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广东白云学院 基于霍尔传感器的电机测速装置的设计与实现 广东白云学院广东白云学院 毕业设计毕业设计( (论文论文) )开题报告开题报告 题目：基于霍尔传感器的控制电机测速装置题目：基于霍尔传感器的控制电机测速装置 的设计与实现的设计与实现 课课 题题 类类 型：型： 论文论文 设计设计 学学 生生 姓姓 名名 学学 号：号： 班班 级：级：0707 自动化自动化 2 2 班班 专业（全称）：自动化专业（全称）：自动化 系系 别：电子信息工程系别：电子信息工程系 指指 导导 教教 师：师： 20102010 年年 1010 月月 广东白云学院 基于霍尔传感器的电机测速装置的设计与实现 2 基于霍尔传感器的电机测速装置的设计与实现 摘 要 在工业生产生活中，经常会遇到各种需要测量转速的场合，例如在发电机、 电动机、机床主轴等旋转设备的实验运转和控制中，常需要分时或连续测量、 显示其转速及瞬时速度。为了能精确地测量转速，还要保证测量的实时性，要 求能测的瞬时速度。针对工业上常见的发动机设计了以单片机 STC89C52 为控 制核心的转速测量系统，本文介绍基于霍尔传感器的电机测速系统，该系统利 用霍尔传感器采集脉冲信号，通过定时计数法程序，将转速结果实时显示出来。 实际测试表明,该系统能满足发动机转速测量要求。 关键词: 单片机;电机测速系统;霍尔传感器;定时 广东白云学院 基于霍尔传感器的电机测速装置的设计与实现 3 SENSOR BASED ON HALL OF MOTOR SPEED DEVICE DESIGN ABSTRACT In the course of industrial production in life often need to measure speed encounter various occasions. For example, AT the engines motors machine tool spindles and other rotating equipments operation and control of the piolt often need frequent time-sharing or continuous measurements show its speed and instantaneous velocity.In order to accurately measured. The rotate spee measurement system for the common engine is designed with the single chip STC89C52.This paper inroduces a microcomputer-based hall sensor speed system,the syetem uses Hall sensor pulse signal collected through the timer counting algorithm programs,will speed the results of real-time disply. The result of the experiment shows that the measurement system is able to satisfy the requirement of the engine rotate speed measurement. Key words:Single-chip;Motor Speed System; Hall sensor; Timing 广东白云学院 基于霍尔传感器的电机测速装置的设计与实现 4 目录 第 1 章 绪论.5 1.1 基于霍尔传感器的电机测速装置的现状.6 1.2 课题的研究背景和意义及研究内容6 第二章 基于霍尔传感器的电机测速装置总体方案设计.7 2.1 系统原理框图设计8 2.2 总体方案的论证8 2.2.1 系统结构方案论证8 2.2.2 转速测量方案论证.9 2.2.3 电机驱动方案论证.9 2.2.4 键盘显示方案论证10 2.2.5 转速显示方案论证.10 2.2.6 PWM 软件实现方案论证 .11 2.3 各模块的分析、计算与硬件电路设计11 2.3.1 转速测量电路的设计11 2.3.2 电机驱动电路的设计.12 2.3.3 LCD 显示电路与 STC89C52 的接口设计.12 第三章 本系统各部分功能程序设计.13 3.1 系统总程序框图设计13 3.2 电机转速测量程序设计14 3.3 按键控制程序设计15 3.4 LCD 显示程序设计 .17 3.5 PWM 信号的单片机程序实现18 第四章本系统的实现与调试19 4.1 制作 PCB 过程与步骤.19 4.2 焊接硬件电路20 广东白云学院 基于霍尔传感器的电机测速装置的设计与实现 5 4.3 硬件部分测试21 4.4 软件部分调试22 4.5 实验调试与系统优化23 第五章 总结.24 参考文献25 致 谢.26 附录 1：硬件总图27 附录 2：电路 PCB 版图.28 附录 3：ISIS 7 PROFESSIONAL 仿真图31 附录 4：基于霍尔传感器的电机转速装置元件清单.32 附录 5：程序清单33 广东白云学院 基于霍尔传感器的电机测速装置的设计与实现 6 第 1 章 绪论 1.1 基于霍尔传感器的电机测速装置的现状 霍尔传感器是利用霍尔效应实现磁电转换的一种传感器，我国从年代 开始研究霍尔器件，经过余年的研究和开发，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。 测速装置在电机控制系统中占有非常重要的地位。所设计的基于霍尔元件 的脉冲发生器要求成本低、构造容易、性能好。在电机电气系统中存在着较为 恶劣的电磁环境下，具有较强的抗各种干扰脉冲的能力，同时不受脉 冲干扰 引起输出信号的不稳定。 霍尔传感器的电机测速装置由单片机控制,能够做出使电机加速，减速的动 作,还能够精确测速电机的转速，来控制电机的工作情况等多种功能。因此，霍 尔传感器的电机测速装置的设计在目前的生活中应用非常广泛，比如机车的行 驶测速，工厂自动电机停开，汽车行驶速度显示，温室机器人的精密控制等技 术领域，也可应用于复杂恶劣的航天航空工作环境，具有良好的民用和军用应 用前景。 a) 1.2 课题的研究背景和意义及研究内容 霍尔传感器的电机测速装置可以看成简单的“计数器”,从发展趋势上看，霍 尔传感器的电机测速装置设计研究方向是提出质量更精确的测速方案，以及在 考虑在复杂的环境中工作也能保持性能的稳定性。加上该设计将来会广泛应用 国民的生活生产中去，越来越多的搞高校也都很重视该题目的研究。霍尔传感 器的电机测速装置的设计要涉及自动化专业的许多课程，包括模拟电路，数字 电路，自动控制原理，单片机原理，直流电机调速技术等，在制作过程中需要 应用很多所学的专业知识.因此,选择设计霍尔传感器的电机测速装置具有现实的 意义 广东白云学院 基于霍尔传感器的电机测速装置的设计与实现 7 霍尔传感器的电机测速装置设计，是检测电机的转速来监控电机的运行状 况，因此，需解决两方面的基本问题：一是在电机转动过程中利用传感器感知 电机运行环境;二是采用适当的算法进行电机的速度控制。其设计内容涵盖机械， 单片机，自动控制，电子电路，传感技术等多个学科的知识领域，本系统的设 计采用 STC89C52 单片机为控制核心，利用霍尔传感器检测电机转速信号，通 过单片机处理信号，在 LCD 液晶屏显示转速，并且控制电机转速快慢，并可以 自动记录运行时间。整个系统的电路结构简单，可靠性能高。 此项目的研究目标随着随着半导体集成电路，电力电子器件，控制原理和 稀土材料工业的发展，可以预见这种产品必然会逐步取代传统结构测速模式， 近年来已广泛应用于家电、汽车、数控机床、机器人等更多的领域。 广东白云学院 基于霍尔传感器的电机测速装置的设计与实现 8 第二章基于霍尔传感器的电机测速装置总体方案设计 b) 2.1 系统原理框图设计 系统原理框图如图 2.1 所示，是一个带按键输入和显示的闭环测量控制系 统。主体思想是通过系统设定信息和测量反馈信息计算转速的大小。 单片机 STC89C52（速度信 号处理，电机控制 系统与反馈系统） LCD 显示器 控制按键 图 2.1：系统总模块化方框图 各硬件部分的简介：各硬件部分的简介： 1. 单片机 STC89C52：为系统的主控处理芯片，负责速度信号处理， 电机控制系统，LCD 显示器驱动与各反馈系统。 2. LCD 显示器电路：显示电机的转速与该系统运行的时间。 3. 电机驱动电路：通过 L298N 的控制驱动电机运转。 4. 控制按键电路：通过控制按键，可以实现电机的转速快慢的改变。 电机 转速信号采集 电机 电机驱动电路 广东白云学院 基于霍尔传感器的电机测速装置的设计与实现 9 5. 电机转速信号采集电路：采集电机的转速信号传送给单片机进行 处理。 2.2 总体方案的论证 2.2.1 系统结构方案论证 方案一：采用一片单片机（STC89C52）完成系统电机驱动、转速测量、 LCD 显示、按键控制，并输出 PWM 控制信号。 方案二：采用两片单片机（STC89C52）,其中一片做成电机驱动控制系统， 专门电机驱动和 PWM 控制信号输出；另一片则系统主芯片，完成电机速度的按 键设定、转速测量、LCD 显示，并向电机驱动控制系统提供设定值和测量值， 设定 PWM 信号控制速度等。 方案一的优点是系统硬件简单，控制及时有效。但是对这个设计来说，一 片单片机足够处理程序任务，处理难度不大，在资源有限的情况下，节约成本， 在应用生产中，市场价格会比较有利。方案二则与方案一相反，硬件增加，但 在程序设计上比较复杂，加大设计成本，虽然优化键盘，显示及扩展其它功能。 但是在国家提构建倡节约性社会，在完成相同任务的条件下，使用最少的资源 方案选择。因此通过比较，选择方案一。 2.2.2 转速测量方案论证 方案一：脉冲计数法。在单位时间内对位置脉冲信号计数，以获数为 M， 则每分钟的转速： N=M/S70。 方案二：脉冲周期发：是通过定时器记录脉冲的周期 T，这样每分钟的转 速： N=70/T。 比较两个方案，方案一的误差主要是2 误差（量化误差） ，设电机的最 低设计转速为 220 转/分，则记数时间 S=2s，所以其误差得绝对值： |=|(N2)/S70-N/S70|=70（转/分） 广东白云学院 基于霍尔传感器的电机测速装置的设计与实现 10 误差计算公式表明，增大记数时间可以提高测量精度，但这样做却增大了速度 采样周期，会降低系统控制灵敏度。而方案二所产生的误差主要是标准误差， 并且使采样时间降到最短，误差： =70/（T2）-70/T 设电机速度在 2207000 转/分之间，那么 0.02sT0.5s，代入公式得： 0.00025 |0.7（转/分） 。由此明显看出,方案二在测量精度及提高系统控制灵敏 度等方面优于方案一，所以本设计采用方案二。 2.2.3 电机驱动方案论证 方案一：采用专用小型直流电机驱动芯片。这个方案的优点是驱动电路简 单，几乎不添加其它外围元件就可以实现稳定的控制，使得驱动电路功耗相对 较小，而且目前市场上此类芯片种类齐全，价格也比较便宜。 方案二：直流电机驱动电路使用最广泛的就 是 H 型全桥式电路，这种驱 动电路可以 很方便实现直流电机的四象限运行，分 别对应正转、正转制动、 反转、反转制动，这种电路由于工作在管子的饱和截止模式下，效率非常高； H 型电路保证了可以简单地实现转速和方向的控制；电子开关的速度很快，稳 定性也极佳，是一种广泛采用的 PWM 调速技术 通过比较和对市场价格发展前景因素的考虑，本设计采用方案二，使系统 的设计核心在测速的控制上。 2.2.4 键盘显示方案论证 方案一：采用独立键盘接口，独立式按键是指直接用 I/O 口线构成单个的 按键电路。每一个独立式按键单独占用一根 I/O 口线。使用 2 个按键，进行逐 位设置。优点是美观大方，有利于人与系统的交互，及显示内容的扩展；缺点 是成本高，抗干扰能力教差。 方案二：采用矩阵键盘，可直接输入设定值。显示部分使用 LCD 液晶显示， 优点是显示亮度大，缺点是功耗大，不符合智能化趋势而且不美观。 为了系统容易扩展、操作以及美观，本设计完全采用方案一。 2.2.5 转速显示方案论证 方案一：采用数码管作为显示，数码管由 7 个发光二极管组成，行成一个 广东白云学院 基于霍尔传感器的电机测速装置的设计与实现 11 日字形，它门可以共阴极，也可以共阳极。通过解码电路得到的数码接通相应 的发光二极而形成相应的字符。它可以显示从 0 到 9 的数字。但是在设计显示 的内容比较多的时候，就不太适用数码管。 方案二：采用 LCD 液晶显示器相比，数码管没有液晶显示器那样的显示效 果，也没有液晶显示器做图形界面具有人机交互美观的特点，可以同时显示不 同的内容。显示质量高，价格也不贵，在市场中采 LCD 显示已成为趋势。 通过比较考虑，本设计采用方案二，使系统的显示内容：包括转速、运行时 间，很清晰的显示出来。 2.2.6 PWM 软件实现方案论证 本设计采用了定频调宽方式，采用这种方式的优点是电动机在运转时比较 稳定，并且在采用单片机产生 PWM 脉冲的软件实现上比较方便。对于实现方式 则有两种方案。 方案一：采用定时器做为脉宽控制的定时方式，这一方式产生的脉冲宽度极 其精确，误差只在几个 us。 方案二：采用软件延时方式，这一方式在精度上不及方案一，特别是在引入 中断后，将有一定的误差。本设计采用了一片 STC89C52 单片机，CPU 资源对这 个设记来说是充足，因此通过比较选择方案一。 2.3 各模块的分析、计算与硬件电路设计 2.3.1 转速测量电路的设计 理论上，是先将转速转化为某一种电量来测量，如电压，电流等。设计中 将转速测量转化为电脉冲频率的测量。基于这一思想，可以采用一对霍尔感应 传感器，使输出信号的一只在转轮一侧固定，另一只则粘在对应位置的转轮上， 这样，电机每转一圈，传感器将会输出一个脉冲，然后将脉冲通过单片机测量 其频率求出转速。由于现在的市场霍尔传感器有很多种类，选择的类型多，性 能好，可以减少信号放大电路，直接把信号传给单片机，尤其霍尔元件 SS49E 传感器，这个型号的性能很适合这个设计。如图 2.3.1 所示，在电机转轮一处 接上霍尔传感器的感应磁片，这样，每转一圈，霍尔传感器就产生一个脉冲霍 尔传感器就导通一次，OUT 端输出一个上脉冲，即完成了转速频率的转换。 广东白云学院 基于霍尔传感器的电机测速装置的设计与实现 12 图 3.2 转速/频率转化电路 2.3.2 电机驱动电路的设计 本设计采用目前市场上较容易买到的 L298N 直流或步进电机驱动芯片，它采 用单片集成塑装， 是一个高电压、大电流全双桥驱动器，由标准的 TTL 电平控 制。L298N 支持 50V 以内的电机控制电压，在直流运转条件下，可以通过高达 2A 的电流，因此它满足了一般小型电机的控制要求。但是使用 L298N 驱动直流 电机的电路，要注意 l298N 的两个电源的地线要连接起来，两个地线要是没接 到一起，会有电压差，然后 L298N 会狂发热。接法见图 3.2，图中二极管的作 用是消除电机的反向电动势，保护电路，因此采用整流二极管比较合适。PWM 控制信号由 IN1、IN2 输入。通过加速/减少按键。PWM 控制信号也随之改变， 电动机的速度就会发生变化。根据设计任务的要求，ENA 接控制使能端，通过 过实验，本设计的驱动也可达到设计要求。 图 3.2：电机驱动电路 广东白云学院 基于霍尔传感器的电机测速装置的设计与实现 13 3.3 LCD 显示电路与 STC89C52 的接口设计 设计中采用的 LCDLCD1602。接口，信号说明 LCD1602 采用标准的 15 引脚（无背光）或 16 引脚（带背光）接口，各引脚接口说明见下表。与外部 CPU 接口采用并行或串行方式控制。本设计采用并行方式控制，LCD 与单片机的 通讯接口电路如图 3.3 所示采用直连的方法，这样设计的优点是在不影响性能 的条件下还不用添加其它硬件，简化了电路，降低了成本。 1602 液晶接口引脚定义液晶接口引脚定义 编号符号引脚说明编号符号引脚说明 1VSS电源地9D2Date I/O 2VDD电源正极10D3Date I/O 3VL液晶显示偏压信号11D5Date I/O 4RS数据/命令选择端 （V/L） 12D5Date I/O 5R/W读/写选择端（H/L）13D7Date I/O 6E使能信号14D7Date I/O 7D0Date I/O15BLA光源正极 8D1Date I/O16BLK光源负极 广东白云学院 基于霍尔传感器的电机测速装置的设计与实现 14 图 3.3：LCD 与单片机的通讯接口电路 第三章本系统各部分功能程序设计 3.1 系统总程序框图设计 本设计软件主要为主程序、数据处理显示程序、按键程序设计、定时器中 断服务程序四个部分。 主程序主要完成初始化功能，包括 LCD 显示的初始化，中断的初始化，定 时器的初始化，寄存器、标志位的初始化等。主程序流程图如图 3.1 所示。 开始 LCD 显示缓存初始化 时钟寄存器初始化 定时器中断初始化 LCD 显示初始化 调用数据处理成程序 调用显示子程序 广东白云学院 基于霍尔传感器的电机测速装置的设计与实现 15 图 3.1 主程序流程图 3.2 电机转速测量程序设计 设计中考虑到电机的工作环境一般比较恶劣，因此除了硬件外，从程序上 除了要更高的精确度也需要进行更多的抗干扰设计，从而实现软件的大范围检 错、纠错或丢弃错误等。在程序的设计过程中，对严重不符合要求的测量数据 （如大于 80 转/秒对应的数据）进行了丢弃处理，而对于正常范围内的数据错 误采用了采 0 取 2 求平均的算法。 实验表明，此方法降低了系统采集转速中出现的错误。对于转速的测量方 法，是通过速度脉冲信号下降沿触发单片机的外中断，中断服务子程序在某一 个脉冲的下降沿开启定时器记时，然后在下一个下降沿关闭定时器，通过对定 时器数据进行运算处理可以得到信号周期进而得到速度值。其程序框图如图 3.2。可以看出，此方法下的采样周期是随转速变化的，转速越高采样越快。通 过这种非均匀的速度采样方式可以使电机在高速情况下，实现高速度高精度的 控制。 3.3 按键控制程序设计 键盘程序设计的任务是赋予各按键相应的功能，完成速度设定值的输入和 向 PWM 控制器的发送。2 只按键一只用来位循环选择，告诉单片机要调整电机 的转速快慢。二只按键分别是减 1、加 1 减。在没有位选择的情况下对设定值 整体保持不变；在有按键选择的情况下仅对相应位进行减 1、加 1，并且当按着 不释放按键时电机还是保持原有的速度，同时允永久保持。所以通过按键改变 PWM 值，从而实现设定控制。程序框图如图 3.3。 调用按键处理程序 广东白云学院 基于霍尔传感器的电机测速装置的设计与实现 16 图 3.2 外中断 0 服务子程序框图 否 为 “0” 为 “1” 否 否 是 是 否 是 进入中断 检测中断标志 开定时器记时 设中断标志为“1” 系统时间初始化 中断返回 关闭定时器及总中断 判断数据是否正常 保存数据 是否“采 0”处理？ 说明：当电机转速过低时， 如果进行采 0 取 1 处理将会使 控制速度太低，同时低速状态 的错误发生几率较小，所以不 采用采 0 取 1 求平均处理。 完成 1 组数据采集？ “取 2“求平均处理 计算速度值 速度值是否正常？ 发送速度值到 pwm 控制器 系统时间初始化 定时器初值初始化 中断返回 广东白云学院 基于霍尔传感器的电机测速装置的设计与实现 17 键盘服务子程序 位选键按下否？ 加 1 键按下否？ 减 1 键按下否？ 位选循环右移 调用加 1 子程序 调用减 1 子程序 否 否 否 否 发送键按下否？ 是 是 是 键值处理、保存、显示 向 pwm 控制器发送 返回 广东白云学院 基于霍尔传感器的电机测速装置的设计与实现 18 图 3.3：键盘电路程序框图 3.4 LCD 显示程序设计 LCD 的详细使用过程可参阅对应型号的使用手册。仅在本小节强调以下内 容：LCD 使用的关键是根据显示需要正确地对其进行初始化设置，而一般情况 下不用考虑如何向它读写指令或数据，因为制造厂商所给的使用资料里就附有 驱动程序，如果没有也可以从网上搜索下载得到。然而我们必须清楚那些初始 化设置之间的关系，以及它是如何利用设置读取、显示数据字符的，不然就会 发生一些不可预料的错误。因此，熟读 LCD 驱动芯片使用手册也是一个关键环 节。 开始 LCD 初始化 延时 设置第一 行显示位置 显示第 一行内容 设置第二 行显示位置 系统延时 设定使用 基本指令集 清屏，地址 指针归位 设定游标的移动方 向及指定显示的移 位 返回 广东白云学院 基于霍尔传感器的电机测速装置的设计与实现 19 LCD 初始化子程序 LCD 显示程序流程图框 图 3.4 LCD 显示初程序流程图框和 LCD 初始化子程序 通常 LCD 的初始化包括复位设置、清除显示、地址归位、显示开关、游标设 置、读写地址设置、反白选择以及睡眠模式等等。实际中根据需要，正确、灵 活地修改这些设置可以达到较为满意的显示效果。LCD 中所有汉字、数字和字 符都可以通过它的 ASCII 码来访问显示；图象的显示是通过将相关软件（提取 汉字、图象点阵数据程序）产生的数据按照 LCD 手册的要求完成响应设置后写 入即可。由于本设计中没有使用到图形显示，所以没有详述。对于系统使用的 汉字、字符和数据的 LCD 显示初始化程序和写数据程序框图见图 3.4 3.5 PWM 信号的单片机程序实现 51 系列单片机提供了非常丰富的资源，它除了拥有 4 个通用并口和 1 个串 口外，还有外部中断和内部定时器等。而且，不同的型号还集成有不同的功能， 比如 STC89C52 的 ROM 都比较大，这样存储空间可以满足一般的编程需要，而 不必去构建程序存储器，既提高了工作效率和系统的稳定性，又降低了生产成 本。 基于 STC89C52 单片机的 PWM 软件实现的重要硬件支撑是该单片机内部的 定时器。在 STC89C522 内实现 PWM 的基本过程：首先选定脉冲的频率 T，然后 根据控制信号的变化范围，这里假设是(05V)，则可以求出 t 时刻通过控制信 号 V(t)的对应脉冲的正、负脉冲持续时间。这两个时间长度在单片机里是通过 给定时器赋相应的初值而得，即定时器获得这样的定时初值后就在机器周期的 同步下，从这个初值加 2 计数，定时器满时则产生相应时间长度的溢出中断， 再利用这个中断所响应的服务程序去控制单片机某一引脚相应的正、负电平极 性的持续时间。如果上述过程连续进行，就可在这个引脚获得宽度随控制信号 V(t)大小变化的 PWM 方波信号。其程序框图见图 3.5 显示第 二行内容 广东白云学院 基于霍尔传感器的电机测速装置的设计与实现 20 图 3.5:产生 PWM 控制信号程序框图 第四章本系统的实现与调试 4.1 制作 PCB 过程与步骤 制作本设计的 PCB 电路版，考虑到市场经济条件，再加上制作的成本，制 作的工艺，所以选择制作覆铜的单层 PCB 版，这样简单，经济实惠。而且制作 的效果非常好。 第一步：你得准备好单层的铜板和三氯化铁 FeCl3(这两个市场上有买)， 你还得有一喷墨（碳）打印机，以及一台 PCB 版制作转印机。 第二步：在 EDA 工具中把 EDAPCB/PCBjishu/“ target=“_blank“ class=“infotextkey“PCB 图画好（例如 PROTEL DXP）然后用喷墨打印机打印 在油性的纸上。 第三步：把打印好的图纸贴在铜板上，然后用 PCB 版制作转印机，进行压 缩加热，大概 5 分钟左右，这时碳就附在了铜板上了。 第四步：然后把铜板拿到三氯化铁 FeCl3 溶液里面腐蚀，三氯化铁 FeCl3 的溶液最好是热的，最好的用开水熔化三氯化铁 FeCl3，然后把铜板放进三氯 化铁 FeCl3 溶液里面腐蚀。大概 20 分钟后，将铜板拿起来，用水冲干净，晾干。 定时器 0 中断 将 PWM 输出端置高电平 “1” 装入 50ms 初值 设定时器 1 中断优先级最 高 中断返回 定时器 1 中断 设定时器 0 中断优先级最 高 将 PWM 输出端清零 装入 PWM 信号初值 INIT 中断返回 广东白云学院 基于霍尔传感器的电机测速装置的设计与实现 21 第五步：将电路板以钻孔机钻出层间电路的导通孔道及焊接零件的固 定孔。钻孔时用插梢透过先前钻出的靶孔将电路板固定于钻孔机床台上，同时 加上平整的下垫板（酚醛树酯板或木浆板）与上盖板（铝板）以减少钻孔毛头 的发生。 根据以上步骤我们单层 PCB 的制作就可以完成了如附图 2。 4.2 焊接硬件电路 因为 PCB 版已经制作好了，所以只需要将电子器件按照电路图 PCB 版的电 子器件（详见电子器件附录）排布焊接，就可以了，所以过程也十分简单。 但是焊接的过程中需要注意一些问题：当我们把焊锡融化道烙铁头上时， 焊锡丝重的焊剂伏在焊料表面，由于烙铁头温度一般都再 250350以上， 当烙铁放道焊点上之前，松香焊剂将不断挥发，而当烙铁放到焊点上时由于焊 件温度低，加热还需一段时间，在此期间焊剂很可能挥发大半甚至完全挥发， 因而在润湿过程中由于缺少焊剂而润湿不良。同时由于焊料和焊件温度差很多， 结合层不容易形成，很难避免虚焊。更由于焊剂的保护作用丧生后焊料容易氧 化，质量得不到保证就在所难免了。所以焊接的时候我们要特别注意下细节， 不然的话容易出错。 4.3 硬件部分测试 硬件调试时先分步调试硬件中各个功能模块，调试成功后再进行统调。安 装固定电机和霍尔传感器时，粘贴磁钢需注意，霍尔传感器对磁场方向敏感， 粘贴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。 霍尔传感器的测试信号调试：霍尔传感器探头要对准转盘上的磁钢位置， 安装距离要在 2CM 以内才可灵敏的感应磁场变化。在磁场增强时霍尔传感器输 出低电平，指示灯亮；磁场减弱时输出高电平，指示灯熄灭。当电机转动时， 感应电压指示灯高频闪烁，所以视觉上指示灯不会有多大的闪烁感。当给霍尔 元件 SS49E 型霍尔传感器施加 25V 电压时其输出端可以输出 5V 的感应电压。 输出幅值为 5V 的矩形脉冲信号。 广东白云学院 基于霍尔传感器的电机测速装置的设计与实现 22 键盘控制调试：键盘是实现人机对话的必要设备，用户可用键盘向计算机 输入数据或命令。本系统采用独立键盘接口，独立式按键是指直接用 I/O 口线 构成单个的按键电路。每一个独立式按键单独占用一根 I/O 口线。其接口电路 如图 4.3 所示。独立式按键接口电路配置灵活，软件结构简单。但每个按键要 占用一根 I/O 口线，适用于按键数量少的键盘。 电路中，按键输入低电平有效。按键未按时没有有上拉电阻保证此时输入为 低电平。 图 4.3 按键控制电路 LCD1602 显示调试：请先确保 option/debugger 选择的是 FET Debugger！ 然后检查 LCD 接口电路，有时候接触不良也会不亮的。我遇到一些 LCD 不亮的 板子，大部分都是焊接不良才导致不亮的。检查下程序里 watchdog 的设置，要 及时清除 watchdog 的！最后显示出结果如 4.4 图就是正常的 4.4 图 LCD1602 正常显示 L298N 驱动电路调试：在焊接硬件电路时需细心排除元器件和焊接等方面 广东白云学院 基于霍尔传感器的电机测速装置的设计与实现 23 可能出现的故障，元器件的安装位置出错或引脚插错都可能导致电路短路或实 现不了电路应有的功能，甚至烧坏元器件。为方便调试，用信号发生器产生的 10KHz 的正弦信号送给 L298N 驱动电路，调试直到 OUT1 和 OUT2 可以输出矩形 脉冲信号为止，该驱动电路调试即可完成。 通过以上的电路功能调试，就可以确定电路设计的问题所在可以及时进行 更改。达到最佳的设计效果。 4.4 软件部分调试 在进行软件编程调试时需要用到单片机的集成开发环境 Keil uVision3 软 件，编程时极易出现误输入或其他的一些语法错误，最重要的还有一些模块无 语法错误却达不到预期的功能，都要经过调试才能排除。Keil uVision3 软件 具有很强大的编程调试功能，能够模拟仿真实际单片机的端口和内部功能部件 的状态值。该软件中有硬件调试和软件调试功能，可以观察单片机内存单元对 应的运行值，可以显示单片机端口、中断、定时器 2、定时器 2 还有串口对应 的运行值。可以单步调试也可以模块调试，最好的是可以对你所怀疑的语句模 块设置断点。Keil uVision3 具有的强大的编译调试功极大地方便了对软件部 分的调试。在具体调试过程中，系统将各功能模块如数据处理程序、按键程序 设计、中断服务子程序、LCD 显示程序分别分开进行调试，最后进行主程序的 整体调试。编译无误后生成目标代码.HEX 文件 一般为了更好的观察仿真的效果及各部分的功能等问题，我们学生大多数 采用 ISIS 7 Professional 软件进行仿真，利用 ISIS 7 Professional 软件画 出原理图（附图 3） ，可以形象的显示出各部分的运行情况，很清楚各部分参数 的多少！但是我们要注意仿真图效果与实际的硬件电路效果是有一定的差异的， 我们必须很好调试，找到控制的最佳效果 最后采用 STC 单片机下载软件 STC_ISP_V580 将其下载到实验板的单片机 中。下载软件的最后一步：点击软件 STC_ISP_V580 界面中的下载按钮，在点 击前一定要保持实验板的串行通信线及电源线与 PC 机连接良好，并且实验板的 电源开关处于关闭状态，然后点击下载按钮，再打开实验板电源开关，此时 软件将自动完成程序下载。最后将硬件和软件结合起来整体调试实现系统的测 广东白云学院 基于霍尔传感器的电机测速装置的设计与实现 24 速功能。 4.5 实验调试与系统优化 设计基本完成题目中的各项要求，在调试过程中发现了许多的问题。其中 电机转速的测量比较精确，与实际转速相差 1 转/秒分左右，精度在全量程范围 内优于 1 转/秒，存在一定的误差，经分析主要是由以下原因造成： 1)由于电机的转盘是采用塑料盘片磨制而成，高速旋转时容易打飘不稳，导 致获得的脉冲信号频率与实际转速有一定的误差。 2) 中断处理的进入和中断处理程序都会有一定时间的误差，从而导致定时 时间的误差，这也是造成测量误差的一个因素。 3)在固定装置时，由于是手动操作，从而导致初始获得信号有一定的时差。 通过各系统分析的结果，然后进入系统设计的优化。在弄清楚霍尔传感器的 电机测速装置各部件的工作原理的情况下，编制了电机的控制持续，制定一个 合理高效的调试方法步聚。我的调试步骤如下： 根据智能小车的硬件，编写简单的测试程序对硬件的电路分别进行测试。 1）编写的程序对硬件测试没有问题后，再划分功能模块，编写功能模块的 程序，并进行调试； 2）若发现程序效果不理想，则首行考虑程序流程是否合理，再检查语句是 否书写正确。 3）最后进行整个持续的调试，这是最后一步，与是最难的一步，要协调好 各个模块之间的先后顺序，处理好他们之间因为锁死状态。 4）对写好的代码进行优化，使代码变得更为简洁。 在软件编写与调试部分我完全按照上面的步骤去做，由于以前没有用过 PWM 调 制控制，PWM 调制控制的学习实践花了一段时间。 因此，总程序经过多次调式和修改后，最终能够使霍尔传感器的电机测速装 置具有测速显示，运行时间显示，电机运行速度控制，的功能，基本上完成了 本设计的任务 广东白云学院 基于霍尔传感器的电机测速装置的设计与实现 25 第五章 总结 在这三个月的设计过程中，我边查资料边进行软件的调试，在这三个月中 我做了以下工作： （1）对设计中所需要的元件分析其原理和性能,极其应用和发展。 （2）详细介绍霍尔传感器的电机测速装置硬件设计的方案，电路图,并附上说 明。 （3）详细介绍软件设计方法，并给出个部分的程序清单。 （4）给出对本设计进行仿真调试与优化的过程。 在制作的过程中两大部分的功能模块花了很大的功夫，一个是电机的驱动 程序，一个是 LCD 液晶显示程序。 在本装置的研制过程中，充分考虑了作为便携装置其电源的提供、功率的 损耗、体积的大小、价位的高低、使用及携带的方便性等因素。本装置不受人 广东白云学院 基于霍尔传感器的电机测速装置的设计与实现 26 群、时间、地点等的影响，对任何人都适用。而且还能快速、准确地测量。本 产品成本低、技术含量高、其稳定性可靠性已经过实践的考验。本装置是将我 们的学习知识和社会的需求结合创作出来的。 参考文献 1 吴波等。工程创新设计与实践教程，电子工业出版社 2 周兴华，手把手教你学单片机，北京航空航天大学出版社 3 姚福安 编著 ，电子电路设计与实现，山东科学技术出版社 4 于长官。自动控制技术及应用，哈尔滨工业大学出版社 5 胡寿松。自动控制原理，科学出版社 6江太辉，石秀芳.MCS-52 系列单片机原理与应用.广州：华南理工 大学出版社，2002.8 7杨忠煌，黄博俊，李文昌.单芯片 8051 实务与应用.北京：中国水 利水电出版社，2001 广东白云学院 基于霍尔传感器的电机测速装置的设计与实现 27 8张世铭，王振和.直流调速系统.武汉：华中理工大学出版社， 1988.103107 12王旭，王积森.机械设计课程设计.机械工业出版社，2003 13陆玉，何在洲，修延伟.机械设计课程设计(第 3 版).机械工业出 版社，1999 14陈隆昌，阎治安，刘新正.控制电机.西安电子科技大学出版社， 2000. 致 谢 白驹过隙，转眼四年的学习生活就将结束了。本论文是在刘崇进老师的悉 心指导下完成的，老师严谨的治学态度，务实的工作作风，孜孜不倦的学习精 神令我敬佩至深，受益非浅。陈老师很忙，但还是抽出时间来指导我们，修改 我们的论文，且从来都是不厌其烦地为我们解答各种问题，特别是在我论文完 成的这段时间。在这里我要特别谢谢刘老师。 其次感谢我的同学和朋友，他们给予了我无私的帮助和无穷的精神动力。 在我遇到知识上的或技术上的难点时，他们总是能给我及时的援助。感谢我同 宿舍的其他同学，谢谢她们在这大学四年里给我的帮助和关心。 最后，特别感谢父母和亲人在我求学过程中自始至终的支持。 广东白云学院 基于霍尔传感器的电机测速装置的设计与实现 28 附录 1：硬件总图 广东白云学院 基于霍尔传感器的电机测速装置的设计与实现 29 附录 2：电路 PCB 版图 广东白云学院 基于霍尔传感器的电机测速装置的设计与实现 30 广东白云学院 基于霍尔传感器的电机测速装置的设计与实现 31 广东白云学院 基于霍尔传感器的电机测速装置的设计与实现 32 附录 3：ISIS 7 Professional 仿真图 广东白云学院 基于霍尔传感器的电机测速装置的设计与实现 33 附录 4：基于霍尔传感器的电机转速装置元件清单 序号元件名称数量 1STC89C52 单片机1 个 2L298N 电机驱动芯片1 个 3LCD1602 液晶显示1 个 410K 电阻排1 个 5霍尔传感器1 个 610K 滑动电阻1 个 7发光二极管2 个 8控制按键2 个 9IN41484 个 1010K 欧姆电阻3 个 1122PF 电容2 个 1210UF/25V 电容1 个 1312MHZ 晶振1 个 14D/V9.0 直流电机1 个 155V12V 电源插座1 个 广东白云学院 基于霍尔传感器的电机测速装置的设计与实现 34 附录 5：程序清单 /电机测速程序 / PWM 控制 直流电机 / 晶振为 11.0592M / 利用定时器控制产生占空比可 变的 PWM 波 / 按 K1，PWM 值增加，则占空 比减小,电机转速加大。 / 按 K2，PWM 值减小，则占空 比增加,电机转速减少。 / 当 PWM 值增加到最大值或减 小到最小值时，蜂鸣器将报警。 /* * #include “reg51.h“ #include “intrins.h“ #define uchar unsigned char #define uint unsigned int #define BUSY 0x80 /常量定义 #define DATAPORT P0/手动 添加定时器 2 寄存器定义 sfr T2CON = 0xC8; sfr TL2 = 0xCC; sfr TH2 = 0xCD; sfr RCAP2L = 0xCA; sfr RCAP2H = 0xCB; sbit TF2 = T2CON7; sbit EXF2 = T2CON6; sbit RCLK = T2CON5; sbit TCLK = T2CON4; sbit EXEN2 = T2CON3; sbit TR2 = T2CON2; sbit C_T2 = T2CON1; sbit CP_RL2= T2CON0; sbit ET2 =0xAD; sbit K1=P15 ;/电机速度增加键 sbit K2=P16 ;/电机速度减少键 sbit BEEP=P13 ;/电机超标警示 灯 sbit dianji1=P35 ;/单片机控制电 机+级输出 sbit dianji2=P36 ;/单片机控制电 机-级输出 sbit ENA=P37 ;/单片机控制电 机 PWM 控制脚 sbit LCM_RS=P10; /LCD1602 显示控制引脚 sbit LCM_RW=P11; sbit LCM_EN=P12; uchar PWM=0x7f;/PWM 赋初值 uchar str016,str116; uint speed,count=0; 广东白云学院 基于霍尔传感器的电机测速装置的设计与实现 35 unsigned long time; uchar miao,fen,shi; void ddelay(uint); void lcd_wait(void); void display(); void initLCM(); void WriteCommandLCM(uchar WCLCM,uchar BusyC); void STR(); void account(); void Beep(void); void delayms(uchar ms); void delay(uchar t); /* * void main(void) TMOD=0x21 ; TH0=0xfc ;/1ms 延时常数 TL0=0x66 ;/频率调节 TH1=PWM ;/脉宽调节 TL1=0 ; ET0=1 ; ET1=1 ; TR0=1 ; RCAP2H = 0x3C; /定时器 2 定 时 50MS RCAP2L = 0x0B0; ET2 = 1; TR2=1； /