磁电式转速表的设计.doc

目录1 摘要22系统功能分析.32.1 系统功能概述.32.2 系统要求及主要内容.32.3 系统技术指标.43 系统总体设计.43.1 硬件电路设计思路 . 43.2 显示电路 . 63.3 霍尔传感器简介 . 83.3.1 霍尔器件概述 .83.3.2 霍尔传感器的应用 .93.3.3 CS3144霍尔开关 .103.4 霍尔传感器与单片机的软件设计.123.5 C语言源程序. 134 设计总结. 175 参考文献. 186 附录. 191 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。本文便是运用AT89S52单片机控制的智能化转速测量仪。电机在运行过程中，需要对其进行监控，转速是一个必不可少的一个参数。本系统就是对电机转速进行测量，并可以通过数码管进行显示电机的转速，并观察电机运行的基本状况。本设计主要用AT89S52作为控制核心，由霍尔传感器CS3144、LED数码显像管构成。本文重点是测量速度并显示在4位LED数码管上。其优点硬件是电路简单，软件功能完善，测量速度快、精度高、控制系统可靠，性价比较高等特点。关键字：霍尔传感器；转速表；51单片机；CS31442 系统功能分析2.1 系统功能概述功能：系统主要实现功能是:AT89S52单片机接收霍尔传感器传来的脉冲信号,单片机根据外部中断,以及内部定时器进行记数计算出电机转速送到LED显示。该系统有3个模块构成：霍尔测速模块、单片机模块和显示模块。由霍尔元件的电机测速系统结构图如图1所示。应用：从实用的角度看，评价一个系统实用价值的重要标准，就是这个系统对社会生活和科技观念有多大的贡献。转速测量系统具有大范围、高精度等优点、测量速度快，这种系统将会有良好的应用。2.2 系统要求及主要内容将霍尔传感器产生的脉冲信号输出入到单片机的外部中断0口，单片机工作在内部定时器工作方式0，对周期信号进行内部记数，调用计算公式算出转速，调用显示程序显示在LED上。主要内容：（ 1）单片机部分主要完成电机转速的测量。（2）LED部分主要是把转速显示出来。2.3 系统技术指标系统主要完成以下功能：测量系统：1.设计并制作单片机的转速测量的硬件系统；2.用C语言完成转速测量的软件系统；3.要求把转速显示在4位LED上，精度为0.1%；根据系统要实现的功能以及要求，要实现单片机的转速测量主要是各个模块的设计，定时器记数功能、以及LED驱动。单片机可通过编程控制外围部件，能实现较高的自动化程度。以它为系统核心的控制模块可实现主从控制，完成预定的任务。3 系统总体设计3.1 硬件电路设计思路硬件设计的任务是根据总体设计要求，在选择的机型的基础上，具体确定系统中所要使用的元器件，设计出系统的原理框图、电路原理图。测速系统的主体是40引脚的单片机AT89S52模块，AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有 8K 在系统可编程Flash 存储器。，与工业标准的MCS-51系列指针集和输出引脚相兼容。它还具备以下特性：256字节RAM， 32 位I/O 口线，看门狗定时器，2 个数据指针，三个16 位 定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口， 片内晶振及时钟电路。另外，AT89S52 可降至0Hz 静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU 停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。转速测量部分的硬件设计思路：本次设计单片机部分的硬件框图如图2所示。CPU执行单元 复位电路显示电路时钟电路图2 单片机部分硬件框图AT89S52单片机最小系统由AT89S52单片机及其外围电路组成，是整个磁电式转速表系统的核心。AT89S52单片机在高温环境中稳定性好，支持在线编程ISP，无需专用的编程器，方便调试.AT89S52单片机对很多嵌入式控制应用提供了一个高灵活有效的解决方案。它的作用使形成用于产生超声波的40KHZ信号、形成必要的时序、控制LCD字符的显示。AT89S52单片机各个引脚分布如图3所示，P3.2为接受霍尔传感器脉冲信号输入端，P18和P19为单片机自身的11.0592MHZ晶振；P9是复位信号，有一个电阻和一个电容构成。P0.0P0.7输出转速数码管显示信号，控制液晶屏的写入字符。P2.0P2.3引脚对应液晶显示屏的位选通信号，通知四个LED数码管的选通与否。 将霍尔元件采集到的信号传输给单片机P3.2，每发送一次脉冲，单片机的计数器就自动加1，根据脉冲的次数计算出齿轮的转速，然后单片机将转速传输给四连排LED数码管显示电路，通过数码管将转速显示出来。同时由于是数码管动态显示，所以电路中增加了八位D锁存器54ACT573W,单片机的硬件电路图如图3所示。图3 单片机的硬件电路图3.2 显示电路显示电路采用LED数码管动态显示，LED（Light-Emitting Diode）是一种外加电压从而渡过电流并发出可见光的器件。LED是属于电流控制器件，使用时必须加限流电阻。LED有单个LED和八段LED之分，也有共阴和共阳两种。显示器结构：常用的七段显示器的结构如图4所示。发光二极管的阳极连在一起的称为共阳极显示器,阴极连在一起的称为共阴极显示器。1位显示器由八个发光二极管组成，其中七个发光二极管ag控制七个笔画（段）的亮或暗，另一个控制一个小数点的亮和暗，这种笔画式的七段显示器能显示的字符较少，字符的开头有些失真，但控制简单，使用方便。本设计使用的是共阴极显示数码管。此外，要画出电路图，首先还要搞清楚他的引脚图的分布，在了解了正确的引脚图后才能进行正确的字型段码编码。才能显示出正确的数字来，如图5所示，为七段数码管的管脚图。图4 七段发光显示器的结构图5 七段发光显示器管脚的结构本电路系统为了便于显示和画PCB方便，采用四连排的的数码管显示，管脚12、9、8、6分别代表四个数码管的位选通端，其管脚图如图6所示。 图6 四连排共阴极数码管管脚图该电路显示模块采用4位动态LED数码显示电路。其显示的段码数据从AT89S52 P0口分时输出，P2.0、2.1、P2.2、P2.3则输出对应的为选通信号。P3.2作为与测速装置的连接引脚，用于数据采集。由于LED数码管动态显示，所以需要一个8位D型锁存器 ，该电路采用54ACT573W。C32、R49组成上电复位电路。三端稳压器7805输出5V电压供整个系统工作。此测速器可与任何912 V/100mA的交直流电源适配器配合工作，适应性强。3.3 霍尔传感器简介3.3.1 霍尔器件概述霍尔元件是一种基于霍尔效应的磁传感器，已发展成一个品种多样的磁传感器产品族，并已得到广泛应用。霍尔元件是一种磁传感器。要他们可以检测磁场及其变化，可以在各种与磁场有关的场合中。霍尔器件以霍尔效应为其工作基础。霍尔期间具有许多优点，他们的结构牢固，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、水汽及烟雾等污染或腐蚀。霍尔线性器件的精度高、线性度好；霍尔开关器件无触点、无磨损、输出波形清晰、无抖动、无回调、位置重复精度高（可达um级）。采用了各种补偿措施的霍尔器件的工作温度范围广，可达55150度。按照霍尔器件的功能可将他们分为：霍尔线性器件和霍尔开关器件。前者输出模拟量，后者输出数字量。按被检测的对象的性质可将它们分为：直接应用和间接应用。前者是直接检测出被测对象本身的磁场或磁特性，后者是检测被检测对象上人为设置的磁场，用这个磁场作为被检测信息的载体，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、加速度、角度、角速度、转速、转数以及工作状态发生变化的时间等，转换成电量来进行检测和控制。集成霍尔传感器是利用硅集成电路工艺将霍尔元件和测量线路集成在一起的一种传感器。它取消了传感器和测量电路之间的界限，实现了材料、元件、电路三位一体。集成霍尔传感器与分立相比，由于减少了焊点，因此显著地提高了可靠性。此外，它具有体积小、重量轻、功耗低等优点，正越来越爱到众的重视。集成霍尔传感器的输出是经过处理的霍尔输出信号。按照输出信号的形式，可以分为开关型集成霍尔传感器和线性集成霍尔传感器两种类型。开关型集成霍尔传感器是把霍尔元件的输出经过处理后输出一个高电平或低电平的数字信号。霍尔开关电路又称霍尔数字电路，由稳压器、霍尔片、差分放大器，斯密特触发器和输出级组成。3.3.2 霍尔传感器的应用使用霍尔器件检测磁场的方法极为简单，将霍尔器件做成各种形式的探头，放在被测磁场中，因霍尔器件只对垂直于霍尔片表面的磁感应强度敏感，因而必须令磁力线和器件表面垂直，通电后即可由输出电压得到被测磁场的磁感应强度。若不垂直，则应求出其垂直分量来计算被测磁场的磁感应强度值。而且，因霍尔元件的尺寸极小，可以进行多点检测，由计算机进行数据处理，可以得到场的分布状态，并可对狭缝，小孔中的磁场进行检测用磁场作为被传感物体的运动和位置信息载体时，一般采用永久磁钢来产生工作磁场。例如，用一个542.5（mm3）的钕铁硼号磁钢，就可在它的磁极表面上得到约2300高斯的磁感应强度。在空气隙中，磁感应强度会随距离增加而迅速下降。为保证霍尔器件，尤其是霍尔开关器件的可靠工作，在应用中要考虑有效工作气隙的长度。在计算总有效工作气隙时，应从霍尔片表面算起。在封装好的霍尔电路中，霍尔片的深度在产品手册中会给出。 因为霍尔器件需要工作电源，在作运动或位置传感时，一般令磁体随被检测物体运动，将霍尔器件固定在工作系统的适当位置，用它去检测工作磁场，再从检测结果中提取被检信息。3.3.3 CS3144霍尔开关CS3144霍尔开关电路最适于响应变化斜率陡峭的磁场并在磁通密度较弱的场合使用，适用于单极或多对磁环工作，它由反向电压保护器、电压调整器、霍尔电压发生器、信号放大器、史密特触发器和集电极开路的输出级组成。工作温度范围为-40 150（存储温度为-65150），可适用于各种机及机电一体化领域。霍尔元件的极限参数如图7所示 图7 霍尔元件的极限参数霍尔元件电特性参数如图8所示。图8 霍尔元件电特性参数产品特点:.电源电压范围宽.可用市售的小磁环来驱动.无可动部件、可靠性高.尺寸小.抗环境应力.可直接同双极和MOS逻辑电路接口元件应用:.高灵敏的无触点开关.直流无刷电机.安全报警装置. 无触点开关. 汽车点火器. 位置、转速检测与控制霍尔开关元件的管脚图如图9：图9 霍尔开关元件的管脚图霍尔开关元件的电路图如图10图10 霍尔开关元件的电路图3.4 霍尔传感器与单片机的软件设计单片机测量电机转速的基本原理就是测量一定时间内进入单片机的脉冲数量，经过软件处理就可以计算出电机的转速。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。M法（测频法）：在规定的检测时间内，检测霍尔传感器所产生的脉冲信号的个数来确定转速。虽然检测时间一定但检测的起止时间具有随机性，因此M法测量转速在极端情况下会产生1个转速脉冲的误差。当被测转速较高或电机转动一圈发出的转速脉冲信号的个数较大时，才有较高的测量精度，因此M法适合于高速测量。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，霍尔测速模块由铁质的测速齿轮和带有霍尔元件的支架构成。将一块永久磁钢固定在电机转轴上的转盘边沿，所示转盘随测轴旋转，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。脉冲信号的周期与电机的转速有以下关系： n=60/pt.（1）式中：n为电机转速；p为电机转一圈的脉冲数；t为输出方波信号周期。根据式（1）即可计算出直流电机的转速。系统软件包括主程序、中断处理程序、显示程序和转速计算程序。主程序完成系统初始化、查询P3.2进行脉冲计数；定时器T0的定时时间设置为20mS。T0中断后，在中断处理程序里判断脉冲计数时间是否到了1s。如计时时间到了1s，调用转速计算程序并将转速的各位数据存入显示缓存，然后送显示器。加电复位后，测速系统首先显示4个8，以检测测速系统的数码管是否正常工作，然后就可以进行电机的转速的检测。检测转速范围是6006000r/min。主程序和中断服务程序流程如图11和如图12所示 图11 主程序流程图 图12中断服务程序流程图3.5 C语言源程序如下：#include #define T0_H 0xc3#define T0_L 0x50/定时50ms#define uchar unsigned char#define uint unsigned intsbit P20=P20;sbit P21=P21;sbit P22=P22;sbit P23=P23;sbit P32=P32;/用到的子函数void count();/转速计算void display(); /数码管显示void disp_init();/数码管初始化uchar i,number;uint n,len4,sum=0;char code table=0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f,0x77,0x7c,0x39,0x5e,0x79,0x71,0x00;void main()disp_init();while(1)while(!P32)/查询方式，非中断方式if(P32)sum+;while(P32);void count()n=sum*60 len0=n/1000;len1=n%1000/100;len2=n%1000%100/10;len3=n%10;void display()P0=number;for(i=0;i1000;i-);/短暂延时void disp_init()for(i=0;i1000;i-)P20=0;P21=1;P22=1;P23=1;P0=0xff;P20=1;P21=0;P22=1;P23=1;P0=0xff;P20=1;P21=1;P22=0;P23=1;P0=0xff;P20=1;P21=1;P22=1;P23=0;P0=0xff;TMOD=0x11;/初始化定时器T0TCON=0x00;TH0=T0_H;TL0=T0_L;IE=0x82;TR0=1;void disp_speed(void) interrupt 1static uchar second_cnt=20;/20次*50ms=1sTR0=0; /暂停计时，因为执行中断时主程序没执行TH0=T0_H;TL0=T0_L;second_cnt-;if(!second_cnt)count();P20=0;P21=1;P22=1;P23=1;number=tablelen3;display();P20=1;P21=0;P22=1;P23=1;number=tablelen2;display();P20=1;P21=1;P22=0;P23=1;number=tablelen1;display();P20=1;P21=1;P22=1;P23=0;number=tablelen0;display();second_cnt=20;sum=0;TR0=1;4.设计总结在本次设计中，介绍了一种基于STC89S52单片机的电机测速系统，该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，单片机直流电机转速测量系统与微机及其它控制系统相比具有体积小、结构简单、价格低的特点。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