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1、课程设计说明书 第 I 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
2、而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，直流电机课程设计说明书 第 II 页 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.22.2 设计方框图.32.3 单元电路的设计.52
3、.3.1 硬件电路.52.3.2 单片机主控电路.52.3.3 脉冲产生电路.72.3.4 按键电路.92.3.5 数码管结构和显示.92.3.6 信号处理模块.102.4 电路整体原理图的设计113 应用单片机实现的软件设计.133.1 程序流程图13总结.17致谢.18参考文献 .19淄博职业学院毕业设计 目录课程设计说明书 第1页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
4、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
5、 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
6、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。因课程设计说明书 第2页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
7、，TL0，VTT 构成；Tc 为时基，由于采用 11.0592M 的晶振，所以 Tc 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*/12N=/N再将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
8、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 和课程设计说明书 第4页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。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
9、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。课程设计说明书 第3页系统原理框图如图 2.2.1 所示：电机霍尔传感器串
10、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：课程设计说明书 第4页开始计算程序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 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
11、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 课程设计说明书 第5页位片内 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：
12、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；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；课程设计说明书 第6页时钟源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）计数脉冲输入T0 T1P0 P1 P2 P3TXD RXD0INT1INT图 2.3.2.1 STC89C51 单片机结构框图STC89C51系列单片机中HMOS工艺制造的芯片采用双列直插(DIP)方式封装,有40个引脚。STC89C51单片机40条引脚说明如下:
