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1、电动机转速测量系统的设计设 计苏州经贸职业技术学院机电系应用电子技术（电子产品营销）专业（霍尔传感器电机转速测量系统的设计）学生姓名：高敏君 指导教师: 徐 进2013年1月目录摘要 I绪论 III课题研究的目的和意义IIII转速测量在国内外的研究 IIIII主要研究内容II第一章电机转速测量常用方法 11.1测频法（“M法”）11.2测周期法（“T法”）11.3本设计系统中采用的方法2第二章系统总体方案设计32.1总体设计方案 3第三章硬件电路设计 43.1单片机最小系统设计43.1.1时钟电路 43. 1. 2复位电路 43. 1. 3电源电路 53.2霍尔传感器测量电路设计53.2.1霍
2、尔传感器原理53.2.2开关型霍尔传感器53.3信号处理电路设计73.4显示电路设计 83.4.1 LCD1602 简介 83.4.2 LCD显示电路83.5按键电路设计 93.6蜂鸣器报警电路设计10第四章软件设计 114.1系统开发环境 114.2系统开发语言 114.3软件总体设计 12第五章系统调试 135.1 Protues 仿真 135.2系统调试结果 14结论 15致谢 16参考文献17附录18附录1 18附录2 26摘要在工程实践中，经常会遇到各种需要测量转速的场合，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
3、编码器，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。本文介绍了电机转速测量常用的方法，给出了基于单片机 AT89C51 的直流电机 转速测量系统的设计方案，完成了电机转速测量系统的设计。该系统以A44E开关型 霍尔传感器作为产生脉冲信号的主要元件，把所得到的计数脉冲转化为电机的转速 值，并在 LCD 液晶显示器上直观的显示电机的转速值。同时利用矩阵键盘对预先设 定的高速值和低速值进行相关设置，超过高速或低于低速值时，实现声报警功能。其优点硬件是电路简单，软件功能完善，测量速度快、精度
4、高、控制系统可靠， 性价比较高等特点。关键字：MSC-51 （单片机）；转速；传感器前言I课题研究的目的和意义转速是工程中应用非常广泛的一个参数，其测量方法较多，传统的测速方法一般以测 速发电机为主要检测元件，得到的是模拟量，这种测量技术已不能适应现代科技发展的要 求，在测量范围和测量精度上，已不能满足大多数系统的使用。随着大规模及超大规模集 成电路技术的发展，数字系统测量得到普遍应用。由于单片机在测量转速方面具有体积小、 性能强、成本低的特点，越来越受到企业用户的青睐，单片机对脉冲数字信号的强大处理 能力，使得全数字化系统越来越普及，其转速测量系统也可以用全数字化处理，在测量范 围和测量精度
5、方面都有极大的提高。以单片机为核心，设计的数字化转速测量系统，使系统能达到更高的性能，具有较强 的应用价值。它的研究结果可以用于我们的实际生活中，一方面它可以应用于工业控制中 的某一部分，如数控车床的电机转速检测和控制、水泵流量控制以及需要利用转速检测来 进行控制的许多场合，如车辆的里程表、车速表等。另一方面由于该转速测量系统采用全 数字结构，因而可以很方便的实行远程管理和控制，进一步提高现代化水平。总之，转速 测量系统的研究是一件非常有意义的课题。本课题研究的是电机转速测量系统，对了解电机工作状态，提高电机工作效率有很大 的帮助，该课题主要是对电机转速测量系统进行硬件和软件的设计，同时从实际
6、硬件电路 出发，分析电路的工作原理，根据设计的具体情况提出修改方案和解决办法。II转速测量的研究转速是能源设备与动力机械性能测试中的一个重要的特性参量，因为动力机械的许多 特性参数是根据它们与转速的函数关系来确定的，例如压缩机的排气量、轴功率、内燃机 的输出功率等等，而且动力机械的振动、管道气流脉动、各种工作零件的磨损状态等都与 转速密切相关。III主要研究内容该系统要实现的功能有：1液晶显示器实时显示所测得的转速值；2键盘对设定的高低速值进行相关设置；3实现声光报警功能。为了实现系统功能，主要研究了以下内容：1分析转速测量常用的两种方法；2根据电机转速测量系统的要求选择合适的传感器；3系统中
7、各硬件模块设计和软件设计；4系统调试。第一章 电机转速测量常用方法1.1测频法“M法”在一定测量时间T内，测量脉冲发生器（替代输入脉冲）产生的脉冲数ml来测量转速，如图2-1 所示，设在时间T内，转轴转过的弧度数为X，则转速n由式（2-1）计算 l得到。60 Xn 2兀T转轴转过的弧度数X的计算见式（2-2）。l 2兀mlX 式(2-1)P图2-1 “M”法测量转速脉冲式(2-2)将式 （2-2）式代入式（2-1）,则转速n的表达式见式（2-3）。式（2-3）60mln = TP式中n表示转速单位：（转/分）；T表示定时时间单位：（秒） ml表示产生的脉冲个数。在该方法中，由于定时时间T和脉冲
8、不能保证严格同步，以及在T内能否正好测量外 部脉冲的完整的周期不确定，所以可能产生1个脉冲的量化误差。因此，为了提高测量精 度, T要有足够长的时间。定时时间可根据测量对象预先设置。设置的时间过长，可以提 高精度，而设置的时间过短，测量精度会受到一定的影响。而且在规定的检测时间内对脉 冲个数计数，虽然检测时间一定，但检测的起止时间具有随机性，当被测转速较高时，才 有较高的测量精度，并且测量准确度随转速的减小而降低，该方法适合于高速测量。1.2测周期法“T法”转速可以用两脉冲产生的间隔宽度T来决定。如图2-2所示。T通过定时器测得。定 时器对时基脉冲（频率为f ）进行计数定时,在T内计数值若为m
9、2，则计算公式见式（2-4）。60n 二PT2-4)式（2-5）P即：60 fn = cPm2式中P表示为转轴转一周脉冲发生器产生的脉冲数； f 表示硬件产生的基准时钟脉冲频率：单位（Hz）； cn 表示转速单位：（转/分）；m2 表示时基脉冲。m2Tp图2-2 “T”法脉宽测量由“T”法可知，“T”法测量精度的误差主要有两个方面，一是由两脉冲的上升沿触 发时间不一致而产生的；二是由计数和定时起始和关闭不一致而产生的。因此要求脉冲的 上升沿（或下降沿）陡峭以及计数和定时严格同步。该方法在被测转速较低（相邻两个转 速脉冲信号间隔时间较大）时，才有较高的测量精度，其测量准确度随着转速的增大而降 低
10、，适于低速测量。1.3本设计系统中采用的方法通过分析可知，M法适合于高速测量，当转速越低，产生的误差会越大。T法适合于 低速测量，转速增高，误差增大。由于本系统中所测的电机转速较高，且基于M法的测量, 其电路和程序均较为简单，所以本设计中采用M法进行测量。第二章 系统总体方案设计2.1 总体设计方案本系统的硬件主要由电机，霍尔传感器，信号调理电路，AT89C51单片机，LCD液晶 显示器，矩阵键盘，报警系统组成。电机测速原理是在非磁材料的圆盘边上粘贴两块磁钢， 霍尔传感器固定在圆盘外缘，当电机转动时，磁钢经过霍尔传感器正前方，改变了磁通密 度，电机每转动一圈，霍尔传感器便输出两个脉冲，随着转盘
11、的不断转动，就不断产生脉 冲信号，经放大整形电路后送入单片机处理，转化为计数脉冲，脉冲信号的频率与转动速 度成正比，根据单位时间间隔内的脉冲数，就可获得被测电机转速。系统原理框图见图3-5。图3-5转速测量系统框图其中传感器部分采用A44E开关型霍尔传感器，负责将被测量转化为脉冲信号。信号 调理电路实现对待测信号的放大整形，降低对待测信号幅度要求，实现对小信号的测量。 处理器采用AT89C51单片机，负责对采集到的数据进行处理。显示器采用LCD液晶显示器, 负责显示测得的转速值及预设的高速、低速值。采用矩阵键盘对高速、低速值进行加减以 及按键声、报警声的相关设置，当测得的转速值超过高速或不足低
12、速值时，就实现声光报 警功能。第三章 硬件电路设计3.1 单片机最小系统设计 单片机的最小系统是指一个真正可用的单片机的最小配置系统，由时钟电路、复位电 路和电源电路组成。3.1.1时钟电路单片机各功能部件的运行都是以时钟控制信号为基准，有条不紊的工作。时钟电路是 单片机的心脏，它控制着单片机的工作节奏。AT89C51单片机内部有一个反相放大器，XTAL1、XTAL2分别为反相放大器的输入和输 出端，接晶振和两个负载电容元件以后就组成振荡器，产生时钟送至单片机内部的各个部 件。电路中的电容C7和C8典型值通常选择为20pf-30pf之间。对外接电容的值虽然没有 严格的要求，但电容的大小会影响振
13、荡器的频率的高低，振荡器的稳定性和起振的快速性。 时钟电路中，晶振的振荡频率范围通常在1.2MHZ-12MHZ之间。晶振的频率越高，则系统 的时钟频率也就越高，单片机的运行速度也就越快。但反过来运行速度快对存储器的速度 要求就高，对印制电路板的工艺要求也高，晶振和电容应尽可能安装得与单片机芯片靠近， 以减少寄生电容，更好地保证振荡器稳定，可靠地工作。综合考虑，本设计采用30pf的电容，晶振的频率采用12MHZ,时钟电路在本系统中采 用并联方式，最后连接在单片机的18脚和19脚，其电路图见图3-1。XTAUXTALIAT89C51图3-1时钟电路3.1.2复位电路单片机在启动运行时都需要复位，复
14、位使中央处理器CPU和内部其他部件处于一个确 定的初始状态，从这个状态开始工作。当单片机执行程序出错或进入死循环时，也可重新 启动。单片机有一个复位引脚RST,高电平有效。在时钟电路工作以后，当外部电路使得RST 端出现2个机器周期（24个时钟周期）以上的高电平，系统内部复位。复位有两种方式： 上电复位和按钮复位，本系统采用的是按钮复位电路，见图3-2。其中电容接VCC,电阻接地，RESET脚接在它们中间，电容选择10uF,按钮与电容并 联，后与 10K 电阻串联，就成了按钮复位电路。3.1.3 电源电路本系统采用USE接口对系统板上各模块供电，提供+5V电源。电源电路图见图3-3.VCCUS
15、BVCC5w -2 -i -Efefld.a-SI1F.1?K图3-3电源电路图当开关S1按下时，二极管绿灯亮，此时电源电路接通，各模块可以开始正常工作。3.2霍尔传感器测量电路设计3.2.1霍尔传感器原理霍尔传感器是利用霍尔效应原理制成的一种磁敏传感器。它是近年来为适应信息采集 的需要而迅速发展起来的一种新型传感器，这类传感器具有工作频带宽，响应快、面积小、 灵敏度高、无缺点、便于集成化、多功能化等优点，且易与计算机和其它数字仪表接口 因此被广泛用于自动监测、自动测量、自动报警、自动控制、信息传递、生物医学等各个 领域。其测量原理为：金属或半导体薄片的两个端面通以控制电流I,并在薄片的垂直方向 上施加磁感应强度为B的磁场，则在垂直于电流和磁场的方向上将产生电势Uh，称为霍尔 电势或霍尔电压。霍尔电势Uh=KhIB（其中Kh为霍尔元件灵敏度，它与所用的
