转速测量系统的研究.docx
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转速测量系统的研究
题目
转速测量系统的研究
Title
Researchofthemeasuringsystemoftherotationalspeed
指导教师：
卢万欣
设计者：
刘建
摘要
本次设计的转速测量系统结构简单，抗干扰能力强，适合应用于各种测量转速的电路中。
在设计电路中利用霍尔传感器对被测物体转速进行检测。
该系统采用霍尔传感器UGN3144把转速信息转换为电压信号，输出电压经整形电路送入单片机T0口,采用软件处理计算出被测物体的转速,将被测结果过单片机的串行通讯口送入四位7段LED显示器显示测量结果。
在电路中加入键盘部分，可以通过键盘控制DAC0832的输出电压来调节电机转速快慢。
文中阐述了构成该系统的原理、硬件的实现方法和软件的实现方法，还给出各部分的原理框图、电路图及转速测量的程序流程图。
关键词：
转速监测系统A/D转换器霍尔传感器
Abstract
Thedesignofmeasuringsystemoftherotationalspeednotonlyhasasimplestructurebutalsohasastrongabilityofresisttheinterference.Ithasanextensiveapplicationinmeasuringsystemoftherotationalspeed.
Inthisdesignofarotatespeedmeasuresystem,thatuseHallsensor.Inthisdesign,itadoptstheHallsensorUGN314changerotatespeedinformationintovoltageoutputting,andsendtheresultintothemicrocomputerforprocessingthedata.Itusefourseven-segmentLEDshowtheresultofmeasurement.Increasethekeyboardcircuitinthedesign,itcanusethekeyboardcontroltheoutputvoltageofDAC0832,itcancontroltherotatespeedmeasuresystem.
Inthedesignitnarratethetheoryofthemeasuringsystemoftherotationalspeed,howtousethehardwarecircuitandthesoftwarecircuitachievethedesign.Inthisdesignitalsonarratesomecircuitandtheflowofthecircuitofthewholetheoryofthedesignofmeasuringsystemoftherotationalspeed
Keywords:
rotationalspeedmonitorsystem,A/Dconverter
Hallsensor
目录
摘要
Abstract
第一章绪论1
第二章总体方案设计2
2.1方案论证2
2.2具体设计方案4
第三章硬件电路的设计5
3.1传感器的选择5
3.2霍尔式传感器的组成与基本特性7
3.3集成霍尔传感器8
3.4信号处理电路12
3.5电机调速部分16
3.6键盘、显示器部分20
第四章软件部分系统地实现24
4.1总体设计思想24
4.2软件的具体实现25
结论26
致谢27
参考文献28
第一章绪论
随着科学技术的飞速发展，在工业的实时控制中，在各种机械设备中控制转速的应用逐渐增多。
由于转速控制对系统的稳定性有着至关重要的影响,转速的检测与控制在工业控制中占有很大的比重。
为了准确了解工作的情况并加以实时控制，对转速的检测与控制是十分必要的。
目前，虽然在市面上有一些转速测量仪，但它的体积相对庞大、结构复杂、价格比较昂贵，不适用于对体积小的仪器的转速进行测量。
本次设计的转速测量系统结构简单，价格低廉，体积小，抗干扰能力强，适合应用于各种测量转速的电路中。
在本次设计中，以89C51为核心，通过测量电机转速的周期来计算出它的频率，用4位数码管对电机转速进行显示。
在转速测量系统中，主要分为电源部分、电机转速信号采集部分、信号处理、数模转换部分、键盘显示部分及软件处理部分。
在本设计中加入数模转换部分，利用数模转换部分的输出电压控制直流电机转速的快慢，当检测结果显示直流电机转速低于（高于）正常值时，电路产生报警，熄灭发光二极管，电路还可以通过按键增加（减小）电机的转速。
当转速在正常范围内时，每隔2秒，电路自行对检测结果进行刷新，以用来时时检测电路的准确性。
硬件检测部分选用的传感器是霍尔元件，它具有体积小、抗干扰能力强不受温度环境等影响的优点。
在所检测的电机上安装一个四等分的码盘并安装磁性元件，通过单片机计数器对霍尔传感器检测时输出的方波进行检测。
在控制部分加入复位按键和调速按键，通过调速按键对直流电机进行调速以检测不同速度时显示部分的准确性。
显示部分采用4个8位串行输入并行输出的74LS164作为驱动4个共阴极数码管。
软件部分采用汇编语言编程。
为了使测量结果更加精确。
当所测转速较高时采用测量频率的方法对转速进行测量，当测量频率较低时采用测量周期的方法对频率进行测量。
第二章总体方案设计
2.1方案论证
方案一
采用测量周期的方法通过软件计算出被测物体的频率。
测周法主要由计数脉冲形成电路、闸门时间Tx产生电路、计数显示电路三部分组成。
其原理框图如2.1所示。
图2.1测周法原理框图
从测周法原理框图可以看出，被测信号经放大整形后，形成控制闸门脉冲信号，其宽度等于被测信号的周期Tx。
晶体振荡器的输出或经倍频后得到频率为fc的标准信号，其周期为Tc，加于主门输入端，在闸门时间Tx内，标准频率脉冲信号通过闸门形成计数脉冲，送至计数器计数，经译码器显示计数值N。
由此可知，被测周期为
Tx=NTc（2-1）
周期是频率的倒数，根据测得被测物体的周期可以计算出每秒中的转速。
在此方案设计中采用的传感器是霍尔元件，利用霍尔效应测量被测物体的转速。
其工作原理是将永磁铁以1/4等分的方式固定在一个圆盘上，将圆盘固定在被测物体的转轴上，霍尔元件置于磁铁的边缘但不接触磁铁。
当转轴转动时，霍尔元件输出的脉冲信号则包含有转速的信息，将霍尔元件输出的电压经过整形电路整形后再送由单片机进行数据处理，便可得到转速的数据，最后将测得转速用显示器显示出来。
方案二
采用电子计数法测量频率。
利用某一信号在T时间内重复变化了N次，则根据频率的定义，可知该信号的频率为
fz=N/T
计数法测量频率原理的方法主要由时基T产生电路、计数脉冲形成电路、计数显示电路三部分组成。
其原理框图如下：
图2.2测频法原理框图
在此方案中时基T产生电路的作用就是提供准确的计数时间T。
它一般由高稳定的石英晶体震荡器、分频整形电路与门控（双稳）电路组成。
计数形成电路主要作用是将被测的周期信号转换为可计数的窄脉冲。
计数显示部分主要就是计数被测周期信号重复的次数，显示被测信号的频率。
电子计数器的测量实质就是以比较法为基础。
它将被测信号频率fx和已知的时基信号频率fc相比，将相比的结果以数字的形式显示出来。
测周法和测频法通过计算后都可以算出被测物体的转速，但测周法测量低频电路比较准确，而测频率法主要应用在测量高频电路中。
由于本次设计要求转速的测量范围是0-1000转/分，相当于单片机检测到的脉冲信号是0-4000转/分，即15毫秒1转。
而由于单片机可以选用12MHz的晶振，每执行一个单周期指令只需1μS,对于检测ms级信号可以达到很精确的测量结果。
根据体积、价格等因素，在本次设计中选用方案一就可以达到很精确的结果，故在本次设计中采用方案一。
2.2具体设计方案
在此方案设计中采用霍尔元件，利用霍尔效应测量被测物体的转速。
其工作原理是将永磁铁以1/4等分的方式固定在一个圆盘上，将圆盘固定在被测物体的转轴上，霍尔元件置于磁体的边缘但不接触磁体。
当转轴转动时，霍尔元件输出的脉冲信号则包含有转速的信息，将霍尔元件输出的电压经过整形电路整形后再送由单片机进行数据处理，便可得到转速的数据，最后将测得转速用显示器显示出来。
在此方案中主要以AT89C51为核心元件，通过单片机T0口、T1口对传感器输出的方波信号进行定时和计数。
用软件计算周期的倒数算出电机转速的频率。
再由单片机的串行通讯口对4个8位串行输入并行输出的74LS164驱动4个共阴极数码管显示每秒电机的转速。
本方案采用的传感器是霍尔元件。
霍尔传感器作为速度测量元件，它的结构简单，使用方便。
该设计利用霍尔开关元件测量转速时，在待测旋转体的转轴上装上一个圆盘，在圆盘上装上若干对小磁钢。
小磁钢越多分辨率越高。
霍尔开关固定在小磁钢附近，当旋转体以角速度ω旋转时，每当一个小磁钢转过霍尔开关时，它便会输出一个脉冲，计算出单位时间的脉冲数即可确定旋转体的转速。
增加磁钢数可以提高测量转速或转速的分辨率。
系统总体原理框图如图2.1所示。
图2.1系统的原理框图
第三章硬件电路的设计
3.1传感器的选择
传感器是将非电量转换为与之有确定对应关系电量输出的器件或装置，它本质上是非电系统与电系统之间的转换器件。
在非电量测量中，传感器是必不可少的转换元件。
利用半导体材料的各种物理效应，可以把被测物理量的变化转换为便于处理的电信号，从而制成各种半导体传感器。
随着材料科学的发展和固体物理效应的不断发现，新型的半导体敏感元件不断出现，目前已有热敏、光敏、磁敏、气敏、湿敏等多种类型。
制造半导体敏感元件的材料有半导体陶瓷和单晶材料，这两种材料是各有所长、互为补充的。
以半导体敏感元件为核心的半导体传感器，具有灵敏度高、响应速度快、结构简单、小型、轻量、价廉、寿命长、便于实现集成化和智能化等特点，在检测技术中正在得到日益广泛的应用。
在测量转速时最常用的传感器有光电编码器和霍尔元件。
方案一
选取光电编码盘作为传感器，用来检测电机转速的快慢。
光电编码盘是一种直接编码装置，它可以将角位移转换成数字信号与之对应的电脉冲进行输出。
光电编码器主要用于数控机床中，对机械角度位置和旋转速度的检测与控制。
光电编码器作为速度敏感元件，将速度大小转化为电脉冲频率的大小，具有低惯性、低噪声、高分辨率，高精度的优点。
光电编码器按编码原理划分，可划分为增量式和绝对式两种。
光电编码器可分为旋转式和直线式两种。
而旋转编码器可做成封闭型，一般价格较高，能承受恶劣条件。
在以光电编码器构成的测速系统中，常用的测速方法有三种，即“M法”、“T法”和“M/T法”。
方案二
选取霍尔传感器作为测量码盘转速的传感器,可以利用霍尔元件输出的脉冲来进行计时,从而计算出码盘的转速。
霍尔传感器是一种磁敏传感器，它由霍尔元件构成，霍尔元件是利用霍尔效应制成的磁敏元件。
在半导体薄片两端面通以控制电流I，在垂直方向上施加磁感应强度为B的磁场，那么，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电势UH（称为霍尔电势或霍尔电压），这种现象称为霍尔效应。
霍尔效应的产生是由于运行电荷受磁场中洛伦慈力作用的结果。
UH可用下式表示：
UH＝RHIB/d（3-1）
式中：
RH为霍尔常数；I为控制电流；B为磁感应强度；d为霍尔元件的厚度。
令KH＝RH／d，称为霍尔元件的灵敏度，则得：
UH＝KHIB（3-2）
由式3-2可知，霍尔电势的大小正比于控制电流I和磁感应强度B，一般采用RH大的N型半导体材料做霍尔元件，并且用溅射薄膜工艺使d做得很小。
霍尔传感器将霍尔元件、放大器、温度补偿电路及稳压电源做在一个芯片上构成霍尔传感器。
有些霍尔传感器的外形与PID封装的集成电路相同，故也称霍尔集成电路。
霍尔传感器分线性型及开关型两种，线性型的输出电压与外加磁场强度呈线性关系，开关型的输出电压仅为高低变化的电平。
由于本设计是利用单片机的T0口对外部脉冲的计数和定时的方法来实现单片机对于转速的测量，故在本方案中应用开关型霍尔传感器。
虽然光电编码器和霍尔元件作为传感器都可以实现对码盘转速的检测，但考虑到光电编码器上的二极管发射的红外线一旦受到外界的影响就可能无法通过码盘的反光面反射后被光敏三极管接收，就会对检测结果产生误差。
而利用霍尔传感器可以实现非接触式转速测量系统，它的好处在于没有磨损和扭矩损失，不发热，而且在很多情况下，采用永磁铁来产生磁场，毋需附加能源。
此外，霍尔传感器在低速方面有其独到的优势。
采用霍尔传感器与智能转速变送器或智能转速表相结合的测量系统，测量范围最低可测0.01转，精度可达0.1%。
鉴于以上霍尔传感器的诸多优点，在本次设计中，传感器选用霍尔元件作为转速检测的传感器。
码盘的制作
码盘是将一个圆形树脂板四等分，即以树脂板的圆心做空心轴，在树脂板的圆周每隔90度画一个圆点，在每个圆点处挖一个小坑，用来放置永磁铁，最后用万能胶把永磁铁粘在坑中，把此圆盘的空心轴固定在直流电机的转轴上。
如图3.1所示
小磁钢
图3.1码盘示意图
3.2霍尔式传感器的组成与基本特性
利用霍尔效应实现磁电转换的传感器称为霍尔式传感器，它应有几个基本组成部分：
霍尔元件、加于激励电极两端的激励电源、与霍尔电极输出端相连的测量电路、产生某种具有磁场特性的装置。
电路部分
传感器中的基本电路如图3.2所示。
激励电流I由电源UE供给，可以是直流电源或交流电源，电位器RP调节激励电流I的大小。
RL是霍尔元件输
图3.2霍尔电压的基本测量电路
出端的负载电阻，它可以是显示仪表或放大电路的输入电阻。
霍尔电势一般在毫伏数量级，在实际使用时必须加差分放大器。
霍尔元件大体分为线性测量和开关状态两种使用方式，因此输出电路有如图3.3所示的两种结构。
图3.3霍尔元件输出电路图
（a）线性应用；（b）开关应用
由于本次设计是采用单片机的T0口对外部脉冲计数和定时的方法来实现单片机对于转速的测量。
霍尔元件的线性型的输出电压与外加磁场强度呈线性关系，开关型的输出电压仅为高低变化的电平。
故在本方案中应用开关型霍尔传感器。
霍尔传感器的灵敏度和线性度等基本特性要取决于它的磁路系统和霍尔元件的特性，即磁场梯度的大小和均匀性、霍尔元件的材料、几何尺寸、电极的位置与宽度等。
另外，由3-2式可知，提高磁场的磁感应强度B和增大激励电流I，也可获得较大的霍尔电势。
但I的增大受到元件发热的限制。
由霍尔式传感器的可动部分只有霍尔元件，而霍尔元件具有小型、坚固、结构简单、无触点、电磁转换惯性小等特点，所以霍尔传感器动态性能好，只有在105Hz以上的高频时，才需要考虑频率对输出的影响。
3.3集成霍尔传感器
集成霍尔传感器是利用硅集成电路工艺将霍尔元件和测量线路集成在一起的新型霍尔传感器。
它具有可靠性高、体积小、重量轻、功耗低等优点，正越来越受到人们重视。
按照输出信号的形式，可以分为线性集成霍尔传感器和开关型霍尔传感器两种类型。
1．线性集成霍尔传感器
线性集成霍尔传感器是把霍尔元件和放大线路集成在一起的另一种新型霍尔传感器。
其输出信号与外加磁感的应强度成线性关系。
它有单端输出和双端输出（差动输出）两种电路。
其典型电路如图3.4所示。
图3.4线性集成霍尔传感器典型电路
图中V1、V2及R1～R5组成第一级差分放大，V3～V6、R6、R7组成第二级差分放大。
第二级差分放大采用达林顿对管，射极电阻R8外接，适当选取R8的阻值，可以调整该级的工作点，从而改变电路增益。
在电源电压为9V，R8取2kΩ时，全电路的增益可达1000倍左右，与分立元件传感器相比，灵敏度大为提高。
2．开关型集成霍尔传感器
开关型集成霍尔传感器是把霍尔元件的输出经过处理后输出一个高电平或低电平的数字信号。
其典型电路如图3.5所示。
其中H为霍尔元件，V1、V2及相应电阻构成差分放大器，将霍尔电压放大几十倍，并消除温度漂移影响，增强抗干扰能力。
V3、V4构成施密特触发器（射极耦合双稳态触发电路），将差分放大输出整形为矩形脉冲，并利用整形中的回差进一步提高抗干扰能力。
V5将整形后的脉冲倒相放大后加
图3.5霍尔开关集成电路原理线路图
至射极跟随器V6，V6将输出级和放大管V5隔离，以免带负载时影响霍尔集成电路性能，V8、V7构成双管集电极输出，同时输出两个功能相同、电平一致的信号，增加了使用上的方便。
开关型集成霍尔传感器的输出电平与磁场感应强度之间的关系如图3.6所示。
由图可见，开关型集成霍尔传感器的转移特性具有迟滞现象，这是由于V3、V4共有射极电阻的正反馈作用是它们的饱和电流不相等引起的，其回差宽度ΔB=BH-BL。
ΔB越大，抗干扰能力越强。
图3.6输出电平Uo与B的关系
由于霍尔开关为集电极开路输出，因此正常工作必须在引脚“3”与“4”之间或“2”与“4”之间接上负载电阻，两个集电极输出端也可以并联使用，此时输出电流能力增加1倍。
霍尔开关正常工作时，常态应处“截止状态”，而不宜处“导通状态”，这样可以延长使用寿命。
为防止电源线干扰，引脚“1”、“4”间可加接一个0.005μF～0.01μF的吸收电容。
信号采集电路
在信号采集部分选取霍尔元件UNG3144作为采集电路的传感器，UGN3144是工作于高温环境下的敏感型霍尔效应开关元件，其内部结构如图3.7所示
图3.7UGN3144引脚图及内部电路图
UGN3144具有以下特点：
1.于汽车或工业的优良器件
2.需加4.5V～24V的稳压电源
3.OC门输出电压适用数字电路
4.配合小型永磁体使用
5.体积小、干扰能力强
在本设计中所使用的UGN3144霍尔开关元件内置有OC门，所以要在元件输出端和电源接入端之间加上一个5kΩ的上拉电阻。
其具体电路如图3.8所示。
图3.8传感器信号采集电路
霍尔元件的输出端把电机的转速信号转换为脉冲信号，要检测电机的转速只需要检测出外部脉冲的转速即可。
在转速测量中选用89C51的T0口对传感器检测并整形的外部脉冲进行计时。
由于在码盘上安装的是4个磁铁，所以要检测到四个外部脉冲的时间才是电机实际上一周的转速。
把T0设置成跳沿触发方式,当第一个外部脉冲来临时单片机T0开始计脉冲的同时,T1开始计时,当对外部脉冲计满4个单片机产生中断时，停止对T1计时,完成对传感器测量电机一个周期的计时工作。
3.4信号处理电路
555定时器的结构与功能
555定时器是一种多用途的数字-模拟混合集成电路，利用它能方便地构成施密特触发器、单稳态触发器和多谐振荡器。
图3.11所示为国产双极型定时器CB555的电路结构图。
它由比较器C1和C2、基本RS触发器和集电极开路的放电三极管TD三部分组成。
VI1是比较器C1的输入端（也称阀值端，用TH标注），VI2是比较器C2的输入端（也称触发端，用
标注）。
C1和C2的参考电压（电压比较的基准）VR1和VR2由VCC三个5KΩ电阻分压给出。
在控制电压输入端VCO悬空时，VR1=
，VR2=
。
如果VCO外接固定电压，则VR1=VCO，VR2=
VCO。
D是置零输入端。
只要在
D端加上低电平，输出端Vo便立即被置成低电平，不受外界其他输入端状态的影响。
正常工作时必须使
D处于高电平。
图中数码1—8为器件引脚的编号。
由图可知，当VI1>VR1、VI2>VR2时，比较器C1的输出VC1=0、比较器C2的输出VC2=1，基本RS触发器被置0，TD倒通，同时VO为低电平。
当VI1VR2时，VC1=1、VC2=1，触发器的状态保持不变，因而TD和输出的状态也维持不变。
当VI1当VI1>VR1、VI2=1的状态，Vo=处于高电平，同时TD截止。
在本设计中虽然传感器可直接输出脉冲波形，但霍尔传感器输出脉冲的高电平时间会随被测物体转速的增加而逐渐变小，为了获得更加稳定可靠的脉冲信号，在信号处理电路中加入微分电路和单稳态延时触发电路。
具体电路如图3.9所示。
图3.9信号处理电路
在信号处理电路中（a）部分是由电容和电阻组成的微分电路。
在图中电容C与电阻R构成一个串联电路。
当输入电压为方波，且RC<
图3.10微分电路输入输出波形
单稳态延时触发电路
单稳态主要选用555定时器来实现把不同宽度的方波转化成相同宽度的脉冲，送给单片机进行周期测量，具体实现如图3.9b所示。
当电路在未受触发的预备状态即稳态时，DIS及F端（7脚及3脚）同时为地电平或低电平状态，同时电容C通过DIS接地。
复位端
虽然只要加上0.4—1V以上电压即可，但为防止干扰的影响，还是应连接到电源VCC才能保证可靠工作。
C2接在地和5脚之间，它的作用是防止干扰，以免改变预先设定的单稳定时间隔（脉宽）。
C1和R1微分电路将触发脉冲变成脉宽约1μs的窄脉冲去触发第2脚（下跳沿起作用），这样可以避免上跳沿形成的误触发。
当
端由输入脉冲下跳沿触发且脉冲电压低于VCC的三分之一时，内部触发比较器翻转就使内部触发器（FF）置位，于是进入准稳态——输出F为高电平，放电端DIS内部开路，从而解除了电容C的箝位。
电源电压开始通过定时R向C充电，充电时间常数为RC。
直至C上电压VRC上升达VCC的三分之二时，阀值比较器翻转使内部FF复位，这时准稳态结束又回到稳态，DIS端内部管子导通，使C迅速放电到地电位，输出F端回到低电平。
电路一旦受触发后，在准稳态期间再次出现触发脉冲就不再起任何作用，但是复位端
若下降为低电平（0.4V以下），则可以使准稳态提前结束。
单稳延时即准稳态时间t是C上电压从零充电至VCC的三分之二，即满足下式
△V=
VCC=VCC（1-e-t/RC）
由此可得延时或定时时间为
T=-RCln（1/3）≈1.1RC
被测电路的最大转速是1000转/分，而码盘上安装4个永磁铁，所以检测到的最小周期是15ms，当电阻R51选为70k时，电容选用0.1μ，电阻选为200Ω时，电路中的单稳时间可达到2ms。
AT89C51的概述
AT89C51是一种低功率、低电压、高性能的8位单片机，片内带有一个4K字节的Flash可编程可擦除EPROM，它是一种功能很强、灵活性高且价格合理的单片机，可方便地应用在各种控制领域。
在此次设计中主要应用的是AT89C51的特殊功能口P3口：
RXD（P3.0）：
串行输入口
TXD（P3.1）：
串行输出口
INT0非（P3.2）:
外部中断0
INT1非（P3.3）:
外部中断1
T0（P3.4）：
定时器0外部输入端
T1（P3.5）：
定时器1外部输入端
单片机的复位电路
复位是单片机的初始化操作，只要给单片机的RESET引脚加上2个机器周期以上的高电平信号，就可以使MCS-51单片机复位。
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