1、1基于霍尔传感器的转速测量姓名：*班级：*学号：*指导老师：*基于霍尔传感器的转速测量2摘 要本文介绍一种用 STC89C51 单片机测量小型电动机转速的方法，霍尔传感器的工作原理，阐述了霍尔传感器测速系统的工作过程，利用脉冲计数法实现了对转速的测量，通过 LCD直观地显示电机的转速值。结合硬件电路设计，采用模块化方法进行了软件设计。编制了电机转速的测量设计了测量模块、转速模块、显示模块等的 C51 程序。系统以单片机STC89C51 为控制核心，用霍尔集成传感器作为测量小型直流电机转速的检测元件，经过单片机数据处理，用 8 位 LED 数码管动态显示小型直流电机的转速。关键词：单 片 机 ；
2、 转 速 测 量 ； 霍 尔 传 感 器背景：在直流电机的多年实际运行的过程中，机械测速电机不足之处日益明显，其主要表现为直流测速电机 DG 中的炭刷磨损及交流测速发电机 TG 中的轴承磨损，增加了设备的维护工作量，也随着增加了发生故障的可能性；同时机械测速电机在更换炭刷及轴承的检修作业过程中，需要将直流电动机停运，安装过程中需要调整机械测速电机轴与主电机轴的同轴度，延长了检修时间，影响了设备的长期平稳运行。随着电力电子技术的不断发展，一些新颖器件的不断涌现，原有器件的性能也随着逐渐改进，采用电力电子器件构成的各种电力电子电路的应用范围与日俱增。因此采用电子脉冲测速取代原直流电动机械测速电机已
3、具备理论基础，如可采用磁阻式、霍尔效应式、光电式等方式检测电机转速。经过比较分析后，决定采用测速齿轮和霍尔元件代替原来的机械测速电机。霍尔传感器作为测速器件得到广泛应用。霍尔传感器是利用霍尔效应实现磁电转换的一种传感器。霍尔效应这种物理现象的发现，虽然已有一百多年的历史，但是直到 20 世纪 40 年代后期，由于半导体工艺的不断改进，才被人们所重视和应用。我国从 70 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。（一） 转速的测量原理转速是工程中应用非常广泛的一个参数，而随着大规模及超大
4、规模集成电路技术的发展，数字测量系统得到普遍应用，利用单片机对脉冲数字信号的强大处理能力，应用全数字化的结构，使数字测量系统的越来越普及。在测量范围和测量精度方面都有极大的提高。转速的测量方法有很多，由于转速是以单位时间内的转速来衡量的，所以本文采用霍尔元器件测量转速。霍尔器件是有半导体材料制成的一种薄片，其长为 l，宽为 b，厚度为 d。若在垂直于薄片方向（即沿厚度 d 的方向）施加外磁场，在沿长为 l 的方向的两端面加外电场，则其内部会有一定的电流通过。由于电子在磁场中运动，所以将受到一个洛仑兹力，其大小为：F=qVB,3式中：F 为洛伦兹力； q 为载流子电荷，V 为载流子运动速度，B
5、为磁感应强度。 由于受洛伦兹力，电子的运动方向轨迹将发生偏移，在霍尔元器件薄片的两个侧面分别产生电兹积聚或电荷过剩，形成霍尔电场。在霍尔器件两个侧面间形成的电位差为霍尔电压，其大小为：U=RBI/d式中：R 为霍尔常数， I 为控制电流。设 K=R/d,它称为霍尔器件的灵敏系统，表示该霍尔元件在单位磁感应强度和单位控制电流下输出霍尔电动势的大小。若控制电流保持不变，则霍尔感应电压将随外界磁场强度而变化。（二）转速测量系统组成框图系统由霍尔元件传感器、信号预处理电路、处理器、显示器等部分组成。传感器部分采用霍尔传感器，负责将电机的转速转化为脉冲信号。信号预处理电路包含待测信号放大、波形变换、波形
6、整形电路等部分，其中放大器实现对待测信号的放大，降低对待测信号的幅度要求，实现对小信号的测量；通过比较器使霍尔元件传感器产生的模拟信号转换成电压信号。 处理器采用 STC89C51 单片机，显示器采用晶体管显示。系统组成框图如图所示。转速测量系统组成框图(三)单片机的介绍本设计采用 STC89C51 芯片，芯片采用 40 脚双列直插式封装，32 个 I/O 口，芯片工作电压 3.85.5V，工作温度 070C（商业级） ，工作频率可高达 30MHz，芯片的外形和引脚见下图4STC89C51 引脚图STC89C51 是一种低功耗、高性能 CMOS8 位微控制器，具有 8K 在系统可编程 Flas
7、h 存储器。使用高密度非易失性存储器技术制造，与工业 80C51 产品指令和引脚完全兼容。片上 Flash 允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8 位 CPU 和在线系统可编程 Flash，使得 STC89C51 为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。 STC89C51 具有以下标准功能： 8k 字节 Flash，256 字节 RAM， 32 位 I/O 口线，看门狗定时器，2 个数据指针，三个 16 位 定时器/计数器，一个 6 向量 2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。另外，STC89C51 可降至 0Hz 静态逻辑操作，支持 2
8、 种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU 停止工作，允许 RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM 内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。8 位微控制器 8K 字节在系统可编程 Flash。P0P3 口结构，第一功能、第二功能请参考数据手册（STC89C51 数据手册下载地址 www.mcu-） 。其基本结构框图如图 3-1，包括：一个 8 位 CPU；4KB ROM；128 字节 RAM 数据存储器；26 个特殊功能寄存器 SFR； 4 个 8 位并行 I/O 口，其中 P0、P2 为地址/数据线，可寻址 64KB ROM 或
9、 64KB RAM；一个可编程全双工串行口；具有 5 个中断源，两个优先级，嵌套中断结构；两个 16 位定时器/计数器； 一个片内震荡器及时钟电路；STC89C51 系列单片机中 HMOS 工艺制造的芯片采用双列直插(DIP)方式封装,有 40 个引脚。STC89C51 单片机 40 条引脚说明如下:（1）电源引脚。V 正常运行和编程校验(8051/8751)时为 5V 电源,V 为接地C S5（2）I/O 总线。P - P （P0 口） ，P - P （P1 口） ，P - P （P2 口） ，0.7.0.17.0.27.P - P （P3 口）为输入 /输出引线。0.37.（3）时钟。XT
10、AL1：片内震荡器反相放大器的输入端。XTAL2：片内震荡器反相放器的输出端，也是内部时钟发生器的输入端。（4）控制总线。由 P3 口的第二功能状态和 4 根独立控制线 RESET、EA、ALE、PSEN 组成。值得强调的是，P3 口的每一条引脚均可独立定义为第一功能的输入输出或第二功能。如表 3.1 所示。P3 口线的第二功能定义STC89C51 单片机的片外总线结构： 地址总线（AB）：地址总线宽为 16 位，因此，其外部存储器直接寻址为 64K 字节，16位地址总线由 P0 口经地址锁存器提供 8 位地址（A0 至 A7） ；P2 口直接提供 8 位地址（A8至 A15） 。 数据总线（
11、DB）：数据总线宽度为 8 位，由 P0 提供。 控制总线（CB）：由 P3 口的第二功能状态和 4 根独立控制线 RESET、EA、ALE、PSEN组成。（四）系统原理设计系统由传感器、信号预处理电路、处理器、显示器和系统软件等部分组成。传感器部分采用霍尔传感器，负责将电机的转速转化为脉冲信号。信号预处理电路包含待测信号放大、波形变换、波形整形电路等部分，其中放大器实现对待测信号的放大,降低对待测信号的幅度要求，实现对小信号的测量；波形变换和波形整形电路实现把正负交变的信号波形变换成可被单片机接受的 TTL/CMOS 兼容信号。 处理器采用 STC89C51 单片机，显示器采用 8 位 LE
12、D 数码管动态显示。系统原理框图如图 4-1 所示：P3 口引脚及线号 引脚 第二功能P3.0 (10) RXD 串行输入口P3.1 (11) TXD 串行输出口P3.2 (12) INT0 外部中断 0P3.3 (13) INT1 外部中断 1P3.4 (14) T0 定时器 0 外部输入P3.5 (15) T1 定时器 1 外部输入P3.6 (16) WR 外部数据存储器写脉冲P3.7 (17) RD 外部数据存储器读脉冲6转速测量系统原理框图系统软件主要包括测量初始化模块、信号频率测量模块、浮点数算术运算模块、浮点数到 BCD 码转换模块、显示模块、按键功能模块、定时器中断服务模块。系统
13、软件框图如图 4-2 所示。 频 率 测 量 模 块显 示 模 块初 始 化 模 块 浮 点 数 算 术 运 算 模 块浮 点 数 到 BCD码 转 换 模 块系统软件框图(五)硬件电路设计总图在原理图基础上对各部分进行了详细的设计，硬件电路图如图所示。信 号 处 理 RAM串 口霍 尔 传 感 器 键 盘电 机 LED显 示单 片 机7硬件电路图（六）单片机主控电路设计系统选用 STC89C51 作为转速信号的处理核心。STC89C51 包含 2 个 16 位定时/计数器、4K8 位片内 FLASH 程序存储器、4 个 8 位并行 I/O 口。16 位定时/计数器用于实现待测信号的频率测量。
14、8 位并行口 P0、P2 用于把测量结果送到显示电路。4K8 位片内FLASH 程序存储器用于放置系统软件。STC89C51 与具有更大程序存储器的芯片管脚兼容,如:89C52(8K8 位)或 89C55(32K8 位),为系统软件升级打下坚实的物质基础。STC89C51最大的优点是：可直接通过计算机串口线下载程序,而无需专用下载线和编程器。STC89C51 单片机是在一块芯片中集成了 CPU、RAM、ROM、定时器/计数器和多功能 I/O口等一台计算机所需要的基本功能部件。其基本结构框图如图 3.1，包括：一个 8 位 CPU；4KB ROM；128 字节 RAM 数据存储器；821 个特殊
15、功能寄存器 SFR； 4 个 8 位并行 I/O 口，其中 P0、P2 为地址/数据线，可寻址 64KB ROM 或 64KB RAM；一个可编程全双工串行口；具有 5 个中断源，两个优先级，嵌套中断结构；两个 16 位定时器/计数器； 一个片内震荡器及时钟电路；STC89C51 系列单片机中 HMOS 工艺制造的芯片采用双列直插(DIP)方式封装,有 40 个引脚。STC89C51 单片机 40 条引脚说明如下:(1)电源引脚。V 正常运行和编程校验(8051/8751)时为 5V 电源,V 为接地端。C S（2）I/O 总线。P - P （P0 口），P - P （P1 口），P - P
16、（P20.7.0.17.0.27.口），P - P （P3 口）为输入/输出引线。0.37.（3）时钟。XTAL1：片内震荡器反相放大器的输入端。XTAL2：片内震荡器反相放器的输出端，也是内部时钟发生器的输入端。（4）控制总线。由 P3 口的第二功能状态和 4 根独立控制线 RESET、EA、ALE、PSEN 组成。值得强调的是，P3 口的每一条引脚均可独立定义为第一功能的输入输出或第二功能。STC89C51 单片机的片外总线结构： 地址总线（AB）：地址总线宽为 16 位，因此，其外部存储器直接寻址为 64K 字节，16位地址总线由 P0 口经地址锁存器提供 8 位地址（A0 至 A7）；
17、P2 口直接提供 8 位地址（A8至 A15）。 数据总线（DB）：数据总线宽度为 8 位，由 P0 提供。 控制总线（CB）：由 P3 口的第二功能状态和 4 根独立控制线 RESET、EA、ALE、PSEN 组成。（七）电路的整机原理图的设计霍尔器件是由半导体材料制成的一种薄片，器件的长、宽、高分别为 l、。若在垂直于薄片平面（沿厚度 ）方向施加外磁场，在沿方向的两个端面加一外电场，则有一定的电流流过。由于电子在磁场中运动，所以将受到一个洛仑磁力，其大小为： qVBf式中：f洛仑磁力， 载流子电荷， 载流子运动速度， 磁感应强度。这样使电子的运动轨迹发生偏移，在霍尔元器件薄片的两个侧面分别
18、产生电子积聚或电荷过剩，形成霍尔电场，霍尔元器件两个侧面间的电位差 称为霍尔电压。HU9霍尔电压大小为： (mV) HURdBI/式中： 霍尔常数， 元件厚度， 磁感应强度， 控制电流HR设 , 则 = (mV)Kd/HKI/为霍尔器件的灵敏系数(mV/mA/T)，它表示该霍尔元件在单位磁感应强度和单位控H制电流下输出霍尔电动势的大小。应注意，当电磁感应强度反向时，霍尔电动势也反向。若控制电流保持不变，则霍尔感应电压将随外界磁场强度而变化，根据这一原理，可以将两块永久磁钢固定在电动机转轴上转盘的边沿，转盘随被测轴旋转，磁钢也将跟着同步旋转，在转盘附近安装一个霍尔元件，转盘随轴旋转时，霍尔元件受
19、到磁钢所产生的磁场影响，输出脉冲信号。传感器内置电路对该信号进行放大、整形，输出良好的矩形脉冲信号，测量频率范围更宽，输出信号更精确稳定，已在工业，汽车，航空等测速领域中得到广泛的应用。其频率和转速成正比，测出脉冲的周期或频率即可计算出转速10转速测量系统安装图 (八)软件设计第一步分析问题，明确任务要求，对于复杂的问题，还要讲要解决的问题抽象成数学模型，即用数学表达式来描述。第二步确定算法，即根据实际问题和指令系统的特点确定完成这一任务须经历的步骤。第三步根据所选择的算法，确定内存单元的分配：使用那些寄存器：程序运行中的中间数据及结果存放在那些单元，以利于提高程序的效率和运行速度：然后制定出
20、解决问题的步骤和顺序，画出程序的流程图。第四步根据流程图，编写源程序。第五步上机对原程序进行编译、调试。程序代码：霍尔测速#include#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: “;char table=“0123456789“;11/*-延时程序-*/ void delay(uchar i)uchar j,k;for(j=i;j
21、0;j-)for(k=125;k0;k-);/*-显示函数-*/ /*-确定每秒转速-*/ /*-确定位置-*/ void write_com(uchar com)lcdrs=0;P0=com;delay(5);lcden=1;delay(5);lcden=0;12void write_data(uchar date)lcdrs=1;P0=date;delay(5);lcden=1;delay(5);lcden=0;void init()lcden=0;write_com(0x38);/设置 16X2 显示,5X7 点阵,8 位数据接口write_com(0x0c);/设置开显示，不显示光标w
22、rite_com(0x06);/写一个字符后地址指针加 1write_com(0x01);/显示清零，数据指针清零void xian_shi() if(n=20) /每秒刷新一次速度13jj=mm;n=0;mm=0;qian=jj/1000;bei=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
23、(S);/*-主函数-*/ void main()14EA=1;IT0=1;/外部中断开启标志EX0=1;TR0=1;ET0=1;/定时器中断开启标志TMOD=0X01;/定时器 控制方式 TH0=(65536-50000)/256;TL0=(65536-50000)%256;init();for(i=0;i16#define uchar unsigned char sbit dula=P26;sbit wela=P27;sbit jia_key=P36;sbit jian_key=P37;sbit zf_key=P35;bit flag=0;uchar num=0,show_num=2,ma
24、ichong=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=0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f,0x77,0x7c,0x39,0x5e,0x79,0x71;void
25、 delay(uchar i)17uchar j,k;for(j=i;j0;j-)for(k=125;k0;k-);void display()dula=0;P0=tableshow_num;dula=1;dula=0;wela=0;P0=0xfe;wela=1;wela=0;delay(5);P0=table0;dula=1;dula=0;18P0=0xfd;wela=1;wela=0;delay(5);void key ()if(jia_key=0)delay(5);if(jia_key=0)num+;if(num=4)num=3; while(jia_key=0);if(jian_key
26、=0)19delay(5);if(jian_key=0)if(num!=0) num-;else num=0;while(jian_key=0);if(zf_key=0)delay(5);if(zf_key=0)flag=flag;while(zf_key=0);20void dispose()switch(num)case 0:show_num=2;maichong=5;break;case 1:show_num=4;maichong=4;break;case 2:show_num=6;maichong=3;break;case 3:show_num=8;maichong=2;break;2
27、1if(flag=0)table_begin=0;else table_begin=4;void qudong()uchar i,j;for(j=0+table_begin;j4+table_begin;j+) P1=table1j;for(i=0;imaichong;i+)display();22void main()while(1)key();dispose();qudong(); （九）设计总结通过这次设计,让我对整个设计从初期到完工有了总体的把握。这次是个完整的工程,所有资源都是有限的,你得为后面的工作留好足够多的资源,要不就不能完成任务。所以就得去查一些有关设计方面的资料。最后我得说,我得感谢这次设计,因为它让我学到的不仅是理论实践知识,还有对工作的态度和团队合作的那种默契。让我毕业走向社会之前有了一次完美的考验。总之，在这次综合大考验中，我无形中学到了不少东西。无论是知识还是与同学的合作方面，我都有很多感受，当然这些成绩的取得和指导老师的帮助是分不开的。
