基于霍尔传感器测电动机转速设计报告

综合课程设计报告

基于霍尔传感器的电机转速测量系统软件设计

学生姓名

指导教师： 所 在 系： 电 子 信 息 系 所学专业： 电子信息工程 年 级： 10级电子1班

2013 年 6 月

基于霍尔传感器的电机转速测量系统软件设计

摘 要

在生产过程中，电机的应用十分广泛，随着生产的不断发展，对电机转速的测量就显得十分必要，同时对电机转速的测量提出了更高的要求。

本文设计了一种以51单片机作为主控制器，使用霍尔传感器进行测量的直流电机转速测量系统。本系统采用集成霍尔传感器敏感速率信号，具有频率响应快，抗干扰能力强等特点。

文章介绍了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、报警模块、显示模块等的C51程序，并通过PROTEUSE软件进行了仿真。仿真结果表明所设计的软件程序是正确的。

关键词:霍尔传感器 单片机 电机转速测量 液晶显示

目录

第1章 绪 论 ................................................................................................................................. 2

1.1立题的目的和意义 ............................................................................................................. 3 1.2设计任务与要求 ................................................................................................................. 3 第2章 系统功能分析 ..................................................................................................................... 3

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2.1系统功能概述 ..................................................................................................................... 3 2.2 系统模块结构论证 ............................................................................................................ 4 2.3 转速测量方案论证 ............................................................................................................ 4 2.4 小结 .................................................................................................................................... 5 第3章 系统总体设计 ..................................................................................................................... 5

3.1 总体硬件设计 .................................................................................................................... 5 3.2 系统子模块简介 ................................................................................................................ 6 第4章 软件设计 ............................................................................................................................. 9 第5章 系统调试 ........................................................................................................................... 12

5.1硬件调试 ........................................................................................................................... 12 5.2软件调试 ........................................................................................................................... 13 5.3 硬件软件联合调试 .......................................................................................................... 14 第6章 结论 ................................................................................................................................... 15 第7章 参考文献 ........................................................................................................................... 16

第1章 绪 论

在实践中，经常会遇到各种需要测量转速的场合。例如在发动机、电动机、卷扬机、机床主轴等旋转设备的试验、运转和控制中，常需要测量和显示其转速。测量转速的方法分为模拟式和数字式两种。模拟式采用测速发电机为检测元件，得到的信号是模拟量。数字式通常采用光电编码器、圆光栅、霍尔元件等为检测元件，得到的信号是脉冲信号。随着微型计

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算机的广泛应用，特别是高性能价格比的单片机的出现，转速测量普遍采用以单片机为核心的数字式测量方法，智能化微电脑代替了一般机械式或模拟式结构。

1.1立题的目的和意义

霍尔传感器是利用霍尔效应实现磁电转换的一种传感器,它具有灵敏度高、线性度好、稳定性高、体积小和耐高温等特点,在机车控制系统中占有非常重要的地位。

测速装置在控制系统中占有非常重要的地位,对测速装置的要求是分辨能力强、高精度和尽可能短的检测时间。在此主要介绍应用霍尔传感器通过测量磁场强度,来得到稳定的脉冲方波信号,实现电机转速的测量转速是电动机极为重要的一个状态参数,在很多运动系统的测控中,都需要对电机的转速进行测量,速度测量的精度直接影响系统的控制情况,它是关系测控效果的一个重要因素。不论是直流调速系统还是交流调速系统,只有转速的高精度检测才能得到高精度的控制系统。

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1.2设计任务与要求

任务：根据学校毕业设计的要求，设计一个功能满足设计要求、工作稳定、以单片机为核心的基于霍尔传感器的电机转速测量系统，能够实现在电机工作时转速的测量，并在发生故障时能及时的发出报警信号。本设计包括完整的硬件设计和相应的软件设计。

要求：首先选定传感器，霍尔传感器具有灵敏、可靠、体积小巧、无触点、无磨损、使用寿命长、功耗低等优点，综合了电机转速测量系统的要求。

其次设计一个单片机小系统，掌握单片机接口电路的设计技巧，学会利用单片机的定时器和中断系统对脉冲信号进行测量或计数。

再次实时测量显示并有报警功能，实时测量根据脉冲计数来实现转速测量的方法。要求霍尔传感器转速为0～5000r/min。

第2章 系统功能分析

2.1系统功能概述

系统主要功能是：ATC51单片机接受霍尔传感器传来的脉冲信号，单片机根据外部中断，以及内部定时器进行计数计算出电机转速送到LED并显示，外部装有蜂鸣器电路，在超速时，蜂鸣器发音，从实用角度看，评价一个系统实用价值的重要标准，就是这个系统对社会生活和科技观念有多大的贡献，转速测量系统具有大范围、高精度等优点、测量速度

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快，这种系统将会有良好的应用。

2.2 系统模块结构论证

(1) 霍尔测速模块论证与选择

采用霍尔元件传感器即霍尔片；霍尔片可分为贴片型和直插型。由于贴片型不常用，因此选择直插型。选型号为A3144的霍尔片作为霍尔测速模块的核心，该霍尔片体积小，安装灵活，可用于测速，且与普通的磁钢片配套使用，价格一般为2.5~3元。 (2) 计数器模块论证与选择

可以采用片外计数器和片内计数器两个方案。片外计数器的方案是指采用8253等片外的专用计数芯片进行脉冲计数，单片机控制8253的技术过程，并在技术完毕后读取计数值。片内计数方案是指采用单片机的内部计数器完成对脉冲的计数过程。

使用片内的计数器的优点在于降低单片机系统的成本。每到一个脉冲将会产生一个T1的计数，在T0产生的100ms中断完成后，T1的中断溢出次数就是所需要计的脉冲数。特点在于：使用了内部的T1作为外部脉冲的计数器，并且，为了避免计数器的溢出，将T1的初值设为0。

(3) 显示模块论证与选择

采用LCD液晶显示器作为显示模块核心。LCD显示器工作原理简单，编程方便，节能环保。

(4)报警模块论证与选择

采用蜂鸣器与发光二极管作为声光报警主要器件。该方案不论在硬件和焊接方面还是在编写软件方面都简单方便，而且成本低廉。 (5) 电源模块论证与选择

采用交流220V/50Hz电源转换为直流5V电源作为电源模块

(6)单片机模块论证与选择

选用 PC51的单片机速度极快、功耗低、体积小、资源丰富，有各种不同的规格，最快的达100MPS ，引脚还可编程确定功能

2.3 转速测量方案论证

转速的测量方法很多，根据脉冲计数来实现转速测量的方法主要有M法(测频法)、T法(测周期法)和MPT法(频率周期法)，该系统采用了M法(测频法)。由于转速是以单位时间内转数来衡量，在变换过程中多数是有规律的重复运动。

方案（电机轴一侧贴磁片）：使用霍尔传感器获得脉冲信号，其机械结构也可以做得较为简单，只要在转轴的圆周上粘上一粒磁钢，让霍尔开关靠近磁钢，就有信号输出，转轴旋转时，就会不断地产生脉冲信号输出。如果在圆周上粘上多粒磁钢，可以实现旋转一周，获

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得多个脉冲输出。在粘磁钢时要注意，霍尔传感器对磁场方向敏感，粘之前可以先手动接近一下传感器，如果没有信号输出，可以换一个方向再试。

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2.4 小结

本章通过总体设计进行对方案选择的最终确定，研究了霍尔测速、计数器、显示、报警、电源、单片机等各部分模块的可行性方案。

第3章 系统总体设计

3.1 总体硬件设计

基于霍尔传感器的速度测量系统工作过程是：测量转速的霍尔传感器和机轴同轴连接，机轴每转一周，产生一定量的脉冲个数，由霍尔器件电路部分输出。经光电耦合后，成为转速计数器的计数脉冲。同时传感器电路输出幅度为12v的脉冲经光电耦合后降为5v，保持同C51逻辑电平相一致。控制计数时间，即可实现计数器的计数值对应机轴的转速值。CPU将该值数据处理后，在LCD上显示出来。一旦超速，CPU通过喇叭和指示灯发出声、光报警信号。

硬件原理图：

以单片机ATC5l为控制核心，用霍尔集成传感器作为测量转速的检测元件，最后用字符型液晶显示器1602(HD44780控制)显示的小型直流电动机转速的方法，是数字式测量方法，智能化微电脑代替了传统的机械式或模拟式结构。系统硬件原理图如图3-1所示。

图3-1硬件原理图

硬件电路设计总图：

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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3-2所示。

LCD1C2RV200RP1U1R1C1R5LS1R4R3U2:AU3U2:BR2R6U2:C图3-2 硬件电路图

3.2 系统子模块简介

本文介绍一种用ATC51单片机测量小型电动机转速的方法。系统以单片机ATC5l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，用字符型液晶显示器1602显示小型直流电机的转速。另外系统还可完成对电机的开关控制、系统工作时间、当前时间及电机状态的显示。单片机转速测量系统。组成单片机转速测量系统的有复位电路，传感器电路，报警电路，显示电路。

复位电路：ATC51的复位时由外部的复位来实现的，复位电路通常采用按钮复位，其电路如下图所示。

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C2100uU1R11k19XTAL1P0.0/AD0P0.1/AD1P0.2/AD2P0.3/AD3P0.4/AD4P0.5/AD5P0.6/AD6P0.7/AD7P2.0/A8P2.1/A9P2.2/A10P2.3/A11P2.4/A12P2.5/A13P2.6/A14P2.7/A15P3.0/RXDP3.1/TXDP3.2/INT0P3.3/INT1P3.4/T0P3.5/T1P3.6/WRP3.7/RD39383736353433322122232425262728101112131415161718XTAL2C191ufRSTR51k293031PSENALEEA12345678P1.0P1.1P1.2P1.3P1.4P1.5P1.6P1.7ATC51 图3-3 复位电路图 传感器电路：主要分为两个部分。第一部分是利用霍尔器件将电机转速转化为脉冲信号；第二个部分是使用光耦，将传感器输出的信号和单片机的计数电路两个部分隔开，减少计数的干扰。 用于测量的A44E集成霍尔开关，磁钢用直径D=6.004mm，长度为L=3.032mm的钕铁硼磁钢。电源用直流，霍尔开关输出由四位半直流数字电压表测量，磁感应强度B用95A型集成霍尔元件测量。 图3-4霍尔片管脚 管脚接线 外接报警电路：在单片机应用的设计上，很多方案都会用到蜂鸣器，大部分都是使用蜂鸣器来做提示或报警。用I/O定时翻转电平来产生驱动波形的方式会比较麻烦一点，必须利用定时器来做定时，通过定时翻转电平产生符合蜂鸣器要求的频率的波形，这个波形就可以用来驱动蜂鸣器了。比如为2500Hz的蜂鸣器的驱动，可以知道周期为400μs，这样只需要驱动蜂鸣器的I/O口每200μs翻转一次电平就可以产生一个频率为2500Hz，占空比为1/2duty的方波，再通过三极管放大就可以驱动这个蜂鸣器了。由于蜂鸣器的工作电流一般 7 U119XTAL1P0.0/AD0P0.1/AD1P0.2/AD2P0.3/AD3P0.4/AD4P0.5/AD5P0.6/AD6P0.7/AD7P2.0/A8P2.1/A9P2.2/A10P2.3/A11P2.4/A12P2.5/A13P2.6/A14P2.7/A1539383736353433322122232425262728101112131415161718XTAL2 9RST293031PSENALEEA比较大，以致于单片机的I/O口是无法直接驱动的，所以要利用放大电路来驱动，一般使用三极管来放电流就可以了。 P3.0/RXDP3.1/TXDP3.2/INT0P3.3/INT1P3.4/T0P3.5/T1P3.6/WRP3.7/RD12345678P1.0P1.1P1.2P1.3P1.4P1.5P1.6P1.7ATC51LS1SOUNDERR4U316524OPTOCOUPLER-NPNAB100kR31kR210kR6+CD1k-U2:C574LS146 图3-5 外接报警电路图

显示电路：显示部分有两个功能，在正常的情况下，通过LCD显示当前的频率数值，当电机的转速超出一定的范围后，通过蜂鸣器进行报警。

LCD1LM016LVSSVDDVEERSRWE45612353%RV21k71011121314D0D1D2D3D4D5D6D7RP1U119XTAL1P0.0/AD0P0.1/AD1P0.2/AD2P0.3/AD3P0.4/AD4P0.5/AD5P0.6/AD6P0.7/AD7P2.0/A8P2.1/A9P2.2/A10P2.3/A11P2.4/A12P2.5/A13P2.6/A14P2.7/A15P3.0/RXDP3.1/TXDP3.2/INT0P3.3/INT1P3.4/T0P3.5/T1P3.6/WRP3.7/RD3938373635343332212223242526272810111213141516171234567RESPACK-818XTAL29RST293031PSENALEEA12345678 图3-6 显示电路图 LS1P1.0P1.1P1.2P1.3P1.4P1.5P1.6P1.7 ATC51SOUNDER 8

第4章 软件设计

电机转速测量需要经过的4个基本步骤：1是控制方式；2是确定计数方式；3是信号输入方式；4是计数值的读取；通过C51，单片机完成对电机转速脉冲计数的控制，读取寄存器完成转速频率的确定。 而SGN电机脉冲信号连到INT0引脚。INT0计数次数为3次，将3次结果取平均，从而提高计数的稳定性和精确性。

其测量过程是测量转速的霍尔传感器和电机机轴同轴连接，机轴每转一周，产生一定量的脉冲个数，由霍尔器件电路输出。经过电耦合器后，即经过隔离整形电路后，成为转数计数器的计数脉冲。同时霍尔传感器电路输出幅度为12V的脉冲经光电耦合后降为5V，保持同单片机ATC51逻辑电平相一致，控制计数时间，即可实现计数器的计数值对应机轴的转速值。主CPU将该值数据处理后，在LCD液晶显示器上显示出来。

本系统采用C51中的INT0中断对转速脉冲计数。定时器T0工作于定时方式，工作于方式1。每到1s读一次外部中断INT0计数值，此值即为脉冲信号的频率，根据式（4-1）可计算出电机的转速。

当直流电机通过传动部分带圆盘旋转时，霍尔传感器根据圆盘上得磁片获得一系列脉冲信号。这些脉冲信号通过单片机系统定时/计数器INT0计数，定时器T0定时。定时器T0完成100次溢出中断的时间T除以测得的脉冲数m，经过单位换算，就可以算得直流电机旋转的速度。 直流电机转速计算公式： n=60·m/(N1·T·N)(rpm) （4-1） 其中：n为直流电机转速,N为栅格数，N1为T0中断次数，m为INT0在规定时间内测得的脉冲数，T为定时器T0定时溢出时间。 1.主程序流程 先进行初始化设置各定时器初值，然后判断是否启动系统进行测量。如果是，就启动系统运行。如果不是就等待启动。启动系统后，霍尔传感器检测脉冲到来后，启动外部中断，每来一个脉冲中断一次，记录脉冲个数。同时启动T0定时器工作，每1秒定时中断一次，读取记录的脉冲个数，即电机转速。连续采样三次，取平均值记为一次转速值。再进行数值的判断，若数值高于5000rpm则报警并返回初始化阶段，否则就进行正常速度液晶显示。

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图4-1主流程图

2．中断服务流程图

在处于中断服务程序阶段，首先进行关中断设置。其次进行对INT0位进行的脉冲个数计数的数值读取。再次对INT0、T0进行赋初值并且进行关中断设置。最后进行中断返回。 (1) 外部计数中断

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图4-2 外部中断流程图

定时器中断

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图4-3 T0中断流程图

第5章 系统调试

电路调试是是整个系统功能能否实现的关键步骤，我们将整个调试过程分为三大部分，硬件调试、软件调试、综合调试。

5.1硬件调试

硬件调试主要是针对转速测量系统的单片机硬件电路分别进行调试，这一部分硬件调试主要分成两大块：上电前的调试和上电后的调试。

上电前调试：在上电前，必须保证电路中不存在断路或短路的情况，这一工作是整个调 试工作的第一步

上电后的调试：在确保硬件电路正常，无异常情况方可上电调试，上电调试目的是检验电路是否接错，同时还要检验原理是否正确，在本次课题设计中，上电调试主要对转速测量

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系统的单片机控制部分、显示器点亮部分、和上位机通信的电平等部分的硬件调试。

单片机控制部分硬件调试：这一部分调试主要是检测时钟电路、复位电路是否接对，单片机的电源以及地是否接好，以及其它的一些管脚的接法，看单片机通电后是否能正常工作等一系列问题。接上电源，使电路通电，检查各个芯片上的工作电压是否正常供电，以保证芯片正常工作。下图为接好的电路图：

图5-1实体电路图

5.2软件调试

软件调试分为两部分，一部分是应用Keil软件进行程序调试，另一部分是Proteus软件仿真。

应用Keil软件进行程序调试：

软件的调试必须在开发系统的支持下进行。先分别调试通过各个模块程序,然后调试中

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断服务程序,最后调试主程序,将各部分连接进行调试。调试的范围可以由小到大,逐步增加,必要的中间信号可以先做设定。通常交叉使用单步运行,断点运行,连续运行等多种方式,每次执行完毕后,检查CPU执行现场,RAM的有关内容,I/O接口的状态等。发现一个问题,解决一个问题,直至全部通过。

首先新建一个工程项目文件;其次为工程选择目标器件;再次为工程项目设置软硬件调试环境；并创建源程序文件并输入程序代码，及保存创建的源程序项目文件；最后把源程序文件添加到项目中。

Proteus软件仿真：

在Proteus软件中画出原理图,向单片机中加入需要调试的程序的HEX文件,便可以进行调试了.

利用Proteus实现单片机系统开发过程一般分为四步：

⑴.在Proteus平台上进行单片机系统电路设计、选择元器件、接插件、连接电路和电气检测等（简称Proteus电路设计）；

⑵.在Proteus平台上进行单片机系统源程序设计、编辑、汇编编译、调试，最后生成目标代码文件（*.hex）（简称Proteus软件设计）；

⑶再次在Proteus平台上将目标代码文件加载到单片机系统中，并实现单片机系统的实时交互、协同仿真（简称Proteus仿真）；

⑷最后仿真正确后，安装实际单片机系统电路，并将目标代码文件（*.hex）下载到实际单片机中运行、调试。若出现问题，可与Proteus设计与仿互配合调试，直至运行成功（简称实际产品安装、运行与调试）。笔者的实践证明：按照Proteus仿真通过的设计来安装的实际系统，只要安装正确、元器件无误，焊接牢靠，基本都能顺利通过。

5.3 硬件软件联合调试

将生成的hex文件经过烧录器加到芯片ATC51，然后搭接电路进行调试。 搭接电路步骤：

首先检查元件的好坏；按电路图买好元件后首先检查买回元件的好坏，按各元件的检测方法分别进行检测，一定要仔细认真。

其次放置各元件；按电路图的位置将各元件安置好，首先放置核心元件，然后再放其他元件，特别注意顺序不能颠倒。

再次电路接线；在保证电路元器件完好及各元器件放置无误合理的情况下，开始对电路连接布线，由于本设计用面包板搭件，所以布线要无跨线并且工整。

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第6章 结论

本文给出了一种单片机实现电机转速的测量系统,克服了传统方法测量的不足,可以实现电机转速不同区段的精度测量。

主要通过学习了霍尔传感器、C51单片机、1206LCD显示等知识，查阅了相关资料，实现了“基于霍尔传感器的电机转速测量系统设计”的基本要求。本系统实现了题目基本部分以及扩展部分的要求，可达到设计的基本条件要求。所设计的系统具有以下功能：

1对于设计采用C51单片机作为测量转速的主CPU芯片，系统硬件设备结构简单合理，成本低，实时性好。

2测速系统采用霍尔传感器作为敏感速率信号，具有频率响应快，抗干扰能力强等特点。霍尔传感器的输出信号经信号调理后，通过单片机对连续脉冲记数来实现转速测量，充分利用了单片机的内部资源，有很高的性价比。但由于器件不够，所以直接采用了信号发生器中的信号。

3针对采用1206LCD显示测速值，直观、稳定，易于实现，该显示方式可以推广到其他工程应用领域。并应用KEIL进行了软仿真，调试结果表明所设计的软件程序正确。

4测速系统的功能还有待进一步提高，使其能够利用霍尔传感器产生输出信号经信号调理后，通过单片机对连续脉冲记数来实现转速测量。

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第7章 参考文献

[1] 张毅坤 ，陈善久 ，裘雪红.单片微型计算机原理及应用[M].西安：西安电子科技大学出版社，1998年。

[2] 全润，张亚凡，邓洪敏.传感器原理及应用[M].北京：清华大学出版社，2008年。 [3] 万福君 凌文玉 王乃厚等.单片微机原理系统设计与开发应用[M].合肥:中国科学技术大学出版社,1995.46-52。

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