畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）基于霍爾傳感器的電機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、摘要在當(dāng)今工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，越來(lái)越多的場(chǎng)合需要測(cè)量電機(jī)的轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速已成為電機(jī)最重要的工作參數(shù)之一。測(cè)量轉(zhuǎn)速的方法有許多，最常用的兩種方法為：光電式傳感器測(cè)轉(zhuǎn)速，霍爾式傳感器測(cè)轉(zhuǎn)速。本文將著重介紹基于單片機(jī)的霍爾式傳感器測(cè)量轉(zhuǎn)速。關(guān)鍵詞：霍爾傳感器，單片機(jī)，轉(zhuǎn)速。目錄1引言.22設(shè)計(jì)要求.23方案論證.23.1測(cè)量方法的選型.33.2核心處理模塊的方案.33.2.1控制芯片的選型.33.2.2采用51單片機(jī)測(cè)量的方案論證.43.2.3軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案.43.3電機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量模塊的方案.53.4電機(jī)轉(zhuǎn)速控制方案.53.5顯示模塊方案.64系統(tǒng)設(shè)計(jì).6 4.1單片機(jī)模塊.64.1.1 51單片機(jī)介紹.6

2、4.1.2系統(tǒng)的復(fù)位電路.84.1.3系統(tǒng)時(shí)鐘電路設(shè)計(jì).84.1.4 io口管腳分配.94.2電機(jī)轉(zhuǎn)速控制.94.3顯示模塊.104.3.1 lcd1602介紹和指令.10 4.3.2lcd1602的工作時(shí)序 .134.4霍爾傳感器模塊.135. 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì).145.2程序模塊.155.2.1數(shù)據(jù)采集處理部分和pwm輸出部分.155.2.2 lcd1602顯示部分.16參考文獻(xiàn).17原理圖.181. 引言轉(zhuǎn)速是電動(dòng)機(jī)極為重要的一個(gè)狀態(tài)參數(shù)，在很多運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的測(cè)控中，都需要對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行測(cè)量，速度測(cè)量的精度直接影響系統(tǒng)的控制情況,它是關(guān)系測(cè)控效果的一個(gè)重要因素。不論是直流調(diào)速系統(tǒng)還是交流調(diào)速系

3、統(tǒng),只有轉(zhuǎn)速的高精度檢測(cè)才能得到高精度的控制系統(tǒng)。本系統(tǒng)以at89c51單片機(jī)為控制核心，用霍爾傳感器作為測(cè)量小型直流電機(jī)轉(zhuǎn)速的檢測(cè)元件，經(jīng)過(guò)單片機(jī)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理，用lcd1602顯示小型直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速。本系統(tǒng)可對(duì)轉(zhuǎn)速03000r/min進(jìn)行高精度測(cè)量。且還可擴(kuò)展更寬的測(cè)量范圍。2. 設(shè)計(jì)要求基于霍爾傳感器的電機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)，測(cè)量范圍：0-3000轉(zhuǎn)/分，測(cè)量精度：3轉(zhuǎn)/分，實(shí)時(shí)顯示。3. 方案論證根據(jù)題設(shè)要求，本系統(tǒng)的原理框圖如圖3-1所示顯示模塊霍爾傳感器單片機(jī)控制模塊電機(jī)電機(jī)轉(zhuǎn)速控制 圖3-1：原理框圖3.1測(cè)量方法的選型對(duì)轉(zhuǎn)速的測(cè)量實(shí)際上是對(duì)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)引起的周期脈沖信號(hào)的頻率進(jìn)行測(cè)量，

4、其中測(cè)頻率的方法有許多，最常用的方法有兩種：等精度測(cè)量法和計(jì)數(shù)測(cè)頻法。等精度測(cè)量法精度很高常常用于工業(yè)測(cè)量，但實(shí)現(xiàn)該方法比較困難要求比較高。計(jì)數(shù)測(cè)頻率的測(cè)量精度次之，由于量化誤差的存在，它的精度受頻率的高低影響，頻率越高，測(cè)量精度越高，反之亦然。但實(shí)現(xiàn)該方法簡(jiǎn)單，要求不高。所以由于本人所學(xué)有限，在本設(shè)計(jì)中將選擇計(jì)數(shù)測(cè)頻法，計(jì)數(shù)測(cè)頻的方法一般有兩種方法：方法1：測(cè)頻率法在一定的時(shí)間間隔t內(nèi)，計(jì)數(shù)被測(cè)信號(hào)變化的次數(shù)n，則被測(cè)信號(hào)的頻率為 f=nt 。優(yōu)點(diǎn)： 適合測(cè)頻率較高的情況。缺點(diǎn)：不適用于測(cè)低頻。方法2：測(cè)周期法在被測(cè)信號(hào)的n個(gè)周期內(nèi)，計(jì)數(shù)時(shí)鐘個(gè)數(shù)數(shù)為m，周期為t，則測(cè)被測(cè)信號(hào)的頻率可表示為

5、f=n/mt優(yōu)點(diǎn)：適合測(cè)低頻，能提高測(cè)頻精度。缺點(diǎn)：不適合測(cè)高頻，要想測(cè)高頻，則必須提高處理器的能力。本次設(shè)計(jì)將選用方法一，和方法二的組合。3.2核心處理模塊的方案3.2.1 控制芯片的選型方案一：用stm32做核心控制器。stm32是32位單片機(jī)，處理速度快，最大時(shí)鐘頻率能達(dá)到72mhz。內(nèi)部資源豐富，具有大容量的內(nèi)置閃存，在32k-128k之間。內(nèi)置豐富的外部中斷和定時(shí)器，豐富的io接口，最多可達(dá)112個(gè)，自帶ad，da轉(zhuǎn)換器，且功耗非常低，穩(wěn)定性非常高?？傊畇tm32的功能非常強(qiáng)大，適合做比較大的系統(tǒng)，是51單片機(jī)不能比擬的。缺點(diǎn)：成本比較貴，編程復(fù)雜，畫板子比較麻煩。方案二：用at89

6、c51做核心控制器。at89c51是一種8位單片機(jī)，工作時(shí)鐘快，具有4k的閃存，使用壽命長(zhǎng)，可擦寫循環(huán)1000次以上，功耗低，穩(wěn)定性高，價(jià)錢非常低廉，編程簡(jiǎn)單，非常實(shí)用，適合小系統(tǒng)設(shè)計(jì)。缺點(diǎn)：閃存小，不能進(jìn)行大系統(tǒng)開發(fā)，內(nèi)部資源少。本課題整個(gè)系統(tǒng)比較小，若使用stm32做核心控制器將造成巨大的資源浪費(fèi)，會(huì)增加成本，不適宜大規(guī)模的推廣。而使用51單片機(jī)，價(jià)格低廉，操作簡(jiǎn)單，內(nèi)部資源完全滿足本系統(tǒng)的開發(fā)要求。所以綜上所訴，本設(shè)計(jì)選擇方案二。3.2.2采用51單片機(jī)測(cè)量的方案論證根據(jù)題設(shè)要求，最大測(cè)量轉(zhuǎn)速為3000r/min，即50r/s，一轉(zhuǎn)所花最小時(shí)間為20ms。采用分辨率為36的測(cè)量精度，即有

7、36個(gè)磁鋼，則磁鋼與磁鋼之間所花最小時(shí)間為20/36=0.56ms。若單片機(jī)采用11.0592mhz的晶振，則執(zhí)行一條指令的時(shí)間大約為1us，進(jìn)入中斷的時(shí)間只需幾微秒，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于磁鋼與磁鋼之間所花的最小時(shí)間。所以完全可以忽略單片機(jī)在執(zhí)行程序時(shí)所花的時(shí)間對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。因此用51單片機(jī)完全能夠滿足測(cè)量要求，不需要運(yùn)行速度更快的單片機(jī)。由以上所訴該方案可行。3.2.3軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案題設(shè)要求為0-3000r/min，所以我有以下三種方案方案一：在低轉(zhuǎn)速和高轉(zhuǎn)速時(shí)都選擇1分鐘為閘門時(shí)間，則計(jì)數(shù)器所得值m，除以磁鋼個(gè)數(shù)n，即得轉(zhuǎn)速r=m/n。缺點(diǎn)：不管是低轉(zhuǎn)速，還是高轉(zhuǎn)速等待時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，對(duì)測(cè)量高轉(zhuǎn)速不適

8、宜，適宜測(cè)量低轉(zhuǎn)速，但對(duì)于。方案二：根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)速快慢智能判斷閘門時(shí)間。在1s內(nèi)判斷通過(guò)磁鋼的個(gè)數(shù)，如果大于等于360個(gè)（即大于等于600轉(zhuǎn)/分），則計(jì)算算出轉(zhuǎn)速。如果小于360個(gè)則延長(zhǎng)閘門時(shí)間至10秒，計(jì)算通過(guò)磁鋼個(gè)數(shù)，如果大于等于360個(gè)（即大于等于60轉(zhuǎn)/分），計(jì)算出轉(zhuǎn)速。如果小于360個(gè)則再延長(zhǎng)閘門時(shí)間至60s，計(jì)算通過(guò)磁鋼的個(gè)數(shù)，計(jì)算出轉(zhuǎn)速。根據(jù)題設(shè)要求測(cè)量誤差不能大于正負(fù)3轉(zhuǎn)/分。而本設(shè)計(jì)最大測(cè)量誤差為5/36=0.14轉(zhuǎn)/分（大于1轉(zhuǎn)/分時(shí)），當(dāng)且僅當(dāng)在閘門時(shí)間為1s時(shí)可能取得。優(yōu)點(diǎn)：該方法對(duì)測(cè)量大于等于600轉(zhuǎn)/分的轉(zhuǎn)速所花時(shí)間較短缺點(diǎn)：對(duì)量小于等于600轉(zhuǎn)/分的轉(zhuǎn)速所花時(shí)間較長(zhǎng)

9、，不過(guò)為了提高測(cè)量精度只好延長(zhǎng)時(shí)間。方案三：在高轉(zhuǎn)速時(shí)（大于等于600轉(zhuǎn)/分），選用測(cè)頻法，即與方案二測(cè)高轉(zhuǎn)速的方法一樣。在低轉(zhuǎn)速（小于600轉(zhuǎn)/分），選用周期測(cè)頻法。這樣既可提高測(cè)量速度，又可提高精度。綜上所訴方案三更好，所以本課題選擇方案三。3.3電機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量模塊的方案 采用開關(guān)型霍爾傳感器進(jìn)行測(cè)速?；魻栭_關(guān)傳感器測(cè)頻法測(cè)速原理：小磁鐵固定在轉(zhuǎn)盤上，轉(zhuǎn)盤與電機(jī)軸相連，同步轉(zhuǎn)動(dòng)，小磁鐵通過(guò)霍爾傳感器時(shí)，霍爾傳感器產(chǎn)生一個(gè)相應(yīng)的脈沖，我們?cè)趩挝粫r(shí)間內(nèi)計(jì)算脈沖的個(gè)數(shù)，再除以小磁鐵的個(gè)數(shù)，得到的值即為電機(jī)的轉(zhuǎn)速，其中小磁鐵的個(gè)數(shù)即為分辨率的值，小磁鐵越多分辨率越高，測(cè)量精度越高。在本課題中將采用分

10、辨率為36進(jìn)行測(cè)量。這樣能夠減小由計(jì)數(shù)法測(cè)頻所引起的正負(fù)1個(gè)脈沖（量化誤差）誤差的影響。3.4電機(jī)轉(zhuǎn)速控制方案采用按鍵控制pwm的輸出脈寬從而控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，方便測(cè)量電機(jī)不同的轉(zhuǎn)速。3.5顯示模塊方案方案一：選用數(shù)管顯示，顯示單一。方案二：選用lcd1602顯示，顯示豐富。由于數(shù)碼管顯示內(nèi)容單一，所以我選擇顯示內(nèi)容更豐富的方案二。4. 系統(tǒng)設(shè)計(jì)本系統(tǒng)選用的模塊包括：?jiǎn)纹瑱C(jī)系統(tǒng)，轉(zhuǎn)速測(cè)量模塊，lcd顯示模塊，控制電機(jī)轉(zhuǎn)速模塊。4.1單片機(jī)模塊本課題選用at89c51單片機(jī)作為主控器4.1.1 51單片機(jī)的介紹 52單片機(jī)引腳圖如圖4-1所示：圖 4-1：?jiǎn)纹瑱C(jī)引腳圖主要特性：4k字節(jié)可編程閃爍存

11、儲(chǔ)器壽命：1000寫/擦循環(huán)數(shù)據(jù)保留時(shí)間：10年32可編程i/o線5個(gè)中斷源，兩個(gè)外部中斷，兩個(gè)定時(shí)器中斷，一個(gè)串口中斷有一個(gè)串口低功耗的閑置和掉電模式管腳說(shuō)明：1.40腳vcc用于接電源正極。2.20腳gnd接電源負(fù)極。3. p1，p2為雙向io口。4. p0口在作為輸出口是一般要接上拉電阻，增大驅(qū)動(dòng)能力。5. p3口除了作為io口外，還有復(fù)用功能,復(fù)用功能如下表4-1表4-1引腳復(fù)用名稱復(fù)用功能p30rxd串行數(shù)據(jù)接收p31txd串行數(shù)據(jù)發(fā)送p32int0外部中斷0p33int1外部中斷1請(qǐng)求p34t0定時(shí)器/計(jì)數(shù)器0p35t1定時(shí)器/計(jì)數(shù)器1p36wr外部ram寫選通p37rd外部ram

12、讀選通6. psen：外部程序存儲(chǔ)器的選通信號(hào)。7. xtal1：反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時(shí)鐘工作電路的輸入。8. xtal2：來(lái)自反向振蕩器的輸出。9. 9腳rst復(fù)位腳4.1.2系統(tǒng)的復(fù)位電路復(fù)位電路是整個(gè)系統(tǒng)重要的一環(huán)，當(dāng)運(yùn)行出錯(cuò)時(shí)可以按下復(fù)位按鍵復(fù)位，不需斷電重新操作。本復(fù)位電路選擇上電自動(dòng)復(fù)位電路。如圖4-2所示。當(dāng)電路上電時(shí)，由于電容兩端的電壓不可跳變，所rst端會(huì)是高電平，系統(tǒng)復(fù)位。等電容充電完成后，rst端變?yōu)榈碗娖剑到y(tǒng)正常工作。圖4-2：復(fù)位電路4.1.3系統(tǒng)時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)時(shí)鐘電路為整個(gè)系統(tǒng)提供時(shí)鐘，是整個(gè)系統(tǒng)不可缺少的一環(huán)。它控制著系統(tǒng)的運(yùn)行速率，采用的時(shí)鐘晶振越大運(yùn)行速

13、率越快。由于受51單片機(jī)自身限制，時(shí)鐘晶振也不能選擇過(guò)大，51單片機(jī)能支持幾十兆的晶振。在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，選用11.0592mhz的晶振，目的是為了是在使用定時(shí)器時(shí)，更加方便精準(zhǔn)，提高測(cè)量精度。晶振電路如圖4-3所示。在選擇晶振兩邊的電容時(shí)不宜選擇過(guò)大。當(dāng)電容太大時(shí)晶振不能正常起振，導(dǎo)致系統(tǒng)不能正常工作。本次選擇30pf的電容。圖4-3：時(shí)鐘電路4.1.4 io口管腳分配1. 傳感器輸出接口p3.5i/o口，用于計(jì)數(shù)脈沖個(gè)數(shù)。2. 對(duì)按鍵進(jìn)行i/o口分配，將選用兩個(gè)按鍵，一個(gè)用于增大pwm輸出的占空比，即增大轉(zhuǎn)速，分配管腳為p1.0；一個(gè)用于減小pwm的占空比，即減小轉(zhuǎn)速，分配管腳為p1.1 。

14、3. pwm輸出i/o分配：選p1.7作為模擬pwm輸出口4. lcd顯示i/o口分配：p0口接lcd的數(shù)據(jù)傳送接口，p2.0p2.2作為作為lcd的控制接口，分別接lcd的e（使能端），rw（讀寫端），rs（數(shù)據(jù)/命令端）4.2電機(jī)轉(zhuǎn)速控制控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速的快慢，也就相當(dāng)于控制電機(jī)兩端電壓的大小，控制電壓的大小可以選擇da數(shù)模轉(zhuǎn)換器，也可以選擇pwm輸出控制。若用da控制，則會(huì)多增加芯片，沒有直接用pwm控制那么實(shí)用。pwm可以直接由單片機(jī)模擬輸出，操作方便簡(jiǎn)單，所以本次選擇pwm來(lái)控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。pwm的全稱是pulse width modulation,即脈寬調(diào)制變換器。它的作用是把恒定的直

15、流電源電壓調(diào)制成頻率一定，寬度可變的脈沖電壓序列，從而改變平均輸出電壓的大小，以調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。在電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，由于電機(jī)本身要切割磁感線從而產(chǎn)生自身感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，如果把電機(jī)電源直接與單片機(jī)系統(tǒng)共用一個(gè)電源，則會(huì)對(duì)整個(gè)控制系統(tǒng)產(chǎn)生巨大的影響，使整個(gè)系統(tǒng)不能正常的工作。為了消除這一影響，采用光耦耦合器把電機(jī)和單片機(jī)分開，從而達(dá)到消除這一影響的目的。為了控制pwm的占空比，我選用兩個(gè)按鍵來(lái)控制。具體電路如圖4-4所示：圖4-4按鍵s2增加pwm占空比，即增加轉(zhuǎn)速。按鍵s3減少pwm占空比，即減小轉(zhuǎn)速。單刀key1：電機(jī)開關(guān)。4.3顯示模塊4.3.1 lcd1602介紹和指令 本次顯示模塊選用lcd160

16、2，lcd液晶也叫1602字符型液晶它是一種專門用來(lái)顯示字母、數(shù)字、符號(hào)、等的點(diǎn)陣型液晶模塊，它由32個(gè)5*7或者5*11點(diǎn)陣字符位組成，每個(gè)點(diǎn)陣字符位都可以顯示一個(gè)字符，不能顯示漢字和圖片。lcd1602的引腳說(shuō)明即指令說(shuō)明分別如表4-1，表4-2所示所示，表4-1引腳引腳名電平輸入/輸出作用1gnd電源地2vcc電源正極3vee對(duì)比調(diào)整電壓4rs0/1輸入0：輸入指令 1：輸入數(shù)據(jù)5r/w0/1輸入0：寫入數(shù)據(jù)或指令；1：從lcd讀數(shù)據(jù)6e1,10輸入使能信號(hào)，1讀取信息10（下降沿）執(zhí)行指令7db00/1輸入/輸出數(shù)據(jù)總線08db0/1輸入/輸出數(shù)據(jù)總線19db0/1輸入/輸出數(shù)據(jù)總線2

17、10db0/1輸入/輸出數(shù)據(jù)總線311db0/1輸入/輸出數(shù)據(jù)總線412db0/1輸入/輸出數(shù)據(jù)總線513db0/1輸入/輸出數(shù)據(jù)總線614db0/1輸入/輸出數(shù)據(jù)總線715a+vcclcd背光電源正極16k接地lcd背光電源負(fù)極 表4-2指令功能指令編碼rsr/wdb7db6db5db4db3db2db1db0清屏00000000001光標(biāo)歸位000000001x進(jìn)入設(shè)置模式00000001i/ds顯示開關(guān)控制0000001dcb設(shè)置顯示屏或光標(biāo)的移動(dòng)方向000001s/cr/lxx功能設(shè)置00001dnfxx設(shè)定cgram地址0001cgram的地址（6位）設(shè)定ddram地址001ddra

18、m的地址（7位）讀取忙碌信號(hào)或ac地址011：忙0：操作ac內(nèi)容（7位）寫數(shù)據(jù)到ddram或cgram10寫入數(shù)據(jù)d7-d0從ddram或cgram讀出數(shù)據(jù)11讀出數(shù)據(jù)d7-d0lcd1602液晶顯示電路如圖4-5所示：圖4-5：液晶顯示電路4.3.2lcd1602的工作時(shí)序 lcd的工作時(shí)序如圖4-6所示圖4-6：lcd1602的工作時(shí)序基本操作時(shí)序：讀狀態(tài) rs=l，rw=h，e=h 輸出：db0db7=狀態(tài)字寫指令 rs=l，rw=l，e=下降沿 db0db7=指令碼讀數(shù)據(jù) rs=h，rw=h，e=h 輸出：db0db7=數(shù)據(jù)寫數(shù)據(jù) rs=h，rw=l，e=下降沿 db0db7=數(shù)據(jù)4.4霍爾傳感器模塊霍爾傳感器選用gs3020，gs3020共有三個(gè)管腳：1腳vcc接電源正極；2腳信號(hào)輸出端；3腳接電源負(fù)極測(cè)速電路如圖4-7所示，其中c5用于率電源濾波，c4用于霍爾元件輸出信號(hào)的濾波，用一個(gè)比較器lm324把輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換成方波，以便于單片機(jī)計(jì)數(shù)。將lm324的輸出端與單片的p3.5口相連，它是計(jì)數(shù)器1的輸入口。在這兒我們將采用16位計(jì)數(shù)器。圖4-7：測(cè)速模塊5.軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)整個(gè)軟件系統(tǒng)的工作流程如圖5-1所示：lcd顯示數(shù)據(jù)處理算法頻率采集pwm輸出，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)開始lcd，定時(shí)器，計(jì)數(shù)器初始化 圖5-1：系統(tǒng)工作流程圖5.2程序模塊整個(gè)系統(tǒng)的程序模塊包括3部分：1. 數(shù)據(jù)采