基于單片機(jī)的電機(jī)轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)的設(shè)計(jì) (2)

1、2011年第8期儀表技術(shù)與傳感器InstrumentTechniqueandSensor 2011No.8收稿日期:20101227收修改稿日期:20110313基于單片機(jī)的電機(jī)轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)王文成1,李健2(1濰坊學(xué)院信息與控制工程系,山東濰坊261061;2山東輕工業(yè)學(xué)院數(shù)理學(xué)院,山東濟(jì)南250353摘要:為了研制簡單可靠的直流電機(jī)測速裝置,提出了基于單片機(jī)和集成芯片設(shè)計(jì)電機(jī)轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)的方案。介紹了霍爾傳感器測速的工作原理,設(shè)計(jì)了系統(tǒng)的硬件電路和軟件。該系統(tǒng)以AT89S51單片機(jī)為核心,主要包括電源模塊、按鍵模塊、轉(zhuǎn)速測量電路模塊和顯示模塊等,通過將脈沖信號送入單片機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)數(shù)運(yùn)算

2、,并將轉(zhuǎn)速測量結(jié)果顯示在LED 上。運(yùn)行試驗(yàn)表明,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單,工作穩(wěn)定可靠,滿足電機(jī)的測速要求。關(guān)鍵詞:霍爾傳感器;電機(jī);測速系統(tǒng);單片機(jī)中圖分類號:TP873文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A文章編號: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引言近年來,隨

6、著電力電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和微控制技術(shù)的發(fā)展,直流電機(jī)因其具有良好的啟動、制動和調(diào)速性能,已廣泛運(yùn)用于機(jī)械制造、電力、冶金等領(lǐng)域。由于伺服驅(qū)動系統(tǒng)不斷朝著數(shù)字化智能化方向發(fā)展,因此轉(zhuǎn)速的控制成為在工業(yè)測控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。而如何測量電機(jī)的轉(zhuǎn)速以實(shí)現(xiàn)對轉(zhuǎn)速的高精度控制成為電機(jī)應(yīng)用的一個(gè)突出問題之一1。目前常用的轉(zhuǎn)速測量方法有測速發(fā)電機(jī)測速法和光電碼盤測速法等23。他們各有優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn),直流測速發(fā)電機(jī)是應(yīng)用范圍較廣的測速元件,它的主要優(yōu)點(diǎn)是靈敏度、高線性誤差小,但由于它具有電刷和換向接觸裝置,因而可靠性較差,應(yīng)用范圍有限;普通光電編碼器雖然精度較高,但體積大,成本高。霍爾元件具有尺寸小、外圍電路簡

7、單、使用壽命長、調(diào)試方便等特點(diǎn)用它可以做成各種傳感器,廣泛應(yīng)用于位移測量、轉(zhuǎn)速測量以及計(jì)數(shù)等方面4。文中介紹一種采用霍爾傳感器來采集電機(jī)軸的脈沖信號的方法,轉(zhuǎn)速脈沖信號經(jīng)過處理后送給單片機(jī),實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)速的實(shí)時(shí)精確測量,文中設(shè)計(jì)了基于單片機(jī)和霍爾元件的直流電機(jī)測速系統(tǒng)硬件電路。1霍爾元件測速原理霍爾元件作為一種轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)的傳感器,它有體積小、重量輕、安裝方便等優(yōu)點(diǎn),該傳感器是利用霍爾效應(yīng)原理工作的:一個(gè)金屬或半導(dǎo)體薄片置于磁場中,當(dāng)薄片通以電流I 時(shí),在薄片的兩側(cè)面上就會產(chǎn)生一個(gè)微量的霍爾電壓U H ,如果改變磁場的強(qiáng)度,霍爾電壓的大小亦隨之改變56。當(dāng)磁場消失時(shí),霍爾電壓變?yōu)榱?。霍爾效?yīng)式轉(zhuǎn)速

8、傳感器輸出的信號是矩形脈沖信號,很適合于數(shù)字控制系統(tǒng)。用公式表示為U H =K H ·I ·B(1式中:K H 為霍爾器件的靈敏度系數(shù);I 為控制電流;B 為磁感應(yīng)強(qiáng)度。若控制電流保持不變,則霍爾感應(yīng)電壓將隨外界磁場強(qiáng)度而變化,根據(jù)這一原理,可以將一塊永久磁鋼固定在電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上轉(zhuǎn)盤的邊沿,轉(zhuǎn)盤隨被測軸旋轉(zhuǎn),磁鋼也將跟著同步旋轉(zhuǎn),在轉(zhuǎn)盤附近安裝一個(gè)霍爾元件,轉(zhuǎn)盤隨轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)時(shí),霍爾元件受到磁鋼所產(chǎn)生的磁場影響,故輸出脈沖信號,其頻率和轉(zhuǎn)速成正比,測出脈沖的周期或頻率即可計(jì)算出轉(zhuǎn)速7。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動時(shí),帶動傳感器,產(chǎn)生對應(yīng)頻率的脈沖信號,經(jīng)過信號處理后輸出到計(jì)數(shù)器或其他的脈沖計(jì)數(shù)裝置

9、,進(jìn)行轉(zhuǎn)速的測量8。其器件的連接電路和電子特性分別如圖1和圖2所示。脈沖信號的周期與電機(jī)的轉(zhuǎn)速關(guān)系為:n =60/(P ·T (2式中:n 為電機(jī)的轉(zhuǎn)速;P 為電機(jī)轉(zhuǎn)一圈的脈沖數(shù);T 為輸出方波信號的周期。2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)根據(jù)實(shí)際控制的需要,設(shè)計(jì)了基于AT89S51單片機(jī)的直第8期王文成等:基于單片機(jī)的電機(jī)轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)71 流電機(jī)測速系統(tǒng)的硬件連接圖。如圖3所示,設(shè)計(jì)方案主要包含4個(gè)模塊:鍵盤電路、電源電路、轉(zhuǎn)速測量電路和顯示電路。 圖3系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖其工作過程為:通過按鍵向單片機(jī)輸入相應(yīng)控制指令,電機(jī)的轉(zhuǎn)速通過霍爾傳感器采集脈沖信號,經(jīng)過放大處理后輸送到單片機(jī),電機(jī)的轉(zhuǎn)速通過L

10、ED 顯示出來。2.1控制器系統(tǒng)選用AT89S51作為CPU ,它是一種低功耗、高性能,片內(nèi)帶4KB 快閃可編程/擦除只讀存儲器的8位CMOS 微控制器,兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS 51指令系統(tǒng)及80C51引腳結(jié)構(gòu),使用高密度、非易失存儲技術(shù)制造,可為許多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高性價(jià)比的解決方案。2.2電源電路 AT89S51的工作電壓為+5V ,而照明電壓為220V ,50Hz 的交流電,所以需要先通過一個(gè)變壓器T1降壓,再通過整流橋?qū)㈦妷恨D(zhuǎn)換成直流電壓。由于變壓后得到的直流電壓可能含有交流分量,所以要通過濾波電路對其進(jìn)行濾波處理,然后通過7805得到穩(wěn)定的5V 電壓。2.3鍵盤系統(tǒng)通過兩個(gè)開關(guān)SW 1

11、、SW 2分別與P20、P21相連,其中SW 1用于系統(tǒng)重啟,SW 2用測速設(shè)置。運(yùn)行方式的設(shè)置由P2口外接按鍵來完成。判斷按鍵是否按下的方法是:首先置P2口為高電平,然后從P20開始到P21為止,逐個(gè)檢測引腳的電平,如果某引腳為低電平表示該鍵按下,此時(shí)需做相應(yīng)的處理實(shí)現(xiàn)按鍵功能,如果引腳為高電平則不做處理。2.4顯示電路系統(tǒng)采用了數(shù)碼管進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示。數(shù)碼管選用4連共陽數(shù)碼管,并對位選端利用三極管S8550進(jìn)行驅(qū)動。系統(tǒng)的顯示方式為動態(tài)掃描,流向各位數(shù)碼管送出字形碼和相應(yīng)的位選。其驅(qū)動電路如圖4所示。圖4LED 顯示電路2.5測速電路電機(jī)測速電路主要基于霍爾傳感器所設(shè)計(jì),它是一種集成化的敏感器

12、件,可提供線性單端輸出,其輸出電壓正比于感應(yīng)的磁場強(qiáng)度。其內(nèi)部的磁敏元件與高增益放大器、電源穩(wěn)壓器集成于同一芯片,使得應(yīng)用時(shí)十分簡便。測量轉(zhuǎn)速的霍爾傳感器從永磁直流電機(jī)外殼檢測轉(zhuǎn)速信號,機(jī)軸每轉(zhuǎn)1周,產(chǎn)生一定量的脈沖個(gè)數(shù),由霍爾器件電路輸出。成為轉(zhuǎn)數(shù)計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)脈沖?？刂朴?jì)數(shù)時(shí)間,即可實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值對應(yīng)機(jī)軸的轉(zhuǎn)速值。測速電路如圖5所示。圖5電機(jī)測速電路3軟件設(shè)計(jì)系統(tǒng)采用單片機(jī)中的INT0中斷對轉(zhuǎn)速脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)。定時(shí)器T1工作于外部事件計(jì)數(shù)方式,對轉(zhuǎn)速脈沖計(jì)數(shù);T0工作于定時(shí)器方式。每到1s 讀1次計(jì)數(shù)值,此值即為脈沖信號的頻率,根據(jù)式(1可計(jì)算出電機(jī)的轉(zhuǎn)速。轉(zhuǎn)速檢測裝置的軟件系統(tǒng)主要包括:

13、測速主程序、數(shù)據(jù)處理子程序和顯示子程序。主程序流程圖見圖6所示。圖6主程序流程圖單片機(jī)上電后,系統(tǒng)進(jìn)入準(zhǔn)備狀態(tài)。首先進(jìn)行初始化,然后讀取脈沖數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算,將轉(zhuǎn)速顯示在LED 上。如果有按鍵按下則進(jìn)入相應(yīng)的按鍵處理子程序。4實(shí)驗(yàn)為了驗(yàn)證測量的準(zhǔn)確性,做了對比試驗(yàn),實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。其中實(shí)際值n 0由高精度測試儀測得。測量值n x 為測速72Instrument Technique and Sensor Aug.2011裝置的顯示值,測量誤差由以下公式計(jì)算得到:=|n xn0|/n0(3表1實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)序號實(shí)際值/(r·min1測量值/(r·min1誤差/%1600618 3.0

14、2800782 2.3310001021 2.1415001524 1.6520001978 1.1誤差分析表明,轉(zhuǎn)速測量誤差在4%以內(nèi),并且隨著轉(zhuǎn)速預(yù)設(shè)值的增加測量誤差愈小,具有良好的性能。5結(jié)束語文中主要設(shè)計(jì)了一種基于單片機(jī)和霍爾傳感器的測速系統(tǒng)?；魻杺鞲衅鬏敵龅男盘柦?jīng)信號調(diào)理后,通過單片機(jī)對連續(xù)脈沖計(jì)數(shù)來實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速測控。運(yùn)行實(shí)驗(yàn)表明,該系統(tǒng)硬件接口電路簡單,工作穩(wěn)定可靠,滿足了調(diào)速的功能要求具有一定的理論及實(shí)用價(jià)值。尤其是在測量空間有限或傳感器不便安裝的條件下,該測量方法有明顯的優(yōu)勢。此外,該設(shè)計(jì)思想可推廣到其他工程應(yīng)用領(lǐng)域。參考文獻(xiàn):1姚榮斌,孫紅兵基于STC89C51RC的轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)

15、設(shè)計(jì)連云港師范高等?？茖W(xué)校學(xué)報(bào),2007(4:84872曹昕鷙,韓玨,陳隆道高性價(jià)比無刷直流電機(jī)測速方法的研究輕工機(jī)械,2006,24(1:1071093楊繼生,劉芬霍爾傳感器A44E在車輪測速中的應(yīng)用研究電子測量技術(shù),2009,32(10:1001024徐春劍,吳一輝,武俊峰,等基于FPGA的高精度霍爾測速方法儀表技術(shù)與傳感器,2009(10:991015李金波,劉明黎基于霍爾傳感器的轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)河南科技學(xué)院學(xué)報(bào),2009,37(3:54566丁芝琴基于霍爾傳感器的電機(jī)測速裝置設(shè)計(jì)農(nóng)機(jī)化研究,2010(5:81837邵顯濤,陳明,李俊基于霍爾傳感器電機(jī)轉(zhuǎn)速的單片機(jī)測量電子測試,2008

16、(12:46488WANG W CA Motor Speed Measurement System Based on Hall Sen-sorICICIS2011,2010,134:440445作者簡介:王文成(1979,講師,主要研究方向是自動檢測與控制技術(shù)。E-mail:wwchpaper126com(上接第58頁等5個(gè)功能。并設(shè)置了幾個(gè)信號量,和互斥鎖來實(shí)現(xiàn)線程間的信息共享。LCD的顯示線程,受觸摸事件和CAN接收程序的影響,當(dāng)觸摸事件發(fā)生后,需要在LCD上顯示出觸摸位置,有一些來自CAN網(wǎng)絡(luò)的信息,需要在LCD上顯示出來。CAN發(fā)送線程,受觸摸事件的影響,有些觸摸事件是用來控制CAN網(wǎng)

17、絡(luò)中的其它節(jié)點(diǎn),就必須通過CAN發(fā)送線程把信息發(fā)送到CAN網(wǎng)絡(luò)上去。TPMS的參數(shù)顯示設(shè)置在顯示界面的第一個(gè)菜單下,主要包括胎壓,溫度,電池蓄電量的顯示。當(dāng)CAN接收線程收到來自TPMS節(jié)點(diǎn)的信息時(shí),就會改變顯示界面里TPMS的相應(yīng)參數(shù)。當(dāng)參數(shù)在警戒范圍內(nèi)的時(shí):如果顯示界面在當(dāng)前菜單下的時(shí)候,LCD顯示線程,就會立即刷新TPMS曲線圖。如果顯示界面在其它菜單下,就沒有顯示,直到切換到該界面的時(shí)候,就會顯示最新的TPMS曲線圖;當(dāng)參數(shù)超過警戒范圍的時(shí)候:不管在哪個(gè)菜單下,都會在右上角跳出一個(gè)紅色的警戒窗口來,并把危險(xiǎn)參數(shù)顯示出來。4結(jié)束語該系統(tǒng)已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)室調(diào)試成功,驗(yàn)證了方案的可行性, TPMS

18、信息成功在CAN網(wǎng)絡(luò)上實(shí)現(xiàn)信息共享,并在觸摸屏上動態(tài)顯示出來。警戒窗口的設(shè)計(jì)也具有很好的視覺警示效果。參考文獻(xiàn):1高明秋,許志光,趙斌輪胎氣壓監(jiān)測系統(tǒng)試驗(yàn)方法分析與研究汽車技術(shù),2008:44482TPMS Pressure Sensor SpecicationGE Nova SensorInc,20083葛清志,張向文,許勇基于CAN總線和SP30傳感器的胎壓檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)儀表技術(shù)與傳感器,2009,(7:48514陳勇,李伯全,李淵基于SP12傳感芯片的輪胎壓力實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)電子技術(shù)應(yīng)用,2007(7:83855侯明,杜奕基于CANBUS的接口電路設(shè)計(jì)通信技術(shù),2008(7:138140作者簡介:顏良飛(1982,碩士研究生,研究方向