基于霍尔传感器的电机测速装置设计.docx

基于霍尔传感器的电机测速装置设计.docx

《基于霍尔传感器的电机测速装置设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于霍尔传感器的电机测速装置设计.docx（18页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。

基于霍尔传感器的电机测速装置设计

检测与转换技术

大作业报告

题目

院系

班级

学生姓名

日期

霍尔传感器在电机转速测量装置上的应用设计

利用霍尔传感器，设计了一种电机转速测量装置并提出了相应的测速算法，还设计了转速信号处理电路，将脉冲信号转化为标准的TTL电平，便于AT89C52单片机的计数运算，并通74LS164寄存器将转速信号显示在LED上。

该电机测速装置具有线路简单、实时性好、成本低、安装调试方便和节省空间等优点，尤其是在测量空间有限、轴偏心或传感器不便安装的条件下，该测量方法具有明显的优势。

第一章测速电路相关元件分析

1.1AT89C52单片机

AT89C52是一个低电压、高性能CMOS8位单片机，片内含8KB的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256B的随机存取数据存储器（RAM），兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元。

AT89C52有40个引脚，32个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时内含2个外中断口，3个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，2个读/写口线。

AT89C52主要功能特性和引脚图如下所示：

·完全兼容MCS-51指令系统

·8k可反复擦写FlashROM

·全静态操作：

时钟频率0-24MHz

·三级加密程序存储器

·3个16位可编程定时/计数器中断

·256x8bit内部RAM

·32个可编程的双向I/O口

·2个外部中断源，共8个中断源

·2个读写中断口线

·可编程串行UART通道

·低功耗空闲和掉电模式

·软件设置睡眠和唤醒功能

1.2LM317T三端稳压器

LM317T是可调节三端正电压稳压器，在输出电压范围为1.25V到37V时能够提供超过1.5A的负载电流。

此稳压器使用非常容易，只需两个外接电阻来设置输出电压。

其主要功能特性如下所示：

·输出电流超过1.5安

·输出电压在1.2伏和37伏间连续可调

·内部热过载保护

·不随温度变化的内部短路电流限制

·对高压应用浮空工作

·标准3引脚品体管封装

·避免置备多种固定电压

·输出品体管安全工作区补偿

1.3HZL201霍尔传感器

1.3.1线性霍尔元件测速原理

由霍尔效应原理可知:

当霍尔片处于磁场中,并在垂直于磁场的方向上通以电流时,霍尔片上与电流和磁场分别垂直的方向会产生霍尔电势差V=KBI。

当通过霍尔片的电流恒定不变时，只要改变磁场的大小，就可以改变V。

在电机外壳附近漏磁场因电枢转动会起变化,利用线性霍尔传感器可对其进行检测。

由于传感器输出电压信号稳定,只要存在磁场,霍尔元件总是产生相同大小的电压,并且输出信号电压的大小与转速无关。

即使是在低转速状态下,仍能够获得较高的检测准确度，但是输出信号的强弱与霍尔器件在电机外壳的安装位置有关。

因此,需通过实验确定传感器在电机外壳的安装位置,以获得最佳的信号效果。

基于此原理,在直流电机测速中,采用线性霍尔元件作为传感器,感应部分固定在电动机外壳。

在定子磁场中,永久磁铁的磁力线通向转子,转子一般采用硅钢片叠压而成,转子铁心一般分为多槽,转子转动过程中引起定子磁通发生周期性的变化,从而引起了霍尔元件输出信号的频率变化。

霍尔元件输出的信号无需经过放大处理,可直接用比较器整形后送入单片机进行处理,从而得到电机转速[1]。

1.3.2HZL201霍尔传感器

国产HZL201霍尔齿轮传感器是一种用于测量速度、角度、转速、长度等的新型传感器。

由传感黑色金属齿轮或齿条的齿数转换成电压脉冲信号来测量物体的速度、转速等参量。

该传感器红色端接电源正极，黑色端接地，绿色端为输出端。

而它的特点在于传感黑色金属目标、输出幅度与齿轮转速无关，低速性能优异，工作频率高达20kHz，具体技术指标如表1所示。

HZL201霍尔传感器实物图如下所示：

1.474LS164寄存器

74LS164是8位串行输入并行输出移位寄存器。

当清除端（CLR）为低电平时，输出端（QA-QH）均为低电平。

串行数据输入地（A、B）可控制数据：

当A、B任意一个为低电平时，则禁止新数据输入，在时钟端（CP）脉冲上升沿的作用下Q0为低电平；当A、B有一个为高电平时，则另一个就允许输入数据，并在上升沿的作用下决定Q0的状态。

74LS164由于无并行输出控制端，在串行输入过程中，其输出状态会不断地变化，故在某些应用场合，在74LS164的输出端应接输出三态门控开关，以保证串行输入结束后再输出数据[2]。

74LS164引脚功能和封装图如下所示：

·CP……时钟输入端

·CLR……同步清除输入端（低电平有效）

·A、B……串行数据输入端

·QA-QH…输出端

1.5LED数码管

市场上比较常见的数码管是LED数码管，具有亮度高、价格低等优点，非常适合本电路的制作。

数码管按发光二极管单元的连接方式可分为共阳极数码管和共阴极数码管。

共阳极数码管是指将所有发光二极管的阳极接到一起形成公共阳极（COM）的数码管。

共阳极数

码管在应用时应将公共极COM接到+5V，当某一字段发光二极管的阴极为低电平时，相应字段就点亮。

当某一字段的阴极为高电平时，相应字段就不亮。

。

共阴极数码管是指将所有发光二极管的阴极接到一起形成公共阴极（COM）的数码管。

共阴极数码管在应用时应将公共极COM接到地线GND上，当某一字段发光二极管的阳极为高电平时，相应字段就点亮。

当某一字段的阳极为低电平时，相应字段就不亮[3]。

LED数码管内部结构图分别如下所示：

第二章测速电路相关电路设计

2.1转速测量及控制的基本原理

2.1.1转速测量原理

根据霍尔效应原理，测量转速时，在非磁性的转盘上粘上一块磁钢，把霍尔传感器的感应面对准磁钢的磁极，并将其固定在机架上。

机器轴旋转时，固定在转盘上的磁钢会随之旋转，当磁钢转到传感器的位置时，霍尔传感器便输出一个脉冲信号，经施密特触发器整型，送到单片机的外部中断INT0引脚。

转轴每转一圈霍尔传感器输出一个脉冲信号，相邻两个脉冲之间的时间间隔为转轴转一圈的时间，由此可计算出转轴的转速。

2.1.2转速控制原理

直流电机的转速与施加于电机两端的电压大小有关，可以采用AT89C52片内的D/A转换器的输出控制直流电机的电压，从而控制电机的转速。

在这里采用简单的比例调节器算法，比例调节器的输出系统式为：

（1）

式

（1）中：

y为调节器的输出；

为调节器的输入，一般为偏差值；

为比例系数

从式

（1）可以看出，调节器的输出y与输入偏差值

成正比。

因此，只要偏差

一出现就产生与之成比例的调节作用，具有及时调节的特点，这是一种最基本的调节规律。

比例调节作用的大小除了与偏差

有关外，主要取决于比例系数

，且比例调节系数愈大，调节作用越强，动态特性也越大；反之，比例系数越小，调节作用越弱。

对于大多数的惯性环节，

太大时将会引起自激振荡。

比例调节的主要缺点是存在静差，对于扰动的惯性环节，

太大时将会引起自激振荡。

对于扰动较大、惯性也比较大的系统，若采用单纯的比例调节器就难于兼顾动态和静态特性，需采用调节规律比较复杂的PI（比例积分调节器）或PID（比例、积分、微分调节器）算法。

2.2霍尔测速装置及方法简介

2.2.1霍尔转速传感器检测装置

转速测量系统安装示意图如图1所示，下面对检测装置主要部件进行介绍。

1）霍尔转速传感器。

该传感器是利用霍尔效应原理工作的：

一个金属或半导体薄片置于磁场中，磁场垂直于薄片，当薄片通以电流时，在薄片的两侧面上就会产生一个微量的霍尔电压。

如果改变磁场的强度，，霍尔电压的大小亦随之改变；当磁场消失时，霍尔电压变为零。

霍尔效应式转速传感器输出的信号是矩形脉冲信号，很适合于数字控制系统，抗干扰能力强。

2）齿轮信号盘。

信号盘可用一般的黑色钢板制成，结构图如图2所示。

它就是转速测量时所用的转盘，盘上共有24个齿。

中心孔用来在电机转轴上定位，从而信号盘与电机的转轴一起转动，传感器固定在支架上，垂直于信号盘，其安装图如图3所示。

当信号盘随电机转轴旋转时，信号盘的每个轮齿经过探头正前方时产生感应，探头就输出一个标准的脉冲信号。

对该信号盘而言，每24个脉冲对应电机的1个工作循环。

因此，脉冲信号的频率大小就反映了信号盘转速的高低，可由单片机进行测量并换算为转速。

2.3转速数字式测量方法

旋转设备转动速度的数字检测基本方法是利用与该设备同轴连接的霍尔转速传感器的输出脉冲频率与转速成正比的原理，根据脉冲发生器发出的脉冲速度和序列，测量转速和判别其转动方向。

根据脉冲计数来实现转速测量的方法主要有：

M法（测频率法）、T法（测周期法）和M/T法（频率/周期法）。

1）M法。

在规定的检测时间内，检测霍尔传感器所产生的脉冲信号的个数来确定转速。

虽然检测时间一定，但检测的起止时间具有随机性，因此M法测量转速在极端情况下会产生±1个转速脉冲的误差。

当被测转速较高或电机转动一圈发出的转速脉冲信号的数量较大时，才有较高的测量精度，因此M法适合于高速测量。

2）T法。

它是测量霍尔传感器所产生的相邻两个转速脉冲信号的时间来确定转速。

相邻两个转速脉冲信号时间的测量是采用对已知高频脉冲信号进行计数来实现的。

在极端情况下，时间的测量会产生±1个高频脉冲周期，因此T法在被测转速较低（相邻两个转速脉冲信号时间较大）时，才有较高的测量精度，所以T法适合于低速测量。

3）M/T法。

它是同时测量检测时间和在此检测时间内霍尔传感器所产生的转速脉冲信号的个数来确定转速。

由于同时对两种脉冲信号进行计数，因此只要“同时性”处理得当，M/T法在高速和低速时都具有较高的测速精度[4]。

传感器输出脉冲的间隔对M法有很大的影响。

采用M法时，平均速度越准确（相对误差小），其估计的瞬时速度就越不准确，反之瞬时速度越准确，其平均速度的相对误差就越大。

M/T法相对于其他两种方法有较高的精度，但它的实时性差。

T法实际上是对计时器进行计数，相对于M法对脉冲进行计数，该方法有着较高的精度。

另外T法对每个转速脉冲都进行了转速的计算，最大限度地利用了传感器所提供的转速信息，能实时地反映转速的变化过程。

综合考虑，本文系统采用了测周期法（T法）。

2.4转速信号处理与显示电路

按照转速装置设计方案，转速信号处理流程图如图4所示。

HZL201霍尔齿轮传感器接受齿轮信号盘的转动，转化为近似方波脉冲信号。

由于要使用单片机进行转速信号计数，霍尔传感器输出的方波脉冲信号必须转化为标准TTL电平，所以在信号处理流程图中加入了信号处理电路。

通过这个电路就能将霍尔传感器输出的电压信号变为标准的TTL电平，之后要做的工作就是将该转速信号显示在LED上，通过一系列的处理，就能实时地反应转速信号的变化。

2.4.1信号处理电路

根据转速信号处理流程图，首先设计了信号处理电路，传感器输出的转速信号为方波脉冲信号，它的高电平低于15V高于14V，而低电平接近0。

可见该脉冲信号的电压幅值与单片机接口不匹配，因此该电路又选用了一个由三极管（8050）组成的整形电路处理转速信号使其满足单片机的接收要求。

当输出为高电平信号时，三极管VT1的基极发射极处于正向偏置状态，故集电极发射极处于正向通路状态，其输出电压约为0；当输出为低电平信号时，三极管VT1的基极发射极处于反向偏置状态，故集电极发射极处于断路状态，其输出电压约为+5V。

处理电路如图5所示，经处理后的方波脉冲信号满足单片机的接收要求。

2.4.2LED显示电路

由于AT89C52单片机的I/O口线不是很充足，数据采用串行输入的方法。

图6给出了LED显示电路，该电路采用TOS-8106BHK型号的共阳极LED显示器，其工作电压为5V。

它只使用AT89C52的3个端口，配接4片串入并出移位寄存器74LS164与1片三端可调稳压器LM317T。

其中74LS164的引脚Q0～Q7为8位并行输出端，引脚A、B为串行输入端，引脚CLK为时钟脉冲输入端，在CLK脉冲上升沿的作用下实现移位，在CLK=0、清除端CLR=1时，74LS164保持原来数据状态；CLR=0时，74LS164输出清零。

其工作过程如下：

AT89C52的串行口设定在方式0移位寄存器状态下，串行数据由P3.0发送，移位时钟由P3.1送出。

在移位时钟的作用下，串行口发送缓冲器的数据一位一位地移入74LS164中。

4片74LS164串级扩展为4个8位并行输出口，分别连接到4个LED显示器的段选端作静态显示。

需要指出的是，由于74LS164无并行输出控制端，因而在串行输入过程中，其输出端的状态会不断变化，造成不应显示的字段仍有较暗的亮度，影响了显示的效果[2]。

为了改善不应显示的字段仍有较暗的亮度，在此显示电路上添加1片三端可调稳压器LM317T，该稳压器的3、2脚分别是电压输入、输出端，1脚是电压调整端，2脚输出电压随1脚电压而变化。

1脚与接地电阻之间并一个NPN三极管，它的基极受P1.7口线控制，串行输入时P1.7口线为高电平，三极管饱和导通使LM317T的1脚约为0.3V，2脚输出电压随之下降到1.25V，不足以使共阳极LED发光，故此时串行输入的影响不会反映到LED上；串行输入结束后，使P1.7口线为低电平，三极管截止，适当调节P1阻值，使2脚输出电压上升到5.0V从而使LED正常发光。

因此，1片三端可调稳压器LM317T起到了4片锁存器的作用使LED显示不会闪烁。

该电路的另一优点是通过可调电位器P1可在线调整2脚的输出电压，使LED的显示亮度均匀可调，而且省掉了大量的LED限流电阻。

第三章测速电路相关软件编程

检测装置的软件系统主要包括：

测速主程序、二进制码与BCD码转换的子程序以及显示子程序。

3.1测速主程序

3.1.1原理简析

信号处理电路输出端与AT89C52单片机的INT1引脚相连，由INT1引脚接收转速脉冲信号，进而控制单片机内部定时计数器T1的启动和停止。

当INT1为下降沿脉冲时启动计数，上升沿时停止计数。

此时计数器中记得的数值m为12分频时钟的周期数。

由上可知定时计数器T1的工作方式为方式1，即C/T=1。

故TMOD=1001××××B，令TMOD=90[5]。

另外该装置采用T法测速，因此转速测量公式为n=60f/z*m。

其中f为AT89C52的内部时钟脉冲频率，m为单片机响应中断从计数器T1读出的计数值，z为齿轮信号盘每转输出的脉冲个数。

3.1.2汇编程序

ORG0000H

AJMPMAIN

ORG001BH

AJMPINTP

ORG1000H

MAIN:

MOVSP,#60H

MOVSCON,#00H;串行口方式0工作

ANLTMOD,#0FH;置计数器1工作方式1

ORLTMOD,#90H;不影响T0的工作

MOVR0,#30H;置内部RAM

SETBEA;CPU开中断

SETBEX1;开INT1中断

SETBPX1;令INT1为高优先级

SETBIT1;令INT1为脉冲触发

LCALLDISP

INTP:

…

3.2BCD码与二进制码转换子程序

3.2.1BCD码简介

BCD码是用二进制表示的十进制数。

BCD码是为了满足人们利用计算机来进行十进制计数，同时又为了能满足计算机处理信息需要二进制编码的需要，从而设计的一种编码。

因为任何十进制数都是0-9这10个数字的组合，这样必须对十进制的0-9这10个数字符号进行二进制编码，即BCD码具有二进制和十进制两种数制编码的某些特征。

3.2.2转换说明

BCD码表示的4位十进制数分别存放于R1、R2中，其中R2存储千位数和百位数,R1存储十位数和个位数，要把其转换为纯二进制码，可用由高位到低位逐为检查BCD码的数值，然后累加各十进制位对应的二进制数来实现。

其中1000D=03E8H，100D=0064H，10=000AH。

子程序如下：

入口:

待转换的BCD码存于R1、R2中，其中

低位字节十位数个位数R1

高位字节千位数百位数R2

出口：

结果存在20H、21H单元中，其中20H存储低字节，21H存储高字节。

3.2.3汇编程序

BCDBI1:

MOV20H,#00H

MOV21H,#00H；存结果单元

MOVR3,#0E8H；1000=03E8H

MOVR4,#03H；1000的二进制数送R3、R4

MOVA,R2

ANLA,#F0H；取千位数

SWAPA；将千位数移至低4位

JZBRAN1；千位数为0，则转BRAN1

LOOP1:

DECA

ACALLADDT；千位数不为0，加千位数二进制码

JNZLOOP1

BRAN1:

MOVR3,#64H；100=64H

MOVR4,#00H；百位数的二进制码送R3、R4

MOVA,R2

ANLA,#0FH；取百位数

JZBRAN2；为0则转BRAN2，否则继续

LOOP2:

DECA

ACALLADDT

JNZLOOP2；加百位数的二进制码

BRAN2：

MOVR3,#0AH；10=0AH

MOVA,R1

ANLA,#0F0H；取十位数

SWAPA；将十位数移至低4位

JZBRAN3；为0则转BRAN3，否则继续

LOOP3:

DECA

ACALLADDT

JNZLOOP3；加十位数的二进制码

BRAN3:

MOVA,R1

ANLA,#0FH

MOVR3,A

ACALLADDT

RET

ADDT:

PUSHPSW

PUSHACC

CLRC

MOVA,20H；在20H、21H单元中

ADDA,R3；累计转换结果

MOV20H,A

MOVA,21H

ADDCA,R4

MOV21H,A

POPACC

POPPSW

RET

3.3显示子程序

3.3.1原理简析

针对显示子程序，由于移位寄存器74LS164仅有串入并出作用没有译码功能，因此，在编写显示驱动程序之前，首先需要计算列写出与该电路对应的LED段选码，然后由AT89C52的P3.0口送入74LS164的串行输入端，再并行输出到LED的段选端。

可见这种稳定的静态显示方式也省去了CPU的动态扫描过程。

电路中设计了4位LED显示器，其功能为：

左首位为千位数或标志位，左二位为百位数，左三位为十位数，左四位为个位数。

据此，给出如图7所示的显示子程序流程图[6]。

3.3.2子程序流程图

3.3.3汇编程序

DISP:

SETBP1.7;熄灭LED显示

MOVDPTR,#TABLE;存表

CLRTI;清发送中断标志

MOVA,R0;取出要显示的数

MOVCA,A+DPTR;查表取出段选码

MOVSBUF,A;送出显示

DL1:

JNBTI,DL1;输出完否?

CLRTI;完,清中断标志

INCR0

MOVA,R0

MOVCA,A+DPTR

MOVSBUF,A

DL2:

JNBTI,DL2

CLRTI

INCR0

MOVA,R0

MOVCA,A+DPTR

MOVSBUF,A

DL3:

JNBTI,DL3

CLRTI

INCR0

MOVA,R0

MOVSBUF,A

DL4:

JNBTI,DL4

CLRTI

CLRP1.7;亮显示

RET

TABLE:

DBC0H，0F9H,0A4H

DB0B0H，99H,92H

DB82H，0F8H,80H,90H

结语

转速检测装置选用集成霍尔齿轮传感器采集转速信号，具有频率响应快、抗干扰能力强等特点。

霍尔传感器输出的信号经信号调理后，通过单片机对连续脉冲计数来实现转速测控，具有线路简单、实时性好、成本低、安装调试方便和节省空间等特点，尤其是在测量空间有限、轴偏心或传感器不便安装的条件下，该测量方法有明显的优势。

而对于该装置使用的T法测速方式，它的误差率与时钟脉冲个数成反比，从而能实时地反映电机转速的变化过程。

最好采用串行口扩展的LED显示接口电路可以在线调整LED发光的亮度，获得视觉与功耗的最佳效果。