基于51單片機的電機轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)的設(shè)計方案

本方案所設(shè)計的基于霍爾元件的脈沖發(fā)生器要求成本低，構(gòu)造簡單，性能好。在電氣控制系統(tǒng)中存在著較為惡劣的電磁環(huán)境，因此要求產(chǎn)品本身要具有較強的抗干擾能力。系統(tǒng)主要由AT89S52 單片機處理系統(tǒng)、電機、傳感器檢測單元、信號處理單元和顯示系統(tǒng)等幾個部分組成。

1 總體方案設(shè)計

對轉(zhuǎn)速的測量實際上是對轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)引起的周期脈沖信號的頻率進行測量。霍爾元件測速法是利用霍爾開關(guān)元件測轉(zhuǎn)速的。

霍爾開關(guān)元件內(nèi)含穩(wěn)壓電路、霍爾電勢發(fā)生器、放大器、施密特觸發(fā)器和輸出電路。輸出電平與TTL 電平兼容，在電機轉(zhuǎn)軸上裝一個圓盤，圓盤上裝若干對小磁鋼，小磁鋼越多，分辨率越高，霍爾開關(guān)固定在小磁鋼附近，當(dāng)電機轉(zhuǎn)動時，每當(dāng)一個小磁鋼轉(zhuǎn)過霍爾開關(guān)，霍爾開關(guān)便輸出一個脈沖，計算出單位時間的脈沖數(shù)，即可確定旋轉(zhuǎn)體的轉(zhuǎn)速。其系統(tǒng)框圖如圖1 所示。

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

該系統(tǒng)包括霍爾傳感器、隔離整形電路、主CPU、顯示電路、報警電路及電源等部分。其測量過程是測量轉(zhuǎn)速的霍爾傳感器和電機機軸同軸連接，機軸每轉(zhuǎn)一周，產(chǎn)生一定量的脈沖個數(shù)，由霍爾器件電路輸出，經(jīng)隔離整形后送入單片機進行處理，單片機收到信號將該值數(shù)據(jù)處理后，在LCD 液晶顯示器上顯示出來。

一旦超速，CPU 通過蜂鳴器進行報警。

2.1 傳感器的選擇

測量電機轉(zhuǎn)速的第一步就是要將電機的轉(zhuǎn)速表示為單片機可以識別的脈沖信號，從而進行脈沖計數(shù)。利用霍爾器件檢測脈沖信號因其具有結(jié)構(gòu)牢固、體積小、重量輕、壽命長、安裝方便等優(yōu)點。當(dāng)電機轉(zhuǎn)動時，帶動傳感器運動，產(chǎn)生對應(yīng)頻率的脈沖信號，經(jīng)過信號處理后輸出到計數(shù)器或其他的脈沖計數(shù)裝置，進行轉(zhuǎn)速的測量。

2.2 微處理器的選擇

為了減少體積與功耗，采用較常使用且較經(jīng)濟的AT89S52單片機：AT89S52 是一種低功耗、高性能CMOS 的8 位微控制器，具有8K 在系統(tǒng)可編程存儲器。其最小系統(tǒng)包括單片機AT89S52接口電路、晶振電路、復(fù)位電路。如圖2 所示。

2.3 計數(shù)器與定時器

使用片內(nèi)的計數(shù)器的優(yōu)點在于降低單片機系統(tǒng)的成本。每到一個脈沖將會產(chǎn)生一個T1 的計數(shù)，在T0 產(chǎn)生的100ms 中斷完成后，T1 的中斷溢出次數(shù)就是所需要計的脈沖數(shù)。系統(tǒng)計數(shù)部分采用片內(nèi)的計數(shù)器。定時器部分可由片內(nèi)始終信號產(chǎn)生。

2.4 信號處理電路

用霍爾傳感器測量轉(zhuǎn)速，其檢測到的信號為一個個的脈沖，所以不需要進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，信號經(jīng)傳感器后，濾去雜波即可直接接入單片機進行計數(shù)處理。由于是數(shù)字脈沖信號，所以濾波的時候采用兩次反向操作，即可達到隔離整形的目的。硬件搭接如圖3 所示。其中74LS14 為六位反相器。

2.5 系統(tǒng)設(shè)計總框圖

實際測量時，要把霍爾傳感器固定在直流測速電機的底板上，與霍爾探頭相對的電機的軸上固定著一片磁鋼塊，電機每轉(zhuǎn)一周，霍爾傳感器便發(fā)出一個脈沖信號，如圖4 所示。

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3 檢測系統(tǒng)軟件設(shè)計

電機轉(zhuǎn)速測量需要經(jīng)過的4 個基本步驟：1 是控制方式;2 是確定計數(shù)方式;3 是信號輸入方式;4 是計數(shù)值的讀取。其測量過程是測量轉(zhuǎn)速的霍爾傳感器和電機機軸同軸連接，機軸每轉(zhuǎn)一周，產(chǎn)生一定量的脈沖個數(shù)，由霍爾器件電路輸出。經(jīng)過隔離整形電路后，成為轉(zhuǎn)數(shù)計數(shù)器的計數(shù)脈沖?？刂朴嫈?shù)時間，即可實現(xiàn)計數(shù)器的計數(shù)值對應(yīng)機軸的轉(zhuǎn)速值。主CPU 將該值數(shù)據(jù)處理后，在LCD 液晶顯示器上顯示出來。

3.1 主程序框圖

先進行初始化設(shè)置各定時器初值，然后判斷是否啟動系統(tǒng)進行測量。啟動系統(tǒng)后，霍爾傳感器檢測脈沖到來后，啟動外部中斷，每來一個脈沖中斷一次，記錄脈沖個數(shù)。同時啟動T0 定時器工作，每1 秒定時中斷一次，讀取記錄的脈沖個數(shù)，即電機轉(zhuǎn)速。連續(xù)采樣三次，取平均值記為一次轉(zhuǎn)速值。再進行數(shù)值的判斷，若數(shù)值高于5000r/s 則報警并返回初始化階段，否則就進行正常速度液晶顯示。如圖5 所示。

3.2 中斷服務(wù)程序

在處于中斷服務(wù)程序階段，首先進行關(guān)中斷設(shè)置。其次進行對位進行的脈沖個數(shù)計數(shù)的數(shù)值讀取。再次對、T0 進行賦初值并且進行關(guān)中斷設(shè)置。最后進行中斷返回。

3.2.1 外部計數(shù)中斷

3.2.2 定時器中斷流程圖

4 總結(jié)

本文介紹了一種基于單片機的電機轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)的設(shè)計方案，克服了傳統(tǒng)方法測量的不足，可以實現(xiàn)電機轉(zhuǎn)速不同區(qū)段的精度測量。該速度測量系統(tǒng)具有測量速度快，測量精度高的優(yōu)點，霍爾傳感器的輸出信號經(jīng)信號調(diào)理后，通過單片機對連續(xù)脈沖記數(shù)來實現(xiàn)轉(zhuǎn)速測量，充分利用了單片機的內(nèi)部資源，有很高的性價比。事實證明，該系統(tǒng)在一般的轉(zhuǎn)速檢測和控制中均可應(yīng)用。