畢業(yè)設計（論文）-基于霍爾傳感器的電機測速裝置的設計與實現(xiàn).doc

廣東白云學院 基于霍爾傳感器的電機測速裝置的設計與實現(xiàn) 廣東白云學院廣東白云學院 畢業(yè)設計畢業(yè)設計 論文論文 開題報告開題報告 題目 基于霍爾傳感器的控制電機測速題目 基于霍爾傳感器的控制電機測速裝置裝置 的設計與實現(xiàn)的設計與實現(xiàn) 課課 題題 類類 型 型 論文論文 設計設計 學學 生生 姓姓 名名 學學 號 號 班班 級 級 0707 自動化自動化 2 2 班班 專業(yè) 全稱 自動化專業(yè) 全稱 自動化 系系 別 電子信息工程系別 電子信息工程系 指指 導導 教教 師 師 20102010 年年 1010 月月 廣東白云學院 基于霍爾傳感器的電機測速裝置的設計與實現(xiàn) 2 基于霍爾傳感器的電機測速裝置的設計與實現(xiàn) 摘 要 在工業(yè)生產(chǎn)生活中 經(jīng)常會遇到各種需要測量轉速的場合 例如在發(fā)電機 電動機 機床主軸等旋轉設備的實驗運轉和控制中 常需要分時或連續(xù)測量 顯示其轉速及瞬時速度 為了能精確地測量轉速 還要保證測量的實時性 要 求能測的瞬時速度 針對工業(yè)上常見的發(fā)動機設計了以單片機 STC89C52 為控 制核心的轉速測量系統(tǒng) 本文介紹基于霍爾傳感器的電機測速系統(tǒng) 該系統(tǒng)利 用霍爾傳感器采集脈沖信號 通過定時計數(shù)法程序 將轉速結果實時顯示出來 實際測試表明 該系統(tǒng)能滿足發(fā)動機轉速測量要求 關鍵詞 單片機 電機測速系統(tǒng) 霍爾傳感器 定時 廣東白云學院 基于霍爾傳感器的電機測速裝置的設計與實現(xiàn) 3 SENSOR BASED ON HALL OF MOTOR SPEED DEVICE DESIGN ABSTRACT In the course of industrial production in life often need to measure speed encounter various occasions For example AT the engines motors machine tool spindles and other rotating equipment s operation and control of the piolt often need frequent time sharing or continuous measurements show its speed and instantaneous velocity In order to accurately measured The rotate spee measurement system for the common engine is designed with the single chip STC89C52 This paper inroduces a microcomputer based hall sensor speed system the syetem uses Hall sensor pulse signal collected through the timer counting algorithm programs will speed the results of real time disply The result of the experiment shows that the measurement system is able to satisfy the requirement of the engine rotate speed measurement Key words Single chip Motor Speed System Hall sensor Timing 廣東白云學院 基于霍爾傳感器的電機測速裝置的設計與實現(xiàn) 4 目錄 第 1 章 緒論 5 1 1 基于霍爾傳感器的電機測速裝置的現(xiàn)狀 6 1 2 課題的研究背景和意義及研究內(nèi)容 6 第二章 基于霍爾傳感器的電機測速裝置總體方案設計 7 2 1 系統(tǒng)原理框圖設計 8 2 2 總體方案的論證 8 2 2 1 系統(tǒng)結構方案論證 8 2 2 2 轉速測量方案論證 9 2 2 3 電機驅動方案論證 9 2 2 4 鍵盤顯示方案論證 10 2 2 5 轉速顯示方案論證 10 2 2 6 PWM 軟件實現(xiàn)方案論證 11 2 3 各模塊的分析 計算與硬件電路設計 11 2 3 1 轉速測量電路的設計 11 2 3 2 電機驅動電路的設計 12 2 3 3 LCD 顯示電路與 STC89C52 的接口設計 12 第三章 本系統(tǒng)各部分功能程序設計 13 3 1 系統(tǒng)總程序框圖設計 13 3 2 電機轉速測量程序設計 14 3 3 按鍵控制程序設計 15 3 4 LCD 顯示程序設計 17 3 5 PWM 信號的單片機程序實現(xiàn) 18 第四章本系統(tǒng)的實現(xiàn)與調(diào)試 19 4 1 制作 PCB 過程與步驟 19 廣東白云學院 基于霍爾傳感器的電機測速裝置的設計與實現(xiàn) 5 4 2 焊接硬件電路 20 4 3 硬件部分測試 21 4 4 軟件部分調(diào)試 22 4 5 實驗調(diào)試與系統(tǒng)優(yōu)化 23 第五章 總結 24 參考文獻 25 致 謝 26 附錄 1 硬件總圖 27 附錄 2 電路 PCB 版圖 28 附錄 3 ISIS 7 PROFESSIONAL 仿真圖 31 附錄 4 基于霍爾傳感器的電機轉速裝置元件清單 32 附錄 5 程序清單 33 廣東白云學院 基于霍爾傳感器的電機測速裝置的設計與實現(xiàn) 6 第 1 章 緒論 1 1 基于霍爾傳感器的電機測速裝置的現(xiàn)狀 霍爾傳感器是利用霍爾效應實現(xiàn)磁電轉換的一種傳感器 我國從 年代 開始研究霍爾器件 經(jīng)過 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 測速裝置在電機控制系統(tǒng)中占有非常重要的地位 所設計的基于霍爾元件 的脈沖發(fā)生器要求成本低 構造容易 性能好 在電機電氣系統(tǒng)中存在著較為 惡劣的電磁環(huán)境下 具有較強的抗各種干擾脈沖的能力 同時不受脈 沖干擾 引起輸出信號的不穩(wěn)定 霍爾傳感器的電機測速裝置由單片機控制 能夠做出使電機加速 減速的動 作 還能夠精確測速電機的轉速 來控制電機的工作情況等多種功能 因此 霍 爾傳感器的電機測速裝置的設計在目前的生活中應用非常廣泛 比如機車的行 駛測速 工廠自動電機停開 汽車行駛速度顯示 溫室機器人的精密控制等技 術領域 也可應用于復雜惡劣的航天航空工作環(huán)境 具有良好的民用和軍用應 用前景 a 1 2 課題的研究背景和意義及研究內(nèi)容 霍爾傳感器的電機測速裝置可以看成簡單的 計數(shù)器 從發(fā)展趨勢上看 霍 爾傳感器的電機測速裝置設計研究方向是提出質(zhì)量更精確的測速方案 以及在 考慮在復雜的環(huán)境中工作也能保持性能的穩(wěn)定性 加上該設計將來會廣泛應用 國民的生活生產(chǎn)中去 越來越多的搞高校也都很重視該題目的研究 霍爾傳感 器的電機測速裝置的設計要涉及自動化專業(yè)的許多課程 包括模擬電路 數(shù)字 電路 自動控制原理 單片機原理 直流電機調(diào)速技術等 在制作過程中需要 廣東白云學院 基于霍爾傳感器的電機測速裝置的設計與實現(xiàn) 7 應用很多所學的專業(yè)知識 因此 選擇設計霍爾傳感器的電機測速裝置具有現(xiàn)實的 意義 霍爾傳感器的電機測速裝置設計 是檢測電機的轉速來監(jiān)控電機的運行狀 況 因此 需解決兩方面的基本問題 一是在電機轉動過程中利用傳感器感知 電機運行環(huán)境 二是采用適當?shù)乃惴ㄟM行電機的速度控制 其設計內(nèi)容涵蓋機械 單片機 自動控制 電子電路 傳感技術等多個學科的知識領域 本系統(tǒng)的設 計采用 STC89C52 單片機為控制核心 利用霍爾傳感器檢測電機轉速信號 通 過單片機處理信號 在 LCD 液晶屏顯示轉速 并且控制電機轉速快慢 并可以 自動記錄運行時間 整個系統(tǒng)的電路結構簡單 可靠性能高 此項目的研究目標隨著隨著半導體集成電路 電力電子器件 控制原理和 稀土材料工業(yè)的發(fā)展 可以預見這種產(chǎn)品必然會逐步取代傳統(tǒng)結構測速模式 近年來已廣泛應用于家電 汽車 數(shù)控機床 機器人等更多的領域 廣東白云學院 基于霍爾傳感器的電機測速裝置的設計與實現(xiàn) 8 第二章基于霍爾傳感器的電機測速裝置總體方案設計 b 2 1 系統(tǒng)原理框圖設計 系統(tǒng)原理框圖如圖 2 1 所示 是一個帶按鍵輸入和顯示的閉環(huán)測量控制系 統(tǒng) 主體思想是通過系統(tǒng)設定信息和測量反饋信息計算轉速的大小 單片機 STC89C52 速度信 號處理 電機控制 系統(tǒng)與反饋系統(tǒng) LCD 顯示器 控制按鍵 圖 2 1 系統(tǒng)總模塊化方框圖 各硬件部分的簡介 各硬件部分的簡介 1 單片機 STC89C52 為系統(tǒng)的主控處理芯片 負責速度信號處理 電機控制系統(tǒng) LCD 顯示器驅動與各反饋系統(tǒng) 2 LCD 顯示器電路 顯示電機的轉速與該系統(tǒng)運行的時間 3 電機驅動電路 通過 L298N 的控制驅動電機運轉 電機 轉速信號采集 電機 電機驅動電路 廣東白云學院 基于霍爾傳感器的電機測速裝置的設計與實現(xiàn) 9 4 控制按鍵電路 通過控制按鍵 可以實現(xiàn)電機的轉速快慢的改變 5 電機轉速信號采集電路 采集電機的轉速信號傳送給單片機進行 處理 2 2 總體方案的論證 2 2 1 系統(tǒng)結構方案論證 方案一 采用一片單片機 STC89C52 完成系統(tǒng)電機驅動 轉速測量 LCD 顯示 按鍵控制 并輸出 PWM 控制信號 方案二 采用兩片單片機 STC89C52 其中一片做成電機驅動控制系統(tǒng) 專門電機驅動和 PWM 控制信號輸出 另一片則系統(tǒng)主芯片 完成電機速度的按 鍵設定 轉速測量 LCD 顯示 并向電機驅動控制系統(tǒng)提供設定值和測量值 設定 PWM 信號控制速度等 方案一的優(yōu)點是系統(tǒng)硬件簡單 控制及時有效 但是對這個設計來說 一 片單片機足夠處理程序任務 處理難度不大 在資源有限的情況下 節(jié)約成本 在應用生產(chǎn)中 市場價格會比較有利 方案二則與方案一相反 硬件增加 但 在程序設計上比較復雜 加大設計成本 雖然優(yōu)化鍵盤 顯示及擴展其它功能 但是在國家提構建倡節(jié)約性社會 在完成相同任務的條件下 使用最少的資源 方案選擇 因此通過比較 選擇方案一 2 2 2 轉速測量方案論證 方案一 脈沖計數(shù)法 在單位時間內(nèi)對位置脈沖信號計數(shù) 以獲數(shù)為 M 則每分鐘的轉速 N M S 70 方案二 脈沖周期發(fā) 是通過定時器記錄脈沖的周期 T 這樣每分鐘的轉 速 N 70 T 比較兩個方案 方案一的誤差主要是 2 誤差 量化誤差 設電機的最 低設計轉速為 220 轉 分 則記數(shù)時間 S 2s 所以其誤差得絕對值 N 2 S 70 N S 70 70 轉 分 廣東白云學院 基于霍爾傳感器的電機測速裝置的設計與實現(xiàn) 10 誤差計算公式表明 增大記數(shù)時間可以提高測量精度 但這樣做卻增大了速度 采樣周期 會降低系統(tǒng)控制靈敏度 而方案二所產(chǎn)生的誤差主要是標準誤差 并且使采樣時間降到最短 誤差 70 T 2 70 T 設電機速度在 220 7000 轉 分之間 那么 0 02s T 0 5s 代入公式得 0 00025 0 7 轉 分 由此明顯看出 方案二在測量精度及提高系統(tǒng)控制靈敏 度等方面優(yōu)于方案一 所以本設計采用方案二 2 2 3 電機驅動方案論證 方案一 采用專用小型直流電機驅動芯片 這個方案的優(yōu)點是驅動電路簡 單 幾乎不添加其它外圍元件就可以實現(xiàn)穩(wěn)定的控制 使得驅動電路功耗相對 較小 而且目前市場上此類芯片種類齊全 價格也比較便宜 方案二 直流電機驅動電路使用最廣泛的就 是 H 型全橋式電路 這種驅 動電路可以 很方便實現(xiàn)直流電機的四象限運行 分 別對應正轉 正轉制動 反轉 反轉制動 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單地實現(xiàn)轉速和方向的控制 電子開關的速度很快 穩(wěn) 定性也極佳 是一種廣泛采用的 PWM 調(diào)速技術 通過比較和對市場價格發(fā)展前景因素的考慮 本設計采用方案二 使系統(tǒng) 的設計核心在測速的控制上 2 2 4 鍵盤顯示方案論證 方案一 采用獨立鍵盤接口 獨立式按鍵是指直接用 I O 口線構成單個的 按鍵電路 每一個獨立式按鍵單獨占用一根 I O 口線 使用 2 個按鍵 進行逐 位設置 優(yōu)點是美觀大方 有利于人與系統(tǒng)的交互 及顯示內(nèi)容的擴展 缺點 是成本高 抗干擾能力教差 方案二 采用矩陣鍵盤 可直接輸入設定值 顯示部分使用 LCD 液晶顯示 優(yōu)點是顯示亮度大 缺點是功耗大 不符合智能化趨勢而且不美觀 為了系統(tǒng)容易擴展 操作以及美觀 本設計完全采用方案一 2 2 5 轉速顯示方案論證 方案一 采用數(shù)碼管作為顯示 數(shù)碼管由 7 個發(fā)光二極管組成 行成一個 廣東白云學院 基于霍爾傳感器的電機測速裝置的設計與實現(xiàn) 11 日字形 它門可以共陰極 也可以共陽極 通過解碼電路得到的數(shù)碼接通相應 的發(fā)光二極而形成相應的字符 它可以顯示從 0 到 9 的數(shù)字 但是在設計顯示 的內(nèi)容比較多的時候 就不太適用數(shù)碼管 方案二 采用 LCD 液晶顯示器相比 數(shù)碼管沒有液晶顯示器那樣的顯示效 果 也沒有液晶顯示器做圖形界面具有人機交互美觀的特點 可以同時顯示不 同的內(nèi)容 顯示質(zhì)量高 價格也不貴 在市場中采 LCD 顯示已成為趨勢 通過比較考慮 本設計采用方案二 使系統(tǒng)的顯示內(nèi)容 包括轉速 運行時 間 很清晰的顯示出來 2 2 6 PWM 軟件實現(xiàn)方案論證 本設計采用了定頻調(diào)寬方式 采用這種方式的優(yōu)點是電動機在運轉時比較 穩(wěn)定 并且在采用單片機產(chǎn)生 PWM 脈沖的軟件實現(xiàn)上比較方便 對于實現(xiàn)方式 則有兩種方案 方案一 采用定時器做為脈寬控制的定時方式 這一方式產(chǎn)生的脈沖寬度極 其精確 誤差只在幾個 us 方案二 采用軟件延時方式 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 本設計采用了一片 STC89C52 單片機 CPU 資源對這 個設記來說是充足 因此通過比較選擇方案一 2 3 各模塊的分析 計算與硬件電路設計 2 3 1 轉速測量電路的設計 理論上 是先將轉速轉化為某一種電量來測量 如電壓 電流等 設計中 將轉速測量轉化為電脈沖頻率的測量 基于這一思想 可以采用一對霍爾感應 傳感器 使輸出信號的一只在轉輪一側固定 另一只則粘在對應位置的轉輪上 這樣 電機每轉一圈 傳感器將會輸出一個脈沖 然后將脈沖通過單片機測量 其頻率求出轉速 由于現(xiàn)在的市場霍爾傳感器有很多種類 選擇的類型多 性 能好 可以減少信號放大電路 直接把信號傳給單片機 尤其霍爾元件 SS49E 傳感器 這個型號的性能很適合這個設計 如圖 2 3 1 所示 在電機轉輪一處 接上霍爾傳感器的感應磁片 這樣 每轉一圈 霍爾傳感器就產(chǎn)生一個脈沖霍 爾傳感器就導通一次 OUT 端輸出一個上脈沖 即完成了轉速 頻率的轉換 廣東白云學院 基于霍爾傳感器的電機測速裝置的設計與實現(xiàn) 12 圖 3 2 轉速 頻率轉化電路 2 3 2 電機驅動電路的設計 本設計采用目前市場上較容易買到的 L298N 直流或步進電機驅動芯片 它采 用單片集成塑裝 是一個高電壓 大電流全雙橋驅動器 由標準的 TTL 電平控 制 L298N 支持 50V 以內(nèi)的電機控制電壓 在直流運轉條件下 可以通過高達 2A 的電流 因此它滿足了一般小型電機的控制要求 但是使用 L298N 驅動直流 電機的電路 要注意 l298N 的兩個電源的地線要連接起來 兩個地線要是沒接 到一起 會有電壓差 然后 L298N 會狂發(fā)熱 接法見圖 3 2 圖中二極管的作 用是消除電機的反向電動勢 保護電路 因此采用整流二極管比較合適 PWM 控制信號由 IN1 IN2 輸入 通過加速 減少按鍵 PWM 控制信號也隨之改變 電動機的速度就會發(fā)生變化 根據(jù)設計任務的要求 ENA 接控制使能端 通過 過實驗 本設計的驅動也可達到設計要求 圖 3 2 電機驅動電路 廣東白云學院 基于霍爾傳感器的電機測速裝置的設計與實現(xiàn) 13 3 3 LCD 顯示電路與 STC89C52 的接口設計 設計中采用的 LCD LCD1602 接口 信號說明 LCD1602 采用標準的 15 引腳 無背光 或 16 引腳 帶背光 接口 各引腳接口說明見下表 與外部 CPU 接口采用并行或串行方式控制 本設計采用并行方式控制 LCD 與單片機的 通訊接口電路如圖 3 3 所示采用直連的方法 這樣設計的優(yōu)點是在不影響性能 的條件下還不用添加其它硬件 簡化了電路 降低了成本 1602 液晶接口引腳定義液晶接口引腳定義 編號符號引腳說明編號符號引腳說明 1VSS電源地9D2Date I O 2VDD電源正極10D3Date I O 3VL液晶顯示偏壓信號11D5Date I O 4RS數(shù)據(jù) 命令選擇端 V L 12D5Date I O 5R W讀 寫選擇端 H L 13D7Date I O 6E使能信號14D7Date I O 7D0Date I O15BLA光源正極 8D1Date I O16BLK光源負極 廣東白云學院 基于霍爾傳感器的電機測速裝置的設計與實現(xiàn) 14 圖 3 3 LCD 與單片機的通訊接口電路 第三章本系統(tǒng)各部分功能程序設計 3 1 系統(tǒng)總程序框圖設計 本設計軟件主要為主程序 數(shù)據(jù)處理顯示程序 按鍵程序設計 定時器中 斷服務程序四個部分 主程序主要完成初始化功能 包括 LCD 顯示的初始化 中斷的初始化 定 時器的初始化 寄存器 標志位的初始化等 主程序流程圖如圖 3 1 所示 開始 LCD 顯示緩存初始化 時鐘寄存器初始化 定時器中斷初始化 LCD 顯示初始化 調(diào)用數(shù)據(jù)處理成程序 調(diào)用顯示子程序 廣東白云學院 基于霍爾傳感器的電機測速裝置的設計與實現(xiàn) 15 圖 3 1 主程序流程圖 3 2 電機轉速測量程序設計 設計中考慮到電機的工作環(huán)境一般比較惡劣 因此除了硬件外 從程序上 除了要更高的精確度也需要進行更多的抗干擾設計 從而實現(xiàn)軟件的大范圍檢 錯 糾錯或丟棄錯誤等 在程序的設計過程中 對嚴重不符合要求的測量數(shù)據(jù) 如大于 80 轉 秒對應的數(shù)據(jù) 進行了丟棄處理 而對于正常范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)錯 誤采用了采 0 取 2 求平均的算法 實驗表明 此方法降低了系統(tǒng)采集轉速中出現(xiàn)的錯誤 對于轉速的測量方 法 是通過速度脈沖信號下降沿觸發(fā)單片機的外中斷 中斷服務子程序在某一 個脈沖的下降沿開啟定時器記時 然后在下一個下降沿關閉定時器 通過對定 時器數(shù)據(jù)進行運算處理可以得到信號周期進而得到速度值 其程序框圖如圖 3 2 可以看出 此方法下的采樣周期是隨轉速變化的 轉速越高采樣越快 通 過這種非均勻的速度采樣方式可以使電機在高速情況下 實現(xiàn)高速度高精度的 控制 3 3 按鍵控制程序設計 鍵盤程序設計的任務是賦予各按鍵相應的功能 完成速度設定值的輸入和 向 PWM 控制器的發(fā)送 2 只按鍵一只用來位循環(huán)選擇 告訴單片機要調(diào)整電機 的轉速快慢 二只按鍵分別是減 1 加 1 減 在沒有位選擇的情況下對設定值 整體保持不變 在有按鍵選擇的情況下僅對相應位進行減 1 加 1 并且當按著 不釋放按鍵時電機還是保持原有的速度 同時允永久保持 所以通過按鍵改變 PWM 值 從而實現(xiàn)設定控制 程序框圖如圖 3 3 調(diào)用按鍵處理程序 廣東白云學院 基于霍爾傳感器的電機測速裝置的設計與實現(xiàn) 16 圖 3 2 外中斷 0 服務子程序框圖 否 為 0 為 1 否 否 是 是 否 是 進入中斷 檢測中斷標志 開定時器記時 設中斷標志為 1 系統(tǒng)時間初始化 中斷返回 關閉定時器及總中斷 判斷數(shù)據(jù)是否正常 保存數(shù)據(jù) 是否 采 0 處理 說明 當電機轉速過低時 如果進行采 0 取 1 處理將會使 控制速度太低 同時低速狀態(tài) 的錯誤發(fā)生幾率較小 所以不 采用采 0 取 1 求平均處理 完成 1 組數(shù)據(jù)采集 取 2 求平均處理 計算速度值 速度值是否正常 發(fā)送速度值到 pwm 控制器 系統(tǒng)時間初始化 定時器初值初始化 中斷返回 廣東白云學院 基于霍爾傳感器的電機測速裝置的設計與實現(xiàn) 17 鍵盤服務子程序 位選鍵按下否 加 1 鍵按下否 減 1 鍵按下否 位選循環(huán)右移 調(diào)用加 1 子程序 調(diào)用減 1 子程序 否 否 否 否 發(fā)送鍵按下否 是 是 是 鍵值處理 保存 顯示 向 pwm 控制器發(fā)送 返回 廣東白云學院 基于霍爾傳感器的電機測速裝置的設計與實現(xiàn) 18 圖 3 3 鍵盤電路程序框圖 3 4 LCD 顯示程序設計 LCD 的詳細使用過程可參閱對應型號的使用手冊 僅在本小節(jié)強調(diào)以下內(nèi) 容 LCD 使用的關鍵是根據(jù)顯示需要正確地對其進行初始化設置 而一般情況 下不用考慮如何向它讀寫指令或數(shù)據(jù) 因為制造廠商所給的使用資料里就附有 驅動程序 如果沒有也可以從網(wǎng)上搜索下載得到 然而我們必須清楚那些初始 化設置之間的關系 以及它是如何利用設置讀取 顯示數(shù)據(jù)字符的 不然就會 發(fā)生一些不可預料的錯誤 因此 熟讀 LCD 驅動芯片使用手冊也是一個關鍵環(huán) 節(jié) 開始 LCD 初始化 延時 設置第一 行顯示位置 顯示第 一行內(nèi)容 設置第二 行顯示位置 系統(tǒng)延時 設定使用 基本指令集 清屏 地址 指針歸位 設定游標的移動方 向及指定顯示的移 位 返回 廣東白云學院 基于霍爾傳感器的電機測速裝置的設計與實現(xiàn) 19 LCD 初始化子程序 LCD 顯示程序流程圖框 圖 3 4 LCD 顯示初程序流程圖框和 LCD 初始化子程序 通常 LCD 的初始化包括復位設置 清除顯示 地址歸位 顯示開關 游標設 置 讀寫地址設置 反白選擇以及睡眠模式等等 實際中根據(jù)需要 正確 靈 活地修改這些設置可以達到較為滿意的顯示效果 LCD 中所有漢字 數(shù)字和字 符都可以通過它的 ASCII 碼來訪問顯示 圖象的顯示是通過將相關軟件 提取 漢字 圖象點陣數(shù)據(jù)程序 產(chǎn)生的數(shù)據(jù)按照 LCD 手冊的要求完成響應設置后寫 入即可 由于本設計中沒有使用到圖形顯示 所以沒有詳述 對于系統(tǒng)使用的 漢字 字符和數(shù)據(jù)的 LCD 顯示初始化程序和寫數(shù)據(jù)程序框圖見圖 3 4 3 5 PWM 信號的單片機程序實現(xiàn) 51 系列單片機提供了非常豐富的資源 它除了擁有 4 個通用并口和 1 個串 口外 還有外部中斷和內(nèi)部定時器等 而且 不同的型號還集成有不同的功能 比如 STC89C52 的 ROM 都比較大 這樣存儲空間可以滿足一般的編程需要 而 不必去構建程序存儲器 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 基于 STC89C52 單片機的 PWM 軟件實現(xiàn)的重要硬件支撐是該單片機內(nèi)部的 定時器 在 STC89C522 內(nèi)實現(xiàn) PWM 的基本過程 首先選定脈沖的頻率 T 然后 根據(jù)控制信號的變化范圍 這里假設是 0 5V 則可以求出 t 時刻通過控制信 號 V t 的對應脈沖的正 負脈沖持續(xù)時間 這兩個時間長度在單片機里是通過 給定時器賦相應的初值而得 即定時器獲得這樣的定時初值后就在機器周期的 同步下 從這個初值加 2 計數(shù) 定時器滿時則產(chǎn)生相應時間長度的溢出中斷 再利用這個中斷所響應的服務程序去控制單片機某一引腳相應的正 負電平極 性的持續(xù)時間 如果上述過程連續(xù)進行 就可在這個引腳獲得寬度隨控制信號 V t 大小變化的 PWM 方波信號 其程序框圖見圖 3 5 顯示第 二行內(nèi)容 廣東白云學院 基于霍爾傳感器的電機測速裝置的設計與實現(xiàn) 20 圖 3 5 產(chǎn)生 PWM 控制信號程序框圖 第四章本系統(tǒng)的實現(xiàn)與調(diào)試 4 1 制作 PCB 過程與步驟 制作本設計的 PCB 電路版 考慮到市場經(jīng)濟條件 再加上制作的成本 制 作的工藝 所以選擇制作覆銅的單層 PCB 版 這樣簡單 經(jīng)濟實惠 而且制作 的效果非常好 第一步 你得準備好單層的銅板和三氯化鐵 FeCl3 這兩個市場上有買 你還得有一噴墨 碳 打印機 以及一臺 PCB 版制作轉印機 第二步 在 EDA 工具中把 EDAPCB PCBjishu target blank class infotextkey PCB 圖畫好 例如 PROTEL DXP 然后用噴墨打印機打印 在油性的紙上 第三步 把打印好的圖紙貼在銅板上 然后用 PCB 版制作轉印機 進行壓 縮加熱 大概 5 分鐘左右 這時碳就附在了銅板上了 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 然后把銅板放進三氯 化鐵 FeCl3 溶液里面腐蝕 大概 20 分鐘后 將銅板拿起來 用水沖干凈 晾干 定時器 0 中斷 將 PWM 輸出端置高電平 1 裝入 50ms 初值 設定時器 1 中斷優(yōu)先級最 高 中斷返回 定時器 1 中斷 設定時器 0 中斷優(yōu)先級最 高 將 PWM 輸出端清零 裝入 PWM 信號初值 INIT 中斷返回 廣東白云學院 基于霍爾傳感器的電機測速裝置的設計與實現(xiàn) 21 第五步 將電路板以 鉆孔機鉆出層間電路的導通孔道及焊接零件的固 定孔 鉆孔時用插梢透過先前鉆出的靶孔將電路板固定于鉆孔機床臺上 同時 加上平整的下墊板 酚醛樹酯板或木漿板 與上蓋板 鋁板 以減少鉆孔毛頭 的發(fā)生 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 4 2 焊接硬件電路 因為 PCB 版已經(jīng)制作好了 所以只需要將電子器件按照電路圖 PCB 版的電 子器件 詳見電子器件附錄 排布焊接 就可以了 所以過程也十分簡單 但是焊接的過程中需要注意一些問題 當我們把焊錫融化道烙鐵頭上時 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 當烙鐵放道焊點上之前 松香焊劑將不斷揮發(fā) 而當烙鐵放到焊點上時由于焊 件溫度低 加熱還需一段時間 在此期間焊劑很可能揮發(fā)大半甚至完全揮發(fā) 因而在潤濕過程中由于缺少焊劑而潤濕不良 同時由于焊料和焊件溫度差很多 結合層不容易形成 很難避免虛焊 更由于焊劑的保護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 所以焊接的時候我們要特別注意下細節(jié) 不然的話容易出錯 4 3 硬件部分測試 硬件調(diào)試時先分步調(diào)試硬件中各個功能模塊 調(diào)試成功后再進行統(tǒng)調(diào) 安 裝固定電機和霍爾傳感器時 粘貼磁鋼需注意 霍爾傳感器對磁場方向敏感 粘貼之前可以先手動接近一下傳感器 如果沒有信號輸出 可以換一個方向再 試 霍爾傳感器的測試信號調(diào)試 霍爾傳感器探頭要對準轉盤上的磁鋼位置 安裝距離要在 2CM 以內(nèi)才可靈敏的感應磁場變化 在磁場增強時霍爾傳感器輸 出低電平 指示燈亮 磁場減弱時輸出高電平 指示燈熄滅 當電機轉動時 感應電壓指示燈高頻閃爍 所以視覺上指示燈不會有多大的閃爍感 當給霍爾 元件 SS49E 型霍爾傳感器施加 25V 電壓時其輸出端可以輸出 5V 的感應電壓 輸出幅值為 5V 的矩形脈沖信號 廣東白云學院 基于霍爾傳感器的電機測速裝置的設計與實現(xiàn) 22 鍵盤控制調(diào)試 鍵盤是實現(xiàn)人機對話的必要設備 用戶可用鍵盤向計算機 輸入數(shù)據(jù)或命令 本系統(tǒng)采用獨立鍵盤接口 獨立式按鍵是指直接用 I O 口線 構成單個的按鍵電路 每一個獨立式按鍵單獨占用一根 I O 口線 其接口電路 如圖 4 3 所示 獨立式按鍵接口電路配置靈活 軟件結構簡單 但每個按鍵要 占用一根 I O 口線 適用于按鍵數(shù)量少的鍵盤 電路中 按鍵輸入低電平有效 按鍵未按時沒有有上拉電阻保證此時輸入為 低電平 圖 4 3 按鍵控制電路 LCD1602 顯示調(diào)試 請先確保 option debugger 選擇的是 FET Debugger 然后檢查 LCD 接口電路 有時候接觸不良也會不亮的 我遇到一些 LCD 不亮的 板子 大部分都是焊接不良才導致不亮的 檢查下程序里 watchdog 的設置 要 及時清除 watchdog 的 最后顯示出結果如 4 4 圖就是正常的 4 4 圖 LCD1602 正常顯示 L298N 驅動電路調(diào)試 在焊接硬件電路時需細心排除元器件和焊接等方面 廣東白云學院 基于霍爾傳感器的電機測速裝置的設計與實現(xiàn) 23 可能出現(xiàn)的故障 元器件的安裝位置出錯或引腳插錯都可能導致電路短路或實 現(xiàn)不了電路應有的功能 甚至燒壞元器件 為方便調(diào)試 用信號發(fā)生器產(chǎn)生的 10KHz 的正弦信號送給 L298N 驅動電路 調(diào)試直到 OUT1 和 OUT2 可以輸出矩形 脈沖信號為止 該驅動電路調(diào)試即可完成 通過以上的電路功能調(diào)試 就可以確定電路設計的問題所在可以及時進行 更改 達到最佳的設計效果 4 4 軟件部分調(diào)試 在進行軟件編程調(diào)試時需要用到單片機的集成開發(fā)環(huán)境 Keil uVision3 軟 件 編程時極易出現(xiàn)誤輸入或其他的一些語法錯誤 最重要的還有一些模塊無 語法錯誤卻達不到預期的功能 都要經(jīng)過調(diào)試才能排除 Keil uVision3 軟件 具有很強大的編程調(diào)試功能 能夠模擬仿真實際單片機的端口和內(nèi)部功能部件 的狀態(tài)值 該軟件中有硬件調(diào)試和軟件調(diào)試功能 可以觀察單片機內(nèi)存單元對 應的運行值 可以顯示單片機端口 中斷 定時器 2 定時器 2 還有串口對應 的運行值 可以單步調(diào)試也可以模塊調(diào)試 最好的是可以對你所懷疑的語句模 塊設置斷點 Keil uVision3 具有的強大的編譯調(diào)試功極大地方便了對軟件部 分的調(diào)試 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 設計 中斷服務子程序 LCD 顯示程序分別分開進行調(diào)試 最后進行主程序的 整體調(diào)試 編譯無誤后生成目標代碼 HEX 文件 一般為了更好的觀察仿真的效果及各部分的功能等問題 我們學生大多數(shù) 采用 ISIS 7 Professional 軟件進行仿真 利用 ISIS 7 Professional 軟件畫 出原理圖 附圖 3 可以形象的顯示出各部分的運行情況 很清楚各部分參數(shù) 的多少 但是我們要注意仿真圖效果與實際的硬件電路效果是有一定的差異的 我們必須很好調(diào)試 找到控制的最佳效果 最后采用 STC 單片機下載軟件 STC ISP V580 將其下載到實驗板的單片機 中 下載軟件的最后一步 點擊軟件 STC ISP V580 界面中的 下載 按鈕 在點 擊前一定要保持實驗板的串行通信線及電源線與 PC 機連接良好 并且實驗板的 電源開關處于關閉狀態(tài) 然后點擊 下載 按鈕 再打開實驗板電源開關 此時 軟件將自動完成程序下載 最后將硬件和軟件結合起來整體調(diào)試實現(xiàn)系統(tǒng)的測 廣東白云學院 基于霍爾傳感器的電機測速裝置的設計與實現(xiàn) 24 速功能 4 5 實驗調(diào)試與系統(tǒng)優(yōu)化 設計基本完成題目中的各項要求 在調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn)了許多的問題 其中 電機轉速的測量比較精確 與實際轉速相差 1 轉 秒分左右 精度在全量程范圍 內(nèi)優(yōu)于 1 轉 秒 存在一定的誤差 經(jīng)分析主要是由以下原因造成 1 由于電機的轉盤是采用塑料盤片磨制而成 高速旋轉時容易打飄不穩(wěn) 導 致獲得的脈沖信號頻率與實際轉速有一定的誤差 2 中斷處理的進入和中斷處理程序都會有一定時間的誤差 從而導致定時 時間的誤差 這也是造成測量誤差的一個因素 3 在固定裝置時 由于是手動操作 從而導致初始獲得信號有一定的時差 通過各系統(tǒng)分析的結果 然后進入系統(tǒng)設計的優(yōu)化 在弄清楚霍爾傳感器的 電機測速裝置各部件的工作原理的情況下 編制了電機的控制持續(xù) 制定一個 合理高效的調(diào)試方法步聚 我的調(diào)試步驟如下 根據(jù)智能小車的硬件 編寫簡單的測試程序對硬件的電路分別進行測試 1 編寫的程序對硬件測試沒有問題后 再劃分功能模塊 編寫功能模塊的 程序 并進行調(diào)試 2 若發(fā)現(xiàn)程序效果不理想 則首行考慮程序流程是否合理 再檢查語句是 否書寫正確 3 最后進行整個持續(xù)的調(diào)試 這是最后一步 與是最難的一步 要協(xié)調(diào)好 各個模塊之間的先后順序 處理好他們之間因為鎖死狀態(tài) 4 對寫好的代碼進行優(yōu)化 使代碼變得更為簡潔 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)制控制的學習實踐花了一段時間 因此 總程序經(jīng)過多次調(diào)式和修改后 最終能夠使霍爾傳感器的電機測速裝 置具有測速顯示 運行時間顯示 電機運行速度控制 的功能 基本上完成了 本設計的任務 廣東白云學院 基于霍爾傳感器的電機測速裝置的設計與實現(xiàn) 25 第五章 總結 在這三個月的設計過程中 我邊查資料邊進行軟件的調(diào)試 在這三個月中 我做了以下工作 1 對設計中所需要的元件分析其原理和性能 極其應用和發(fā)展 2 詳細介紹霍爾傳感器的電機測速裝置硬件設計的方案 電路圖 并附上說 明 3 詳細介紹軟件設計方法 并給出個部分的程序清單 4 給出對本設計進行仿真調(diào)試與優(yōu)化的過程 在制作的過程中兩大部分的功能模塊花了很大的功夫 一個是電機的驅動 程序 一個是 LCD 液晶顯示程序 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 價位的高低 使用及攜帶的方便性等因素 本裝置不受人 廣東白云學院 基于霍爾傳感器的電機測速裝置的設計與實現(xiàn) 26 群 時間 地點等的影響 對任何人都適用 而且還能快速 準確地測量 本 產(chǎn)品成本低 技術含量高 其穩(wěn)定性可靠性已經(jīng)過實踐的考驗 本裝置是將我 們的學習知識和社會的需求結合創(chuàng)作出來的 參考文獻 1 吳波等 工程創(chuàng)新設計與實踐教程 電子工業(yè)出版社 2 周興華 手把手教你學單片機 北京航空航天大學出版社 3 姚福安 編著 電子電路設計與實現(xiàn) 山東科學技術出版社 4 于長官 自動控制技術及應用 哈爾濱工業(yè)大學出版社 5 胡壽松 自動控制原理 科學出版社 6 江太輝 石秀芳 MCS 52 系列單片機原理與應用 廣州 華南理工 大學出版社 2002 8 7 楊忠煌 黃博俊 李文昌 單芯片 8051 實務與應用 北京 中國水 利水電出版社 2001 廣東白云學院 基于霍爾傳感器的電機測速裝置的設計與實現(xiàn) 27 8 張世銘 王振和 直流調(diào)速系統(tǒng) 武漢 華中理工大學出版社 1988 103 107 12 王旭 王積森 機械設計課程設計 機械工業(yè)出版社 2003 13 陸玉 何在洲 修延偉 機械設計課程設計 第 3 版 機械工業(yè)出 版社 1999 14 陳隆昌 閻治安 劉新正 控制電機 西安電子科技大學出版社 2000 致 謝 白駒過隙 轉眼四年的學習生活就將結束了 本論文是在劉崇進老師的悉 心指導下完成的 老師嚴謹?shù)闹螌W態(tài)度 務實的工作作風 孜孜不倦的學習精 神令我敬佩至深 受益非淺 陳老師很忙 但還是抽出時間來指導我們 修改 我們的論文 且從來都是不厭其煩地為我們解答各種問題 特別是在我論文完 成的這段時間 在這里我要特別謝謝劉老師 其次感謝我的同學和朋友 他們給予了我無私的幫助和無窮的精神動力 在我遇到知識上的或技術上的難點時 他們總是能給我及時的援助 感謝我同 宿舍的其他同學 謝謝她們在這大學四年里給我的幫助和關心 最后 特別感謝父母和親人在我求學過程中自始至終的支持 廣東白云學院 基于霍爾傳感器的電機測速裝置的設計與實現(xiàn) 28 附錄 1 硬件總圖 廣東白云學院 基于霍爾傳感器的電機測速裝置的設計與實現(xiàn) 29 附錄 2 電路 PCB 版圖 廣東白云學院 基于霍爾傳感器的電機測速裝置的設計與實現(xiàn) 30 廣東白云學院 基于霍爾傳感器的電機測速裝置的設計與實現(xiàn) 31 廣東白云學院 基于霍爾傳感器的電機測速裝置的設計與實現(xiàn) 32 附錄 3 ISIS 7 Professional 仿真圖 廣東白云學院 基于霍爾傳感器的電機測速裝置的設計與實現(xiàn) 33 附錄 4 基于霍爾傳感器的電機轉速裝置元件清單 序號元件名稱數(shù)量 1STC89C52 單片機1 個 2L298N 電機驅動芯片1 個 3LCD1602 液晶顯示1 個 410K 電阻排1 個 5霍爾傳感器1 個 610K 滑動電阻1 個 7發(fā)光二極管2 個 8控制按鍵2 個 9IN41484 個 1010K 歐姆電阻3 個 1122PF 電容2 個 1210UF 25V 電容1 個 1312MHZ 晶振1 個 14D V9 0 直流電機1 個 155V 12V 電源插座1 個 廣東白云學院 基于霍爾傳感器的電機測速裝置的設計與實現(xiàn) 34 附錄 5 程序清單 電機測速程序 PWM 控制 直流電機 晶振為 11 0592M 利用定時器控制產(chǎn)生占空比可 變的 PWM 波 按 K1 PWM 值增加 則占空 比減小 電機轉速加大 按 K2 PWM 值減小 則占空 比增加 電機轉速減少 當 PWM 值增加到最大值或減 小到最小值時 蜂鳴器將報警 include reg51 h include intrins h define uchar unsigned char define uint unsigned int define BUSY 0 x80 常量定義 define DATAPORT P0 手動 添加定時器 2 寄存器定義 sfr T2CON 0 xC8 sfr TL2 0 xCC sfr TH2 0 xCD sfr RCAP2L 0 xCA sfr RCAP2H 0 xCB sbit TF2 T2CON 7 sbit EXF2 T2CON 6 sbit RCLK T2CON 5 sbit TCLK T2CON 4 sbit EXEN2 T2CON 3 sbit TR2 T2CON 2 sbit C T2 T2CON 1 sbit CP RL2 T2CON 0 sbit ET2 0 xAD sbit K1 P1 5 電機速度增加鍵 sbit K2 P1 6 電機速度減少鍵 sbit BEEP P1 3 電機超標警示 燈 sbit dianji1 P3 5 單片機控制電 機 級輸出 sbit dianji2 P3 6 單片機控制電 機 級輸出 sbit ENA P3 7 單片機控制電 機 PWM 控制腳 sbit LCM RS P1 0 LCD1602 顯示控制引腳 sbit LCM RW P1 1 sbit LCM EN P1 2 uchar PWM 0 x7f PWM 賦初值 uchar str0 16 str1 16 uint speed count 0 廣東白云學院 基于霍爾傳感器的電機測速裝置的設計與實現(xiàn) 35 unsigned long time uchar miao fen shi void ddelay uint void lcd wait void void display void initLCM void WriteCommandLCM uchar WCLCM uchar BusyC void STR void account void Beep void void delayms uchar ms void delay uchar t void main void TMOD 0 x21 TH0 0 xfc 1ms 延時常數(shù) TL0 0 x66 頻率調(diào)節(jié) TH1 PWM 脈寬調(diào)節(jié) TL1 0 ET0 1 ET1 1 TR0 1 RCAP2H 0 x3C 定時器 2 定 時 50MS RCAP2L 0 x0B0 ET2 1 TR2 1 外部中斷 IT0 1 下降沿觸發(fā)中斷 EX0 1 開外中斷 0 EA 1 開總中斷 initLCM 初始化 LCD1602 WriteCommandLCM 0 x01 1 清顯示 屏 dianji1 1 電機開機默認正轉 dianji2 0 while 1 display do if PWM 0 xff PWM delayms 10 else Beep while K1 0 do if PWM 0 x02 PWM delayms 10 else Beep while K2 0 定時器 0 中斷服務程序 廣東白云學院 基于霍爾傳感器的電機測速裝置的設計與實現(xiàn) 36 void timer0 interrupt 1 TR1 0 TH0 0 xfc TL0 0 x66 TH1 PWM TR1 1 ENA 0 啟動輸出 定時器 1 中斷服務程序 void timer1 interrupt 3 TR1 0 ENA 1 結束輸出 蜂鳴器子程序 void Beep void uchar i for i 0 i20 timecount 0 miao quanshu count count 0 speed quanshu if miao 59 miao 0 fen if fen 59 fen 0 shi 廣東白云學院 基于霍爾傳感器的電機測速裝置的設計與實現(xiàn) 37 if shi 59 shi 0 延時子程序 void delay uchar t while t 延