课程设计（论文）-基于霍尔传感器的发动机转速检测仪的设计.doc

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 李银娟 系 别 机电工程系 专业班级 2009级 农机(2)班 任课教师 赵金才 成绩评定 2012年12月目录引言2一、系统组成及工作原理21.1转速测量原理21.2转速测量系统组成框图31.2.1霍尔传感器：41.2.2 霍尔传感器的优势41.2.3传感器的确立51.2.4处理器51.2.5 LCD/LED方案选择5二、系统硬件电路设计62.1脉冲产生及信号调理电路设计62.2键盘显示模块设计7三、系统软件设计73.1主程序设计73.1.1主程序见附录83.1.2子程序设计83.1.3定时器的初始化8四、系统调试与分析9五、总结10六、参考文献11七、致谢12附录13附录113附录219基于霍尔传感器的发动机转速检测仪的设计引言：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。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、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。随着微型计算机的广泛应用，单片机技术的日新月异，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。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，显示器用LCD 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 LCD/LED方案选择由于AT89C51单片机的I/O口不是很充足，数据采用串行输出的方法。LED数码管显示部分采用4位七段数码管，可以显示O一9999范围内的数字。七段数码管的8个发光二极管分别命名为a、b、c、d、e、f、g、dP；七段数码管引脚编码从左下脚开始，分别为第1引脚、第2引脚；8个LED的公共引脚为“com”。七段数码管按照公共引脚的接法，分共阳极和共阴极两种。所有LED的负极通过共阴极的七段数码管连接在公共引脚，接地线。当一个LED正极为为低电平时，变暗；高电平时，发亮。所有LED的正极通过共阳极的七段数码管连接在公共引脚，接电源线。当一个LED负极为为高电平时，变暗；低电平时，发亮。LCD，目前常用16*1，16*2，20*2和40*2行等的模块。字符型LCD1602通常有14条引脚线或16条引脚线的LCD，多出来的2条线是背光电源线VCC(15脚)和地线GND(16脚)，其控制原理与14脚的LCD完全一样。1602LCD分为带背光和不带背光两种，基控制器大部分为HD44780，带背光的比不带背光的厚，是否带背光在应用中并无差别。方案一：采用LED数码管动态扫描,LED数码管价格适中,亮度高，显示数字合适,但是连接复杂，耗电流大，驱动电路复杂。方案二：采用LCD液晶显示屏,液晶显示屏的显示功能强大,可显示大量文字,图形,显示多样,清晰可见,并且连接很方便 ,所以在此设计中采用了LCD液晶显示屏。所以选择方案二。二、系统硬件电路设计2.1脉冲产生及信号调理电路设计系统采用LM358 对霍尔传感器的输出信号进行整形。LM358 内部包括有两个独立的高增益、内部频率补偿的双运算放大器，适合于电源电压范围很宽的单电源使用，也适用于双电源工作模式。它的使用范围包括传感放大器、直流增益模块和其他所有可用单电源供电的使用运算放大器的场合。设计的脉冲产生及信号调理电路如图2 所示。信号调理电路为系统的前级电路，其中霍尔传感元件b,d 为两电源端，d接正极，b 接负极；a,c 两端为输出端，安装时霍尔传感器对准转盘上的磁钢,当转盘旋转时，从霍尔传感器的输出端获得与转速成正比的脉冲信号。图中LM358 部分为过零整形电路，以使输入的交变信号更精确的变换成规则稳定的矩形脉冲，便于单片机对其进行计数。图3 脉冲产生及信号调理电路2.2键盘显示模块设计对于单片机系统，需要输入系统参数和输出测量结果，为此需要设计键盘显示电路。为简单起见，在P1.0-P1.3接四个按键(图略)，当其中任一按键按下时，其对应的P1端口变为低电平，在软件中利用这个低电平设计其功能。显示电路采用动态显示方式。测量结果通过STC89C51的P0口送出。通过P2口输出位扫描信号以实现测量结果的动态扫描显示。三、系统软件设计3.1主程序设计设计的软件由主程序、数据处理程序、按键程序设计、中断服务子程序、LED显示程序五个主要部分组成。主程序主要完成初始化功能，包括LED显示的初始化，显示缓存的初始化，定时器的初始化，外部中断的初始化，寄存器、标志位的初始化等。主程序流程图如图4所示。 图5系统主程序流程图3.1.1主程序见附录3.1.2子程序设计介绍按键识别处理及定时计数器子程序。按键程序包括按键防抖动处理、判键及修改项目等程序。定时计数器TH0工作在计数状态，对输入脉冲进行计数，TH1工作在定时状态，定时时间设定为50ms，定时中断20次后（1秒）读取TH0的计数值，并进行数据处理，换算为转速(r/min)。3.1.3定时器的初始化AT89C51 有两个定时器/计数器T0 和T1，每个定时器/计数器均可设置成为16位，也可以设置成为13 位进行定时或计数。计数器的功能是对T0 或T1 外来脉冲的进行计数，外部输入脉冲负跳变时，计数器进行加1。定时功能是通过计数器的计数来实现的，每个机器周期产生1 个计数脉冲，即每个机器周期计数器加1，因此定时时间等于计数个数乘以机器周期。定时器工作时，每接收到1 个计数脉冲（或机器周期）则在设定的初值基础上自动加1，当所有位都位1时，再加1 就会产生溢出，将向CPU 提出定时器溢出中断身请。当定时器采用不同的工作方式和设置不同的初值时，产生溢出中断的定时值和计数值将不同，从而可以适应不同的定时或计数控制。四、系统调试与分析在硬件调试与制作方面，可从下面系列着手考虑。信号盘可用一般钢板制成，这个信号盘就是发动机实验时所用的转盘，盘上共有8 个磁钢。将信号盘与电机安装在一起，使其随电机转动；传感器固定在支架上，垂直于转速盘，当转速盘旋转时，霍尔传感器就输出矩形脉冲信号，每8 个脉冲对应发动机1 个工作循环，其中的2 个宽脉冲信号配合上止点信号可精确确定上止点的位置。实际将信号盘固定在电动机转轴上，光电转速传感器正对着信号盘。信号盘旋转一周产生的脉冲数，等于其上的孔数。因此，脉冲信号的频率大小就反映了信号盘转速的高低，可由单片机进行测量并换算为转速，在LCD显示。系统软件利用集成开发环境MedWin V2.39进行源程序的编辑与仿真调试，排除编程时出现的错误。MedWin V2.39 软件具有很强大的编程调试功能，能够模仿仿真实际单片机的端口和内部功能部件的状态值。该软件有硬件调试和软件调试功能，可以看到单片机内存单元对应的运行值，外围部件中可以显示单片机端口、中断、定时器等对应的运行值。实际调试过程中将各功能模块分别进行调试，最后进行整体调试。编译无误后生成目标代码BIN文件。单片机要正常运行，必须装入代码。由于STC 89C51 具有在线编程能力，可以利用设计的串口模块进行代码下载。下载前先将单片机与PC 机连接用串行通信电缆相连，然后再将其电源线插入USB 借口，采用STC 单片机下载软件STC-ISP将调试产生的目标代码下载到单片机存储器中。为此，对系统设计的硬件与软件相结合进行操作。并得出计算出电动机的转速。测得每秒信号脉冲：100。运用公式可计算出电动机每分转速为1500 转/分。五、总结通过学习了霍尔传感器测速原理及相关器件的性能特点与用法等知识，查阅了关于单片机的各方面的资料，实现了“基于霍尔传感器的发动机转速测量仪的设计”的基本要求。使用本文所述发动机测速方法及相应电路,可在不损失精度和分辨率的前提下获得快速响应,抗干扰能力强。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计数来实现转速测量，充分利用了单片机的内部资源，有很高的性价比。本测速装置作为发动机转速测量模块获得了较好的应用。经过测试并对误差进行分析发现,该系统的测量误差在3%以内,并且在测量范围内无论转速高或转速低,都有较好的表现,有很高的性价比。六、参考文献1赵树磊,谢吉华,刘永峰.基于霍尔传感器的电机测速装置J.江苏电器, 2008, 28(10): 53-56.2肖衡，陈春俊，梁健.单片机在直流电机转速测量及控制中的应用J.计量与测试技术.2005,（4）：33.3吴腾奇.霍尔传感器及其应用J.传感器世界，1997,（1）：28-34.4田汉波，赵英俊.一种基于线性霍尔传感器的直流电机转速测量方法J.机械与电子，2007，（1）：31-33.5李树人,范琳生.转速测量技术M.北京:中国计量出版社,1986.179-211.6孙涵芳.单片机原理及应用.北京航空航天大学出版社,1996.7何立民.单片机应用系统设计.北京航空航天大学出版社,1990.8田汉波,赵英俊.一种基于线性霍尔传感器的直流电机转速测量方法J.机械与电子,2007(1):31-33.9 河道清，张禾，谌海云，传感器与传感器技术.科学出版社.2008年6月10谭浩强.C程序设计（第二版）M.北京：清华大学出版社，1999 七、致谢首先感谢我的指导老师赵金才老师！经过两周的忙碌和工作，本次课程设计论文也接近尾声，把自己所学的理论知识运用于实践，很受益匪浅。对单片机有了更深的了解和认知，同时也对以后自己处理问题有了很大的帮助。在整个学习过程中非常感谢我的老师，是他一直关注和指导我们，勤勉教学，诲人不倦帮助我们顺利的完成了这次设计的任务。附录附录1: 主程序#includereg52.h#define uchar unsigned char#define uint unsigned intuint maichong,temp；uchar num；uchar qian,bai,shi,ge；uchar code table=0X3f,0X06,0X5b,0X4f,0X66,0X6d,0X7d,0X07,0X7f,0X6f,0X77,0X7c,0X39,0X5e,0X79,0X71； /七段译码表uchar p = 0xef,0xdf,0xbf,0x7f；void delay_us(uint t) /延时程序do t-； while(t1)；void delay_ms(uint t) while(t!=0) delay_us(142)； t-； void initial()TMOD=0X01；TH0=(65536-50000)/256； /初始化TL0=(65536-50000)%256；ET0=1；IT0=0；EX0=1；EA=1；TR0=1；void display()P0=tableqian；P2=p3；delay_ms(3)；P0=tablebai；P2=p2；delay_ms(3)；P0=tableshi；P2=p1；delay_ms(3)；P0=tablege；P2=p0；delay_ms(3)；void main()initial()；while(1)if(num=20)num=0；temp=maichong；maichong=0；qian=temp/1000；bai=temp%1000/100；shi=temp%100/10；ge=temp%10；display()； void xt() interrupt 0maichong+；void time0() interrupt 1TH0=(65536-50000)/256；TL0=(65536-50000)%256；num+；2.LCD显示程序#includereg52.h#define uint unsigned int#define uchar unsigned charsbit dula=P26；sbit wela=P27；sbit lcdrs=P3