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1、应用霍尔集成传感器测量转速电路设计 摘 要 在工农业生产和工程实践中，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。要测速，首先要解决的是采样问题。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。早期直流电动机的 控制均以模拟电路为基础，采用运算放大器，非线性集成电路以及少量的数字电路组 成，控制系统的硬件部分非常复杂，功能单一，而且系统非常不灵活、调试困难。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。 随着微型计算机的广泛应用，
2、单片机技术的日新月异，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，使得许多控制功能及 算法可以采用软件技术来完成，智能化微电脑代替了一般机械式或模拟式结构，并使 系统能达到更高的性能。采用单片机构成控制系统，可以节约人力资源和降低系统成 本，从而有效的提高工作效率。 直流电动机具有良好的起动、制动性能，宜于在大范围内平滑调速。测速电机的 电压高低反映了转速的高低，在许多需要调速或快速正反向电力拖动领域中得到了广 泛的应用。从控制的角度来看，直流调速还是交流拖动系统的基础。本文介绍一种用 STC89C51 单片机测量小型电动机转速的方法。系统以单片机 ST
3、C89C51 为控制核心， 用 NJK-8002D 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 8 位 LED 数码管动态显示小型直流电机的转速。 关键词：转速测量，霍尔传感器，信号处理，数据处理 目录 1 绪论 .1 1.1 课题的背景 .1 1.2 课题的目的及意义 .1 1.3 设计的思路与内容.1 2 电路的硬件设计 .3 2.1 设计方框图系统.3 2.2 单元电路的设计 硬件电路如图 5 所示。.4 2.3 电路的整机原理图的设计.8 3 应用单片机实现软件设.9 3.1 中断程序主要流程.9 3.2 程序设计.9 总结.14 致谢.15 参考文献
4、.16 附录.17 1 绪论 1.1 课题的背景 在直流电机的多年实际运行的过程中，机械测速电机不足之处日益明显，其主要 表现为直流测速电机 DG 中的炭刷磨损及交流测速发电机 TG 中的轴承磨损，增加了设 备的维护工作量，也随着增加了发生故障的可能性；同时机械测速电机在更换炭刷及 轴承的检修作业过程中，需要将直流电动机停运，安装过程中需要调整机械测速电机 轴与主电机轴的同轴度，延长了检修时间，影响了设备的长期平稳运行。随着电力电 子技术的不断发展，一些新颖器件的不断涌现，原有器件的性能也随着逐渐改进，采 用电力电子器件构成的各种电力电子电路的应用范围与日俱增。因此采用电子脉冲测 速取代原直流
5、电动机械测速电机已具备理论基础，如可采用磁阻式、霍尔效应式、光 电式等方式检测电机转速。经过比较分析后，决定采用测速齿轮和霍尔元件代替原来 的机械测速电机。霍尔传感器作为测速器件得到广泛应用。霍尔传感器是利用霍尔效 应实现磁电转换的一种传感器。霍尔效应这种物理现象的发现，虽然已有一百多年的 历史，但是直到 20 世纪 40 年代后期，由于半导体工艺的不断改进，才被人们所重视 和应用。我国从 70 年代开始研究霍尔器件,经过 20 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。 1.2 课题的目的及意义 在实践中,经常会
6、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,常需要分时或连续测量和显示其转速及瞬 时转速。要测速，首先要解决是采样问题。在使用模技术制作测速表时，常用测速发 电机的方法，即将测速发电机的转轴与待测轴相连，测速发电机的电压高低反映了转 速的高低。为了能精确地测量转速外,还要保证测量的实时性,要求能测得瞬时转速方法。 因此转速的测试具有重要的意义。这次设计内容包含知识全面，对传感器测量发电机 转速的不同的方法及原理设计有较多介绍，在测量系统中能学到关于测量转速的传感 器采样问题，单片机部分的内容，显示部分等各个模块的通信和联调。全面了解单片
7、 机和信号放大的具体内容。进一步锻炼我们在信号采集，处理，显示发面的实际工作 能力。 1.3 设计的思路与内容 计算转速公式：n=60/NTc (r/min) 其中，N 是内部定时器的计数值，为三字节，分 别由 TH0，TL0，VTT 构成；Tc 为时基，由于采用 11.0592M 的晶振，所以 Tc 不在是 1um，而是 12M/11.0592M 约为 1.08um，带入上面公式，即可得到转速的精确计算公 式：N=60*11059200/12N=55296000/N 再将 55296000 化为二进制存入单片机的内存单 元。下面我们将介绍除数是如何获得的：单片机的转速测量完成，定时器 T0
8、作为内部 定时器，外部中断来的时候读取 TH0，TL0，并同时清零 TH0、TL0，使定时器再次循 环计内部脉冲。此外，对于低速情况下，我们还要设定一个软件计数器 VTT，当外部 中断还没来而内部定时器已经溢出，产生定时器 0 中断时，增加 VTT，作为三字节中 的高字节。三字节组成除数，上面的常数为四字节，所以计算程序实际上就是调用一 个四字节除三字节商为两字节（最高转速 36000r/min 足够）的程序。为数码管能够显 示出来，需将二进制转换为十进制，在将十进制转换为非压缩 BCD 码后，才能调用查 表程序，最后送显示。传感器的定子上有 2 个互相垂直的绕组 A 和 B, 在绕组的中心线
9、 上粘有霍尔片 HA 和 HB ,转子为永久磁钢,霍尔元件 HA 和 HB 的激励电机分别与绕组 A 和 B 相连,它们的霍尔电极串联后作为传感器的输出1。如图 1，图 2 所示。 图 1 霍尔转速传感器的结构原理图 图 2 方案霍尔转速传感器的接线图 2 电路的硬件设计 2.1 设计方框图系统 由传感器、信号预处理电路、处理器、显示器和系统软件等部分组成。传感器部 分采用霍尔传感器，负责将电机的转速转化为脉冲信号。信号预处理电路包含待测信 号放大、波形变换、波形整形电路等部分，其中放大器实现对待测信号的放大,降低对 待测信号的幅度要求，实现对小信号的测量；波形变换和波形整形电路实现把正负交
10、变的信号波形变换成可被单片机接受的 TTL/CMOS 兼容信号。处理器采用 STC89C51 单片机，显示器采用 8 位 LED 数码管动态显示7。系统原理框图如图 3 所示。 图 3 转速测量系统原理框图 系统软件主要包括测量初始化模块、信号频率测量模块、浮点数算术运算模块、 浮点数到 BCD 码转换模块、显示模块、按键功能模块、定时器中断服务模块8。系统 软件 框图如图 4 所示。 图 4 系统软件框图 2.2 单元电路的设计 硬件电路如图 5 所示。 图 5 硬件电路 单片机主控电路设计系统选用 STC89C51 作为转速信号的处理核心。STC89C51 包 含 2 个 16 位定时/计
11、数器、4K8 位片内 FLASH 程序存储器、4 个 8 位并行 I/O 口。16 位定时/计数器用于实现待测信号的频率测量。8 位并行口 P0、P2 用于把测量结果送 到显示电路。4K8 位片内 FLASH 程序存储器用于放置系统软件。STC89C51 与具有 更大程序存储器的芯片管脚兼容,如:89C52(8K8 位)或 89C55(32K8 位),为系统软件升 级打下坚实的物质基础。STC89C51 最大的优点是：可直接通过计算机串口线下载程序,而 无需专用下载线和编程器。STC89C51 单片机是在一块芯片中集成了 CPU、RAM、ROM、定时器/计数器和多功能 I/O 口等一台计算机所
12、需要的基本功能部 件。一个 8 位 CPU；4KB ROM；128 字节 RAM 数据存储器；21 个特殊功能寄存器 SFR；4 个 8 位并行 I/O 口，其中 P0、P2 为地址/数据线，可寻址 64KB ROM 或 64KB RAM；一个可编程全双工串行口；具有 5 个中断源，两个优先级，嵌套中断结 构；两个 16 位定时器/计数器；一个片内震荡器及时钟电路2，如图 6 所示。 图 6 单片机主控电路 STC89C51 系列单片机中 HMOS 工艺制造的芯片采用双列直插(DIP)方式封装,有 40 个引脚。STC89C51 单片机 40 条引脚说明如下: (1)电源引脚。VCC 正常运行
13、和编程 校验(8051/8751)时为 5V 电源,VSS 为接地端。 （2）I/O 总线。P0.0- P7.0（P0 口） ，P0.1- P7.1（P1 口） ，P0.2- P7.2（P2 口） ，P0.3- P7.3（P3 口）为输入/输出引线。时钟源 CPU 串行接口并行 I/O 接口中断系统 特殊功能寄存器 SFR 128 字节 RAM 定时/计数 器 T0、T1 4K ROM（EPROM） （8031 无）传感器原理与应用期末设计 。 （3）时钟。 XTAL1：片内震荡器反相放大器的输入端。XTAL2：片内震荡器反相放器的输出端， 也是内部时钟发生器的输入端。 （4）控制总线。 由
14、P3 口的第二功能状态和 4 根独立 控制线 RESET、EA、ALE、PSEN 组成。值得强调的是，P3 口的每一条引脚均可独立 定义为第一功能的输入输出或第二功能。如表 1 所示。 表 1 第二功能 STC89C51 单片机的 片外总线结构：地址总线（AB）：地址总线宽为 16 位， 因此，其外部存储器直接寻址 为 64K 字节，16 位地址总线由 P0 口经地址锁存器提供 8 位地址（A0 至 A7） ；P2 口直接提供 8 位地址（A8 至 A15） 。数据总线（DB）： 数据总线宽度为 8 位，由 P0 提供。控制总线（CB）：由 P3 口的第二功能状态和 4 根独立控制线 RESE
15、T、EA、ALE、PSEN 组成。脉冲产生电路设计 LM358 内部包括有 两个独立的、高增益、内部频率补偿的双运算放大器，适合于电源电压范围很宽的单 电源使用，也适用于双电源工作模式，在推荐的工作条件下，电源电流与电源电压无 关。它的使用范围包括传感放大器、直流增益模块和其他所有可用单电源供电的使用 运算放大器的场合。LM358 的封装形式有塑封 8 引线双列直插式和贴片式。特性:内部 频率补偿直流电压增益高(约 100dB)单位增益频带宽(约 1MHz) 电源电压范围宽单电源 (330V) 双电源(1.5 一15V) 低功耗电流，适合于电池供电低输入偏流 低输入失调电 压和失调电流共模输入
16、电压范围宽，包括接地 差模输入电压范围宽，等于电源电压范 围输出电压摆幅大(0 至 Vcc-1.5V) ，信号预处理电路为系统的前级电路，其中霍尔传 感元件 b,d 为两电源端，d 接正极，b 接负极；a,c 两端为输出端，安装时霍尔传感器对 准转盘上的磁钢,当转盘旋转时，从霍尔传感器的输出端获得与转速率成正比的脉冲信 号，传感器内置电路对该信号进行放大、整形，输出良好的矩形脉冲信号，图中 LM358 部分为过零整形电路使输入的交变信号更精确的变换成规则稳定的矩形脉冲， 便于单片机对其进行计数3。 按键电路设计 通过软件设置按键开关功能：按 K0 清零、复位按 K1 显示计时时间 按 K2 显
17、示计数脉冲数此按键电路为低电平有效，当无按键按下时，单片机输入引脚 P1.0、P1.1、P1.2、P1.3 端口均为高电平。当其中任一按键按下时，其对应的 P1 端口 变为低电平，在软件中利用这个低电平设计其功能。软件中还设置了按键防抖动误触 发功能，软件中设置定时器 1 50ms 中断一次，每次中断都对按键进行扫描，如果扫描 到有按键按下，则延迟 10ms，再次进行键扫描，若仍有按键按下，则按键为真，并从 P1 口读取数据，低电平对应的即为有效按键，如图 7 所示。 图 7 按键电路 数码管结构和显示原理，实验板上以 P0 口作输出口，经 74LS244 驱动，接 8 只共 阳数码管 S0-
18、S7。表 3.2 为驱动 LED 数码管的段代码表为低电平有效，1-代表对应的笔 段不亮，0-代表对应的笔段亮。若需要在最右边（S0）显示“5”，只要将从表中查得的 段代码 64H 写入 P0 口，再将 P2.0 置高，P2.1-P2.7 置低即可。设计中采用动态显示， 所以其亮度只有一个 LED 数码管静态显示亮度的八分之一4。如 表 2 驱动 LED 数码 管的代段码 表 2 驱动 LED 数码管的代段码 图 8 数码管的引脚接线 数码管的引脚接线图这里设计的系统先用 6 位 LED 数码管动态显示小型直流电机 的转速。当转速高于六位所能显示的值（999999）时就会自动向上进位显示5。
19、2.3 电路的整机原理图的设计 （分析工作原理）霍尔器件是由半导体材料制成的一种薄片，器件的长、宽、高 分别为 l、。若在垂直于薄片平面（沿厚度 ）方向施加外磁场，在沿方向 的两个端面加一外电场，则有一定的电流流过。由于电子在磁场中运动，所以将受到 一个洛仑磁力，其大小为：qVBf 式中：f洛仑磁力，载流子电荷， 载流子 运动速度，磁感应强度。 这样使电子的运动轨迹发生偏移，在霍尔元器件薄片的 两个侧面分别产生电子积聚或电荷过剩，形成霍尔电场，霍尔元器件两个侧面间的电 位差 HU 称为霍尔电压。霍尔电压大小为：HUHRdBI/(mV) 式中：HR霍尔常数， 元件厚度，磁感应强度，控制电流 设
20、HKHd/, 则 HU=HKdBI/(mV) HK 为 霍尔器件的灵敏系数(mV/mA/T)，它表示该霍尔元件在单位磁感应强度和单位控制电 流下输出霍尔电动势的大小。应注意，当电磁感应强度反向时，霍尔电动势也反向。 图 9 为霍耳元件的原理结构图。若控制电流保持不变，则霍尔感应电压将随外界磁场 强度而变化，根据这一原理，可以将两块永久磁钢固定在电动机转轴上转盘的边沿， 转盘随被测轴旋转，磁钢也将跟着同步旋转，在转盘附近安装一个霍尔元件，转盘随 轴旋转时，霍尔元件受到磁钢所产生的磁场影响，输出脉冲信号。传感器内置电路对 该信号进行放大、整形，输出良好的矩形脉冲信号，测量频率范围更宽，输出信号更
21、精确稳定，已在工业，汽车，航空等测速领域中得到广泛的应用6。 图 9 霍耳元件的原理结构图 3 应用单片机实现软件设 3.1 中断程序主要流程 计主程序流程图 显示子程序流程 3.2 程序设计 #include #include - #include #define uchar unsigned char #define uint unsigned int /#include /const uchar code tab1=0 x48,0 xeb,0 x52,0 x62,0 xe1,0 x64,0 x44,0 x ea,0 x40,0 x60; /const uchar code tab2=0
22、x80,0 x40,0 x20,0 x10,0 x08,0 x04,0 x02,0 x01; /uchar buf8=0,0,0,0,0,0,0,0; /unsigned char code dispbit=0 xfe,0 xfd,0 xfb,0 xf7,0 xef,0 xdf,0 xbf,0 x7f; unsigned cha r code dispbit=0 x01,0 x02,0 x04,0 x08,0 x10,0 x20,0 x40,0 x80; /unsigned char code dispcode=0 x3f,0 x06,0 x5b,0 x4f,0 x66,0 x6d,0 x7d
23、,0 x07,0 x7f,0 x6f,0 x00,0 x40; unsigned char codedispcode=0 x48,0 xeb,0 x52,0 x62,0 xe1,0 x64,0 x44,0 xea,0 x40,0 x60,0 xff,0 xbf; uchar dispbuf8=0,0,0,0,0,0,10,10; uchar temp8; uchar dispcount; uchar T0count; uchar timecount; bit flag; unsigned long x;/timecount; void delay() void main(void) unsig
24、ned char i; P1=0 xdf; TMOD=0 x15;/TH1 定时，模式 1；TH0 计数，模式 1 TH0=0; TL0=0; TH1=(65536-50000)/256; TL1=(65536-50000)%256; ET0=1; ET1=1;/TH0,1 溢出允许中断 EA=1;/允许中断 TR1=1; TR0=1;/开始计数 while(1) if(flag=1) flag=0; x=(T0count*65536+TH0*256+TL0)*30; /x=TH0*256+TL0; for(i=0;i8;i+) tempi=0; i=0; while(x/10) /频率代码转
25、换，存入 tempi，送显示缓存 dispbufi tempi=x%10; x=x/10; i+; tempi=x; for(i=0;i6;i+) dispbufi=tempi; timecount=0; T0count=0; TH0=0; TL0=0; TR0=1; P0=dispcodedispbufdispcount; P2=dispbitdispcount; dispcount+; delay(); if(dispcount=8) dispcount=0; void t0(void) interrupt 1 using 0 T0count+; void t1(void) interru
26、pt 3 using 0 TH1=(65536-46500)/256; TL1=(65536-46500)%256; timecount+; if(timecount=20) TR0=0; timecount=0; flag=1; /P0=dispcodedispbufdispcount; /P2=dispbitdispcount; / dispcount+; /if(dispcount=8) / / dispcount=0; / void delay(void) int i,j; for (i=0;i5;i+) for (j=0;j12;j+) _nop_(); 参考文献 1 杨立军 。传感
27、器原理与应用。中南大学出版社 2007年第一期 2 张景元.基于单片机的多用途定时器的设计与实现.电子工程师2000年第 8期 3 关宗安 仲丛久.基于单片机实现的多路定时控制器的设计.沈阳航空工业 学院 学报.2004年6月.第21卷第3期 4 范立南.单片微机接口与控制技术.沈阳：辽宁大学出版社.1996 5 张友德.单片微型机原理、应用与实践.上海：复旦大学出版社.1992 6张毅刚,彭喜源，潭晓昀.MCS-51单片机应用设计M.哈尔滨：哈尔滨工业大学 出版社.1997 7 何道情 传感器与传感技术 北京：科学出版社 2004 8 牛德芳半导体传感器原理及其应用大连理工大学出版社1994年 附录