基于霍爾傳感器的電機測速裝置設計

-.z.檢測與轉換技術大作業(yè)報告題目院系班級學生日期霍爾傳感器在電機轉速測量裝置上的應用設計法號處理電，將脈沖信號轉化為標準的L電，便于2單片機的計數(shù)運，并通4存放器將轉速信號顯示在D。該電機測速裝置具有線路簡、實時性、本錢、安裝調(diào)試方便和節(jié)1.1AT89C52單片機AT89C52是一個低電壓、高性能CMOS8位單片機，片含8KB的可反復擦寫的Flash只讀程序存儲器和256B的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器〔RAM〕，兼容標準MCS-51指令系統(tǒng)，片置通用8位中央處理器和Flash存儲單元。AT89C52有40個引腳，32個外部雙向輸入/輸出〔I/O〕端口，同時含2個外中斷口，3個16位可編程定時計數(shù)器,2個全雙工串行通信口，2個讀/寫口線。AT89C52主要功能特性和引腳圖如下所示：·完全兼容MCS-51指令系統(tǒng)·8k可反復擦寫FlashROM·全靜態(tài)操作：時鐘頻率0-24MHz·三級加密程序存儲器·3個16位可編程定時/計數(shù)器中斷·256*8bit部RAM·32個可編程的雙向I/O口·2個外部中斷源，共8個中斷源·2個讀寫中斷口線·可編程串行UART通道·低功耗空閑和掉電模式·軟件設置睡眠和喚醒功能·輸出電流超過1.5安·輸出電壓在1.2伏和37伏間連續(xù)可調(diào)·部熱過載保護·不隨溫度變化的部短路電流限制·對高壓應用浮空工作·標準3引腳品體管封裝·防止置備多種固定電壓·輸出品體管平安工作區(qū)補償由霍爾效應原理可知:當霍爾片處于磁場中,并在垂直于磁場的方向上通以電流時,霍爾片上與電流和磁場分別垂直的方向會產(chǎn)生霍爾電勢差V=KBI。當通過霍爾片的電流恒定不變時，只要改變磁場的大小，就可以改變V。在電機外殼附近漏磁場因電樞轉動會起變化,利用線性霍爾傳感器可對其進展檢測。由于傳感器輸出電壓信號穩(wěn)定,只要存在磁場,霍爾元件總是產(chǎn)生一樣大小的電壓,并且輸出信號電壓的大小與轉速無關。即使是在低轉速狀態(tài)下,仍能夠獲得較高的檢測準確度，但是輸出信號的強弱與霍爾器件在電機外殼的安裝位置有關。因此,需通過實驗確定傳感器在電機外殼的安裝位置,以獲得最正確的信號效果?；诖嗽?在直流電機測速中,采用線性霍爾元件作為傳感器,感應局部固定在電動機外殼。在定子磁場中,永久磁鐵的磁力線通向轉子,轉子一般采用硅鋼片疊壓而成,轉子鐵心一般分為多槽,轉子轉動過程中引起定子磁通發(fā)生周期性的變化,從而引起了霍爾元件輸出信號的頻率變化?；魻栐敵龅男盘枱o需經(jīng)過放大處理,可直接用比擬器整形后送入單片機進展處理,從而得到電機轉速[1]。1霍爾齒輪傳感是一種用于測量速、角、轉、長度等的新型傳感脈沖信號來測量物體的速度、轉速等參量。該傳感器紅色端接電源正極，黑色端接地，綠色端為輸出端。而它的特點在于傳感黑色金屬目標、輸出幅度與齒輪轉速無，低速性能優(yōu)，工作頻率高達0表1·CP……時鐘輸入端·CLR……同步去除輸入端〔低電平有效〕·A、B……串行數(shù)據(jù)輸入端·QA-QH…輸出端共陽極數(shù)碼管是指將所有發(fā)光二極管的陽極接到一起形成公共陽極()的數(shù)碼管。共陽極數(shù)碼管在應用時應將公共極接到+5V，當*一字段發(fā)光二極管的陰極為低電平時，相應字段就點亮。當*一字段的陰極為高電平時，相應字段就不亮。。共陰極數(shù)碼管是指將所有發(fā)光二極管的陰極接到一起形成公共陰極()的數(shù)碼管。共陰極數(shù)碼管在應用時應將公共極接到地線GND上，當*一字段發(fā)光二極管的陽極為高電平時，相應字段就點亮。當*一字段的陽極為低電平時，相應字段就不亮[3]。部構造圖分別如下所示：根據(jù)霍爾效應原理，測量轉速時，在非磁性的轉盤上粘上一塊磁鋼，把霍爾傳感器的感應面對準磁鋼的磁極，并將其固定在機架上。機器軸旋轉時，固定在轉盤上的磁鋼會隨之旋轉，當磁鋼轉到傳感器的位置時，霍爾傳感器便輸出一個脈沖信號，經(jīng)施密特觸發(fā)器整型，送到單片機的外部中斷INT0引腳。轉軸每轉一圈霍爾傳感器輸出一個脈沖信號，相鄰兩個脈沖之間的時間間隔為轉軸轉一圈的時間，由此可計算出轉軸的轉速。2.1.2轉速控制原理直流電機的轉速與施加于電機兩端的電壓大小有關，可以采用AT89C52片的D/A轉換器的輸出控制直流電機的電壓，從而控制電機的轉速。在這里采用簡單的比例調(diào)節(jié)器算法，比例調(diào)節(jié)器的輸出系統(tǒng)式為：〔1〕式〔1〕中：y為調(diào)節(jié)器的輸出；為調(diào)節(jié)器的輸入，一般為偏差值；為比例系數(shù)從式〔1〕可以看出，調(diào)節(jié)器的輸出y與輸入偏差值成正比。因此，只要偏差一出現(xiàn)就產(chǎn)生與之成比例的調(diào)節(jié)作用，具有及時調(diào)節(jié)的特點，這是一種最根本的調(diào)節(jié)規(guī)律。比例調(diào)節(jié)作用的大小除了與偏差有關外，主要取決于比例系數(shù)，且比例調(diào)節(jié)系數(shù)愈大，調(diào)節(jié)作用越強，動態(tài)特性也越大；反之，比例系數(shù)越小，調(diào)節(jié)作用越弱。對于大多數(shù)的慣性環(huán)節(jié)，太大時將會引起自激振蕩。比例調(diào)節(jié)的主要缺點是存在靜差，對于擾動的慣性環(huán)節(jié)，太大時將會引起自激振蕩。對于擾動較大、慣性也比擬大的系統(tǒng)，假設采用單純的比例調(diào)節(jié)器就難于兼顧動態(tài)和靜態(tài)特性，需采用調(diào)節(jié)規(guī)律比擬復雜的PI〔比例積分調(diào)節(jié)器〕或PID〔比例、積分、微分調(diào)節(jié)器〕算法。2.2霍爾測速裝置及方法簡介2.2.1霍爾轉速傳感器檢測裝置轉速測量系統(tǒng)安裝示意圖如圖1所示，下面對1〕霍爾轉速傳感。該傳感器是利用霍爾效應原理工作的一個金屬或半導體薄片置于磁場，磁場垂直于薄，當薄片通以電流，在薄片的兩側面上就會產(chǎn)生一個微量的霍爾電壓。傳感器輸出的信號是矩形脈沖信號，很適合于數(shù)字2〕成，構造圖如圖2所示。它就是轉速測量時所用的轉盤，盤上共有24個齒。中心孔用來在電機轉軸上定位，從而信號盤與電機的轉軸一起轉動，傳感器固定在支架上，垂直于信號盤，其安裝圖如圖3所示。當信號盤隨電機轉軸旋轉時，信號盤的每個輪齒經(jīng)過探頭正前方時產(chǎn)生感應，探頭就輸出一個標準的脈沖信號。對該信號盤而言，每24個脈沖對應電機的1個工作循環(huán)。因此，脈沖信號的頻率大小就反映了信號盤轉速的上下，可由單片機進展測量并換算為轉速。2.3轉速數(shù)字式測量方法與該設備同軸連接的霍爾轉速傳感器的輸出脈沖頻率與轉速成正比的原理，根據(jù)脈沖發(fā)生器發(fā)出的脈沖速度和序列，測量轉速和判別其轉動方向。根據(jù)脈沖計數(shù)來實現(xiàn)轉速測量的方法主要有：M法(測1)M法。在規(guī)定的檢測時間，檢測霍爾傳感時間一定，但檢測的起止時間具有隨機性，因此M法測量轉速在極端情況下會產(chǎn)生±1個轉速脈沖的脈沖信號的數(shù)量較大時，才有較高的測量精度，因2)T法。它是測量霍爾傳感器所產(chǎn)生的相鄰兩脈沖信號時間的測量是采用對高頻脈沖信號進展計數(shù)來實現(xiàn)的。在極端情況下，時間的測量會(相鄰兩個轉速脈沖信號時間較大)時，才有較高的3)M/T法。它是同時測量檢測時間和在此檢測確定轉速。由于同時對兩種脈沖信號進展計數(shù)，因此只要"同時性〞處理得當，M/T法在高速和低速。傳感器輸出脈沖的間隔對M法有很大的影響。采用M法時，平均速度越準確(相對誤差小)，其估計的瞬時速度就越不準確，反之瞬時速度越準確，其平均速度的相對誤差就越大。M/T法相對于其他兩種方法有較高的精度，但它的實時性差。T法實際上是對計時器進展計數(shù)，相對于M法對脈沖進展計數(shù)，該方法有著較高的精度。另外T法對每個轉速脈沖都進展了轉速的計算，最大限度地利用了傳感器所提供的轉速信息，能實時地反映轉速的變化過程。綜合考慮，本文系統(tǒng)采用了測周期法(T法)。2.4轉速信號處理與顯示電路按照轉速裝置設計方案，轉速信號處理流程圖如圖4所示。HZL201霍爾齒輪傳感器承受齒輪信號盤的轉動，轉化為近似方波脈沖信號。由于要使用單片機進展轉速信號計數(shù)，霍爾傳感器輸出的方波脈沖信號必須轉化為標準TTL電平，所以在信號處理流程圖中參加了信號處理電路。通過這個電路就能將霍爾傳感器輸出的電壓信號變?yōu)闃藴实腡TL電平，之后要做的工作就是將該轉速信號顯示在LED上，通過一系列的處理，就能實時地反響轉速信號的變化。2.4.1信號處理電路根據(jù)轉速信號處理流程圖，首先設計了信號處理電路，傳感器輸出的轉速信號為方波脈沖信號，它的高電平低于15V高于14V，而低電平接近0?？梢娫撁}沖信號的電壓幅值與單片機接口不匹配，因此該電路又選用了一個由三極管(8050)組成的整形電路處理轉速信號使其滿足單片機的接收要求。當輸出為高電平信號時，三極管VT1的基極發(fā)射極處于正向偏置狀態(tài)，故集電極發(fā)射極處于正向通路狀態(tài)，其輸出電壓約為0；當輸出為低電平信號時，三極管VT1的基極發(fā)射極處于反向偏置狀態(tài)，故集電極發(fā)射極處于斷路狀態(tài)，其輸出電壓約為+5V。處理電路如圖5所示，經(jīng)處理后的方波脈沖信號滿足單片機的接收要求。2.4.2LED顯示電路由于AT89C52單片機的I/O口線不是很充足，數(shù)據(jù)采用串行輸入的方法。圖6給出了LED顯示電路，該電路采用TOS-8106BHK型號的共陽極LED顯示器，其工作電壓為5V。它只使用AT89C52的3個端口，配接4片串入并出移位存放器74LS164與1片三端可調(diào)穩(wěn)壓器LM317T。其中74LS164的引腳Q0～Q7為8位并行輸出端，引腳A、B為串行輸入端，引腳CLK為時鐘脈沖輸入端，在CLK脈沖上升沿的作用下實現(xiàn)移位，在CLK=0、去除端CLR=1時，74LS164保持原來數(shù)據(jù)狀態(tài)；CLR=0時，74LS164輸出清零。其工作過程如下：AT89C52的串行口設定在方式0移位存放器狀態(tài)下，串行數(shù)據(jù)由P3.0發(fā)送，移位時鐘由P3.1送出。在移位時鐘的作用下，串行口發(fā)送緩沖器的數(shù)據(jù)一位一位地移入74LS164中。4片74LS164串級擴展為4個8位并行輸出口，分別連接到4個LED顯示器的段選端作靜態(tài)顯示。需要指出的是，由于74LS164無并行輸出控制端，因而在串行輸入過程中，其輸出端的狀態(tài)會不斷變化，造成不應顯示的字段仍有較暗的亮度，影響了顯示的效果[2]。為了改善不應顯示的字段仍有較暗的亮度，在此顯示電路上添加1片三端可調(diào)穩(wěn)壓器LM317T，該穩(wěn)壓器的3、2腳分別是電壓輸入、輸出端，1腳是電壓調(diào)整端，2腳輸出電壓隨1腳電壓而變化。1腳與接地電阻之間并一個NPN三極管，它的基極受P1.7口線控制，串行輸入時P1.7口線為高電平，三極管飽和導通使LM317T的1腳約為0.3V，2腳輸出電壓隨之下降到1.25V，缺乏以使共陽極LED發(fā)光，故此時串行輸入的影響不會反映到LED上；串行輸入完畢后，使P1.7口線為低電平，三極管截止，適當調(diào)節(jié)P1阻值，使2腳輸出電壓上升到5.0V從而使LED正常發(fā)光。因此，1片三端可調(diào)穩(wěn)壓器LM317T起到了4片鎖存器的作用使LED顯示不會閃爍。該電路的另一優(yōu)點是通過可調(diào)電位器P1可在線調(diào)整2腳的輸出電壓，使LED的顯示亮度均勻可調(diào)，而且省掉了大量的LED限流電阻。第三章測速電路相關軟件編程檢測裝置的軟件系統(tǒng)主要包括測速主程、二進制碼與D碼轉換的子程序以及顯示子程。與2的INT1引腳相，由INT1引腳接收轉速脈沖信，進而控制單片機部定時計數(shù)器1的啟動和停頓。當1為下降沿脈沖時啟動計，上升沿時停頓計。此值m為2。由上可知定時計數(shù)器1的工作方式為方式，即。故，令另外該裝置采用T法測，因此轉速測量公式為n0f中f為2m為單片機響應中斷從計數(shù)器1讀出的計數(shù)z3.1.2匯編程序ORG0000HAJMPMAINORG001BHAJMPINTPORG1000HMAIN:MOVSP,#60HMOVSCON,#00H;串行口方式0工作ANLTMOD,#0FH;置計數(shù)器1工作方式1ORLTMOD,#90H;不影響T0的工作MOVR0,#30H;置部RAMSETBEA;CPU開中斷SETBE*1;開INT1中斷SETBP*1;令INT1為高優(yōu)先級SETBIT1;令INT1為脈沖觸發(fā)LCALLDISPINTP:…3.2BCD碼與二進制碼轉換子程序3.2.1BCD碼簡介BCD碼是用二進制表示的十進制數(shù)。BCD碼是為了滿足人們利用計算機來進展十進制計數(shù)，同時又為了能滿足計算機處理信息需要二進制編碼的需要，從而設計的一種編碼。因為任何十進制數(shù)都是0-9這10個數(shù)字的組合，這樣必須對十進制的0-9這10個數(shù)字符號進展二進制編碼，即BCD碼具有二進制和十進制兩種數(shù)制編碼的*些特征。3.2.2轉換說明BCD碼表示的4位十進制數(shù)分別存放于R1、R2中，其中R2存儲千位數(shù)和百位數(shù),R1存儲十位數(shù)和個位數(shù)，要把其轉換為純二進制碼，可用由高位到低位逐為檢查BCD碼的數(shù)值，然后累加各十進制位對應的二進制數(shù)來實現(xiàn)。其中1000D=03E8H，100D=0064H，10=000AH。子程序如下：入口:待轉換的BCD碼存于R1、R2中，其中低位字節(jié)十位數(shù)個位數(shù)R1高位字節(jié)千位數(shù)百位數(shù)R2出口：結果存在20H、21H單元中，其中20H存儲低字節(jié)，21H存儲高字節(jié)。3.2.3匯編程序BCDBI1:MOV20H,#00HMOV21H,#00H；存結果單元MOVR3,#0E8H；1000=03E8HMOVR4,#03H；1000的二進制數(shù)送R3、R4MOVA,R2ANLA,#F0H；取千位數(shù)SWAPA；將千位數(shù)移至低4位JZBRAN1；千位數(shù)為0，則轉BRAN1LOOP1:DECAACALLADDT；千位數(shù)不為0，加千位數(shù)二進制碼JNZLOOP1BRAN1:MOVR3,#64H；100=64HMOVR4,#00H；百位數(shù)的二進制碼送R3、R4MOVA,R2ANLA,#0FH；取百位數(shù)JZBRAN2；為0則轉BRAN2，否則繼續(xù)LOOP2:DECAACALLADDTJNZLOOP2；加百位數(shù)的二進制碼BRAN2：MOVR3,#0AH；10=0AHMOVA,R1ANLA,#0F0H；取十位數(shù)SWAPA；將十位數(shù)移至低4位JZBRAN3；為0則轉BRAN3，否則繼續(xù)LOOP3:DECAACALLADDTJNZLOOP3；加十位數(shù)的二進制碼BRAN3:MOVA,R1ANLA,#0FHMOVR3,AACALLADDTRETADDT:PUSHPSWPUSHACCCLRCMOVA,20H；在20H、21H單元中ADDA,R3；累計轉換結果MOV20H,AMOVA,21HADDCA,R4MOV21H,APOPACCPOPPSWRET3.3顯示子程序3