基于霍尔传感器的转速测量设计q

12第四章电路的硬件设计1441设计的方框图1442硬件电路设计总图1543测速电路1644单元电路的设计17441单片机主控电路设计17442脉冲产生电路设计18443按键电路设计19444数码管结构和显示原理2045电路的整机原理图的设计20第五章软件设计2351程序设计步骤2352程序流程图23521主程序流程图24522中断服务流程图iv53软件程序设计26531主程序设计26532中断服务程序设计27533显示程序设计28534报警程序设计29535转速程序的设计29第六章总结与展望32参考文献33第一章绪论第一章绪论11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
-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
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（2-4）可得M/T法转速计算公式为：
其基本结构框图如图3-1，包括：
·一个8位CPU；
·4KB ROM；
·128字节RAM数据存储器；
·26个特殊功能寄存器SFR；
·4个8位并行I/O口，其中P0、P2为地址/数据线，可寻址64KB ROM或64KB RAM；
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
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)
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。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。
2.3.3
由其测量原理可知。输入计数脉冲和计数定时值在理论上是严格同步的，因此，在理论上，m1（定时器的计数值）不考虑误差，由于实际启动是由程序来控制的（系统应采取由输入计数脉冲来同步），故可能会产生一个脉冲的量化误差，因而，转速变化为：
（2-14）
其相对误差为：
（2-15）
由上式可知：
这种转速测量方法的相对误差与转速n无关，只与晶体振荡产生的脉冲有关，故可适合各种转速下的测量。保证其测量精度的途径是增大定时时间T，或提高时基脉冲的频率fc。因此，在实际操作时往往采用一种称变M/T的测量方法，即所谓变M/T法，在M/T法的基础上，让测量时间Tc始终等于转速输入脉冲信号的周期之和。并根据第一次的所测转速及时调整预测时间Tc，兼顾高低转速时的测量精度。
第
3.1单片机的介绍
本设计采用STC89C51芯片，芯片采用40脚双列直插式封装，32个I/O口，芯片工作电压3.8～5.5V，工作温度0～70°C（商业级），工作频率可高达30MHz，芯片的外形和引脚见下图3-1
图3-1STC89C51引脚图
STC89C51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。使用高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在线系统可编程Flash，使得STC89C51为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。STC89C51具有以下标准功能：8k字节Flash，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，STC89C51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。8位微控制器8K字节在系统可编程Flash。P0～P3口结构，第一功能、第二功能请参考数据手册（STC89C51数据手册下载地址）。
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，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。
-转速单位：（转/分）
-定时时间单位：（秒）
2.2.2
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)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。
（2-6）
-转速值。单位：（转/分）。
-晶体震荡频率。单位Hz。
-时基脉冲数。
2.3误差和精度分析
2.3.1
转速公式：
（2-7）
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：
（2-8）
其相对误差为：
（2-9）
（2-10）
Keyword:singlechip；tachometric survey；speed
第一章
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。
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，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。
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。
关键词：单片机；转速测量；霍尔传感器
A
This article introduces a method of measuring STC89C51 microcontroller with small motor speed, principle of the Holzer sensor, describes the working process of speed measurement system is realized by Holzer sensor, measuring the speed pulse counting method, through the LCD display the motor speed value. Combined with hardware circuit design, a modular approach to design software. The measurement module, speed module, alarm module, display module of the C51 program design for measurement of motor speed. The system based on STC89C51 SCM as control core, using Holzer integration sensor as the detecting element measuring small DC motor speed, through the SCM data processing, dynamic display of small DC motor speed by 8 LED digital tube.
编号
毕业论文
题 目
基于霍尔传感器的转速测量设计
学生姓名
学 号
系 部
专 业
班 级
指导教师
顾问ห้องสมุดไป่ตู้师
二〇一三年十月
摘
本文介绍一种用STC89C51单片机测量小型电动机转速的方法，霍尔传感器的工作原理，阐述了霍尔传感器测速系统的工作过程，利用脉冲计数法实现了对转速的测量，通过LCD直观地显示电机的转速值。结合硬件电路设计，采用模块化方法进行了软件设计。编制了电机转速的测量设计了测量模块、转速模块、报警模块、显示模块等的C51程序。系统以单片机STC89C51为控制核心，用霍尔集成传感器作为测量小型直流电机转速的检测元件，经过单片机数据处理，用8位LED数码管动态显示小型直流电机的转速。
2.2转速的测量方法
2
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）
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，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。
图1-2霍尔转速传感器的结构原理图
第
2.1转速的测量原理
转速是工程中应用非常广泛的一个参数，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。
(2-11)
ε-相对误差。
-加入一个脉冲后的转速值。
-误差。
由（2-11）式可知，ε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
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：
（2-12）
其相对误差为：
（2-13）
所以由（2-13）式可知，ε随转速减小而减小。因此，这种方法适合于低速测量，转速增高，误差增大。