基于霍尔传感器的电机转速测量系统设计讲解

1、 摘要摘要 在当今工业生产过程中，越来越多的场合需要测量电机的转速，转速已成为电机最重要的工作参数之一。测量转速的方法有许多，最常用的两种方法为：光电式传感器测转速，霍尔式传感器测转速。本文将着重介绍基于单片机的霍尔式传感器测量转速。 关键词关键词：霍尔传感器，单片机，转速。 目录 1 引言.2 2 设计要求.2 3 方案论证.2 3.1 测量方法的选型.3 3.2 核心处理模块的方案.3 3.2.1 控制芯片的选型.3 3.2.2 采用 51 单片机测量的方案论证.4 3.2.3 软件系统设计方案.4 3.3 电机转速测量模块的方案.5 3.4 电机转速控制方案.5 3.5 显示模块方案.6

2、 4 系统设计.6 4.1 单片机模块.6 4.1.1 51 单片机介绍.6 4.1.2 系统的复位电路.8 4.1.3 系统时钟电路设计.8 4.1.4 IO 口管脚分配.9 4.2 电机转速控制.9 4.3 显示模块.10 4.3.1 LCD1602 介绍和指令.10 4.3.2LCD1602 的工作时序 .13 4.4 霍尔传感器模块.13 5.软件系统设计.14 5.2 程序模块.15 5.2.1 数据采集处理部分和 PWM 输出部分.15 5.2.2 LCD1602 显示部分.16 参考文献.17 原理图.18 1 1.引言引言 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

3、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。 本系统以 AT89C51 单片机为控制核心，用霍尔传感器作为测量小型直流电机转速的检测元件，经过单片机实时数据处理，用 LCD1602 显示小型直流电机的转速。本系统可对转速 03000r/min 进行高精度测量。且还可扩展更宽的测量范围。 2.设计要求 基于霍尔传感器的电机转速测量系统设计，测量范围：0-3000 转/分，测量精度：3 转/分，实时显示。 3.方案论证 根据题设要求，本系统的原理框图如图 3

4、-1 所示 显 霍 示 尔电 模 单片机控制模块传机 块 感 器 电机转速控制 图 3-1：原理框图 2 3.1 测量方法的选型测量方法的选型 对转速的测量实际上是对转子旋转引起的周期脉冲信号的频率进行测量，其中测频率的方法有许多，最常用的方法有两种：等精度测量法和计数测频法。等精度测量法精度很高常常用于工业测量，但实现该方法比较困难要求比较高。计数测频率的测量精度次之，由于量化误差的存在，它的精度受频率的高低影响，频率越高，测量精度越高，反之亦然。但实现该方法简单，要求不高。所以由于 计数测频的方法一般有两种方法：在本设计中将选择计数测频法，本人所学有限，方法 1：测频率法 在一定的时间间隔

5、 t 内，计数被测信号变化的次数 N，则被测信号的频率 f=Nt 。 为优点： 适合测频率较高的情况。 缺点：不适用于测低频。 方法 2：测周期法 在被测信号的 n 个周期内，计数时钟个数数为 m，周期为 t，则测被测信号f=n/mt 的频率可表示为优点：适合测低频，能提高测频精度。 缺点：不适合测高频，要想测高频，则必须提高处理器的能力。 本次设计将选用方法一，和方法二的组合。 3.2 核心处理模块的方案 3.2.1 控制芯片的选型 方案一：用 STM32 做核心控制器。STM32 是 32 位单片机，处理速度快，最大时钟频率能达到 72Mhz。内部资源丰富，具有大容量的内置闪存，在 32k

6、-128k之间。内置丰富的外部中断和定时器，丰富的 IO 接口，最多可达 112 个，自带AD，DA 转换器，且功耗非常低，稳定性非常高。总之 STM32 的功能非常强大， 3 51 单片机不能比拟的。适合做比较大的系统，是 缺点：成本比较贵，编程复杂，画板子比较麻烦。 位单片机，工作时钟是一种 8 方案二：用 AT89C51 做核心控制器。AT89C51 稳定性高，1000 次以上，功耗低，具有 4K 的闪存，使用寿命长，可擦写循环快， 价钱非常低廉，编程简单，非常实用，适合小系统设计。缺点：闪存小，不能进行大系统开发，内部资源少。 本课题整个系统比较小，若使用 STM32 做核心控制器将造

7、成巨大的资源浪费，会增加成本，不适宜大规模的推广。而使用 51 单片机，价格低廉，操作简单，内部资源完全满足本系统的开发要求。所以综上所诉，本设计选择方案二。 3.2.2 采用 51 单片机测量的方案论证 根据题设要求，最大测量转速为 3000r/min，即 50r/s，一转所花最小时间为20ms。采用分辨率为 36 的测量精度，即有 36 个磁钢，则磁钢与磁钢之间所花最小时间为 20/36=0.56ms。若单片机采用 11.0592Mhz 的晶振，则执行一条指令的时间大约为 1us，进入中断的时间只需几微秒，远远小于磁钢与磁钢之间所花的最小时间。所以完全可以忽略单片机在执行程序时所花的时间对

8、测量结果的影响。因此用 51 单片机完全能够满足测量要求，不需要运行速度更快的单片机。由以上所诉该方案可行。 3.2.3 软件系统设计方案软件系统设计方案 题设要求为 0-3000r/min，所以我有以下三种方案 方案一：在低转速和高转速时都选择 1 分钟为闸门时间，则计数器所得值 m，除以磁钢个数 n，即得转速 r=m/n。 缺点：不管是低转速，还是高转速等待时间过长，对测量高转速不适宜，适宜测量低转速，但对于。 方案二：根据电机转速快慢智能判断闸门时间。在 1s 内判断通过磁钢的个 4 数，如果大于等于 360 个（即大于等于 600 转/分） ，则计算算出转速。如果小于 360 个则延长

9、闸门时间至 10 秒，计算通过磁钢个数，如果大于等于 360 个（即大于等于 60 转/分） ，计算出转速。如果小于 360 个则再延长闸门时间至60s，计算通过磁钢的个数，计算出转速。根据题设要求测量误差不能大于正负3 转/分。而本设计最大测量误差为 5/36=0.14 转/分（大于 1 转/分时） ，当且仅当在闸门时间为 1s 时可能取得。 优点：该方法对测量大于等于 600 转/分的转速所花时间较短 缺点：对量小于等于 600 转/分的转速所花时间较长，不过为了提高测量精度只好延长时间。 方案三：在高转速时（大于等于 600 转/分） ，选用测频法，即与方案二测高转速的方法一样。在低转速

10、（小于 600 转/分） ，选用周期测频法。这样既可提高测量速度，又可提高精度。 综上所诉方案三更好，所以本课题选择方案三。 3.3 电机转速测量模块的方案电机转速测量模块的方案 采用开关型霍尔传感器进行测速。 霍尔开关传感器测频法测速原理： 小磁铁固定在转盘上，转盘与电机轴相连，同步转动，小磁铁通过霍尔传感器时，霍尔传感器产生一个相应的脉冲，我们在单位时间内计算脉冲的个数，再除以小磁铁的个数，得到的值即为电机的转速，其中小磁铁的个数即为分辨率的值，小磁铁越多分辨率越高，测量精度越高。 在本课题中将采用分辨率为 36 进行测量。这样能够减小由计数法测频所引起的正负 1 个脉冲（量化误差）误差的

11、影响。 3.4 电机转速控制方案电机转速控制方案 采用按键控制 PWM 的输出脉宽从而控制电机的转速，方便测量电机不同的转速。 5 3.5 显示模块方案 方案一：选用数管显示，显示单一。 方案二：选用 LCD1602 显示，显示丰富。 由于数码管显示内容单一，所以我选择显示内容更丰富的方案二。 4.系统设计 本系统选用的模块包括：单片机系统，转速测量模块，LCD 显示模块，控制电机转速模块。 4.1 单片机模块 本课题选用 AT89C51 单片机作为主控器 4.1.1 51 单片机的介绍 52 单片机引脚图如图 4-1 所示： 图 4-1：单片机引脚图 6 主要特性： 4K 字节可编程闪烁存储

12、器 寿命：1000 写/擦循环 数据保留时间：10 年 32 可编程 I/O 线 5 个中断源，两个外部中断，两个定时器中断，一个串口中断 有一个串口 低功耗的闲置和掉电模式 管脚说明： 1.40 脚 VCC 用于接电源正极。 2.20 脚 GND 接电源负极。 3.P1，P2 为双向 IO 口。 4.P0 口在作为输出口是一般要接上拉电阻，增大驱动能力。 5.P3 口除了作为 IO 口外，还有复用功能,复用功能如下表 4-1 表 4-1 引脚 复用名称 复用功能 P30 RXD 串行数据接收 P31 TXD 串行数据发送 P32 INT0 外部中断 0 P33 INT1 外部中断 1 请求

13、P34 T0 定时器/计数器 0 P35 T1 定时器/计数器 1 P36 WR 外部 RAM 写选通 P37 RD 外部 RAM 读选通 6.PSEN：外部程序存储器的选通信号。 7.XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。 8.XTAL2：来自反向振荡器的输出。 9.9 脚 RST 复位脚 7 4.1.2 系统的复位电路 复位电路是整个系统重要的一环，当运行出错时可以按下复位按键复位，不需断电重新操作。本复位电路选择上电自动复位电路。如图 4-2 所示。当电路上电时，由于电容两端的电压不可跳变，所 RST 端会是高电平，系统复位。等电容充电完成后，RST 端变为低电平，系

14、统正常工作。 图 4-2：复位电路 4.1.3 系统时钟电路设计 时钟电路为整个系统提供时钟，是整个系统不可缺少的一环。它控制着系统的运行速率，采用的时钟晶振越大运行速率越快。由于受 51 单片机自身限制，时钟晶振也不能选择过大，51 单片机能支持几十兆的晶振。在本系统设计中，选用 11.0592Mhz 的晶振，目的是为了是在使用定时器时，更加方便精准，提高测量精度。晶振电路如图 4-3 所示。在选择晶振两边的电容时不宜选择过大。当电容太大时晶振不能正常起振，导致系统不能正常工作。本次选择 30pf 的电容。 8 图 4-3：时钟电路 4.1.4 IO 口管脚分配 1.传感器输出接口 P3.5

15、I/O 口，用于计数脉冲个数。 2.对按键进行 I/O 口分配，将选用两个按键，一个用于增大 PWM 输出的占空比，即增大转速，分配管脚为 P1.0；一个用于减小 PWM 的占空比，即减小转速，分配管脚为 P1.1 。 3.PWM 输出 I/O 分配：选 P1.7 作为模拟 PWM 输出口 4.LCD 显示 I/O 口分配：P0 口接 LCD 的数据传送接口，P2.0P2.2 作为作为LCD 的控制接口，分别接 LCD 的 E（使能端） ，RW（读写端） ，RS（数据/命令端） 4.2 电机转速控制 控制电机的转速的快慢，也就相当于控制电机两端电压的大小，控制电压的大小可以选择 DA 数模转换

16、器，也可以选择 PWM 输出控制。若用 DA 控制，则会多增加芯片，没有直接用 PWM 控制那么实用。PWM 可以直接由单片机模拟输出，操作方便简单，所以本次选择 PWM 来控制电机转速。 PWM 的全称是 Pulse Width Modulation,即脉宽调制变换器。它的作用是把恒定的直流电源电压调制成频率一定，宽度可变的脉冲电压序列，从而改变平均输出电压的大小，以调节电机的转速。 在电机转动时，由于电机本身要切割磁感线从而产生自身感应电动势，如果把电机电源直接与单片机系统共用一个电源，则会对整个控制系统产生巨大的影响，使整个系统不能正常的工作。为了消除这一影响，采用光耦耦合器把电机和单片

17、机分开，从而达到消除这一影响的目的。 为了控制 PWM 的占空比，我选用两个按键来控制。具体电路如图 4-4 所示： 9 4-4 图 PWM 占空比，即增加转速。按键 S2 增加 PWM 占空比，即减小转速。按键S3 减少 ：电机开关。Key1 单刀 显示模块 4.3 介绍和指令 4.3.1 LCD1602 字符型液晶它是一种专门液晶也叫 1602 本次显示模块选用 LCD1602，LCD 点5*11 个 5*7 或者 32 用来显示字母、数字、符号、等的点阵型液晶模块，它由 阵字符位组成，每个点阵字符位都可以显示一个字符，不能显示汉字和图片。 所示所示，4-1，表 4-2 的引脚说明即指令说

18、明分别如表 LCD1602 0 1 表 4-1 引脚 引脚名 电平 输入/输出 作用 1 GND 电源地 2 VCC 电源正极 3 VEE 对比调整电压 4 RS 0/1 输入 0：输入指令 1：输入数据 5 R/W 0/1 输入0：写入数据或指令； 1：从LCD 读数据 6 E 1,10 输入 使能信号，1 读取信息 10（下降沿）执行指令 7 DB0 0/1 输入/输出 数据总线 0 8 DB 0/1 /输出 输入数据总线 1 9 DB0/1 输出输入/ 数据总线 2 10 DB 0/1 输出输入/ 数据总线 3 11 DB 0/1 输出输入/ 数据总线 4 12 DB 0/1 输出输入/

19、数据总线 5 13 DB 0/1 /输出 输入数据总线 6 14 DB 0/1 输入/ 输出数据总线 7 15 A +VCC LCD 背光电源正极 16 K 接地 LCD 背光电源负极 1 1 表 4-2 指令功能 指令编码RS R/W DB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB0 清屏0 0 0 0 00 0 0 0 0 1 光标归位0 0 0 0 0 0 0 0 1 X 进入设置模式0 0 0 0 0 0 0 1 I/D S 显示开关控制0 0 0 0 0 0 1 D C B 设置显示屏或光标的移动 方向0 0 0 0 0 1 S/C R/L X X 功能设置0 0 0

20、0 1 D N F X X 地址 CGRAM 设定0 0 0 1 6 位）CGRAM 的地址（ 地址设定 DDRAM0 0 1 位）7DDRAM 的地址（读取忙碌信号 地址 AC 或0 1 1 ：忙 0：操作 位）AC 内容（7DDRAM 写数据到或CGRAM 1 0 D7-D0 写入数据或 DDRAM 从 CGRAM 读 出数据1 1 D7-D0 读出数据 4-5 所示：LCD1602 液晶显示电路如图 4-5 图：液晶显示电路 2 1 4.3.2LCD1602 的工作时序 LCD 的工作时序如图 4-6 所示 图 4-6：LCD1602 的工作时序 基本操作时序： 读状态 RS=L，RW=

21、H，E=H 输出：DB0DB7=状态字 写指令 RS=L，RW=L，E=下降沿 DB0DB7=指令码 读数据 RS=H，RW=H，E=H 输出：DB0DB7=数据 写数据 RS=H，RW=L，E=下降沿 DB0DB7=数据 4.4 霍尔传感器模块 霍尔传感器选用 GS3020，GS3020 共有三个管脚： 1 脚 VCC 接电源正极；2 脚信号输出端；3 脚接电源负极 测速电路如图 4-7 所示，其中 C5 用于率电源滤波，C4 用于霍尔元件输出信号的滤波，用一个比较器 LM324 把输出信号转换成方波，以便于单片机计数。 将 LM324 的输出端与单片的 P3.5 口相连，它是计数器 1 的输入口。在这儿我们将采用 16 位计数器。 3 1 ：测速模块图 4-7 软件系统设计 5. 所示：整个软件系统的工作流程如图 5-1 开始 ，定时器，计数 LCD 器初始化 输出，电机转动 PWM 频率采集 数据处理算法 LCD 显示 图 5-1：系统工作流程图 4 1 5.2 程序模块 整个系统的程序模块包括 3 部分： 1.数据采集，处理部分。 2.显示模块程序 3.按键控制 PWM 输