课程设计(论文)-应用霍尔集成传感器测量转速电路设计3.doc
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1、课程设计说明书 第 I页 应用霍尔集成传感器测量转速电路设计 摘要 本文是基于 51 单片机的转速测量系统,其测量方法较多,随着单片机对脉冲信号 的处理能力越来越强大,使得全数字量系统越来越普及,并且使转速测量系统也可以 用全数字化处理。 本设计利用霍尔效应对旋转物体进行检测的转速测量系统。该系统采用 UGN3144 霍尔传感器把转速信息转换为电压输出,输出电压经整形电路送入 AT89C51 单片机进 行数据处理并用四位 7 段 LED 显示器显示测量结果。文中首先阐述了构成该系统的原 理、硬件的实现方法,在该系统中对信号频率进行测量是首要任务,通过各种测量方 法的对比下,该系统应采用测频法测
2、量。其次,在软件设计部分,此系统包含系统初 始化程序的设计、数据接收和处理程序的设计、显示程序的设计三个模块。最终,给 出各部分的原理框图、电路图及转速测量的程序流程图,并编出其具体的程序。 总之,本课题完成了硬件和软件系统的设计,实现了转速测量系统的测量,转速计算、 显示功能,同时实现键盘的开始/停止功能,完成了设计的要求。 关键词: 单片机, 转速测量, 霍尔传感器 课程设计说明书 第 II页 目录 1 绪论.1 1.1 课题研究的目的和意义.1 1.2 转速测量在国内外的研究.1 2 转速测量系统的总体方案.2 2.1 转速测量的一般方法.2 2.2 硬件设计总体方案.4 2.3 软件设
3、计思路.5 3 系统硬件设计.5 3.1 转速测量原理.6 3.1.1 测频法“M 法.6 3.1.2 测周期法“T 法”.7 3.1.3 测频测周法“M/T 法”7 3.1.4 转速测量系统中应用的方法8 3.2 霍尔传感器的简介.9 3.2.1 霍尔效应9 3.2.2 霍尔元件12 3.2.3 UGN3144 霍尔开关元件.13 3.3 单片机及其接口的设计.15 3.3.1 AT89C51 单片机的简介15 3.3.2 复位电路18 3.3.3 时钟电路19 3.3.4 显示电路20 3.3.5 HD7279 接口22 3.3.6 键盘电路25 4 系统软件设计.26 课程设计说明书 第
4、 III页 4.1 单片机转速程序设计思路及过程.26 4.1.1 单片机程序设计思路27 4.2 子程序设计 27 4.2.1 单片机转速计算程序27 4.2.2 二-十进制转换程序 28 4.2.3 显示程序29 5 转速测量系统的转速分析.31 5.1 测速范围 31 5.2 测量误差 32 结论.34 致谢.35 参考文献.36 附录 137 附录 238 课程设计说明书 第1页 1 绪论 1.1 课题研究的目的和意义 随着超大规模集成电路技术提高,尤其是单片机应用技术以其功能强大,价格低 廉的显著特点,使全数字化测量转速系统得以广泛应用。由于单片机在测量转速方面 具有体积小、性能强、
5、成本低的特点,越来越受到企业用户的青睐。转速是工程中应 用非常广泛的一个参数,其测量方法较多,而模拟量的采集和模拟处理一直是转速测 量的主要方法,这种测量方技术已不能适应现代科技发展的要求,在测量范围和测量 精度上,已不能满足大多数系统的使用。随着大规模及超大规模集成电路技术的发展, 数字系统测量得到普遍应用,特别是单片机对脉冲数字信号的强大处理能力,使得全 数字量系统越来越普及,其转速测量系统也可以用全数字化处理。在测量范围和测量 精度方面都有极大的提高。 本课题以单片机为核心,设计的全数字化测量转速系统,在工业控制和民用电器 中都有较高使用价值。一方面它可以应用于工业控制中的某一部分,如数
6、控车床的电 机转速检测和控制、水泵流量控制以及需要利用转速检测来进行控制的许多场合,如 车辆的里程表、车速表等。另一方面由于该转速测量系统采用全数字结构,因而可以 很方便的和工业控制机进行连接,实行远程管理和控制,进一步提高现代化水平。并 且,几乎不需做很大改变就能直接作为单独的产品使用。总之,转速测量系统的研究 是一件非常有意义的课题。 1.2 转速测量在国内外的研究 转速是能源设备与动力机械性能测试中的一个重要的特性参量,因为动力机械的 许多特性参数是根据它们与转速的函数关系来确定的,例如压缩机的排气量、轴功率、 内燃机的输出功率等等,而且动力机械的振动、管道气流脉动、各种工作零件的磨损
7、状态等都与转速密切相关。 转速测量的方法很多,测量仪表的型式也多种多样,其使用条件和测量精度也各 不相同。根据转速测量的工作方式可分为两大类:接触式转速测量仪表与非接触式转 速测量仪表。前者在使用时必须与被测转轴直接接触,如离心式转速表、磁性转速表 与测速发电机等;后者在使用时不需要与被测转轴接触,如光电式转速表、电子数字式 课程设计说明书 第2页 转速表、闪光测速仪等。测量发动机转速的传统方法是使用光 电式转速表测量。用这种方法测量时,既要在发动机转动轴上粘贴光标纸,又要求测量 人员把转速表与光标纸的距离控制在很近的范围,测量十分不方便。随着科学技术的迅 速发展,转速测量仪表已步入现代化、电
8、子化的行列。过去曾经使用过的接触式测量仪 表, 如离心式转速表、磁性转速表、微型发电机转速表及钟表是定时转速表,均已先后 受到冷落;而利用已知频率的闪光与被测轴转速同步的方法来测速的闪光测速仪,虽 属非接触式仪表,目前仍有应用,但也退居次要地位。代之而起的是非接触式的电子与 数字化的测速仪表。这类转速仪表大多具有体积小、重量轻、读数准确、使用方便等 优点,容易实现电脑荧屏显示和打印输出,能够连续的反映转速变化,既能测定发动 机稳定情况下的平均转速,也能够用来在足够小的时间间隔这一特定条件下测定发动机 的瞬时转速。 2 转速测量系统的总体方案 2.1转速测量的一般方法 一般转速测量系统有以下几个
9、部分构成,转速测量框图如图 2.1 所示。 转 速 信 号 拾 取 整 形 倍 频 单 片 机 显 示 接 口 芯 片 显示 键盘 驱 动 电 路 图 2.1 转速测量框图 1转速信号拾取 转速信号拾取是整个系统的前端通道,目的是将外界的非电参量,通过一定方式 转换成电量,这一环节可以通过敏感元件、传感器或测量仪表等来实现。 课程设计说明书 第3页 方法如下: (1) 通过敏感元件拾取被测信号 敏感元件体积小,可以根据用户及环境要求做成各矛头形状的探头,它能将被测 的物理量变换成电流、电压,只要选择合适的元件参数。如 R、L、C 设计相应的电路, 便能完成这种对应关系。这种方法设计难度大,信号
10、稳定度差,在模拟处理系统中不 宜采用。 (2) 通过传感器拾取信号 由专业人员将敏感元件和相应的测量电路、传递机构以适当的形式制成不同类型、 不同用处的传感器,根据原理输出电量。该电量可以是模拟量或数字量,现代传感器 还可以输出开关量,用于数字逻辑电路。 (3) 通过测量仪表拾取被测信号 目前有许多测量仪表用于各种测量中,有大信号输出、有 BCD 码输出等,但价格昂贵, 专业性强,一般不适合通用系统。通用的转速测量系统大都采用一种俗称“码盘”的传 感装置,将圆形的码盘固定在转轴上,码盘上有若干规则排列的小孔,用光电偶来输 出电信号,以反映转速对应关系,即是将转轴的速度以脉冲形式反映出来,通常有
11、两 种形式: (1) 模拟量量化后经 A/D 转换,由数字量反映角度,供单片机计算处理,得出转速。 (2) 直接由脉冲来反应转轴的角度,用每转产生的脉冲经单片机处理得出转速。 2整形和倍频 前向通道中,从传感器输出的信号必须转换成单片机输入要求的信号,由于信号 调节电路与传感器的选择,现场干扰程度等,都会影响信号的质量。而脉冲信号的上 升沿和下降沿对数字电路的触发尤为重要,若要将转速脉冲信号直接加到计数器或外 部中断的输入端,并利用其上升沿来触发进行计数,则必须要求输入的信号有陡峭的 上升沿或下降沿。处理方法上可以用触发器电路来整形;而倍频电路主要用于解决低 转速时测量精度问题及码盘的刻度误差
12、而造成的精度下降问题。方法是在每转中增加 脉冲的个数(码盘的线程数)来提高精度。但在高转速时,由于脉冲个数的增加,限制了 最高转速测量量程,这个问题可用单片机控制来动态处理解决,兼顾高低转速的测量 精度。 3单片机 课程设计说明书 第4页 单片机1是整个测量系统的主要部分,担负对前端脉冲信号的处理、计算、以及信 号的同步,计时等任务,其次,将测量的数据经计算后,将得到的转速值传送到显示 接口中,用数码管显示数值。在本系统中考虑到计数的范围、使用的定时,计数器的 个数及 I/O 口线,预选用 89C51 单片机。具体工作情况在后讨论。 4驱动和显示 由于 LED 数码管具有亮度高、可靠性好等特点
13、,工业测控系统中常用 LED 数码 管作为显示输出。本系统也采用数码管作显示。 LED 显示器是用发光二极管显示字段的,通常使用七段构成“日”字型和一只发光 二极管作为小数点,称八段数码显示器。其有两种驱动方式,共阴驱动和共阳驱动, 共阴驱动是各段发光二极管的阴极连在一起,并将公共端接地,在共阳结构中,将各 段发光二极管阳极连在一起,并将公共端接上+5V 电源,显示字符对应字型代码发光。 2.2 硬件设计总体方案 硬件设计的任务是根据总体设计要求,在系统工作原理的基础上,具体确定系统 中所要使用的元器件,设计出系统的原理框图、电路原理图。 转速是工程中应用非常广泛的一个参数,早期模拟量的模拟处
14、理一直是作为转速 测量的主要方法,这种测量方法在测量范围和测量精度上,已不能适应现代科技发展 的要求。而随着大规模及超大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。 在本转速测量系统由霍尔传感器、单片机和显示器、键盘电路等组成。传感器部 分采用 UGN3144 霍尔传感器,负责将被测量量的转速转化为脉冲信号2。 因为采用 的是集成霍尔开关元件,输出的是数字信号,可以直接把脉冲信号送入单片机进行处 理。单片机采用 AT89C51,显示器采用 4 个 7 段 L
15、ED 数码管动态显示,其系统框图如 2.2 所示。其中整个系统的电源采用双电源供电,将继电器驱动电源与单片机及其周边 电路电源完全隔离,利用光电耦合器传输信号。这样做法虽然不如单电源方便灵活, 但可将继电器工作所造成的干扰完全消除,进一步提高系统稳定性。 课程设计说明书 第5页 传感器电路 显示驱动电路 AT89C51 单片机 时钟电路键盘电路 复位电路 图 2.2 转速测量系统的总体框图 2.3 软件设计思路 软件需要解决的是定时器 0 的记数和外部中断 0 的设定、由于测量的转速范围大, 所以低速和高速都要考虑在内,关键在于一个四字节除三字节程序的实现。显示部分、 需要有一个二进制到十进制
16、的转化程序,以及转换成非压缩 BCD 的程序后、才能进 行调用查表程序送到显示。 软件工作流程:霍尔传感器利用磁电效应产生一周期脉冲向单片机的外部中断 0(P3.2)口发送一个中断信号,定时器工作在内部定时,TH0、TL0 设定初值为 0, 作为除数的低两字节,利用软件记数器、定时器 0 中断的次数作为除数高字节。中断 完毕读取内部记数值作为除数,调用除法程序计算转速,再对二进制数进行一系列变 换后调用查表显示程序,显示在 LED 上。 转速部分软件设计思路: AT89C51 单片机的 P3.2 口接收传感器的信号。主要编写 一个外部中断服务程序 INT0,读取记数值的三个字节,并再次清 0
17、记数初值以便下次 的记数和计算。调用两字节二进制-三字节十进制(BCD)转换子程序 BCD,再调用十 进制转换成非压缩 BCD 程序、最后调用查表程序送显示。软件的具体设计我们将在下 面的章节中作详细介绍。 3 系统硬件设计 课程设计说明书 第6页 3.1 转速测量原理 3.1.1 测频法“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3所示,设在时间 T 内,转轴转过的弧度数为 X, 则转速 n 可由下式表示: n= (3-1) T X 2 60 转轴转过的弧度数 X可用下式所示 m1 X (3-2) p m12
18、 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) TP m160 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 课程设计说明书 第7页 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。
19、而设置的时间过短,测量精度会受到一定的影响。 3.1.2 测周期法“T 法” 转速可以用两脉冲产生的间隔宽度 TP来决定。用以采集数据的码盘,可以是单孔 或多孔,对于单孔码盘测量两次脉冲间的时间,就可测出转述数据,TP也可以用时钟 脉冲数来表示。对于多孔码盘,其测量的时间只是每转的 1/N,N 为码盘孔数。如图 3.2“T”法脉宽测量所示。TP通过定时器测得。定时器对时基脉冲(频率为 fc)进行计数定 时,在 TP内计数值若为 m2,则计算公式为: n= (3-4) P PT 60 即: (3-5) 2 60 Pm f n c fc-为硬件产生的基准时钟脉冲频率:单位(Hz); n-转速单位:
20、(转/分); m2-时基脉冲。 图 3.2 “T”法脉宽测量 由 “T”法脉宽测量可知“T”法测量精度的误差主要有两个方面,一是两脉冲的上升 沿触发时间不一致而产生的;二是计数和定时起始和关闭不一致而产生的。因此要求 脉冲的上升沿(或下降沿)陡峭和计数和定时严格同步。测周法在低转速时精度较高, 但随着转速的增加,精度变差,有小于一个脉冲的误差存在。 3.1.3 测频测周法“M/T 法” 所谓测频测周法,即是综合了“T”法和“M”法分别对高、低转速具有的不同精度, 课程设计说明书 第8页 利用各自的优点而产生的方法,精度位于两者之间,如图 3.3“M/T”法定时/计数测量所 示。 “M/T”法采
21、用三个定时/计数器,同时对输入脉冲、高频脉冲(由振荡器产生)、 及预设的定时时间进行定时和计数,m1反映转角,m2反映测速的准确时间,通过计算 可得转速值 n。该法在高速及低速时都具有相对较高的精度。测速时间 Td由脉冲发生 器脉冲来同步,即 Td等于 m1个脉冲周期。由图可见,从 a 点开始,计数器对 m1和 m2计数,到达 b 点,预定的测速时间时,单片机发出停止计数的指令,因为 Tc不一定 正好等于整数个脉冲发生器脉冲周期,所以,计数器仍对高频脉冲继续计数,到达 c 点时,脉冲发生器脉冲的上升沿使计数器停止,这样,m2就代表了 m1个脉冲周期的 时间。 “M/T”法综合了“T”和“M”两
22、种方法,转速计算如下: 设高频脉冲的频率为 fc,脉冲发生器每转发出 P 个脉冲,由式(3-2)和(3-5)可 得 M/T 法转速计算公式为: (3-6) 2 1 60 Pm mf n c n-转速值。单位:(转/分); fc-晶体震荡频率:单位(Hz); m1-输入脉冲数,反映转角; m2-时基脉冲数。 图 3.3 “M/T”法定时/计数测量 课程设计说明书 第9页 3.1.4 转速测量系统中应用的方法 通过上面的分析可知,M 法适合于高速测量,当转速越低,产生的误差会越大。T 法 适合于低速测量,转速增高,误差增大。M/T 这种转速测量方法的相对误差与转速 n 无关,只与晶体振荡产生的脉冲
23、有关,故可适合各种转速下的测量。保证其测量精度 的途径是增大定时时间 T,或提高时基脉冲的频率 fc。因此,在实际操作时往往采用一 种称变 M/T 的测量方法,即所谓变 M/T 法,在 M/T 法的基础上,让测量时间 Tc始终 等于转速输入脉冲信号的周期之和。并根据第一次的所测转速及时调整预测时间 Tc, 兼顾高低转速时的测量精度。基于 M 法测量速度,电路和程序均较为简单,且可以在 一定的条件下满足精度的要求,所以本设计中采用 M 法进行测量。 3.2 霍尔传感器的简介 3.2.1 霍尔效应 1. 简介 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 18
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