1、基于霍爾傳感器的轉速測量姓名：*班級：*學號：* 指導老師：* 基于霍爾傳感器的轉速測量摘 要本文介紹一種用STC89C51單片機測量小型電動機轉速的方法，霍爾傳感器的工作原理，闡述了霍爾傳感器測速系統的工作過程，利用脈沖計數法實現了對轉速的測量，通過LCD直觀地顯示電機的轉速值。結合硬件電路設計，采用模塊化方法進行了軟件設計。編制了電機轉速的測量設計了測量模塊、轉速模塊、顯示模塊等的C51程序。系統以單片機STC89C51為控制核心，用霍爾集成傳感器作為測量小型直流電機轉速的檢測元件，經過單片機數據處理，用8位LED數碼管動態顯示小型直流電機的轉速。關鍵詞：單片機；轉速測量；霍爾傳感器背景：

2、在直流電機的多年實際運行的過程中，機械測速電機不足之處日益明顯，其主要表現為直流測速電機DG中的炭刷磨損及交流測速發電機TG中的軸承磨損，增加了設備的維護工作量，也隨著增加了發生故障的可能性；同時機械測速電機在更換炭刷及軸承的檢修作業過程中，需要將直流電動機停運，安裝過程中需要調整機械測速電機軸與主電機軸的同軸度，延長了檢修時間，影響了設備的長期平穩運行。隨著電力電子技術的不斷發展，一些新穎器件的不斷涌現，原有器件的性能也隨著逐漸改進，采用電力電子器件構成的各種電力電子電路的應用范圍與日俱增。因此采用電子脈沖測速取代原直流電動機械測速電機已具備理論基礎，如可采用磁阻式、霍爾效應式、光電式等方式

3、檢測電機轉速。經過比較分析后，決定采用測速齒輪和霍爾元件代替原來的機械測速電機。霍爾傳感器作為測速器件得到廣泛應用。霍爾傳感器是利用霍爾效應實現磁電轉換的一種傳感器。霍爾效應這種物理現象的發現，雖然已有一百多年的歷史，但是直到20世紀40年代后期，由于半導體工藝的不斷改進，才被人們所重視和應用。我國從70年代開始研究霍爾器件,經過20余年的研究和開發,目前已經能生產各種性能的霍爾元件,霍爾傳感器具有靈敏度高、線性度好、穩定性高、體積小和耐高溫等特點。（一） 轉速的測量原理轉速是工程中應用非常廣泛的一個參數，而隨著大規模及超大規模集成電路技術的發展，數字測量系統得到普遍應用，利用單片機對脈沖數字

4、信號的強大處理能力，應用全數字化的結構，使數字測量系統的越來越普及。在測量范圍和測量精度方面都有極大的提高。轉速的測量方法有很多，由于轉速是以單位時間內的轉速來衡量的，所以本文采用霍爾元器件測量轉速。霍爾器件是有半導體材料制成的一種薄片，其長為l，寬為b，厚度為d。若在垂直于薄片方向（即沿厚度d的方向）施加外磁場，在沿長為l的方向的兩端面加外電場，則其內部會有一定的電流通過。由于電子在磁場中運動，所以將受到一個洛侖茲力，其大小為： F=qVB,式中：F為洛倫茲力；q為載流子電荷，V為載流子運動速度，B為磁感應強度。 由于受洛倫茲力，電子的運動方向軌跡將發生偏移，在霍爾元器件薄片的兩個側面分別產

5、生電茲積聚或電荷過剩，形成霍爾電場。在霍爾器件兩個側面間形成的電位差為霍爾電壓，其大小為： U=RBI/d式中：R為霍爾常數，I為控制電流。設K=R/d,它稱為霍爾器件的靈敏系統，表示該霍爾元件在單位磁感應強度和單位控制電流下輸出霍爾電動勢的大小。若控制電流保持不變，則霍爾感應電壓將隨外界磁場強度而變化。（二）轉速測量系統組成框圖系統由霍爾元件傳感器、信號預處理電路、處理器、顯示器等部分組成。傳感器部分采用霍爾傳感器，負責將電機的轉速轉化為脈沖信號。信號預處理電路包含待測信號放大、波形變換、波形整形電路等部分，其中放大器實現對待測信號的放大，降低對待測信號的幅度要求，實現對小信號的測量；通過比

6、較器使霍爾元件傳感器產生的模擬信號轉換成電壓信號。 處理器采用STC89C51單片機，顯示器采用晶體管顯示。系統組成框圖如圖所示。轉速測量系統組成框圖(三)單片機的介紹本設計采用STC89C51芯片，芯片采用40腳雙列直插式封裝，32個I/O口，芯片工作電壓3.85.5V，工作溫度070°C（商業級），工作頻率可高達30MHz，芯片的外形和引腳見下圖STC89C51引腳圖STC89C51 是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有 8K 在系統可編程Flash 存儲器。使用高密度非易失性存儲器技術制造，與工業80C51 產品指令和引腳完全兼容。片上Flash允許程序存儲器在系統可

7、編程，亦適于常規編程器。在單芯片上，擁有靈巧的8 位CPU 和在線系統可編程Flash，使得STC89C51為眾多嵌入式控制應用系統提供高靈活、超有效的解決方案。 STC89C51具有以下標準功能： 8k字節Flash，256字節RAM， 32 位I/O 口線，看門狗定時器，2 個數據指針，三個16 位 定時器/計數器，一個6向量2級中斷結構，全雙工串行口，片內晶振及時鐘電路。另外，STC89C51可降至0Hz靜態邏輯操作，支持2種軟件可選擇節電模式。空閑模式下，CPU 停止工作，允許RAM、定時器/計數器、串口、中斷繼續工作。掉電保護方式下，RAM內容被保存，振蕩器被凍結，單片機一切工作停止

8、，直到下一個中斷或硬件復位為止。8 位微控制器 8K字節在系統可編程 Flash。P0P3口結構，第一功能、第二功能請參考數據手冊（STC89C51數據手冊下載地址）。其基本結構框圖如圖3-1，包括：·一個8位CPU；·4KB ROM；·128字節RAM數據存儲器；·26個特殊功能寄存器SFR；· 4個8位并行I/O口，其中P0、P2為地址/數據線，可尋址64KB ROM或64KB RAM；·一個可編程全雙工串行口；·具有5個中斷源，兩個優先級，嵌套中斷結構；·兩個16位定時器/計數器； ·一個片內震蕩器

9、及時鐘電路；STC89C51系列單片機中HMOS工藝制造的芯片采用雙列直插(DIP)方式封裝,有40個引腳。STC89C51單片機40條引腳說明如下:（1）電源引腳。V正常運行和編程校驗(8051/8751)時為5V電源,V為接地（2）I/O總線。P- P（P0口），P- P（P1口），P- P（P2口），P- P（P3口）為輸入/輸出引線。（3）時鐘。XTAL1：片內震蕩器反相放大器的輸入端。XTAL2：片內震蕩器反相放器的輸出端，也是內部時鐘發生器的輸入端。（4）控制總線。由P3口的第二功能狀態和4根獨立控制線RESET、EA、ALE、PSEN組成。值得強調的是，P3口的每一條引腳均可獨立

10、定義為第一功能的輸入輸出或第二功能。如表3.1所示。P3口引腳及線號引腳第二功能P3.0 (10)RXD串行輸入口P3.1 (11)TXD串行輸出口P3.2 (12)INT0外部中斷0P3.3 (13)INT1外部中斷1P3.4  (14)T0定時器0外部輸入P3.5 (15)T1定時器1外部輸入P3.6 (16)WR外部數據存儲器寫脈沖P3.7 (17)RD外部數據存儲器讀脈沖P3口線的第二功能定義STC89C51單片機的片外總線結構： 地址總線（AB）：地址總線寬為16位，因此，其外部存儲器直接尋址為64K字節，16位地址總線由P0口經地址鎖存器提供8位地址（A0至A7

11、）；P2口直接提供8位地址（A8至A15）。 數據總線（DB）：數據總線寬度為8位，由P0提供。 控制總線（CB）：由P3口的第二功能狀態和4根獨立控制線RESET、EA、ALE、PSEN組成。（四）系統原理設計系統由傳感器、信號預處理電路、處理器、顯示器和系統軟件等部分組成。傳感器部分采用霍爾傳感器，負責將電機的轉速轉化為脈沖信號。信號預處理電路包含待測信號放大、波形變換、波形整形電路等部分，其中放大器實現對待測信號的放大,降低對待測信號的幅度要求，實現對小信號的測量；波形變換和波形整形電路實現把正負交變的信號波形變換成可被單片機接受的TTL/CMOS兼容信號。 處理器采

12、用STC89C51單片機，顯示器采用8位LED數碼管動態顯示。系統原理框圖如圖4-1所示：轉速測量系統原理框圖系統軟件主要包括測量初始化模塊、信號頻率測量模塊、浮點數算術運算模塊、浮點數到BCD碼轉換模塊、顯示模塊、按鍵功能模塊、定時器中斷服務模塊。系統軟件框圖如圖4-2所示。系統軟件框圖(五)硬件電路設計總圖在原理圖基礎上對各部分進行了詳細的設計，硬件電路圖如圖所示。硬件電路圖（六）單片機主控電路設計系統選用 STC89C51 作為轉速信號的處理核心。STC89C51 包含 2 個16位定時/計數器、4K×8 位片內 FLASH 程序存儲器、4個8位并行I/O口。16 位定時/計數

13、器用于實現待測信號的頻率測量。8位并行口P0、P2用于把測量結果送到顯示電路。4K×8 位片內FLASH程序存儲器用于放置系統軟件。STC89C51與具有更大程序存儲器的芯片管腳兼容,如:89C52(8K×8 位)或 89C55(32K×8 位),為系統軟件升級打下堅實的物質基礎。STC89C51最大的優點是：可直接通過計算機串口線下載程序,而無需專用下載線和編程器。STC89C51單片機是在一塊芯片中集成了CPU、RAM、ROM、定時器/計數器和多功能I/O口等一臺計算機所需要的基本功能部件。其基本結構框圖如圖3.1，包括：·一個8位CPU；·

14、;4KB ROM；·128字節RAM數據存儲器；·21個特殊功能寄存器SFR；· 4個8位并行I/O口，其中P0、P2為地址/數據線，可尋址64KB ROM或64KB RAM；·一個可編程全雙工串行口；·具有5個中斷源，兩個優先級，嵌套中斷結構；·兩個16位定時器/計數器； ·一個片內震蕩器及時鐘電路；STC89C51系列單片機中HMOS工藝制造的芯片采用雙列直插(DIP)方式封裝,有40個引腳。STC89C51單片機40條引腳說明如下: (1)電源引腳。V正常運行和編程校驗(8051/8751)時為5V電源,V為接地端。（

15、2）I/O總線。P- P（P0口），P- P（P1口），P- P（P2口），P- P（P3口）為輸入/輸出引線。（3）時鐘。XTAL1：片內震蕩器反相放大器的輸入端。XTAL2：片內震蕩器反相放器的輸出端，也是內部時鐘發生器的輸入端。（4）控制總線。由P3口的第二功能狀態和4根獨立控制線RESET、EA、ALE、PSEN組成。值得強調的是，P3口的每一條引腳均可獨立定義為第一功能的輸入輸出或第二功能。STC89C51單片機的片外總線結構： 地址總線（AB）：地址總線寬為16位，因此，其外部存儲器直接尋址為64K字節，16位地址總線由P0口經地址鎖存器提供8位地址（A0至A7）；P2口

16、直接提供8位地址（A8至A15）。 數據總線（DB）：數據總線寬度為8位，由P0提供。 控制總線（CB）：由P3口的第二功能狀態和4根獨立控制線RESET、EA、ALE、PSEN組成。（七）電路的整機原理圖的設計霍爾器件是由半導體材料制成的一種薄片，器件的長、寬、高分別為 l、。若在垂直于薄片平面（沿厚度 ）方向施加外磁場，在沿方向的兩個端面加一外電場，則有一定的電流流過。由于電子在磁場中運動，所以將受到一個洛侖磁力，其大小為：式中：f洛侖磁力， 載流子電荷， 載流子運動速度， 磁感應強度。這樣使電子的運動軌跡發生偏移，在霍爾元器件薄片的兩個側面分別產生電子積聚或電荷過剩，

17、形成霍爾電場，霍爾元器件兩個側面間的電位差稱為霍爾電壓。霍爾電壓大小為： (mV) 式中：霍爾常數， 元件厚度， 磁感應強度， 控制電流設 , 則=(mV)為霍爾器件的靈敏系數(mV/mA/T)，它表示該霍爾元件在單位磁感應強度和單位控制電流下輸出霍爾電動勢的大小。應注意，當電磁感應強度反向時，霍爾電動勢也反向。若控制電流保持不變，則霍爾感應電壓將隨外界磁場強度而變化，根據這一原理，可以將兩塊永久磁鋼固定在電動機轉軸上轉盤的邊沿，轉盤隨被測軸旋轉，磁鋼也將跟著同步旋轉，在轉盤附近安裝一個霍爾元件，轉盤隨軸旋轉時，霍爾元件受到磁鋼所產生的磁場影響，輸出脈沖信號。傳感器內置電路對該信號進行放大、整

18、形，輸出良好的矩形脈沖信號，測量頻率范圍更寬，輸出信號更精確穩定，已在工業，汽車，航空等測速領域中得到廣泛的應用。其頻率和轉速成正比，測出脈沖的周期或頻率即可計算出轉速 轉速測量系統安裝圖 (八)軟件設計第一步分析問題，明確任務要求，對于復雜的問題，還要講要解決的問題抽象成數學模型，即用數學表達式來描述。第二步確定算法，即根據實際問題和指令系統的特點確定完成這一任務須經歷的步驟。第三步根據所選擇的算法，確定內存單元的分配：使用那些寄存器：程序運行中的中間數據及結果存放在那些單元，以利于提高程序的效率和運行速度：然后制定出解決問題的步驟和順序，畫出程序的流程圖。第四步根據流程圖，編寫源程序。第五

19、步上機對原程序進行編譯、調試。程序代碼：霍爾測速#include<reg51.h >#define uchar unsigned char#define uint unsigned intsbit lcden=P34;sbit lcdrs=P35;uint mm,n;int i;uchar qian,bei,shi,ge;uint jj;char speed="the speed is:  &#

20、160;"char table="0123456789"/*-延時程序-*/ void delay(uchar i)uchar j,k;for(j=i;j>0;j-)for(k=125;k>0;k-);/*-顯示函數-*/ /*-確定每秒轉速-*/ /*-確定位置-*/ void write_com(uchar com)lcdrs=0;P0=com;delay(5);lcden=1;delay(5);lcden=0;void write_dat

21、a(uchar date)lcdrs=1;P0=date;delay(5);lcden=1;delay(5);lcden=0;void init()lcden=0;write_com(0x38);/設置16X2顯示,5X7點陣,8位數據接口write_com(0x0c);/設置開顯示，不顯示光標write_com(0x06);/寫一個字符后地址指針加1write_com(0x01);/顯示清零，數據指針清零void xian_shi() if(n>=20)  /每秒刷新一次速度jj=mm;n=0;mm=0;qian=jj/1000;bei

22、=jj%1000/100;shi=jj%100/10;ge=jj%10;write_com(0xc0+5);write_data(tableqian);write_data(tablebei);write_data(tableshi);write_data(tablege);write_data('M');write_data('/');write_data('S');/*-主函數-*/ void main()EA=1;IT0=1;/外部中斷開啟標志EX0=1;TR0=1;ET0=1;/定時器中斷開啟標志TMOD=0X01;/

23、定時器 控制方式 TH0=(65536-50000)/256;TL0=(65536-50000)%256;init();for(i=0;i<16;i+)write_data(speedi); while(1) xian_shi();/*-外部中斷0計數程序-*/ void counter(void) interrupt 0   EX0=0;       /關外部中斷0 mm+;/計數加1EX0=1;/*-定時中斷0計數程

24、序-*/  void time1(void) interrupt 1TH0=(65536-50000)/256;TL0=(65536-50000)%256;n+; 步進電機程序：#include <reg52.h>#define uchar unsigned char sbit dula=P26;sbit wela=P27;sbit jia_key=P36;sbit jian_key=P37;sbit zf_key=P35;bit&#

25、160;flag=0;uchar num=0,show_num=2,maichong=4,table_begin=0;uchar code table1=0x01,0x02,0x04,0x08,0x08,0x04,0x02,0x01;/uchar code table1=0x09,0x03,0x06,0x0c,0x08,0x04,0x02,0x01;/uchar code table1=0x01,0x04,0x02,0x08,0x08,0x02,0x04,0x01;uchar code table=0x3

26、f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,                        0x07,0x7f,0x6f,0x77,0x7c,0x39,0x5e,0x79,0x71;void delay(uchar i)  uchar j,k;  for(j=i;j&g

27、t;0;j-)    for(k=125;k>0;k-);void display()   dula=0;   P0=tableshow_num;   dula=1;   dula=0;      wela=0;   P0=0xfe;   wela=1;   wela=0;

28、   delay(5);      P0=table0;   dula=1;   dula=0;      P0=0xfd;   wela=1;   wela=0;   delay(5);  void key ()   if(ji

29、a_key=0)        delay(5); if(jia_key=0)    num+;   if(num=4)     num=3;    while(jia_key=0);       if(jian_key=0)      &

30、#160; delay(5); if(jian_key=0)         if(num!=0)            num-; else  num=0; while(jian_key=0);       if(zf_key=0)   

31、     delay(5);     if(zf_key=0)    flag=flag;   while(zf_key=0);    void dispose()  switch(num)      case 0:     show_num=2;     maichong=5; break;case 1: show_num=4;     maichong=4;break;case 2: sho