基于51單片機的電機轉速測量系統(tǒng)的設計方案

本方案所設計的基于霍爾元件的脈沖發(fā)生器要求成本低，構造簡單，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 總體方案設計

對轉速的測量實際上是對轉子旋轉引起的周期脈沖信號的頻率進行測量?；魻栐y速法是利用霍爾開關元件測轉速的。

霍爾開關元件內含穩(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，霍爾開關固定在小磁鋼附近，當電機轉動時，每當一個小磁鋼轉過霍爾開關，霍爾開關便輸出一個脈沖，計算出單位時間的脈沖數(shù)，即可確定旋轉體的轉速。其系統(tǒng)框圖如圖1 所示。

2 系統(tǒng)硬件電路設計

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速的霍爾傳感器和電機機軸同軸連接，機軸每轉一周，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

測量電機轉速的第一步就是要將電機的轉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構牢固、體積小、重量輕、壽命長、安裝方便等優(yōu)點。當電機轉動時，帶動傳感器運動，產(chǎn)生對應頻率的脈沖信號，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、復位電路。如圖2 所示。

2.3 計數(shù)器與定時器

使用片內的計數(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)部分采用片內的計數(shù)器。定時器部分可由片內始終信號產(chǎn)生。

2.4 信號處理電路

用霍爾傳感器測量轉速，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)軟件設計

電機轉速測量需要經(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速的霍爾傳感器和電機機軸同軸連接，機軸每轉一周，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)值對應機軸的轉速值。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)，即電機轉速。連續(xù)采樣三次，取平均值記為一次轉速值。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 中斷服務程序

在處于中斷服務程序階段，首先進行關中斷設置。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中斷設置。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

本文介紹了一種基于單片機的電機轉速測量系統(tǒng)的設計方案，克服了傳統(tǒng)方法測量的不足，可以實現(xiàn)電機轉速不同區(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)信號調理后，通過單片機對連續(xù)脈沖記數(shù)來實現(xiàn)轉速測量，充分利用了單片機的內部資源，有很高的性價比。事實證明，該系統(tǒng)在一般的轉速檢測和控制中均可應用。