基于单片机的电机转速测量系统的设计 (2)

1、2011年第8期仪表技术与传感器InstrumentTechniqueandSensor 2011No.8收稿日期:20101227收修改稿日期:20110313基于单片机的电机转速测量系统的设计王文成1,李健2(1潍坊学院信息与控制工程系,山东潍坊261061;2山东轻工业学院数理学院,山东济南250353摘要:为了研制简单可靠的直流电机测速装置,提出了基于单片机和集成芯片设计电机转速测量系统的方案。介绍了霍尔传感器测速的工作原理,设计了系统的硬件电路和软件。该系统以AT89S51单片机为核心,主要包括电源模块、按键模块、转速测量电路模块和显示模块等,通过将脉冲信号送入单片机系统进行计数运算

2、,并将转速测量结果显示在LED 上。运行试验表明,系统结构简单,工作稳定可靠,满足电机的测速要求。关键词:霍尔传感器;电机;测速系统;单片机中图分类号:TP873文献标识码:A文章编号:10021841(201108007003Design of Motor Speed Measurement System Based on Single Chip MicrocontrollerWANG Wen-cheng 1,LI Jian 2(1Department of Information and Control ,Weifang University ,Weifang 261061,China ;

3、2Department of Mathematics and Physics ,Shandong Polytechnic University ,Jinan 250353,China Abstract :In order to develop a simple and stable device for measuring the motor speed ,a design method of motor speed meas-urement system was proposed based on single chip microcontroller and integrated chip

4、sThe working principle of Hall sensor was introducedThen ,the hardware and software of the system were described in detailThe system took the AT89S51as the core ,and it is mainly composed of power module ,keys module ,speed measurement module and data display modulesThe speed data can be obtained th

5、rough counting impulse signals and displayed on LEDFinally ,the test is conducted on the system ,experiment shows that the system is simple and stable ,and it can meet the needs of DC motor speed measurementKey words :Hall sensor ;motor ;speed measurement system ;single chip microcontroller 0引言近年来,随

6、着电力电子技术、计算机技术和微控制技术的发展,直流电机因其具有良好的启动、制动和调速性能,已广泛运用于机械制造、电力、冶金等领域。由于伺服驱动系统不断朝着数字化智能化方向发展,因此转速的控制成为在工业测控系统实现的关键环节。而如何测量电机的转速以实现对转速的高精度控制成为电机应用的一个突出问题之一1。目前常用的转速测量方法有测速发电机测速法和光电码盘测速法等23。他们各有优点和缺点,直流测速发电机是应用范围较广的测速元件,它的主要优点是灵敏度、高线性误差小,但由于它具有电刷和换向接触装置,因而可靠性较差,应用范围有限;普通光电编码器虽然精度较高,但体积大,成本高。霍尔元件具有尺寸小、外围电路简

7、单、使用寿命长、调试方便等特点用它可以做成各种传感器,广泛应用于位移测量、转速测量以及计数等方面4。文中介绍一种采用霍尔传感器来采集电机轴的脉冲信号的方法,转速脉冲信号经过处理后送给单片机,实现了转速的实时精确测量,文中设计了基于单片机和霍尔元件的直流电机测速系统硬件电路。1霍尔元件测速原理霍尔元件作为一种转速测量系统的传感器,它有体积小、重量轻、安装方便等优点,该传感器是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,当薄片通以电流I 时,在薄片的两侧面上就会产生一个微量的霍尔电压U H ,如果改变磁场的强度,霍尔电压的大小亦随之改变56。当磁场消失时,霍尔电压变为零。霍尔效应式转速

8、传感器输出的信号是矩形脉冲信号,很适合于数字控制系统。用公式表示为U H =K H ·I ·B(1式中:K H 为霍尔器件的灵敏度系数;I 为控制电流;B 为磁感应强度。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,可以将一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,转盘随转轴旋转时,霍尔元件受到磁钢所产生的磁场影响,故输出脉冲信号,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7。当电机转动时,带动传感器,产生对应频率的脉冲信号,经过信号处理后输出到计数器或其他的脉冲计数装置

9、,进行转速的测量8。其器件的连接电路和电子特性分别如图1和图2所示。脉冲信号的周期与电机的转速关系为:n =60/(P ·T (2式中:n 为电机的转速;P 为电机转一圈的脉冲数;T 为输出方波信号的周期。2系统硬件设计根据实际控制的需要,设计了基于AT89S51单片机的直第8期王文成等:基于单片机的电机转速测量系统的设计71 流电机测速系统的硬件连接图。如图3所示,设计方案主要包含4个模块:键盘电路、电源电路、转速测量电路和显示电路。 图3系统总体结构图其工作过程为:通过按键向单片机输入相应控制指令,电机的转速通过霍尔传感器采集脉冲信号,经过放大处理后输送到单片机,电机的转速通过L

10、ED 显示出来。2.1控制器系统选用AT89S51作为CPU ,它是一种低功耗、高性能,片内带4KB 快闪可编程/擦除只读存储器的8位CMOS 微控制器,兼容标准MCS 51指令系统及80C51引脚结构,使用高密度、非易失存储技术制造,可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。2.2电源电路 AT89S51的工作电压为+5V ,而照明电压为220V ,50Hz 的交流电,所以需要先通过一个变压器T1降压,再通过整流桥将电压转换成直流电压。由于变压后得到的直流电压可能含有交流分量,所以要通过滤波电路对其进行滤波处理,然后通过7805得到稳定的5V 电压。2.3键盘系统通过两个开关SW 1

11、、SW 2分别与P20、P21相连,其中SW 1用于系统重启,SW 2用测速设置。运行方式的设置由P2口外接按键来完成。判断按键是否按下的方法是:首先置P2口为高电平,然后从P20开始到P21为止,逐个检测引脚的电平,如果某引脚为低电平表示该键按下,此时需做相应的处理实现按键功能,如果引脚为高电平则不做处理。2.4显示电路系统采用了数码管进行数据显示。数码管选用4连共阳数码管,并对位选端利用三极管S8550进行驱动。系统的显示方式为动态扫描,流向各位数码管送出字形码和相应的位选。其驱动电路如图4所示。图4LED 显示电路2.5测速电路电机测速电路主要基于霍尔传感器所设计,它是一种集成化的敏感器

12、件,可提供线性单端输出,其输出电压正比于感应的磁场强度。其内部的磁敏元件与高增益放大器、电源稳压器集成于同一芯片,使得应用时十分简便。测量转速的霍尔传感器从永磁直流电机外壳检测转速信号,机轴每转1周,产生一定量的脉冲个数,由霍尔器件电路输出。成为转数计数器的计数脉冲。控制计数时间,即可实现计数器的计数值对应机轴的转速值。测速电路如图5所示。图5电机测速电路3软件设计系统采用单片机中的INT0中断对转速脉冲进行计数。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。每到1s 读1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。转速检测装置的软件系统主要包括:

13、测速主程序、数据处理子程序和显示子程序。主程序流程图见图6所示。图6主程序流程图单片机上电后,系统进入准备状态。首先进行初始化,然后读取脉冲数据进行运算,将转速显示在LED 上。如果有按键按下则进入相应的按键处理子程序。4实验为了验证测量的准确性,做了对比试验,实验结果如表1所示。其中实际值n 0由高精度测试仪测得。测量值n x 为测速72Instrument Technique and Sensor Aug.2011装置的显示值,测量误差由以下公式计算得到:=|n xn0|/n0(3表1实验数据序号实际值/(r·min1测量值/(r·min1误差/%1600618 3.0

14、2800782 2.3310001021 2.1415001524 1.6520001978 1.1误差分析表明,转速测量误差在4%以内,并且随着转速预设值的增加测量误差愈小,具有良好的性能。5结束语文中主要设计了一种基于单片机和霍尔传感器的测速系统。霍尔传感器输出的信号经信号调理后,通过单片机对连续脉冲计数来实现转速测控。运行实验表明,该系统硬件接口电路简单,工作稳定可靠,满足了调速的功能要求具有一定的理论及实用价值。尤其是在测量空间有限或传感器不便安装的条件下,该测量方法有明显的优势。此外,该设计思想可推广到其他工程应用领域。参考文献:1姚荣斌,孙红兵基于STC89C51RC的转速测量系统

15、设计连云港师范高等专科学校学报,2007(4:84872曹昕鸷,韩珏,陈隆道高性价比无刷直流电机测速方法的研究轻工机械,2006,24(1:1071093杨继生,刘芬霍尔传感器A44E在车轮测速中的应用研究电子测量技术,2009,32(10:1001024徐春剑,吴一辉,武俊峰,等基于FPGA的高精度霍尔测速方法仪表技术与传感器,2009(10:991015李金波,刘明黎基于霍尔传感器的转速测量系统的设计河南科技学院学报,2009,37(3:54566丁芝琴基于霍尔传感器的电机测速装置设计农机化研究,2010(5:81837邵显涛,陈明,李俊基于霍尔传感器电机转速的单片机测量电子测试,2008

16、(12:46488WANG W CA Motor Speed Measurement System Based on Hall Sen-sorICICIS2011,2010,134:440445作者简介:王文成(1979,讲师,主要研究方向是自动检测与控制技术。E-mail:wwchpaper126com(上接第58页等5个功能。并设置了几个信号量,和互斥锁来实现线程间的信息共享。LCD的显示线程,受触摸事件和CAN接收程序的影响,当触摸事件发生后,需要在LCD上显示出触摸位置,有一些来自CAN网络的信息,需要在LCD上显示出来。CAN发送线程,受触摸事件的影响,有些触摸事件是用来控制CAN网

17、络中的其它节点,就必须通过CAN发送线程把信息发送到CAN网络上去。TPMS的参数显示设置在显示界面的第一个菜单下,主要包括胎压,温度,电池蓄电量的显示。当CAN接收线程收到来自TPMS节点的信息时,就会改变显示界面里TPMS的相应参数。当参数在警戒范围内的时:如果显示界面在当前菜单下的时候,LCD显示线程,就会立即刷新TPMS曲线图。如果显示界面在其它菜单下,就没有显示,直到切换到该界面的时候,就会显示最新的TPMS曲线图;当参数超过警戒范围的时候:不管在哪个菜单下,都会在右上角跳出一个红色的警戒窗口来,并把危险参数显示出来。4结束语该系统已经在实验室调试成功,验证了方案的可行性, TPMS

18、信息成功在CAN网络上实现信息共享,并在触摸屏上动态显示出来。警戒窗口的设计也具有很好的视觉警示效果。参考文献:1高明秋,许志光,赵斌轮胎气压监测系统试验方法分析与研究汽车技术,2008:44482TPMS Pressure Sensor SpecicationGE Nova SensorInc,20083葛清志,张向文,许勇基于CAN总线和SP30传感器的胎压检测系统设计仪表技术与传感器,2009,(7:48514陈勇,李伯全,李渊基于SP12传感芯片的轮胎压力实时监测系统设计电子技术应用,2007(7:83855侯明,杜奕基于CANBUS的接口电路设计通信技术,2008(7:138140作者简介:颜良飞(1982,硕士研究生,研究方向