【正文】 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)。 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)。 3. 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路：通過 L298N 的控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。 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。 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。但是對(duì)這個(gè)設(shè)計(jì)來說，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。但是在國家提構(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。 轉(zhuǎn)速測(cè)量方案論證 方案一：脈沖計(jì)數(shù)法。 方案二：脈沖周期發(fā)：是通過定時(shí)器記錄脈沖的周期 T，這樣每分鐘的轉(zhuǎn)速： N=70/T。 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。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。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。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。 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。 使用 2個(gè)按鍵，進(jìn)行逐位設(shè)置。 方案二：采用矩陣鍵盤，可直接輸入設(shè)定值。 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 。通過解碼電路得到的數(shù)碼接通相應(yīng)的發(fā)光二極而形成相應(yīng)的字符。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。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)。 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。 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。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)記來說是充足，因此通過比較選擇方案一。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。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)。 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。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，兩個(gè)地線要是沒接到一起，會(huì)有電壓差，然后 L298N 會(huì)狂發(fā)熱 。 PWM 控制信號(hào)由 ININ2 輸入。 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。 圖 ：電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路 LCD 顯示電路與 STC89C52 的接口設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)中采用的 LCD—— LCD1602。與外部 CPU接口采用并行或串行方式控制。 1602 液晶接口引腳定義 編號(hào) 符號(hào) 引腳說明 編號(hào) 符號(hào) 引腳說明 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 第三章本系統(tǒng)各部分功能程序設(shè)計(jì) 系統(tǒng)總程序框圖設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì)軟件主要為主程序、數(shù)據(jù)處理顯示程序、按鍵程序設(shè)計(jì)、定時(shí)器中斷服務(wù)程序四個(gè)部分。主程序流程圖如圖 所示。在程序的設(shè)計(jì)過程中，對(duì)嚴(yán)重不符合要求的測(cè)量數(shù)據(jù)（如大于 80 轉(zhuǎn) /秒 對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)）進(jìn)行了丟棄處理，而對(duì)于正常范 圍內(nèi)的數(shù)據(jù)錯(cuò)誤 采用了采 0 取 2 求平均的算法。對(duì)于轉(zhuǎn)速的測(cè)量方法，是通過速度脈沖信號(hào)下降沿觸發(fā)單片機(jī)的外中斷，中斷服務(wù)子程序在某一個(gè)脈沖的下降沿開啟定時(shí)器記時(shí)，然后在下一個(gè)下降沿關(guān)閉定時(shí)器，通過對(duì)定時(shí)器數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算處理可以得到信號(hào)周期進(jìn)而得到速度值?？梢钥闯觯朔椒ㄏ碌牟蓸又芷谑请S轉(zhuǎn)速變化的，轉(zhuǎn)速越高采樣越快。 按鍵控制程序設(shè)計(jì) 鍵盤程序設(shè)計(jì)的任務(wù)是賦予各按鍵相應(yīng)的功能， 完成速度設(shè)定值的輸入和向PWM 控制器的發(fā)送。 二 只按鍵分別是減 加 1減。所以通過按鍵改變 PWM 值，從而實(shí)現(xiàn)設(shè)定控制。 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) 16 圖 0服務(wù)子程序框圖 否 為“ 0” 為 “ 1” 否 否 是 是 否 是 進(jìn)入中斷 檢測(cè)中斷標(biāo)志 開定時(shí)器記時(shí) 設(shè)中斷標(biāo)志為“ 1” 系統(tǒng)時(shí)間初始化 中斷返回 關(guān)閉定時(shí)器及總中斷 判斷數(shù)據(jù)是否正常 保存數(shù)據(jù) 是否“采 0”處理？ 說明：當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速過低時(shí)，如果進(jìn)行采 0取 1處理將會(huì)使控制速度太低，同時(shí)低速狀態(tài)的錯(cuò)誤發(fā)生幾率較小，所以不采用采 0取 1求平均處理。僅在本小節(jié)強(qiáng)調(diào)以下內(nèi)容： LCD 使用的關(guān)鍵是根據(jù)顯示需要正確地對(duì)其進(jìn)行初始化設(shè)置，而一般情況下不用考慮如何向它讀寫指令或數(shù)據(jù)，因?yàn)橹圃鞆S商所給的使用資料里就附有驅(qū)動(dòng)程序，如果沒有也可以從網(wǎng)上搜索下載得到。因此，熟讀 LCD 驅(qū)動(dòng)芯片使用手冊(cè)也是一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)。實(shí)際中根據(jù)需要，正確、靈活開始 LCD初始化 延時(shí) 設(shè)置第一 行顯示位置 顯示第 一行內(nèi)容 設(shè)置第二 行顯示位置 顯示第 二行內(nèi)容 系統(tǒng)延時(shí) 設(shè)定使用 基本指令集 清屏，地址 指針歸位 設(shè)定游標(biāo)的移動(dòng)方向及指定顯示的移位 返回 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) 19 地修改這些設(shè)置可以達(dá)到較為滿意的顯示效果。由于本設(shè)計(jì)中 沒有使用到圖形顯示，所以沒有詳述。而且，不同的型號(hào)還集成有不同的功能，比如 STC89C52的 ROM 都比較大 ，這樣存儲(chǔ)空間可以滿足一般的編程需要，而不必去構(gòu)建程序存儲(chǔ)器，既提高了工作效率和系統(tǒng)的穩(wěn)定性，又降低了生產(chǎn)成本。在 STC89C522內(nèi)實(shí)現(xiàn) PWM 的基本過程：首先選定脈沖的頻率 T，然后根據(jù)控制信號(hào)的變化范圍，這里假設(shè)是 (0～ 5V)，則可以求出 t時(shí)刻通過控制信號(hào) V(t)的對(duì)應(yīng)脈沖的正、負(fù)脈沖持續(xù)時(shí)間。如果上述過程連續(xù)進(jìn)行，就可在這個(gè)引腳獲得寬度隨控制信號(hào) V(t)大小變化的PWM 方波信號(hào)。而且制作的效果非常好。 第 二 步 ： 在 EDA 工 具 中 把 EDAPCB/PCBjishu/ target=_blank class=infotextkeyPCB 圖畫好（例如 PROTEL DXP）然后用噴墨打印機(jī)打印在油性 的紙上。 第四步：然后把銅板拿到三氯化鐵 FeCl3 溶液里面腐蝕， 三氯化鐵 FeCl3的溶液最好是熱的，最好的用開水熔化三氯化鐵 FeCl3，然后把銅板放進(jìn)三氯化鐵 FeCl3 溶液里面腐蝕 。 第五步 ：將電路板以ＣＮＣ鉆孔機(jī)鉆出層間電路的導(dǎo)通孔道及焊接零件的固定孔。 根據(jù)以上步驟我們單層 PCB的制作就可以完成了如附圖 2。 但是焊接的過程中需要注意一些問題：當(dāng)我們把焊錫融化道烙鐵頭上時(shí)，焊錫絲重的焊劑伏在焊料 表面，由于烙鐵頭溫度一般都再 250℃ － 350℃ 以上，當(dāng)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) 21 烙鐵放道焊點(diǎn)上之前，松香焊劑將不斷揮發(fā)，而當(dāng)烙鐵放到焊點(diǎn)上時(shí)由于焊件溫度低，加熱還需一段時(shí)間，在此期間焊劑很可能揮發(fā)大半甚至完全揮發(fā)，因而在潤(rùn)濕過程中由于缺少焊劑而潤(rùn)濕不良。更由于焊劑的保護(hù)作用喪生后焊料容易氧化，質(zhì)量得不到保證就在所難免了。 硬件部分測(cè)試 硬件調(diào)試時(shí)先分步調(diào)試硬件中各個(gè)功能模塊，調(diào)試成功后再進(jìn)行統(tǒng)調(diào)。 霍爾傳感器的測(cè)試信號(hào)調(diào)試：霍爾傳感器探頭要對(duì)準(zhǔn)轉(zhuǎn)盤上的磁鋼位置，安裝距離要在 2CM 以內(nèi)才可靈敏的感應(yīng)磁場(chǎng)變化。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，感應(yīng)電壓指示燈高頻閃爍，所以視覺上指示燈不會(huì)有多大的閃爍感。輸出幅值為 5V 的矩形脈沖信號(hào)。本系統(tǒng)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。其接口電路如圖 所示。但每個(gè)按鍵要占用一根 I/O 口線，適用于按鍵數(shù)量少的鍵盤。按鍵未按時(shí)沒有有上拉電阻保證此時(shí)輸入為低電平。我遇到一些 LCD 不亮的板子，大部分都是焊接不良才導(dǎo)致不亮的。為方便調(diào)試，用信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的 10KHz的正弦信號(hào)送給 L298N 驅(qū)動(dòng)電路，調(diào)試直到 OUT1和 OUT2 可以輸出矩形脈沖信號(hào)為止，該驅(qū)動(dòng)電路調(diào)試即可完成。達(dá)到最佳的設(shè)計(jì)效果。 Keil uVision3 軟件具有很強(qiáng)大的編程調(diào)試功能，能夠模擬仿真實(shí)際單片機(jī)的端口和內(nèi)部功能部件的狀態(tài)值?？梢詥?步調(diào)試也可以模塊調(diào)試，最好的是可以對(duì)你所懷疑的語句模塊設(shè)置斷點(diǎn)。在具體調(diào)試過程中，系統(tǒng)將各功能模塊如數(shù)據(jù)處理程序、按鍵程序設(shè)計(jì)、中斷服務(wù)子程序、 LCD 顯示程序分別分開進(jìn)行調(diào)試，最后進(jìn)行主程序的整體調(diào)試。下載軟件的最后一步：點(diǎn)擊軟件 STC_ISP_V580 界面中的 [下載 ]按鈕，在點(diǎn)擊前一定要保持實(shí)驗(yàn)板的串行通信線及電源線與 PC 機(jī)連接良好，并且實(shí)驗(yàn)板的電源開關(guān)處于關(guān)閉狀態(tài)，然后點(diǎn)擊 [下載 ]按鈕，再打開實(shí)驗(yàn)板電源開關(guān)，此時(shí)軟件將自動(dòng)完成程序下載。 實(shí)驗(yàn)調(diào)試與系統(tǒng)優(yōu)化 設(shè)計(jì)基本完成題目中的各項(xiàng)要求， 在調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn)了許多的問題。 2) 中斷處理的進(jìn)入和中斷處理程序都會(huì)有一定時(shí)間的誤差，從而導(dǎo)致定時(shí)時(shí)間的誤差，這也是造成測(cè)量誤差的一個(gè)因素。 通過各系統(tǒng)分析的結(jié)果，然后進(jìn)入系統(tǒng)設(shè)計(jì)的優(yōu)化。我的調(diào)試步驟如下： 根據(jù)智能小車的硬件，編寫簡(jiǎn)單的測(cè)試程序?qū)τ布碾娐贩謩e進(jìn)行測(cè)試。 3）最后進(jìn)行整個(gè)持續(xù)的調(diào)試，這是最后一步，與是最難的一步，要協(xié)調(diào)好各個(gè)模 塊之間的先后順序，處理好他們之間因?yàn)殒i死狀態(tài)。 在軟件編寫與調(diào)試部分我完全按照上面的步驟去做，由于以前沒有用過 PWM 調(diào)制控制， PWM 調(diào)制控制的學(xué)習(xí)實(shí)踐花了一段時(shí)間。 （ 2）詳細(xì)介紹 霍爾傳感器的電機(jī)測(cè)速裝置 硬件設(shè)計(jì)的方案，電路圖 ,并附上說明。 （ 4）給出對(duì)本設(shè)計(jì)進(jìn)行仿真調(diào)試 與優(yōu)化 的過程。 在本裝置的研制過程中，充分考慮了作為便攜裝置其電源的提供、功率的損耗、體積的大小、價(jià)位的高低、使用及攜帶的方便性等因素。而且還能快速、準(zhǔn)確地測(cè) 量。本裝置是將我們的學(xué)習(xí)知識(shí)和社會(huì)的需求結(jié)合創(chuàng)作出來的。工程創(chuàng)新設(shè)計(jì)與實(shí)踐教程，電子工業(yè)出版社 [2] 周興華，手把手教你學(xué)單片機(jī)，北京航空航天大學(xué)出版社 [3] 姚福安 編著 ，電子電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，山東科學(xué)技術(shù)出版社 [4] 于長(zhǎng)官。自動(dòng)控制原理，科學(xué)出版社 [6]江太輝，石秀芳 .MCS52 系列單片機(jī)原理與應(yīng)用 .廣州：華南理工大學(xué)出版社， [7]楊忠煌，黃博俊，李文昌 .單芯片 8051 實(shí)務(wù)與應(yīng)用 .北京：中國水利水電出版社， 2020 [8]張世銘