國(guó)家開放大學(xué)-傳感器與測(cè)試技術(shù)實(shí)驗(yàn)報(bào)告-實(shí)驗(yàn)

1.1系統(tǒng)組成框圖系統(tǒng)由傳感器、信號(hào)預(yù)處理電路、處理器、顯示器和系統(tǒng)軟件等部分組成。傳感器部分采用霍爾傳感器，負(fù)責(zé)將電機(jī)的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)化為脈沖信號(hào)。信號(hào)預(yù)處理電路包含待測(cè)信號(hào)放大、波形變換、波形整形電路等部分，其中放大器實(shí)現(xiàn)對(duì)待測(cè)信號(hào)的放大,降低對(duì)待測(cè)信號(hào)的幅度要求，實(shí)現(xiàn)對(duì)小信號(hào)的測(cè)量；波形變換和波形整形電路實(shí)現(xiàn)把正負(fù)交變的信號(hào)波形變換成可被單片機(jī)接受的TTL/CMOS兼容信號(hào)。處理器采用AT89C51單片機(jī)，顯示器采用8位LED數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示。本課題采用的是以8051系列的AT89C51單片機(jī)為核心開發(fā)的霍爾傳感器測(cè)轉(zhuǎn)速的系統(tǒng)。系統(tǒng)硬件原理框圖如圖1所示：1.2系統(tǒng)工作原理轉(zhuǎn)速是工程上一個(gè)常用的參數(shù)，旋轉(zhuǎn)體的轉(zhuǎn)速常以每分鐘的轉(zhuǎn)數(shù)來(lái)表示。其單位為r／min。由霍爾元件及外圍器件組成的測(cè)速電路將電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換成脈沖信號(hào)，送至單片機(jī)AT89C51的計(jì)數(shù)器T0進(jìn)行計(jì)數(shù)，用T1定時(shí)測(cè)出電動(dòng)機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速。此系統(tǒng)使用單片機(jī)進(jìn)行測(cè)速，采用脈沖計(jì)數(shù)法，使用霍爾傳感器獲得脈沖信號(hào)。其機(jī)械結(jié)構(gòu)也可以做得較為簡(jiǎn)單，只要在轉(zhuǎn)軸的圓盤上粘上兩粒磁鋼，讓霍爾傳感器靠近磁鋼，機(jī)軸每轉(zhuǎn)一周，產(chǎn)生兩個(gè)脈沖，機(jī)軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生連續(xù)的脈沖信號(hào)輸出。由霍爾器件電路部分輸出，成為轉(zhuǎn)速計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)脈沖?？?.2系統(tǒng)工作原理轉(zhuǎn)速是工程上一個(gè)常用的參數(shù)，旋轉(zhuǎn)體的轉(zhuǎn)速常以每分鐘的轉(zhuǎn)數(shù)來(lái)表示。其單位為r／min。由霍爾元件及外圍器件組成的測(cè)速電路將電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換成脈沖信號(hào)，送至單片機(jī)AT89C51的計(jì)數(shù)器T0進(jìn)行計(jì)數(shù)，用T1定時(shí)測(cè)出電動(dòng)機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速。此系統(tǒng)使用單片機(jī)進(jìn)行測(cè)速，采用脈沖計(jì)數(shù)法，使用霍爾傳感器獲得脈沖信號(hào)。其機(jī)械結(jié)構(gòu)也可以做得較為簡(jiǎn)單，只要在轉(zhuǎn)軸的圓盤上粘上兩粒磁鋼，讓霍爾傳感器靠近磁鋼，機(jī)軸每轉(zhuǎn)一周，產(chǎn)生兩個(gè)脈沖，機(jī)軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生連續(xù)的脈沖信號(hào)輸出。由霍爾器件電路部分輸出，成為轉(zhuǎn)速計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)脈沖?？鼗魻栯妷捍笮椋菏街校篟H—霍爾常數(shù)，d—元件厚度，B—磁感應(yīng)強(qiáng)度，I—控制電流KH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(dòng)勢(shì)的大小。應(yīng)注意，當(dāng)電磁感應(yīng)強(qiáng)度B反向時(shí)，霍爾電動(dòng)勢(shì)也反向。圖2為霍耳元件的原理結(jié)構(gòu)圖。若控制電流保持不變，則霍爾感應(yīng)電壓將隨外界磁場(chǎng)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(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上轉(zhuǎn)盤的邊沿，轉(zhuǎn)盤隨被測(cè)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(gè)霍爾元件，轉(zhuǎn)盤隨軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，霍爾元件受到磁鋼所產(chǎn)生的磁場(chǎng)影響，輸出脈沖信號(hào)。傳感器內(nèi)置電路對(duì)該信號(hào)進(jìn)行放大、整形，輸出良好的矩形脈沖信號(hào)，測(cè)量頻率范圍更寬，輸出信號(hào)更精確穩(wěn)定，已在工業(yè)，汽車，航空等測(cè)速領(lǐng)域中得到廣泛的應(yīng)用。其頻率和轉(zhuǎn)速成正比，測(cè)出脈沖的周期或頻率即可計(jì)算出轉(zhuǎn)速。2.基于霍爾傳感器測(cè)轉(zhuǎn)速系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)2.1系統(tǒng)硬件電路2.2系統(tǒng)總電路仿真圖3.基于霍爾傳感器測(cè)轉(zhuǎn)速系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)軟件為主程序、數(shù)據(jù)處理顯示程序、定時(shí)器中斷服務(wù)程序三個(gè)部分。（1）主程序主要完成初始化功能，包括LED顯示的初始化，中斷的初始化，定時(shí)器的初始化，寄存器、標(biāo)志位的初始化等。主程序流程圖如圖5所示。（2）數(shù)據(jù)處理顯示模塊程序。此模塊中單片機(jī)對(duì)在1秒內(nèi)的計(jì)數(shù)值進(jìn)行處理，轉(zhuǎn)換成r/min送顯示緩存以便顯示。具體算法如下:設(shè)單片機(jī)每秒計(jì)數(shù)到n個(gè)值，即n/2(r/s)(圓盤貼兩個(gè)磁鋼)。則n/2(r/s)=30n(r/min)。即只要將計(jì)數(shù)值乘以30便可得到每分鐘電機(jī)的轉(zhuǎn)速。數(shù)據(jù)處理顯示模塊流程圖如圖6所示。（3）定時(shí)器1中斷服務(wù)程序設(shè)計(jì)。定時(shí)器1完成計(jì)時(shí)功能，定時(shí)50ms，進(jìn)行定時(shí)中斷計(jì)數(shù)并每隔1s更新一次顯示數(shù)據(jù)。流程圖如圖7所示。4.制作調(diào)試4.1硬件調(diào)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)。安裝固定電機(jī)和霍爾傳感器時(shí)，粘貼磁鋼需注意，霍爾傳感器對(duì)磁場(chǎng)方向敏感，粘貼之前可以先手動(dòng)接近一下傳感器，如果沒(méi)有信號(hào)輸出，可以換一個(gè)方向再試?；魻杺鞲衅魈筋^要對(duì)準(zhǔn)轉(zhuǎn)盤上的磁鋼位置，安裝距離要在10mm以內(nèi)才可靈敏的感應(yīng)磁場(chǎng)變化。在磁場(chǎng)增強(qiáng)時(shí)霍爾傳感器輸出低電平，指示燈亮；磁場(chǎng)減弱時(shí)輸出高電平，指示燈熄滅。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(jué)上指示燈不會(huì)有多大的閃爍感。當(dāng)給NJK8002D型霍爾傳感器施加15V電壓時(shí)其輸出端可以輸出4V的感應(yīng)電壓。輸出幅值為4V的矩形脈沖信號(hào)。5.2軟件調(diào)試測(cè)量系統(tǒng)與PC機(jī)連接時(shí)一定要先連接串行通信電纜，然后再將其電源線插入U(xiǎn)SB接口；拆除時(shí)先斷開其電源，再斷開串行通信電纜，否則極易損壞PC機(jī)的串口。在進(jìn)行軟件編程調(diào)試時(shí)需要用到單片機(jī)的集成開發(fā)環(huán)境MedWinV2.39軟件，編程時(shí)極易出現(xiàn)誤輸入或其他的一些語(yǔ)法錯(cuò)誤，最重要的還有一些模塊無(wú)語(yǔ)法錯(cuò)誤卻達(dá)不到預(yù)期的功能，都要經(jīng)過(guò)調(diào)試才能排除。MedWinV2.39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。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(jī)內(nèi)存單元對(duì)應(yīng)的運(yùn)行值，可以顯示單片機(jī)端口、中斷、定時(shí)器1、定時(shí)器2還有串口對(duì)應(yīng)的運(yùn)行值?？梢詥尾秸{(diào)試也可以模塊調(diào)試，最好的是可以對(duì)你所懷疑的語(yǔ)句模塊設(shè)置斷點(diǎn)。MedWinV2.39具有的強(qiáng)大的編譯調(diào)試功極大地方便了對(duì)軟件部分的調(diào)試。在具體調(diào)試過(guò)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、LED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。編譯無(wú)誤后生成目標(biāo)代碼BIN文件。采用AT單片機(jī)下載相應(yīng)的軟件，將其下載到實(shí)驗(yàn)板的單片機(jī)中。下載軟件的最后一步：點(diǎn)擊軟件界面中的[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。最后將硬件和軟件結(jié)合起來(lái)整體調(diào)試實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的測(cè)速功能。5.測(cè)試結(jié)果分析設(shè)計(jì)基本完成題目中的各項(xiàng)要求，其中電機(jī)轉(zhuǎn)速的測(cè)量比較精確，與實(shí)際轉(zhuǎn)速相差10轉(zhuǎn)/分左右，精度在全量程范圍內(nèi)優(yōu)于10轉(zhuǎn)/分，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(jī)的轉(zhuǎn)盤是采用塑料盤片磨制而成，高速旋轉(zhuǎn)時(shí)容易打飄不穩(wěn)，導(dǎo)致獲得的脈沖信號(hào)頻率與實(shí)際轉(zhuǎn)速有一定的誤差。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。3)在固定裝置時(shí)，由于是手動(dòng)操作，從而導(dǎo)致初始獲得信號(hào)有一定的時(shí)差。結(jié)論：霍爾傳感器具有不怕灰塵、油污，安裝簡(jiǎn)易，不易損壞等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)得到了廣泛應(yīng)用。利用霍爾傳感器設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)以單片