毕业设计(论文)基于霍尔传感器的电机测速装置的设计与实现Word下载.doc
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目录
第1章绪论 5
1.1基于霍尔传感器的电机测速装置的现状 6
1.2课题的研究背景和意义及研究内容 6
第二章基于霍尔传感器的电机测速装置总体方案设计 7
2.1系统原理框图设计 8
2.2总体方案的论证 8
2.2.1系统结构方案论证 8
2.2.2转速测量方案论证 9
2.2.3电机驱动方案论证 9
2.2.4键盘显示方案论证 10
2.2.5转速显示方案论证 10
2.2.6PWM软件实现方案论证 11
2.3各模块的分析、计算与硬件电路设计 11
2.3.1转速测量电路的设计 11
2.3.2电机驱动电路的设计 12
2.3.3LCD显示电路与STC89C52的接口设计 12
第三章本系统各部分功能程序设计 13
3.1系统总程序框图设计 13
3.2电机转速测量程序设计 14
3.3按键控制程序设计 15
3.4LCD显示程序设计 17
3.5PWM信号的单片机程序实现 18
第四章本系统的实现与调试 19
4.1制作PCB过程与步骤 19
4.2焊接硬件电路 20
4.3硬件部分测试 21
4.4软件部分调试 22
4.5实验调试与系统优化 23
第五章总结 24
参考文献 25
致谢 26
附录1：
硬件总图 27
附录2：
电路PCB版图 28
附录3：
ISIS7PROFESSIONAL仿真图 31
附录4：
基于霍尔传感器的电机转速装置元件清单 32
附录5：
程序清单 33
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
转速信号采集
电机驱动电路
单片机STC89C52（速度信号处理，电机控制系统与反馈系统）
LCD显示器
控制按键
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
2.2.1系统结构方案论证
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。
2.2.2转速测量方案论证
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。
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。
2.2.3电机驱动方案论证
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。
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。
2.2.4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。
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。
2.2.5转速显示方案论证
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。
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。
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
2.3.1转速测量电路的设计
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
1
VSS
电源地
9
D2
DateI/O
2
VDD
电源正极
10
D3
3
VL
液晶显示偏压信号
11
D5
4
RS
数据/命令选择端
（V/L）
12
5
R/W
读/写选择端（H/L）
13
D7
6
E
使能信号
14
7
D0
15
BLA
光源正极
8
D1
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。
开始
LCD显示缓存初始化
时钟寄存器初始化
定时器中断初始化
LCD显示初始化
调用数据处理成程序
调用显示子程序
调用按键处理程序
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。
否
为“0”
为“1”
是
进入中断
检测中断标志
开定时器记时
设中断标志为“1”
系统时间初始化
中断返回
关闭定时器及总中断
判断数据是否正常
保存数据
是否“采0”处理？
说明：
当电机转速过低时，如果进行采0取1处理将会使控制速度太低，同时低速状态的错误发生几率较小，所以不采用采0取1求平均处理。
完成1组数据采集？
“取2“求平均处理
计算速度值
速度值是否正常？
发送速度值到pwm控制器
定时器初值初始化
图3.2外中断0服务子程序框图
键盘服务子程序
位选键按下否？
加1键按下否？
减1键按下否？
位选循环右移
调用加1子程序
调用减1子程序
发送键按下否？
键值处理、保存、显示
向pwm控制器发送
返回
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。
系统延时
LCD初始化
设定使用
基本指令集
延时
清屏，地址
指针归位
设置第一
行显示位置
显示第
一行内容
设定游标的移动方向及指定显示的移位
设置第二
二行内容
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
定时器0中断
将PWM输出端置高电平“1”
装入50ms初值
设定时器1中断优先级最高
定时器1中断
设定时器0中断优先级最高
将PWM输出端清零
装入PWM信号初值INIT
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
升级会员 