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1、天津农学院结 课 论 文题目: : 基于霍尔传感器的发动机转速检测仪的设计学生姓名 系 别 专业班级 任课教师 成绩评定 2012 年 12 月目录引言.3 一、系统组成及工作原理.3 1.1 转速测量原理 .3 1.2 转速测量系统组成框图 .4 1.2.1 霍尔传感器：.4 1.2.2 霍尔传感器的优势 .5 1.2.3 传感器的确立.5 1.2.4 处理器.5 1.2.5 LED 显示.6 二、系统硬件电路设计.7 2.1 脉冲产生及信号调理电路设计 .7 2.2 键盘显示模块设计 .8 2.3 串行通信模块设计 .8 三、系统软件设计.8 3.1 主程序设计 .8 3.1.1 主程序见
2、附录.9 3.2 子程序设计 .9 3.2.1 设定键值程序见附录.9 四、系统调试与分析.9 五、总结.10 六、参考文献.11 七、致谢.11 附录.12 附录 1 .13 附录 2 .15基于霍尔传感器的发动机转速检测仪的设计【摘 要】在近年来，在工程实践中，随着自动控制，自动检测和信息技术 的迅猛发展，工业自动化程度的不断提高，自动测控系统中对电参量的测量， 发动机、电动机、机床主轴等旋转设备对齿轮转速的测量都提出了越来越高的 要求。转速不是电动机的一个简单参数，而且是电控系统中其他参数计算的依 据和标准。因霍尔传感器具有结构简单、成本较低、体积小、无触点、可靠性 高、温度性好、寿命长
3、、无火花、无自激振荡、抗污染能力强、坚固、耐冲击 等诸多优点，本文对霍尔传感器转速检测系统的设计进行研究分析，采用脉冲 计数法，只要转轴每旋转一周，产生一个或固定的多个脉冲，并将脉冲送入处 理器中进行计数，即可获得转速信息。引言：在工农业生产和工程实践中，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，单片机技术的
4、日新月异，特别是高性能单片机的出现，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，使系统能达到更高的性能。本文以STC89C51 单片机为核 心的电动机转速测量系统，用NJK-8002D 霍尔传感器作为测量电机转速的敏感 元件，经过单片机数据处理，能够实时显示电机的转速。一、系统组成及工作原理1.1 转速测量原理转速测量的方法很多，在此采用频率测量法。其测量原理为，在固定的测 量时间内，计取转速传感器产生的脉冲个数，从而算出实际转速。设固定的测 量时间T c（min），计数器计取的脉冲个数m1，假定脉冲发生器每转输出p个脉 冲，对应被测转速为
5、N（r/min），则f=pN/60；另在测量时间Tc内，计取转速传 感器输出的脉冲个数m1应为 m1=Tcf ，所以，当测得m1值时，就可算出实际转 速值N = 60m1/pTc 。本检测装置中发动机的转速传感器信号盘安装在转轴上， 工作时传感器输出信号经整形后可得到相应的方波脉冲信号。利用STC89C51单 片机的输入捕捉功能，可得到相邻的两个上升沿的时间差，即可算出当前转速 N。公式为：N=60j/it(r/min)式中，i转速信号盘每转输出信号数；j信号盘转1圈发动机转的圈数（信号 盘安装在曲轴上时j=1，装在凸轮轴上则j=2）；T单片机输入捕捉所计算出的 相邻两个上升沿之间的时间差值。
6、1.2 转速测量系统组成框图系统由传感器、信号预处理电路、处理器、显示器和系统软件等部分组成。 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，显示器采用8 位LED 数码管动态显 示。系统原理框图如图1 所示图1 转速测量系统原理框图转速、频率测量转换图1.2.1 霍尔传感器：霍尔转速传感器安装在测速轮外侧
7、间隔13mm，磁场由安装在测速轮上的磁 钢提供，当磁钢块经过霍尔传感器正前方时，磁通密度发生改变，霍尔元件便 会产生脉冲信号并形成计数脉冲送入单片机中，由单片机完成计算得到相应的 转速，通过LED显示速度的变化。测速轮上安装的磁钢块越多，带轮每转一圈传感器发出的脉冲也就越多。相应转速测量的精度也会提高。因此为了提高测量 精度，需要在测速轮上加装多个磁钢块。霍尔转速传感器的主要组成部分是传 感头和齿圈，而传感头又是由霍尔元件、永磁体和电子电路组成的，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HB 的激励电机分别与
8、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。1.2.2 霍尔传感器的优势光电编码器是一种通过光电转换进行工作的传感器，测量精度高。但是光 电编码盘安装要求较高，由于软连接的原因，容易松动，可靠性差。而且安装 需要一定距离，在一些无间隙，同光泽或相似光泽的物体上面会有误差产生。磁电式转速传感器是利用电磁感应原理工作的，当测速轮旋转时，通过传 感器线圈的磁力线发生变化，相应的回路中就产生周期性的感应电动势，通过 对该电压变化周期计数，就可计算出测速轮的转速。而且电压的大小与磁通量 的变化率有关，速度越大，产生的电压就越大。因此虽然磁电式转速传感器结 构简单、成本低，但在低速场合，磁
9、电式转速传感器就会由于线圈上产生的感 应电压太小而无法工作。霍尔转速传感器是利用霍尔元件制成的，利用霍尔效应原理工作的:一个 金属或半导体薄片置于磁场中，磁场垂直于薄片，当薄片通以电流 Ie 时，在薄 片的两侧面上就会产生一个微量的霍尔电压 UH，如果改变磁场上的强度，霍 尔电压的大小亦随之改变，当磁场消失时，霍尔电压变为零。霍尔转速传感器 的输出信号不会受到转速值的影响,而且对电磁波的抗干扰能力强因此，通过了解以上三种传感器，发现霍尔传感器的优势更为显著。1.2.3 传感器的确立本文是对发动机转速的测量，确定了传感器的工作环境，通过以上的了解 发现霍尔传感器有这方面的优势，所以本文最后选择霍
10、尔转速传感器。1.2.4 处理器采用AT89C51单片机作为系统处理器。AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROMFalsh Programmable and Erasable Read Only Memory）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廉的方案。1.2.5 LED 显示由于AT89C51单片机的I/
11、O口不是很充足，数据采用串行输出的方法。图2给 出了LED显示电路，该电路采用TOS一8106BHK型号的共阳极LED显示器，其工作 电压为5 V。它只使用AT89C52的3个端口，配接4片串入共出移位寄存器74Lsl64 与l片三端可调稳压器LM317T。其中74LSl64的引脚QoQ7为8位并行输出端，引 脚A、B为串行输入端，引脚CLK为时钟脉冲输入端，在CLK脉冲的上升沿Z作用下 实现移位，其工作过程如下：AT89C52的串行阴设定在方式0移位寄存器状态下， 串行数据由P30发送，移位时钟由P3.l送出。在移位时钟的作用下，串行口发 送缓冲器的数据一位一垃地移入74LSl64中。4片74LSl64串级扩展为4个8位并行 输出口，分别连接到4个LED显示器的段选端作静态显示。需要指出的是，由于 74LSl64无并行输出控制端，因而在串行输入过程中，其输出端的状态会不断变 化，造成不应显示的字段仍有较暗的亮度，影响了显示的效果。为了改善不应显示的字段仍有较暗的亮度，在该显示电路上添加1片三端可 调稳压器LM317T，该稳压器的3、2脚分别是电压输入、输出端，I脚是电压调整 端，2脚输出电压随l脚电压而变化。l脚与接地电阻之间井一个NPN三极管，它 的基极受Pl.7口线控制，串行输入时Pl.7口线为高电平，三极管饱和导通使 LM317T的l脚约为03V，2脚输
