基于51單片機和霍爾開關(guān)傳感器的轉(zhuǎn)速測量儀畢業(yè)論文

1、基于單片機和霍爾傳感器的轉(zhuǎn)速測量儀系統(tǒng)由傳感器、信號處理、系統(tǒng)軟件等部分組成。傳感器沖信號；信號處理電路（反相器）包含待測信號整形反相等部分，波形變換和波形整形電路實現(xiàn)把正負(fù)交變的信號波形變換成可被單片機接受的 TTLCMOS 兼容信號。 處理器采用單片機，顯示器采用單片機開發(fā)板自帶的 8 位 LED 數(shù)碼管動態(tài)顯示。在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和工程實踐中，經(jīng)常會遇到各種需要測量轉(zhuǎn)速的場合，測量轉(zhuǎn)速的方法分為模擬式和數(shù)字式兩種。模擬式采用測速發(fā)電機為檢測元件，得到的信號是模擬量，控制系統(tǒng)的硬件部分非常復(fù)雜，功能單一，而且系統(tǒng)非常不靈活、調(diào)試?yán)щy。數(shù)字式通常采用光電編碼器、圓光柵、霍爾元件等為檢測元件，得到的

2、信號是脈沖信號。單片機技術(shù)的日新月異，特別是高性能價格比的單片機的出現(xiàn)，轉(zhuǎn)速測量普遍采用以單片機為核心的數(shù)字式測量方法，使得許多控制功能及算法可以采用軟件技術(shù)來完成。采用單片機構(gòu)成控制系統(tǒng)，可以節(jié)約人力資源和降低系統(tǒng)成本，從而有效的提高工作效率。使霍爾傳感器產(chǎn)生脈沖，由單片機計數(shù)，經(jīng)過數(shù)據(jù)計算轉(zhuǎn)化成所測轉(zhuǎn)速，再由數(shù)碼管顯示出來。1.硬件部分概述. 系統(tǒng)框圖原理如圖所示，系統(tǒng)由傳感器、信號處理、數(shù)碼管顯示、蜂鳴器超速報警和系統(tǒng)軟件等部分組成。傳感器沖信號。信號處理電路反相器）包含待測信號波形變換、波形整形等部分，波形變換和波形整形電路實現(xiàn)把正負(fù)交變的信號波形變換成可被單片機接受的TTLCMOS兼

3、容信號。處理器采用單片機，顯示器采用8 位 LED 數(shù)碼管動態(tài)顯示。.霍爾傳感器是對磁敏感的傳感元件，由磁鋼、霍耳元件等 SiKO 的 的霍爾傳感器，其響應(yīng)頻率為 100KHz，額定電壓為（測距離為 10（mm量高頻、工頻、直流等各種波形電流。該傳感器具有測量精度高、電壓范寬、功耗小、輸出功率大等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用在高速計數(shù)、測頻率、測轉(zhuǎn)速等領(lǐng)域。輸出電壓 25V，直流電源要有足夠的濾波電容，測量極性為 N極。安裝時將一非磁性圓盤固定在電動機的轉(zhuǎn)軸上，將磁鋼粘貼在圓盤邊緣，磁鋼采用永久磁鐵，其磁力較強，霍爾元件固定在距圓盤1-10mm處。當(dāng)磁鋼與霍爾元件相對位置發(fā)生變化時，通過霍爾元件感磁面的磁場

4、強度就會發(fā)生變化。圓盤轉(zhuǎn)動，磁鋼靠近霍爾元件，穿過霍爾元件的磁場較強，霍爾元件輸出低電平；當(dāng)磁場減弱時，輸出高電平，從而使得在圓盤轉(zhuǎn)動過程中，霍爾元件輸出連續(xù)脈沖信號。這種傳感器不怕灰塵、油污，在工業(yè)現(xiàn)場應(yīng)用廣泛。轉(zhuǎn)速測量原理霍爾器件是由半導(dǎo)體材料制成的一種薄片，器件的長、寬、高分別為 l、b、d。若在垂直于薄片平面（沿厚度 d）方向施加外磁場 l流流過。由于電子在磁場中運動，所以將受到一個洛侖磁力，其大小為：式中：洛侖磁力， q載流子電荷， V載流子運動速度，B磁感應(yīng)強度。這樣使電子的運動軌跡發(fā)生偏移，在霍爾元器件薄片的兩個側(cè)面分別產(chǎn)生電子積聚或電荷過剩，形成霍爾電場，霍爾元器件兩個側(cè)面間的

5、電位差稱為霍爾電壓?；魻栯妷捍笮椋?(mV)式中：霍爾常數(shù)， d元件厚度，磁感應(yīng)強度， I控制電流設(shè), 則= (mV)為霍爾器件的靈敏系數(shù)(mVmAT)，它表示該霍爾元件在單位磁感應(yīng)強度和單位控制電流下輸出霍爾電動勢的大小。應(yīng)注意，當(dāng)電磁感應(yīng)強度 B反向時，霍爾電動勢也反向。圖 2為霍耳元件的原理結(jié)構(gòu)圖。1.4反相器 74LS14介紹74LS14是六反相施密特觸發(fā)器。不存在放大的功能。是施密特觸發(fā)電路功能。當(dāng)輸入電壓由低向高變化時，若電壓超過正向閾值電壓 Vt+輸入電壓要低于另一個閾值電壓 Vt-義如下：A端為輸入端，Y端為輸出端，一片芯片一共 6路，即1，11，13為輸入端， 2，12 為

6、輸出端，輸出結(jié)果與輸入結(jié)果反向。74LS14管腳圖即如果輸入端為高電平， 那么輸出為低電平。 如果輸入低電平，輸出為高電平。2.軟件部分概述2.1軟件基本功能介紹設(shè)計軟件主要為主程序、數(shù)據(jù)處理顯示程序、定時器中斷服務(wù)程序和蜂鳴器報警四個部分。（）主程序主要完成初始化功能，包括LED顯示的初始化，中斷的初始化，定時器的初始化，寄存器、標(biāo)志位的初始化等。主程序流程圖如圖 5所示。（）數(shù)據(jù)處理顯示模塊程序。此模塊中單片機對在 10秒內(nèi)的計數(shù)值進行處理，轉(zhuǎn)換成rmin送顯示緩存以便顯示。具體算法如下設(shè)單片機每秒計數(shù)到n n(rs)(圓盤貼兩個磁鋼。則 n(rs)=6n(rmin)。即只要將計數(shù)值乘以6

7、便可得到每分鐘電機的轉(zhuǎn)速。程序流程圖如下圖所示。（3定時器 1中斷服務(wù)程序設(shè)計。定時器 1完成計時功能，定時 50ms，進行定時中斷計數(shù)并每隔 10s更新一次顯示數(shù)據(jù)。流程圖如下圖所示。3.3.1硬件調(diào)試霍爾傳感器探頭要對準(zhǔn)轉(zhuǎn)盤上的磁鋼位置，安裝距離要在10mm以內(nèi)才可靈敏的感應(yīng)磁場變化。在磁場增強時霍爾傳感器輸出低電平，指示燈亮；磁場減弱時輸出高電平，指示燈熄滅。當(dāng)電機轉(zhuǎn)動時，感應(yīng)電壓指示燈高頻閃爍，所以視覺上指示燈不會有多大的閃爍感。當(dāng)給 JK 8002c型霍爾傳感器施加 5V電壓時其輸出端可以輸出 3V的感應(yīng)電壓。輸出幅值為 3V的矩形脈沖信號。3.2軟件調(diào)試測量系統(tǒng)與 PC機連接時一定

8、要先連接串行通信電纜，然后再將其電源線插入 USB接口；拆除時先斷開其電源，再斷開串行通信電纜，否則極易損壞 PC機的串口。采用 AT 單片機下載相應(yīng)的軟件，將其下載到實驗板的單片機中。下載軟件的最后一步：點擊軟件界面中的 下載按鈕，在點擊前一定要保持實驗板的串行通信線及電源線與 PC機連接良好，并且實驗板的電源開關(guān)處于關(guān)閉狀態(tài)，然后點擊 下載按鈕，再打開實驗板電源開關(guān)，此時軟件將自動完成程序下載。最后將硬件和軟件結(jié)合起來整體調(diào)試實現(xiàn)系統(tǒng)的測速功能。測試結(jié)果分析4.設(shè)計基本完成題目中的各項要求，其中轉(zhuǎn)速的測量比較精確，與實際轉(zhuǎn)速相差 10 轉(zhuǎn)分左右，精度在全量程范圍內(nèi)優(yōu)于10 轉(zhuǎn)分，存在一定的

9、誤差，經(jīng)分析主要是由以下原因造成：1)由于轉(zhuǎn)盤是直接采用磁鐵旋轉(zhuǎn)而成，手動旋轉(zhuǎn)時容易打飄不穩(wěn)，導(dǎo)致獲得的脈沖信號頻率與實際轉(zhuǎn)速有一定的誤差。2) 中斷處理的進入和中斷處理程序都會有一定時間的誤差，從而導(dǎo)致定時時間的誤差，這也是造成測量誤差的一個因素。3)在固定裝置時，由于是手動操作，從而導(dǎo)致初始獲得信號有一定的時差。5.結(jié)論霍爾傳感器具有不怕灰塵、油污，安裝簡易，不易損壞等優(yōu)點，在工業(yè)現(xiàn)場得到了廣泛應(yīng)用。利用霍爾傳感器設(shè)計的轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)以單片機 AT89C51 為數(shù)據(jù)處理核心，采用定時器定時中斷的方法實現(xiàn)計數(shù)，對測量數(shù)據(jù)進行計算得到轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)，并將結(jié)果送數(shù)碼管顯示。整個測量系統(tǒng)硬件電路簡單，容易

10、調(diào)試，軟件部分編程采用C51，有較高的編程效率。測試結(jié)果表明對電動機轉(zhuǎn)速的測量精度較高，基本能夠滿足實際的測試需要，有一定的實際應(yīng)用價值。6.心得體會本此設(shè)計，主要進行了以下幾方面的工作：首先，復(fù)習(xí)了上學(xué)期所學(xué)的傳感器，在其中著重學(xué)習(xí)并理解霍爾傳感器的工作原理；其次，根據(jù)老師所提供的傳感器，查找搜集其特性，制作設(shè)計方案；然后，完成測轉(zhuǎn)速系統(tǒng)的硬件選型和電路設(shè)計；最后，完成系統(tǒng)的軟件流程圖設(shè)計。根據(jù)我們所選的題目，編出了實驗的程序。總體來講，此次設(shè)計的題目比較簡單。通過這次的設(shè)計，又查閱了相關(guān)資料，與老師所講的結(jié)合，基本上掌握了數(shù)碼管動態(tài)顯示的原理。在單片機上演示成功后，結(jié)合所發(fā)的板子修改了程序

11、，但是在將程序考到開發(fā)板上之后偶遇到了一些問題。顯示的結(jié)果與與預(yù)想的不同，經(jīng)過反復(fù)試驗最終搞清楚的其中的原理。對于定時器、計數(shù)器的中斷，有了深入認(rèn)識。怎么算初值，怎么申請中斷，怎么響應(yīng)，返回到什么位置等更深層次的應(yīng)用并學(xué)為己有。并且學(xué)會了有多個等待多個中斷返回時，怎么進行合理利用，使他們每個都能返回到該返回的位置，不出現(xiàn)錯誤。這一點我覺得很有用。這次設(shè)計，有程序，有硬件，有理論，有實踐，通過它們的結(jié)合，我所學(xué)到的知識形成了一個系統(tǒng)，不再是孤立的，而是硬件與軟件的結(jié)合，提高了自己的程序運用能力，對于編程的思路有了更進一步的悟性。不再是一個機械的運用，而是根據(jù)具體情況來編寫自己的程序，有了一定的靈活運用能力。以前實驗是只有單片機的程序，這次與傳感相結(jié)合，不僅使我又一次的加深了對軟件編程的理解，還從實際出發(fā)，有了一個更整體的認(rèn)識。對于霍爾傳感器的基本原理更有了進一步的理解?；魻杺鞲衅骶哂胁慌禄覊m、油污，安裝簡易，不易損壞等優(yōu)點，在工業(yè)現(xiàn)場得到了廣泛應(yīng)用。測試結(jié)果表明對電動機轉(zhuǎn)速的測量精度較高，基本能夠滿足實際的測試需要，有一定的實際應(yīng)用價值。就本課題而言，并末實現(xiàn)真正工業(yè)意義上的測轉(zhuǎn)速控制，今后還應(yīng)在控制的實現(xiàn)上進一步深入的探討，這類研究將對工業(yè)測轉(zhuǎn)速有著深遠(yuǎn)的影響，是一個值得深入的方向。在此期間，