，需要选择信号获取的传感器、信号处理的芯片，还需要我们能够对这些元件很好地利用。
这里就要求我们不仅要有获取信息的能力，而且要有一个分析问题解决问题的能力。
本文主要通过单片机结合传感器、软硬件结合的办法实现系统功能。
通过软件的模拟可以验证系统设计理论上的正确性，而硬件的制作不仅是对软件的验证，也是对数字式系统的一种证实。
在完成软件系统和硬件系统的设计工作后，要求所设计的系统能够运用在一般的轴转速监测场合，实现对轴转速的实时监测。
1.3论文结构
本篇论文主要包含五大部分，第一部分绪论，第二章主要介绍方案的选择，在方案的选择上，通过对比选出最佳方案，并对方案进行说明。
第三章主要介绍硬件设计，硬件设计上，灵活利用所学知识，将不同功能部件组合在一起，构成一个完整的测量系统，并且能够仿真运行。
第四章主要介绍软件设计，软件设计是通过编写程序，来为硬件系统服务。
第五章是实物的制作，通过实时动手操作，完成测量模型系统的焊接。
本文所涉及到的领域主要包括数字电子技术、模拟电子技术、微电子技术、单片机技术、传感器技术等方面，具有较强的综合性。
2设计方案
2.1设计思路
要实现对转速的实时监测，首先想到的是怎样获取转速信号，或者是随电机转动规律性变化的其他信号，而轴转动这一物理信息无法直接利用和处理，这里想到了利用传感器把转速这一物理变化转变成数字变化的量；然后将获得的数字信号输入单片机进行处理和计算，并得出结果；最后由显示模块显示出转速的数值。
模块设计的整体流程如图2.1所示。
图2.1模块设计流程图
2.2各模块功能
（1）传感器部分主要完成对信号的获取和转化。
（2）信号整形与放大主要由放大器芯片完成。
（3）单片机部分主要完成对脉冲信号的处理。
（4）显示部分主要是把转速数据显示出来。
2.3转速测量方法及系统测量原理
2.3.1转速测量方法
对转速的实时监测，换句话说就是对转轴转动这一周期信号的测量，在频率的工程测量中，数字式的定时计数测量频率的方法一般有三种：
（1）测频率法:
在时间间隔t内，对重复变化的信号次数N进行计数，则被
测信号的频率fx可表示为
（2.1）
（2）测周期法:
在被测信号的一个周期内，计数时钟脉冲数m0，时钟脉冲信号频率为fc，则被测信号频率fx可表示为
（2.2）
（3）多周期测频法:
在被测信号m1个周期内，计数时钟脉冲数m2，从而得到被测信号频率fx，则fx可以表示为
（2.3）
数字式定时计数法测量频率时，其测量准确度主要由两项误差来决定:
一项是时基误差；另一项是量化±1误差。
当时基误差小于量化±1误差一个或两个数量级时，这时测量准确度主要由量化±1误差来确定。
对于测频率法，测量相对误差为：
（2.4）
由此可见，被测信号频率越高，N越大，E1就越小，所以测频率法适用于高频信号（高转速信号）的测量。
对于测周期法，测量相对误差为：
（2.5）
对于给定的时钟脉冲fc，当被测信号频率越低时，m0越大，E2就越小，所以测周期法适用于低频信号（低转速信号）的测量。
对于多周期测频法，测量相对误差为：
（2.6）
由以上分析可知，被测脉冲信号周期数m1越大，m2就越大，则测量精度就越高。
它适用于高、低频信号（高、低转速信号）的测量。
但随着精度和频率的提高，采样周期将大大延长，并且判断m1也要延长采样周期，不适合实时测量。
2.3.2系统测量原理
通过以上演算分析，此监测系统采用频率测量法为宜，测量原理即在一定的检测时间内，对转速传感器产生的脉冲信号进行计数，根据得到的脉冲个数算出实际转速，并由显示器件显示出转速数值。
2.4设计方案选择
在转速测量的方案选择中，一般要考虑的因素有：
传感器的结构、安装难易程度，测速范围，与环境条件的适用性；以及二次仪表的要求，除了显示以外还有控制、传输等方面的要求。
在这里，此系统主要考虑的有传感器、处理器、显示器件的选择，通过对资料的查阅，得到了一些结论，在计数器的部分主要使用现在应用广泛的STC89C52单片机，STC89C52单片机是各类芯片中处理性能比较强的一款芯片，性价比也较高。
显示部分主要为数码管。
而就传感器的选择上，经过查资料、构思和自己的设计，我得到了两套设计方案，其他部分模块也考虑了一些别的设计方案，通过对比方案的难易程度等方面的因素，最终选择了一个方案。
下面是我对两个方案的说明。
方案一：
光电传感器方案
光电传感器是利用光电元件制作的传感器。
它是将被测物理量的变化转化成光信号的变化，然后通过光电元件进一步的把光信号转换成变化的电信号。
光电传感器转速测量原理如图2.2所示。
转盘
通光孔
红外光电二极管光电晶体管
图2.2光电传感器转速测量原理
这个转速测量系统是在光电传感器接收端和发射端之间加入电动机，在电动机的转轴上安装一转盘。
在个转盘的边沿处挖出若干个圆形过光孔，使传感器的检测部分与光孔的中心对齐。
轴转动的时候，带动转盘转动，有孔的地方光线通过，没孔的地方光线阻挡，从而光电元件将光线变化的信号变为电脉冲信号，通过单片机在一定时间内对这一电脉冲信号进行计数，并且通过软件计算获得转速数据。
从而得到了转速的数值。
此测量方法的缺点是：
采用光电感器在信号采样的时候，是利用光线反射的作用进行采样的，必须保证光电元件发射和接收之间无光线的阻挡，通光性良好，但是使用时间长了器件上面会出现油污、浮尘等，导致发射和接收到的光信号出现偏差，影响脉冲的采样精度，使测量结果不准确。
方案二：
霍尔传感器测量方案
霍尔传感器是利用霍尔效应制成的磁电式传感器。
其中心元件是由霍尔效应原理制成的霍尔元件。
它通过霍尔效应将元件周围磁感应强度的变化转变为电信号的变化，并且通过计算公式计算出来。
霍尔传感器转速测量原理如图2.3所示。
小磁铁
电机转轴
转盘霍尔传感器
图2.3霍尔传感器转速测量原理
此测量系统是将一块永久磁铁与电机转轴上的小转盘固定在一起，电机轴转动，转盘随之转动，永久磁铁也将跟着同步旋转，同时在转盘的侧面安装一个霍尔传感器，转盘随轴旋转时，永久磁体所产生的磁场跟着变化，从而使霍尔传感器感应出一个脉冲电压信号，再利用单片机对脉冲信号进行定时计数，通过软件的计算得出转速数值。
此测量方法的优点是：
用霍尔传感器来作为信号的获取元件，一方面，它的结构比较牢固、重量较轻、寿命长、安装也相对方便，再者就是霍尔传感器能够适应复杂多变的环境，比如油污、灰尘等，抗干扰能力也较强。
根据以上对比，决定用霍尔传感器作为本系统的信号获取元件，此方案为最佳方案。
2.5系统功能概述
通过对系统的分析，此系统所实现的功能是:
通过霍尔传感器对轴转速这一物理信号的转化，由放大电路进行放大整形，传输给STC89C52单片机进行信号的处理，单片机根据外部中断，以及内部定时、计数器进行计数计算再送给LED数码管显示出来，实现对轴转速的实时监测。
轴转速的变动属于小范围变化，在一定的测量时间内，高速电机产生的信号变化微乎其微，因此，测量系统一般适用于中低速测量，测量范围0—150r/s可以满足需求。
3轴转速实时检测系统硬件设计
根据系统的功能要求以及单片机硬件电路设计思路对单片机各个模块进行设计，单片机要能够准确测量电机转速，并且使测出的数据能显示出来，则需要多个模块协调来完成，经过分析，将整个测量系统分为信号产生和处理（传感器电路）、测量系统主体（单片机）、显示电路（数码管电路）这三大模块，硬件电路总体设计框图如图3.1所示。
图3.1硬件电路总体设计框图
3.1传感器电路
3.1.1霍尔传感器简介及原理
霍尔传感器是利用霍尔效应原理将被测物理量转换为电动势的传感器。
霍尔效应是1879年霍尔在金属材料中发现的，后来曾有人利用霍尔效应制成测量磁场的磁传感器，但终因霍尔效应太弱而没有得到应用。
随着半导体和制造工艺的发展，人们又利用半导体材料制成霍尔元件，由于它的霍尔效应显著而得到使用和发展，广泛应用于电流、磁场、位移、压力等的物理量的测量。
霍尔元件的主要特性参数：
（1）输入电阻和输出电阻。
（2）额定控制电流和最大允许控制电流。
（3）不等位电势和不等位电阻。
（4）寄生直流电势。
（5）霍尔电势温度系数。
一个霍尔元件一般有四个引出端子，其中两根是霍尔元件的偏置电流的输入端，另两根是霍尔电压的输出端。
如果两输出端构成外回路，就会产生霍尔电流。
实际的霍尔元件一般有三根线，电源线、输出线和地线，其实物结构如图3.2所示。
图3.2霍尔传感器实物图
3.1.2工作原理
将半导体薄片置于磁场中，当它的电流方向与磁场方向不一致时，半导体薄片上平行于电流方向和磁场方向的两个面之间产生电动势，这种现象称为霍尔效应，该电动势称为霍尔电势，半导体薄片成为霍尔元件。
霍尔效应是半导体中的载流子在磁场中受洛伦兹力的作用发生横向移动的结果。
由霍尔效应的原理知，霍尔电势的大小取决于：
RH为霍尔常数，它与半导体材质有关；I为霍尔元件的偏置电流；B为磁场强度；d为半导体材料的厚度。
对于一个给定的霍尔器件，当偏置电流I固定时，UH将完全取决于被测的磁场强度B。
在半导体薄片两端通以控制电流I，并在薄片的垂直方向施加磁感应强度为B的匀强磁场，则在垂直于电流和磁场的方向上，将产生电势差为UH的霍尔电压。
霍尔元件简化模型如图3.3所示。
B
C
A
I
dB
D
UH
图3.3霍尔元件简化模型
由实验可知，霍尔电势的大小与激励电流I和磁感应强度成正比，与半导体薄片厚度d成反比，即霍尔电压UH为
（3.1）
霍尔元件的结构很简单，从矩形薄片的半导体基片上的两个相互垂直方向的侧面上，引出一对电极，称为控制电极。
另一对电极用于引出霍尔电势，称为霍尔电势输出极。
在基片外面用金属或陶瓷、环氧树脂等封装作为外壳。
霍尔电极在基片上的位置以及它的宽度对霍尔电势的数值影响很大，通常霍尔电极位于基片长度的中间，其宽度远小于基片的宽度。
一般地说，偏置电流的设定通常由外部的基准电压源给出；若精度要求高，则基准电压源均用恒流源取代。
霍尔电压的大小是随着磁场强度的变化而变化的，磁场越强，则电压越高，磁场越弱，则电压越低。
霍尔电压值很小，通常只有几个毫伏，但经集成电路中的放大器放大，就能使该电压放大到足以输出较强的信号。
霍尔传感器在这里主要起到传感信号的作用，相当于开关的断开和闭合，所以需要用机械的方法来改变磁感应的强度。
3.1.3信号的获取
由霍尔传感器的工作原理来设计脉冲信号的获取电路，由于电机转轴太细，想到在直流电机的转轴上固定一个转盘，再在转盘上粘一个微小的永久磁铁，把霍尔传感器感应端近距离与永久磁铁固定放置，当电机转轴转动的过程中，带动小永久磁铁转动，使垂直于霍尔传感器方向的磁感应强度发生了变化，从而在霍尔传感器输出端得到一个变化的电动势。
由以上设计分析得到信号获取以及各引脚连接电路如图3.4所示。
VCC
GND
VCCGND
out
图3.4信号获取的各个引脚连接图
即每当电机轴旋转一周，产生一个脉冲电压信号，那么只要能够得到该脉冲信号的频率f，就可以得到轴的转速了，设轴的转速为V，累计n个脉冲信号所计时间为T，则得到转速V为
（3.2）
3.1.4信号的放大与整形
经过霍尔传感器感应出来的脉冲信号波形并不是很稳定和规则的，再加上其驱动能力有限。
因此，需要经过放大和整形再传输给单片机利用。
由所学放大器知识，考虑利用反比例放大器芯片LM358，LM358具有8个引脚，内部是两个完全相互独立的单个放大器，每一组运算放大器可用图2.1.4所示的符号来表示，它有5个引出脚，其中“+”、“-”为两个信号输入端，“V+”、“V-”为正、负电源端，“Vo”为输出端。
两个信号输入端中，Vi-（-）为反相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相反；Vi+（+）为同相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相同。
LM358单元引脚如图3.5所示
。
V+
+
-V0
V-
图3.5LM358单元引脚图
因为霍尔传感器感应出的信号强度较弱，在这里利用的是LM358的反相放大端口，经过一个放大器LM358放大的信号与原信号是反向的，大小方面也不能被单片机很好的利用，所以考虑再接入一个LM358放大器对信号还原和放大。
而每个芯片上刚好包含两个独立放大单元。
图3.6信号前置处理电路图
通过对霍尔传感器、放大整形电路功能的综合考虑，得出的信号前置处理电路图如图3.6所示。
如图3.6，信号预处理电路为系统的前级放大电路，当转盘转动的时，就能得到一个电脉冲信号，这个信号与转速是成正比的，该信号经过一个放大器LM358单元放大，另一个LM358单元进行整形，传输到单片机内进行计算。
3.2STC89C52单片机电路
3.2.1STC89C52单片机简介
STC89C52系列单片机是由深圳宏晶科技公司开发、台湾积体电路制造股份有限公司（TSMC）生产的增强8051内和单片机。
它给MCS-51单片机融入了许多单片机新的功能部件，如ADC、DAC、电压控制、“看门狗”电路、低压检测电路等。
在单片机变成写软件时无需采用专用编程器，可以通过PC直接对STC系列单片机进行编程，使单片机系统的开发变得简单了。
STC单片机产品系列和品种繁多，按照工作速度和内部资源配置的不同，可以分为若干个系列产品。
在单片机选型时，应该根据实际控制的需求，选择合适的单片机，即单片机的内部资源要尽量满足控制系统的需求，而减少外部接口电路，保证单片机系统的高可靠性和高性价比。
STC89系列单片机性能优、价格低廉、编程方便，非常适合学生学习时使用。
STC89C52单片机是在一块芯片中集成了CPU（包括运算器ALU、控制器和位处理器）、RAM（包括特殊功能寄存器）、ROM、中断控制电路、定时器/计数器、多功能I/O口等基本功能部件。
它是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存贮器（FPEROM—FalshProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低电压、高性能的CMOS8位微处理器，也称为单片机。
该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。
由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的STC89C52是一种高效微控制器，STC89C52单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。
STC系列单片机芯片实物如图3.7所示。
图3.7STC89C52芯片
STC89C52芯片一共包含四十个管脚，分成两排，每一排各有20个管脚，其中左下角标有小圆圈的为第1脚，然后按逆时针方向依次为第2脚、第3脚……第40脚。
在40个管脚中，其中有32个脚可用于各种控制，比如可以控制流水灯的亮与灭、控制电机的正转与反转、控制电梯的升与降等，这32个脚叫做单片机的“端口”，在单片机技术中，每个端口都有各自的作用，。
STC89C52芯片的管脚分布图如图3.8所示。
图3.8STC89C52芯片管脚分布图
STC89C52单片机的主要特性：
（1）与MCS-51兼容
（2）4K字节可编程闪烁存储器
（3）寿命：
1000写/擦循环
（4）数据保留时间：
10年
（5）全静态工作：
0Hz-24Hz
（6）三级程序存储器锁定
（7）片内振荡器和时钟电路
（8）32可编程I/O线
（9）两个16位定时器/计数器
（10）5个中断源
（11）可编程串行通道
（12）低功耗的闲置和掉电模式
（13）128*8位内部RAM
单片机个引脚功能介绍：
VCC：
供电电压。
GND：
接地。
P0.0~P0.7口：
P0口8位双向I/O口线（32~39脚），是一个标准双向输入/输出（I/O）口，其作用有两个:
用于输入/输出接口；与P2口共同完成存储器扩展数据传送，用于扩展外部存储器的地址线低8位，即A0~A7；同时分时用于单片机与外部存储器的数据线。
P1.0~P1.7：
P1口是8位双向I/O口线（1~8脚），4个口中P1口作用最简单，仅用于输入输出接口。
P2.0~P2.7：
P2口为8位双向I/O口线（21~28脚），P2口缓冲器可接收，
升级会员 