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單片機測量小型電動機轉(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)法實現(xiàn)了對轉(zhuǎn)速的測量，通過LCD直觀地顯示電機的轉(zhuǎn)速值。結(jié)合硬件電路設(shè)計，采用模塊化方法進行了軟件設(shè)計。編制了電機轉(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STC89C51為控制核心，用霍爾集成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)顯示小型直流電機的轉(zhuǎn)速。關(guān)鍵詞：單片機轉(zhuǎn)速測量；霍爾傳感器背景：在直流電

2、機的多年實際運行的過程中，機械測速電機不足之處日益明顯，其主要表現(xiàn)為直流測速電機DG中的炭刷磨損及交流測速發(fā)電機TG中的軸承磨損，增加了設(shè)備的維護工作量，也隨著增加了發(fā)生故障的可能性；同時機械測速電機在更換炭刷及軸承的檢修作業(yè)過程中，需要將直流電動機停運，安裝過程中需要調(diào)整機械測速電機軸與主電機軸的同軸度,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，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械測速電機已具備理論基礎(chǔ)，如可采用磁阻式、霍爾效應(yīng)式、光電式等方式檢測電機

3、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械測速電機?；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40年代后期，由于半導(dǎo)體工藝的不斷改進，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。（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，利用單片機對脈沖數(shù)字信號的強大

4、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?；魻柶骷怯邪雽?dǎo)體材料制成的一種薄片，其長為I,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I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為載流子運動速度，B為磁感應(yīng)強度。由于受洛倫茲力，電子的運動方向軌跡將發(fā)生偏移，在霍爾元器件薄片的兩個側(cè)面分別產(chǎn)生電茲積聚或電

5、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，負責(zé)將電機的轉(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，其中放大器實現(xiàn)對待測信號的放大，降低對待測信號的幅度要求，實現(xiàn)對小信號的測量；通過比較器使霍爾元件傳

6、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，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30MHz,芯片的外形和引腳見下圖xZZ/T2/PI.DVCCI3EVP1.JPO.砒DOPI.2FO.I/ADLPL3PJ.4陽用們Fl.5PD.PJ.05ZAD5Is,71"6/AD5RSTP07.AD7-TKP/P31ALE/PHOGINID/P3.2P5EN.J3.3P2.

7、7/A15TO/P3-4P.S/AMIl.J'3.5?2.3,A3w.P3SP24/12S'.'13.7FT-3/A11XTAL2PS.1/ALOXTAL甩.I./A9巧5PZ.D/AESTC89C51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。ST

8、C89C51具有以下標準功能：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?？臻e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。掉電保護方式下，RAM內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機一切工作停止，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-

9、1，包括：一個8位CPU；4KBROM；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64KBROM或64KBRAM；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40條引腳說明如下：(1) 電源引腳。Vcc正常運行和編程校驗(8051/8751)時為5V電源,Vss為接地(2) I/O總線。P0.0-P0.7(P0口)，pL°-

10、pl，7(P1口)，P2.0-P2.7(P2口)，P3.0-P3.7(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根獨立控制線RESET、EA、ALE、PSEN組成。值得強調(diào)的是，P3口的每一條引腳均可獨立定義為第一功能的輸入輸出或第二功能。如表3.1所示。P3口線的第二功能定義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(1

11、4)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STC89C51單片機的片外總線結(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

12、部分采用霍爾傳感器，負責(zé)將電機的轉(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，其中放大器實現(xiàn)對待測信號的放大降低對待測信號的幅度要求，實現(xiàn)對小信號的測量；波形變換和波形整形電路實現(xiàn)把正負交變的信號波形變換成可被單片機接受的TTL/CMOS兼容信號。處理器采用STC89C51單片機，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、浮點數(shù)算術(shù)運算模塊、浮點數(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

13、總圖在原理圖基礎(chǔ)上對各部分進行了詳細的設(shè)計，硬件電路圖如圖所示。I|12MHZCRYSTALpjwonra.iDiP02AD2HJJAD3RXWDLpomdsPOMD6rajDiP3.IODP3WTBP32flNTFP工kOP3J5fllP3am硬件電路圖（六）單片機主控電路設(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、4KX8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)器用于實現(xiàn)待測信號的頻率測量。位并行口P0、P2用于把測量結(jié)果送到顯示電路O4KX8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

14、程序存儲器的芯片管腳兼容，如:89C52（8KX8位）或89C55（32KX8位），為系統(tǒng)軟件升級打下堅實的物質(zhì)基礎(chǔ)OTC89C51最大的優(yōu)點是：可直接通過計算機串口線下載程序，而無需專用下載線和編程器。STC89C51單片機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；4KBROM；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PO、P2為地址/數(shù)據(jù)線，可尋址64KBROM或64KBRAM；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

15、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40條引腳說明如下：（1）電源引腳。Vcc正常運行和編程校驗（8051/8751）時為5V電源,Vss為接地端。（2）I/O總線。P-P0.7（P0口），pl.Opl7（P1口），p2.0-p2.7（p2口），P3.0-P3.7（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

16、獨立控制線RESET、EA、ALE、PSEN組成。值得強調(diào)的是，P3口的每一條引腳均可獨立定義為第一功能的輸入輸出或第二功能。STC89C51單片機的片外總線結(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根獨立控制線RESET、EA、ALE、PSEN組成。（七）電路的整機原理圖的設(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、b、d。若在

17、垂直于薄片平面（沿厚度d）方向施加外磁場在沿1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動，所以將受到一個洛侖磁力，其大小為：f=qVB式中：f洛侖磁力，q載流子電荷，V載流子運動速度，磁感應(yīng)強度。這樣使電子的運動軌跡發(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，形成霍爾電場，霍爾元器件兩個側(cè)面間的電位差"日稱為霍爾電壓?；魻栯妷捍笮椋篣h=RhX1XB/d（mV）式中：Rh霍爾常數(shù)，d元件厚度，B磁感應(yīng)強度，I控制電流設(shè)Kh=Rh/d,則UH=KhX1XB/d(mV)KH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

18、度和單位控制電流下輸出霍爾電動勢的大小。應(yīng)注意，當電磁感應(yīng)強度B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)置電路對該信號進行放大、整形，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H一轉(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

19、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)表達式來描述。第二步確定算法，即根據(jù)實際問題和指令系統(tǒng)的特點確定完成這一任務(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。第五步上機對原程序進行編譯、調(diào)試。程序代碼：霍爾測速#include<reg51.h>#defineucharunsignedchar#defineuintunsignedintsbitlcden二P3"4

20、;sbitlcdrs二P3“5;uintmm,n;inti;ucharqian,bei,shi,ge;uintjj;charspeed="thespeedis:chartable="0123456789"延時程序voiddelay(uchari)基于霍爾傳感器的轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)設(shè)計ucharj,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*/voidwrite_com(ucharcom)lcdrs=0;P0=com;delay(5);lcden=1;delay(5);lcden=0;vo

21、idwrite_data(uchardate)lcdrs=1;基于霍爾傳感器的轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)設(shè)計P0=date;delay(5);lcden=1;delay(5);lcden=0;voidinit()lcden=0;write_com(0x38);/設(shè)置16X2顯示,5X7點陣,8位數(shù)據(jù)接口write_com(OxOc);/設(shè)置開顯示，不顯示光標write_com(0x06);/寫一個字符后地址指針加1write_com(OxO1);/顯示清零，數(shù)據(jù)指針清零voidxian_shi()if(n>=20)/每秒刷新一次速度jj=mm;n=0;mm=0;qian=jj/1000;bei=jj%

22、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)voidmain()EA=1;ITO=1;/外部中斷開啟標志EX0=1;TR0=1;ET0=1;/定時器中斷開啟標志TM0D=0X01;/定時器控制方式TH0=(65536-50

23、000)/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*/voidcounter(void)interrupt0EX0=0;/關(guān)外部中斷0mm+;/計數(shù)加1EX0=1;/*定時中斷0計數(shù)程序*/voidtime1(void)interrupt1TH0=(65536-50000)/256;TL0=(65536-50000)%256;n+;步進電機程序：#include<reg52.h>#defineucharunsignedch

24、ar基于霍爾傳感器的轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)設(shè)計sbitdula二P2"6;sbitwela二P2“7;sbitjia_key二P3飛；sbitjian_key=P37;sbitzf_key二P3“5;bitflag=0;ucharnum=0,show_num=2,maichong=4,table_begin=0;ucharcodetable1=0x01,0x02,0x04,0x08,0x08,0x04,0x02,0x01;/ucharcodetable1=0x09,0x03,0x06,0x0c,0x08,0x04,0x02,0x01;/ucharcodetable1=0x01,0x04,0x0

25、2,0x08,0x08,0x02,0x04,0x01;ucharcodetable=0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f,0x77,0x7c,0x39,0x5e,0x79,0x71;voiddelay(uchari)ucharj,k;基于霍爾傳感器的轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)設(shè)計for(j=i;j>0;j-)for(k=125;k>0;k-);voiddisplay()dula=0;P0=tableshow_num;dula=1;dula=0;wela=0;P0=0xfe;wela=1;wela=0;delay(5);P0=table0;dula=1;dula=0;P0=0xfd;wela=1;wela=0;delay(5);voidkey()i