基于霍尔传感器测电动机转速设计报告讲解.docx
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基于霍尔传感器测电动机转速设计报告讲解
综合课程设计报告
基于霍尔传感器的电机转速测量系统软件设计
学生姓名
指导教师:
所在系:
电子信息系
所学专业:
电子信息工程
年级:
10级电子1班
2013年6月
基于霍尔传感器的电机转速测量系统软件设计
摘要
在生产过程中,电机的应用十分广泛,随着生产的不断发展,对电机转速的测量就显得十分必要,同时对电机转速的测量提出了更高的要求。
本文设计了一种以51单片机作为主控制器,使用霍尔传感器进行测量的直流电机转速测量系统。
本系统采用集成霍尔传感器敏感速率信号,具有频率响应快,抗干扰能力强等特点。
文章介绍了霍尔传感器的工作原理,阐述了霍尔传感器测速系统的工作过程,利用脉冲计数法实现了对转速的测量,通过LCD直观地显示电机的转速值。
结合硬件电路设计,采用模块化方法进行了软件设计。
编制了电机转速的测量设计了测量模块、转速模块、报警模块、显示模块等的C51程序,并通过PROTEUSE软件进行了仿真。
仿真结果表明所设计的软件程序是正确的。
关键词:
霍尔传感器单片机电机转速测量液晶显示
第1章绪论
在实践中,经常会遇到各种需要测量转速的场合。
例如在发动机、电动机、卷扬机、机床主轴等旋转设备的试验、运转和控制中,常需要测量和显示其转速。
测量转速的方法分为模拟式和数字式两种。
模拟式采用测速发电机为检测元件,得到的信号是模拟量。
数字式通常采用光电编码器、圆光栅、霍尔元件等为检测元件,得到的信号是脉冲信号。
随着微型计算机的广泛应用,特别是高性能价格比的单片机的出现,转速测量普遍采用以单片机为核心的数字式测量方法,智能化微电脑代替了一般机械式或模拟式结构。
1.1立题的目的和意义
霍尔传感器是利用霍尔效应实现磁电转换的一种传感器,它具有灵敏度高、线性度好、稳定性高、体积小和耐高温等特点,在机车控制系统中占有非常重要的地位[1]。
测速装置在控制系统中占有非常重要的地位,对测速装置的要求是分辨能力强、高精度和尽可能短的检测时间。
在此主要介绍应用霍尔传感器通过测量磁场强度,来得到稳定的脉冲方波信号,实现电机转速的测量转速是电动机极为重要的一个状态参数,在很多运动系统的测控中,都需要对电机的转速进行测量,速度测量的精度直接影响系统的控制情况,它是关系测控效果的一个重要因素。
不论是直流调速系统还是交流调速系统,只有转速的高精度检测才能得到高精度的控制系统。
1.2设计任务与要求
任务:
根据学校毕业设计的要求,设计一个功能满足设计要求、工作稳定、以单片机为核心的基于霍尔传感器的电机转速测量系统,能够实现在电机工作时转速的测量,并在发生故障时能及时的发出报警信号。
本设计包括完整的硬件设计和相应的软件设计。
要求:
首先选定传感器,霍尔传感器具有灵敏、可靠、体积小巧、无触点、无磨损、使用寿命长、功耗低等优点,综合了电机转速测量系统的要求。
其次设计一个单片机小系统,掌握单片机接口电路的设计技巧,学会利用单片机的定时器和中断系统对脉冲信号进行测量或计数。
再次实时测量显示并有报警功能,实时测量根据脉冲计数来实现转速测量的方法。
要求霍尔传感器转速为0~5000r/min。
第2章系统功能分析
2.1系统功能概述
系统主要功能是:
AT89C51单片机接受霍尔传感器传来的脉冲信号,单片机根据外部中断,以及内部定时器进行计数计算出电机转速送到LED并显示,外部装有蜂鸣器电路,在超速时,蜂鸣器发音,从实用角度看,评价一个系统实用价值的重要标准,就是这个系统对社会生活和科技观念有多大的贡献,转速测量系统具有大范围、高精度等优点、测量速度快,这种系统将会有良好的应用。
2.2系统模块结构论证
(1)霍尔测速模块论证与选择
采用霍尔元件传感器即霍尔片;霍尔片可分为贴片型和直插型。
由于贴片型不常用,因此选择直插型。
选型号为A3144的霍尔片作为霍尔测速模块的核心,该霍尔片体积小,安装灵活,可用于测速,且与普通的磁钢片配套使用,价格一般为2.5~3元。
(2)计数器模块论证与选择
可以采用片外计数器和片内计数器两个方案。
片外计数器的方案是指采用8253等片外的专用计数芯片进行脉冲计数,单片机控制8253的技术过程,并在技术完毕后读取计数值。
片内计数方案是指采用单片机的内部计数器完成对脉冲的计数过程。
使用片内的计数器的优点在于降低单片机系统的成本。
每到一个脉冲将会产生一个T1的计数,在T0产生的100ms中断完成后,T1的中断溢出次数就是所需要计的脉冲数。
特点在于:
使用了内部的T1作为外部脉冲的计数器,并且,为了避免计数器的溢出,将T1的初值设为0。
(3)显示模块论证与选择
采用LCD液晶显示器作为显示模块核心。
LCD显示器工作原理简单,编程方便,节能环保。
(4)报警模块论证与选择
采用蜂鸣器与发光二极管作为声光报警主要器件。
该方案不论在硬件和焊接方面还是在编写软件方面都简单方便,而且成本低廉。
(5)电源模块论证与选择
采用交流220V/50Hz电源转换为直流5V电源作为电源模块
(6)单片机模块论证与选择
选用P89C51的单片机速度极快、功耗低、体积小、资源丰富,有各种不同的规格,最快的达100MPS,引脚还可编程确定功能
2.3转速测量方案论证
转速的测量方法很多,根据脉冲计数来实现转速测量的方法主要有M法(测频法)、T法(测周期法)和MPT法(频率周期法),该系统采用了M法(测频法)。
由于转速是以单位时间内转数来衡量,在变换过程中多数是有规律的重复运动。
方案(电机轴一侧贴磁片):
使用霍尔传感器获得脉冲信号,其机械结构也可以做得较为简单,只要在转轴的圆周上粘上一粒磁钢,让霍尔开关靠近磁钢,就有信号输出,转轴旋转时,就会不断地产生脉冲信号输出。
如果在圆周上粘上多粒磁钢,可以实现旋转一周,获得多个脉冲输出。
在粘磁钢时要注意,霍尔传感器对磁场方向敏感,粘之前可以先手动接近一下传感器,如果没有信号输出,可以换一个方向再试[5]。
2.4小结
本章通过总体设计进行对方案选择的最终确定,研究了霍尔测速、计数器、显示、报警、电源、单片机等各部分模块的可行性方案。
第3章系统总体设计
3.1总体硬件设计
基于霍尔传感器的速度测量系统工作过程是:
测量转速的霍尔传感器和机轴同轴连接,机轴每转一周,产生一定量的脉冲个数,由霍尔器件电路部分输出。
经光电耦合后,成为转速计数器的计数脉冲。
同时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89C51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。
CPU将该值数据处理后,在LCD上显示出来。
一旦超速,CPU通过喇叭和指示灯发出声、光报警信号。
硬件原理图:
以单片机AT89C5l为控制核心,用霍尔集成传感器作为测量转速的检测元件,最后用字符型液晶显示器1602(HD44780控制)显示的小型直流电动机转速的方法,是数字式测量方法,智能化微电脑代替了传统的机械式或模拟式结构。
系统硬件原理图如图3-1所示。
图3-1硬件原理图
硬件电路设计总图:
在原理图基础上对各部分进行了详细的设计,硬件电路图如图3-2所示。
图3-2硬件电路图
3.2系统子模块简介
本文介绍一种用AT89C51单片机测量小型电动机转速的方法。
系统以单片机AT89C5l为控制核心.用霍尔集成传感器作为测量小型直流电机转速的检测元件,经过单片机数据处理,用字符型液晶显示器1602显示小型直流电机的转速。
另外系统还可完成对电机的开关控制、系统工作时间、当前时间及电机状态的显示。
单片机转速测量系统。
组成单片机转速测量系统的有复位电路,传感器电路,报警电路,显示电路。
复位电路:
AT89C51的复位时由外部的复位来实现的,复位电路通常采用按钮复位,其电路如下图所示。
图3-3复位电路图
传感器电路:
主要分为两个部分。
第一部分是利用霍尔器件将电机转速转化为脉冲信号;第二个部分是使用光耦,将传感器输出的信号和单片机的计数电路两个部分隔开,减少计数的干扰。
用于测量的A44E集成霍尔开关,磁钢用直径D=6.004mm,长度为L=3.032mm的钕铁硼磁钢。
电源用直流,霍尔开关输出由四位半直流数字电压表测量,磁感应强度B用95A型集成霍尔元件测量。
图3-4霍尔片管脚管脚接线
外接报警电路:
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。
图3-5外接报警电路图
显示电路:
显示部分有两个功能,在正常的情况下,通过LCD显示当前的频率数值,当电机的转速超出一定的范围后,通过蜂鸣器进行报警。
图3-6显示电路图
第4章软件设计
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。
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。
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。
1.主程序流程
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。
图4-1主流程图
2.中断服务流程图
在处于中断服务程序阶段,首先进行关中断设置。
其次进行对
位进行的脉冲个数计数的数值读取。
再次对
、T0进行赋初值并且进行关中断设置。
最后进行中断返回。
(1)外部计数中断
图4-2外部中断流程图
(2)定时器中断
图4-3T0中断流程图
第5章系统调试
电路调试是是整个系统功能能否实现的关键步骤,我们将整个调试过程分为三大部分,硬件调试、软件调试、综合调试。
5.1硬件调试
硬件调试主要是针对转速测量系统的单片机硬件电路分别进行调试,这一部分硬件调试主要分成两大块:
上电前的调试和上电后的调试。
上电前调试:
在上电前,必须保证电路中不存在断路或短路的情况,这一工作是整个调
试工作的第一步
上电后的调试:
在确保硬件电路正常,无异常情况方可上电调试,上电调试目的是检验电路是否接错,同时还要检验原理是否正确,在本次课题设计中,上电调试主要对转速测量系统的单片机控制部分、显示器点亮部分、和上位机通信的电平等部分的硬件调试。
单片机控制部分硬件调试:
这一部分调试主要是检测时钟电路、复位电路是否接对,单片机的电源以及地是否接好,以及其它的一些管脚的接法,看单片机通电后是否能正常工作等一系列问题。
接上电源,使电路通电,检查各个芯片上的工作电压是否正常供电,以保证芯片正常工作。
下图为接好的电路图:
图5-1实体电路图
5.2软件调试
软件调试分为两部分,一部分是应用Keil软件进行程序调试,另一部分是Proteus软件仿真。
应用Keil软件进行程序调试:
软件的调试必须在开发系统的支持下进行。
先分别调试通过各个模块程序,然后调试中断服务程序,最后调试主程序,将各部分连接进行调试。
调试的范围可以由小到大,逐步增加,必要的中间信号可以先做设定。
通常交叉使用单步运行,断点运行,连续运行等多种方式,每次执行完毕后,检查CPU执行现场,RAM的有关内容,I/O接口的状态等。
发现一个问题,解决一个问题,直至全部通过。
首先新建一个工程项目文件;其次为工程选择目标器件;再次为工程项目设置软硬件调试环境;并创建源程序文件并输入程序代码,及保存创建的源程序项目文件;最后把源程序文件添加到项目中。
Proteus软件仿真:
在Proteus软件中画出原理图,向单片机中加入需要调试的程序的HEX文件,便可以进行调试了.
利用Proteus实现单片机系统开发过程一般分为四步:
⑴.在Proteus平台上进行单片机系统电路设计、选择元器件、接插件、连接电路和电气检测等(简称Proteus电路设计);
⑵.在Proteus平台上进行单片机系统源程序设计、编辑、汇编编译、调试,最后生成目标代码文件(*.hex)(简称Proteus软件设计);
⑶再次在Proteus平台上将目标代码文件加载到单片机系统中,并实现单片机系统的实时交互、协同仿真(简称Proteus仿真);
⑷最后仿真正确后,安装实际单片机系统电路,并将目标代码文件(*.hex)下载到实际单片机中运行、调试。
若出现问题,可与Proteus设计与仿真相互配合调试,直至运行成功(简称实际产品安装、运行与调试)。
笔者的实践证明:
按照Proteus仿真通过的设计来安装的实际系统,只要安装正确、元器件无误,焊接牢靠,基本都能顺利通过。
5.3硬件软件联合调试
将生成的hex文件经过烧录器加到芯片AT89C51,然后搭接电路进行调试。
搭接电路步骤:
首先检查元件的好坏;按电路图买好元件后首先检查买回元件的好坏,按各元件的检测方法分别进行检测,一定要仔细认真。
其次放置各元件;按电路图的位置将各元件安置好,首先放置核心元件,然后再放其他元件,特别注意顺序不能颠倒。
再次电路接线;在保证电路元器件完好及各元器件放置无误合理的情况下,开始对电路连接布线,由于本设计用面包板搭件,所以布线要无跨线并且工整。
第6章结论
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。
主要通过学习了霍尔传感器、89C51单片机、1206LCD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。
本系统实现了题目基本部分以及扩展部分的要求,可达到设计的基本条件要求。
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。
但由于器件不够,所以直接采用了信号发生器中的信号。
3针对采用1206LCD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。
并应用KEIL进行了软仿真,调试结果表明所设计的软件程序正确。
4测速系统的功能还有待进一步提高,使其能够利用霍尔传感器产生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。
第7章参考文献
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