【正文】 基于霍爾傳感器的電機(jī)測(cè)速裝置的設(shè)計(jì) 與 實(shí)現(xiàn) 6 第 1 章 緒論 基于霍爾傳感器的電機(jī)測(cè)速裝置的現(xiàn)狀 霍爾傳感器是利用霍爾效應(yīng)實(shí)現(xiàn)磁電轉(zhuǎn)換的一種傳感器，我國(guó)從７Ｏ年代開始研究霍爾器件，經(jīng)過(guò)２０余年的研究和開發(fā)，目前已經(jīng)能生產(chǎn)各種性 能的霍爾元件，霍爾傳感器具有靈敏度高、線性度好、穩(wěn)定性高、體積小和耐高溫等特點(diǎn)。 測(cè)速裝置在 電 機(jī)控制系統(tǒng)中占有非常重要的地位。所設(shè)計(jì)的基于霍爾元件的脈沖發(fā)生器要求成本低、構(gòu)造容易、性能好。在 電機(jī) 電氣系統(tǒng)中存在著較為惡劣的電磁環(huán)境下，具有較強(qiáng)的抗各種干擾脈沖的能力，同時(shí)不受脈 沖干擾引起輸出信號(hào)的不穩(wěn)定。 霍爾傳感器的電機(jī)測(cè)速裝置由單片機(jī)控制 ,能夠做出使電機(jī)加速，減速的動(dòng)作 ,還能夠精確測(cè)速電機(jī)的轉(zhuǎn)速，來(lái)控制電機(jī)的工作情況等多種功能。因此， 霍爾傳感器的電機(jī)測(cè)速裝置的設(shè)計(jì)在目前的生活中應(yīng)用非常廣泛，比如機(jī)車的行駛測(cè)速，工 廠自動(dòng)電機(jī)停開， 汽車行駛速度顯示，溫室機(jī)器人的精密控制等技術(shù)領(lǐng)域，也可應(yīng)用于復(fù)雜惡劣的航天航空工作環(huán)境，具有良好的民用和軍用應(yīng)用前景 。 課題的研究背景和意義及研究?jī)?nèi)容 霍爾傳感器的電機(jī)測(cè)速裝置可以看成簡(jiǎn)單的 “計(jì)數(shù)器 ”,從發(fā)展趨勢(shì)上看， 霍爾傳感器的電機(jī)測(cè)速裝置 設(shè)計(jì) 研究方向是提出質(zhì)量更精確的測(cè)速方案，以及在考慮在復(fù)雜的環(huán)境中工作也能保持性能的穩(wěn)定性。 加上該設(shè)計(jì)將來(lái)會(huì) 廣泛應(yīng)用國(guó)民的生活生產(chǎn)中去 ，越來(lái)越多的搞高校也都很重視該題目的研究?；魻杺鞲衅鞯碾姍C(jī)測(cè)速裝置的設(shè)計(jì)要涉及自動(dòng)化專業(yè)的許多課程，包括模 擬電路，數(shù)字電路，自動(dòng)控制原理，單片機(jī)原理，直流電機(jī)調(diào)速技術(shù)等，在制作過(guò)程中需要應(yīng)用很多所學(xué)的專業(yè)知識(shí) .因此 ,選擇設(shè)計(jì)霍爾傳感器的電機(jī)測(cè)速裝置具有現(xiàn)實(shí)的意義 廣 東白云學(xué)院 基于霍爾傳感器的電機(jī)測(cè)速裝置的設(shè)計(jì) 與 實(shí)現(xiàn) 7 霍爾傳感器的電機(jī)測(cè)速裝置 設(shè)計(jì) ， 是檢測(cè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速來(lái)監(jiān)控電機(jī)的運(yùn)行狀況，因此， 需解決兩 方面的基本問(wèn)題： 一是在 電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng) 過(guò)程中利用傳感器感 知電機(jī)運(yùn)行環(huán)境 。二是采用適當(dāng)?shù)乃惴ㄟM(jìn)行 電機(jī)的速度控制。 其 設(shè)計(jì) 內(nèi)容涵蓋機(jī)械 ，單片機(jī)， 自動(dòng)控制 ， 電子電路 ， 傳感技術(shù)等多個(gè)學(xué)科的知識(shí)領(lǐng)域， 本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)采用 STC89C52 單片機(jī)為控制核心，利用霍爾傳感器檢測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)，通過(guò)單片機(jī) 處理信號(hào)，在 LCD 液晶屏顯示轉(zhuǎn)速，并且控制電機(jī)轉(zhuǎn)速快慢，并可以自動(dòng)記錄運(yùn)行時(shí)間。整個(gè)系統(tǒng)的電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠性能高。 此項(xiàng)目的研究目標(biāo)隨著隨著半導(dǎo)體集成電路，電力電子器件，控制原理和稀土材料工業(yè)的發(fā)展，可以預(yù)見(jiàn)這種產(chǎn)品必然會(huì)逐步取代傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)測(cè)速模式，近年來(lái)已廣泛應(yīng)用于家電、汽車、數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人等更多的領(lǐng)域。 廣 東白云學(xué)院 基于霍爾傳感器的電機(jī)測(cè)速裝置的設(shè)計(jì) 與 實(shí)現(xiàn) 8 第二章基于霍爾傳感器的電機(jī)測(cè)速裝置總體方案設(shè)計(jì) 系統(tǒng)原理框圖設(shè)計(jì) 系統(tǒng)原理框圖如圖 所示，是一個(gè)帶按鍵輸入和顯示的閉環(huán)測(cè)量控制系統(tǒng)。主體思想是通過(guò)系統(tǒng)設(shè)定信息和測(cè)量反饋信息計(jì)算轉(zhuǎn)速的大小。 圖 ：系統(tǒng)總模塊化方框圖 各硬件部分的簡(jiǎn)介： 1. 單片機(jī) STC89C52：為系統(tǒng)的主控處理芯片，負(fù)責(zé)速度信號(hào)處理，電機(jī)控制系統(tǒng)， LCD 顯示器 驅(qū)動(dòng)與各反饋系統(tǒng)。 2. LCD 顯示器電路：顯示電機(jī)的轉(zhuǎn)速與該系統(tǒng)運(yùn)行的時(shí)間。 3. 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路：通過(guò) L298N 的控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。 4. 控制按鍵電路：通過(guò)控制按鍵 ，可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速快慢的改變。 單片機(jī) STC89C52（速度信號(hào)處理，電機(jī)控制系統(tǒng)與反饋系統(tǒng)） LCD顯示器 控制按鍵 電機(jī) 轉(zhuǎn)速信號(hào)采集 電機(jī) 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路 廣 東白云學(xué)院 基于霍爾傳感器的電機(jī)測(cè)速裝置的設(shè)計(jì) 與 實(shí)現(xiàn) 9 5. 電機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)采集電路：采集電機(jī)的轉(zhuǎn)速信號(hào)傳送給單片機(jī)進(jìn)行處理。 總體方案的論證 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方案論證 方案一：采用一片單片機(jī)（ STC89C52）完成系統(tǒng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)、轉(zhuǎn)速測(cè)量、 LCD顯示、按鍵控制，并輸出 PWM 控制信號(hào)。 方案二：采用兩片單片機(jī)（ STC89C52） ,其中一片做成電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)，專門電機(jī)驅(qū)動(dòng)和 PWM 控制信號(hào)輸出；另一片則系統(tǒng)主芯片，完成電機(jī)速度的按鍵設(shè)定、轉(zhuǎn)速測(cè)量、 LCD 顯示，并向電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)提供設(shè)定值和測(cè)量值，設(shè)定PWM 信號(hào)控制速度等。 方案一的優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)硬件簡(jiǎn)單，控制及時(shí)有效。但是對(duì)這個(gè)設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，一片單片機(jī)足夠處理程序任務(wù)，處理難度不大，在資源有限的情況下，節(jié)約成本，在應(yīng)用生產(chǎn)中，市場(chǎng)價(jià)格會(huì)比較有利。方案二則與方案一相反，硬件增加，但在程序設(shè)計(jì)上比較復(fù)雜，加大設(shè)計(jì)成本，雖然優(yōu)化鍵盤，顯示及擴(kuò)展其它功能。但是在國(guó)家提構(gòu)建倡節(jié)約性社會(huì)，在完成相同任務(wù)的條件下，使用最少的資源方案選擇。因此通過(guò)比較，選擇方案一。 轉(zhuǎn)速測(cè)量方案論證 方案一：脈沖計(jì)數(shù)法。 在單位時(shí)間內(nèi)對(duì)位置脈沖信號(hào)計(jì)數(shù)，以獲數(shù)為 M，則每分鐘的轉(zhuǎn)速： N=M/S 70。 方案二：脈沖周期發(fā)：是通過(guò)定時(shí)器記錄脈沖的周期 T，這樣每分鐘的轉(zhuǎn)速： N=70/T。 比較兩個(gè)方案，方案一的誤差主要是177。 2 誤差（量化誤差），設(shè)電機(jī)的最低設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速為 220轉(zhuǎn) /分，則記數(shù)時(shí)間 S=2s，所以其誤差得絕對(duì)值 ： |γ |=|(N177。 2)/S 70N/S 70|=70（轉(zhuǎn) /分） 廣 東白云學(xué)院 基于霍爾傳感器的電機(jī)測(cè)速裝置的設(shè)計(jì) 與 實(shí)現(xiàn) 10 誤差計(jì)算公式表明，增大記數(shù)時(shí)間可以提高測(cè)量精度，但這樣做卻增大了速度采樣周期，會(huì)降低系統(tǒng)控制靈敏度。而方案二所產(chǎn)生的誤差主要是標(biāo)準(zhǔn)誤差，并且使采樣時(shí)間降到最短，誤差 ： γ =[70/（ T177。 2） 70/T] 設(shè)電機(jī)速度 在 220— 7000轉(zhuǎn) /分之間，那么 ≤ T≤ ，代入公式得： ≤ |γ |≤ （轉(zhuǎn) /分）。由此明顯看出 ,方案二在測(cè)量精度及提高系統(tǒng)控制靈敏度等方面優(yōu)于方案一，所以本設(shè)計(jì)采用方案二。 電機(jī)驅(qū)動(dòng)方案論證 方案一：采用專用小型直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片。這個(gè)方案的優(yōu)點(diǎn)是驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單，幾乎不添加其它外圍元件就可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的控制，使得驅(qū)動(dòng)電路功耗相對(duì)較小，而且目前市場(chǎng)上此類芯片種類齊全，價(jià)格也比較便宜。 方案二： 直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路使用最廣泛的就 是 H型全橋式電路，這種驅(qū)動(dòng)電路可以 很方便實(shí)現(xiàn) 直流電機(jī)的四象限運(yùn)行，分 別對(duì)應(yīng)正轉(zhuǎn)、正轉(zhuǎn)制動(dòng)、反轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)制動(dòng) ，這種電路由于工作在管子的飽和截止模式下，效率非常高； H型電路保證了可以簡(jiǎn)單地實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和方向的控制；電子開關(guān)的速度很快，穩(wěn)定性也極佳，是一種廣泛采用的 PWM 調(diào)速技術(shù) 通過(guò)比較和對(duì)市場(chǎng)價(jià)格發(fā)展前景因素的考慮，本設(shè)計(jì)采用方案二，使系統(tǒng)的設(shè)計(jì)核心在測(cè)速的控制上。 鍵盤顯示方案論證 方案一：采用獨(dú)立鍵盤接口，獨(dú)立式按鍵是指直接用 I/O 口線構(gòu)成單個(gè)的按鍵電路。每一個(gè)獨(dú)立式按鍵單獨(dú)占用一根 I/O 口線 。 使用 2個(gè)按鍵，進(jìn)行逐位設(shè)置。優(yōu)點(diǎn)是美觀大方 ，有利于人與系統(tǒng)的交互，及顯示內(nèi)容的擴(kuò)展；缺點(diǎn)是成本高，抗干擾能力教差。 方案二：采用矩陣鍵盤，可直接輸入設(shè)定值。顯示部分使用 LCD 液晶顯示，優(yōu)點(diǎn)是顯示亮度大，缺點(diǎn)是功耗大，不符合智能化趨勢(shì)而且不美觀。 為了系統(tǒng)容易擴(kuò)展、操作以及美觀，本設(shè)計(jì)完全采用方案 一 。 轉(zhuǎn)速顯示方案論證 方案一：采用數(shù)碼管作為顯示，數(shù)碼管由 7個(gè)發(fā)光二極管組成，行成一個(gè)日字形，它門可以共陰極，也可以共陽(yáng)極。通過(guò)解碼電路得到的數(shù)碼接通相應(yīng)的發(fā)廣 東白云學(xué)院 基于霍爾傳感器的電機(jī)測(cè)速裝置的設(shè)計(jì) 與 實(shí)現(xiàn) 11 光二極而形成相應(yīng)的字符。它可以顯示從 0到 9的數(shù)字。但是在設(shè)計(jì)顯示的內(nèi)容比較多的時(shí) 候，就不太適用數(shù)碼管。 方案二： 采用 LCD液晶顯示器相比，數(shù)碼管沒(méi)有液晶顯示器那樣的顯示效果，也沒(méi)有液晶顯示器做圖形界面具有人機(jī)交互美觀的特點(diǎn)，可以同時(shí)顯示不同的內(nèi)容。顯示質(zhì)量高，價(jià)格也不貴，在市場(chǎng)中采 LCD 顯示已成為趨勢(shì)。 通過(guò)比較考慮，本設(shè)計(jì)采用方案二，使系統(tǒng)的顯示內(nèi)容：包括轉(zhuǎn)速、運(yùn)行時(shí)間，很清晰的顯示出來(lái)。 PWM 軟件實(shí)現(xiàn)方案論證 本設(shè)計(jì)采用了定頻調(diào)寬方式，采用這種方式的優(yōu)點(diǎn)是電動(dòng)機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)比較穩(wěn)定，并且在采用單片機(jī)產(chǎn)生 PWM 脈沖的軟件實(shí)現(xiàn)上比較方便。對(duì)于實(shí)現(xiàn)方式則有兩種方案。 方 案一：采用定時(shí)器做為脈寬控制的定時(shí)方式，這一方式產(chǎn)生的脈沖寬度極其精確，誤差只在幾個(gè) us。 方案二：采用軟件延時(shí)方式，這一方式在精度上不及方案一，特別是在引入中斷后，將有一定的誤差。本設(shè)計(jì)采用了一片 STC89C52 單片機(jī)， CPU 資源對(duì)這個(gè)設(shè)記來(lái)說(shuō)是充足，因此通過(guò)比較選擇方案一。 各模塊的分析、計(jì)算與硬件電路設(shè)計(jì) 轉(zhuǎn)速測(cè)量電路的設(shè)計(jì) 理論上，是先將轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)化為某一種電量來(lái)測(cè)量，如電壓，電流等。設(shè)計(jì)中將轉(zhuǎn)速測(cè)量轉(zhuǎn)化為電脈沖頻率的測(cè)量?；谶@一思想，可以采用一對(duì)霍爾感應(yīng)傳感器，使輸出信號(hào)的一只在轉(zhuǎn) 輪一側(cè)固定，另一只則粘在對(duì)應(yīng)位置的轉(zhuǎn)輪上，這樣，電機(jī)每轉(zhuǎn)一圈，傳感器將會(huì)輸出一個(gè)脈沖，然后將脈沖通過(guò)單片機(jī)測(cè)量其頻率求出轉(zhuǎn)速。由于現(xiàn)在的市場(chǎng)霍爾傳感器有很多種類，選擇的類型多，性能好，可以減少信號(hào)放大電路，直接把信號(hào)傳給單片機(jī)，尤其霍爾元件 SS49E 傳感器，這個(gè)型號(hào)的性能很適合這個(gè)設(shè)計(jì)。如圖 所示，在電機(jī)轉(zhuǎn)輪一處 接上霍爾傳感器的感應(yīng)磁片 ，這樣，每轉(zhuǎn)一圈， 霍爾傳感器就產(chǎn)生一個(gè)脈沖霍爾傳感器就 導(dǎo)通一次， OUT 端輸出一個(gè)上脈沖，即完成了轉(zhuǎn)速／頻率的轉(zhuǎn)換 。 廣 東白云學(xué)院 基于霍爾傳感器的電機(jī)測(cè)速裝置的設(shè)計(jì) 與 實(shí)現(xiàn) 12 圖 /頻率轉(zhuǎn)化電路 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì)采用目前市場(chǎng)上較容易買到的 L298N 直流或步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，它采用單片集成塑裝， 是一個(gè)高電壓、大電流全雙橋驅(qū)動(dòng)器，由標(biāo)準(zhǔn)的 TTL 電平控制。 L298N 支持 50V 以內(nèi)的電機(jī)控制電壓，在直流運(yùn)轉(zhuǎn)條件下，可以通過(guò)高達(dá) 2A的電流，因此它滿足了一般小型電機(jī)的控制要求。但是使用 L298N 驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)的電路， 要注意 l298N 的兩個(gè)電源的地線要連接起來(lái)，兩個(gè)地線要是沒(méi)接到一起，會(huì)有電壓差，然后 L298N 會(huì)狂發(fā)熱 。接法見(jiàn)圖 ，圖中二極管的作用是消除電機(jī)的反向電動(dòng)勢(shì)，保護(hù)電路，因此采用整流二極管比較合適。 PWM 控制信號(hào)由 ININ2 輸入。通過(guò)加速 /減少按鍵。 PWM控制信號(hào)也隨之改變，電動(dòng)機(jī)的速度就會(huì)發(fā)生變化。根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)的要求， ENA接控制使能端，通過(guò)過(guò)實(shí)驗(yàn)，本設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)也可達(dá)到設(shè)計(jì)要求。 圖 ：電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路 廣 東白云學(xué)院 基于霍爾傳感器的電機(jī)測(cè)速裝置的設(shè)計(jì) 與 實(shí)現(xiàn) 13 LCD 顯示電路與 STC89C52 的接口設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)中采用的 LCD—— LCD1602。接口，信號(hào)說(shuō)明 LCD1602 采用標(biāo)準(zhǔn)的 15引腳（無(wú)背光）或 16 引腳（帶背光）接口，各引腳接口說(shuō)明見(jiàn)下表。與外部 CPU接口采用并行或串行方式控制。本設(shè)計(jì)采用并行方式控制， LCD與單片機(jī)的通訊接口電路如圖 所示采用直連的方法，這樣設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是在不影響性能的條件下還不用添加其它硬件，簡(jiǎn)化了電路，降低了成本。 1602 液晶接口引腳定義 編號(hào) 符號(hào) 引腳說(shuō)明 編號(hào) 符號(hào) 引腳說(shuō)明 1 VSS 電源地 9 D2 Date I/O 2 VDD 電源正極 10 D3 Date I/O 3 VL 液晶顯示偏壓信號(hào) 11 D5 Date I/O 4 RS 數(shù)據(jù) /命令選擇端 （ V/L） 12 D5 Date I/O 5 R/W 讀 /寫選擇端 （ H/L） 13 D7 Date I/O 6 E 使能信號(hào) 14 D7 Date I/O 7 D0 Date I/O 15 BLA 光源正極 8 D1 Date I/O 16 BLK 光源負(fù)極 圖 ： LCD與單片機(jī)的通訊接口電路 廣 東白云學(xué)院 基于霍爾傳感器的電機(jī)測(cè)速裝置的設(shè)計(jì) 與 實(shí)現(xiàn) 14