基于单片机的电机转速测量系统的设计

基于单片机的电机转速测量系统的设计

摘要:为了研制简单可靠的直流电机测速装置，提出了基于单片机和集成芯片设计电机转速测量系统的方案。介绍了霍尔传感器测速的工作原理，设计了系统的硬件电路和软件。该系统以AT89S51 单片机为核心，主要包括电源模块、按键模块、转速测量电路模块和显示模块等，通过将脉冲信号送入单片机系统进行计数运算，并将转速测量结果显示在LED上。运行试验表明，系统结构简单，工作稳定可靠，满足电机的测速要求。

关键词: 霍尔传感器; 电机; 测速系统; 单片机

引言

近年来，随着电力电子技术、计算机技术和微控制技术的发展，直流电机因其具有良好的启动、制动和调速性能，已广泛运用于机械制造、电力、冶金等领域。由于伺服驱动系统不断朝着数字化智能化方向发展，因此转速的控制成为在工业测控系统实现的关键环节。而如何测量电机的转速以实现对转速的高精度控制。成为电机应用的一个突出问题之一［1］。目前常用的转速测量方法有测速发电机测速法和光电码盘测速法等。他们各有优点和缺点，直流测速发电机是应用范围较广的测速元件，它的主要优点是灵敏度、高线性误差小，但由于它具有电刷和换向接触装置，因而可靠性较差，应用范围有限;普通光电编码器虽然精度较高，但体积大，成本高。霍尔元件具有尺寸小、外围电路简单、使用寿命长、调试方便等特点用它可以做成种传感器，广泛应用于位移测量、转速测量以及计数等方面［4］。

1 霍尔元件测速原理

霍尔元件作为一种转速测量系统的传感器，它有体积小、重量轻、安装方便等优点，该传感器是利用霍效应原理工作的: 一个金属或半导体薄片置于磁场中，当薄片通以电流I 时，在薄片的两侧面上就会产生一个微量的霍尔电压UH，如果改变磁场的强度，霍尔电压的大小亦随之改变［5 － 6］。当磁场消失时，霍尔电压变为零。霍尔效应式转速传感器输出的信号是矩形脉冲信号，很适合于数字控制系统。用公式表示为

UH = KH·I·B ( 1)式中: KH为霍尔器件的灵敏度系数; I 为控制电流; B 为磁感应强度。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，可以将一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，转盘随转轴旋转时，霍尔元件受到磁钢所产生的磁场影响，故输出脉冲信号，其频率和转速成正比，测出脉冲的周期或频率即可计算出转速［7］。当电机转动时，带动传感器，产生对应频率的脉冲信号，经过信号处理后

输出到计数器或其他的脉冲计数装置，进行转速的测量［8］。其器件的连接电路和电子特性分别如图1 和图2 所示。脉冲信号的周期与电机的转速关系为:n = 60 /( P·T) ( 2)式中: n 为电机的转速; P 为电机转一圈的脉冲数; T 为输出方波信号的周期

2转速信号处理电路设计

转速信号处理电路包括信号放大电路、整形及三极管整形电路。由于产生的电压信号很小，所以要进行放大处理，一般要放大至少1000倍（≥60dB），然后在进行信号处理工作。信号放大装置选用运算放大器TL084作为放大电压放大元件，采用两级放大电路，每一级都采用反响比例运算电路如图3.设计的电压放大倍数为3000倍。其中第一级放大倍数为30，第二级放大倍数为100.放大后电压变化范围为0～4.8V。TL084采用12V双电源

供电，由于电源的供电电压在一定范围内有副值上的波动，形成干扰信号。为起到消除干

扰，实现滤波作用，故供电电源两端需接10UF的电容接地，电容选择金属化聚丙已烯膜电容。两级运放放大所采用的供电电源均采用此接法。

图3信号处理电路图

整形电路的主要作用是将正弦波信号转化为方波脉冲信号，正弦波信号电压的最大幅值约为4.8V，最小幅值为0V。整形电路设计的是一种滞回电压比较器，它具有惯性，起到抗干扰的作用。从而向输入端输入的滞回比较器。在整形电路的输入端接一个电容C7（103），起到的作用是阻止其他信号的干扰，并且将放大的信号进行滤波，解耦。R11和R17是防止电路短路，起到保护电路的作用。

一次整形后的信号基本上为±5V的电平的脉冲信号，在脉冲计数时，常用的是+5V的脉冲信号。如果直接采用-5V的脉冲计数，会增加电路的复杂性，故一般不直接使用，而是先

进行二次整形。

第二次用三极管整形电路，当输出为-5V的信号时，三极管VT2（8050）的基-射极和电阻R18组成并联电路电流经过R18.R17,三极管VT2处于反向偏置状态，所以，VT2的集-射极未接通，故处于截止状态。电源回路由R19，三极管VT2的集-射极组成，采用单电源+12V 供电，由于集射极截止，处于断路状态，故输出电压U0为V。当第一次整形输出为+5V的信号时，三极管VT2基-射极处于正向偏置状态，有电流I通过，故此时三极管的集-射极处于通路状态。电源电流流经电阻R19，三极管的集-射极到地端，由于集-射极导通时的电阻很小，可以忽略不计。电源电压主要在R19上，其输出电压约为0V。综上所述，三极管整形的电路的输入关系是：信号为-5V时，U0=+12V；信号为+5V时，U0=0V

3 系统硬件设计

根据实际控制的需要，设计了基于AT89S51 单片机的直流电机测速系统的硬件连接图。如图

3 所示，设计方案主要包含

4 个模块: 键盘电路、电源电路、转速测量电路和显示电路。其工作过程为: 通过按键向单片机输入相应控制指令，电机的转速通过霍尔传感器采集脉冲信号，经过放大处理后输送到单片机，电机的转速通过LED 显示出来。

3. 1 控制器

系统选用AT89S51 作为CPU，它是一种低功耗、高性能，片内带4KB 快闪可编程/擦除只读存储器的8 位CMOS 微控制器，兼容标准MCS － 51 指令系统及80C51 引脚结构，使用高密度、非易失存储技术制造，，可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。

2. 2 电源电路

AT89S51 的工作电压为+ 5 V，而照明电压为220 V， 50 Hz的交流电，所以需要先通过一个变压器T1 降压，再通过整流桥将电压转换成直流电压。由于变压后得到的直流电压可能含有交流分量，所以要通过滤波电路对其进行滤波处理，然后通过7805 得到稳定的5 V 电压。

3. 3 键盘

系统通过两个开关SW1、SW2分别与P2． 0、P2． 1 相连，其中SW1用于系统重启，SW2用测速设置。运行方式的设置由P2 口外接按键来完成。判断按键是否按下的方法是: 首先置P2 口为高电平，然后从P2． 0 开始到P2． 1 为止，逐个检测引脚的电平，如果某引脚为低电平表示该键按下，此时需做相应的处理实现按键功能，如果引脚为高电平则不做处理。

3. 4 显示电路

系统采用了数码管进行数据显示。数码管选用4 连共阳数码管，并对位选端利用三极管S8550 进行驱动。系统的显示方式为动态扫描，流向各位数码管送出字形码和相应的位选。其驱动电路如图4 所示。

3. 5 测速电路

电机测速电路主要基于霍尔传感器所设计，它是一种集成化的敏感器件，可提供线性单端输出，其输出电压正比于感应的磁场强度。其内部的磁敏元件与高增益放大器、电源稳压器集成于同一芯片，使得应用时十分简便。测量转速的霍尔传感器从永磁直流电机外壳检测转速信号，机轴每转1 周，产生一定量的脉冲个数，由霍尔器件电路输出。成为转数计数器的计数脉冲。控制计数时间，即可实现计数器的计数值对应机轴的转速值。测速电路如图5 所示。

图3 系统总体结构图

图4 LED 显示电路

图5 电机测速电路

4 软件设计

系统采用单片机中的INT0 中断对转速脉冲进行计数。定时器T1 工作于外部事件计数方式，对转速脉冲计数; T0 工作于定时器方式。每到1 s 读1 次计数值，此值即为脉冲信号的频率，根据式( 1) 可计算出电机的转速。转速检测装置的软件系统主要包括: 测速主程序、数据处理子程序和显示子程序。主程序流程图见图6 所示。

单片机上电后，系统进入准备状态。首先进行初始化，然后读取脉冲数据进行运算，将转速显示在LED 上。如果有按键按下则进入相应的按键处理子程序。

图6 主程序流程图

5 实验

为了验证测量的准确性，做了对比试验，实验结果如表1所示。其中实际值n0由高精度测试仪测得。测量值nx为测速装置的显示值，测量误差ε由以下公式计算得到:ε = | nx － n0 | /n0( 3)表1 实验数据

序号实际值 /( r·min － 1 ) 测量值/( r·min － 1 ) 误差/%

1 600 618 3. 0

2 800 782 2. 3

3 1 000 1 021 2. 1

4 1 500 1 524 1. 6

5 2 000 1 978 1. 1

误差分析表明，转速测量误差在4%以内，并且随着转速预设值的增加测量误差愈小，具有良好的性能。

6 结束语

文中主要设计了一种基于单片机和霍尔传感器的测速系统。霍尔传感器输出的信号经信号调理后，通过单片机对连续脉冲计数来实现转速测控。运行实验表明，该系统硬件接口电路简单，工作稳定可靠，满足了调速的功能要求具有一定的理论及实用价值。尤其是在测量空间有限或传感器不便安装的条件下，该测方法有明显的优势。此外，该设计思想可推广到其他工程应用领域。

参考文献:

［1］姚荣斌，孙红兵．基于STC89C51RC 的转速测量系统设计．连云港师范高等专科学校学报， 2007( 4) : 84 － 87．

［2］曹昕鸷，韩珏，陈隆道．高性价比无刷直流电机测速方法的研究．轻工机械，2006， 24( 1) : 107 － 109．

［3］杨继生，刘芬．霍尔传感器A44E 在车轮测速中的应用研究．电子测量技术，2009， 32( 10) : 100 － 102．

［4］徐春剑，吴一辉，武俊峰，等．基于FPGA 的高精度霍尔测速方法．仪表技术与传感器，2009( 10) : 99 － 101．

［5］李金波，刘明黎．基于霍尔传感器的转速测量系统的设计．河南科技学院学报，2009，37( 3) : 54 － 56．

［6］丁芝琴．基于霍尔传感器的电机测速装置设计．农机化研究， 2010( 5) : 81 － 83．

［7］邵显涛，陈明，李俊．基于霍尔传感器电机转速的单片机测量．电子测试， 2008( 12) : 46 － 48．

［8］ WANG W C． A Motor Speed Measurement System Based on Hall Sensor．