【正文】 ................................. 24 目 錄 V 程序設(shè)計(jì) ............................................................................................................. 26 第六章 總結(jié)與展望 ................................................................................................... 27 致 謝 ........................................................................................................................... 28 參考文獻(xiàn) ....................................................................................................................... 29 第一章 緒論 1 第一章 緒論 課題的背景 在直流電機(jī)的多年實(shí)際運(yùn)行的過程中，機(jī)械測速電機(jī)不足之處日益明顯，其主要表現(xiàn)為直流測速電機(jī) DG 中的炭刷磨損及交流測速發(fā)電機(jī) TG 中的軸承磨損，增加了設(shè)備的維護(hù)工作量，也隨著增加了發(fā)生故障的可能性；同時(shí)機(jī)械測速電機(jī)在更換炭刷及軸承的檢修作業(yè)過程中，需要將直流電動機(jī)停運(yùn)，安裝過程中需要調(diào)整機(jī)械測速電機(jī)軸與主電機(jī)軸的同軸 度，延長了檢修時(shí)間，影響了設(shè)備的長期平穩(wěn)運(yùn)行。 隨著電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展，一些新穎器件的不斷涌現(xiàn)，原有器件的性能也隨著逐漸改進(jìn)，采用電力電子器件構(gòu)成的各種電力電子電路的應(yīng)用范圍與日俱增。因此采用電子脈沖測速取代原直流電動機(jī)械測速電機(jī)已具備理論基礎(chǔ)，如可采用磁阻式、霍爾效應(yīng)式、光電式等方式檢測電機(jī)轉(zhuǎn)速。 經(jīng)過比較分析后，決定采用測速齒輪和霍爾元件代替原來的機(jī)械測速電機(jī)?；魻杺鞲衅?作為測速器件得到廣泛應(yīng)用。 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 ?；魻栃?yīng)這種物理現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)，雖然已有一百多年的歷史，但是直到 20 世紀(jì) 40 年代后期，由于半導(dǎo)體工藝的不斷改進(jìn)，才被人們所重視和應(yīng)用。 我國從 70 年代開始研究霍爾器件 ,經(jīng)過 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) 。 課題的目的及意義 在實(shí)踐中 ,經(jīng)常會遇到各種需要測量轉(zhuǎn)速的場合 , 例如在發(fā)動機(jī)、電動機(jī)、卷揚(yáng)機(jī)、機(jī)床主軸等旋轉(zhuǎn)設(shè)備的試驗(yàn)、運(yùn)轉(zhuǎn)和控制中 ,常需要分時(shí)或連續(xù)測量和顯示其轉(zhuǎn)速及瞬時(shí)轉(zhuǎn)速。要測速，首先要解決是采樣問題。在使用模技術(shù)制作測速表時(shí)，常用測速發(fā)電機(jī)的方法，即將測速發(fā)電機(jī) 的轉(zhuǎn)軸與待測軸相連，測速發(fā)電機(jī)的電壓高低反映了轉(zhuǎn)速的高低。為了能精確地測量轉(zhuǎn)速外 ,還要保證測量的實(shí)時(shí)性 ,要求能測得瞬時(shí)轉(zhuǎn)速方法。因此轉(zhuǎn)速的測試具有重要的意義。 這次設(shè)計(jì)內(nèi)容包含知識全面，對傳感器測量發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速的不同的方法及原理設(shè)計(jì)有較多介紹，在測量系統(tǒng)中能學(xué)到關(guān)于測量轉(zhuǎn)速的傳感器采樣問題，單片機(jī)部分的內(nèi)容，顯示部分等各個(gè)模塊的通信和聯(lián)調(diào)。全面了解單片機(jī)和信號放大的具體內(nèi)容。進(jìn)一步鍛煉我們在信號采集，處理，顯示發(fā)面的實(shí)際工作能力。 設(shè)計(jì)思路與內(nèi)容 計(jì)算轉(zhuǎn)速公式： n=60/NTc (r/min) 其中， N 是內(nèi)部定時(shí)器的計(jì)數(shù)值，為三字節(jié)，分別由 TH0， TL0， VTT 構(gòu)成； Tc 為時(shí)基，由于采用 的晶振，所以 Tc 不在是 1um，而是南京大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 12M/ 約為 ，帶入上面公式，即可得到轉(zhuǎn)速的精確計(jì)算公式： N=60*11059200/12N=55296000/N 再將 55296000 化為二進(jìn)制存入單片機(jī)的內(nèi)存單元。 下面我們將介紹除數(shù)是如何獲得的： 單片機(jī)的轉(zhuǎn)速測量完成，定時(shí)器 T0 作為內(nèi)部定時(shí)器，外部中斷來的時(shí)候讀取 TH0， TL0，并同時(shí)清零 TH0、 TL0，使定時(shí)器再次循 環(huán)計(jì)內(nèi)部脈沖。此外，對于低速情況下，我們還要設(shè)定一個(gè)軟件計(jì)數(shù)器 VTT，當(dāng)外部中斷還沒來而內(nèi)部定時(shí)器已經(jīng)溢出，產(chǎn)生定時(shí)器 0 中斷時(shí)，增加 VTT，作為三字節(jié)中的高字節(jié)。三字節(jié)組成除數(shù)，上面的常數(shù)為四字節(jié)，所以計(jì)算程序?qū)嶋H上就是調(diào)用一個(gè)四字節(jié)除三字節(jié)商為兩字節(jié)（最高轉(zhuǎn)速 36000r/min 足夠）的程序。 為數(shù)碼管能夠顯示出來，需將二進(jìn)制轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制，在將十進(jìn)制轉(zhuǎn)換為非壓縮 BCD 碼后，才能調(diào)用查表程序，最后送顯示。 傳感器的定子上有 2 個(gè)互相垂直的繞組 A 和 B, 在繞組的中心線上粘有霍爾片 HA 和 HB ,轉(zhuǎn)子為永久磁 鋼 ,霍爾元件 HA 和 HB 的激勵(lì)電機(jī)分別與繞組 A 和 B 相連 ,它們的霍爾電極串聯(lián)后作為傳感器的輸出。 圖 圖 第二章 基于霍爾單片機(jī)的轉(zhuǎn)速測量原理 3 第 二 章 基于單片機(jī)的轉(zhuǎn)速測量原理 轉(zhuǎn)速的測量原理 轉(zhuǎn)速是工程中應(yīng)用非常廣泛的一個(gè)參數(shù)，而隨著大規(guī)模及超大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字測量系統(tǒng)得到普遍應(yīng)用，利用單片機(jī)對脈沖數(shù)字信號的強(qiáng)大處理能力，應(yīng)用全數(shù)字化的結(jié)構(gòu)，使數(shù)字測量系統(tǒng)的越來越普及。在測量范圍和測量精度方面都有極大的提高。轉(zhuǎn)速的測量方法有很多，由于轉(zhuǎn)速是 以單位時(shí)間內(nèi)的轉(zhuǎn)速來衡量的，所以本文采用霍爾元器件測量轉(zhuǎn)速。 霍爾器件是有半導(dǎo)體材料制成的一種薄片，其長為 l，寬為 b，厚度為 d。若在垂直于薄片方向（即沿厚度 d 的方向）施加外磁場，在沿長為 l 的方向的兩端面加外電場，則其內(nèi)部會有一定的電流通過。由于電子在磁場中運(yùn)動，所以將受到一個(gè)洛侖茲力，其大小為： F=qVB, 式中： F 為洛倫茲力； q 為載流子電荷， V 為載流子運(yùn)動速度， B 為磁感應(yīng)強(qiáng)度。 由于受洛倫茲力，電子的運(yùn)動方向軌跡將發(fā)生偏移，在霍爾元器件薄片的兩個(gè)側(cè)面分別產(chǎn)生 電茲積聚或電荷過剩，形成霍爾電場。在霍爾器件兩個(gè)側(cè)面間形成的電位差為霍爾電壓，其大小為： U=RBI/d 式中： R 為霍爾常數(shù)， I 為控制電流。設(shè) K=R/d,它稱為霍爾器件的靈敏系統(tǒng)，表示該霍爾元件在單位磁感應(yīng)強(qiáng)度和單位控制電流下輸出霍爾電動勢的大小。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)盤隨被轉(zhuǎn)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，電機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)，霍爾元件受到磁鋼所產(chǎn)生的 磁場影響，故可輸出脈沖信號，其頻率和轉(zhuǎn)速成正比，測出霍爾元器件輸出的脈沖周期或頻率即可計(jì)算出轉(zhuǎn)速。 轉(zhuǎn)速的測量方法 測頻法“ M 法” 在一定測量時(shí)間 T 內(nèi)，測量脈沖發(fā)生器產(chǎn)生的脈沖數(shù) m1 來測量轉(zhuǎn)速。如圖21 所示： Tm1 21“ M”法測量轉(zhuǎn)速脈沖 南京大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 設(shè)在時(shí)間 T 內(nèi)，轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)過的弧度數(shù)為 X? ，則的轉(zhuǎn)速 n 可由下式表示。 TXn ? ?260? (21) 轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)過的弧度數(shù) X? ,可用下式所示 pmX 12?? ? （ 22） 將 (21)式代入 (22)式，得轉(zhuǎn)速 n 的表達(dá)式為： pTmn 160? （ 23） n 轉(zhuǎn)速單位：（轉(zhuǎn) /分） T 定時(shí)時(shí)間單位：（秒） 測周期法“ T 法” 轉(zhuǎn)速可以用 兩脈沖產(chǎn)生的間隔寬度 Tp 來決定。如圖 22 所示 ： m2T p輸入脈沖時(shí)基脈沖 圖 22 “ T” 法脈寬測量 Tp 通過定時(shí)器測得。定時(shí)器對時(shí)基脈沖 (頻率為 fc)進(jìn)行計(jì)數(shù)定時(shí)，在 TP 內(nèi)計(jì)數(shù)值若為 m2，則計(jì)算公式為： ppTn60? （ 24） 即： 260pmfn c? （ 25） p 為轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)一周脈沖發(fā)生器產(chǎn)生的脈沖數(shù)。 cf 為硬件產(chǎn)生的基準(zhǔn)時(shí)鐘脈沖頻率單位 Hz。 第二章 基于霍爾單片機(jī)的轉(zhuǎn)速測量原理 5 n 轉(zhuǎn)速單位：（轉(zhuǎn) /分） 。 2m 時(shí)基脈沖。 測頻測周法 M/T 法 所謂測頻測周法，即是綜合了“ T”法和“ M”法分別對高、低轉(zhuǎn)速具有的不同精度，利用各自的優(yōu)點(diǎn)而產(chǎn)生的方法，精度位于兩者之間。如圖 23 所示 。 TcT dabcm 1m 2 圖 23 “ M/T”法定時(shí) /計(jì)數(shù)測量 轉(zhuǎn)速計(jì)算如下：設(shè)高頻脈沖的頻率為 fc，脈沖發(fā)生器每轉(zhuǎn)發(fā)出 P個(gè)脈沖，由式（ 22）和（ 25）可得 M/T 法轉(zhuǎn)速計(jì)算公式為： 2160pmmfn c? n 轉(zhuǎn)速值。單位：（轉(zhuǎn) /分）。 fc 晶體震蕩頻率。單位 Hz。 abcdegGNDfdpGNDabcef gddpabcdefgdp dpgfedcba＋ 5V（ a） （ b）輸入脈沖數(shù)，反映轉(zhuǎn)角。 2m 時(shí)基脈沖數(shù)。 誤差和精度分析 “ M 法”測量誤差分析 由轉(zhuǎn)速公式： pTmn 160? 給出 因定時(shí)時(shí)間和輸入脈沖不能保證嚴(yán)格同步，以及在 T 內(nèi)能否正好測量外部脈沖的完整周期個(gè)數(shù)，所以 m1 可能產(chǎn)生一個(gè)脈沖的量化誤差，故轉(zhuǎn)速變化： 南京大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 pTpTmpTmn 6060)1(60 11 ????? （ 27） nn ??? 其相對誤差為： 11mnn ???? （ 28） 601 npTm ? （ 29） npT 160 ??? (210) ε 相對誤差。 n? 加入一個(gè)脈沖后的轉(zhuǎn)速值。 n? 誤差。 由（ 210）式可知，ε隨轉(zhuǎn)速 n 增大而減小，因此，這種方法適合于高速測量，當(dāng)轉(zhuǎn)速越低，產(chǎn)生的誤差會越大。 “ T 法”測量誤差分析 因 m1 的量化誤差也是 1 個(gè)脈沖，故引起的轉(zhuǎn)速變化也可以由下式給出： nnmpmfpmfmpfn ccc????????? )1(6060)1(602222 （ 211） 其相對誤差為： 11601112 ???????npfmnnc? （ 212） 所以由（ 212）式可知，ε隨轉(zhuǎn)速減小而減小。因此，這種方法