1、摘要在當今工業生產過程中，越來越多的場合需要測量電機的轉速，轉速已成為電機最重要的工作參數之一。測量轉速的方法有許多，最常用的兩種方法為：光電式傳感器測轉速，霍爾式傳感器測轉速。本文將著重介紹基于單片機的霍爾式傳感器測量轉速。關鍵詞：霍爾傳感器，單片機，轉速。目錄1引言.22設計要求.23方案論證.23.1測量方法的選型.33.2核心處理模塊的方案.33.2.1控制芯片的選型.33.2.2采用51單片機測量的方案論證.43.2.3軟件系統設計方案.43.3電機轉速測量模塊的方案.53.4電機轉速控制方案.53.5顯示模塊方案.64系統設計.6 4.1單片機模塊.64.1.1 51單片機介紹.6

2、4.1.2系統的復位電路.84.1.3系統時鐘電路設計.84.1.4 IO口管腳分配.94.2電機轉速控制.94.3顯示模塊.104.3.1 LCD1602介紹和指令.10 4.3.2LCD1602的工作時序 .134.4霍爾傳感器模塊.135. 軟件系統設計.145.2程序模塊.155.2.1數據采集處理部分和PWM輸出部分.155.2.2 LCD1602顯示部分.16參考文獻.17原理圖.181. 引言轉速是電動機極為重要的一個狀態參數，在很多運動系統的測控中，都需要對電機的轉速進行測量，速度測量的精度直接影響系統的控制情況,它是關系測控效果的一個重要因素。不論是直流調速系統還是交流調速系

3、統,只有轉速的高精度檢測才能得到高精度的控制系統。本系統以AT89C51單片機為控制核心，用霍爾傳感器作為測量小型直流電機轉速的檢測元件，經過單片機實時數據處理，用LCD1602顯示小型直流電機的轉速。本系統可對轉速03000r/min進行高精度測量。且還可擴展更寬的測量范圍。2. 設計要求基于霍爾傳感器的電機轉速測量系統設計，測量范圍：0-3000轉/分，測量精度：±3轉/分，實時顯示。3. 方案論證根據題設要求，本系統的原理框圖如圖3-1所示顯示模塊霍爾傳感器單片機控制模塊電機電機轉速控制 圖3-1：原理框圖3.1測量方法的選型對轉速的測量實際上是對轉子旋轉引起的周期脈沖信號的頻

4、率進行測量，其中測頻率的方法有許多，最常用的方法有兩種：等精度測量法和計數測頻法。等精度測量法精度很高常常用于工業測量，但實現該方法比較困難要求比較高。計數測頻率的測量精度次之，由于量化誤差的存在，它的精度受頻率的高低影響，頻率越高，測量精度越高，反之亦然。但實現該方法簡單，要求不高。所以由于本人所學有限，在本設計中將選擇計數測頻法，計數測頻的方法一般有兩種方法：方法1：測頻率法在一定的時間間隔t內，計數被測信號變化的次數N，則被測信號的頻率為 f=Nt 。優點： 適合測頻率較高的情況。缺點：不適用于測低頻。方法2：測周期法在被測信號的n個周期內，計數時鐘個數數為m，周期為t，則測被測信號的頻

5、率可表示為 f=n/mt優點：適合測低頻，能提高測頻精度。缺點：不適合測高頻，要想測高頻，則必須提高處理器的能力。本次設計將選用方法一，和方法二的組合。3.2核心處理模塊的方案3.2.1 控制芯片的選型方案一：用STM32做核心控制器。STM32是32位單片機，處理速度快，最大時鐘頻率能達到72Mhz。內部資源豐富，具有大容量的內置閃存，在32k-128k之間。內置豐富的外部中斷和定時器，豐富的IO接口，最多可達112個，自帶AD，DA轉換器，且功耗非常低，穩定性非常高。總之STM32的功能非常強大，適合做比較大的系統，是51單片機不能比擬的。缺點：成本比較貴，編程復雜，畫板子比較麻煩。方案二

6、：用AT89C51做核心控制器。AT89C51是一種8位單片機，工作時鐘快，具有4K的閃存，使用壽命長，可擦寫循環1000次以上，功耗低，穩定性高，價錢非常低廉，編程簡單，非常實用，適合小系統設計。缺點：閃存小，不能進行大系統開發，內部資源少。本課題整個系統比較小，若使用STM32做核心控制器將造成巨大的資源浪費，會增加成本，不適宜大規模的推廣。而使用51單片機，價格低廉，操作簡單，內部資源完全滿足本系統的開發要求。所以綜上所訴，本設計選擇方案二。3.2.2采用51單片機測量的方案論證根據題設要求，最大測量轉速為3000r/min，即50r/s，一轉所花最小時間為20ms。采用分辨率為36的測

7、量精度，即有36個磁鋼，則磁鋼與磁鋼之間所花最小時間為20/36=0.56ms。若單片機采用11.0592Mhz的晶振，則執行一條指令的時間大約為1us，進入中斷的時間只需幾微秒，遠遠小于磁鋼與磁鋼之間所花的最小時間。所以完全可以忽略單片機在執行程序時所花的時間對測量結果的影響。因此用51單片機完全能夠滿足測量要求，不需要運行速度更快的單片機。由以上所訴該方案可行。3.2.3軟件系統設計方案題設要求為0-3000r/min，所以我有以下三種方案方案一：在低轉速和高轉速時都選擇1分鐘為閘門時間，則計數器所得值m，除以磁鋼個數n，即得轉速r=m/n。缺點：不管是低轉速，還是高轉速等待時間過長，對測

8、量高轉速不適宜，適宜測量低轉速，但對于。方案二：根據電機轉速快慢智能判斷閘門時間。在1s內判斷通過磁鋼的個數，如果大于等于360個（即大于等于600轉/分），則計算算出轉速。如果小于360個則延長閘門時間至10秒，計算通過磁鋼個數，如果大于等于360個（即大于等于60轉/分），計算出轉速。如果小于360個則再延長閘門時間至60s，計算通過磁鋼的個數，計算出轉速。根據題設要求測量誤差不能大于正負3轉/分。而本設計最大測量誤差為5/36=0.14轉/分（大于1轉/分時），當且僅當在閘門時間為1s時可能取得。優點：該方法對測量大于等于600轉/分的轉速所花時間較短缺點：對量小于等于600轉/分的轉速

9、所花時間較長，不過為了提高測量精度只好延長時間。方案三：在高轉速時（大于等于600轉/分），選用測頻法，即與方案二測高轉速的方法一樣。在低轉速（小于600轉/分），選用周期測頻法。這樣既可提高測量速度，又可提高精度。綜上所訴方案三更好，所以本課題選擇方案三。3.3電機轉速測量模塊的方案 采用開關型霍爾傳感器進行測速。      霍爾開關傳感器測頻法測速原理： 小磁鐵固定在轉盤上，轉盤與電機軸相連，同步轉動，小磁鐵通過霍爾傳感器時，霍爾傳感器產生一個相應的脈沖，我們在單位時間內計算脈沖的個數，再除以小磁鐵的個數，得到的值即為電

10、機的轉速，其中小磁鐵的個數即為分辨率的值，小磁鐵越多分辨率越高，測量精度越高。在本課題中將采用分辨率為36進行測量。這樣能夠減小由計數法測頻所引起的正負1個脈沖（量化誤差）誤差的影響。3.4電機轉速控制方案采用按鍵控制PWM的輸出脈寬從而控制電機的轉速，方便測量電機不同的轉速。3.5顯示模塊方案方案一：選用數管顯示，顯示單一。方案二：選用LCD1602顯示，顯示豐富。由于數碼管顯示內容單一，所以我選擇顯示內容更豐富的方案二。4. 系統設計本系統選用的模塊包括：單片機系統，轉速測量模塊，LCD顯示模塊，控制電機轉速模塊。4.1單片機模塊本課題選用AT89C51單片機作為主控器4.1.1 51單片

11、機的介紹 52單片機引腳圖如圖4-1所示：圖 4-1：單片機引腳圖主要特性：4K字節可編程閃爍存儲器  壽命：1000寫/擦循環數據保留時間：10年32可編程I/O線5個中斷源，兩個外部中斷，兩個定時器中斷，一個串口中斷有一個串口低功耗的閑置和掉電模式管腳說明：1.40腳VCC用于接電源正極。2.20腳GND接電源負極。3. P1，P2為雙向IO口。4. P0口在作為輸出口是一般要接上拉電阻，增大驅動能力。5. P3口除了作為IO口外，還有復用功能,復用功能如下表4-1表4-1引腳復用名稱復用功能P30RXD串行數據接收P31TXD串行數據發送P32INT0外部中斷0P33

12、INT1外部中斷1請求P34T0定時器/計數器0P35T1定時器/計數器1P36WR外部RAM寫選通P37RD外部RAM讀選通6. PSEN：外部程序存儲器的選通信號。7. XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內部時鐘工作電路的輸入。8. XTAL2：來自反向振蕩器的輸出。9. 9腳RST復位腳4.1.2系統的復位電路復位電路是整個系統重要的一環，當運行出錯時可以按下復位按鍵復位，不需斷電重新操作。本復位電路選擇上電自動復位電路。如圖4-2所示。當電路上電時，由于電容兩端的電壓不可跳變，所RST端會是高電平，系統復位。等電容充電完成后，RST端變為低電平，系統正常工作。圖4-2：復位電路4.1.

13、3系統時鐘電路設計時鐘電路為整個系統提供時鐘，是整個系統不可缺少的一環。它控制著系統的運行速率，采用的時鐘晶振越大運行速率越快。由于受51單片機自身限制，時鐘晶振也不能選擇過大，51單片機能支持幾十兆的晶振。在本系統設計中，選用11.0592Mhz的晶振，目的是為了是在使用定時器時，更加方便精準，提高測量精度。晶振電路如圖4-3所示。在選擇晶振兩邊的電容時不宜選擇過大。當電容太大時晶振不能正常起振，導致系統不能正常工作。本次選擇30pf的電容。圖4-3：時鐘電路4.1.4 IO口管腳分配1. 傳感器輸出接口P3.5I/O口，用于計數脈沖個數。2. 對按鍵進行I/O口分配，將選用兩個按鍵，一個用

14、于增大PWM輸出的占空比，即增大轉速，分配管腳為P1.0；一個用于減小PWM的占空比，即減小轉速，分配管腳為P1.1 。3. PWM輸出I/O分配：選P1.7作為模擬PWM輸出口4. LCD顯示I/O口分配：P0口接LCD的數據傳送接口，P2.0P2.2作為作為LCD的控制接口，分別接LCD的E（使能端），RW（讀寫端），RS（數據/命令端）4.2電機轉速控制控制電機的轉速的快慢，也就相當于控制電機兩端電壓的大小，控制電壓的大小可以選擇DA數模轉換器，也可以選擇PWM輸出控制。若用DA控制，則會多增加芯片，沒有直接用PWM控制那么實用。PWM可以直接由單片機模擬輸出，操作方便簡單，所以本次選擇

15、PWM來控制電機轉速。PWM的全稱是Pulse Width Modulation,即脈寬調制變換器。它的作用是把恒定的直流電源電壓調制成頻率一定，寬度可變的脈沖電壓序列，從而改變平均輸出電壓的大小，以調節電機的轉速。在電機轉動時，由于電機本身要切割磁感線從而產生自身感應電動勢，如果把電機電源直接與單片機系統共用一個電源，則會對整個控制系統產生巨大的影響，使整個系統不能正常的工作。為了消除這一影響，采用光耦耦合器把電機和單片機分開，從而達到消除這一影響的目的。為了控制PWM的占空比，我選用兩個按鍵來控制。具體電路如圖4-4所示：圖4-4按鍵S2增加PWM占空比，即增加轉速。按鍵S3減少PWM占空

16、比，即減小轉速。單刀Key1：電機開關。4.3顯示模塊4.3.1 LCD1602介紹和指令 本次顯示模塊選用LCD1602，LCD液晶也叫1602字符型液晶它是一種專門用來顯示字母、數字、符號、等的點陣型液晶模塊，它由32個5*7或者5*11點陣字符位組成，每個點陣字符位都可以顯示一個字符，不能顯示漢字和圖片。LCD1602的引腳說明即指令說明分別如表4-1，表4-2所示所示，表4-1引腳引腳名電平輸入/輸出作用1GND電源地2VCC電源正極3VEE對比調整電壓4RS0/1輸入0：輸入指令 1：輸入數據5R/W0/1輸入0：寫入數據或指令；1：從LCD讀數據6E1,10輸入使能信號，1讀取信息

17、10（下降沿）執行指令7DB00/1輸入/輸出數據總線08DB0/1輸入/輸出數據總線19DB0/1輸入/輸出數據總線210DB0/1輸入/輸出數據總線311DB0/1輸入/輸出數據總線412DB0/1輸入/輸出數據總線513DB0/1輸入/輸出數據總線614DB0/1輸入/輸出數據總線715A+VCCLCD背光電源正極16K接地LCD背光電源負極 表4-2指令功能指令編碼RSR/WDB7DB6DB5DB4DB3DB2DB1DB0清屏00000000001光標歸位000000001X進入設置模式00000001I/DS顯示開關控制0000001DCB設置顯示屏或光標的移動方向000001S/C

18、R/LXX功能設置00001DNFXX設定CGRAM地址0001CGRAM的地址（6位）設定DDRAM地址001DDRAM的地址（7位）讀取忙碌信號或AC地址011：忙0：操作AC內容（7位）寫數據到DDRAM或CGRAM10寫入數據D7-D0從DDRAM或CGRAM讀出數據11讀出數據D7-D0LCD1602液晶顯示電路如圖4-5所示：圖4-5：液晶顯示電路4.3.2LCD1602的工作時序 LCD的工作時序如圖4-6所示圖4-6：LCD1602的工作時序基本操作時序：讀狀態 RS=L，RW=H，E=H 輸出：DB0DB7=狀態字寫指令 RS=L，RW=L，E=下降沿 DB0DB7=指令碼讀

19、數據 RS=H，RW=H，E=H 輸出：DB0DB7=數據寫數據 RS=H，RW=L，E=下降沿 DB0DB7=數據4.4霍爾傳感器模塊霍爾傳感器選用GS3020，GS3020共有三個管腳：1腳VCC接電源正極；2腳信號輸出端；3腳接電源負極測速電路如圖4-7所示，其中C5用于率電源濾波，C4用于霍爾元件輸出信號的濾波，用一個比較器LM324把輸出信號轉換成方波，以便于單片機計數。將LM324的輸出端與單片的P3.5口相連，它是計數器1的輸入口。在這兒我們將采用16位計數器。圖4-7：測速模塊5.軟件系統設計整個軟件系統的工作流程如圖5-1所示：LCD顯示數據處理算法頻率采集PWM輸出，電機轉動開始LCD，定時器，計數器初始化 圖5-1：系統工作流程圖5.2程序模塊整個系統的程序模塊包括3部分：1. 數據采集，處理部分。2. 顯示模塊程序3. 按鍵控制PWM輸