毕业设计基于霍尔传感器的电机测速装置的设计与实现.docx
《毕业设计基于霍尔传感器的电机测速装置的设计与实现.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《毕业设计基于霍尔传感器的电机测速装置的设计与实现.docx（38页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
毕业设计基于霍尔传感器的电机测速装置的设计与实现
毕业设计--基于霍尔传感器的电机测速装置的设计与实现
广东白云学院
毕业设计（论文）开题报告
题目：
基于霍尔传感器的控制电机测速装置
的设计与实现
课题类型：
论文□设计□
学生姓名
学号：
班级：
07自动化2班
专业（全称）：
自动化
系别：
电子信息工程系
指导教师：
2010年10月
基于霍尔传感器的电机测速装置的设计与实现
摘要
在工业生产生活中，经常会遇到各种需要测量转速的场合，例如在发电机、电动机、机床主轴等旋转设备的实验运转和控制中，常需要分时或连续测量、显示其转速及瞬时速度。
为了能精确地测量转速，还要保证测量的实时性，要求能测的瞬时速度。
针对工业上常见的发动机设计了以单片机STC89C52为控制核心的转速测量系统，本文介绍基于霍尔传感器的电机测速系统，该系统利用霍尔传感器采集脉冲信号，通过定时计数法程序，将转速结果实时显示出来。
实际测试表明,该系统能满足发动机转速测量要求。
关键词:
单片机;电机测速系统;霍尔传感器;定时
SENSORBASEDONHALLOFMOTORSPEEDDEVICEDESIGN
ABSTRACT
Inthecourseofindustrialproductioninlifeoftenneedtomeasurespeedencountervariousoccasions.Forexample,ATtheenginesmotorsmachinetoolspindlesandotherrotatingequipment’soperationandcontrolofthepioltoftenneedfrequenttime-sharingorcontinuousmeasurementsshowitsspeedandinstantaneousvelocity.Inordertoaccuratelymeasured.TherotatespeemeasurementsystemforthecommonengineisdesignedwiththesinglechipSTC89C52.Thispaperinroducesamicrocomputer-basedhallsensorspeedsystem,thesyetemusesHallsensorpulsesignalcollectedthroughthetimercountingalgorithmprograms,willspeedtheresultsofreal-timedisply.Theresultoftheexperimentshowsthatthemeasurementsystemisabletosatisfytherequirementoftheenginerotatespeedmeasurement.
Keywords:
Single-chip;MotorSpeedSystem;Hallsensor;Timing
第1章绪论
1.1基于霍尔传感器的电机测速装置的现状
霍尔传感器是利用霍尔效应实现磁电转换的一种传感器，我国从７Ｏ年代开始研究霍尔器件，经过２０余年的研究和开发，目前已经能生产各种性能的霍尔元件，霍尔传感器具有灵敏度高、线性度好、稳定性高、体积小和耐高温等特点。
测速装置在电机控制系统中占有非常重要的地位。
所设计的基于霍尔元件的脉冲发生器要求成本低、构造容易、性能好。
在电机电气系统中存在着较为恶劣的电磁环境下，具有较强的抗各种干扰脉冲的能力，同时不受脉 冲干扰引起输出信号的不稳定。
霍尔传感器的电机测速装置由单片机控制,能够做出使电机加速，减速的动作,还能够精确测速电机的转速，来控制电机的工作情况等多种功能。
因此，霍尔传感器的电机测速装置的设计在目前的生活中应用非常广泛，比如机车的行驶测速，工厂自动电机停开，汽车行驶速度显示，温室机器人的精密控制等技术领域，也可应用于复杂恶劣的航天航空工作环境，具有良好的民用和军用应用前景。
a）1.2课题的研究背景和意义及研究内容
霍尔传感器的电机测速装置可以看成简单的“计数器”,从发展趋势上看，霍尔传感器的电机测速装置设计研究方向是提出质量更精确的测速方案，以及在考虑在复杂的环境中工作也能保持性能的稳定性。
加上该设计将来会广泛应用国民的生活生产中去，越来越多的搞高校也都很重视该题目的研究。
霍尔传感器的电机测速装置的设计要涉及自动化专业的许多课程，包括模拟电路，数字电路，自动控制原理，单片机原理，直流电机调速技术等，在制作过程中需要应用很多所学的专业知识.因此,选择设计霍尔传感器的电机测速装置具有现实的意义
霍尔传感器的电机测速装置设计，是检测电机的转速来监控电机的运行状况，因此，需解决两方面的基本问题：
一是在电机转动过程中利用传感器感知电机运行环境;二是采用适当的算法进行电机的速度控制。
其设计内容涵盖机械，单片机，自动控制，电子电路，传感技术等多个学科的知识领域，本系统的设计采用STC89C52单片机为控制核心，利用霍尔传感器检测电机转速信号，通过单片机处理信号，在LCD液晶屏显示转速，并且控制电机转速快慢，并可以自动记录运行时间。
整个系统的电路结构简单，可靠性能高。
此项目的研究目标随着随着半导体集成电路，电力电子器件，控制原理和稀土材料工业的发展，可以预见这种产品必然会逐步取代传统结构测速模式，近年来已广泛应用于家电、汽车、数控机床、机器人等更多的领域。
第二章基于霍尔传感器的电机测速装置总体方案设计
b）2.1系统原理框图设计
系统原理框图如图2.1所示，是一个带按键输入和显示的闭环测量控制系统。
主体思想是通过系统设定信息和测量反馈信息计算转速的大小。
电机驱动电路
图2.1：
系统总模块化方框图
各硬件部分的简介：
1.单片机STC89C52：
为系统的主控处理芯片，负责速度信号处理，电机控制系统，LCD显示器驱动与各反馈系统。
2.LCD显示器电路：
显示电机的转速与该系统运行的时间。
3.电机驱动电路：
通过L298N的控制驱动电机运转。
4.控制按键电路：
通过控制按键，可以实现电机的转速快慢的改变。
5.电机转速信号采集电路：
采集电机的转速信号传送给单片机进行处理。
2.2总体方案的论证
方案一：
采用一片单片机（STC89C52）完成系统电机驱动、转速测量、LCD显示、按键控制，并输出PWM控制信号。
方案二：
采用两片单片机（STC89C52）,其中一片做成电机驱动控制系统，专门电机驱动和PWM控制信号输出；另一片则系统主芯片，完成电机速度的按键设定、转速测量、LCD显示，并向电机驱动控制系统提供设定值和测量值，设定PWM信号控制速度等。
方案一的优点是系统硬件简单，控制及时有效。
但是对这个设计来说，一片单片机足够处理程序任务，处理难度不大，在资源有限的情况下，节约成本，在应用生产中，市场价格会比较有利。
方案二则与方案一相反，硬件增加，但在程序设计上比较复杂，加大设计成本，虽然优化键盘，显示及扩展其它功能。
但是在国家提构建倡节约性社会，在完成相同任务的条件下，使用最少的资源方案选择。
因此通过比较，选择方案一。
方案一：
脉冲计数法。
在单位时间内对位置脉冲信号计数，以获数为M，则每分钟的转速：
N=M/S×70。
方案二：
脉冲周期发：
是通过定时器记录脉冲的周期T，这样每分钟的转速：
N=70/T。
比较两个方案，方案一的误差主要是±2误差（量化误差），设电机的最低设计转速为220转/分，则记数时间S=2s，所以其误差得绝对值：
|γ|=|（N±2）/S×70-N/S×70|=70（转/分）
误差计算公式表明，增大记数时间可以提高测量精度，但这样做却增大了速度采样周期，会降低系统控制灵敏度。
而方案二所产生的误差主要是标准误差，并且使采样时间降到最短，误差：
γ=[70/（T±2）-70/T]
设电机速度在220—7000转/分之间，那么0.02s≤T≤0.5s，代入公式得：
0.00025
≤|γ|≤0.7（转/分）。
由此明显看出,方案二在测量精度及提高系统控制灵敏度等方面优于方案一，所以本设计采用方案二。
方案一：
采用专用小型直流电机驱动芯片。
这个方案的优点是驱动电路简单，几乎不添加其它外围元件就可以实现稳定的控制，使得驱动电路功耗相对较小，而且目前市场上此类芯片种类齐全，价格也比较便宜。
方案二：
直流电机驱动电路使用最广泛的就是H型全桥式电路，这种驱动电路可以很方便实现直流电机的四象限运行，分别对应正转、正转制动、反转、反转制动，这种电路由于工作在管子的饱和截止模式下，效率非常高；H型电路保证了可以简单地实现转速和方向的控制；电子开关的速度很快，稳定性也极佳，是一种广泛采用的PWM调速技术
通过比较和对市场价格发展前景因素的考虑，本设计采用方案二，使系统的设计核心在测速的控制上。
键盘显示方案论证
方案一：
采用独立键盘接口，独立式按键是指直接用I/O口线构成单个的按键电路。
每一个独立式按键单独占用一根I/O口线。
使用2个按键，进行逐位设置。
优点是美观大方，有利于人与系统的交互，及显示内容的扩展；缺点是成本高，抗干扰能力教差。
方案二：
采用矩阵键盘，可直接输入设定值。
显示部分使用LCD液晶显示，优点是显示亮度大，缺点是功耗大，不符合智能化趋势而且不美观。
为了系统容易扩展、操作以及美观，本设计完全采用方案一。
方案一：
采用数码管作为显示，数码管由7个发光二极管组成，行成一个日字形，它门可以共阴极，也可以共阳极。
通过解码电路得到的数码接通相应的发光二极而形成相应的字符。
它可以显示从0到9的数字。
但是在设计显示的内容比较多的时候，就不太适用数码管。
方案二：
采用LCD液晶显示器相比，数码管没有液晶显示器那样的显示效果，也没有液晶显示器做图形界面具有人机交互美观的特点，可以同时显示不同的内容。
显示质量高，价格也不贵，在市场中采LCD显示已成为趋势。
通过比较考虑，本设计采用方案二，使系统的显示内容：
包括转速、运行时间，很清晰的显示出来。
2.2.6PWM软件实现方案论证
本设计采用了定频调宽方式，采用这种方式的优点是电动机在运转时比较稳定，并且在采用单片机产生PWM脉冲的软件实现上比较方便。
对于实现方式则有两种方案。
方案一：
采用定时器做为脉宽控制的定时方式，这一方式产生的脉冲宽度极其精确，误差只在几个us。
方案二：
采用软件延时方式，这一方式在精度上不及方案一，特别是在引入中断后，将有一定的误差。
本设计采用了一片STC89C52单片机，CPU资源对这个设记来说是充足，因此通过比较选择方案一。
2.3各模块的分析、计算与硬件电路设计
理论上，是先将转速转化为某一种电量来测量，如电压，电流等。
设计中将转速测量转化为电脉冲频率的测量。
基于这一思想，可以采用一对霍尔感应传感器，使输出信号的一只在转轮一侧固定，另一只则粘在对应位置的转轮上，这样，电机每转一圈，传感器将会输出一个脉冲，然后将脉冲通过单片机测量其频率求出转速。
由于现在的市场霍尔传感器有很多种类，选择的类型多，性能好，可以减少信号放大电路，直接把信号传给单片机，尤其霍尔元件SS49E传感器，这个型号的性能很适合这个设计。
如图2.3.1所示，在电机转轮一处接上霍尔传感器的感应磁片，这样，每转一圈，霍尔传感器就产生一个脉冲霍尔传感器就导通一次，OUT端输出一个上脉冲，即完成了转速／频率的转换。
图3.2转速/频率转化电路
2.3.2电机驱动电路的设计
本设计采用目前市场上较容易买到的L298N直流或步进电机驱动芯片，它采用单片集成塑装，是一个高电压、大电流全双桥驱动器，由标准的TTL电平控制。
L298N支持50V以内的电机控制电压，在直流运转条件下，可以通过高达2A的电流，因此它满足了一般小型电机的控制要求。
但是使用L298N驱动直流电机的电路，要注意l298N的两个电源的地线要连接起来，两个地线要是没接到一起，会有电压差，然后L298N会狂发热。
接法见图3.2，图中二极管的作用是消除电机的反向电动势，保护电路，因此采用整流二极管比较合适。
PWM控制信号由IN1、IN2输入。
通过加速/减少按键。
PWM控制信号也随之改变，电动机的速度就会发生变化。
根据设计任务的要求，ENA接控制使能端，通过过实验，本设计的驱动也可达到设计要求。
图3.2：
电机驱动电路
3.3LCD显示电路与STC89C52的接口设计
设计中采用的LCD——LCD1602。
接口，信号说明LCD1602采用标准的15引脚（无背光）或16引脚（带背光）接口，各引脚接口说明见下表。
与外部CPU接口采用并行或串行方式控制。
本设计采用并行方式控制，LCD与单片机的通讯接口电路如图3.3所示采用直连的方法，这样设计的优点是在不影响性能的条件下还不用添加其它硬件，简化了电路，降低了成本。
1602液晶接口引脚定义
编号
符号
引脚说明
编号
符号
引脚说明
1
VSS
电源地
9
D2
DateI/O
2
VDD
电源正极
10
D3
DateI/O
3
VL
液晶显示偏压信号
11
D5
DateI/O
4
RS
数据/命令选择端
（V/L）
12
D5
DateI/O
5
R/W
读/写选择端（H/L）
13
D7
DateI/O
6
E
使能信号
14
D7
DateI/O
7
D0
DateI/O
15
BLA
光源正极
8
D1
DateI/O
16
BLK
光源负极
图3.3：
LCD与单片机的通讯接口电路
第三章本系统各部分功能程序设计
3.1系统总程序框图设计
本设计软件主要为主程序、数据处理显示程序、按键程序设计、定时器中断服务程序四个部分。
主程序主要完成初始化功能，包括LCD显示的初始化，中断的初始化，定时器的初始化，寄存器、标志位的初始化等。
主程序流程图如图3.1所示。
图3.1主程序流程图
3.2电机转速测量程序设计
设计中考虑到电机的工作环境一般比较恶劣，因此除了硬件外，从程序上除了要更高的精确度也需要进行更多的抗干扰设计，从而实现软件的大范围检错、纠错或丢弃错误等。
在程序的设计过程中，对严重不符合要求的测量数据（如大于80转/秒对应的数据）进行了丢弃处理，而对于正常范围内的数据错误采用了采0取2求平均的算法。
实验表明，此方法降低了系统采集转速中出现的错误。
对于转速的测量方法，是通过速度脉冲信号下降沿触发单片机的外中断，中断服务子程序在某一个脉冲的下降沿开启定时器记时，然后在下一个下降沿关闭定时器，通过对定时器数据进行运算处理可以得到信号周期进而得到速度值。
其程序框图如图3.2。
可以看出，此方法下的采样周期是随转速变化的，转速越高采样越快。
通过这种非均匀的速度采样方式可以使电机在高速情况下，实现高速度高精度的控制。
3.3按键控制程序设计
键盘程序设计的任务是赋予各按键相应的功能，完成速度设定值的输入和向PWM控制器的发送。
2只按键一只用来位循环选择，告诉单片机要调整电机的转速快慢。
二只按键分别是减1、加1减。
在没有位选择的情况下对设定值整体保持不变；在有按键选择的情况下仅对相应位进行减1、加1，并且当按着不释放按键时电机还是保持原有的速度，同时允永久保持。
所以通过按键改变PWM值，从而实现设定控制。
程序框图如图3.3。
图3.2外中断0服务子程序框图
图3.3：
键盘电路程序框图
3.4LCD显示程序设计
LCD的详细使用过程可参阅对应型号的使用手册。
仅在本小节强调以下内容：
LCD使用的关键是根据显示需要正确地对其进行初始化设置，而一般情况下不用考虑如何向它读写指令或数据，因为制造厂商所给的使用资料里就附有驱动程序，如果没有也可以从网上搜索下载得到。
然而我们必须清楚那些初始化设置之间的关系，以及它是如何利用设置读取、显示数据字符的，不然就会发生一些不可预料的错误。
因此，熟读LCD驱动芯片使用手册也是一个关键环节。
LCD初始化子程序
LCD显示程序流程图框
图3.4LCD显示初程序流程图框和LCD初始化子程序
通常LCD的初始化包括复位设置、清除显示、地址归位、显示开关、游标设置、读写地址设置、反白选择以及睡眠模式等等。
实际中根据需要，正确、灵活地修改这些设置可以达到较为满意的显示效果。
LCD中所有汉字、数字和字符都可以通过它的ASCII码来访问显示；图象的显示是通过将相关软件（提取汉字、图象点阵数据程序）产生的数据按照LCD手册的要求完成响应设置后写入即可。
由于本设计中没有使用到图形显示，所以没有详述。
对于系统使用的汉字、字符和数据的LCD显示初始化程序和写数据程序框图见图3.4
3.5PWM信号的单片机程序实现
51系列单片机提供了非常丰富的资源，它除了拥有4个通用并口和1个串口外，还有外部中断和内部定时器等。
而且，不同的型号还集成有不同的功能，比如STC89C52的ROM都比较大，这样存储空间可以满足一般的编程需要，而不必去构建程序存储器，既提高了工作效率和系统的稳定性，又降低了生产成本。
基于STC89C52单片机的PWM软件实现的重要硬件支撑是该单片机内部的定时器。
在STC89C522内实现PWM的基本过程：
首先选定脉冲的频率T，然后根据控制信号的变化范围，这里假设是（0～5V），则可以求出t时刻通过控制信号V（t）的对应脉冲的正、负脉冲持续时间。
这两个时间长度在单片机里是通过给定时器赋相应的初值而得，即定时器获得这样的定时初值后就在机器周期的同步下，从这个初值加2计数，定时器满时则产生相应时间长度的溢出中断，再利用这个中断所响应的服务程序去控制单片机某一引脚相应的正、负电平极性的持续时间。
如果上述过程连续进行，就可在这个引脚获得宽度随控制信号V（t）大小变化的PWM方波信号。
其程序框图见图3.5
图3.5:
产生PWM控制信号程序框图
第四章本系统的实现与调试
4.1制作PCB过程与步骤
制作本设计的PCB电路版，考虑到市场经济条件，再加上制作的成本，制作的工艺，所以选择制作覆铜的单层PCB版，这样简单，经济实惠。
而且制作的效果非常好。
第一步：
你得准备好单层的铜板和三氯化铁FeCl3（这两个市场上有买），你还得有一喷墨（碳）打印机，以及一台PCB版制作转印机。
第二步：
在EDA工具中把EDAPCB/PCBjishu/"target="_blank"class="infotextkey">PCB图画好（例如PROTELDXP）然后用喷墨打印机打印在油性的纸上。
第三步：
把打印好的图纸贴在铜板上，然后用PCB版制作转印机，进行压缩加热，大概5分钟左右，这时碳就附在了铜板上了。
第四步：
然后把铜板拿到三氯化铁FeCl3溶液里面腐蚀，三氯化铁FeCl3的溶液最好是热的，最好的用开水熔化三氯化铁FeCl3，然后把铜板放进三氯化铁FeCl3溶液里面腐蚀。
大概20分钟后，将铜板拿起来，用水冲干净，晾干。
第五步：
将电路板以ＣＮＣ钻孔机钻出层间电路的导通孔道及焊接零件的固定孔。
钻孔时用插梢透过先前钻出的靶孔将电路板固定于钻孔机床台上，同时加上平整的下垫板（酚醛树酯板或木浆板）与上盖板（铝板）以减少钻孔毛头的发生。
根据以上步骤我们单层PCB的制作就可以完成了如附图2。
4.2焊接硬件电路
因为PCB版已经制作好了，所以只需要将电子器件按照电路图PCB版的电子器件（详见电子器件附录）排布焊接，就可以了，所以过程也十分简单。
但是焊接的过程中需要注意一些问题：
当我们把焊锡融化道烙铁头上时，焊锡丝重的焊剂伏在焊料表面，由于烙铁头温度一般都再250℃－350℃以上，当烙铁放道焊点上之前，松香焊剂将不断挥发，而当烙铁放到焊点上时由于焊件温度低，加热还需一段时间，在此期间焊剂很可能挥发大半甚至完全挥发，因而在润湿过程中由于缺少焊剂而润湿不良。
同时由于焊料和焊件温度差很多，结合层不容易形成，很难避免虚焊。
更由于焊剂的保护作用丧生后焊料容易氧化，质量得不到保证就在所难免了。
所以焊接的时候我们要特别注意下细节，不然的话容易出错。
4.3硬件部分测试
硬件调试时先分步调试硬件中各个功能模块，调试成功后再进行统调。
安装固定电机和霍尔传感器时，粘贴磁钢需注意，霍尔传感器对磁场方向敏感，粘贴之前可以先手动接近一下传感器，如果没有信号输出，可以换一个方向再试。
霍尔传感器的测试信号调试：
霍尔传感器探头要对准转盘上的磁钢位置，安装距离要在2CM以内才可灵敏的感应磁场变化。
在磁场增强时霍尔传感器输出低电平，指示灯亮；磁场减弱时输出高电平，指示灯熄灭。
当电机转动时，感应电压指示灯高频闪烁，所以视觉上指示灯不会有多大的闪烁感。
当给霍尔元件SS49E型霍尔传感器施加25V电压时其输出端可以输出5V的感应电压。
输出幅值为5V的矩形脉冲信号。
键盘控制调试：
键盘是实现人机对话的必要设备，用户可用键盘向计算机输入数据或命令。
本系统采用独立键盘接口，独立式按键是指直接用I/O口线构成单个的按键电路。
每一个独立式按键单独占用一根I/O口线。
其接口电路如图4.3所示。
独立式按键接口电路配置灵活，软件结构简单。
但每个按键要占用一根I/O口线，适用于按键数量少的键盘。
电路中，按键输入低电平有效。
按键未按时没有有上拉电阻保证此时输入为低电平。
图4.3按键控制电路
LCD1602显示调试：
请先确保option/debugger选择的是FETDebugger！
然后检查LCD接口电路，有时候接触不良也会不亮的。
我遇到一些LCD不亮的板子，大部分都是焊接不良才导致不亮的。
检查下程序里watchdog的设置，要及时清除watchdog的！
最后显示出结果如4.4图就是正常的
4.4图LCD1602正常显示
L298N驱动电路调试：
在焊接硬件电路时需细心排除元器件和焊接等方面可能出现的故障，元器件的安装位置出错或引脚插错都可能导致电路短路或实现不了电路应有的功能，甚至烧坏元器件。
为方便调试，用信号发生器产生的10KHz的正弦信号送给L298N驱动电路，调试直到OUT1和OUT2可以输出矩形脉冲信号为止，该驱动电路调试即可完成。
通过以上的电路功能调试，就可以确定电路设计的问题所在可以及时进行更改。
达到最佳的设计效果。
4.4软件部分调试
在进行软件编程调试时需要用到单片机的集成开发环境KeiluVision3软件，编程时极易出现误输入或其他的一些语法错误，最重要的还有一些模块无语法错误却达不到预期的功能，都要经过调试才能排除。
KeiluVision3软件具有很强大的编程调试功能，能够模拟仿真实际单片机的端口和内部功能部件的状态值。
该软件中有硬件调试和软件调试功能，可以观察单片机内存单元对应的运行值，可以显示单片机端口、中断、定时器2、定时器2还有串口对应的运行值。
可以单步调试也可以模块调试，最好的是可以对你所怀疑的语句模块设置断点。
KeiluVision3具有的强大的编译调试功极大地方便了对软件部分的调试。
在具体调试过程中，系统将各功能模块如数
升级会员 