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1、南京大学毕业论文题 目基于霍尔传感器的转速测量设计摘 要在工程实践中，经常碰到需要测量转速的场合，而单片机作为一款性价比很高的微控制器在测速系统有着广泛的应用。首先，本文叙述了单片机测量转速的系统构成及转速测量的几种常用方法。其次，介绍了一种基于89C51单片机的电动机测速系统，该系统利用霍尔传感器产生脉冲信号，通过定时算法程序，将转速结果实时显示出来。最后，对测量指标进行了分析、比较并提出改进方案。关键词：单片机；转速测量；霍尔传感器AbstractAbstract（外语专业的需要）In engineering practice, often need to measure the rota
2、tional speed, micro controller and microcontroller as a very high price is widely used in the velocity measurement system. Firstly, this paper describes several methods of measuring speed and speed measurement system. Secondly, introduces a kind of motor speed measurement system based on 89C51 MCU,
3、the system by Holzer sensor generates a pulse signal, through the timing algorithm procedures, will speed results in real time display. Finally, analyzed the measurement indexes, and put forward the improvement scheme.Keywords: singlechip ; tachometric survey ； speed 目 录目 录摘 要IABSTRACT（外语专业的需要）II第一章
4、 绪论11.1课题的背景11.2课题的目的及意义11.3设计思路与内容1第二章 基于单片机的转速测量原理32.1转速的测量原理32.2转速的测量方法32.2.1测频法“M法”32.2.2测周期法“T法”42.2.3测频测周法M/T法52.3误差和精度分析52.3.1“M法”测量误差分析52.3.2“T法”测量误差分析62.3.3“M/T法”测量误差分析6第三章 霍尔传感器测转速系统的单元电路介绍83.1单片机的介绍83.2霍尔传感器选型103.3开关霍尔传感器的性能分析103.4系统显示电路介绍123.4.1 74HC595的介绍123.4.2 数码管介绍13第四章 电路的硬件设计154.1设
5、计的方框图154.2程序流程图164.2单元电路的设计174.2.1单片机主控电路设计174.2.2脉冲产生电路设计184.2.3按键电路设计194.2.4数码管结构和显示原理204.3电路的整机原理图的设计（分析工作原理）21第五章 软件设计235.1单片机转速程序设计思路及过程235.1.1单片机程序设计思路235.1.2单片机转速计算程序235.1.3二-十进制转换程序245.2程序设计26第六章 总结与展望27致 谢28参考文献291第一章 绪论第一章 绪论1.1课题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
6、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
7、。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。1.2课题的目的及意义在实践中,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，
8、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。1.3设计思路与内容计算转速公式： 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，
9、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*11059200/12N=55296000/N再将55296000化为二进制存入单片机的内存单元。下面我们将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
10、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。为数码管能够显示出来，需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。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。图1.1霍尔转速传感器的结构原理图图1.2霍尔转速传感器的结构原理图第二章 基于霍尔单片机的转速测量原理第二章 基于单片机的转速测量原理2.1转速的测量原理转速是工程中应用非常广泛的一
11、个参数，而随着大规模及超大规模集成电路技术的发展，数字测量系统得到普遍应用，利用单片机对脉冲数字信号的强大处理能力，应用全数字化的结构，使数字测量系统的越来越普及。在测量范围和测量精度方面都有极大的提高。转速的测量方法有很多，由于转速是以单位时间内的转速来衡量的，所以本文采用霍尔元器件测量转速。霍尔器件是有半导体材料制成的一种薄片，其长为l，宽为b，厚度为d。若在垂直于薄片方向（即沿厚度d的方向）施加外磁场，在沿长为l的方向的两端面加外电场，则其内部会有一定的电流通过。由于电子在磁场中运动，所以将受到一个洛仑兹力，其大小为： F=qVB,式中：F为洛伦兹力；q为载流子电荷，V为载流子运动速度，
12、B为磁感应强度。 由于受洛伦兹力，电子的运动方向轨迹将发生偏移，在霍尔元器件薄片的两个侧面分别产生电兹积聚或电荷过剩，形成霍尔电场。在霍尔器件两个侧面间形成的电位差为霍尔电压，其大小为： U=RBI/d式中：R为霍尔常数，I为控制电流。设K=R/d,它称为霍尔器件的灵敏系统，表示该霍尔元件在单位磁感应强度和单位控制电流下输出霍尔电动势的大小。若控制电流保持不变，则霍尔感应电压将随外界磁场强度而变化。根据这一原理，可将一块永久磁钢固定在电动机转轴上转盘的边沿，转盘随被转轴旋转，磁钢也将跟着同步旋转，在转盘附近安装一个霍尔元件，电机旋转时，霍尔元件受到磁钢所产生的磁场影响，故可输出脉冲信号，其频率
13、和转速成正比，测出霍尔元器件输出的脉冲周期或频率即可计算出转速。2.2转速的测量方法2.2.1测频法“M法”在一定测量时间T内，测量脉冲发生器产生的脉冲数m1来测量转速。如图2-1所示：2-1“M”法测量转速脉冲设在时间T内，转轴转过的弧度数为X，则的转速n可由下式表示。 (2-1) 转轴转过的弧度数X,可用下式所示 （2-2）将(2-1)式代入(2-2)式，得转速n的表达式为： （2-3）-转速单位：（转/分）-定时时间单位：（秒）2.2.2测周期法“T法”转速可以用两脉冲产生的间隔宽度Tp来决定。如图2-2所示： 图2-2 “T”法脉宽测量Tp通过定时器测得。定时器对时基脉冲(频率为fc)
14、进行计数定时，在TP内计数值若为m2，则计算公式为： （2-4）即： （2-5）-为转轴转一周脉冲发生器产生的脉冲数。-为硬件产生的基准时钟脉冲频率单位Hz。-转速单位：（转/分）。-时基脉冲。2.2.3测频测周法M/T法所谓测频测周法，即是综合了“T”法和“M”法分别对高、低转速具有的不同精度，利用各自的优点而产生的方法，精度位于两者之间。如图2-3所示。图2-3 “M/T”法定时/计数测量转速计算如下：设高频脉冲的频率为fc，脉冲发生器每转发出P个脉冲，由式（2-2）和（2-5）可得M/T法转速计算公式为：-转速值。单位：（转/分）。-晶体震荡频率。单位Hz。-输入脉冲数，反映转角。-时基脉冲数。2.3误差和精度分析2.3.1“M法”测量误差分析由转速公式： 给出因定时时间和输入脉冲不能保证严格同步，以及在T内能否正好测量外部脉冲的完整周期个数，所以m1可能产生一个脉冲的量化误差，故转速变化：（2-7）其相对误差为： （2-8） （2-9） (2-10)-相对误差。-加入一个脉冲后的转速值。-误差。由（2-10）式可知，随转速n增大而减小，因此，这种方法适合于高速测量，当转速越低，产生的误差会越大。2.3.2“T法”测量误差分析因m1的量化误差也是1个脉冲，故引起的转速变化也可以由下式给出
