基于霍爾傳感器的電機(jī)測速裝置設(shè)計(jì)

-.z.檢測與轉(zhuǎn)換技術(shù)大作業(yè)報(bào)告題目院系班級(jí)學(xué)生日期霍爾傳感器在電機(jī)轉(zhuǎn)速測量裝置上的應(yīng)用設(shè)計(jì)法號(hào)處理電，將脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)的L電，便于2單片機(jī)的計(jì)數(shù)運(yùn)，并通4存放器將轉(zhuǎn)速信號(hào)顯示在D。該電機(jī)測速裝置具有線路簡、實(shí)時(shí)性、本錢、安裝調(diào)試方便和節(jié)1.1AT89C52單片機(jī)AT89C52是一個(gè)低電壓、高性能CMOS8位單片機(jī)，片含8KB的可反復(fù)擦寫的Flash只讀程序存儲(chǔ)器和256B的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器〔RAM〕，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)，片置通用8位中央處理器和Flash存儲(chǔ)單元。AT89C52有40個(gè)引腳，32個(gè)外部雙向輸入/輸出〔I/O〕端口，同時(shí)含2個(gè)外中斷口，3個(gè)16位可編程定時(shí)計(jì)數(shù)器,2個(gè)全雙工串行通信口，2個(gè)讀/寫口線。AT89C52主要功能特性和引腳圖如下所示：·完全兼容MCS-51指令系統(tǒng)·8k可反復(fù)擦寫FlashROM·全靜態(tài)操作：時(shí)鐘頻率0-24MHz·三級(jí)加密程序存儲(chǔ)器·3個(gè)16位可編程定時(shí)/計(jì)數(shù)器中斷·256*8bit部RAM·32個(gè)可編程的雙向I/O口·2個(gè)外部中斷源，共8個(gè)中斷源·2個(gè)讀寫中斷口線·可編程串行UART通道·低功耗空閑和掉電模式·軟件設(shè)置睡眠和喚醒功能·輸出電流超過1.5安·輸出電壓在1.2伏和37伏間連續(xù)可調(diào)·部熱過載保護(hù)·不隨溫度變化的部短路電流限制·對(duì)高壓應(yīng)用浮空工作·標(biāo)準(zhǔn)3引腳品體管封裝·防止置備多種固定電壓·輸出品體管平安工作區(qū)補(bǔ)償由霍爾效應(yīng)原理可知:當(dāng)霍爾片處于磁場中,并在垂直于磁場的方向上通以電流時(shí),霍爾片上與電流和磁場分別垂直的方向會(huì)產(chǎn)生霍爾電勢差V=KBI。當(dāng)通過霍爾片的電流恒定不變時(shí)，只要改變磁場的大小，就可以改變V。在電機(jī)外殼附近漏磁場因電樞轉(zhuǎn)動(dòng)會(huì)起變化,利用線性霍爾傳感器可對(duì)其進(jìn)展檢測。由于傳感器輸出電壓信號(hào)穩(wěn)定,只要存在磁場,霍爾元件總是產(chǎn)生一樣大小的電壓,并且輸出信號(hào)電壓的大小與轉(zhuǎn)速無關(guān)。即使是在低轉(zhuǎn)速狀態(tài)下,仍能夠獲得較高的檢測準(zhǔn)確度，但是輸出信號(hào)的強(qiáng)弱與霍爾器件在電機(jī)外殼的安裝位置有關(guān)。因此,需通過實(shí)驗(yàn)確定傳感器在電機(jī)外殼的安裝位置,以獲得最正確的信號(hào)效果?；诖嗽?在直流電機(jī)測速中,采用線性霍爾元件作為傳感器,感應(yīng)局部固定在電動(dòng)機(jī)外殼。在定子磁場中,永久磁鐵的磁力線通向轉(zhuǎn)子,轉(zhuǎn)子一般采用硅鋼片疊壓而成,轉(zhuǎn)子鐵心一般分為多槽,轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)過程中引起定子磁通發(fā)生周期性的變化,從而引起了霍爾元件輸出信號(hào)的頻率變化。霍爾元件輸出的信號(hào)無需經(jīng)過放大處理,可直接用比擬器整形后送入單片機(jī)進(jìn)展處理,從而得到電機(jī)轉(zhuǎn)速[1]。1霍爾齒輪傳感是一種用于測量速、角、轉(zhuǎn)、長度等的新型傳感脈沖信號(hào)來測量物體的速度、轉(zhuǎn)速等參量。該傳感器紅色端接電源正極，黑色端接地，綠色端為輸出端。而它的特點(diǎn)在于傳感黑色金屬目標(biāo)、輸出幅度與齒輪轉(zhuǎn)速無，低速性能優(yōu)，工作頻率高達(dá)0表1·CP……時(shí)鐘輸入端·CLR……同步去除輸入端〔低電平有效〕·A、B……串行數(shù)據(jù)輸入端·QA-QH…輸出端共陽極數(shù)碼管是指將所有發(fā)光二極管的陽極接到一起形成公共陽極()的數(shù)碼管。共陽極數(shù)碼管在應(yīng)用時(shí)應(yīng)將公共極接到+5V，當(dāng)*一字段發(fā)光二極管的陰極為低電平時(shí)，相應(yīng)字段就點(diǎn)亮。當(dāng)*一字段的陰極為高電平時(shí)，相應(yīng)字段就不亮。。共陰極數(shù)碼管是指將所有發(fā)光二極管的陰極接到一起形成公共陰極()的數(shù)碼管。共陰極數(shù)碼管在應(yīng)用時(shí)應(yīng)將公共極接到地線GND上，當(dāng)*一字段發(fā)光二極管的陽極為高電平時(shí)，相應(yīng)字段就點(diǎn)亮。當(dāng)*一字段的陽極為低電平時(shí)，相應(yīng)字段就不亮[3]。部構(gòu)造圖分別如下所示：根據(jù)霍爾效應(yīng)原理，測量轉(zhuǎn)速時(shí)，在非磁性的轉(zhuǎn)盤上粘上一塊磁鋼，把霍爾傳感器的感應(yīng)面對(duì)準(zhǔn)磁鋼的磁極，并將其固定在機(jī)架上。機(jī)器軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，固定在轉(zhuǎn)盤上的磁鋼會(huì)隨之旋轉(zhuǎn)，當(dāng)磁鋼轉(zhuǎn)到傳感器的位置時(shí)，霍爾傳感器便輸出一個(gè)脈沖信號(hào)，經(jīng)施密特觸發(fā)器整型，送到單片機(jī)的外部中斷INT0引腳。轉(zhuǎn)軸每轉(zhuǎn)一圈霍爾傳感器輸出一個(gè)脈沖信號(hào)，相鄰兩個(gè)脈沖之間的時(shí)間間隔為轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)一圈的時(shí)間，由此可計(jì)算出轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速。2.1.2轉(zhuǎn)速控制原理直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速與施加于電機(jī)兩端的電壓大小有關(guān)，可以采用AT89C52片的D/A轉(zhuǎn)換器的輸出控制直流電機(jī)的電壓，從而控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。在這里采用簡單的比例調(diào)節(jié)器算法，比例調(diào)節(jié)器的輸出系統(tǒng)式為：〔1〕式〔1〕中：y為調(diào)節(jié)器的輸出；為調(diào)節(jié)器的輸入，一般為偏差值；為比例系數(shù)從式〔1〕可以看出，調(diào)節(jié)器的輸出y與輸入偏差值成正比。因此，只要偏差一出現(xiàn)就產(chǎn)生與之成比例的調(diào)節(jié)作用，具有及時(shí)調(diào)節(jié)的特點(diǎn)，這是一種最根本的調(diào)節(jié)規(guī)律。比例調(diào)節(jié)作用的大小除了與偏差有關(guān)外，主要取決于比例系數(shù)，且比例調(diào)節(jié)系數(shù)愈大，調(diào)節(jié)作用越強(qiáng)，動(dòng)態(tài)特性也越大；反之，比例系數(shù)越小，調(diào)節(jié)作用越弱。對(duì)于大多數(shù)的慣性環(huán)節(jié)，太大時(shí)將會(huì)引起自激振蕩。比例調(diào)節(jié)的主要缺點(diǎn)是存在靜差，對(duì)于擾動(dòng)的慣性環(huán)節(jié)，太大時(shí)將會(huì)引起自激振蕩。對(duì)于擾動(dòng)較大、慣性也比擬大的系統(tǒng)，假設(shè)采用單純的比例調(diào)節(jié)器就難于兼顧動(dòng)態(tài)和靜態(tài)特性，需采用調(diào)節(jié)規(guī)律比擬復(fù)雜的PI〔比例積分調(diào)節(jié)器〕或PID〔比例、積分、微分調(diào)節(jié)器〕算法。2.2霍爾測速裝置及方法簡介2.2.1霍爾轉(zhuǎn)速傳感器檢測裝置轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)安裝示意圖如圖1所示，下面對(duì)1〕霍爾轉(zhuǎn)速傳感。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，磁場垂直于薄，當(dāng)薄片通以電流，在薄片的兩側(cè)面上就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)微量的霍爾電壓。傳感器輸出的信號(hào)是矩形脈沖信號(hào)，很適合于數(shù)字2〕成，構(gòu)造圖如圖2所示。它就是轉(zhuǎn)速測量時(shí)所用的轉(zhuǎn)盤，盤上共有24個(gè)齒。中心孔用來在電機(jī)轉(zhuǎn)軸上定位，從而信號(hào)盤與電機(jī)的轉(zhuǎn)軸一起轉(zhuǎn)動(dòng)，傳感器固定在支架上，垂直于信號(hào)盤，其安裝圖如圖3所示。當(dāng)信號(hào)盤隨電機(jī)轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，信號(hào)盤的每個(gè)輪齒經(jīng)過探頭正前方時(shí)產(chǎn)生感應(yīng)，探頭就輸出一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的脈沖信號(hào)。對(duì)該信號(hào)盤而言，每24個(gè)脈沖對(duì)應(yīng)電機(jī)的1個(gè)工作循環(huán)。因此，脈沖信號(hào)的頻率大小就反映了信號(hào)盤轉(zhuǎn)速的上下，可由單片機(jī)進(jìn)展測量并換算為轉(zhuǎn)速。2.3轉(zhuǎn)速數(shù)字式測量方法與該設(shè)備同軸連接的霍爾轉(zhuǎn)速傳感器的輸出脈沖頻率與轉(zhuǎn)速成正比的原理，根據(jù)脈沖發(fā)生器發(fā)出的脈沖速度和序列，測量轉(zhuǎn)速和判別其轉(zhuǎn)動(dòng)方向。根據(jù)脈沖計(jì)數(shù)來實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速測量的方法主要有：M法(測1)M法。在規(guī)定的檢測時(shí)間，檢測霍爾傳感時(shí)間一定，但檢測的起止時(shí)間具有隨機(jī)性，因此M法測量轉(zhuǎn)速在極端情況下會(huì)產(chǎn)生±1個(gè)轉(zhuǎn)速脈沖的脈沖信號(hào)的數(shù)量較大時(shí)，才有較高的測量精度，因2)T法。它是測量霍爾傳感器所產(chǎn)生的相鄰兩脈沖信號(hào)時(shí)間的測量是采用對(duì)高頻脈沖信號(hào)進(jìn)展計(jì)數(shù)來實(shí)現(xiàn)的。在極端情況下，時(shí)間的測量會(huì)(相鄰兩個(gè)轉(zhuǎn)速脈沖信號(hào)時(shí)間較大)時(shí)，才有較高的3)M/T法。它是同時(shí)測量檢測時(shí)間和在此檢測確定轉(zhuǎn)速。由于同時(shí)對(duì)兩種脈沖信號(hào)進(jìn)展計(jì)數(shù)，因此只要"同時(shí)性〞處理得當(dāng)，M/T法在高速和低速。傳感器輸出脈沖的間隔對(duì)M法有很大的影響。采用M法時(shí)，平均速度越準(zhǔn)確(相對(duì)誤差小)，其估計(jì)的瞬時(shí)速度就越不準(zhǔn)確，反之瞬時(shí)速度越準(zhǔn)確，其平均速度的相對(duì)誤差就越大。M/T法相對(duì)于其他兩種方法有較高的精度，但它的實(shí)時(shí)性差。T法實(shí)際上是對(duì)計(jì)時(shí)器進(jìn)展計(jì)數(shù)，相對(duì)于M法對(duì)脈沖進(jìn)展計(jì)數(shù)，該方法有著較高的精度。另外T法對(duì)每個(gè)轉(zhuǎn)速脈沖都進(jìn)展了轉(zhuǎn)速的計(jì)算，最大限度地利用了傳感器所提供的轉(zhuǎn)速信息，能實(shí)時(shí)地反映轉(zhuǎn)速的變化過程。綜合考慮，本文系統(tǒng)采用了測周期法(T法)。2.4轉(zhuǎn)速信號(hào)處理與顯示電路按照轉(zhuǎn)速裝置設(shè)計(jì)方案，轉(zhuǎn)速信號(hào)處理流程圖如圖4所示。HZL201霍爾齒輪傳感器承受齒輪信號(hào)盤的轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)化為近似方波脈沖信號(hào)。由于要使用單片機(jī)進(jìn)展轉(zhuǎn)速信號(hào)計(jì)數(shù)，霍爾傳感器輸出的方波脈沖信號(hào)必須轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)TTL電平，所以在信號(hào)處理流程圖中參加了信號(hào)處理電路。通過這個(gè)電路就能將霍爾傳感器輸出的電壓信號(hào)變?yōu)闃?biāo)準(zhǔn)的TTL電平，之后要做的工作就是將該轉(zhuǎn)速信號(hào)顯示在LED上，通過一系列的處理，就能實(shí)時(shí)地反響轉(zhuǎn)速信號(hào)的變化。2.4.1信號(hào)處理電路根據(jù)轉(zhuǎn)速信號(hào)處理流程圖，首先設(shè)計(jì)了信號(hào)處理電路，傳感器輸出的轉(zhuǎn)速信號(hào)為方波脈沖信號(hào)，它的高電平低于15V高于14V，而低電平接近0?？梢娫撁}沖信號(hào)的電壓幅值與單片機(jī)接口不匹配，因此該電路又選用了一個(gè)由三極管(8050)組成的整形電路處理轉(zhuǎn)速信號(hào)使其滿足單片機(jī)的接收要求。當(dāng)輸出為高電平信號(hào)時(shí)，三極管VT1的基極發(fā)射極處于正向偏置狀態(tài)，故集電極發(fā)射極處于正向通路狀態(tài)，其輸出電壓約為0；當(dāng)輸出為低電平信號(hào)時(shí)，三極管VT1的基極發(fā)射極處于反向偏置狀態(tài)，故集電極發(fā)射極處于斷路狀態(tài)，其輸出電壓約為+5V。處理電路如圖5所示，經(jīng)處理后的方波脈沖信號(hào)滿足單片機(jī)的接收要求。2.4.2LED顯示電路由于AT89C52單片機(jī)的I/O口線不是很充足，數(shù)據(jù)采用串行輸入的方法。圖6給出了LED顯示電路，該電路采用TOS-8106BHK型號(hào)的共陽極LED顯示器，其工作電壓為5V。它只使用AT89C52的3個(gè)端口，配接4片串入并出移位存放器74LS164與1片三端可調(diào)穩(wěn)壓器LM317T。其中74LS164的引腳Q0～Q7為8位并行輸出端，引腳A、B為串行輸入端，引腳CLK為時(shí)鐘脈沖輸入端，在CLK脈沖上升沿的作用下實(shí)現(xiàn)移位，在CLK=0、去除端CLR=1時(shí)，74LS164保持原來數(shù)據(jù)狀態(tài)；CLR=0時(shí)，74LS164輸出清零。其工作過程如下：AT89C52的串行口設(shè)定在方式0移位存放器狀態(tài)下，串行數(shù)據(jù)由P3.0發(fā)送，移位時(shí)鐘由P3.1送出。在移位時(shí)鐘的作用下，串行口發(fā)送緩沖器的數(shù)據(jù)一位一位地移入74LS164中。4片74LS164串級(jí)擴(kuò)展為4個(gè)8位并行輸出口，分別連接到4個(gè)LED顯示器的段選端作靜態(tài)顯示。需要指出的是，由于74LS164無并行輸出控制端，因而在串行輸入過程中，其輸出端的狀態(tài)會(huì)不斷變化，造成不應(yīng)顯示的字段仍有較暗的亮度，影響了顯示的效果[2]。為了改善不應(yīng)顯示的字段仍有較暗的亮度，在此顯示電路上添加1片三端可調(diào)穩(wěn)壓器LM317T，該穩(wěn)壓器的3、2腳分別是電壓輸入、輸出端，1腳是電壓調(diào)整端，2腳輸出電壓隨1腳電壓而變化。1腳與接地電阻之間并一個(gè)NPN三極管，它的基極受P1.7口線控制，串行輸入時(shí)P1.7口線為高電平，三極管飽和導(dǎo)通使LM317T的1腳約為0.3V，2腳輸出電壓隨之下降到1.25V，缺乏以使共陽極LED發(fā)光，故此時(shí)串行輸入的影響不會(huì)反映到LED上；串行輸入完畢后，使P1.7口線為低電平，三極管截止，適當(dāng)調(diào)節(jié)P1阻值，使2腳輸出電壓上升到5.0V從而使LED正常發(fā)光。因此，1片三端可調(diào)穩(wěn)壓器LM317T起到了4片鎖存器的作用使LED顯示不會(huì)閃爍。該電路的另一優(yōu)點(diǎn)是通過可調(diào)電位器P1可在線調(diào)整2腳的輸出電壓，使LED的顯示亮度均勻可調(diào)，而且省掉了大量的LED限流電阻。第三章測速電路相關(guān)軟件編程檢測裝置的軟件系統(tǒng)主要包括測速主程、二進(jìn)制碼與D碼轉(zhuǎn)換的子程序以及顯示子程。與2的INT1引腳相，由INT1引腳接收轉(zhuǎn)速脈沖信，進(jìn)而控制單片機(jī)部定時(shí)計(jì)數(shù)器1的啟動(dòng)和停頓。當(dāng)1為下降沿脈沖時(shí)啟動(dòng)計(jì)，上升沿時(shí)停頓計(jì)。此值m為2。由上可知定時(shí)計(jì)數(shù)器1的工作方式為方式，即。故，令另外該裝置采用T法測，因此轉(zhuǎn)速測量公式為n0f中f為2m為單片機(jī)響應(yīng)中斷從計(jì)數(shù)器1讀出的計(jì)數(shù)z3.1.2匯編程序ORG0000HAJMPMAINORG001BHAJMPINTPORG1000HMAIN:MOVSP,#60HMOVSCON,#00H;串行口方式0工作ANLTMOD,#0FH;置計(jì)數(shù)器1工作方式1ORLTMOD,#90H;不影響T0的工作MOVR0,#30H;置部RAMSETBEA;CPU開中斷SETBE*1;開INT1中斷SETBP*1;令I(lǐng)NT1為高優(yōu)先級(jí)SETBIT1;令I(lǐng)NT1為脈沖觸發(fā)LCALLDISPINTP:…3.2BCD碼與二進(jìn)制碼轉(zhuǎn)換子程序3.2.1BCD碼簡介BCD碼是用二進(jìn)制表示的十進(jìn)制數(shù)。BCD碼是為了滿足人們利用計(jì)算機(jī)來進(jìn)展十進(jìn)制計(jì)數(shù)，同時(shí)又為了能滿足計(jì)算機(jī)處理信息需要二進(jìn)制編碼的需要，從而設(shè)計(jì)的一種編碼。因?yàn)槿魏问M(jìn)制數(shù)都是0-9這10個(gè)數(shù)字的組合，這樣必須對(duì)十進(jìn)制的0-9這10個(gè)數(shù)字符號(hào)進(jìn)展二進(jìn)制編碼，即BCD碼具有二進(jìn)制和十進(jìn)制兩種數(shù)制編碼的*些特征。3.2.2轉(zhuǎn)換說明BCD碼表示的4位十進(jìn)制數(shù)分別存放于R1、R2中，其中R2存儲(chǔ)千位數(shù)和百位數(shù),R1存儲(chǔ)十位數(shù)和個(gè)位數(shù)，要把其轉(zhuǎn)換為純二進(jìn)制碼，可用由高位到低位逐為檢查BCD碼的數(shù)值，然后累加各十進(jìn)制位對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制數(shù)來實(shí)現(xiàn)。其中1000D=03E8H，100D=0064H，10=000AH。子程序如下：入口:待轉(zhuǎn)換的BCD碼存于R1、R2中，其中低位字節(jié)十位數(shù)個(gè)位數(shù)R1高位字節(jié)千位數(shù)百位數(shù)R2出口：結(jié)果存在20H、21H單元中，其中20H存儲(chǔ)低字節(jié)，21H存儲(chǔ)高字節(jié)。3.2.3匯編程序BCDBI1:MOV20H,#00HMOV21H,#00H；存結(jié)果單元MOVR3,#0E8H；1000=03E8HMOVR4,#03H；1000的二進(jìn)制數(shù)送R3、R4MOVA,R2ANLA,#F0H；取千位數(shù)SWAPA；將千位數(shù)移至低4位JZBRAN1；千位數(shù)為0，則轉(zhuǎn)BRAN1LOOP1:DECAACALLADDT；千位數(shù)不為0，加千位數(shù)二進(jìn)制碼JNZLOOP1BRAN1:MOVR3,#64H；100=64HMOVR4,#00H；百位數(shù)的二進(jìn)制碼送R3、R4MOVA,R2ANLA,#0FH；取百位數(shù)JZBRAN2；為0則轉(zhuǎn)BRAN2，否則繼續(xù)LOOP2:DECAACALLADDTJNZLOOP2；加百位數(shù)的二進(jìn)制碼BRAN2：MOVR3,#0AH；10=0AHMOVA,R1ANLA,#0F0H；取十位數(shù)SWAPA；將十位數(shù)移至低4位JZBRAN3；為0則轉(zhuǎn)BRAN3，否則繼續(xù)LOOP3:DECAACALLADDTJNZLOOP3；加十位數(shù)的二進(jìn)制碼BRAN3:MOVA,R1ANLA,#0FHMOVR3,AACALLADDTRETADDT:PUSHPSWPUSHACCCLRCMOVA,20H；在20H、21H單元中ADDA,R3；累計(jì)轉(zhuǎn)換結(jié)果MOV20H,AMOVA,21HADDCA,R4MOV21H,APOPACCPOPPSWRET3.3顯示子程序3