基于霍爾傳感器的轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)設(shè)計

1、基于霍爾傳感器的轉(zhuǎn)速測量姓名：*班級：*學(xué)號：* 指導(dǎo)老師：* 基于霍爾傳感器的轉(zhuǎn)速測量摘 要本文介紹一種用STC89C51單片機(jī)測量小型電動機(jī)轉(zhuǎn)速的方法，霍爾傳感器的工作原理，闡述了霍爾傳感器測速系統(tǒng)的工作過程，利用脈沖計數(shù)法實(shí)現(xiàn)了對轉(zhuǎn)速的測量，通過LCD直觀地顯示電機(jī)的轉(zhuǎn)速值。結(jié)合硬件電路設(shè)計，采用模塊化方法進(jìn)行了軟件設(shè)計。編制了電機(jī)轉(zhuǎn)速的測量設(shè)計了測量模塊、轉(zhuǎn)速模塊、顯示模塊等的C51程序。系統(tǒng)以單片機(jī)STC89C51為控制核心，用霍爾集成傳感器作為測量小型直流電機(jī)轉(zhuǎn)速的檢測元件，經(jīng)過單片機(jī)數(shù)據(jù)處理，用8位LED數(shù)碼管動態(tài)顯示小型直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速。關(guān)鍵詞：單片機(jī)；轉(zhuǎn)速測量；霍爾傳感器背景：

2、在直流電機(jī)的多年實(shí)際運(yùn)行的過程中，機(jī)械測速電機(jī)不足之處日益明顯，其主要表現(xiàn)為直流測速電機(jī)DG中的炭刷磨損及交流測速發(fā)電機(jī)TG中的軸承磨損，增加了設(shè)備的維護(hù)工作量，也隨著增加了發(fā)生故障的可能性；同時機(jī)械測速電機(jī)在更換炭刷及軸承的檢修作業(yè)過程中，需要將直流電動機(jī)停運(yùn)，安裝過程中需要調(diào)整機(jī)械測速電機(jī)軸與主電機(jī)軸的同軸度，延長了檢修時間，影響了設(shè)備的長期平穩(wěn)運(yùn)行。隨著電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展，一些新穎器件的不斷涌現(xiàn)，原有器件的性能也隨著逐漸改進(jìn)，采用電力電子器件構(gòu)成的各種電力電子電路的應(yīng)用范圍與日俱增。因此采用電子脈沖測速取代原直流電動機(jī)械測速電機(jī)已具備理論基礎(chǔ)，如可采用磁阻式、霍爾效應(yīng)式、光電式等方式

3、檢測電機(jī)轉(zhuǎn)速。經(jīng)過比較分析后，決定采用測速齒輪和霍爾元件代替原來的機(jī)械測速電機(jī)?；魻杺鞲衅髯鳛闇y速器件得到廣泛應(yīng)用?；魻杺鞲衅魇抢没魻栃?yīng)實(shí)現(xiàn)磁電轉(zhuǎn)換的一種傳感器?；魻栃?yīng)這種物理現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)，雖然已有一百多年的歷史，但是直到20世紀(jì)40年代后期，由于半導(dǎo)體工藝的不斷改進(jìn)，才被人們所重視和應(yīng)用。我國從70年代開始研究霍爾器件,經(jīng)過20余年的研究和開發(fā),目前已經(jīng)能生產(chǎn)各種性能的霍爾元件,霍爾傳感器具有靈敏度高、線性度好、穩(wěn)定性高、體積小和耐高溫等特點(diǎn)。（一） 轉(zhuǎn)速的測量原理轉(zhuǎn)速是工程中應(yīng)用非常廣泛的一個參數(shù)，而隨著大規(guī)模及超大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字測量系統(tǒng)得到普遍應(yīng)用，利用單片機(jī)對脈沖數(shù)字

4、信號的強(qiáng)大處理能力，應(yīng)用全數(shù)字化的結(jié)構(gòu)，使數(shù)字測量系統(tǒng)的越來越普及。在測量范圍和測量精度方面都有極大的提高。轉(zhuǎn)速的測量方法有很多，由于轉(zhuǎn)速是以單位時間內(nèi)的轉(zhuǎn)速來衡量的，所以本文采用霍爾元器件測量轉(zhuǎn)速。霍爾器件是有半導(dǎo)體材料制成的一種薄片，其長為l，寬為b，厚度為d。若在垂直于薄片方向（即沿厚度d的方向）施加外磁場，在沿長為l的方向的兩端面加外電場，則其內(nèi)部會有一定的電流通過。由于電子在磁場中運(yùn)動，所以將受到一個洛侖茲力，其大小為： F=qVB,式中：F為洛倫茲力；q為載流子電荷，V為載流子運(yùn)動速度，B為磁感應(yīng)強(qiáng)度。 由于受洛倫茲力，電子的運(yùn)動方向軌跡將發(fā)生偏移，在霍爾元器件薄片的兩個側(cè)面分別產(chǎn)

5、生電茲積聚或電荷過剩，形成霍爾電場。在霍爾器件兩個側(cè)面間形成的電位差為霍爾電壓，其大小為： U=RBI/d式中：R為霍爾常數(shù)，I為控制電流。設(shè)K=R/d,它稱為霍爾器件的靈敏系統(tǒng)，表示該霍爾元件在單位磁感應(yīng)強(qiáng)度和單位控制電流下輸出霍爾電動勢的大小。若控制電流保持不變，則霍爾感應(yīng)電壓將隨外界磁場強(qiáng)度而變化。（二）轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)組成框圖系統(tǒng)由霍爾元件傳感器、信號預(yù)處理電路、處理器、顯示器等部分組成。傳感器部分采用霍爾傳感器，負(fù)責(zé)將電機(jī)的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)化為脈沖信號。信號預(yù)處理電路包含待測信號放大、波形變換、波形整形電路等部分，其中放大器實(shí)現(xiàn)對待測信號的放大，降低對待測信號的幅度要求，實(shí)現(xiàn)對小信號的測量；通過比

6、較器使霍爾元件傳感器產(chǎn)生的模擬信號轉(zhuǎn)換成電壓信號。 處理器采用STC89C51單片機(jī)，顯示器采用晶體管顯示。系統(tǒng)組成框圖如圖所示。轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)組成框圖(三)單片機(jī)的介紹本設(shè)計采用STC89C51芯片，芯片采用40腳雙列直插式封裝，32個I/O口，芯片工作電壓3.85.5V，工作溫度070°C（商業(yè)級），工作頻率可高達(dá)30MHz，芯片的外形和引腳見下圖STC89C51引腳圖STC89C51 是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有 8K 在系統(tǒng)可編程Flash 存儲器。使用高密度非易失性存儲器技術(shù)制造，與工業(yè)80C51 產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。片上Flash允許程序存儲器在系統(tǒng)可

7、編程，亦適于常規(guī)編程器。在單芯片上，擁有靈巧的8 位CPU 和在線系統(tǒng)可編程Flash，使得STC89C51為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。 STC89C51具有以下標(biāo)準(zhǔn)功能： 8k字節(jié)Flash，256字節(jié)RAM， 32 位I/O 口線，看門狗定時器，2 個數(shù)據(jù)指針，三個16 位 定時器/計數(shù)器，一個6向量2級中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口，片內(nèi)晶振及時鐘電路。另外，STC89C51可降至0Hz靜態(tài)邏輯操作，支持2種軟件可選擇節(jié)電模式。空閑模式下，CPU 停止工作，允許RAM、定時器/計數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護(hù)方式下，RAM內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機(jī)一切工作停止

8、，直到下一個中斷或硬件復(fù)位為止。8 位微控制器 8K字節(jié)在系統(tǒng)可編程 Flash。P0P3口結(jié)構(gòu)，第一功能、第二功能請參考數(shù)據(jù)手冊（STC89C51數(shù)據(jù)手冊下載地址）。其基本結(jié)構(gòu)框圖如圖3-1，包括：·一個8位CPU；·4KB ROM；·128字節(jié)RAM數(shù)據(jù)存儲器；·26個特殊功能寄存器SFR；· 4個8位并行I/O口，其中P0、P2為地址/數(shù)據(jù)線，可尋址64KB ROM或64KB RAM；·一個可編程全雙工串行口；·具有5個中斷源，兩個優(yōu)先級，嵌套中斷結(jié)構(gòu)；·兩個16位定時器/計數(shù)器； ·一個片內(nèi)震蕩器

9、及時鐘電路；STC89C51系列單片機(jī)中HMOS工藝制造的芯片采用雙列直插(DIP)方式封裝,有40個引腳。STC89C51單片機(jī)40條引腳說明如下:（1）電源引腳。V正常運(yùn)行和編程校驗(yàn)(8051/8751)時為5V電源,V為接地（2）I/O總線。P- P（P0口），P- P（P1口），P- P（P2口），P- P（P3口）為輸入/輸出引線。（3）時鐘。XTAL1：片內(nèi)震蕩器反相放大器的輸入端。XTAL2：片內(nèi)震蕩器反相放器的輸出端，也是內(nèi)部時鐘發(fā)生器的輸入端。（4）控制總線。由P3口的第二功能狀態(tài)和4根獨(dú)立控制線RESET、EA、ALE、PSEN組成。值得強(qiáng)調(diào)的是，P3口的每一條引腳均可獨(dú)立

10、定義為第一功能的輸入輸出或第二功能。如表3.1所示。P3口引腳及線號引腳第二功能P3.0 (10)RXD串行輸入口P3.1 (11)TXD串行輸出口P3.2 (12)INT0外部中斷0P3.3 (13)INT1外部中斷1P3.4  (14)T0定時器0外部輸入P3.5 (15)T1定時器1外部輸入P3.6 (16)WR外部數(shù)據(jù)存儲器寫脈沖P3.7 (17)RD外部數(shù)據(jù)存儲器讀脈沖P3口線的第二功能定義STC89C51單片機(jī)的片外總線結(jié)構(gòu)： 地址總線（AB）：地址總線寬為16位，因此，其外部存儲器直接尋址為64K字節(jié)，16位地址總線由P0口經(jīng)地址鎖存器提供8位地址（A0至A7

11、）；P2口直接提供8位地址（A8至A15）。 數(shù)據(jù)總線（DB）：數(shù)據(jù)總線寬度為8位，由P0提供。 控制總線（CB）：由P3口的第二功能狀態(tài)和4根獨(dú)立控制線RESET、EA、ALE、PSEN組成。（四）系統(tǒng)原理設(shè)計系統(tǒng)由傳感器、信號預(yù)處理電路、處理器、顯示器和系統(tǒng)軟件等部分組成。傳感器部分采用霍爾傳感器，負(fù)責(zé)將電機(jī)的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)化為脈沖信號。信號預(yù)處理電路包含待測信號放大、波形變換、波形整形電路等部分，其中放大器實(shí)現(xiàn)對待測信號的放大,降低對待測信號的幅度要求，實(shí)現(xiàn)對小信號的測量；波形變換和波形整形電路實(shí)現(xiàn)把正負(fù)交變的信號波形變換成可被單片機(jī)接受的TTL/CMOS兼容信號。 處理器采

12、用STC89C51單片機(jī)，顯示器采用8位LED數(shù)碼管動態(tài)顯示。系統(tǒng)原理框圖如圖4-1所示：轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)原理框圖系統(tǒng)軟件主要包括測量初始化模塊、信號頻率測量模塊、浮點(diǎn)數(shù)算術(shù)運(yùn)算模塊、浮點(diǎn)數(shù)到BCD碼轉(zhuǎn)換模塊、顯示模塊、按鍵功能模塊、定時器中斷服務(wù)模塊。系統(tǒng)軟件框圖如圖4-2所示。系統(tǒng)軟件框圖(五)硬件電路設(shè)計總圖在原理圖基礎(chǔ)上對各部分進(jìn)行了詳細(xì)的設(shè)計，硬件電路圖如圖所示。硬件電路圖（六）單片機(jī)主控電路設(shè)計系統(tǒng)選用 STC89C51 作為轉(zhuǎn)速信號的處理核心。STC89C51 包含 2 個16位定時/計數(shù)器、4K×8 位片內(nèi) FLASH 程序存儲器、4個8位并行I/O口。16 位定時/計數(shù)

13、器用于實(shí)現(xiàn)待測信號的頻率測量。8位并行口P0、P2用于把測量結(jié)果送到顯示電路。4K×8 位片內(nèi)FLASH程序存儲器用于放置系統(tǒng)軟件。STC89C51與具有更大程序存儲器的芯片管腳兼容,如:89C52(8K×8 位)或 89C55(32K×8 位),為系統(tǒng)軟件升級打下堅實(shí)的物質(zhì)基礎(chǔ)。STC89C51最大的優(yōu)點(diǎn)是：可直接通過計算機(jī)串口線下載程序,而無需專用下載線和編程器。STC89C51單片機(jī)是在一塊芯片中集成了CPU、RAM、ROM、定時器/計數(shù)器和多功能I/O口等一臺計算機(jī)所需要的基本功能部件。其基本結(jié)構(gòu)框圖如圖3.1，包括：·一個8位CPU；·

14、;4KB ROM；·128字節(jié)RAM數(shù)據(jù)存儲器；·21個特殊功能寄存器SFR；· 4個8位并行I/O口，其中P0、P2為地址/數(shù)據(jù)線，可尋址64KB ROM或64KB RAM；·一個可編程全雙工串行口；·具有5個中斷源，兩個優(yōu)先級，嵌套中斷結(jié)構(gòu)；·兩個16位定時器/計數(shù)器； ·一個片內(nèi)震蕩器及時鐘電路；STC89C51系列單片機(jī)中HMOS工藝制造的芯片采用雙列直插(DIP)方式封裝,有40個引腳。STC89C51單片機(jī)40條引腳說明如下: (1)電源引腳。V正常運(yùn)行和編程校驗(yàn)(8051/8751)時為5V電源,V為接地端。（

15、2）I/O總線。P- P（P0口），P- P（P1口），P- P（P2口），P- P（P3口）為輸入/輸出引線。（3）時鐘。XTAL1：片內(nèi)震蕩器反相放大器的輸入端。XTAL2：片內(nèi)震蕩器反相放器的輸出端，也是內(nèi)部時鐘發(fā)生器的輸入端。（4）控制總線。由P3口的第二功能狀態(tài)和4根獨(dú)立控制線RESET、EA、ALE、PSEN組成。值得強(qiáng)調(diào)的是，P3口的每一條引腳均可獨(dú)立定義為第一功能的輸入輸出或第二功能。STC89C51單片機(jī)的片外總線結(jié)構(gòu)： 地址總線（AB）：地址總線寬為16位，因此，其外部存儲器直接尋址為64K字節(jié)，16位地址總線由P0口經(jīng)地址鎖存器提供8位地址（A0至A7）；P2口

16、直接提供8位地址（A8至A15）。 數(shù)據(jù)總線（DB）：數(shù)據(jù)總線寬度為8位，由P0提供。 控制總線（CB）：由P3口的第二功能狀態(tài)和4根獨(dú)立控制線RESET、EA、ALE、PSEN組成。（七）電路的整機(jī)原理圖的設(shè)計霍爾器件是由半導(dǎo)體材料制成的一種薄片，器件的長、寬、高分別為 l、。若在垂直于薄片平面（沿厚度 ）方向施加外磁場，在沿方向的兩個端面加一外電場，則有一定的電流流過。由于電子在磁場中運(yùn)動，所以將受到一個洛侖磁力，其大小為：式中：f洛侖磁力， 載流子電荷， 載流子運(yùn)動速度， 磁感應(yīng)強(qiáng)度。這樣使電子的運(yùn)動軌跡發(fā)生偏移，在霍爾元器件薄片的兩個側(cè)面分別產(chǎn)生電子積聚或電荷過剩，

17、形成霍爾電場，霍爾元器件兩個側(cè)面間的電位差稱為霍爾電壓?；魻栯妷捍笮椋?(mV) 式中：霍爾常數(shù)， 元件厚度， 磁感應(yīng)強(qiáng)度， 控制電流設(shè) , 則=(mV)為霍爾器件的靈敏系數(shù)(mV/mA/T)，它表示該霍爾元件在單位磁感應(yīng)強(qiáng)度和單位控制電流下輸出霍爾電動勢的大小。應(yīng)注意，當(dāng)電磁感應(yīng)強(qiáng)度反向時，霍爾電動勢也反向。若控制電流保持不變，則霍爾感應(yīng)電壓將隨外界磁場強(qiáng)度而變化，根據(jù)這一原理，可以將兩塊永久磁鋼固定在電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上轉(zhuǎn)盤的邊沿，轉(zhuǎn)盤隨被測軸旋轉(zhuǎn)，磁鋼也將跟著同步旋轉(zhuǎn)，在轉(zhuǎn)盤附近安裝一個霍爾元件，轉(zhuǎn)盤隨軸旋轉(zhuǎn)時，霍爾元件受到磁鋼所產(chǎn)生的磁場影響，輸出脈沖信號。傳感器內(nèi)置電路對該信號進(jìn)行放大、整

18、形，輸出良好的矩形脈沖信號，測量頻率范圍更寬，輸出信號更精確穩(wěn)定，已在工業(yè)，汽車，航空等測速領(lǐng)域中得到廣泛的應(yīng)用。其頻率和轉(zhuǎn)速成正比，測出脈沖的周期或頻率即可計算出轉(zhuǎn)速 轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)安裝圖 (八)軟件設(shè)計第一步分析問題，明確任務(wù)要求，對于復(fù)雜的問題，還要講要解決的問題抽象成數(shù)學(xué)模型，即用數(shù)學(xué)表達(dá)式來描述。第二步確定算法，即根據(jù)實(shí)際問題和指令系統(tǒng)的特點(diǎn)確定完成這一任務(wù)須經(jīng)歷的步驟。第三步根據(jù)所選擇的算法，確定內(nèi)存單元的分配：使用那些寄存器：程序運(yùn)行中的中間數(shù)據(jù)及結(jié)果存放在那些單元，以利于提高程序的效率和運(yùn)行速度：然后制定出解決問題的步驟和順序，畫出程序的流程圖。第四步根據(jù)流程圖，編寫源程序。第五

19、步上機(jī)對原程序進(jìn)行編譯、調(diào)試。程序代碼：霍爾測速#include<reg51.h >#define uchar unsigned char#define uint unsigned intsbit lcden=P34;sbit lcdrs=P35;uint mm,n;int i;uchar qian,bei,shi,ge;uint jj;char speed="the speed is:  &#

20、160;"char table="0123456789"/*-延時程序-*/ void delay(uchar i)uchar j,k;for(j=i;j>0;j-)for(k=125;k>0;k-);/*-顯示函數(shù)-*/ /*-確定每秒轉(zhuǎn)速-*/ /*-確定位置-*/ void write_com(uchar com)lcdrs=0;P0=com;delay(5);lcden=1;delay(5);lcden=0;void write_dat

21、a(uchar date)lcdrs=1;P0=date;delay(5);lcden=1;delay(5);lcden=0;void init()lcden=0;write_com(0x38);/設(shè)置16X2顯示,5X7點(diǎn)陣,8位數(shù)據(jù)接口write_com(0x0c);/設(shè)置開顯示，不顯示光標(biāo)write_com(0x06);/寫一個字符后地址指針加1write_com(0x01);/顯示清零，數(shù)據(jù)指針清零void xian_shi() if(n>=20)  /每秒刷新一次速度jj=mm;n=0;mm=0;qian=jj/1000;bei

22、=jj%1000/100;shi=jj%100/10;ge=jj%10;write_com(0xc0+5);write_data(tableqian);write_data(tablebei);write_data(tableshi);write_data(tablege);write_data('M');write_data('/');write_data('S');/*-主函數(shù)-*/ void main()EA=1;IT0=1;/外部中斷開啟標(biāo)志EX0=1;TR0=1;ET0=1;/定時器中斷開啟標(biāo)志TMOD=0X01;/

23、定時器 控制方式 TH0=(65536-50000)/256;TL0=(65536-50000)%256;init();for(i=0;i<16;i+)write_data(speedi); while(1) xian_shi();/*-外部中斷0計數(shù)程序-*/ void counter(void) interrupt 0   EX0=0;       /關(guān)外部中斷0 mm+;/計數(shù)加1EX0=1;/*-定時中斷0計數(shù)程

24、序-*/  void time1(void) interrupt 1TH0=(65536-50000)/256;TL0=(65536-50000)%256;n+; 步進(jìn)電機(jī)程序：#include <reg52.h>#define uchar unsigned char sbit dula=P26;sbit wela=P27;sbit jia_key=P36;sbit jian_key=P37;sbit zf_key=P35;bit&#

25、160;flag=0;uchar num=0,show_num=2,maichong=4,table_begin=0;uchar code table1=0x01,0x02,0x04,0x08,0x08,0x04,0x02,0x01;/uchar code table1=0x09,0x03,0x06,0x0c,0x08,0x04,0x02,0x01;/uchar code table1=0x01,0x04,0x02,0x08,0x08,0x02,0x04,0x01;uchar code table=0x3

26、f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,                        0x07,0x7f,0x6f,0x77,0x7c,0x39,0x5e,0x79,0x71;void delay(uchar i)  uchar j,k;  for(j=i;j&g

27、t;0;j-)    for(k=125;k>0;k-);void display()   dula=0;   P0=tableshow_num;   dula=1;   dula=0;      wela=0;   P0=0xfe;   wela=1;   wela=0;

28、   delay(5);      P0=table0;   dula=1;   dula=0;      P0=0xfd;   wela=1;   wela=0;   delay(5);  void key ()   if(ji

29、a_key=0)        delay(5); if(jia_key=0)    num+;   if(num=4)     num=3;    while(jia_key=0);       if(jian_key=0)      &

30、#160; delay(5); if(jian_key=0)         if(num!=0)            num-; else  num=0; while(jian_key=0);       if(zf_key=0)   

31、     delay(5);     if(zf_key=0)    flag=flag;   while(zf_key=0);    void dispose()  switch(num)      case 0:     show_num=2;     maichong=5; break;case 1: show_num=4;     maichong=4;break;case 2: sho