基于霍爾傳感器的電機轉速測量系統(tǒng)設計講解

1、 摘要摘要 在當今工業(yè)生產(chǎn)過程中，越來越多的場合需要測量電機的轉速，轉速已成為電機最重要的工作參數(shù)之一。測量轉速的方法有許多，最常用的兩種方法為：光電式傳感器測轉速，霍爾式傳感器測轉速。本文將著重介紹基于單片機的霍爾式傳感器測量轉速。 關鍵詞關鍵詞：霍爾傳感器，單片機，轉速。 目錄 1 引言.2 2 設計要求.2 3 方案論證.2 3.1 測量方法的選型.3 3.2 核心處理模塊的方案.3 3.2.1 控制芯片的選型.3 3.2.2 采用 51 單片機測量的方案論證.4 3.2.3 軟件系統(tǒng)設計方案.4 3.3 電機轉速測量模塊的方案.5 3.4 電機轉速控制方案.5 3.5 顯示模塊方案.6

2、 4 系統(tǒng)設計.6 4.1 單片機模塊.6 4.1.1 51 單片機介紹.6 4.1.2 系統(tǒng)的復位電路.8 4.1.3 系統(tǒng)時鐘電路設計.8 4.1.4 IO 口管腳分配.9 4.2 電機轉速控制.9 4.3 顯示模塊.10 4.3.1 LCD1602 介紹和指令.10 4.3.2LCD1602 的工作時序 .13 4.4 霍爾傳感器模塊.13 5.軟件系統(tǒng)設計.14 5.2 程序模塊.15 5.2.1 數(shù)據(jù)采集處理部分和 PWM 輸出部分.15 5.2.2 LCD1602 顯示部分.16 參考文獻.17 原理圖.18 1 1.引言引言 轉速是電動機極為重要的一個狀態(tài)參數(shù)，在很多運動系統(tǒng)的測

3、控中，都需要對電機的轉速進行測量，速度測量的精度直接影響系統(tǒng)的控制情況,它是關系測控效果的一個重要因素。不論是直流調(diào)速系統(tǒng)還是交流調(diào)速系統(tǒng),只有轉速的高精度檢測才能得到高精度的控制系統(tǒng)。 本系統(tǒng)以 AT89C51 單片機為控制核心，用霍爾傳感器作為測量小型直流電機轉速的檢測元件，經(jīng)過單片機實時數(shù)據(jù)處理，用 LCD1602 顯示小型直流電機的轉速。本系統(tǒng)可對轉速 03000r/min 進行高精度測量。且還可擴展更寬的測量范圍。 2.設計要求 基于霍爾傳感器的電機轉速測量系統(tǒng)設計，測量范圍：0-3000 轉/分，測量精度：3 轉/分，實時顯示。 3.方案論證 根據(jù)題設要求，本系統(tǒng)的原理框圖如圖 3

4、-1 所示 顯 霍 示 爾電 模 單片機控制模塊傳機 塊 感 器 電機轉速控制 圖 3-1：原理框圖 2 3.1 測量方法的選型測量方法的選型 對轉速的測量實際上是對轉子旋轉引起的周期脈沖信號的頻率進行測量，其中測頻率的方法有許多，最常用的方法有兩種：等精度測量法和計數(shù)測頻法。等精度測量法精度很高常常用于工業(yè)測量，但實現(xiàn)該方法比較困難要求比較高。計數(shù)測頻率的測量精度次之，由于量化誤差的存在，它的精度受頻率的高低影響，頻率越高，測量精度越高，反之亦然。但實現(xiàn)該方法簡單，要求不高。所以由于 計數(shù)測頻的方法一般有兩種方法：在本設計中將選擇計數(shù)測頻法，本人所學有限，方法 1：測頻率法 在一定的時間間隔

5、 t 內(nèi)，計數(shù)被測信號變化的次數(shù) N，則被測信號的頻率 f=Nt 。 為優(yōu)點： 適合測頻率較高的情況。 缺點：不適用于測低頻。 方法 2：測周期法 在被測信號的 n 個周期內(nèi)，計數(shù)時鐘個數(shù)數(shù)為 m，周期為 t，則測被測信號f=n/mt 的頻率可表示為優(yōu)點：適合測低頻，能提高測頻精度。 缺點：不適合測高頻，要想測高頻，則必須提高處理器的能力。 本次設計將選用方法一，和方法二的組合。 3.2 核心處理模塊的方案 3.2.1 控制芯片的選型 方案一：用 STM32 做核心控制器。STM32 是 32 位單片機，處理速度快，最大時鐘頻率能達到 72Mhz。內(nèi)部資源豐富，具有大容量的內(nèi)置閃存，在 32k

6、-128k之間。內(nèi)置豐富的外部中斷和定時器，豐富的 IO 接口，最多可達 112 個，自帶AD，DA 轉換器，且功耗非常低，穩(wěn)定性非常高?？傊?STM32 的功能非常強大， 3 51 單片機不能比擬的。適合做比較大的系統(tǒng)，是 缺點：成本比較貴，編程復雜，畫板子比較麻煩。 位單片機，工作時鐘是一種 8 方案二：用 AT89C51 做核心控制器。AT89C51 穩(wěn)定性高，1000 次以上，功耗低，具有 4K 的閃存，使用壽命長，可擦寫循環(huán)快， 價錢非常低廉，編程簡單，非常實用，適合小系統(tǒng)設計。缺點：閃存小，不能進行大系統(tǒng)開發(fā)，內(nèi)部資源少。 本課題整個系統(tǒng)比較小，若使用 STM32 做核心控制器將造

7、成巨大的資源浪費，會增加成本，不適宜大規(guī)模的推廣。而使用 51 單片機，價格低廉，操作簡單，內(nèi)部資源完全滿足本系統(tǒng)的開發(fā)要求。所以綜上所訴，本設計選擇方案二。 3.2.2 采用 51 單片機測量的方案論證 根據(jù)題設要求，最大測量轉速為 3000r/min，即 50r/s，一轉所花最小時間為20ms。采用分辨率為 36 的測量精度，即有 36 個磁鋼，則磁鋼與磁鋼之間所花最小時間為 20/36=0.56ms。若單片機采用 11.0592Mhz 的晶振，則執(zhí)行一條指令的時間大約為 1us，進入中斷的時間只需幾微秒，遠遠小于磁鋼與磁鋼之間所花的最小時間。所以完全可以忽略單片機在執(zhí)行程序時所花的時間對

8、測量結果的影響。因此用 51 單片機完全能夠滿足測量要求，不需要運行速度更快的單片機。由以上所訴該方案可行。 3.2.3 軟件系統(tǒng)設計方案軟件系統(tǒng)設計方案 題設要求為 0-3000r/min，所以我有以下三種方案 方案一：在低轉速和高轉速時都選擇 1 分鐘為閘門時間，則計數(shù)器所得值 m，除以磁鋼個數(shù) n，即得轉速 r=m/n。 缺點：不管是低轉速，還是高轉速等待時間過長，對測量高轉速不適宜，適宜測量低轉速，但對于。 方案二：根據(jù)電機轉速快慢智能判斷閘門時間。在 1s 內(nèi)判斷通過磁鋼的個 4 數(shù)，如果大于等于 360 個（即大于等于 600 轉/分） ，則計算算出轉速。如果小于 360 個則延長

9、閘門時間至 10 秒，計算通過磁鋼個數(shù)，如果大于等于 360 個（即大于等于 60 轉/分） ，計算出轉速。如果小于 360 個則再延長閘門時間至60s，計算通過磁鋼的個數(shù)，計算出轉速。根據(jù)題設要求測量誤差不能大于正負3 轉/分。而本設計最大測量誤差為 5/36=0.14 轉/分（大于 1 轉/分時） ，當且僅當在閘門時間為 1s 時可能取得。 優(yōu)點：該方法對測量大于等于 600 轉/分的轉速所花時間較短 缺點：對量小于等于 600 轉/分的轉速所花時間較長，不過為了提高測量精度只好延長時間。 方案三：在高轉速時（大于等于 600 轉/分） ，選用測頻法，即與方案二測高轉速的方法一樣。在低轉速

10、（小于 600 轉/分） ，選用周期測頻法。這樣既可提高測量速度，又可提高精度。 綜上所訴方案三更好，所以本課題選擇方案三。 3.3 電機轉速測量模塊的方案電機轉速測量模塊的方案 采用開關型霍爾傳感器進行測速。 霍爾開關傳感器測頻法測速原理： 小磁鐵固定在轉盤上，轉盤與電機軸相連，同步轉動，小磁鐵通過霍爾傳感器時，霍爾傳感器產(chǎn)生一個相應的脈沖，我們在單位時間內(nèi)計算脈沖的個數(shù)，再除以小磁鐵的個數(shù)，得到的值即為電機的轉速，其中小磁鐵的個數(shù)即為分辨率的值，小磁鐵越多分辨率越高，測量精度越高。 在本課題中將采用分辨率為 36 進行測量。這樣能夠減小由計數(shù)法測頻所引起的正負 1 個脈沖（量化誤差）誤差的

11、影響。 3.4 電機轉速控制方案電機轉速控制方案 采用按鍵控制 PWM 的輸出脈寬從而控制電機的轉速，方便測量電機不同的轉速。 5 3.5 顯示模塊方案 方案一：選用數(shù)管顯示，顯示單一。 方案二：選用 LCD1602 顯示，顯示豐富。 由于數(shù)碼管顯示內(nèi)容單一，所以我選擇顯示內(nèi)容更豐富的方案二。 4.系統(tǒng)設計 本系統(tǒng)選用的模塊包括：單片機系統(tǒng)，轉速測量模塊，LCD 顯示模塊，控制電機轉速模塊。 4.1 單片機模塊 本課題選用 AT89C51 單片機作為主控器 4.1.1 51 單片機的介紹 52 單片機引腳圖如圖 4-1 所示： 圖 4-1：單片機引腳圖 6 主要特性： 4K 字節(jié)可編程閃爍存儲

12、器 壽命：1000 寫/擦循環(huán) 數(shù)據(jù)保留時間：10 年 32 可編程 I/O 線 5 個中斷源，兩個外部中斷，兩個定時器中斷，一個串口中斷 有一個串口 低功耗的閑置和掉電模式 管腳說明： 1.40 腳 VCC 用于接電源正極。 2.20 腳 GND 接電源負極。 3.P1，P2 為雙向 IO 口。 4.P0 口在作為輸出口是一般要接上拉電阻，增大驅動能力。 5.P3 口除了作為 IO 口外，還有復用功能,復用功能如下表 4-1 表 4-1 引腳 復用名稱 復用功能 P30 RXD 串行數(shù)據(jù)接收 P31 TXD 串行數(shù)據(jù)發(fā)送 P32 INT0 外部中斷 0 P33 INT1 外部中斷 1 請求

13、P34 T0 定時器/計數(shù)器 0 P35 T1 定時器/計數(shù)器 1 P36 WR 外部 RAM 寫選通 P37 RD 外部 RAM 讀選通 6.PSEN：外部程序存儲器的選通信號。 7.XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時鐘工作電路的輸入。 8.XTAL2：來自反向振蕩器的輸出。 9.9 腳 RST 復位腳 7 4.1.2 系統(tǒng)的復位電路 復位電路是整個系統(tǒng)重要的一環(huán)，當運行出錯時可以按下復位按鍵復位，不需斷電重新操作。本復位電路選擇上電自動復位電路。如圖 4-2 所示。當電路上電時，由于電容兩端的電壓不可跳變，所 RST 端會是高電平，系統(tǒng)復位。等電容充電完成后，RST 端變?yōu)榈碗娖?，?/p>

14、統(tǒng)正常工作。 圖 4-2：復位電路 4.1.3 系統(tǒng)時鐘電路設計 時鐘電路為整個系統(tǒng)提供時鐘，是整個系統(tǒng)不可缺少的一環(huán)。它控制著系統(tǒng)的運行速率，采用的時鐘晶振越大運行速率越快。由于受 51 單片機自身限制，時鐘晶振也不能選擇過大，51 單片機能支持幾十兆的晶振。在本系統(tǒng)設計中，選用 11.0592Mhz 的晶振，目的是為了是在使用定時器時，更加方便精準，提高測量精度。晶振電路如圖 4-3 所示。在選擇晶振兩邊的電容時不宜選擇過大。當電容太大時晶振不能正常起振，導致系統(tǒng)不能正常工作。本次選擇 30pf 的電容。 8 圖 4-3：時鐘電路 4.1.4 IO 口管腳分配 1.傳感器輸出接口 P3.5

15、I/O 口，用于計數(shù)脈沖個數(shù)。 2.對按鍵進行 I/O 口分配，將選用兩個按鍵，一個用于增大 PWM 輸出的占空比，即增大轉速，分配管腳為 P1.0；一個用于減小 PWM 的占空比，即減小轉速，分配管腳為 P1.1 。 3.PWM 輸出 I/O 分配：選 P1.7 作為模擬 PWM 輸出口 4.LCD 顯示 I/O 口分配：P0 口接 LCD 的數(shù)據(jù)傳送接口，P2.0P2.2 作為作為LCD 的控制接口，分別接 LCD 的 E（使能端） ，RW（讀寫端） ，RS（數(shù)據(jù)/命令端） 4.2 電機轉速控制 控制電機的轉速的快慢，也就相當于控制電機兩端電壓的大小，控制電壓的大小可以選擇 DA 數(shù)模轉換

16、器，也可以選擇 PWM 輸出控制。若用 DA 控制，則會多增加芯片，沒有直接用 PWM 控制那么實用。PWM 可以直接由單片機模擬輸出，操作方便簡單，所以本次選擇 PWM 來控制電機轉速。 PWM 的全稱是 Pulse Width Modulation,即脈寬調(diào)制變換器。它的作用是把恒定的直流電源電壓調(diào)制成頻率一定，寬度可變的脈沖電壓序列，從而改變平均輸出電壓的大小，以調(diào)節(jié)電機的轉速。 在電機轉動時，由于電機本身要切割磁感線從而產(chǎn)生自身感應電動勢，如果把電機電源直接與單片機系統(tǒng)共用一個電源，則會對整個控制系統(tǒng)產(chǎn)生巨大的影響，使整個系統(tǒng)不能正常的工作。為了消除這一影響，采用光耦耦合器把電機和單片

17、機分開，從而達到消除這一影響的目的。 為了控制 PWM 的占空比，我選用兩個按鍵來控制。具體電路如圖 4-4 所示： 9 4-4 圖 PWM 占空比，即增加轉速。按鍵 S2 增加 PWM 占空比，即減小轉速。按鍵S3 減少 ：電機開關。Key1 單刀 顯示模塊 4.3 介紹和指令 4.3.1 LCD1602 字符型液晶它是一種專門液晶也叫 1602 本次顯示模塊選用 LCD1602，LCD 點5*11 個 5*7 或者 32 用來顯示字母、數(shù)字、符號、等的點陣型液晶模塊，它由 陣字符位組成，每個點陣字符位都可以顯示一個字符，不能顯示漢字和圖片。 所示所示，4-1，表 4-2 的引腳說明即指令說

18、明分別如表 LCD1602 0 1 表 4-1 引腳 引腳名 電平 輸入/輸出 作用 1 GND 電源地 2 VCC 電源正極 3 VEE 對比調(diào)整電壓 4 RS 0/1 輸入 0：輸入指令 1：輸入數(shù)據(jù) 5 R/W 0/1 輸入0：寫入數(shù)據(jù)或指令； 1：從LCD 讀數(shù)據(jù) 6 E 1,10 輸入 使能信號，1 讀取信息 10（下降沿）執(zhí)行指令 7 DB0 0/1 輸入/輸出 數(shù)據(jù)總線 0 8 DB 0/1 /輸出 輸入數(shù)據(jù)總線 1 9 DB0/1 輸出輸入/ 數(shù)據(jù)總線 2 10 DB 0/1 輸出輸入/ 數(shù)據(jù)總線 3 11 DB 0/1 輸出輸入/ 數(shù)據(jù)總線 4 12 DB 0/1 輸出輸入/

19、數(shù)據(jù)總線 5 13 DB 0/1 /輸出 輸入數(shù)據(jù)總線 6 14 DB 0/1 輸入/ 輸出數(shù)據(jù)總線 7 15 A +VCC LCD 背光電源正極 16 K 接地 LCD 背光電源負極 1 1 表 4-2 指令功能 指令編碼RS R/W DB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB0 清屏0 0 0 0 00 0 0 0 0 1 光標歸位0 0 0 0 0 0 0 0 1 X 進入設置模式0 0 0 0 0 0 0 1 I/D S 顯示開關控制0 0 0 0 0 0 1 D C B 設置顯示屏或光標的移動 方向0 0 0 0 0 1 S/C R/L X X 功能設置0 0 0

20、0 1 D N F X X 地址 CGRAM 設定0 0 0 1 6 位）CGRAM 的地址（ 地址設定 DDRAM0 0 1 位）7DDRAM 的地址（讀取忙碌信號 地址 AC 或0 1 1 ：忙 0：操作 位）AC 內(nèi)容（7DDRAM 寫數(shù)據(jù)到或CGRAM 1 0 D7-D0 寫入數(shù)據(jù)或 DDRAM 從 CGRAM 讀 出數(shù)據(jù)1 1 D7-D0 讀出數(shù)據(jù) 4-5 所示：LCD1602 液晶顯示電路如圖 4-5 圖：液晶顯示電路 2 1 4.3.2LCD1602 的工作時序 LCD 的工作時序如圖 4-6 所示 圖 4-6：LCD1602 的工作時序 基本操作時序： 讀狀態(tài) RS=L，RW=

21、H，E=H 輸出：DB0DB7=狀態(tài)字 寫指令 RS=L，RW=L，E=下降沿 DB0DB7=指令碼 讀數(shù)據(jù) RS=H，RW=H，E=H 輸出：DB0DB7=數(shù)據(jù) 寫數(shù)據(jù) RS=H，RW=L，E=下降沿 DB0DB7=數(shù)據(jù) 4.4 霍爾傳感器模塊 霍爾傳感器選用 GS3020，GS3020 共有三個管腳： 1 腳 VCC 接電源正極；2 腳信號輸出端；3 腳接電源負極 測速電路如圖 4-7 所示，其中 C5 用于率電源濾波，C4 用于霍爾元件輸出信號的濾波，用一個比較器 LM324 把輸出信號轉換成方波，以便于單片機計數(shù)。 將 LM324 的輸出端與單片的 P3.5 口相連，它是計數(shù)器 1 的輸入口。在這兒我們將采用 16 位計數(shù)器。 3 1 ：測速模塊圖 4-7 軟件系統(tǒng)設計 5. 所示：整個軟件系統(tǒng)的工作流程如圖 5-1 開始 ，定時器，計數(shù) LCD 器初始化 輸出，電機轉動 PWM 頻率采集 數(shù)據(jù)處理算法 LCD 顯示 圖 5-1：系統(tǒng)工作流程圖 4 1 5.2 程序模塊 整個系統(tǒng)的程序模塊包括 3 部分： 1.數(shù)據(jù)采集，處理部分。 2.顯示模塊程序 3.按鍵控制 PWM 輸