基于霍爾傳感器的電機轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)設(shè)計

1、摘要在當(dāng)今工業(yè)生產(chǎn)過程中，越來越多的場合需要測量電機的轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速已成為電機最重要的工作參數(shù)之一。測量轉(zhuǎn)速的方法有許多，最常用的兩種方法為：光電式傳感器測轉(zhuǎn)速，霍爾式傳感器測轉(zhuǎn)速。本文將著重介紹基于單片機的霍爾式傳感器測量轉(zhuǎn)速。關(guān)鍵詞：霍爾傳感器，單片機，轉(zhuǎn)速。目錄1引言.22設(shè)計要求.23方案論證.23.1測量方法的選型.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單片機測量的方案論證.43.2.3軟件系統(tǒng)設(shè)計方案.43.3電機轉(zhuǎn)速測量模塊的方案.53.4電機轉(zhuǎn)速控制方案.53.5顯示模塊方案.64系統(tǒng)設(shè)計.6 4.1單片機模塊.64.1.1 51單片機介紹.6

2、4.1.2系統(tǒng)的復(fù)位電路.84.1.3系統(tǒng)時鐘電路設(shè)計.84.1.4 IO口管腳分配.94.2電機轉(zhuǎn)速控制.94.3顯示模塊.104.3.1 LCD1602介紹和指令.10 4.3.2LCD1602的工作時序 .134.4霍爾傳感器模塊.135. 軟件系統(tǒng)設(shè)計.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.17原理圖.181. 引言轉(zhuǎn)速是電動機極為重要的一個狀態(tài)參數(shù)，在很多運動系統(tǒng)的測控中，都需要對電機的轉(zhuǎn)速進行測量，速度測量的精度直接影響系統(tǒng)的控制情況,它是關(guān)系測控效果的一個重要因素。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)速的高精度檢測才能得到高精度的控制系統(tǒng)。本系統(tǒng)以AT89C51單片機為控制核心，用霍爾傳感器作為測量小型直流電機轉(zhuǎn)速的檢測元件，經(jīng)過單片機實時數(shù)據(jù)處理，用LCD1602顯示小型直流電機的轉(zhuǎn)速。本系統(tǒng)可對轉(zhuǎn)速03000r/min進行高精度測量。且還可擴展更寬的測量范圍。2. 設(shè)計要求基于霍爾傳感器的電機轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)設(shè)計，測量范圍：0-3000轉(zhuǎn)/分，測量精度：±3轉(zhuǎn)/分，實時顯示。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控制模塊電機電機轉(zhuǎn)速控制 圖3-1：原理框圖3.1測量方法的選型對轉(zhuǎn)速的測量實際上是對轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)引起的周期脈沖信號的頻

4、率進行測量，其中測頻率的方法有許多，最常用的方法有兩種：等精度測量法和計數(shù)測頻法。等精度測量法精度很高常常用于工業(yè)測量，但實現(xiàn)該方法比較困難要求比較高。計數(shù)測頻率的測量精度次之，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，測量精度越高，反之亦然。但實現(xiàn)該方法簡單，要求不高。所以由于本人所學(xué)有限，在本設(shè)計中將選擇計數(shù)測頻法，計數(shù)測頻的方法一般有兩種方法：方法1：測頻率法在一定的時間間隔t內(nèi)，計數(shù)被測信號變化的次數(shù)N，則被測信號的頻率為 f=Nt 。優(yōu)點： 適合測頻率較高的情況。缺點：不適用于測低頻。方法2：測周期法在被測信號的n個周期內(nèi)，計數(shù)時鐘個數(shù)數(shù)為m，周期為t，則測被測信號的頻

5、率可表示為 f=n/mt優(yōu)點：適合測低頻，能提高測頻精度。缺點：不適合測高頻，要想測高頻，則必須提高處理器的能力。本次設(shè)計將選用方法一，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，處理速度快，最大時鐘頻率能達到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器，豐富的IO接口，最多可達112個，自帶AD，DA轉(zhuǎn)換器，且功耗非常低，穩(wěn)定性非常高?？傊甋TM32的功能非常強大，適合做比較大的系統(tǒng)，是51單片機不能比擬的。缺點：成本比較貴，編程復(fù)雜，畫板子比較麻煩。方案二

6、：用AT89C51做核心控制器。AT89C51是一種8位單片機，工作時鐘快，具有4K的閃存，使用壽命長，可擦寫循環(huán)1000次以上，功耗低，穩(wěn)定性高，價錢非常低廉，編程簡單，非常實用，適合小系統(tǒng)設(shè)計。缺點：閃存小，不能進行大系統(tǒng)開發(fā)，內(nèi)部資源少。本課題整個系統(tǒng)比較小，若使用STM32做核心控制器將造成巨大的資源浪費，會增加成本，不適宜大規(guī)模的推廣。而使用51單片機，價格低廉，操作簡單，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)計選擇方案二。3.2.2采用51單片機測量的方案論證根據(jù)題設(shè)要求，最大測量轉(zhuǎn)速為3000r/min，即50r/s，一轉(zhuǎn)所花最小時間為20ms。采用分辨率為36的測

7、量精度，即有36個磁鋼，則磁鋼與磁鋼之間所花最小時間為20/36=0.56ms。若單片機采用11.0592Mhz的晶振，則執(zhí)行一條指令的時間大約為1us，進入中斷的時間只需幾微秒，遠遠小于磁鋼與磁鋼之間所花的最小時間。所以完全可以忽略單片機在執(zhí)行程序時所花的時間對測量結(jié)果的影響。因此用51單片機完全能夠滿足測量要求，不需要運行速度更快的單片機。由以上所訴該方案可行。3.2.3軟件系統(tǒng)設(shè)計方案題設(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)速時都選擇1分鐘為閘門時間，則計數(shù)器所得值m，除以磁鋼個數(shù)n，即得轉(zhuǎn)速r=m/n。缺點：不管是低轉(zhuǎn)速，還是高轉(zhuǎn)速等待時間過長，對測

8、量高轉(zhuǎn)速不適宜，適宜測量低轉(zhuǎn)速，但對于。方案二：根據(jù)電機轉(zhuǎn)速快慢智能判斷閘門時間。在1s內(nèi)判斷通過磁鋼的個數(shù)，如果大于等于360個（即大于等于600轉(zhuǎn)/分），則計算算出轉(zhuǎn)速。如果小于360個則延長閘門時間至10秒，計算通過磁鋼個數(shù)，如果大于等于360個（即大于等于60轉(zhuǎn)/分），計算出轉(zhuǎn)速。如果小于360個則再延長閘門時間至60s，計算通過磁鋼的個數(shù)，計算出轉(zhuǎn)速。根據(jù)題設(shè)要求測量誤差不能大于正負3轉(zhuǎn)/分。而本設(shè)計最大測量誤差為5/36=0.14轉(zhuǎn)/分（大于1轉(zhuǎn)/分時），當(dāng)且僅當(dāng)在閘門時間為1s時可能取得。優(yōu)點：該方法對測量大于等于600轉(zhuǎn)/分的轉(zhuǎn)速所花時間較短缺點：對量小于等于600轉(zhuǎn)/分的轉(zhuǎn)速

9、所花時間較長，不過為了提高測量精度只好延長時間。方案三：在高轉(zhuǎn)速時（大于等于600轉(zhuǎn)/分），選用測頻法，即與方案二測高轉(zhuǎn)速的方法一樣。在低轉(zhuǎn)速（小于600轉(zhuǎn)/分），選用周期測頻法。這樣既可提高測量速度，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電機轉(zhuǎn)速測量模塊的方案 采用開關(guān)型霍爾傳感器進行測速。      霍爾開關(guān)傳感器測頻法測速原理： 小磁鐵固定在轉(zhuǎn)盤上，轉(zhuǎn)盤與電機軸相連，同步轉(zhuǎn)動，小磁鐵通過霍爾傳感器時，霍爾傳感器產(chǎn)生一個相應(yīng)的脈沖，我們在單位時間內(nèi)計算脈沖的個數(shù)，再除以小磁鐵的個數(shù)，得到的值即為電

10、機的轉(zhuǎn)速，其中小磁鐵的個數(shù)即為分辨率的值，小磁鐵越多分辨率越高，測量精度越高。在本課題中將采用分辨率為36進行測量。這樣能夠減小由計數(shù)法測頻所引起的正負1個脈沖（量化誤差）誤差的影響。3.4電機轉(zhuǎn)速控制方案采用按鍵控制PWM的輸出脈寬從而控制電機的轉(zhuǎn)速，方便測量電機不同的轉(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)計本系統(tǒng)選用的模塊包括：單片機系統(tǒng)，轉(zhuǎn)速測量模塊，LCD顯示模塊，控制電機轉(zhuǎn)速模塊。4.1單片機模塊本課題選用AT89C51單片機作為主控器4.1.1 51單片

11、機的介紹 52單片機引腳圖如圖4-1所示：圖 4-1：單片機引腳圖主要特性：4K字節(jié)可編程閃爍存儲器  壽命：1000寫/擦循環(huán)數(shù)據(jù)保留時間：10年32可編程I/O線5個中斷源，兩個外部中斷，兩個定時器中斷，一個串口中斷有一個串口低功耗的閑置和掉電模式管腳說明：1.40腳VCC用于接電源正極。2.20腳GND接電源負極。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0P33

12、INT1外部中斷1請求P34T0定時器/計數(shù)器0P35T1定時器/計數(shù)器1P36WR外部RAM寫選通P37RD外部RAM讀選通6. PSEN：外部程序存儲器的選通信號。7. XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時鐘工作電路的輸入。8. XTAL2：來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)位電路是整個系統(tǒng)重要的一環(huán)，當(dāng)運行出錯時可以按下復(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復(fù)位電路。如圖4-2所示。當(dāng)電路上電時，由于電容兩端的電壓不可跳變，所RST端會是高電平，系統(tǒng)復(fù)位。等電容充電完成后，RST端變?yōu)榈碗娖?，系統(tǒng)正常工作。圖4-2：復(fù)位電路4.1.

13、3系統(tǒng)時鐘電路設(shè)計時鐘電路為整個系統(tǒng)提供時鐘，是整個系統(tǒng)不可缺少的一環(huán)。它控制著系統(tǒng)的運行速率，采用的時鐘晶振越大運行速率越快。由于受51單片機自身限制，時鐘晶振也不能選擇過大，51單片機能支持幾十兆的晶振。在本系統(tǒng)設(shè)計中，選用11.0592Mhz的晶振，目的是為了是在使用定時器時，更加方便精準(zhǔn)，提高測量精度。晶振電路如圖4-3所示。在選擇晶振兩邊的電容時不宜選擇過大。當(dāng)電容太大時晶振不能正常起振，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，用于計數(shù)脈沖個數(shù)。2. 對按鍵進行I/O口分配，將選用兩個按鍵，一個用

14、于增大PWM輸出的占空比，即增大轉(zhuǎn)速，分配管腳為P1.0；一個用于減小PWM的占空比，即減小轉(zhuǎn)速，分配管腳為P1.1 。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電機轉(zhuǎn)速控制控制電機的轉(zhuǎn)速的快慢，也就相當(dāng)于控制電機兩端電壓的大小，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，則會多增加芯片，沒有直接用PWM控制那么實用。PWM可以直接由單片機模擬輸出，操作方便簡單，所以本次選擇

15、PWM來控制電機轉(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)電機的轉(zhuǎn)速。在電機轉(zhuǎn)動時，由于電機本身要切割磁感線從而產(chǎn)生自身感應(yīng)電動勢，如果把電機電源直接與單片機系統(tǒng)共用一個電源，則會對整個控制系統(tǒng)產(chǎn)生巨大的影響，使整個系統(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和單片機分開，從而達到消除這一影響的目的。為了控制PWM的占空比，我選用兩個按鍵來控制。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

16、比，即減小轉(zhuǎn)速。單刀Key1：電機開關(guān)。4.3顯示模塊4.3.1 LCD1602介紹和指令 本次顯示模塊選用LCD1602，LCD液晶也叫1602字符型液晶它是一種專門用來顯示字母、數(shù)字、符號、等的點陣型液晶模塊，它由32個5*7或者5*11點陣字符位組成，每個點陣字符位都可以顯示一個字符，不能顯示漢字和圖片。LCD1602的引腳說明即指令說明分別如表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，1讀取信息

17、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210DB0/1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背光電源負極 表4-2指令功能指令編碼RSR/WDB7DB6DB5DB4DB3DB2DB1DB0清屏00000000001光標(biāo)歸位000000001X進入設(shè)置模式00000001I/DS顯示開關(guān)控制0000001DCB設(shè)置顯示屏或光標(biāo)的移動方向000001S/C

18、R/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001DDRAM的地址（7位）讀取忙碌信號或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的工作時序 LCD的工作時序如圖4-6所示圖4-6：LCD1602的工作時序基本操作時序：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

19、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共有三個管腳：1腳VCC接電源正極；2腳信號輸出端；3腳接電源負極測速電路如圖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的濾波，用一個比較器LM324把輸出信號轉(zhuǎn)換成方波，以便于單片機計數(shù)。將LM324的輸出端與單片的P3.5口相連，它是計數(shù)器1的輸入口。在這兒我們將采用16位計數(shù)器。圖4-7：測速模塊5.軟件系統(tǒng)設(shè)計整個軟件系統(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，電機轉(zhuǎn)動開始LCD，定時器，計數(shù)器初始化 圖5-1：系統(tǒng)工作流程圖5.2程序模塊整個系統(tǒng)的程序模塊包括3部分：1. 數(shù)據(jù)采集，處理部分。2. 顯示模塊程序3. 按鍵