1、基于单片机的电机转速测量系统设计通信工程本科 题 目 基于单片机的电机转速测量系统设计 学生姓名 某某某 学号 XXXXX 所在学院 物 理 与 电 信 工 程 学 院 专业班级 通 信 工 程 专 业 1204 班 指导教师 某 某 某 _ 完成地点 物 理 与 电 信 工 程 学 院 实 验 室 2016 年 6 月 6 日XX理工学院本科毕业设计任务书院(系) 物理与电信工程学院 专业班级 通信工程(通信1204) 学生姓名 某某某 一、毕业设计题目 基于单片机的电机转速测量系统设计 二、毕业设计工作自 2015 年 11 月 9 日 起至 2016 年 6 月 4 日止三、毕业设计进行
2、地点: 物理与电信工程学院实验室 四、毕业设计应完成内容及相关要求： 在工程实践中，经常会遇到各种需要测量转速的场合，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。数字式通常采用光电编码器，霍尔元件等为检测元件，得到的信号是脉冲信号。蓝牙技术作为一种无线数据与语音通信的开放性全球规范，可提供低功耗、 短距离的无线空中接口，在各种固定与移动设备之间实现无线通信。本课题具体要求如下： 1.理解电机测速的工作原理，掌握蓝牙技术的工作原理； 2.利用蓝牙技术完成电机转速测量的显示； 3.系统集成，完成功能调试。 五、毕业设计应收集资料及参考文献： 1 关于该
3、项目的研究现状和发展趋势2 查找相关电子元器件资料，为器件选型做准备3 关于单片机开发的应用资料 六、毕业设计的进度安排：1.103.18：查阅资料（参考文献不少于10篇），进行方案论证，完成开题报告。完成不少于3000字的外文翻译； 3.194.30：设计硬件电路，编写相关软件、完成电路仿真及样机调试； 5.15.18：完善系统调试，撰写毕业论文，准备毕业设计验收等工作； 5.19-6.10：整理资料，修改毕业论文，准备毕业答辩。 指导教师签名 某某某 专业负责人签名 某某某 学院领导签名 某某某 批准日期 2016-01-10 基于单片机的电机转速测量系统设计 某某某（XX理工学院物理与电
4、信工程学院通信1204班，XX 汉中 723003）指导教师：某某某 摘 要 随着社会生产的不断发展，电机的应用越来越广泛，于是对电机转速的测量就显得十分必要，同时也对测量技术提出了更高的要求。本文设计了一种以STC89C51单片机作为主控核心，利用霍尔传感器进行直流电机转速的测量，然后通过蓝牙模块HC-05进行数据传输，最后将所测速度实时显示于LCD1602的测量系统。设计中的重点在于，根据霍尔传感器的工作原理及工作过程，利用脉冲计数法来实现对转速的测量，还有蓝牙模块的配对及结合单片机的使用。在硬件电路设计基础上，采用模块化方法进行了软件设计，编制了电机转速的测量设计了测量模块、转速模块、显
5、示模块还有蓝牙模块等的89C51程序，经过软硬件结合调试，最终理想的实现整个设计。 关 键 词 霍尔传感器；单片机；电机转速测量 ；LCD1602；蓝牙Design of Motor Speed Measurement System Basedon MCU 某某某(Grade12,Class,Major of Communication Engineering，School of Physics and telecommunication Engineering of Shaanxi University of Technology, Hanzhong 723003,China)某某某 Abs
6、tract：In the production process, the motors are widely used as production continues to develop, measuring the motor speed becomes necessary, while motor speed measurement put forward higher requirements. This measurement system is a design of a microcomputer STC89C51 as the primary controller, the H
7、all sensor as a sensor to measure the DC motor speed. The system uses an integrated Hall sensor sensitivity rate of the signal with a frequency of fast response, anti-interference ability and so on. The working principle of the Hall sensor was introduced in this paper. The working process was descri
8、bed. It is used pulse-counting method to achieve the measurement of speed, and to display motor speed values through an intuitive LCD. Combination of hardware circuit design, softwares were designed by a modular approach using 89C51 program, such as the motor speed measurement module, alarm module,
9、display module etc., All these programs were simulated through PROTEUSE. Simulation results show that the designed software programs are correct. Key words：hall sensor; microcontroller; speed measurement；LCD1602；buletooth1.绪论1.1 课题背景在这信息化时代，社会生产水平不断提高，军事科技领域在飞速发展。在工程实践中，通信技术、计算机技术还有常用的传感器技术占据着信息产业，其
10、中传感器技术是最为重要的一道门槛。不管是民营工业，还是军用工业都在飞速发展与进步，各种各样的自动控制技术及非电量的测试方法受到了越来越广泛的重视。测量电机转动速度的问题有很多：在发电机、造纸机械中电机设备中要实现转速的控制，并且需要在连续时间内实施采集控制目标的速度值，确保系统的安全性。此时，我们首先需要获取电机运行时的精确速度，所以要保证测速传感器的精确度，并且要求系统能后实时的反应生产状况，所以要测量和显示其转速及精准瞬时转速。在越来越多的场合中，比如物理实验室、各大理工类院校、科学单位、工厂线上质量的检测以及产品性能的优化等，对转速这个物理量的分析已经成为非常重要的内容。对于产品内部零件
11、或者机构受力的大致情况，以及某些利用旋转所产生的特有的功能的具体分析和对设备的影响，都必须对旋转机械应用设备的转速进行分析。对转速客观的描述不仅能够反映出一些旋转系统里面机械转动的运动状态，还能反映出动力系统的某些重要参数。在一些比较显而易见的应用里，比如出租车的计价器就是利用单片机以及转速传感器对汽车车轮的转速进行分析，才能实现出加价格的计算。普通的机车也是在装有测速装置后，利用测速传感器进行时时测量。在很多转动系统的测控当中,对电机转速的测量是非常必要的,因为整个系统的控制情况都受到转速测量的精度的影响，而且不论是直流调速系统还是交流调速系统, 想要高精度的控制系统必须高精度的检测转速。随
12、着微控制技术、电子技术的飞速发展，在各类电机中，直流电机如今已经得到广泛的应用，因为它具有很好的制动特性，调速平滑等特点。伴随着驱动系统的数字化，转速的控制方面已经成为工业测控系统实现的关键环节。因此电机转速的测量方法已然成为电机应用的一个首当其冲的问题。当前测量转速的方法分为模拟式和数字式两种，模拟式测量方法采用测速发电机为检测元件，得到模拟量的信号；数字式通常采用光电编码器、霍尔元件等为检测元件，得到脉冲信号，再送入单片机处理、转换得到转速1。模拟式测量方法在测量范围和测量的精度上，已经不再适应现代科发展的需求，不能满足大多数系统的使用。伴随着数字化的飞速发展，具有宽范围、高精度的数字式测
13、量方法已经得到了非常普遍的应用，尤其是脉冲数字信号可以通过单片机进行很好的处理，这促进数字式测速方法的普及2。本次设计的是利用采用霍尔元件来采集直流电机的转速，先得到稳定的脉冲信号，接着将脉冲信号送给51单片机，经过单片机处理后转成速度，实现了电机转速的实时精准测量。如今微型计算机的越来越普遍，双高（高性能、高性价比）的单片机慢慢普及，基本都采用以单片机为主控核心的数字式测量方法来测量电机转速，当前利用脉冲计数来测量转速的方法主要有M法、T法和MPT法3。 单片机的出现和发展，大大的推动了电子工业的发展，成为不可或缺的领域，如今已经成为电子系统设计中最为普遍的应用，具有控制能力强、高集成、使用
14、简便、价格便宜等特点。本文介绍一种由STC89C51单片机作为主控制器，使用霍尔元件即电磁式的转速传感器进行测量直流电机的转速，然后通过蓝牙模块传输通信，实现远距离检测实时电机转速的测量系统。霍尔元件是利用霍尔效应原理来实现磁电转换的传感器,高度集成，使用方便，在许多测速系统中占有非常重要的地位,因为对测速装置的基本要求是精度高、分辨能力强和瞬时检测。在此主要介绍的是利用用霍尔传感器通来测量得到，连续稳定的脉冲方波信号,来测量电机的转动速度。本文将霍尔元件作为测速传感器，大大提高了测量精度，使用也特别方便，还使得系统的检测进一步开发变的更为容易。由于霍尔元件的抗干扰能力较强，使用维护及安装也特
15、别方便，成本比较低，测速的效果好，因此特别适合在测量的环境比较恶劣的情况下使用，因此该测速方法具有很高的市场前景和推广价值。随着现代化的生产规模的日益扩大，测速方法的需求也在不断增加，并且对测速系统性能也有了越来越高的要求，因此对更高性能的电机测速系统的研究制造具有非常重要的意义。1.2 课题研究现状和前景我国早在40年前就开始对霍尔元件进行研究，几十年的不断研究和开发，目前已经可以生产各种高性能的霍尔元件。目前在国内外的市场上，通用的传感器已经逐步实现高智能化、微型化、高精度化、多功能化等多方面的发展，如今基于单片机的电机转速检测系统广泛应用于许多工厂的自动化设备中，比如数控机床、工业机器人
16、等。对于传感器的制造工艺和材料有了新的标准和升级。多功能的测速传感器，比如带有转矩、磁敏、热敏等作用的传感器慢慢出现，测速传感器的制造材料都选择更加优质的材料比如化学纤维、半导体的等，代替原有的材料。21实际初期，传感器技术最先机的地区非日本、美国莫属，东欧、亚太区及加拿大等地区的传感技术也发展迅猛。在国际市场上，对转速传感器的改进中最大的亮点就是不断的加入新技术产生新应用，美国在传感器创新领域也一直处于领先地位。MEMS传感技术和非接触测量等技术也在慢慢代替了传统的光电式、电磁式、机械式等传感技术，然而美国ADI公司将MEMS传感技术和机械式传感技术结合起来，研究出ADSL001工业振动和冲
17、击式传感器。日本发明了一种由光电标签检测转速的方法，其测量精度非常高，虽然操作起来不是很方便，但是在宽阔的环境里面应用性非常好。它的原理是利用计算发射和接收红外时差，使用在日制的HR-5500手握式转速表上，并规定非接触测量的距离为55mm1000mm，其量程可高代15万转。在测速研究方面德国马霍克公司也具有很深厚的经验，自80年代起，德国显示器上面就能够非常准确的显示出主轴转速、功率以及转矩。该测量仪器主要是测量主轴的转动速度及其扭矩变形，测量精度大概是2FS。其转速测量所使用的方法为红外在线测速发，精度为0.3，无故障时间大约为5000h。美国Microchip公司所出的PIC系列单片机，
18、具有更强大功能3、更完善的性能等优点，所以在基于单片机的电机转速测量领域中得到了非常广泛的应用。TI公司更是推出了16位的MSP单片机系列，同样以其低功耗4、处理能力强、低电压等诸多优点也在电机转速测量领域中得到了非常广泛的应用。由于单片机对电机的转速来进行测量具有使用方便、测速精度高、高性价比等优点，因此具有很高的市场前景。电机测速系统的需求将会日益增加，因此电机转速检测的发展也将受到更多的关注，随着市场对其需求的不断增加，电机转速检测正朝着高智能化，高精确，高稳定性等方向发展。而且当前强大的系统功能、丰富的外围资源、良好的开发界面和在线的调试功能，无疑将会引领单片机检测电机转速引入一个新的
19、时代22。随着全球的传感器市场在日益创新的提高增长带动下，传感器测速领域的主要技术也在原来技术的基础得以延伸和提高，一些知名的企业也都在积极的研究创新新的测速技术，结合微电子技术，不断地开发新的测速传感器产品，并且将其产业化，各国的竞争技术也不断的扩大。由于需要采用霍尔传感器的应用领域，如汽车、电机、手机和电脑都已经采用了该器件，而且这些市场在未来几年的增长较为稳定5，而其他一些新的应用市场又不足以与上述几个市场相比5，因此霍尔传感器在全球总的市场容量是较为稳定的，每年的增长率保持在5%到10%之间6。因为各种应用电机的部件、节气门位置的检测、各种阀体位置的检测都会用到霍尔传感器23。而且，在
20、中国市场中，国外厂商为了降低成本，陆续将零部件拿到中国进行设计和生产，这也进一步提升了中国市场霍尔传感器的应用量23。随着它在消费电子市场上的应用越来越广，如何控制功耗和成本将是厂商面临的挑战23。而且，它还面临生产测试技术方面的挑。所以只有提高传感器的技术含量，降低成本，才能使测速信息更加快速、准确和稳定。1.3设计的目的和任务1、设计目的：（1）理解电机测速的工作原理，掌握蓝牙技术的工作原理； （2）利用蓝牙技术完成电机转速测量的显示；2、设计任务：（1）理解工作原理；（2）利用霍尔元件完成电机转速采集设计；（3）完成接口电路的设计与焊接，并完成控制程序的编写；（4）数据显示设计与实现，将
21、测量的电机转速利用蓝牙模块传输显示在LCD； 2.方案论证2.1总体电路设计1.题义需求分析电机转速测量系统的概念：测量出直流电机转动速度通过蓝牙传输显示 。该系统中先将电机装置在测量系统的接收口（设计中为直流电机），通过无线模块传输所测速度（设计中为蓝牙HC-05），然后在测量系统的可视化界面（设计中为LCD）中观察结果值，并通过调节相关器件（设计中为电位器）来实现对电机转速的控制。2.电机转速测量系统的工作原理该温室光照控制系统主要有三部分组成：转速测量模块、转速显示模块和蓝牙传输。这三个模块之间的通信和控制通过8位的单片机STC89C51程实现。其中设计方案流程图，如下图2.1所示：图2
22、.1 设计方案流程图2.2方案论证转速测量的方案选择,主要考虑传感器的选择，比如传感器的结构、测速范围、性价比还有环境条件等许多方面的问题。在此总体电路从实现难易度、器件用量熟悉度等方面综合考虑决定用一种方案，但基于测速传感器的选择，给出两种测量方案，经过查找资料综合各方面因素，最终选择了一个方案。下面对两套测速方案做简要说明。方案一 霍尔元件测速霍尔传感器是利用霍尔效应的原理来进行工作，其核心部件就是根据霍尔效应的原理所制成的霍尔元件。只要磁场存在，即使在转速很低，测量系统依旧可以进行高准确度的测量。在此输出电压的信号的大小和转速无关，转子转动的过程中引起的定子磁通会发生变化，霍尔元件输出的
23、信号无需经过放大，就可以整形后直接送给单片机进行处理，转换得到电机转速。简单来说就是，将传感器与绕组相连，当电机开始转动时，传感器会输出脉冲，脉冲个数取决于绕组数，采集的信号经过处理后直接送给单片机处理，然后再通过LCD1602进行显示。方案二 光电传感器测速基于光电传感器的测量系统，用一直流的调速电机来驱动转子，为了获取转速信号参数，需要在转盘上先做好光电标记，具体实现办法：先将转盘擦干净再涂黑，用黑色胶布或者黑漆都行，接着再将一块反光材料贴在涂黑的转子上面作为光电标记，最后将光电传感器固定在一个适当的位置，然后将光电传感器正对光电标记。光电传感器的光电头包含有输出为0-5V的脉冲信号的前置
24、电路，将其接到51单片机的相应管脚上，然后在通过单片机内部定时、计数器以及相应的编程，组成一个数字式的测速系统。两种方案各有优缺点。相对于光电传感器的方案：用光电传感器作为测速模块，系统具有噪音小、线性度好、分辨率高、精度高等特点，但当光电传感器在信号采样的时候，容易受感染使采样不精确，而且对于码盘的要求也比较高。霍尔元件的方案：用霍尔传感器作为测速模块，具有其抗干扰能力特别强，具有非常高的稳定性，使用较光电传感器方便。通过合理分析，选择第一种方案作为最终的执行方案。3.硬件设计3.1总体设计思路本次设计采用数字式测量方法，以单片机STC89C51作为控制核心，霍尔传感器作为测速模块，利用蓝牙
25、串口模块HC05进行所测速度的远距离传输，然后再用LCD1602液晶显示器来显示的所测的直流电机转速。基于霍尔传感器的测速系统工作过程是：将霍尔传感器和电电机的转轴同轴连接，转轴每转一周，霍尔传感器就会产生一定量的脉冲，然后再由霍尔传感器输出给主机模块单片机，单片机将该数据处理后，将所测速度通过蓝牙模块发送给从机部分，同时将所测速度显示在主机部分的LCD1602显示模块上，从机的蓝牙模块如果接收到数据就发送给从机的单片机控制核心，然后在从机的LCD1602上面也显示实时转速。总体审计由由单片机STC89C51为核心控制部件，电机转速测量电路实时的采集电机转速变化，在用LCD1602显示电机转速
26、的电位器调节电机转速。整个系统由：核心控制模块、电机转速测量模块、电机转速显示模块、蓝牙传输模块等系统组成。系统框图如图3.1所示：图3.1 方案设计框图 （1）主机模块硬件电路图在设计框图基础上对各部分进行了详细的设计，主机部分主要包含单片机最小系统、霍尔元件测速电路、直流电机、LCD1602显示部分、蓝牙模块等，电路图如图3.2所示。 图3.2主机模块硬件电路图（2）从机模块硬件电路图与主机模块电路图相比，从机模块就少了一个霍尔元件测速电路，其电路图如图3.3所示。图3.3从机模块硬件电路图3.2单片机简介3.2.1 51单片机最小系统单片机最小系统由51单片机、复位电路24，晶振电路、电
27、源等部件组成，包括以上部件就能使单片机始终处于正常的运行状态。其中电源、时钟等电路是使单片机能运行的必备条件，一般情况下将最小系统作为应用系统的核心部分。其结构如图3.4所示。图3.4 最小系统原理图1. 时钟电路在本次设计中用的是内部时钟方式，其电路图如图3.5所示，在单片机的18和19管脚上外接一个晶振，晶振选择的是11.0592MHz，然后两个管脚再分别接C1和C2两个电容，设计中的C1和C2值都为30pF。图3.5 51单片机时钟电路2. 复位电路只要给单片机的RST引脚接高电平，单片机就会进行复位的操作。本设计用的是按键手动复位，只要按键按下，单片机的RST引脚就会电源Vcc接通，然
28、后单片机就进行复位操作。单片机的复位电路如下图3.6所示。图3.6 51单片机复位电路3.2.2 单片机的定时器定时器使用时，计数脉冲由单片机内部振荡器提供，计数频率为f/12,每个机器周期加1 。定时器是利用了寄存器的溢出来触发中断的,因此在编写程序的时候就要去算计数的增量,然后再根据单片机的晶振的频率来计算确定的时间。在初始化过程中，要设置定时或计数的初始值，这时需要进行一点运算，要从最大计数值减去计数模值所得才是应当设置的计数初始值。假设计数器的最大计数值为M（根据不同工作方式，M可以是2、2或2），要计数的值为P，则计算初值X的公式如下：计数方式： 3.1定时方式： 3.23.2.3单
29、片机的外部中断外部中断有两种出发方式：1.电平触发方式：单片机在每个机器周期检查中断源口线，当检测到低电平，就置位中断请求标志，向单片机请求中断；2.边沿触发方式：如果单片机在上一个机器周期检测到中断源口线为高电平，下一个机器周期检测到低电平，就置位中断标志7，向单片机请求中断。外部中断在使用时25，以下几点需要特别的注意：1电平触发方式，中断请求不被中断标志寄存器锁存。如果想要使中断被单片机响应执行，就必须保证外部中断源口线的低电平直到中断被执行。因此当单片机正在执行同级或更高级的中断期间，产生的外部中断源如果在该中断执行完毕之前撤销了25，就是说如果外部中断由低电平跳为高电平，就得不到响应
30、，跟没发生一样25。同样，如果单片机在执行不可被中断的指令时，产生的电平触发中断如果时间太短，也得不到任何响应25。2边沿触发方式，中断请求会被中断标志寄存器锁存。中断口线上的跳变将记录在标志寄存器中，直到单片机响应并转向该中断服务程序时，由硬件自动清除7。因此当CPU正在执行中断时，如果产生外部中断就会被记录在中断标志寄存器中，当中断退出后，将被响应执行。解决办法，就是在中断退出之前7，手动清除外部中断标志。3可以手动清除中断标志。一个中断如果在还没得到单片机的响应之前就已经被清除，该中断就将被CPU忽略7。就如同没有发生一样。3.3 测速传感器3.3.1 霍尔传元件霍尔元件是一种基于霍尔效
31、应的磁传感器，根据霍尔效应的原理，人们用半导体材料制成的元件称为霍尔元件8，如今已经得到广泛的应用，迅速发展成巨大的磁传感器产品族。霍尔器件作为一种转速测量系统的传感器，它们高稳定性、方便使用、价格便宜优点，因此，广泛应用于在测量、计算机和信息技术等许多领域9。用于测量转速的A44E霍尔传感器和磁钢实物图如3.7所示。由于磁场由磁钢在运动时候产生，所以霍尔元件和磁钢需要配对使用。图3.7霍尔传感器和磁钢的外形图霍尔器件作为一种转速测量系统的传感器，测量电机转速时，首先就是要将电机的转速表示为单片机可以识别的脉冲信号，然后再进行脉冲计数，其测量原理为：当电机转动时，带动传感器运动，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，霍尔元件在使用时，在垂直于平面方向上施加外磁场，在沿平面方向两端加外电场，则使电子在磁场中运动，结果在器件的两个侧面之间产生霍尔电势、其大小和外磁场及电流大小成比例9。3.3.2 电机转速测量测量电机转速方法有很多种，仅根据脉冲计数来实现转速测量的方法就可分为M法(测频法)、T法(测周期法)还有MPT法(频率周期法)，本设计采用了M法(测频法)20 ，就是利用霍尔元件采集脉冲信号，然后发送给单片机，经过处理后实现了转速的实时精确测量13。本设计中转速是用用单位时间内的转数来衡量的，因为在电机过程中是有规律的重复运动
