基于霍爾傳感器的轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)設(shè)計

課程設(shè)計說明書成績題目基于霍爾傳感器的轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)設(shè)計課程名稱檢測技術(shù)及系統(tǒng)課程設(shè)計院〔系、部、中心〕專業(yè)電氣工程及其自動化班級學(xué)生姓名學(xué)號240102255設(shè)計時間2023.6.3~2023.6.14設(shè)計地點工程實踐中心8—315指導(dǎo)教師目錄一、課程設(shè)計任務(wù)書1．課程設(shè)計應(yīng)到達(dá)的目的…………………32．課程設(shè)計題目及要求……………………33．課程設(shè)計任務(wù)及工作量的要求…………44．主要參考文獻(xiàn)……………45．課程設(shè)計進(jìn)度安排………56．成績考核方法……………5二、課程設(shè)計正文1、系統(tǒng)組成及工作原理……………………62、轉(zhuǎn)速測量原理……………63、轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)組成框圖…………………64、霍爾傳感器測速原理及特性……………75、信號調(diào)理電路……………86、數(shù)碼管結(jié)構(gòu)和顯示原理…………………87、AT89C52單片機(jī)簡述……………………98、單片機(jī)與數(shù)碼管的接線圖………………109、課程設(shè)計感受……………11附錄一：總體電路圖………12附錄二:單片機(jī)程序………13課程設(shè)計任務(wù)書課程名稱檢測技術(shù)與系統(tǒng)課程設(shè)計院〔系、部、中心〕專業(yè)電氣工程及其自動化班級起止日期13.指導(dǎo)教師

1．課程設(shè)計應(yīng)到達(dá)的目的通過對本課程的設(shè)計，使學(xué)生掌握常見被測量的檢測原理、方法和技術(shù)，了解國內(nèi)外對這些工程量進(jìn)行測控的系統(tǒng)組建原理，通過對檢測系統(tǒng)的設(shè)計與分析，增強(qiáng)學(xué)生理解和運用所學(xué)知識來解決實際問題的能力,逐步掌握根據(jù)具體測控要求、性能指標(biāo)設(shè)計出先進(jìn)測控系統(tǒng)的方法和技術(shù)。2．課程設(shè)計題目及要求題目：基于霍爾傳感器的轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)設(shè)計要求：〔1〕性能指標(biāo)：測速范圍：0~3000RPM，測量精度：±0.5RPM；〔2〕根據(jù)題意，明確測速系統(tǒng)性能指標(biāo)及系統(tǒng)能完成的功能；〔3〕根據(jù)系統(tǒng)要求，選擇適宜的傳感器〔盡量選擇實驗室中已有的傳感器〕；〔4〕設(shè)計傳感器測量電路；〔5〕選擇單片機(jī)的品種、型號，設(shè)計單片機(jī)的外圍測量電路；〔6〕計算有關(guān)的電路參數(shù)，有條件的情況下，根據(jù)實驗室現(xiàn)有設(shè)備進(jìn)行實驗數(shù)據(jù)的測取，明確測量電路輸出與被測非電量的關(guān)系；〔7〕畫出系統(tǒng)原理框圖〔此局部放在說明書的開始〕；〔8〕畫出系統(tǒng)電路圖，最好用PROTEL畫；〔9〕在說明書中詳細(xì)說明本系統(tǒng)工作原理。3．課程設(shè)計任務(wù)及工作量的要求〔包括課程設(shè)計計算說明書、圖紙、實物樣品等要求〕給出設(shè)計說明書一份；有條件的情況下盡量給出必要的實驗數(shù)據(jù)；在說明書中附上完整的系統(tǒng)電路原理圖〔手畫或用PROTEL畫〕。4．主要參考文獻(xiàn)李現(xiàn)明，吳皓編著.自動檢測技術(shù).北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2023徐仁貴.單片微型計算機(jī)應(yīng)用技術(shù).北京：機(jī)械工業(yè)出版社.2001陳愛弟.Protel99實用培訓(xùn)教程.北京：人民郵電出版社.20005．課程設(shè)計進(jìn)度安排起止日期工作內(nèi)容10布置設(shè)計任務(wù)，熟悉課題，查找資料；10結(jié)合測控對象，選擇適宜的傳感器，理解傳感器性能；10設(shè)計傳感器測量電路，選擇適宜的單片機(jī)，設(shè)計其外圍電路；10設(shè)計電路參數(shù)，有條件情況下，在實驗室進(jìn)行實驗，進(jìn)一步理解測量電路輸入輸出關(guān)系；10繼續(xù)設(shè)計論證電路參數(shù)，完善系統(tǒng)設(shè)計方案；11年查找資料，理解系統(tǒng)各局部工作原理；11年理清系統(tǒng)說明要點，著手設(shè)計說明書的書寫；11年書寫設(shè)計說明書，充分理解系統(tǒng)每一局部作用；11年完善設(shè)計說明書，準(zhǔn)備設(shè)計辯論。11年1設(shè)計辯論。6．成績考核方法平時表現(xiàn)30%，設(shè)計成果40%，辯論表現(xiàn)30%.教研室審查意見： 教研室主任簽字：年月日院〔系、部、中心〕意見：主管領(lǐng)導(dǎo)簽字：年月日基于霍爾傳感器的轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)設(shè)計摘要:隨著微型計算機(jī)的廣泛應(yīng)用，單片機(jī)技術(shù)的日新月異，特別是高性能單片機(jī)的出現(xiàn)，轉(zhuǎn)速測量普遍采用以單片機(jī)為核心的數(shù)字式測量方法，使得許多控制功能及算法可以采用軟件技術(shù)來完成，使系統(tǒng)能到達(dá)更高的性能。數(shù)字式通常采用光電編碼器、圓光柵、霍爾元件等為檢測元件，得到的信號是脈沖信號。一、系統(tǒng)組成及工作原理1.1測速器件在測量電機(jī)轉(zhuǎn)速時我們從采用了電磁感應(yīng)式傳感器。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動時，帶動傳感器。這種傳感器可以將轉(zhuǎn)速信號轉(zhuǎn)變成一個對應(yīng)頻率的脈沖信號輸出，經(jīng)過信號處理后輸出到計數(shù)器。脈沖信號的頻率與電機(jī)的轉(zhuǎn)速是一種線性的正比關(guān)系，因此對電機(jī)轉(zhuǎn)速的測量，實質(zhì)上是對脈沖信號的頻率的測量。利用STC89C51單片機(jī)的輸入捕捉功能，可得到相鄰的兩個上升沿的時間差T，即轉(zhuǎn)速N=2∏/T(rad/s)。1.2信號處理局部信號預(yù)處理電路包含待測信號放大、波形變換、波形整形電路等局部，其中放大器實現(xiàn)對待測信號的放大，降低對待測信號的幅度要求，實現(xiàn)對小信號的測量；通過比擬器使霍爾元件傳感器產(chǎn)生的模擬信號轉(zhuǎn)換成電壓信號。1.3處理器計數(shù)局部利用STC89C51單片機(jī)的輸入捕捉功能，可得到相鄰的兩個上升沿的時間差，從而計算出轉(zhuǎn)速。1.4顯示局部通過晶體管顯示測得的轉(zhuǎn)速。二、轉(zhuǎn)速測量原理轉(zhuǎn)速測量的方法很多，在此采用頻率測量法。其測量原理為，在固定的測量時間內(nèi)，計取轉(zhuǎn)速傳感器產(chǎn)生的脈沖個數(shù)，從而算出實際轉(zhuǎn)速。設(shè)固定的測量時間Tc〔min〕，計數(shù)器計取的脈沖個數(shù)m1，假定脈沖發(fā)生器每轉(zhuǎn)輸出p個脈沖，對應(yīng)被測轉(zhuǎn)速為N〔r/min〕，那么f=pN/60；另在測量時間Tc內(nèi)，計取轉(zhuǎn)速傳感器輸出的脈沖個數(shù)m1應(yīng)為m1=Tcf，所以，當(dāng)測得m1值時，就可算出實際轉(zhuǎn)速值N=60m1/pTc。本檢測裝置中發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速傳感器信號盤安裝在轉(zhuǎn)軸上，工作時傳感器輸出信號經(jīng)整形后可得到相應(yīng)的方波脈沖信號。利用STC89C51單片機(jī)的輸入捕捉功能，可得到相鄰的兩個上升沿的時間差，即可算出當(dāng)前轉(zhuǎn)速N。公式為：式中，i—轉(zhuǎn)速信號盤每轉(zhuǎn)輸出信號數(shù)；j—信號盤轉(zhuǎn)1圈發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)的圈數(shù)〔信號盤安裝在曲軸上時j=1，裝在凸輪軸上那么j=2〕；T—單片機(jī)輸入捕捉所計算出的相鄰兩個上升沿之間的時間差值。三、轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)組成框圖系統(tǒng)由霍爾元件傳感器、信號預(yù)處理電路、處理器、顯示器等局部組成。傳感器局部采用霍爾傳感器，負(fù)責(zé)將電機(jī)的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)化為脈沖信號。信號預(yù)處理電路包含待測信號放大、波形變換、波形整形電路等局部，其中放大器實現(xiàn)對待測信號的放大，降低對待測信號的幅度要求，實現(xiàn)對小信號的測量；通過比擬器使霍爾元件傳感器產(chǎn)生的模擬信號轉(zhuǎn)換成電壓信號。處理器采用STC89C51單片機(jī)，顯示器采用8位LED數(shù)碼管動態(tài)顯示。系統(tǒng)組成框圖如下圖。轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)組成框圖四、霍爾傳感器測速原理及特性1、霍爾傳感器測速原理：霍爾器件是由半導(dǎo)體材料制成的一種薄片，器件的長、寬、高分別為l、b、d。假設(shè)在垂直了薄片平面(沿厚度d)方向施加外磁場B，在沿1方向的兩個端面加一外電場，那么有一定的電流流過。由于電子在磁場中運動，所以將受到一個洛侖磁力，其大小為：f=qVB式中：f一洛侖磁力，q一載流子電荷，V一載流子運動速度，B一磁感應(yīng)強(qiáng)度。這樣使電子的運動軌跡發(fā)生偏移，在霍爾元器件薄片的兩個側(cè)面分別產(chǎn)生電子積聚或電荷過剩，形成霍爾電場，霍爾元器件兩個側(cè)面間的電位差U稱為霍爾電壓?；魻栯妷捍笮椋篣=R×I×B/d(mv)式中：R。一霍爾常數(shù)，d一元件厚度，B一磁感應(yīng)強(qiáng)度，I一控制電流設(shè)K=R/d，那么U=K×I×B/d(mv)為霍爾器件的靈敏系數(shù)(mV/mA/T)，它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.。應(yīng)注意，當(dāng)電磁感應(yīng)強(qiáng)度B反向時，霍爾電動勢也反向。假設(shè)控制電流保持不變：那么霍爾感應(yīng)電壓將隨外界磁場強(qiáng)度而變化，根據(jù)這一原理，可以將兩塊永久磁鋼固定在電動機(jī)轉(zhuǎn)軸止轉(zhuǎn)盤的邊沿，轉(zhuǎn)盤隨被測軸旋轉(zhuǎn)，磁鋼也將跟著同步旋轉(zhuǎn)，在轉(zhuǎn)盤附近安裝一個霍爾元件，轉(zhuǎn)盤隨軸旋轉(zhuǎn)時，霍爾元件受到磁鋼所產(chǎn)生的磁場影響，輸出脈沖信號。傳感器內(nèi)置電路對該信號進(jìn)行放大、整形，偷出良好的矩形脈沖信號，測量頻率范圍更寬，輸出信號更精確穩(wěn)定，已在工業(yè)，汽車，航空等測速領(lǐng)域中得到下泛的應(yīng)用。其頻率和轉(zhuǎn)速成正比，測出脈沖的周期或頻率即可計算出轉(zhuǎn)速。2、霍爾傳感器的特性：霍爾傳感器是一種基于霍爾效應(yīng)的磁傳感器?；魻杺鞲衅骺梢詸z測磁場及其變化，可在各種與磁場相關(guān)的場合中應(yīng)用，霍爾傳感器具有許多優(yōu)點，其結(jié)構(gòu)牢固，體積小，質(zhì)量輕，壽命長，安裝方便，功能消耗小，頻率高，耐震動，不怕灰塵，油污，水汽及鹽霧等的污染或腐蝕?；魻杺鞲衅骺芍苯佑糜跈z測磁場或磁特性，也可以通過在校檢對象上人為設(shè)置的磁場，來檢測許多非電、非磁的物理量，例如力、力矩、壓力、應(yīng)力、位置、位移、速度、加速度.角度、角速度，轉(zhuǎn)數(shù)、轉(zhuǎn)速以及工作狀態(tài)發(fā)生變化的時間等，還可轉(zhuǎn)換成電量來進(jìn)行檢測和控制。五、信號調(diào)理電路信號調(diào)理電路為系統(tǒng)的前級電路，安裝時霍爾傳感器對準(zhǔn)轉(zhuǎn)盤上的磁鋼，當(dāng)轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)時，從霍爾傳感器的輸出端獲得與轉(zhuǎn)速率成正比的脈沖信號，傳感器內(nèi)置電路對該信號進(jìn)行放大、整形，輸出良好的矩形脈沖信號，便于單片機(jī)對其進(jìn)行計數(shù)。信號調(diào)理電路六、數(shù)碼管結(jié)構(gòu)和顯示原理數(shù)碼管按發(fā)光二極管單元連接方式分為共陽極數(shù)碼瞥和共陰極數(shù)碼管。共陽數(shù)碼管是指將所有發(fā)光二極管的陽極接到一起形成公共陽極(COM)的數(shù)碼管。共陽數(shù)碼管在應(yīng)用時應(yīng)將公共極COM接到+5v，當(dāng)某一字段發(fā)光二極管的陰極為低電平時，相應(yīng)字段就點亮。當(dāng)某一字段的陰極為高電平時，相應(yīng)字段就不亮，共陰數(shù)碼管是指將所有發(fā)光二極管的陰極接到一起形成公共陰極(COM)的數(shù)碼管。共陰數(shù)碼管在應(yīng)用時應(yīng)將公共極COM接到地線GND上，當(dāng)某一字段發(fā)光二極管的陽極為高電平時，相應(yīng)字毀就點亮，當(dāng)某一字段的陽極為低電平時，相應(yīng)字段就不亮。七、AT89C52單片機(jī)簡述主要功能特性：

·兼容MCS51指令系統(tǒng)·8k可反復(fù)擦寫(>1000次〕FlashROM

·32個雙向I/O口·256x8bit內(nèi)部RAM

·3個16位可編程定時/計數(shù)器中斷·時鐘頻率0-24MHz

·2個串行中斷·可編程UART串行通道

·2個外部中斷源·共6個中斷源

·2個讀寫中斷口線·3級加密位

·低功耗空閑和掉電模式·軟件設(shè)置睡眠和喚醒功能89c52單片機(jī)個引腳的原理與功能VCC:供電電壓GND：接地P0口：Ｐ０口為一個８位漏極開路雙向Ｉ／Ｏ口，沒腳可吸收８ＴＴＬ門電路，當(dāng)Ｐ１口的電路第一次寫１時，被定義為高阻輸入。P0能夠用于外部數(shù)據(jù)存儲器，它被定義數(shù)據(jù)/地址的第八位在flash編程時，P0口作為原碼輸入口，當(dāng)flash進(jìn)行校驗時，P0口輸出原碼，此時P0口外部必須拉高。P1口：P1口是一個內(nèi)部提供上拉電阻的8位雙向I/O口，P1口緩沖器能接收輸出4TTL門電流。P1口管腳寫入1后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入，P1口被外部下拉為低電平時，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故，在flash在編程和校驗時，P1口作為第八位地址接收。P2口：P2口為一個內(nèi)不上拉的8雙向I/O口，P2緩沖器可接收，輸出4個TTL門電流，當(dāng)P2口被寫“1”時，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時，P2口管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內(nèi)部上啦的緣故。P2口當(dāng)用于外部程序存儲或16位地址外部數(shù)據(jù)存儲器進(jìn)行存取時，P2口輸出地址的高八位。在給出地址“1P3口：P3口管腳是8個帶內(nèi)部上拉電阻的雙向I/O口，可接受輸出4個TTL門電流。當(dāng)P3口寫入“1”后，它們被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平，P3口將輸出電流〔ILL〕這是由于上拉的緣故。P3口作為AT89cP3.0RXD(串行輸入口)P3.1TXD(串行輸出口)P3.2/INT0(外部中斷0)P3.3/INT1(外部中斷1)P3.4T0(計時器0外部輸入)P3.5T1(計時器1外部輸入)P3.6/WR(外部數(shù)據(jù)存儲器寫通道)P3.7/RD(外部數(shù)據(jù)存儲器讀通道)REST:復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器復(fù)位器件時，要保持REST腳兩個機(jī)器周期的高電平時間。ALE/PROG:當(dāng)訪問外部存儲器時，地址鎖存允許的輸出電平喲公寓鎖存地址的低位字節(jié)。在flash編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時，ALE斷以不變的頻率周期輸出正脈沖信號，此頻率為震蕩頻率的1/6.因此他可以用作外部輸出的脈沖或用于定時目的。然而要注意的是：沒到那個用作外部數(shù)據(jù)存儲器時，將跳過一個ALE脈沖。如果想禁制ALE的輸出可在SFR8EH地址上置0.此時，ALE只有執(zhí)行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用，另外，該引腳被略微拉高。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài)ALE禁止，置位無效。/PSEN：外部程序存儲器的選通信號。在由外部程序存儲器取指期間，每個機(jī)器周期兩次/PSEN有效，89c52引腳圖八、單片機(jī)與數(shù)碼管的接線圖九、課程設(shè)計感受在實踐中，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、運轉(zhuǎn)和控制中，常需要測量和顯示其轉(zhuǎn)速。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(jī)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、圓光柵、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(jī)的廣泛應(yīng)用，特別是高性能價格比的單片機(jī)的出現(xiàn)，轉(zhuǎn)速測量普遍采用以單片機(jī)為核心的數(shù)字式測量方法，智能化微電腦代替了一般機(jī)械式或模擬式結(jié)構(gòu)。經(jīng)過2周的辛勤努力，學(xué)習(xí)了霍爾傳感器測速原理及相關(guān)器件的性能特點與用法等知識，查閱了關(guān)于單片機(jī)的各方面的資料，實現(xiàn)了“基于霍爾傳感器的電機(jī)轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)設(shè)計〞的根本要求。所設(shè)計的系統(tǒng)具有以下功能：1.設(shè)計采用89C52單片機(jī)作為測量轉(zhuǎn)速的主CPU芯片，系統(tǒng)硬件設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單合理，本錢低，實時性好。2.測速系統(tǒng)采用霍爾傳感器作為敏感速率信號，具有頻率響應(yīng)快，抗干擾能力強(qiáng)等特點?；魻杺鞲衅鞯妮敵鲂盘柦?jīng)信號調(diào)理后，通過單片機(jī)對連續(xù)脈沖計數(shù)來實現(xiàn)轉(zhuǎn)速測量，充分利用了單片機(jī)的內(nèi)部資源，有很高的性價比。3.采用1602LCD顯示測速值，直觀、穩(wěn)定，易于實現(xiàn)，該顯示方式可以推廣到其他工程應(yīng)用領(lǐng)域。4.采用Proteus進(jìn)行了軟仿真，繪制出電機(jī)轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)的硬件電路，調(diào)試結(jié)果說明所設(shè)計的硬件電路正確。5.測速系統(tǒng)的功能還有待進(jìn)一步擴(kuò)充，如判別轉(zhuǎn)速方向的能力，電路布局和抗干擾方面還有很大的提升空間附錄一：總體電路圖附錄二:單片機(jī)程序#include<reg52.h>#defineucharunsignedchar#defineuintunsignedintuintmm=1234;Ucharcodetable[]={0x3F,0x06,0x5B,0x4F,0x66,0x6D,0x7D,0x07,0x7F,0x6F};delay(uintm){ uinti,j; for(i=m;i>0;i--) for(j=60;j>0;j--);