霍尔传感器电机转速测量系统设计Word文件下载.docx
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正文
根据霍尔效应,人们用半导体材料制成的元件叫霍尔元件。
它具有对磁场敏感、结构简单、体积小、频率响应宽、输出电压变化大和使用寿命长等优点,因此,在测量、自动化、计算机和信息技术等领域得到广泛的应用。
霍尔器件具有许多优点,它们的结构牢固,体积小,重量轻,寿命长,安装方便,功耗小,频率高(可达1MHZ),耐震动,不怕灰尘、油污、水汽及盐雾等的污染或腐蚀。
霍尔线性器件的精度高、线性度好;
霍尔开关器件无触点、无磨损、输出波形清晰、无抖动、无回跳、位置重复精度高(可达μm级)。
采用了各种补偿和保护措施的霍尔器件的工作温度范围宽,可达-55℃~150℃。
金属或半导体薄片置于磁场中,当有电流流过时,在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势,这种物理现象称为霍尔效应。
这是由科学家爱德文·
霍尔在1879年发现的。
产生的电势差称为霍尔电压。
利用霍尔效应制成的元件称为霍尔传感器。
霍尔传感器属于磁敏元件,磁敏元件也是基于磁电转换原理,磁敏传感器是把磁学物理量转换成电信号。
随着半导体技术的发展,磁敏元件得到应用和发展,广泛用于自动控制、信息传递、电磁场、生物医学等方面的电磁、压力、加速度、振动测量。
它的特点是结构简单、体积小、动态特性好、寿命长。
霍尔传感器A3144是AllegroMicroSystems公司生产的宽温、开关型霍尔效应传感器,其工作温度范围可达-40℃~150℃。
它由电压调整电路、反相电源保护电路、霍尔元件、温度补偿电路、微信号放大器、施密特触发器和OC门输出极构成,通过使用上拉电阻可以将其输出接入CMOS逻辑电路。
该芯片具有尺寸小、稳定性好、灵敏度高等特点,有两种封装形式,一种是3脚贴片微小型封装,后缀为“LH”;
另一种是3脚直插式封装,后缀为“UA”。
A3144E系列单极高温霍尔效应集成传感器是由稳压电源,霍尔电压发生器,差分放大器,施密特触发器和输出放大器组成的磁敏传感电路,其输入为磁感应强度,输出是一个数字电压讯号。
它是一种单磁极工作的磁敏电路,适用于矩形或者柱形磁体下工作。
可应用于汽车工业和军事工程中。
霍尔传感器的外形图和与磁场的作用关系如图所示。
磁场由磁钢提供,所以霍尔传感器和磁钢需要配对使用。
霍尔元件和磁钢管脚图
该霍尔传感器的接线图如图所示。
霍尔传感器测量原理
测量电机转速的第一步就是要将电机的转速表示为单片机可以识别的脉冲信号,从而进行脉冲计数。
霍尔器件作为一种转速测量系统的传感器,它有结构牢固、体积小、重量轻、寿命长、安装方便等优点,因此选用霍尔传感器检测脉冲信号,其基本的测量原理如图所示,当电机转动时,带动传感器运动,产生对应频率的脉冲信号,经过信号处理后输出到计数器或其他的脉冲计数装置,进行转速的测量。
了解了霍尔传感器,下面,就对霍尔传感器电机转速测量系统进行设计,从中深入了解霍尔传感器。
总体硬件设计
使用单片机测量电机转速的基本结构如图所示。
该系统包括霍尔传感器、隔离整形电路、主CPU、显示电路、报警电路及电源等部分。
其测量过程是测量转速的霍尔传感器和电机机轴同轴连接,机轴每转一周,产生一定量的脉冲个数,由霍尔器件电路输出。
经过电耦合器后,即经过隔离整形电路后,成为转数计数器的计数脉冲。
同时霍尔传感器电路输出幅度为12V的脉冲经光电耦合后降为5V,保持同单片机AT89C51逻辑电平相一致,控制计数时间,即可实现计数器的计数值对应机轴的转速值。
主CPU将该值数据处理后,在LCD液晶显示器上显示出来。
一旦超速,CPU通过喇叭和转灯发出声、光报警信号。
1.传感器部分
主要分为两个部分。
第一部分是利用霍尔器件将电机的转速转化为脉冲信号。
霍尔测速模块由铁质的测速齿轮和带有霍尔元件的支架构成。
测速齿轮如图所示,齿轮厚度大约2mm,将其固定在待测电机的转轴上。
将霍尔元件固定在距齿轮外圆1mm的探头上,霍尔元件的对面粘贴小磁钢,当测速齿轮的每个齿经过探头正前方时,改变了磁通密度,霍尔元件就输出一个脉冲信号。
第二部分是使用六反相器和光耦,将传感器输出的信号进行整形隔离,减少计数的干扰。
测速齿轮霍尔元件
2.处理器
采用AT89C51单片机作为系统的处理器。
AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器(FPEROM—FalshProgrammableandErasableReadOnlyMemory)的低电压,高性能CMOS8位微处理器,俗称单片机。
该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造,与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。
由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中,ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器,为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价格低廉的方案。
其引脚图如图所示。
3.显示部分
1602字符型LCD与单片机相连
4.外接报警部分
在单片机应用的设计上,很多方案都会用到蜂鸣器,大部分都是使用蜂鸣器来做提示或报警。
用I/O定时翻转电平来产生驱动波形的方式会比较麻烦一点,必须利用定时器来做定时,通过定时翻转电平产生符合蜂鸣器要求的频率的波形,这个波形就可以用来驱动蜂鸣器了。
比如为2500Hz的蜂鸣器的驱动,可以知道周期为400μs,这样只需要驱动蜂鸣器的I/O口每200μs翻转一次电平就可以产生一个频率为2500Hz,占空比为1/2duty的方波,再通过三极管放大就可以驱动这个蜂鸣器了。
由于蜂鸣器的工作电流一般比较大,以致于单片机的I/O口是无法直接驱动的,所以要利用放大电路来驱动,一般使用三极管来放电流就可以了。
5.反相器74LS14
74LS14是一个6反相器,引脚定义如图所示:
A端为输入端,Y端为输出端,一片芯片一共6路,即1,3,5,9,11,13为输入端,2,4,6,8,10,12为输出端,输出结果与输入结果反相。
即如果输入端为高电平,那么输出为低电平。
如果输入低电平,输出为高电平。
6.光电耦合器
当电信号送入光电耦合器的输入端时,发光二极管通过电流而发光,光敏元件受到光照后产生电流,CE导通;
当输入端无信号,发光二极管不亮,光敏三极管截止,CE不通。
对于数位量,当输入为低电平“0”时,光敏三极管截止,输出为高电平“1”;
当输入为高电平“1”时,光敏三极管饱和导通,输出为低电平“0”。
若基极有引出线则可满足温度补偿、检测调制要求。
这种光耦合器性能较好,价格便宜,因而应用广泛。
系统电路设计
实际测量时,要把霍尔传感器固定在直流测速电机的底板上,与霍尔探头相对的电机的轴上固定着一片磁钢块,电机每转一周,霍尔传感器便发出一个脉冲信号,将此脉冲信号接到开发的多功能实验板上的P3.2[
]上,设定T0定时,每分钟所计的进入P3.2的脉冲个数即为直流电机的转速,电路图如下。
系统软件设计
电机转速测量需要经过的4个基本步骤:
1是控制方式;
2是确定计数方式;
3是信号输入方式;
4是计数值的读取;
通过89C51,单片机完成对电机转速脉冲计数的控制,读取寄存器完成转速频率的确定。
而SGN电机脉冲信号连到
引脚。
计数次数为3次,将3次结果取平均,从而提高计数的稳定性和精确性。
本系统采用89C51中的
中断对转速脉冲计数。
定时器T0工作于定时方式,工作于方式1。
每到1s读一次外部中断
计数值,此值即为脉冲信号的频率,根据式(4-1)可计算出电机的转速。
当直流电机通过传动部分带圆盘旋转时,霍尔传感器根据圆盘上得磁片获得一系列脉冲信号。
这些脉冲信号通过单片机系统定时/计数器
计数,定时器T0定时。
定时器T0完成100次溢出中断的时间T除以测得的脉冲数m,经过单位换算,就可以算得直流电机旋转的速度。
直流电机转速计算公式:
n=60·
m/(N1·
T·
N)(rpm)(4-1)
其中:
n为直流电机转速,N为栅格数,N1为T0中断次数,m为
在规定时间内测得的脉冲数,T为定时器T0定时溢出时间。
主程序工作过程如下。
先进行初始化设置各定时器初值,然后判断是否启动系统进行测量。
如果是,就启动系统运行。
如果不是就等待启动。
启动系统后,霍尔传感器检测脉冲到来后,启动外部中断,每来一个脉冲中断一次,记录脉冲个数。
同时启动T0定时器工作,每1秒定时中断一次,读取记录的脉冲个数,即电机转速。
连续采样三次,取平均值记为一次转速值。
再进行数值的判断,若数值高于5000rpm则报警并返回初始化阶段,否则就进行正常速度液晶显示。
/*------------------------主函数-------------------------*/
voidmain()
{
int_all();
//全局初始化
while
(1)
{
disp_count();
//数据处理
if(zhuan>
5000)//转速警告
{
warning=1;
}
if(zhuan<
4999)
warning=0;
write_command(0x80);
for(i=0;
i<
sizeof(display)-1;
i++)
write_data(display[i]);
//LCD显示
delay(5);
}
}
外部计数中断
/*-------------------外部中断0计数程序-------------------*/
voidcounter(void)interrupt0
EX1=0;
//关外部中断0
count++;
//计数加1
if(count==4)//4次循环为电机转一圈
{
count=1;
//初始化计数
z++;
//转圈计数加1
EX1=1;
//开外部中断0
定时器中断
/*-----------------内部中断0计时计数程序-----------------*/
voidTime0(void)interrupt2using0
TH0=0x4c;
//50ms定时
TL0=0x00;
msec++;
if(msec==20)//50*20=1S
msec=0;
zhuan=z;
z=0;
显示程序
/*--------------------向LCD1602写命令--------------------*/
voidwrite_command(ucharcommand)
rs=0;
//选择写命令
P0=command;
//向LCD写命令
lcdcs=1;
//信号使能端高电平
lcdcs=0;
//信号使能端低电平
/*-------------------------------------------------------*/
/*--------------------向LCD1602写数据--------------------*/
voidwrite_data(uchardata0)
rs=1;
//选择写数据
P0=data0;
//向LCD写数据
//信号使能端高电平
//信号使能端低电平
报警程序
蜂鸣器发声原理是电流通过电磁线圈,使电磁线圈产生磁场来驱动振动膜发声的,因此需要一定的电流才能驱动它,单片机IO引脚输出的电流较小,单片机输出的TTL电平基本上驱动不了蜂鸣器,因此需要增加一个电流放大的电路。
蜂鸣器程序设计思路:
本程序通过在输出一个音频范围的方波,驱动实验板上的蜂鸣器发出蜂鸣声,其中Delay延时子程序的作用是使输出的方波频率在人耳朵听觉能力之内的20KHZ以下,如果没有这个延时程序的话,输出的频率将大大超出人耳朵的听觉能力,我们将不能听到声音。
更改延时常数,可以改变输出频率,也就可以调整蜂鸣器的音调。
代码为:
if(zhuan>
5000)
转速程序
测速的方法决定了测速信号的硬件连接,测速实际上就是测频,因此,频率测量的一些原则同样适用于测速。
通常,可以用计数法、测脉宽法和等精度法来进行测试。
所谓计数法,就是给定一个闸门时间,在闸门时间内计数输入的脉冲个数;
测脉宽法是利用待测信号的脉宽来控制计数门,对一个高精度的高频计数信号进行计数。
由于闸门与被测信号不能同步,因此,这两种方法都存在±
1误差的问题,第一种方法适用于信号频率高时使用,第二种方法则在信号频率低时使用。
等精度法则对高、低频信号都有很好的适应性。
/*-----------------------数据处理------------------------*/
voiddisp_count()
display[9]=(zhuan/1000+'
0'
);
/转换转速的千位
display[10]=(zhuan/100%10+'
//转换转速的百位
display[11]=(zhuan/10%10+'
//转换转速的十位
display[12]=(zhuan%10+'
结论
本文给出了一种单片机实现电机转速的测量系统,克服了传统方法测量的不足,可以实现电机转速不同区段的精度测量。
该速度测量系统具有测量速度快,测量精度高的优点,不但可应用于一般的机电控制过程中进行速度测量,而且可应用于其它要求转速精确测量系统中。
主要通过学习了霍尔传感器、89C51单片机、1602LCD显示等知识,查阅了相关资料,实现了“基于霍尔传感器的电机转速测量系统设计”的基本要求,所设计的系统具有以下功能:
1、对于设计采用89C51单片机作为测量转速的主CPU芯片,系统硬件设备结构简单合理,成本低,实时性好。
2、测速系统采用霍尔传感器作为敏感速率信号,具有频率响应快,抗干扰能力强等特点。
霍尔传感器的输出信号经信号调理后,通过单片机对连续脉冲记数来实现转速测量,充分利用了单片机的内部资源,有很高的性价比。
经过测试并对误差进行分析发现,该系统的测量误差在5%以内,并且在测量范围内转速越高测量精度越高。
所以该系统在一般的转速检测和控制中均可应用。
3、针对采用1602LCD显示测速值,直观、稳定,易于实现,该显示方式可以推广到其他工程应用领域。
4、测速系统的功能还有待进一步扩充,如判别转速方向的能力;
电路布局、和抗干扰方面还有很大的提升空间。
参考文献
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人民邮电出版社,2000.534-535。
[2]刘涳主编.毕业设计宝典.西安:
西安电子科技大学出版社.2008年。
[3]全润,张亚凡,邓洪敏.传感器原理及应用[M].北京:
清华大学出版社,2008年。
[4]来清民主编.传感器与单片机接口及实例[M].北京航空航天大学出版社。
[6]何希才.传感器及其应用[M].北京:
国防工业出版社,2001。
传感器论文
班级:
09电子1班
姓名:
刘荣
学号:
*********
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- 关 键 词:
- 霍尔 传感器 电机 转速 测量 系统 设计