霍尔传感器测速系硬件.docx
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霍尔传感器测速系硬件
基于霍尔传感器的
电机转速测量系统设计
—硬件设计
摘要
电动机作为机械化、电气化和自动化的原动机，广泛应用于国民经济建设、国防建设、科学技术研究和人民物质文明生活的各个领域。
电机是生产过程中应用十分广泛的装置，对其转速进行准确测量就显得十分必要。
本文介绍了霍尔传感器测速的原理，设计了基于单片机AT89C51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、霍尔传感器测量电路的设计、显示电路的设计。
测量转速的霍尔传感器和机轴同轴连接，机轴每转一周，产生一定量的脉冲个数，由霍尔器件电路部分输出幅度为12V的脉冲。
经光电隔离器后成为输出幅度为5V转数计数器的计数脉冲。
控制定时器计数时间，即可实现对电机转速的测量。
在显示电路设计中，通过1602实现在LCD上直观地显示电机的转速值。
并对电机转速测量系统的硬件电路、显示电路进行了调试。
与软件配合，实现了显示、报警功能。
仿真实验表明所设计的硬件电路及软件程序是正确的，满足设计要求。
关键词：
电机转速测量；霍尔传感器；单片机；89C51；LCD
DesignofMotorSpeedMeasurement
SystemBasedonHallSensor
—HardwareDesign
Abstract
Motors,astheoriginalmachineofmechanization,electrificationandautomationarewidelyandcommonusedinthevariousareasofconstructionofnationaleconomy,nationaldefense,scienceandtechnologyresearchandmaterialitycivilization.Anditisveryimportantinmanufacturing,measuringitsrotationalspeedbecomesveryessentialandnecessary.
TheprinciplesofmotorspeedmeasurementswithhallsensorwasdescribedinthisarticleandDCmotorspeedmeasurementsystemwhichisbasedonAT89C51wasdesigned,andthecorrespondinghardwarecircuitdesignswasalsocompletedaccordingly.Thehallsensorisconnectedwithcrankshaftbycoaxialjunction.Everyrevolutionofthecrankshaftwillgenerateacertainamountofpulseswhoseamplitudeis12v.Theopto-couplerturnsthesecertainamountofpulsesinto5-amplitudecountimpulse.Themotorspeedcanbemeasuredbycontrollingthetime.Inthedesignofdisplaycircuit,thenumberofmotorspeedisdisplayedinLCDdirectlythrough1602.Themotorspeedmeasurementsystemandthehardwarecircuits,displaycircuitfunctionaredebuggedtocooperatewiththesoftwaretodisplayandalarmusers.Thesimulationresultshaveprovedthatthehardwarecircuitsdesignandsoftwareprogramiscorrect,andthesystemcanmeetthedesigningrequirementcompletely.
KeyWords:
MotorSpeedMeasurement;HallSensor;Microcomputer;89C51；LCD
目录
1绪论1
1.1设计任务1
1.1.1题目来源1
1.1.2设计内容1
1.1.3相关背景2
1.2方案分析论证2
1.2.1霍尔测速模块论证与选择2
1.2.2单片机模块论证与选择2
1.2.3显示模块论证与选择3
1.2.4报警模块论证与选择3
1.2.5电源模块论证与选择3
2基于霍尔传感器的电机转速测量系统硬件设计4
2.1电机转速测量系统的硬件电路设计4
2.1.1总体硬件设计4
2.1.2系统电路设计5
2.2霍尔传感器测量电路设计6
2.2.1霍尔元件6
2.2.2霍尔传感器测量原理7
2.2.3转速测量方法8
2.2.4反相器74LS148
2.2.5光电耦合器9
2.2.6蜂鸣器10
2.3单片机AT89C5111
2.3.1AT89C51芯片11
2.3.2定时器12
2.3.3外部中断13
2.4显示电路设计14
2.4.11602字符型LCD简介14
2.4.21602LCD的基本参数及引脚功能14
2.4.3显示模式17
2.5系统软件设计17
2.5.1设计思想17
2.5.2总体软件流程17
3系统仿真和调试19
3.1Proteus软件19
3.1.1Proteus简介19
3.1.2用Proteus绘制原理图步骤19
3.2硬件调试21
3.2.1硬件静态调试21
3.2.2虚拟仿真调试22
3.3软件调试23
3.4软硬件联调23
4结论25
附录硬件实物图26
参考文献27
致谢28
1绪论
1.1设计任务
1.1.1题目来源
在工程实践中，经常会遇到各种需要测量转速的场合，例如在发电机、电动机、卷扬机、机床主轴等旋转设备的试验、运转和控制中，常需要分时或者连续测量和显示其转速及瞬时转速。
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。
转速测量方法分为模拟式和数字式两种，模拟式采用测速发电机为检测元件，得到的信号是电压量，而数字式通常采用光电编码器、圆光栅、霍尔元件等为检测元件，得到的信号是脉冲信号。
随着微型计算机的广泛应用，特别是高性能价格比的单片机的涌现，转速测量普遍采用了以单片机为核心的数字法，智能化微电脑式代替了一般的机械式或模拟量结构[1]。
根据学校毕业设计的要求，设计一个功能满足设计要求、工作稳定、以单片机为核心的基于霍尔传感器的电机转速测量系统。
本设计要求做一个单片机最小系统，并使用合适的霍尔传感器，使之具备测转速的功能，能够实现在电机工作时转速的测量，同时选用合适的显示器件，使系统具备实时显示功能，并在发生故障时能及时的发出报警信号。
根据题目的要求，设计了以下方案并对各方案进行了论证与分析。
本设计包括完整的硬件设计和相应的软件设计。
1.1.2设计内容
1.选定传感器。
霍尔传感器具有灵敏、可靠、体积小巧、无触点、无磨损、使用寿命长、功耗低等优点，综合了电机转速测量系统的要求。
2.设计一个单片机最小系统，掌握单片机接口电路的设计技巧，学会利用单片机的定时器和中断系统对脉冲信号进行测量或计数。
3.实时测量显示并有报警功能，实时测量根据脉冲计数来实现转速测量的方法。
要求霍尔传感器转速为0～5000r/min。
1.1.3相关背景
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[2]。
1.2方案分析论证
1.2.1霍尔测速模块论证与选择
方案一：
采用型号为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，价格合理，可用于测速，可与普通的磁钢片配合工作。
方案二：
采用型号为CHV-20L的霍尔元器件作为霍尔测速模块的核心,该霍尔器件额定电流为100mA,输出电压为5V,电源为12～15V。
体积较大，价格昂贵。
因此选择方案一。
1.2.2单片机模块论证与选择
方案一：
采用型号为AT89C51的单片机作为主控制器，使用霍尔传感器进行测量的直流电机转速测量系统。
AT89C51是带4K字节闪烁可编程擦除只读存储器的低电压、高性能CMOS8位微处理器。
它将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，为许多控制提供了灵活性高且价格低廉的方案[3]。
方案二：
采用单片机C8051F060作为主控制器，使用霍尔传感器进行测量的直流电机转速测量系统。
C8051F060系列单片机是美国CYGNAL公司推出的一种与51系列单片机内核兼容的单片机[4]。
C8051F060作为新一代8051单片机，具有功能强大、体积小、工作稳定等特点，适用于复杂控制系统。
因此选择方案一。
1.2.3显示模块论证与选择
方案一：
采用LED数码管动态扫描,LED数码管价格适中,亮度高，显示数字合适,但是连接复杂，耗电流大，驱动电路复杂。
方案二：
采用点阵式数码管显示，点阵式数码管是由八行八列的发光二极管组成，对于显示简单文字比较适合,如果显示数字则浪费资源,而且价格也相对较高。
方案三：
采用LCD液晶显示屏,液晶显示屏的显示功能强大,可显示大量文字,图形,显示多样,清晰可见,并且连接很方便,所以在此设计中采用了LCD液晶显示屏。
因此选择方案三。
1.2.4报警模块论证与选择
方案一：
采用蜂鸣器与发光二极管作为声光报警主要器件。
该方案不论在硬件焊接方面还是在编写软件方面都简单方便，而且成本低廉。
方案二：
采用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，但是就该设计要求而言，方案过于复杂，相对成本过高，工作量偏大。
因此选择方案一。
1.2.5电源模块论证与选择
方案一：
采用交流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使用。
方案二：
采用干电池串并联达到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定，电池耗电快，带负载后压降过高，可能无法使系统稳定持续运行。
方案三：
采用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，而且相对稳定、误差小，但该方案相对价格过高，针对该设计要求性价比低。
因此选择方案一。
2基于霍尔传感器的电机转速测量系统硬件设计
2.1电机转速测量系统的硬件电路设计
2.1.1总体硬件设计
使用单片机测量电机转速的基本结构如图2-1所示。
该系统包括霍尔传感器、隔离整形电路、主CPU、显示电路、报警电路及电源等部分。
图2-1系统总体结构图
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，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。
经过电耦合器后，即经过隔离整形电路后，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，保持同单片机AT89C51逻辑电平相一致，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。
主CPU将该值数据处理后，在LCD液晶显示器上显示出来。
一旦超速，CPU通过喇叭和转灯发出声、光报警信号。
1.传感器部分
主要分为两个部分。
第一部分是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2-2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。
第二部分是使用六反相器和光耦，将传感器输出的信号进行整形隔离，减少计数的干扰。
测速齿轮霍尔元件
图2-2转速变换装置
2.处理器
采用AT89C51单片机作为系统的处理器。
3.显示部分
该部分有两个功能，在正常情况下，通过LCD液晶显示器显示当前的频率数值，当电机的转速超出一定的范围后，通过蜂鸣器进行报警。
蜂鸣器是一种一体化结构的电子讯响器，采用直流电压供电，广泛应用于计算机、打印机、复印机、报警器、电子玩具、汽车电子设备、电话机、定时器等电子产品中作发声器件。
2.1.2系统电路设计
实际测量时，要把霍尔传感器固定在直流测速电机的底板上，与霍尔探头相对的电机的轴上固定着一片磁钢块，电机每转一周，霍尔传感器便发出一个脉冲信号，将此脉冲信号接到开发的多功能实验板上的P3.2[
]上，设定Ｔ0定时，每分钟所计的进入P3.2的脉冲个数即为直流电机的转速。
由于在虚拟仿真电路图中，没有电机及传感器，所以就直接用一个脉冲信号代替，电路图如图2-3所示。
图2-3总体硬件电路图
2.2霍尔传感器测量电路设计
2.2.1霍尔元件
根据霍尔效应，人们用半导体材料制成的元件叫霍尔元件。
它具有对磁场敏感、结构简单、体积小、频率响应宽、输出电压变化大和使用寿命长等优点，因此，在测量、自动化、计算机和信息技术等领域得到广泛的应用。
霍尔传感器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，有两种封装形式，一种是3脚贴片微小型封装，后缀为“LH”；另一种是3脚直插式封装，后缀为“UA”[5]。
A3144E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敏传感电路，其输入为磁感应强度，输出是一个数字电压讯号。
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。
霍尔传感器的外形图和与磁场的作用关系如图2-4所示。
磁场由磁钢提供，所以霍尔传感器和磁钢需要配对使用。
霍尔元件和磁钢管脚图
图2-4霍尔传感器的外形图
该霍尔传感器的接线图如图2-5所示。
图2-5霍尔传感器的接线图
2.2.2霍尔传感器测量原理
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。
霍尔器件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2-6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[6]。
图2-6霍尔器件测速原理
2.2.3转速测量方法
转速的测量方法很多，根据脉冲计数来实现转速测量的方法主要有M法（测频法）、T法（测周期法）和MPT法（频率周期法），该系统采用了M法（测频法）。
由于转速是以单位时间内转数来衡量，在变换过程中多数是有规律的重复运动。
根据霍尔效应原理，将一块永久磁钢固定在电机转轴上的转盘边沿，转盘随侧轴旋转，磁钢也将跟着同步旋转，在转盘下方安装一个霍尔器件，转盘随轴旋转时，受磁钢所产生的磁场的影响，霍尔器件输出脉冲信号，其频率和转速成正比。
脉冲信号的周期与电机的转速有以下关系：
n=
（2-1）
式中：
n为电机转速；P为电机转一圈的脉冲数；T为输出方波信号周期。
根据式（2-1）即可计算出直流电机的转速[7]。
霍尔器件是由半导体材料制成的一种薄片，在垂直于平面方向上施加外磁场B，在沿平面方向两端加外电场，则使电子在磁场中运动，结果在器件的两个侧面之间产生霍尔电势。
其大小和外磁场及电流大小成比例。
霍尔开关传感器由于其体积小，无触点，动态特性好，使用寿命长等特点，故在测量转动物体旋转速度领域得到了广泛应用[8]。
2.2.4反相器74LS14
74LS14是一个6反相器，引脚定义如图2-7所示：
A端为输入端，Y端为输出端，一片芯片一共6路，即1，3，5，9，11，13为输入端，2，4，6，8，10，12为输出端，输出结果与输入结果反相。
即如果输入端为高电平，那么输出为低电平。
如果输入低电平，输出为高电平。
图2-7反相器引脚图
2.2.5光电耦合器
光电耦合器，是近几年发展起来的一种半导体光电器件，由于它具有体积小、寿命长、抗干扰能力强、工作温度宽及无触点输入与输出在电气上完全隔离等特点，被广泛地应用在电子技术领域及工业自动控制领域中，它可以代替继电器、变压器、斩波器等，而用于隔离电路、开关电路、数模转换、逻辑电路、过流保护、长线传输、高压控制及电平匹配等。
光电耦合器是以光为媒介传输电信号的一种电—光—电转换器件。
它由发光源和受光器两部分组成。
把发光源和受光器组装在同一密闭的壳体内，彼此间用透明绝缘体隔离。
发光源的引脚为输入端，受光器的引脚为输出端，常见的发光源为发光二极管，受光器为光敏二极管、光敏三极管等。
光电耦合器的种类较多，常见有光电二极管型、光电三极管型、光敏电阻型、光控晶闸管型、光电达林顿型、集成电路型等。
光电耦合器件（简称光耦）是把发光器件（如发光二极管）和光敏器件（如光敏三极管）组装在一起，通过光线实现耦合构成电—光和光—电的转换器件。
在光电耦合器输入端加电信号使发光源发光，光的强度取决于激励电流的大小，此光照射到封装在一起的受光器上后，因光电效应而产生了光电流，由受光器输出端引出，这样就实现了电一光一电的转换[9]。
光电耦合器分为很多种类，图2-8所示为常用的三极管型光电耦合器原理图。
当电信号送入光电耦合器的输入端时，发光二极管通过电流而发光，光敏元件受到光照后产生电流，CE导通；当输入端无信号，发光二极管不亮，光敏三极管截止，CE不通。
对于数位量，当输入为低电平“0”时，光敏三极管截止，输出为高电平“1”；当输入为高电平“1”时，光敏三极管饱和导通，输出为低电平“0”。
若基极有引出线则可满足温度补偿、检测调制要求。
这种光耦合器性能较好，价格便宜，因而应用广泛。
图2-8最常用的光电耦合器内部结构图
光电耦合器的接线原理如图2-9所示。
图2-9光电耦合器接线原理
2.2.6蜂鸣器
蜂鸣器是一种一体化结构的电子讯响器，采用直流电压供电，广泛应用于计算机、打印机、复印机、报警器、电子玩具、汽车电子设备、电话机、定时器等电子产品中作发声器件。
报警器的种类很多，比如：
扬声器、蜂鸣器等，本设计中选用电磁式蜂鸣器作为报警器。
电磁式蜂鸣器由振荡器、电磁线圈、磁铁、振动膜片及外壳等组成。
接通电源后，振荡器产生的音频信号电流通过电磁线圈，使电磁线圈产生磁场。
振动膜片在电磁线圈和磁铁的相互作用下，周期性地振动发声[10]。
图2-10电磁式蜂鸣器
2.3单片机AT89C51
单片机（Single-Chip-Microcomputer）又称为单片微控制器，其基本结构是将微型计算机的基本功能部件：
中央处理器（CPU）、存储器、输入口、输出口、定时器/计数器、中断系统等全部集中在一个半导体芯片上。
单片机结构上的设计，在硬件、指令系统及I/O能力等方面都有独到之处，具有较强而有效的控制功能。
虽然单片机只是一个芯片，但无论从组成还是从其逻辑功能上来看，都具有微机系统的含义。
另一方面，单片机毕竟是一个芯片，只有外加所需的输入、输出设备，才可以构成实用的单片机应用系统[11]。
2.3.1AT89C51芯片
AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM—FalshProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。
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[12]。
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AT89C51是一种高效微控制器，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价格低廉的方案。
其引脚图如图2-11所示。
图2-11AT89C51引脚图
2.3.2定时器
8051单片机内部有两个16位可编程定时器/计数器，记为T0和T1。
它的工作方式可以通过指令对相应的特殊功能寄存器编程来设定，或作定时器用，或作外部事件计时器用。
定时器/计数器在硬件上由双字节加法计数器TH和TL组成。
作定时器使用时，计数脉冲由单片机内部振荡器提供，计数频率为f
/12,每个机器周期加1[13]。
8051单片机定时器/计数器的工作方式由特殊功能寄存器TMOD编程决定，定时器/计数器的启动运行由特殊功能寄存器TCON编程控制。
不论用作定时器还是计数器，每当产生溢出时，都会向CPU发出中断请求。
单片机的定时器的工作原理是利用了寄存器的溢出来触发中断的,所以在写定时器的时候就要去算计数的增量,再根据单片机的晶振的频率就可以算出确定的时间了。
定时器主要用到了2个寄存器,一个为TCON,另一个为TMOD。
TCON是用来控制定时器的启动与停止的。
TMOD是用来设置定时器的模式的。
8051单片机的定时器/计数器是可编程的，在进行定时或计数操作之前要进行初始化编程。
通常8051单片机定时器/计数器的初始化编程包括如下几个步骤:
1.确定工作方式，即给方式控制寄存器TMOD写入控制字。
2.计算定时器/计数器初值,并将初值写入TH和TL。
3.根据需要对中断控制寄存器IE置初值，决定是否开放定时器中断。
4.使运行控制寄存器TCON中的TR0或TR1置“1”，启动定时器/计数器。
在初始化过程中，要设置定时或计数的初始值，这时需要进行一点运算。
由于计数器是加法计数，并在溢出时产生中断，因此初始值不能是所需要的计数模值，而是要从最大计数值减去计数模值所得才是应当设置的计数初始值。
假设计数器的最大计数值为M（根据不同
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