基于51單片機和霍爾開關傳感器的轉(zhuǎn)速測量儀畢業(yè)論文

1、基于單片機和霍爾傳感器的轉(zhuǎn)速測量儀系統(tǒng)由傳感器、信號處理、系統(tǒng)軟件等部分組成。傳感器沖信號；信號處理電路（反相器）包含待測信號整形反相等部分，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 TTLCMOS 兼容信號。 處理器采用單片機，顯示器采用單片機開發(fā)板自帶的 8 位 LED 數(shù)碼管動態(tài)顯示。在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和工程實踐中，經(jīng)常會遇到各種需要測量轉(zhuǎn)速的場合，測量轉(zhuǎn)速的方法分為模擬式和數(shù)字式兩種。模擬式采用測速發(fā)電機為檢測元件，得到的信號是模擬量，控制系統(tǒng)的硬件部分非常復雜，功能單一，而且系統(tǒng)非常不靈活、調(diào)試困難。數(shù)字式通常采用光電編碼器、圓光柵、霍爾元件等為檢測元件，得到的

2、信號是脈沖信號。單片機技術的日新月異，特別是高性能價格比的單片機的出現(xiàn)，轉(zhuǎn)速測量普遍采用以單片機為核心的數(shù)字式測量方法，使得許多控制功能及算法可以采用軟件技術來完成。采用單片機構成控制系統(tǒng)，可以節(jié)約人力資源和降低系統(tǒng)成本，從而有效的提高工作效率。使霍爾傳感器產(chǎn)生脈沖，由單片機計數(shù)，經(jīng)過數(shù)據(jù)計算轉(zhuǎn)化成所測轉(zhuǎn)速，再由數(shù)碼管顯示出來。1.硬件部分概述. 系統(tǒng)框圖原理如圖所示，系統(tǒng)由傳感器、信號處理、數(shù)碼管顯示、蜂鳴器超速報警和系統(tǒng)軟件等部分組成。傳感器沖信號。信號處理電路反相器）包含待測信號波形變換、波形整形等部分，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TTLCMOS兼

3、容信號。處理器采用單片機，顯示器采用8 位 LED 數(shù)碼管動態(tài)顯示。.霍爾傳感器是對磁敏感的傳感元件，由磁鋼、霍耳元件等 SiKO 的 的霍爾傳感器，其響應頻率為 100KHz，額定電壓為（測距離為 10（mm量高頻、工頻、直流等各種波形電流。該傳感器具有測量精度高、電壓范寬、功耗小、輸出功率大等優(yōu)點，廣泛應用在高速計數(shù)、測頻率、測轉(zhuǎn)速等領域。輸出電壓 25V，直流電源要有足夠的濾波電容，測量極性為 N極。安裝時將一非磁性圓盤固定在電動機的轉(zhuǎn)軸上，將磁鋼粘貼在圓盤邊緣，磁鋼采用永久磁鐵，其磁力較強，霍爾元件固定在距圓盤1-10mm處。當磁鋼與霍爾元件相對位置發(fā)生變化時，通過霍爾元件感磁面的磁場

4、強度就會發(fā)生變化。圓盤轉(zhuǎn)動，磁鋼靠近霍爾元件，穿過霍爾元件的磁場較強，霍爾元件輸出低電平；當磁場減弱時，輸出高電平，從而使得在圓盤轉(zhuǎn)動過程中，霍爾元件輸出連續(xù)脈沖信號。這種傳感器不怕灰塵、油污，在工業(yè)現(xiàn)場應用廣泛。轉(zhuǎn)速測量原理霍爾器件是由半導體材料制成的一種薄片，器件的長、寬、高分別為 l、b、d。若在垂直于薄片平面（沿厚度 d）方向施加外磁場 l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：式中：洛侖磁力， q載流子電荷， V載流子運動速度，B磁感應強度。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

5、電位差稱為霍爾電壓?；魻栯妷捍笮椋?(mV)式中：霍爾常數(shù)， d元件厚度，磁感應強度， I控制電流設, 則= (mV)為霍爾器件的靈敏系數(shù)(mVmAT)，它表示該霍爾元件在單位磁感應強度和單位控制電流下輸出霍爾電動勢的大小。應注意，當電磁感應強度 B反向時，霍爾電動勢也反向。圖 2為霍耳元件的原理結構圖。1.4反相器 74LS14介紹74LS14是六反相施密特觸發(fā)器。不存在放大的功能。是施密特觸發(fā)電路功能。當輸入電壓由低向高變化時，若電壓超過正向閾值電壓 Vt+輸入電壓要低于另一個閾值電壓 Vt-義如下：A端為輸入端，Y端為輸出端，一片芯片一共 6路，即1，11，13為輸入端， 2，12 為

6、輸出端，輸出結果與輸入結果反向。74LS14管腳圖即如果輸入端為高電平， 那么輸出為低電平。 如果輸入低電平，輸出為高電平。2.軟件部分概述2.1軟件基本功能介紹設計軟件主要為主程序、數(shù)據(jù)處理顯示程序、定時器中斷服務程序和蜂鳴器報警四個部分。（）主程序主要完成初始化功能，包括LED顯示的初始化，中斷的初始化，定時器的初始化，寄存器、標志位的初始化等。主程序流程圖如圖 5所示。（）數(shù)據(jù)處理顯示模塊程序。此模塊中單片機對在 10秒內(nèi)的計數(shù)值進行處理，轉(zhuǎn)換成rmin送顯示緩存以便顯示。具體算法如下設單片機每秒計數(shù)到n n(rs)(圓盤貼兩個磁鋼。則 n(rs)=6n(rmin)。即只要將計數(shù)值乘以6

7、便可得到每分鐘電機的轉(zhuǎn)速。程序流程圖如下圖所示。（3定時器 1中斷服務程序設計。定時器 1完成計時功能，定時 50ms，進行定時中斷計數(shù)并每隔 10s更新一次顯示數(shù)據(jù)。流程圖如下圖所示。3.3.1硬件調(diào)試霍爾傳感器探頭要對準轉(zhuǎn)盤上的磁鋼位置，安裝距離要在10mm以內(nèi)才可靈敏的感應磁場變化。在磁場增強時霍爾傳感器輸出低電平，指示燈亮；磁場減弱時輸出高電平，指示燈熄滅。當電機轉(zhuǎn)動時，感應電壓指示燈高頻閃爍，所以視覺上指示燈不會有多大的閃爍感。當給 JK 8002c型霍爾傳感器施加 5V電壓時其輸出端可以輸出 3V的感應電壓。輸出幅值為 3V的矩形脈沖信號。3.2軟件調(diào)試測量系統(tǒng)與 PC機連接時一定

8、要先連接串行通信電纜，然后再將其電源線插入 USB接口；拆除時先斷開其電源，再斷開串行通信電纜，否則極易損壞 PC機的串口。采用 AT 單片機下載相應的軟件，將其下載到實驗板的單片機中。下載軟件的最后一步：點擊軟件界面中的 下載按鈕，在點擊前一定要保持實驗板的串行通信線及電源線與 PC機連接良好，并且實驗板的電源開關處于關閉狀態(tài)，然后點擊 下載按鈕，再打開實驗板電源開關，此時軟件將自動完成程序下載。最后將硬件和軟件結合起來整體調(diào)試實現(xiàn)系統(tǒng)的測速功能。測試結果分析4.設計基本完成題目中的各項要求，其中轉(zhuǎn)速的測量比較精確，與實際轉(zhuǎn)速相差 10 轉(zhuǎn)分左右，精度在全量程范圍內(nèi)優(yōu)于10 轉(zhuǎn)分，存在一定的

9、誤差，經(jīng)分析主要是由以下原因造成：1)由于轉(zhuǎn)盤是直接采用磁鐵旋轉(zhuǎn)而成，手動旋轉(zhuǎn)時容易打飄不穩(wěn)，導致獲得的脈沖信號頻率與實際轉(zhuǎn)速有一定的誤差。2) 中斷處理的進入和中斷處理程序都會有一定時間的誤差，從而導致定時時間的誤差，這也是造成測量誤差的一個因素。3)在固定裝置時，由于是手動操作，從而導致初始獲得信號有一定的時差。5.結論霍爾傳感器具有不怕灰塵、油污，安裝簡易，不易損壞等優(yōu)點，在工業(yè)現(xiàn)場得到了廣泛應用。利用霍爾傳感器設計的轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)以單片機 AT89C51 為數(shù)據(jù)處理核心，采用定時器定時中斷的方法實現(xiàn)計數(shù)，對測量數(shù)據(jù)進行計算得到轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)，并將結果送數(shù)碼管顯示。整個測量系統(tǒng)硬件電路簡單，容易

10、調(diào)試，軟件部分編程采用C51，有較高的編程效率。測試結果表明對電動機轉(zhuǎn)速的測量精度較高，基本能夠滿足實際的測試需要，有一定的實際應用價值。6.心得體會本此設計，主要進行了以下幾方面的工作：首先，復習了上學期所學的傳感器，在其中著重學習并理解霍爾傳感器的工作原理；其次，根據(jù)老師所提供的傳感器，查找搜集其特性，制作設計方案；然后，完成測轉(zhuǎn)速系統(tǒng)的硬件選型和電路設計；最后，完成系統(tǒng)的軟件流程圖設計。根據(jù)我們所選的題目，編出了實驗的程序?？傮w來講，此次設計的題目比較簡單。通過這次的設計，又查閱了相關資料，與老師所講的結合，基本上掌握了數(shù)碼管動態(tài)顯示的原理。在單片機上演示成功后，結合所發(fā)的板子修改了程序

11、，但是在將程序考到開發(fā)板上之后偶遇到了一些問題。顯示的結果與與預想的不同，經(jīng)過反復試驗最終搞清楚的其中的原理。對于定時器、計數(shù)器的中斷，有了深入認識。怎么算初值，怎么申請中斷，怎么響應，返回到什么位置等更深層次的應用并學為己有。并且學會了有多個等待多個中斷返回時，怎么進行合理利用，使他們每個都能返回到該返回的位置，不出現(xiàn)錯誤。這一點我覺得很有用。這次設計，有程序，有硬件，有理論，有實踐，通過它們的結合，我所學到的知識形成了一個系統(tǒng)，不再是孤立的，而是硬件與軟件的結合，提高了自己的程序運用能力，對于編程的思路有了更進一步的悟性。不再是一個機械的運用，而是根據(jù)具體情況來編寫自己的程序，有了一定的靈活運用能力。以前實驗是只有單片機的程序，這次與傳感相結合，不僅使我又一次的加深了對軟件編程的理解，還從實際出發(fā)，有了一個更整體的認識。對于霍爾傳感器的基本原理更有了進一步的理解?；魻杺鞲衅骶哂胁慌禄覊m、油污，安裝簡易，不易損壞等優(yōu)點，在工業(yè)現(xiàn)場得到了廣泛應用。測試結果表明對電動機轉(zhuǎn)速的測量精度較高，基本能夠滿足實際的測試需要，有一定的實際應用價值。就本課題而言，并末實現(xiàn)真正工業(yè)意義上的測轉(zhuǎn)速控制，今后還應在控制的實現(xiàn)上進一步深入的探討，這類研究將對工業(yè)測轉(zhuǎn)速有著深遠的影響，是一個值得深入的方向。在此期間，