基于霍尔传感器的电机转速测量系统目 录1.3 设计任务与要求21.3.1 设计任务21.3.2 设计要求21.4 小结22 课题方案设计32.1 系统总体设计要求32.2 系统模块结构论证32.2.1 霍尔测速模块论证与选择32.2.2 计数器模块论证与选择32.2.3 显示模块论证与选择32.2.4 报警模块论证与选择42.2.5 电源模块论证与选择42.2.6 单片机模块论证与选择42.3 转速测量方案论证42.3.1 方案一电机轴一侧贴磁片42.3.2 方案二电机转轴加测速转盘52.3.3 方案对比52.4 小结53 系统总体设计63.1 总体硬件设计63.1.1 硬件原理图63.1.2 硬件电路设计总图63.2 系统子模块简介73.2.1 传感器部分83.2.2 计数器83.2.3 处理器83.2.4 LCD显示部分83.2.5 外接报警部分84 软件设计104.1 程序设计步骤104.2 程序流程图104.2.1 主程序流程图114.2.2 中断服务流程图124.3 软件程序设计144.3.1 主程序设计144.3.2 中断服务程序设计164.3.3 显示程序设计164.3.4 报警程序设计184.3.5 转速程序的设计184.3.6 软件程序基础知识准备195 软件调试205.1 Proteus及KEIL软件简介205.1.1 Proteus软件205.1.2 KEIL软件205.2 应用KEIL软件进行程序调试215.3 Proteus软件仿真215.3.1 仿真步骤215.3.2 仿真实例225.4 硬件软件联合调试255.4.1 联调步骤255.4.2 搭接检查步骤266 结 论27附 录28参考文献34致 谢35341.3 设计任务与要求1.3.1 设计任务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，能够实现在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。1.3.2 设计要求首先选定传感器，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。其次设计一个单片机小系统，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。再次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05000r/min。2 课题方案设计2.1 系统总体设计要求如果把霍尔传感器按预定位置有规律地布置在轨道上，当永磁体经过它时，可以从测量电路上测得脉冲信号。根据脉冲信号的分布可以测出电机速度。2.2 系统模块结构论证2.2.1 霍尔测速模块论证与选择方案一：采用霍尔元件传感器即霍尔片；霍尔片可分为贴片型和直插型。由于贴片型不常用，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，且与普通的磁钢片配套使用，价格一般为2.53元。方案二：采用霍尔传感器；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1215v。体积大，价格一般为40120元之间不等。从性价比方面综合考虑因此选择方案一。2.2.2 计数器模块论证与选择可以采用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用8253等片外的专用计数芯片进行脉冲计数，单片机控制8253的技术过程，并在技术完毕后读取计数值。片内计数方案是指采用单片机的内部计数器完成对脉冲的计数过程。使用片内的计数器的优点在于降低单片机系统的成本。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的中断溢出次数就是所需要计的脉冲数。特点在于：使用了内部的T1作为外部脉冲的计数器，并且，为了避免计数器的溢出，将T1的初值设为0。 2.2.3 显示模块论证与选择方案一：采用8段LED数码管作为显示模块核心。数码管显示器件相对便宜，但是耗能大、编写程序相对麻烦，工作量大。方案二：采用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。2.2.4 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。该方案不论在硬件和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。2.2.5 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。2.2.6 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、资源丰富，有各种不同的规格，最快的达100MPS ，引脚还可编程确定功能方案二：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，所以我还是选用了方案一中51系列的单片机，因为51的架构十分典型。选择方案一中51系列单片机我认为主要考虑以下方面：1.价格便宜；2.开发手段便宜；3.自己动手焊接相对容易。2.3 转速测量方案论证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4。2.3.1 方案一电机轴一侧贴磁片使用霍尔传感器获得脉冲信号，其机械结构也可以做得较为简单，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。如果在圆周上粘上多粒磁钢，可以实现旋转一周，获得多个脉冲输出。在粘磁钢时要注意，霍尔传感器对磁场方向敏感，粘之前可以先手动接近一下传感器，如果没有信号输出，可以换一个方向再试5。2.3.2 方案二电机转轴加测速转盘传感器采用霍尔器件将电机的转速转化为脉冲信号，处理器采用89C205l单片机.计数器采用单片机片内汁数器完成对脉冲的计数，显示器采用字符型液晶显示器1602进行显示。系统原理框图如图3-1所示。系统工作过程：测量转速的霍尔传感器与机轴相连接，机轴每转一周，产生一定的脉冲个数，霍尔器件电路部分输出，成为转速计数器的计数脉冲。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CPU将数据处理后，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，磁钢采用永久磁6。图2-1霍尔传感器检测信号图2.3.3 方案对比方案一与方案二综合进行对比，发现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。2.4 小结 本章通过总体设计进行对方案选择的最终确定，研究了霍尔测速、计数器、显示、报警、电源、单片机等各部分模块的可行性方案。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 系统总体设计3.1 总体硬件设计基于霍尔传感器的速度测量系统工作过程是：测量转速的霍尔传感器和机轴同轴连接，机轴每转一周，产生一定量的脉冲个数，由霍尔器件电路部分输出。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，保持同89C51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。CPU将该值数据处理后，在LCD上显示出来。一旦超速，CPU通过喇叭和指示灯发出声、光报警信号7。3.1.1 硬件原理图以单片机AT89C5l为控制核心，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控制)显示的小型直流电动机转速的方法，是数字式测量方法，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3.1.2 硬件电路设计总图在原理图基础上对各部分进行了详细的设计，硬件电路图如图3-2所示。 图3-2硬件电路图3.2 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法。系统以单片机AT89C5l为控制核心.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，经过单片机数据处理，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控制、系统工作时间、当前时间及电机状态的显示。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、处理器、计数器和显示器四个部分组成。3.2.1 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转速转化为脉冲信号；第二个部分是使用光耦，将传感器输出的信号和单片机的计数电路两个部分隔开，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=6.004mm，长度为L=3.032mm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3.2.2 计数器片内计数方案是指采用单片机的内部计数器完成对脉冲的计数过程。3.2.3 处理器处理器是单片机，采用的是89C51单片机。3.2.4 LCD显示部分显示部分有两个功能，在正常的情况下，通过LCD显示当前的频率数值，当电机的转速超出一定的范围后，通过灯光和蜂鸣器进行报警。3.2.5 外接报警部分在单片机应用的设计上，很多方案都会用到蜂鸣器，大部分都是使用蜂鸣器来做提示或报警。用I/O定时翻转电平来产生驱动波形的方式会比较麻烦一点，必须利用定时器来做定时，通过定时翻转电平产生符合蜂鸣器要求的频率的波形，这个波形就可以用来驱动蜂鸣器了。比如为2500Hz的蜂鸣器的驱动，可以知道周期为400s，这样只需要驱动蜂鸣器的I/O口每200s翻转一次电平就可以产生一个频率为2500Hz，占空比为1/2duty的方波，再通过三极管放大就可以驱动这个蜂鸣器了。由于蜂鸣器的工作电流一般比较大，以致于单片机的I/O口是无法直接驱动的，所以要利用放大电路来驱动，一般使用三极管来放电流就可以了10。4 软件设计4.1 程序设计步骤第一步分析问题，明确任务要求，对于复杂的问题，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。第二步确定算法，即根据实际问题和指令系统的特点确定完成这一任务须经历的步骤。第三步根据所选择的算法，确定内存单元的分配：使用那些寄存器：程序运行中的中间数据及结果存放在那些单元，以利于提高程序的效率和运行速度：然后制定出解