基于51單片機(jī)的電機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案

本方案所設(shè)計(jì)的基于霍爾元件的脈沖發(fā)生器要求成本低，構(gòu)造簡(jiǎn)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(qiáng)的抗干擾能力。系統(tǒng)主要由AT89S52 單片機(jī)處理系統(tǒng)、電機(jī)、傳感器檢測(cè)單元、信號(hào)處理單元和顯示系統(tǒng)等幾個(gè)部分組成。

1 總體方案設(shè)計(jì)

對(duì)轉(zhuǎn)速的測(cè)量實(shí)際上是對(duì)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)引起的周期脈沖信號(hào)的頻率進(jìn)行測(cè)量?；魻栐y(cè)速法是利用霍爾開關(guān)元件測(cè)轉(zhuǎn)速的。

霍爾開關(guān)元件內(nèi)含穩(wěn)壓電路、霍爾電勢(shì)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(jī)轉(zhuǎn)軸上裝一個(gè)圓盤，圓盤上裝若干對(duì)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(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，每當(dāng)一個(gè)小磁鋼轉(zhuǎn)過霍爾開關(guān)，霍爾開關(guān)便輸出一個(gè)脈沖，計(jì)算出單位時(shí)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(jì)

該系統(tǒng)包括霍爾傳感器、隔離整形電路、主CPU、顯示電路、報(bào)警電路及電源等部分。其測(cè)量過程是測(cè)量轉(zhuǎn)速的霍爾傳感器和電機(jī)機(jī)軸同軸連接，機(jī)軸每轉(zhuǎn)一周，產(chǎn)生一定量的脈沖個(gè)數(shù)，由霍爾器件電路輸出，經(jīng)隔離整形后送入單片機(jī)進(jìn)行處理，單片機(jī)收到信號(hào)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(jìn)行報(bào)警。

2.1 傳感器的選擇

測(cè)量電機(jī)轉(zhuǎn)速的第一步就是要將電機(jī)的轉(zhuǎn)速表示為單片機(jī)可以識(shí)別的脈沖信號(hào)，從而進(jìn)行脈沖計(jì)數(shù)。利用霍爾器件檢測(cè)脈沖信號(hào)因其具有結(jié)構(gòu)牢固、體積小、重量輕、壽命長(zhǎng)、安裝方便等優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，帶動(dòng)傳感器運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生對(duì)應(yīng)頻率的脈沖信號(hào)，經(jīng)過信號(hào)處理后輸出到計(jì)數(shù)器或其他的脈沖計(jì)數(shù)裝置，進(jìn)行轉(zhuǎn)速的測(cè)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(jì)的AT89S52單片機(jī)：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(chǔ)器。其最小系統(tǒng)包括單片機(jī)AT89S52接口電路、晶振電路、復(fù)位電路。如圖2 所示。

2.3 計(jì)數(shù)器與定時(shí)器

使用片內(nèi)的計(jì)數(shù)器的優(yōu)點(diǎn)在于降低單片機(jī)系統(tǒng)的成本。每到一個(gè)脈沖將會(huì)產(chǎn)生一個(gè)T1 的計(jì)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(jì)的脈沖數(shù)。系統(tǒng)計(jì)數(shù)部分采用片內(nèi)的計(jì)數(shù)器。定時(shí)器部分可由片內(nèi)始終信號(hào)產(chǎn)生。

2.4 信號(hào)處理電路

用霍爾傳感器測(cè)量轉(zhuǎn)速，其檢測(cè)到的信號(hào)為一個(gè)個(gè)的脈沖，所以不需要進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，信號(hào)經(jīng)傳感器后，濾去雜波即可直接接入單片機(jī)進(jìn)行計(jì)數(shù)處理。由于是數(shù)字脈沖信號(hào)，所以濾波的時(shí)候采用兩次反向操作，即可達(dá)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(jì)總框圖

實(shí)際測(cè)量時(shí)，要把霍爾傳感器固定在直流測(cè)速電機(jī)的底板上，與霍爾探頭相對(duì)的電機(jī)的軸上固定著一片磁鋼塊，電機(jī)每轉(zhuǎn)一周，霍爾傳感器便發(fā)出一個(gè)脈沖信號(hào)，如圖4 所示。

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3 檢測(cè)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

電機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量需要經(jīng)過的4 個(gè)基本步驟：1 是控制方式;2 是確定計(jì)數(shù)方式;3 是信號(hào)輸入方式;4 是計(jì)數(shù)值的讀取。其測(cè)量過程是測(cè)量轉(zhuǎn)速的霍爾傳感器和電機(jī)機(jī)軸同軸連接，機(jī)軸每轉(zhuǎn)一周，產(chǎn)生一定量的脈沖個(gè)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(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)脈沖?？刂朴?jì)數(shù)時(shí)間，即可實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值對(duì)應(yīng)機(jī)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(jìn)行初始化設(shè)置各定時(shí)器初值，然后判斷是否啟動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量。啟動(dòng)系統(tǒng)后，霍爾傳感器檢測(cè)脈沖到來后，啟動(dòng)外部中斷，每來一個(gè)脈沖中斷一次，記錄脈沖個(gè)數(shù)。同時(shí)啟動(dòng)T0 定時(shí)器工作，每1 秒定時(shí)中斷一次，讀取記錄的脈沖個(gè)數(shù)，即電機(jī)轉(zhuǎn)速。連續(xù)采樣三次，取平均值記為一次轉(zhuǎn)速值。再進(jìn)行數(shù)值的判斷，若數(shù)值高于5000r/s 則報(bào)警并返回初始化階段，否則就進(jìn)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(jìn)行關(guān)中斷設(shè)置。其次進(jìn)行對(duì)位進(jìn)行的脈沖個(gè)數(shù)計(jì)數(shù)的數(shù)值讀取。再次對(duì)、T0 進(jìn)行賦初值并且進(jìn)行關(guān)中斷設(shè)置。最后進(jìn)行中斷返回。

3.2.1 外部計(jì)數(shù)中斷

3.2.2 定時(shí)器中斷流程圖

4 總結(jié)

本文介紹了一種基于單片機(jī)的電機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，克服了傳統(tǒng)方法測(cè)量的不足，可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速不同區(qū)段的精度測(cè)量。該速度測(cè)量系統(tǒng)具有測(cè)量速度快，測(cè)量精度高的優(yōu)點(diǎn)，霍爾傳感器的輸出信號(hào)經(jīng)信號(hào)調(diào)理后，通過單片機(jī)對(duì)連續(xù)脈沖記數(shù)來實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速測(cè)量，充分利用了單片機(jī)的內(nèi)部資源，有很高的性價(jià)比。事實(shí)證明，該系統(tǒng)在一般的轉(zhuǎn)速檢測(cè)和控制中均可應(yīng)用。