【正文】 蘇州經(jīng)貿(mào)職業(yè)技術(shù)學院機電系應(yīng)用電子技術(shù)（電子產(chǎn)品營銷）專業(yè)畢業(yè)設(shè)計論文(霍爾傳感器電機轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)的設(shè)計)學生姓名：高敏君指導教師: 徐 進2013年1月目 錄 摘要 I 緒論 III 課題研究的目的和意義 IIII 轉(zhuǎn)速測量在國內(nèi)外的研究 IIIII 主要研究內(nèi)容 II第一章 電機轉(zhuǎn)速測量常用方法 1 測頻法（“M法”） 1 測周期法（“T法”） 1 本設(shè)計系統(tǒng)中采用的方法 2第二章 系統(tǒng)總體方案設(shè)計 3 3第三章 硬件電路設(shè)計 4 單片機最小系統(tǒng)設(shè)計 4 時鐘電路 4 復(fù)位電路 4 電源電路 5 霍爾傳感器測量電路設(shè)計 5 霍爾傳感器原理 5 開關(guān)型霍爾傳感器 5 信號處理電路設(shè)計 7 顯示電路設(shè)計 8 LCD1602簡介 8 LCD顯示電路 8 按鍵電路設(shè)計 9 蜂鳴器報警電路設(shè)計 10第四章 軟件設(shè)計 11 系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境 11 系統(tǒng)開發(fā)語言 11 軟件總體設(shè)計 12第五章 系統(tǒng)調(diào)試 13 Protues仿真 13 系統(tǒng)調(diào)試結(jié)果 14結(jié)論 15致謝 16參考文獻 17附錄 18 附錄1 18 附錄2 26摘 要在工程實踐中，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。數(shù)字式通常采用光電編碼器，霍爾元件等為檢測元件，得到的信號是脈沖信號。隨著微型計算機的廣泛應(yīng)用，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。本文介紹了電機轉(zhuǎn)速測量常用的方法，給出了基于單片機AT89C51的直流電機轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)的設(shè)計方案，完成了電機轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)的設(shè)計。該系統(tǒng)以A44E開關(guān)型霍爾傳感器作為產(chǎn)生脈沖信號的主要元件，把所得到的計數(shù)脈沖轉(zhuǎn)化為電機的轉(zhuǎn)速值，并在LCD液晶顯示器上直觀的顯示電機的轉(zhuǎn)速值。同時利用矩陣鍵盤對預(yù)先設(shè)定的高速值和低速值進行相關(guān)設(shè)置，超過高速或低于低速值時，實現(xiàn)聲報警功能。其優(yōu)點硬件是電路簡單，軟件功能完善，測量速度快、精度高、控制系統(tǒng)可靠，性價比較高等特點。關(guān)鍵字：MSC51（單片機）； 轉(zhuǎn)速； 傳感器I前言I課題研究的目的和意義轉(zhuǎn)速是工程中應(yīng)用非常廣泛的一個參數(shù)，其測量方法較多，傳統(tǒng)的測速方法一般以測速發(fā)電機為主要檢測元件，得到的是模擬量，這種測量技術(shù)已不能適應(yīng)現(xiàn)代科技發(fā)展的要求，在測量范圍和測量精度上，已不能滿足大多數(shù)系統(tǒng)的使用。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)字系統(tǒng)測量得到普遍應(yīng)用。由于單片機在測量轉(zhuǎn)速方面具有體積小、性能強、成本低的特點，越來越受到企業(yè)用戶的青睞，單片機對脈沖數(shù)字信號的強大處理能力，使得全數(shù)字化系統(tǒng)越來越普及，其轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)也可以用全數(shù)字化處理，在測量范圍和測量精度方面都有極大的提高。以單片機為核心，設(shè)計的數(shù)字化轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)，使系統(tǒng)能達到更高的性能，具有較強的應(yīng)用價值。它的研究結(jié)果可以用于我們的實際生活中，一方面它可以應(yīng)用于工業(yè)控制中的某一部分，如數(shù)控車床的電機轉(zhuǎn)速檢測和控制、水泵流量控制以及需要利用轉(zhuǎn)速檢測來進行控制的許多場合，如車輛的里程表、車速表等。另一方面由于該轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)采用全數(shù)字結(jié)構(gòu)，因而可以很方便的實行遠程管理和控制，進一步提高現(xiàn)代化水平。總之，轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)的研究是一件非常有意義的課題。本課題研究的是電機轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)，對了解電機工作狀態(tài)，提高電機工作效率有很大的幫助，該課題主要是對電機轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)進行硬件和軟件的設(shè)計，同時從實際硬件電路出發(fā)，分析電路的工作原理，根據(jù)設(shè)計的具體情況提出修改方案和解決辦法。II轉(zhuǎn)速測量的研究轉(zhuǎn)速是能源設(shè)備與動力機械性能測試中的一個重要的特性參量，因為動力機械的許多特性參數(shù)是根據(jù)它們與轉(zhuǎn)速的函數(shù)關(guān)系來確定的，例如壓縮機的排氣量、軸功率、內(nèi)燃機的輸出功率等等，而且動力機械的振動、管道氣流脈動、各種工作零件的磨損狀態(tài)等都與轉(zhuǎn)速密切相關(guān)。III主要研究內(nèi)容該系統(tǒng)要實現(xiàn)的功能有：1．液晶顯示器實時顯示所測得的轉(zhuǎn)速值；2．鍵盤對設(shè)定的高低速值進行相關(guān)設(shè)置；3．實現(xiàn)聲光報警功能。為了實現(xiàn)系統(tǒng)功能，主要研究了以下內(nèi)容：1．分析轉(zhuǎn)速測量常用的兩種方法；2．根據(jù)電機轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)的要求選擇合適的傳感器；3．系統(tǒng)中各硬件模塊設(shè)計和軟件設(shè)計；4．系統(tǒng)調(diào)試。第1章 電機轉(zhuǎn)速測量常用方法 測頻法（“M法”）在一定測量時間T內(nèi)，測量脈沖發(fā)生器（替代輸入脈沖）產(chǎn)生的脈沖數(shù)來測量轉(zhuǎn)速，如圖21所示，設(shè)在時間T內(nèi)，轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)過的弧度數(shù)為，則轉(zhuǎn)速n由式（21）計算得到。 式(21)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)過的弧度數(shù)的計算見式（22）。 式(22)圖21 “M”法測量轉(zhuǎn)速脈沖將式（22）式代入式（21），則轉(zhuǎn)速n的表達式見式（23）。 式（23）式中n——表示轉(zhuǎn)速單位：（轉(zhuǎn)/分）；T——表示定時時間單位：（秒）；——表示產(chǎn)生的脈沖個數(shù)。在該方法中，由于定時時間T和脈沖不能保證嚴格同步，以及在T內(nèi)能否正好測量外部脈沖的完整的周期不確定，所以可能產(chǎn)生1個脈沖的量化誤差。因此，為了提高測量精度，T要有足夠長的時間。定時時間可根據(jù)測量對象預(yù)先設(shè)置。設(shè)置的時間過長，可以提高精度，而設(shè)置的時間過短，測量精度會受到一定的影響。而且在規(guī)定的檢測時間內(nèi)對脈沖個數(shù)計數(shù)，雖然檢測時間一定，但檢測的起止時間具有隨機性，當被測轉(zhuǎn)速較高時，才有較高的測量精度，并且測量準確度隨轉(zhuǎn)速的減小而降低，該方法適合于高速測量。 測周期法（“T法”）轉(zhuǎn)速可以用兩脈沖產(chǎn)生的間隔寬度來決定。如圖22所示。通過定時器測得。定時器對時基脈沖(頻率為)進行計數(shù)定時，在內(nèi)計數(shù)值若為，則計算公式見式（24）。 式（24）即： 式（25）式中P——表示為轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)一周脈沖發(fā)生器產(chǎn)生的脈沖數(shù)；——表示硬件產(chǎn)生的基準時鐘脈沖頻率：單位（Hz）；n ——表示轉(zhuǎn)速單位：（轉(zhuǎn)/分）；——表示時基脈沖。 圖22 “T”法脈寬測量由“T”法可知，“T”法測量精度的誤差主要有兩個方面，一是由兩脈沖的上升沿觸發(fā)時間不一致而產(chǎn)生的；二是由計數(shù)和定時起始和關(guān)閉不一致而產(chǎn)生的。因此要求脈沖的上升沿（或下降沿）陡峭以及計數(shù)和定時嚴格同步。該方法在被測轉(zhuǎn)速較低（相鄰兩個轉(zhuǎn)速脈沖信號間隔時間較大）時，才有較高的測量精度，其測量準確度隨著轉(zhuǎn)速的增大而降低，適于低速測量。 本設(shè)計系統(tǒng)中采用的方法通過分析可知，M法適合于高速測量，當轉(zhuǎn)速越低，產(chǎn)生的誤差會越大。T法適合于低速測量，轉(zhuǎn)速增高，誤差增大。由于本系統(tǒng)中所測的電機轉(zhuǎn)速較高，且基于M法的測量，其電路和程序均較為簡單，所以本設(shè)計中采用M法進行測量。第二章 系統(tǒng)總體方案設(shè)計本系統(tǒng)的硬件主要由電機，霍爾傳感器，信號調(diào)理電路，AT89C51單片機，LCD液晶顯示器，矩陣鍵盤，報警系統(tǒng)組成。電機測速原理是在非磁材料的圓盤邊上粘貼兩塊磁鋼，霍爾傳感器固定在圓盤外緣，當電機轉(zhuǎn)動時，磁鋼經(jīng)過霍爾傳感器正前方，改變了磁通密度，電機每轉(zhuǎn)動一圈，霍爾傳感器便輸出兩個脈沖，隨著轉(zhuǎn)盤的不斷轉(zhuǎn)動，就不斷產(chǎn)生脈沖信號，經(jīng)放大整形電路后送入單片機處理，轉(zhuǎn)化為計數(shù)脈沖，脈沖信號的頻率與轉(zhuǎn)動速度成正比，根據(jù)單位時間間隔內(nèi)的脈沖數(shù)，就可獲得被測電機轉(zhuǎn)速。系統(tǒng)原理框圖見圖35。圖35轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)框圖其中傳感器部分采用A44E開關(guān)型霍爾傳感器，負責將被測量轉(zhuǎn)化為脈沖信號。信號調(diào)理電路實現(xiàn)對待測信號的放大整形，降低對待測信號幅度要求，實現(xiàn)對小信號的測量。處理器采用AT89C51單片機，負責對采集到的數(shù)據(jù)進行處理。顯示器采用LCD液晶顯示器，負責顯示測得的轉(zhuǎn)速值及預(yù)設(shè)的高速、低速值。采用矩陣鍵盤對高速、低速值進行加減以及按鍵聲、報警聲的相關(guān)設(shè)置，當測得的轉(zhuǎn)速值超過高速或不足低速值時，就實現(xiàn)聲光報警功能。第三章 硬件電路設(shè)計 單片機最小系統(tǒng)設(shè)計單片機的最小系統(tǒng)是指一個真正可用的單片機的最小配置系統(tǒng)，由時鐘電路、復(fù)位電路和電源電路組成。 時鐘電路單片機各功能部件的運行都是以時鐘控制信號為基準，有條不紊的工作。時鐘電路是單片機的心臟，它控制著單片機的工作節(jié)奏。AT89C51單片機內(nèi)部有一個反相放大器，XTALXTAL2分別為反相放大器的輸入和輸出端，接晶振和兩個負載電容元件以后就組成振蕩器，產(chǎn)生時鐘送至單片機內(nèi)部的各個部件。電路中的電容C7和C8典型值通常選擇為20pf30pf之間。