【正文】 蘇州經(jīng)貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電系應(yīng)用電子技術(shù)（電子產(chǎn)品營(yíng)銷）專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文(霍爾傳感器電機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì))學(xué)生姓名：高敏君指導(dǎo)教師: 徐 進(jìn)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(cè)量在國(guó)內(nèi)外的研究 IIIII 主要研究?jī)?nèi)容 II第一章 電機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量常用方法 1 測(cè)頻法（“M法”） 1 測(cè)周期法（“T法”） 1 本設(shè)計(jì)系統(tǒng)中采用的方法 2第二章 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì) 3 3第三章 硬件電路設(shè)計(jì) 4 單片機(jī)最小系統(tǒng)設(shè)計(jì) 4 時(shí)鐘電路 4 復(fù)位電路 4 電源電路 5 霍爾傳感器測(cè)量電路設(shè)計(jì) 5 霍爾傳感器原理 5 開(kāi)關(guān)型霍爾傳感器 5 信號(hào)處理電路設(shè)計(jì) 7 顯示電路設(shè)計(jì) 8 LCD1602簡(jiǎn)介 8 LCD顯示電路 8 按鍵電路設(shè)計(jì) 9 蜂鳴器報(bào)警電路設(shè)計(jì) 10第四章 軟件設(shè)計(jì) 11 系統(tǒng)開(kāi)發(fā)環(huán)境 11 系統(tǒng)開(kāi)發(fā)語(yǔ)言 11 軟件總體設(shè)計(jì) 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(xiàn) 17附錄 18 附錄1 18 附錄2 26摘 要在工程實(shí)踐中，經(jīng)常會(huì)遇到各種需要測(cè)量轉(zhuǎn)速的場(chǎng)合，測(cè)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(cè)速發(fā)電機(jī)為檢測(cè)元件，得到的信號(hào)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(cè)元件，得到的信號(hào)是脈沖信號(hào)。隨著微型計(jì)算機(jī)的廣泛應(yīng)用，特別是高性能價(jià)格比的單片機(jī)的出現(xiàn)，轉(zhuǎn)速測(cè)量普遍采用以單片機(jī)為核心的數(shù)字式測(cè)量方法。本文介紹了電機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量常用的方法，給出了基于單片機(jī)AT89C51的直流電機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，完成了電機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)以A44E開(kāi)關(guān)型霍爾傳感器作為產(chǎn)生脈沖信號(hào)的主要元件，把所得到的計(jì)數(shù)脈沖轉(zhuǎn)化為電機(jī)的轉(zhuǎn)速值，并在LCD液晶顯示器上直觀的顯示電機(jī)的轉(zhuǎn)速值。同時(shí)利用矩陣鍵盤對(duì)預(yù)先設(shè)定的高速值和低速值進(jìn)行相關(guān)設(shè)置，超過(guò)高速或低于低速值時(shí)，實(shí)現(xiàn)聲報(bào)警功能。其優(yōu)點(diǎn)硬件是電路簡(jiǎn)單，軟件功能完善，測(cè)量速度快、精度高、控制系統(tǒng)可靠，性價(jià)比較高等特點(diǎn)。關(guān)鍵字：MSC51（單片機(jī)）； 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(gè)參數(shù)，其測(cè)量方法較多，傳統(tǒng)的測(cè)速方法一般以測(cè)速發(fā)電機(jī)為主要檢測(cè)元件，得到的是模擬量，這種測(cè)量技術(shù)已不能適應(yīng)現(xiàn)代科技發(fā)展的要求，在測(cè)量范圍和測(cè)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(cè)量得到普遍應(yīng)用。由于單片機(jī)在測(cè)量轉(zhuǎn)速方面具有體積小、性能強(qiáng)、成本低的特點(diǎn)，越來(lái)越受到企業(yè)用戶的青睞，單片機(jī)對(duì)脈沖數(shù)字信號(hào)的強(qiáng)大處理能力，使得全數(shù)字化系統(tǒng)越來(lái)越普及，其轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)也可以用全數(shù)字化處理，在測(cè)量范圍和測(cè)量精度方面都有極大的提高。以單片機(jī)為核心，設(shè)計(jì)的數(shù)字化轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)，使系統(tǒng)能達(dá)到更高的性能，具有較強(qiáng)的應(yīng)用價(jià)值。它的研究結(jié)果可以用于我們的實(shí)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(jī)轉(zhuǎn)速檢測(cè)和控制、水泵流量控制以及需要利用轉(zhuǎn)速檢測(cè)來(lái)進(jìn)行控制的許多場(chǎng)合，如車輛的里程表、車速表等。另一方面由于該轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)采用全數(shù)字結(jié)構(gòu)，因而可以很方便的實(shí)行遠(yuǎn)程管理和控制，進(jìn)一步提高現(xiàn)代化水平?？傊?，轉(zhuǎn)速測(cè)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(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)，對(duì)了解電機(jī)工作狀態(tài)，提高電機(jī)工作效率有很大的幫助，該課題主要是對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行硬件和軟件的設(shè)計(jì)，同時(shí)從實(shí)際硬件電路出發(fā)，分析電路的工作原理，根據(jù)設(shè)計(jì)的具體情況提出修改方案和解決辦法。II轉(zhuǎn)速測(cè)量的研究轉(zhuǎn)速是能源設(shè)備與動(dòng)力機(jī)械性能測(cè)試中的一個(gè)重要的特性參量，因?yàn)閯?dòng)力機(jī)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(lái)確定的，例如壓縮機(jī)的排氣量、軸功率、內(nèi)燃機(jī)的輸出功率等等，而且動(dòng)力機(jī)械的振動(dòng)、管道氣流脈動(dòng)、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?jī)?nèi)容該系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)的功能有：1．液晶顯示器實(shí)時(shí)顯示所測(cè)得的轉(zhuǎn)速值；2．鍵盤對(duì)設(shè)定的高低速值進(jìn)行相關(guān)設(shè)置；3．實(shí)現(xiàn)聲光報(bào)警功能。為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能，主要研究了以下內(nèi)容：1．分析轉(zhuǎn)速測(cè)量常用的兩種方法；2．根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)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(jì)和軟件設(shè)計(jì)；4．系統(tǒng)調(diào)試。第1章 電機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量常用方法 測(cè)頻法（“M法”）在一定測(cè)量時(shí)間T內(nèi)，測(cè)量脈沖發(fā)生器（替代輸入脈沖）產(chǎn)生的脈沖數(shù)來(lái)測(cè)量轉(zhuǎn)速，如圖21所示，設(shè)在時(shí)間T內(nèi)，轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)過(guò)的弧度數(shù)為，則轉(zhuǎn)速n由式（21）計(jì)算得到。 式(21)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)過(guò)的弧度數(shù)的計(jì)算見(jiàn)式（22）。 式(22)圖21 “M”法測(cè)量轉(zhuǎn)速脈沖將式（22）式代入式（21），則轉(zhuǎn)速n的表達(dá)式見(jiàn)式（23）。 式（23）式中n——表示轉(zhuǎn)速單位：（轉(zhuǎn)/分）；T——表示定時(shí)時(shí)間單位：（秒）；——表示產(chǎn)生的脈沖個(gè)數(shù)。在該方法中，由于定時(shí)時(shí)間T和脈沖不能保證嚴(yán)格同步，以及在T內(nèi)能否正好測(cè)量外部脈沖的完整的周期不確定，所以可能產(chǎn)生1個(gè)脈沖的量化誤差。因此，為了提高測(cè)量精度，T要有足夠長(zhǎng)的時(shí)間。定時(shí)時(shí)間可根據(jù)測(cè)量對(duì)象預(yù)先設(shè)置。設(shè)置的時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，可以提高精度，而設(shè)置的時(shí)間過(guò)短，測(cè)量精度會(huì)受到一定的影響。而且在規(guī)定的檢測(cè)時(shí)間內(nèi)對(duì)脈沖個(gè)數(shù)計(jì)數(shù)，雖然檢測(cè)時(shí)間一定，但檢測(cè)的起止時(shí)間具有隨機(jī)性，當(dāng)被測(cè)轉(zhuǎn)速較高時(shí)，才有較高的測(cè)量精度，并且測(cè)量準(zhǔn)確度隨轉(zhuǎn)速的減小而降低，該方法適合于高速測(cè)量。 測(cè)周期法（“T法”）轉(zhuǎn)速可以用兩脈沖產(chǎn)生的間隔寬度來(lái)決定。如圖22所示。通過(guò)定時(shí)器測(cè)得。定時(shí)器對(duì)時(shí)基脈沖(頻率為)進(jìn)行計(jì)數(shù)定時(shí)，在內(nèi)計(jì)數(shù)值若為，則計(jì)算公式見(jiàn)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(zhǔn)時(shí)鐘脈沖頻率：?jiǎn)挝唬℉z）；n ——表示轉(zhuǎn)速單位：（轉(zhuǎn)/分）；——表示時(shí)基脈沖。 圖22 “T”法脈寬測(cè)量由“T”法可知，“T”法測(cè)量精度的誤差主要有兩個(gè)方面，一是由兩脈沖的上升沿觸發(fā)時(shí)間不一致而產(chǎn)生的；二是由計(jì)數(shù)和定時(shí)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(jì)數(shù)和定時(shí)嚴(yán)格同步。該方法在被測(cè)轉(zhuǎn)速較低（相鄰兩個(gè)轉(zhuǎn)速脈沖信號(hào)間隔時(shí)間較大）時(shí)，才有較高的測(cè)量精度，其測(cè)量準(zhǔn)確度隨著轉(zhuǎn)速的增大而降低，適于低速測(cè)量。 本設(shè)計(jì)系統(tǒng)中采用的方法通過(guò)分析可知，M法適合于高速測(cè)量，當(dāng)轉(zhuǎn)速越低，產(chǎn)生的誤差會(huì)越大。T法適合于低速測(cè)量，轉(zhuǎn)速增高，誤差增大。由于本系統(tǒng)中所測(cè)的電機(jī)轉(zhuǎn)速較高，且基于M法的測(cè)量，其電路和程序均較為簡(jiǎn)單，所以本設(shè)計(jì)中采用M法進(jìn)行測(cè)量。第二章 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)本系統(tǒng)的硬件主要由電機(jī)，霍爾傳感器，信號(hào)調(diào)理電路，AT89C51單片機(jī)，LCD液晶顯示器，矩陣鍵盤，報(bào)警系統(tǒng)組成。電機(jī)測(cè)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(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，磁鋼經(jīng)過(guò)霍爾傳感器正前方，改變了磁通密度，電機(jī)每轉(zhuǎn)動(dòng)一圈，霍爾傳感器便輸出兩個(gè)脈沖，隨著轉(zhuǎn)盤的不斷轉(zhuǎn)動(dòng)，就不斷產(chǎn)生脈沖信號(hào)，經(jīng)放大整形電路后送入單片機(jī)處理，轉(zhuǎn)化為計(jì)數(shù)脈沖，脈沖信號(hào)的頻率與轉(zhuǎn)動(dòng)速度成正比，根據(jù)單位時(shí)間間隔內(nèi)的脈沖數(shù)，就可獲得被測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)速。系統(tǒng)原理框圖見(jiàn)圖35。圖35轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)框圖其中傳感器部分采用A44E開(kāi)關(guān)型霍爾傳感器，負(fù)責(zé)將被測(cè)量轉(zhuǎn)化為脈沖信號(hào)。信號(hào)調(diào)理電路實(shí)現(xiàn)對(duì)待測(cè)信號(hào)的放大整形，降低對(duì)待測(cè)信號(hào)幅度要求，實(shí)現(xiàn)對(duì)小信號(hào)的測(cè)量。處理器采用AT89C51單片機(jī)，負(fù)責(zé)對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。顯示器采用LCD液晶顯示器，負(fù)責(zé)顯示測(cè)得的轉(zhuǎn)速值及預(yù)設(shè)的高速、低速值。采用矩陣鍵盤對(duì)高速、低速值進(jìn)行加減以及按鍵聲、報(bào)警聲的相關(guān)設(shè)置，當(dāng)測(cè)得的轉(zhuǎn)速值超過(guò)高速或不足低速值時(shí)，就實(shí)現(xiàn)聲光報(bào)警功能。第三章 硬件電路設(shè)計(jì) 單片機(jī)最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)單片機(jī)的最小系統(tǒng)是指一個(gè)真正可用的單片機(jī)的最小配置系統(tǒng)，由時(shí)鐘電路、復(fù)位電路和電源電路組成。 時(shí)鐘電路單片機(jī)各功能部件的運(yùn)行都是以時(shí)鐘控制信號(hào)為基準(zhǔn)，有條不紊的工作。時(shí)鐘電路是單片機(jī)的心臟，它控制著單片機(jī)的工作節(jié)奏。AT89C51單片機(jī)內(nèi)部有一個(gè)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(gè)負(fù)載電容元件以后就組成振蕩器，產(chǎn)生時(shí)鐘送至單片機(jī)內(nèi)部的各個(gè)部件。電路中的電容C7和C8典型值通常選擇為20pf30pf之間。