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1、课程设计说明书 第III页霍尔传感器的转速测量电路设计摘 要目前，随着社会的进步和科技的发展，在我们的日常生活和生产活动中，经常会有各种场合需要测量转速，例如在汽车发动机、电动机、卷扬机、机床主轴等旋转设备的试验、运转和控制中，经常需要测量和显示其转速。随着微型计算机的普及，单片机技术的日新月异，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，使得许多控制功能及算法可以采用软件技术来完成，并且使系统能达到更高的性能。数字式测速方法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。采用单片机构成控制系统，可以节约人力资源和降低系统成本，从而
2、有效的提高工作效率。本文介绍一种用STC89C51单片机测量小型电动机转速的方法。系统以单片机STC89C51为控制核心，用NJK-8002D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8位LED数码管动态显示小型直流电机的转速。此方法简单实用，在生产生活领域有很好的作用。关键词：霍尔传感器NJK-8002D，单片机STC89C51，数字式测量，直流电机目 录1 绪论 .11.1 设计的背景.11.2 设计的意义.12 硬件电路的设计.22.1 设计思路和内容.2 2.2 设计方框图.3 2.3 单元电路的设计.5 2.3.1硬件电路.5 2.3.2单片机主控电路.
3、5 2.3.3脉冲产生电路.7 2.3.4按键电路.9 2.3.5数码管结构和显示.9 2.3.6信号处理模块.10 2.4 电路整体原理图的设计113 应用单片机的实现.12 3.1 整体电路图12 3.2 程序流程图.13总结.18致谢.19参考文献 .20第 1 页课程设计说明书 1 绪论1.1设计的背景 在直流电机的多年实际运行的过程中，机械测速电机不足之处日益明显，其主要表现为直流测速电机DG中的炭刷磨损及交流测速发电机TG中的轴承磨损，增加了设备的维护工作量，也随着增加了发生故障的可能性；同时机械测速电机在更换炭刷及轴承的检修作业过程中，需要将直流电动机停运，安装过程中需要调整机械
4、测速电机轴与主电机轴的同轴度，延长了检修时间，影响了设备的长期平稳运行。随着电力电子技术的不断发展，一些新颖器件的不断涌现，原有器件的性能也随着逐渐改进，采用电力电子器件构成的各种电力电子电路的应用范围与日俱增。因此采用电子脉冲测速1取代原直流电动机械测速电机已具备理论基础，如可采用磁阻式、霍尔效应式、光电式等方式检测电机转速。经过比较分析后，决定采用测速齿轮和霍尔元件代替原来的机械测速电机。霍尔传感器作为测速器件得到广泛应用。霍尔传感器是利用霍尔效应实现磁电转换的一种传感器。霍尔效应这种物理现象的发现，虽然已有一百多年的历史，但是直到20世纪40年代后期，由于半导体工艺的不断改进，才被人们所
5、重视和应用。我国从70年代开始研究霍尔器件,经过20余年的研究和开发,目前已经能生产各种性能的霍尔元件,霍尔传感器具有灵敏度高、线性度好、稳定性高、体积小和耐高温等特点2。因此在种种有利的条件下，基于霍尔传感器的数字式测量转速的方法就应运而生了。1.2 设计的意义在日常的生产生活中,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,常需要分时或连续测量和显示其转速及瞬时转速。要测速，首先要解决是采样问题。在使用模技术制作测速表时，常用测速发电机的方法，即将测速发电机的转轴与待测轴相连，测速发电机的电压高低反映了转速的高低。为了能精确地测量
6、转速外,还要保证测量的实时性,要求能测得瞬时转速方法。因第 2 页课程设计说明书 此转速的测试具有重要的意义。 这次设计内容包含知识全面，对传感器测量发电机转速的不同的方法及原理设计有较多介绍，在测量系统中能学到关于测量转速的传感器采样问题，单片机部分的内容，显示部分等各个模块的通信和联调。全面了解单片机和信号放大的具体内容。进一步锻炼我们在信号采集，处理，显示发面的实际工作能力。2 硬件电路的设计2.1 设计思路和内容计算转速的公式3： n=60/NTc (r/min)其中，N是内部定时器的计数值，为三字节，分别由TH0，TL0，VTT构成；Tc为时基，由于采用11.0592M的晶振，所以T
7、c不在是1um，而是12M/11.0592M约为1.08um。带入上面公式，即可得到转速的精确计算公式： N=60*11059200/12N=55296000/N再将55296000化为二进制存入单片机的内存单元。下面介绍除数是如何获得的：单片机的转速测量完成，定时器T0作为内部定时器，外部中断来的时候读取TH0，TL0，并同时清零TH0、TL0，使定时器再次循环计内部脉冲。此外，对于低速情况下，我们还要设定一个软件计数器VTT，当外部中断还没来而内部定时器已经溢出，产生定时器0中断时，增加VTT，作为三字节中的高字节。三字节组成除数，上面的常数为四字节，所以计算程序实际上就是调用一个四字节除
8、三字节商为两字节（最高转速36000r/min足够）的程序。为了使数码管能够显示出来，需要将二进制转换为十进制，在将十进制转换为非压缩BCD码后，才能调用查表程序，最后送显示。霍尔转速传感器的结构原理图如图2.1.1所示，传感器的定子上有2 个互相垂直的绕第 I 页课程设计说明书 组A 和B, 在绕组的中心线上粘有霍尔片HA 和HB ,转子为永久磁钢,霍尔元件HA 和HB 的激励电机分别与绕组A 和B 相连,它们的霍尔电极串联后作为传感器的输出4。第 3 页课程设计说明书 霍尔转速传感器的接线图如图2.1.2所示。图2.1.1 霍尔转速传感器的结构原理图图2.1.2 方案霍尔转速传感器的接线图
9、2.2 设计方框图该系统由传感器、信号预处理电路、处理器、显示器和系统软件等部分组成5。传感器部分采用霍尔传感器，负责将电机的转速转化为脉冲信号。信号预处理电路包含待测信号放大、波形变换、波形整形电路等部分，其中放大器实现对待测信号的放大,降低对待测信号的幅度要求，实现对小信号的测量；波形变换和波形整形电路实现把正负交变的信号波形变换成可被单片机接受的TTL/CMOS兼容信号。 处理器采用STC89C51单片机6，显示器采用8位LED数码管动态显示。第 4 页课程设计说明书 系统原理框图如图2.2.1所示：电机霍尔传感器串口信号护理单片机键盘RAMLED显示图2.2.1 系统原理框图系统模块主
10、要包括测量初始化模块、信号频率测量模块、浮点数算术运算模块、浮点数到BCD码转换模块、显示模块、按键功能模块、定时器中断服务模块。系统模块框图如图2.2.2所示。初始化模块显示模块浮点数到BCD码转换模块频率测量模块浮点数算数运算模块图2.2.2 系统模块框图单片机部分的主程序流程图如图2.2.3所示：开始计算程序BCD码转换初始化非压缩BCD转换显示程序返回图2.2.3主程序流程图 第 6 页课程设计说明书 2.3 单元电路的设计2.3.1 硬件电路硬件电路的电路图如下图2.3.1.1所示:2.3.1.1 硬件电路电路图2.3.2 单片机主控电路系统选用 STC89C51 7作为转速信号的处
11、理核心。STC89C51 包含 2 个16位定时/计数器、4K8 位片内 FLASH 程序存储器、4个8位并行I/O口。16 位定时/计数器用于实现待测信号的频率测量。8位并行口P0、P2用于把测量结果送到显示电路。4K8 位片内FLASH程序存储器用于放置系统软件。STC89C51与具有更大程序存储器的芯片管脚兼容,如:89C52(8K8 位)或 89C55(32K8 位),为系统软件升级打下坚实的物质基础。STC89C51最大的优点是：可直接通过计算机串口线下载程序,而无需专用下载线和编程器。STC89C51单片机是在一块芯片中集成了CPU、RAM、ROM、定时器/计数器和多功能I/O口等一台计算机所需要的基本功能部件。其基本结构框图如图2.3.2.1，包括：一个8位CPU；4KB ROM；128字节RAM数据存储器；21个特殊功能寄存器SFR； 4个8位并行I/O口，其中P0、P2为地址/数据线，可寻址64KB ROM或64KB RAM；一个可编程全双工串行口；第 7 页课程设计说明书 具有5个中断源，两个优先级，嵌套中断结构；两个16位定时器/计数器； 一个片内震荡器及时钟电路；时钟源CPU中断系统串行接口并行I/O接口定时/计数器 T0、T1特殊功能寄存器SFR 128字节RAM4K ROM（EPROM）（8031）计数脉冲
