非接触转轴转速测速仪.docx
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非接触转轴转速测速仪
研究生课程考试成绩单
（试卷封面）
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简
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（含平时成绩）
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1.以论文或大作业为考核方式的课程必须填此表，综合考试可不填。
“简要评语”栏缺填无效。
2.任课教师填写后与试卷一起送院系研究生秘书处。
3.学位课总评成绩以百分制计分。
摘要：
本设计主要用STC89C51作为控制核心，以基于霍尔效应的霍尔元件作为测量速度的传感器，以12864液晶屏作为显示屏。
该设计首先在转轴上安装多对小的磁极，当转轴旋转时会在霍尔元件中产生脉冲信号，STC89C51接收该信号并计算转变为转速信号显示在12864液晶显示屏上。
关键词：
STC89C51；霍尔元件；脉冲信号
Thedesignofnon-contactingtachometerofaxis
XINGJisheng
（SchoolofAutomation,SoutheastUniversity,Nanjing210096,China）
Abstract:
ThetachometerconsistsofthecontrollerSTC89C51,thehallelementandthedisplayscreen12864.Firstly,apieceofmagnetwillbesetontheaxis.Then,thehallelementreceivesthepulse signal.Finally,theMCUreceivesthesignalandsendstothe12864todisplay.
Keywords:
STC89C51;hallelement;pulse signal
1引言
转速是常见的物理量,它存在于人类周围,是人们生活中不可缺少的一部分,转速不仅与人类生活息息相关,同时在工业生产和科学研究领域中,转速也是影响产品质量和科研成果的因素之一[1]。
转速测量方法可以分为两类，一类是直接法，即直接观测机械或者电机的机械运动，测量特定时间内机械旋转的圈数，从而测出机械运动的转速；另一类是间接法，即测量由于机械转动导致其他物理量的变化，从这些物理量的变化与转速的关系来得到转速。
同时从测速仪是否与转轴接触又可分为接触式，非接触式。
目前国内外常用的测速方法有光电码盘测速法、霍尔元件测速法、离心式转速表测速法、测速发电机测速法、漏磁测速法、闪光测速法和振动测速法，本文采用的测速方法是基于霍尔效应的测速方法。
本系统主要由AT89C51单片机作为处理芯片，霍尔传感器将电机的转速信号接收并转化为脉冲信号再将该信号传递给单片机，单片机将脉冲信号转化为转速信号并控制12864液晶显示屏转速信号。
该系统可以对大范围转速进行测量，测量的转速精度高，实现对转轴转速的测量。
2测速原理
2.1霍尔效应
霍尔效应是磁电效应的一种，这一现象是霍尔（A.H.Hall，1855-1938）于1879年在研究金属的导电机构时发现的。
后来发现半导体、导电流体等也有这种效应，而半导体的霍尔效应比金属强得多，利用这现象制成的各种霍尔元件，广泛地应用于工业自动化技术、检测技术及信息处理等方面。
在半导体上外加与电流方向垂直的磁场，会使得半导体中的电子与空穴受到不同方向的洛伦兹力而在不同方向上聚集，在聚集起来的电子与空穴之间会产生电场，电场强度与洛伦兹力产生平衡之后，不再聚集，此时电场将会使后来的电子和空穴受到电场力的作用而平衡掉磁场对其产生的洛伦兹力，使得后来的电子和空穴能顺利通过不会偏移，此称为霍尔效应。
而产生的内建电压称为霍尔电压[2]。
霍尔效应原理图如图2-1所示。
图2-1霍尔效应原理图
2.2霍尔元件
霍尔元件由衬底、十字形霍尔元件、电极引线及磁性体顶端等构成。
十字形霍尔元件4个端部的引线，有一对是电流输入端，另一对为霍尔电压输出端；铁磁体顶端起集中磁力线和提高元件灵敏度的作用，它的体积越大，元件的输出灵敏度越高。
半导体材料Ge（锗）、Si（硅）、InSb（锑化铟）、InAs（砷化铟）、GaAs（砷化镓）等都可用来制作霍尔元件，比较常用的有InSb与GaAs。
常用的霍尔元件其外形结构有3种：
单端引出线型、卧式型、双端引出线型[3]。
霍尔元件外形如图2-2所示。
a）卧式型b）单端引出线型
图2-2霍尔元件外形
2.3霍尔元件测速原理
霍尔元件内含稳压电路、霍尔电势发生器、放大器、施密特触发器和输出电路。
输出电平与TTL电平兼容，在转轴上装一个圆盘，圆盘上装若干对小磁钢，小磁钢越多，分辨率越高，将转轴转速测速仪放置在转轴附近即让霍尔元件放置在小磁钢附近，当转轴转动时，每当一个小磁钢转过霍尔开关，霍尔元件便输出一个脉冲，霍尔元件将该脉冲传输给单片机，通过预先在单片机中写入计算程序，将该脉冲信号转变为转速信号，最终在12864液晶显示屏中进行显示。
3测量计算方法
3.1基本测量方法
本设计的转速范围300～5000转/分，显示精度0.1级，故选择测频法测量计算转轴转速，测频法又称“M”法。
在一定测量时间T内，测量脉冲发生器（替代输入脉冲）产生的脉冲数m1来测量转速，如图3-1“M”法测量转速脉冲所示，设在时间T内，转轴转过的弧度数为Xτ，则转速n可由下式表示：
n=
（3-1）
转轴转过的弧度数Xτ可用下式所示m1
X
（3-2）
图3-1“M”法测量转速脉冲
将（3-2）式代入（3-1）式得
转速n的表达式为：
n=
（3-3）
P-为转轴转一周脉冲发生器产生的脉冲数；
n-转速单位：
（转/分）；
T-定时时间单位：
（秒）。
在该方法中，测量精度是由于定时时间T和脉冲不能保证严格同步，以及在T内能否正好测量外部脉冲的完整的周期，可能产生的1个脉冲的量化误差。
因此，为了提高测量精度，T要有足够长的时间。
定时时间可根据测量对象情况预先设置。
设置的时间过长，可以提高精度，但在转速较快的情况下，所计的脉冲数增大（码盘孔数已定情况下），限制了转速测量的量程。
而设置的时间过短，测量精度会受到一定的影响。
3.2方法优化
测频法中周期和脉冲不能严格保证同步，要保证测量精度的前提是保证时间周期T足够长，本设计针对基本测频法中固有的缺点做了优化，即在转轴上安装多对小磁钢，当磁钢数目增多，在转轴旋转的每一圈内出现多个脉冲，当测量周期较短时，测量也不会出现较大误差。
由于设计需求0.1级精度要求，所以在转轴上固定5对小磁钢，即10个小磁钢，这样每个脉冲信号对应于0.1圈，圈数不满0.1圈忽略不计，则式3-3的转速表达式变为：
n=
（3-4）
4硬件电路
基本硬件电路可以分为：
单片机最小系统电路，键盘电路，霍尔元件与单片机连接电路，12864与单片机连接电路。
4.1STC89C51单片机简介
单片机是一种集成电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计时器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的微型计算机系统，在工业控制领域的有广泛应用。
单片机我们采用STC89C51，其引脚图如图4－1所示，相较于INTEL公司的8051它本身带有一定的优点。
STC89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存贮器（FPEROM—FalshProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。
由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，STC89C51是一种高效微控制器，STC89C51单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。
图4-1STC89C51引脚图
4.2单片机最小系统电路
单片机最小系统主要由电源、复位、振荡电路以及扩展部分等部分组成。
对于一个完整的电子设计来讲，首要问题就是为整个系统提供电源供电模块，电源模块的稳定可靠是系统平稳运行的前提和基础。
51单片机虽然使用时间最早、应用范围最广，但是在实际使用过程中，一个和典型的问题就是相比其他系列的单片机，51单片机更容易受到干扰而出现程序跑飞的现象，克服这种现象出现的一个重要手段就是为单片机系统配置一个稳定可靠的电源供电模块[4]。
最小系统主要有供电模块，复位电路和振荡电路组成，单片机最小系统如图4-2所示。
图4-2单片机最小系统
4.3键盘电路
设置键盘电路的目的是对该测速仪进行基本的设置，基本的设置按键有开始（测速）、停止（测速）按键和复位按键。
键盘电路和单片机的输出口的连接电路如图4-3所示。
其中S1按键代表开始按键，S2按键代表停止按键，S3按键代表复位按键。
图4-3键盘电路
4.4霍尔元件和单片机连接电路
在该设计中使用的霍尔元件为UGN3144霍尔开关元件。
UGN3144霍尔开关元件属于开关型霍尔传感器（集成霍尔开关），它是把霍尔片产生的霍尔电压VH放大后驱动触发电路，输出电压是能反映B的变化的方脉冲。
集成霍尔开关由稳压器、霍尔电势发生器（即硅霍尔片）、差分放大器、施密特触发器和OC门输出五个基本部分组成。
在输入端（1、2之间）输入电压Vcc，经稳压器稳压后加在霍尔发生器的两电流端。
根据霍尔效应原理，当霍尔片处于磁场中时，霍尔发生器的两电压端将会有一个霍尔电势差VH输出。
VH经放大器放大以后送至施密特触发器整形，使其成为方波输送到OC门输出，开关型霍尔传感器的原理如图4-4所示。
图4-4开关型霍尔传感器的原理
UGN3144采用SOT89或者TO-243封装。
其引脚图如图4-5所示，引脚端1为电源正端，引脚端2为接地，引脚端3为输出（OC形式）。
图4-5UGN3144的封装结构
霍尔开关元件与单片机的连接原理图如图4-6所示。
图4-6UGN3144霍尔开关元件与单片机的连接电路
4.512864与单片机连接电路
12864LCD显示块是所说的点阵液晶显示模块，就是由128*64个液晶显示点组成的一个128列*64行的阵列，所以也就叫成了12864，12864的实物图如图4-6所示。
每个显示点都对应着有一位二进制数，0表示灭，1表示亮。
存储这些点阵信息的RAM被称为显示数据存储器。
如果要显示某个图形或汉字就是将相应的点阵信息写入到对应的存储单元中。
图形或汉字的点阵信息是由自己设计，这时候问题的关键是显示点在液晶屏上的位置与其在存储器中的地址之间的关系。
12864的连接电路如图4-7所示。
图4-712864实物图
图4-812864与单片机连接电路
5程序流程图
系统上电复位后,首先对单片机自身进行初始化,包括设置堆栈指针、设置定时器和计数器的工作方式及初始值、中断的开启等,然后判断开始测速按键是否按下，再对判断转速是否在测量范围内并显示，然后进入脉冲计数、转速计算子程序.
5.1转速判断与现实模块
本设计对于转速量程的要求是300～5000转/分，故程序首先判断转速是否在300～5000转/分之间，若符合则显示转速大小，否则显示“转速不在量程内”，转速判断并显示模块如图5-1所示
图5-1转速判断并显示模块
5.2转速求取模块
转速的求取的思路是设定一段时间，对该段时间内转轴转过圈数进行记录，将转动的圈数除以转动的时间就可以得到转动的速度，故此处转动时间的选取是否合适关系到测量的结果是否准确，转速求取模块如图5-2所示。
图5-2转速求取模块
5.3主要流程图
该测速系统的开始和停止按键控制，当开始按键按下后，系统开始对于转轴的速度进行测量并且记录，此时是否产生定时器中断，若中断则计算出转速，然后程序会进入转速判断并显示模块，并刷新一次显示的结果。
若在这个过程中检测到停止按键按下，则系统停止继续测速，若复位键按下后，转速的显示将显示为0，主要流程图如图5-3所示。
图5-3主要流程图
6结论
本设计采用的转轴转速测量方法是非接触式，由于其未接触转轴，不会对转轴转速产生较大影响，所以测量精度较准。
在转轴上放置5对小磁钢的方式使一个周期中产生多个脉冲信号，是测量更为精确。
转速范围为300～5000转/分，该限制在程序的设计中加入两个判断实现本文从测量原理、介绍硬件电路、主要程序流程图与测量计算方法等方面详细说明了该测量仪的可行性和设计方法。
参考文献
[1]叶菁.多功能转速测量仪的研制[D].硕士学位论文,天津大学,2012.
[2]
[3]米哲涛,曹雷.霍尔元件在电流传感器中的应用[J].机车电传动.2011.
[4]张有德.单片微机原理、应用与实验.上海:
复旦大学出版社，1997，8
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