《测控系统综合设计》课程设计-基于虚拟仪器技术的霍尔测频系统设计论文.doc

常熟理工学院课程设计报告第1章 课程设计任务书测控系统综合设计设计任务书(三)题目：基于虚拟仪器技术的霍尔测频系统设计一、设计任务本课题要求通过直流电机的转动带动了磁钢的转动，通过霍尔元件采集磁场的变化，将直流电机的转速转换成具有周期性的矩形脉冲电压信号，送入NI ELVIS II数据采集平台的模拟输入通道，然后利用虚拟仪器软件开发平台LabVIEW来开发系统软件，以实现对直流电机转速和频率信号的采集、分析、处理与报表生成等。具体指标与要求如下：(一)硬件设计要求1、理解霍尔器件测频的基本原理，通过霍尔将电机的转速转换成具有周期性的矩形脉冲信号，实现对电机转速和频率的测量。要求对霍尔测频器件进行选型，对霍尔器件测频信号调理电路进行设计与调试，说明其工作原理。2、理解NI ELVIS II数据采集平台的工作原理，通过NI ELVIS II数据采集平台对霍尔传感器及其调理电路出来的电压信号进行采集、分析与处理。(二)软件设计要求 要求采用状态机的软件设计结构来设计霍尔测频系统软件。系统软件具有“系统初始化”、“系统等待”、“数据采集”、“报表生成”“打开报表”、“退出”等功能。具体要求如下：1、系统初始化霍尔测频系统软件运行后，首先进入系统初始化状态。系统初始化状态主要可以对NI ELVIS II数据采集平台，所用的数据采集通道及软件界面上的所有控件进行初始化。系统初始化结束后，软件进行等待状态中，等待其他功能的选中与运行。2、系统等待在系统等待状态下，用户可选择其他功能并运行。要求系统等待状态采用事件驱动结构来实现。3、数据采集要求系统可以对霍尔测频信号进行连续的实时采集、分析与显示。包括对所用NI ELVIS II数据采集平台物理通道，电压最大值、最小值、采样速率、每通道采样点数等参数的设置。将采集到的时域波形、频率(Hz)、电机转速(rpm)等参数进行实时显示。对信号进行频谱分析并显示其频谱波形。要求系统可以对霍尔测频信号进行连续的实时采集、分析与显示。4、报表生成报表生成功能可以实现对霍尔测频信号连续采集与分析过程中的相关参数包括所用NI ELVIS II数据采集平台物理通道，电压最大值、最小值、采样速率、每通道采样点数、时域波形、频率(Hz)、电机转速(rpm)、频谱波形等参数或波形作为报表的内容进行保存。5、打开报表打开报表功能可以对保存的报表进行打开以便进行离线进行分析和处理。6、退出按下“退出”键，将退出系统软件。要求系统软件界面设计友好，方便操作。在系统软件界面即前面板上必须有状态显示栏，以显示软件当前运行的状态。二、设计目的通过本次设计使学生具备：(1) 初步了解测控系统的设计步骤，掌握系统设计方法，加深对专业理论知识的理解，能够综合运用所学的传感器原理与检测技术、虚拟仪器技术、测控电路、测控系统原理与设计等专业知识设计测控系统各个单元，并组成系统。(2) 通过制定测控系统设计方案，合理选择传感器及其他元件，正确计算、选择各电路和元件参数，确定尺寸和选择材料，以及较全面地考虑制造工艺、使用和维护等要求，达到了解和掌握测控系统综合设计过程和方法的目的。(3) 进行设计基本技能的训练。如：计算、绘图、熟悉和运用设计资料（手册、图册、标准和规范等）以及使用经验数据、进行经验估算和数据处理及计算机应用的能力。 (4)了解现代仪器科学与技术的发展前沿，学习和掌握基于虚拟仪器技术的测控系统组成和工作原理；进一步掌握虚拟仪器LabVIEW图形化软件设计方法与调试技巧。(5)培养学生查阅资料的能力和运用知识的能力；提高学生的论文撰写和表述能力；培养学生正确的设计思想、严谨的科学作风；培养学生的创新能力和运用知识的能力。三、设计要求1、了解和掌握整个以虚拟仪器技术平台构建的测控系统组成、工作原理、各单元功能和应用背景。2、根据设计任务进行文献资料的检索，根据测控系统的功能和工作原理，确定测控系统的功能，制定设计方案和设计虚拟仪器面板。3、合理选择传感器的种类与型号，设计信号调理电路；利用虚拟仪器技术软件开发平台LabVIEW来编写与调试系统软件。4、按学校课程设计的撰写规范撰写且提交一份完整的设计报告。四、设计内容1、基于虚拟仪器技术的霍尔测频系统硬件设计。2、基于虚拟仪器技术的霍尔测频系统软件设计。具体设计内容详见前面的设计任务。五、设计报告要求报告中提供如下内容：1、 目录2、正文(1)设计任务书(只需要打印指导教师提供的设计任务书，不要对任务书的内容进行任何的修改)；(2)总体设计方案(包括对现代测控系统发展的概述，构建一个测控系统的总体结构图，霍尔器件测频的基本原理、发展与概述等，霍尔器件测频信号调理电路的设计，并根据任务书要求，选择合适的技术参数和技术方案，对多种设计方案进行分析比较，系统总体结构图概述等)；(3)系统硬件设计，包括传感器的选择(测量原理分析，传感器的量程、测量精度与结构、型号的确定)、信号调理电路的选择、设计及计算(根据测量要求、传感器的类型及特点，选择或设计合适的信号调理电路，并绘制电气系统原理图。)；(4)系统软件设计，包括系统软件程序流程图、前面板与框图程序的设计及功能实现方法等；(5)系统总体调试、运行及其结果；要求有程序和运行结果等。3、收获、总结与体会4、参考文献(不低于20篇)六、设计进度安排本课程设计共需3周时间，其具体安排见下表:序号内容时间安排1设计动员，布置设计任务第1天上午2查找与消化相关资料第1天下午，第2天3总体方案设计第3天4系统硬件设计第4-5天5系统硬件调试第6天6系统软件设计第7-10天7系统软件调试第11-12天8系统总体调试及性能分析与总结第13天9撰写设计报告第14天10完成设计报告并上交第15天上午11答辩第15天下午七、设计考核办法本设计满分为100分，从设计平时表现、设计报告及设计答辩三个方面进行评分，其所占比例分别为20%、40%、40%。第2章 总体设计方案2.1虚拟仪器概念与传统仪器概念主要区别：2.1.1虚拟仪器的定义及组成虚拟仪器（Virtural Instrument, VI）的概念是由美国国家仪器公司提出来的，虚拟仪器本质上是虚拟现实一个方面的应用结果。也就是说虚拟仪器是一种功能意义上的仪器，它充分利用计算机系统强大的数据处理能力，在基本硬件的支持下，利用软件完成数据的采集、控制、数据分析和处理以及测试结果的显示等，通过软、硬件的配合来实现传统仪器的各种功能，大大的突破了传统仪器在数据处理、显示、传送、存储等方面的限制，使用户可以方便地对仪器进行维护、扩展和升级。虚拟仪器是基于计算机的仪器，计算机和仪器的紧密结合是目前仪器发展的一个重要方向，虚拟仪器就是在通过计算机上加一组软件和硬件，使得使用者在操作这台计算机时，就像是在操作一台自己设计使用的专用的传统电子仪器。在虚拟仪器系统中，硬件仅仅是为了实现信号的输入、输出，软件才是整个仪器系统的关键。任何一个使用者都可以通过修改软件的方法，很方便的改变、增减仪器系统的功能与规模，所以有“软件就是仪器”之说。虚拟仪器的基本构成包括计算机、虚拟仪器软件、硬件接口模块等，其中，硬件接口模块可以包括插入式数据采集卡（DAQ）、串/并口、IEEE488接口（GPIB）卡、VXI控制器以及其他接口卡。目前较为常用的虚拟仪器系统是数据采集卡系统、GPIB仪器控制系统、VXI仪器系统以及这三者之间的任意组合。一般来说, 虚拟仪器是由通用仪器硬件平台(简称硬件平台) 和应用软件两大部分构成的。（1）虚拟仪器的硬件平台构成虚拟仪器的硬件平台有两部分。() 计算机。一般为一台PC 机或工作站, 是硬件平台的核心;() I/ O 接口设备。I/ O 接口设备主要完成被测输入信号的采集、放大、模/ 数转换。不同的总线其相应的I/ O 接口硬件设备,如利用PC 机总线的数据采集卡/ 板(DAQ) 、GPIB 总线仪器、VXI 总线仪器模块、串口总线仪器等。虚拟仪器的I/ O 接口设备主要有5 种类型。PC -DAQ 系统。PC - DAQ 系统是以数据采集板、信号调理电路及计算机为仪器硬件平台组成的插卡式虚拟仪器系统。这种系统采用PCI 或计算机本身的ISA 总线, 将数据采集卡/ 板(DAQ) 插入计算机的空槽中即可。GPIB系统。VXI 系统。PXI 系统。串口系统。它们分别是以其自身的标准总线仪器与计算机为仪器硬件平台组成的虚拟仪器测试系统。（2）虚拟仪器的软件目前的虚拟仪器软件开发工具主要有如下两类:文本式编程语言: 如Visual C + + , Visual Basic , Lab2Windows/ CVI 等。图形化编程语言: 如LabVIEW,HPVEE 等。这些工具为用户设计虚拟仪器应用软件提供了最大限度的方便条件与良好的开发环境。虚拟仪器的最大特点是将计算机资源与仪器硬件,DSP技术相结合，在系统内共享软硬件资源，打破了以往由厂家定义仪器功能的模式，由用户自己定义仪器功能。在虚拟仪器中，使用相同的硬件系统，通过不同的软件编程，就可以实现功能完全不同的测量仪器。传统仪器与虚拟仪器系统的比较如下表所示。 传统仪器与虚拟仪器系统的比较传统仪器虚拟仪器系统系统标准仪器厂商定义用户自定义系统关键硬件软件系统更改仪器功能，规模固定系统功能，规模可通过软件修改，增减系统连接系统封闭，与其他设备连接受限开放的系统，可方便的与外设，网络及其他应用连接价格昂贵低，可重复使用技术更新周期510年12年开发，维护费用高低由此可见，虚拟仪器尽可能采用通用的硬件，各种仪器的差异主要是软件，同时能充分发挥计算机的能力，有强大的数据处理功能，可以创造出功能更强的特性仪器。2.1.2 虚拟仪器的特点虚拟仪器和传统仪器相比具有以下的特点:(1) 具有可变性、多层性、自助性的面板。虚拟仪器的面板可以做到与传统仪器一样, 可以有显示器显示波形; 有LED指示数字; 有指针式表头指示刻度; 有旋钮、滑动条、开关按钮; 有报警指示灯和声响等等。而虚拟仪器的优越之处在于传统仪器面板上的元器件是硬件, 由厂商设计确定, 不可改变地安装在专用的面板上。而虚拟仪器的面板由计算机的显示器构成, 面板上的各种显示控制元件是软件图库中的各种功能图形, 由用户设计面板, 调用图形块, 用户可以不受“标准件”和“加工工艺”限制,随意增、删、移动元器件, 变化尺寸、色彩等等。还可以制作多层下拉面板, 帮助文件等等, 做出远远超过传统仪器的全汉化、生动美观、界面友好的面板。(2) 强大的信号处理能力用适当的硬件接口电路, 对信号进行采集、放大、滤波、隔离、A/ D 转换后,虚拟仪器就可以灵活、充分地利用通用计算机的大量实用软件工具, 对信号进行各种计算、分析、判断、处理、图形或数字显示, 经D/ A 转换后控制执行器件的动作。(3) 功能、性能、指标可由用户定义即可以根据用户的不同要求对同一仪器的功能、性能、指标进行修改或增删, 彻底打破了传统仪器一经设计、制造完成后, 其功能、性能、指标不可改变的封闭性、单一性。另一方面也可以将多种仪器的功能、性能、指标等以软件的形式集成在一个“功能软件库” 虚拟仪器库内, 通过它们的不同组合以及与各种不同类型的硬件接口搭配, 使得在一台个人计算机上就可实现各种仪器的不同功能, 大大提高了仪器功能的灵活性, 甚至可以进行非常复杂性的测试工作。(4) 具有标准的、功能强大的接口总线、板卡及相应软件GPIB 通用接口总线( General Purpose InterfacBus)又称IEEE488 国际标准接口总线, 30 年来广泛应用于仪器领域。但是只适用于消息基器件的互操作, 不适用于寄存器基器件。VXI 总线1987 年被首次推出,迅速成为IEEE1155 国际标准。VXI 硬件的通用性,使任意厂家、各种类型仪器接口不会发生电气和机械方面的冲突。VXI 总线的开放性, 保证任何系统一旦建立, 将来仍能得到很好的效用。VXI 能保持每个仪器之间精确定时和同步, 具有40Mbytes/ s 的高数据传输率。VXI 模块化仪器被认为是虚拟仪器最理想的硬件平台, 是仪器硬件的发展方向。此外, 还有VISA、PCI 等标准I/ O 卡及其相应驱动程序库为虚拟仪器的数据采集和控制提供强大支持。(5) 此外, 虚拟仪器还具有开发周期短、成本低、维护方便, 易于应用新理论、新算法和新技术,实现仪器的换代升级等特点。2.2虚拟仪器LabVIEW图形化程序的组成和特点2.2.1 LabVIEW的图形显示LabVIEW的特性之一是对数据的图形化显示提供了丰富的支持。强大的图形显示功能增强了用户界面的表达能力，极大地方便了用户对虚拟仪器的学习和掌握。Graph（事后记录图）和Chart（实时趋势图）是图形显示的两类主要控件。这两类控件的区别在于两者数据组织方式及波形的刷新方式不同。Chart将数据在坐标系中实时、逐点地显示出来，可以反映被测物理量的变化趋势，例如显示一个实时变化的波形或曲线，传统的模拟示波器和波形记录仪就是按照这种方式显示的。而Graph则是对已采集数据进行事后处理的结果，它先将被采集数据存放在一个数组之中，然后根据需要将这些数据组织成所需的图形一次性显示出来。缺点是没有实时显示，但其变现形式较丰富。例如，采集了一个波形后，经处理可以显示其频谱图。2.2.2 图形化编程环境LabVIEWLabVIEW是实验室虚拟仪器工程平台Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench 的缩写, 它是世界上第一个采用图形化编程技术的面向仪器的32位编译型程序开发系统, 由美国国家仪器NI (National Instrument) 公司推出。LabVIEW是一种用图形代码来代替编程语言创建应用程序的开发工具。在基于文本的编程语言中, 程序的执行依赖于文本所描述的指令, 而LabVIEW使用数据流编程方式来描述程序的执行。LabVIEW用图形语言( G语言) 、图标和连线(wires)来代替文本的形式编写程序。像VC + + 、VB 等高级编程语言一样, LabVIEW也是一种带有扩展函数的通用程序开发系统。LabVIEW拥有强大的库函数, 包括数据采集, GPIB ( General Purpose Interface Bus 通用接口总线) 和串口仪器控制, 数据显示、分析与存储等。LabVIEW可方便的调用Windows 动态链接库和用户自定义的动态链接库中的函数; LabVIEW还提供了CIN (C Interface Node) 节点使得用户可以使用由C 或C + + 语言, 如ANSI C , 编译的程序模块, 使得LabVIEW成为一个开放的开发平台。LabVIEW还支持动态数据交换(DDE) 、结构化查询语言( SQL) 、TCP和UDP 网络协议等。此外, LabVIEW还提供了专门用于程序开发的工具箱, 使得用户能够很方便的设置断点, 动态的执行程序来非常直观形象的观察数据的传输过程, 以及进行方便的调试。为了便于程序调试LabVIEW还带有传统的程序开发调试工具, 例如可设置断点, 可单步执行, 还可激活程序的执行过程, 以动画方式查看数据在程序中的流动执行。LabVIEW的运行机制就宏观上讲已经不再是传统上的冯诺伊曼计算机体系结构的执行方式了。传统的计算机语言(如C) 中的顺序执行结构在LabVIEW中被并行机制所代替; 从本质上讲, 它是一种带有图形控制流结构的数据流模式(Data Flow Mode) , 这种方式确保了程序中的函数节点( Function Node) 只有在获得它的全部数据后才能够被执行。也就是说, 在这种数据流程序的概念中, 程序的执行是数据驱动的, 它不受操作系统、计算机等因素的影响。既然LabVIEW 程序是数据流驱动的, 数据流程序设计规定, 一个目标只有当它的所有输入有效时才能够被执行; 而目标的输出只有当它的功能完全时才是有效的。这样LabVIEW中被连接的函数节点之间的数据流控制着程序的执行次序, 而不像文本程序受到行顺序执行的约束。从而, 我们可以通过相互连接函数节点快速简洁的开发应用程序, 甚至还可以有多个数据通道同步运行, 即所谓的多线程。LabVIEW是一个通用编程系统, 不但能够完成一般的数学运算与逻辑运算和输入输出功能, 它还带有专门的用于数据采集和仪器控制的库函数和开发工具, 尤其还附带专业的数学分析程序包, 基本上可以满足复杂的工程计算和分析要求。LabVIEW环境下开发的程序称之为虚拟仪器VI (Virtual Instruments) , 因为它的外型与操作方式可以模拟实际的仪器。实际上, Vis 类似于传统编程语言的函数或子程序。LabVIEW的核心是VI。VI 具有良好的人机交互界面前面板(Front Panel) 和相当于源代码功能的框图程序(Diagram) 。前面板接受来自框图程序的指令。在VI的前面板中, 控件模拟了仪器的输入装置并把数据提供给VI 的框图程序; 而LabVIEW的指示器则模拟了仪器的输出装置并显示由框图程序产生的数据。当一个控件或指示器放到前面板上, LabVIEW便在框图程序中相应的产生一个终端( Terminals) , 这个从属于控件或指示器的终端不能随意被删除, 只有删除它对应的控件或指示器时它才会随之一起被删除。利用LabVIEW编制框图程序时, 无须拘于传统程序设计语法细节的限制。首先, 从函数面板中选择需要的函数节点(Function Node) , 将之置于框图上适当位置; 然后用连线(Wires) 连接各函数节点在框图程序中的端(Port) , 用来在函数节点之间传输数据。这些函数节点包括了简单的计算函数、高级的采集和分析VI 以及用来存储和检索数据的文件输入输出函数和网络函数。LabVIEW编制出的图形化VI 具有层次结构和模块化的特点。开发者可将之用于顶层(Top Level) 程序, 也可用作其他程序或子程序的子程序。VI 代码内含的VI 称为subVI。为了区分各个subVI , 它们的图标是可编辑的。LabVIEW依附并发展了模块化程序设计的概念。用户可以把一个应用任务分解成为一系列的简单的子任务, 为每一个子任务创建一个VI ,再把它们装配到另一个图标代码中完成一个复杂的任务。最后, 完成整个应用程序的创建。总之, LabVIEW是一种易于理解和掌握的非常理想的虚拟仪器开发工具, 它提供了一个理想的编程环境, 采用LabVIEW编程可大大节省开发时间, 而运行速度却几乎不受影响。2.3霍尔传感器及其原理N1H-5C-70霍尔测速传感器(M18*1.5) （内置放大器，差动霍尔效应原理） 1、主要特性： 输出波形为方波 用于测量铁磁材质齿轮或凹槽，齿轮模数大于1 可测量的频率范围：0.2至20,000Hz，远远宽于无源感应式电磁传感器。 可准确测量非常低的速度(接近零速)，脉冲间隔非常大，优于无源感应式电磁传感器。 不受外部的干扰，如：错误的干扰信号，电机磁场，震动等。这是感应式传感器不能比拟的。 推挽式输出，输出电流大。 安装位置：无方向要求。 高防护级别，不受外部严酷电子、电气环境影响。 温度使用范围宽：-40度-+120度。 2、采用霍尔效应测量转速的原理 测量元件由霍尔元件和永磁体构成。当铁磁材质的齿轮（或凹槽）依次经过霍尔元件表面时，霍尔电压产生变化，产生电压差，从而提供了一个测量脉冲信号。这个信号的频率与转速成正比。内置的电路还有电源处理和抗干扰功能，基本消除了外界因素（如：震动，电机磁场，外界杂散电磁场等）的干扰。此特点与电磁感应式传感器相比，有很大的优势。 同时，输出信号强度与转速无关，始终保持最佳状态，弥补了电磁感应式传感器在低速下的缺点，大大扩展了测量范围，可以测量出非常低的转速（甚至静止的物体）。由于非常强的抗干扰能力，即使最低频率小于0.2Hz，此传感器仍然可以测量出来。 N1H-5C-70霍尔测速传感器(M18*1,无六方头)1、主要特性：输出波形为方波用于测量铁磁材质齿轮或凹槽，齿轮模数大于1可测量的频率范围：0.2至20,000Hz，远远宽于无源感应式电磁传感器。可准确测量非常低的速度(接近零速)，脉冲间隔非常大，优于无源感应式电磁传感器。不受外部的干扰，如：错误的干扰信号，电机磁场，震动等。这是感应式传感器不能比拟的。推挽式输出，输出电流大。安装位置：无方向要求。高防护级别，不受外部严酷电子、电气环境影响。温度使用范围宽：-40度-+120度。2、采用霍尔效应测量转速的原理 测量元件由霍尔元件和永磁体构成。当铁磁材质的齿轮（或凹槽）依次经过霍尔元件表面时，霍尔电压产生变化，产生电压差，从而提供了一个测量脉冲信号。这个信号的频率与转速成正比。内置的电路还有电源处理和抗干扰功能，基本消除了外界因素（如：震动，电机磁场，外界杂散电磁场等）的干扰。此特点与电磁感应式传感器相比，有很大的优势。 同时，输出信号强度与转速无关，始终保持最佳状态，弥补了电磁感应式传感器在低速下的缺点，大大扩展了测量范围，可以测量出非常低的转速（甚至静止的物体）。由于非常强的抗干扰能力，即使最低频率小于0.2Hz，此传感器仍然可以测量出来。3、技术参数频率范围 0.2Hz 20,000Hz测量原理 霍尔原理探测距离（间隙） 0.23.5mm, 根据扫描物体的形状确定。扫描物体 铁磁体，齿轮模数m1；孔，直径d3mm；突起或沟槽，宽度w3mm电源电压电压 直流1032V，标称值：直流24V反向电压保护 内含过电压 60V不超过2ms电压降 下降100%大于10ms无负荷时功率消耗 约 15mA（24 VDC）启动电流信号输出类型 标准脉冲方波输出周波 推挽式输出输出阻抗 130欧姆 输出电平 与输入电源电压有关输出电流 NPN：50 mA；PNP：20 mA最大输入电压 36V上升时间 10V/us推荐电缆长度 1,000m/1kHz0.5mm2,屏蔽线安装环境振动等级 4g25100Hz，振幅：1.6mm225Hz抗震性 300m/s218ms工作温度 -25 - +120壳体温度 -45 - +85相对湿度 96%防护等级 IP59安装方式 螺纹安装，M181.5安装方向 无方向性电气绝缘等级 60V材料 壳体：黄铜。重量 约100200g（根据长度和连接方式）2.4 霍尔传感器测速的基本原理随着单片机的不断推陈出新，特别是高性价比的单片机的涌现，转速测量控制普遍采用了以单片机为核心的数字化、智能化的系统。本文介绍了一种由单片机C8051F060作为主控制器，使用霍尔传感器进行测量的直流电机转速测量系统。转速测量及控制的基本原理2.4.1转速测量原理速的测量方法很多，根据脉冲计数来实现转速测量的方法主要有M法(测频法)、T法(测周期法)和MPT法(频率周期法)，该系统采用了M法(测频法)。由于转速是以单位时间内转数来衡量，在变换过程中多数是有规律的重复运动。根据霍尔效应原理，将一块永久磁钢固定在电机转轴上的转盘边沿，转盘随测轴旋转，磁钢也将跟着同步旋转，在转盘下方安装一个霍尔器件，转盘随轴旋转时，受磁钢所产生的磁场的影响，霍尔器件输出脉冲信号，其频率和转速成正比。霍尔器件是由半导体材料制成的一种薄片，在垂直于平面方向上施加外磁场B，在沿平面方向两端加外电场，则使电子在磁场中运动，结果在器件的2个侧面之间产生霍尔电势。其大小和外磁场及电流大小成比例。霍尔开关传感器由于其体积小、无触点、动态特性好、使用寿命长等特点，故在测量转动物体旋转速度领域得到了广泛应用。在这里选用美国史普拉格公司(SPRAGUE)生产的3000系列霍尔开关传感器3013，它是一种硅单片集成电路，器件的内部含有稳压电路、霍尔电势发生器、放大器、史密特触发器和集电极开路输出电路，具有工作电压范围宽、可靠性高、外电路简单<输出电平可与各种数字电路兼容等特点。 2.4.2 转速控制原理直流电机的转速与施加于电机两端的电压大小有关，可以采用C8051F060片内的DA转换器DAC0的输出控制直流电机的电压从而控制电机的转速。在这里采用简单的比例调节器算法(简单的加一、减一法)。调节器的输出Y与输入偏差值e(t)成正比。因此，只要偏差e(t)一出现就产生与之成比例的调节作用，具有调节及时的特点，这是一种最基本的调节规律。比例调节作用的大小除了与偏差e(t)有关外，主要取决于比例系数Kp，比例调节系数愈大，调节作用越强，动态特性也越大。反之，比例系数越小，调节作用越弱。对于大多数的惯性环节，Kp太大时将会引起自激振荡。比例调节的主要缺点是存在静差，对于扰动的惯性环节，Kp太大时将会引起自激振荡。对于扰动较大，惯性也比较大的系统，若采用单纯的比例调节器就难于兼顾动态和静态特性，需采用调节规律比较复杂的PI(比例积分调节器)或PID(比例、积分、微分调节器)算法。2.4.3硬件设计 本系统采用单片机C8051F060作为主控制器，使用霍尔传感器测量电机的转速，通过7079最终在LED上显示测试结果。此外，还可以根据需要调整控制电机的转速，硬件组成由图1所示。图2.1 测速系统硬件组成框图控制器C8051F060主要完成转速脉冲的采集、16为定时计数器计数定时、运算比较，片内集成的12位DAC0控制转速，并且通过7279显示接口芯片实现数码显示等多项功能。 系统采用外部晶振，系统时钟SYSCLK等于18432000，T0定时1 ms，初始化时TH0=(-SYSCLK1 000)8；TL0=-SYSCLK1 000。等待1 s到，输出转速脉冲个数N，计算电机转速值。将1 s内的转速值换算成1 min内的电机转速值，并在LED上输出测量结果。 2.4.4软件设计 本系统采用C8051F060中的INT0中断对转速脉冲计数。定时器T1工作于外部事件计数方式对转速脉冲计数；T0工作于定时器方式均工作于方式1。每到1 s读一次计数值，此值即为脉冲信号的频率，根据式(1)可计算出电机的转速。由于直流电机的转速与施加工于电机两端的电压大小有关，故将实际测得的转速值与预设的转速值比较，若大于预设的转速值则减小DAC0的数值，若小于转速预设的转速值则增加DAC0的值调整电机的转速，直到转速值等于预设定的值，这样就实现了对电机转速的控制，主程序和T0中断流程图如图所示：图2.2 主程序流程图图2.3 中断程序流程图首先在软件中给出转速预设值，即给定常量speed的值，观察速度稳定后七段数码管的数值，比较实际测量的转速值和预设转速值，计算测量误差，评价测量的准确性，测试结果如表1所示。根据实验测试和误差分析绘制了测量误差曲线，如图4所示。误差分析表明，转速测量误差在5以内，并且随着转速预设值的增加测量误差愈小，呈指数形式下降。图2.4 转速测试结果与测量误差曲线本测速系统采用集成霍尔传感器敏感速率信号，具有频率响应快、抗干扰能力强等特点。霍尔传感器的输出信号经信号调理后，通过单片机对连续脉冲记数来实现转速测控，并且充分利用了单片机的内部资源，有很高的性价比。经过测试并对误差进行分析发现，该系统的测量误差在5以内，并且在测量范围内转速越高测量精度越高。所以该系统在一般的转速检测和控制中均可应用。本系统采用C8051F060中的INT0中断对转速脉冲计数。定时器T1工作于外部事件计数方式对转速脉冲计数；T0工作于定时器方式均工作于方式1。每到1s读一次计数值，此值即为脉冲信号的频率，根据式(1)可计算出电机的转速。由于直流电机的转速与施加工于电机两端的电压大小有关，故将实际测得的转速值与预设的转速值比较，若大于预设的转速值则减小DAC0的数值，若小于转速预设的转速值则增加DAC0的值调整电机的转速，直到转速值等于预设定的值，这样就实现了对电机转速的控制。 2.4.5 频率测量原理霍尔器件是由半导体材料制成的一种薄片，器件的长、宽、高分别为 l、。若在垂直于薄片平面（沿厚度 ）方向施加外磁场，在沿方向的两个端面加一外电场，则有一定的电流流过。由于电子在磁场中运动，所以将受到一个洛仑磁力，其大小为：式中：f洛仑磁力， 载流子电荷， 载流子运动速度， 磁感应强度。这样使电子的运动轨迹发生偏移，在霍尔元器件薄片的两个侧面分别产生电子积聚或电荷过剩，形成霍尔电场，霍尔元器件两个侧面间的电位差称为霍尔电压。霍尔电压大小为： (mV) 式中：霍尔常数， 元件厚度， 磁感应强度， 控制电流设 , 则=(mV)为霍尔器件的灵敏系数(mV/mA/T)，它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。应注意，当电磁感应强度反向时，霍尔电动势也反向。图2.3为霍耳元件的原理结构图。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，可以将两块永久磁钢固定在电动机转轴上转盘的边沿，转盘随被测轴旋转，磁钢也将跟着同步旋转，在转盘附近安装一个霍尔元件，转盘随轴旋转时，霍尔元件受到磁钢所产生的磁场影响，输出脉冲信号。传感器内置电路对该信号进行放大、整形，输出良好的矩形脉冲信号，测量频率范围更宽，输出信号更精确稳定，已在工业，汽车，航空等测速领域中得到广泛的应用。其频率和转速成正比，测出脉冲的周期或频率即可计算出转速。 图2.5利用装在电机转轴上的金属材料和转轴下方的霍尔传感器组成一个检测传感器。当电机每转一圈时候产生一个脉冲信号输出，对该信号的检测，便可以检测出电机的频率。2.5霍尔传感器产业发展现状21世纪，是人类全面进入信息电子化的时代。随着人类探知领域和空间的拓展，使得人们更依赖于获取外界信息的采集技术。敏感元件及传感器是人类探知自然界信息的触角，它可以将人们需要探知的各种非电量信息转化为电量信息，为人们认识和控制相应的对象提供条件和依据。如今，作为现代信息技术的三大支柱之一的传感器技术，已成为21世纪人们在高新技术发展方面争夺的一个制高点。传感器种类繁多，原理也各式各样。自1879年美国物理学家EdwinHerbertHall发现霍尔效应以来，以此为基础的霍尔传感器已发展成一个品种多样的磁传感器产品家族，被越来越多地应用于工业控制的各个领域。而由此衍生的霍尔传感器产业也在近十几年逐渐发展壮大起来，日益生机勃勃。霍尔传感器具有许多优点，它们的结构牢固，体积小，重量轻，寿命长，安装方便，功耗小，频率高（可达1MHZ），耐震动，不怕灰尘、油污、水汽及盐雾等的污染或腐蚀。霍尔线性传感器的精度高、线性度好；霍尔开关传感器无触点、无磨损、输出波形清晰、无抖动、无回跳、位置重复精度高（可达m级）。其中取用了各种补偿和保护措施的霍尔器件的工作温度范围可以很宽，可达55150。基于上述优点霍尔传感器产业发展应用大致分为:直接应用和间接应用。前者是直接检测出受检测对象本身的磁场或磁特性，其中最具特色的当推是霍尔电流、电压类传感器/变送器，它们已成为当今电子测量领域中应用最多的传感器件之一，是测量控制电流、电压的新一代工业用电量传感器，是一种新型的高性能电气隔离检测元件，被广泛用于电力、电子、交流变频调速、逆变装置、电子测量和开关电源等诸多领域以及逆变焊机，发电及输变电设备，电气传动，数控机床等工业产品上，它正在逐步替代传统的互感器和分流器，并具有精度高、线性好、频带宽、响应快、过载能力强和不损失测量电路能量等优点。后者是检测受检对象上人为设置的磁场，用这个磁场来作被检测的信息的载体，通过它，将许多非电、非磁的物理量例如力、力矩、压力、应力、位置、位移、速度、加速度、角度、角速度、转数、转速以及工作状态发生变化的时间等，转变成电量来进行检测和控制。其中诸如常见的在无刷电机、无损探伤，接近开关，齿轮转速传感器，角度传感器以及微位移（压力、振动、加速度、液位）传感器等新兴产业的应用发展。从事霍尔传感器产业领域的厂家基地就如雨后春笋般的不断涌现，这方面的人才抢夺竞争更是白热化。就如霍尔电流电压传感器为例，华北有北京莱姆北京森社（原北京701厂）烟台华冠河北保定。东南有南京中旭科技和株洲宁波分所，华南有成都晶峰与河源雅达等，当然还有武汉华意，南京茶花、托肯，珠海澳特尔，深圳北疆等近几年实力也越来越强，不容忽视。以上这些厂家规模或大或小，技术力量或强或弱，有的曾经还是一脉相承，大家产品或多或少存在着某种相同，又各有各的特点，因而大家在应用领域的市场竞争日益激烈。另外以霍尔技术为核心的智能电量传感器也已经形成产业链，四川维博西安天立深圳圣斯尔等，他们的产品多为电流电压传感器+变送器+数字电路处理，这必将成为霍尔传感器在工业电量测控应用领域的新型发展应用。国际上的霍尔传感器产业发展以其智能化、集成化见长，它们正在逐渐的进入我国的市场，实际上在很多集约化领域，已随处可见它们的身影。这些大公司的产品具有很大的竞争实力，对国内的霍尔传感器厂家来说无疑是一种强力冲击。国内的霍尔传感器产业要想立于不败之地，除了要更加深入学习国外的先进技术外，更多的是应该学习人家的管理水平，这才是国内各传感器厂家的常见弊症所在。在霍尔传感器产业飞速发展的同时，也给霍尔传感器自身的发展提出了急迫需求。发展和应用得比较成熟的一些霍尔传感器，已经在长期使用中逐步显现出自身存在的某些局限。为了充分发挥各自的优势，突破限制，拓展发展空间，必须开发新材料，发现新效应，发明新产品，将霍尔传感器产业推向新的发展高峰，这是我们当前的首要任务，也是时代给予我们的历史使命！第3章 系统硬件设计3.1 霍尔器件测频的基本原理转速的测量方法很多，根据脉冲计数来实现转速测量的方法主要有M法(测频法)、T法(测周期法)和MPT法(频率周期法)，该系统采用了M法(测频法)。由于转速是以单位时间内转数来衡量，在变换过程中多数是有规律的重复运动。根据霍尔效应原理，将一块永久磁钢固定在电机转轴上的转盘边沿，转盘随测轴旋转，磁钢也将跟着同步旋转，在转盘下方安装一个霍尔器件，转盘随轴旋转时，受磁钢所产生的磁场的影响，霍尔器件输出脉冲信号，其频率和转速成正比。根据脉冲信号的周期与电机的转速的关系可计算出直流电机的转速。霍尔器件是由半导体材料制成的一种薄片，在垂直于平面方向上施加外磁场B，在沿平面方向两端加外电场，则使电子在磁场中运动，结果在器件的2个侧面之间产生霍尔电势。其大小和外磁场及电流大小成比例。霍尔开关传感器由于其体积小、无触点、动态特性好、使用寿命长等特点，故在测量转动物体旋转速度领域得到了广泛应用。在这里选用美国史普拉格公司(SPRAGUE)生产的3000系列霍尔开关传感器3013，它是一种硅单片集成电路，器件的内部含有稳压电路、霍尔电势发生器、放大器、史密特触发器和集电极开路输出电路，具有工作电压范围宽、可靠性高、外电路简单、输出电平可与各种数字电路兼容等特点。直流电机的转速与施加于电机两端的电压大小有关，可以采用C8051F060片内的DA转换器DAC0的输出控制直流电机的电压从而控制电机的转速。在这里采用简单的比例调节器算法(简单的加一、减一法)。比例调节器的输出系统中，调节器的输出与输入偏差值成正比。因此，只要偏差一出现，就会产生与之成比例的调节作用，具有调节及时的特点，这是一种最基本的调节规律。比例调节作用的大小除了与偏差值有关外，主要取决于比例系数Kp，比例调节系数愈大，调节作用越强，动态特性也越大。反之，比例系数越小，调节作用越弱。对于大多数的惯性环节，Kp太大时将会引起自激振荡。比例调节的主要缺点是存在静差，对于扰动的惯性环节，Kp太大时将会引起自激振荡。对于扰动较大，惯性也比较大的系统，若采用单纯的比例调节器就难于兼顾动态和静态特性，需采用调节规律比较复杂的PI(比例积分调节器)或PID(比例、积分、微分调节器)算法。3.2 器件的选择一个实验成功与否，不仅取决与软硬件的设计，元器件的正确选择也是至关重要的。正确元器件的选择，不但会提高的实验数据的准确性，而且会使实验电路得到简化，所以我们要正确的选择实验器件。3.2.1 霍尔元件 30533.2.2 直流电机图3-1是一台直流电机的最简单模型。N和S是一对固定的磁极，可以是电磁铁，也可以是永久磁铁。磁极之间有一个可以转动的铁质圆柱体，称为电枢铁心。铁心表面固定图3.1 直流电动机工作原理示意图一个用绝缘导体构成的电枢线圈abcd，线圈的两端分别接到相互绝缘的两个半圆形铜片(换向片)上，它们的组合在一起称为换向器，在每个半圆铜片上又分别放置一个固定不动而与之滑动接触的电刷A和B，线圈abcd通过换向器和电刷接通外电路。将外部直流电源加于电刷A(正极)和B(负极)上，则线圈abcd中流过电流，在导体ab中，电流由a指向b，在导体cd中，电流由c指向d。导体ab和cd分别处于N、S极磁场中，受到电磁力的作用。用左手定则可知导体ab和cd均受到电磁力的作用，且形成的转矩方向一致，这个转矩称为电磁转矩，为逆时针方向。这样，电枢就顺着逆时针方向旋转，如图8.1(a)所示。当电枢旋转180，导体cd转到N极下，ab转到S极下，如图8.1(b)所示，由于电流仍从电刷A流入，使cd中的电流变为由d流向c，而ab中的电流由b流向a，从电刷B流出，用左手定则判别可知，电磁转矩的方向仍是逆时针方同。由此可见，加于直流电动机的直流电源，借助于换向器和电刷的作用，使直流电动机电枢线圈中流过的电流，方向是交变的，从而使电枢产生的电磁转矩的方向恒定不变，确保直流电动机朝确定的方向连续旋转。这就是直流电动机的基本工作原理。实际的直流电动机，电枢圆周上均匀地嵌放许多线圈，相应地换向器由许多换向片组成，使电枢线圈所产生的总的电磁转矩足够大并且比较均匀，电动机的转速也就比较均匀。3.2.3 比较器LM393LM339集成块内部装有四个独立的电压比较器，该电压比较器的特点是：1）失调电压小，典型值为2mV；2）电源电压范围宽，单电源为2-36V，双电源电压为1V-18V；3）对比较信号源的内阻限制较宽；4）共模范围很大，为0（Ucc-1.5V）Vo；5）差动输入电压范围较大，大到可以等于电源电压；6）输出端电位可灵活方便地选用。 LM339集成块采用C-14型封装，图3-2为外型及管脚排列图。由于LM339使用灵活，应用广泛，所以世界上各大IC生产厂、公司竟相推出自己的四比较器，如IR2339、ANI339、SF339等，它们的参数基本一致，可互换使用。图3.2外型及管脚排列图LM339类似于增益不可调的运算放大器。每个比较器有两个输入端和一个输出端。两个输入端一个称为同相输入端，用“+”表示，另一个称为反相输入端，用“-”表示。用作比较两个电压时，任意一个输入端加一个固定电压做参考电压（也称为门限电平，它可选择LM339输入共模范围的任何一点），另一端加一个待比较的信号电压。当“+”端电压高于“-”端时，输出管截止，相当于输出端开路。当“-”端电压高于“+”端时，输出管饱和，相当于输出端接低电位。两个输入端电压差别大于10mV就能确保输出能从一种状态可靠地转换到另一种状态，因此，把LM339用在弱信号检测等场合是比较理想的。LM339的输出端相当于一只不接集电极电阻的晶体三极管，在使用时输出端到正电源一般须接一只电阻（称为上拉电阻，选3-15K）。选不同阻值的上拉电阻会影响输出端高电位的值。因为当输出晶体三极管截止时，它的集电极电压基本上取决于上拉电阻与负载的值。另外，各比较器的输出端允许连接在一起使用。3.3 信号调理电路的设计当霍尔元件3503感应到磁场变化时，其3脚的输出电压也会相应变化。该电压经LM393比较后输出，将电机的转速转换成具有周期性的矩形脉冲型号，实现对电机转速和频率的测量。霍尔测频电路如下图3-3所示。图3.3 霍尔测频电路当电路接通后，+5V的电源通过电阻R0201向二极管LED201供电，灯发光表示电路接通，实验开始。霍尔元件3053通电工作，它的3端是输出电压，让后进入比较器LM393。和它比较的电压通过电位器Rw0201调节，两者比较的结果由1端输出，输出的是TTL高低电平。这个电压信号从输出端输出，经过采集模块，采集到采集卡中，在传输到pc机上，进而再通数据的处理，得到自己想要的信息。信号调理电路信号处理电路，把模拟信号变换为用于数据采集、控制过程、执行计算显示读出或其他目的的数字信号。模拟传感器可测量很多物理量，如温度、压力、光强等.但由于传感器信号不能直接转换为数字数据，这是因为传感器输出是相当小的电压、电流或电阻变化，因此，在变换为数字信号之前必须进行调理。调理就是放大，缓冲或定标模拟信号等，使其适合于模/数转换器(ADC)的输入。然后，ADC对模拟信号进行数字化，并把数字信号送到MCU或其他数字器件，以便用于系统的数据处理。 信号调理将您的数据采集设备转换成一套完整的数据采集系统，这是通过帮助您直接连接到广泛的传感器和信号类型(从热电偶到高电压信号)来实现的。关键的信号调理技术可以将数据采集系统的总体性能和精度提高10倍。 信号调理简单的说就是将待测信号通过放大、滤波等操作转换成采集设备能够识别的标准信号。是指利用内部的电路(如滤波器、转换器、放大器等)来改变输入的讯号类型并输出之。因为工业信号有些是高压，过流，浪涌等，不能被系统正确识别，必须调整理清之。 一般的采集卡上都带有可编程的增益，但具体要不要作信号调理，要视待采信号的特点而定，若信号很小，则要经过放大将信号调理到采集卡