電機(jī)測速系統(tǒng)設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

【摘要】本文所介紹電機(jī)測速系統(tǒng)主要由霍爾傳感器、單片機(jī)、LCD1602液晶顯示模塊組成。系統(tǒng)以STC89C52單片機(jī)系統(tǒng)和霍爾傳感器為核心，霍爾傳感器把不同轉(zhuǎn)速所轉(zhuǎn)變成的不同頻率的脈沖信號發(fā)送至到單片機(jī)，通過單片機(jī)的設(shè)置可對霍爾傳感器輸入的脈沖信號進(jìn)行計數(shù)和處理，這樣能精確地算出加到引腳的單位時間內(nèi)檢測到的脈沖數(shù)，單片機(jī)進(jìn)行控制與計算后，采用LCD液晶顯示模塊實(shí)時顯示。本測速系統(tǒng)的設(shè)計具有操作方便，顯示清晰，結(jié)構(gòu)簡單，穩(wěn)定可靠，成本低廉等優(yōu)點(diǎn)。

【關(guān)鍵詞】霍爾傳感器;單片機(jī);LCD1602

Abstract：This article describes the motor speed of the system consists of a Hall sensor，microcontroller，LCD1602 LCD module.STC89C52 SCM system as the core system and the Hall sensor，Hall sensor sends pulses are converted into different speeds at different frequencies to the microcontroller，the Hall sensor input pulse signal is counted and processed by the microcontroller setting，this can accurately calculate the number of pulses applied to the pin within the unit time detected，the microcontroller for control and calculation，using real-time display LCD LCD module.Design of the measurement system is easy to operate，clear display，simple structure，reliable，and low cost.

Key word：Hall sensor;MCU;LCD1602

1.系統(tǒng)的整體設(shè)計

本設(shè)計能夠?qū)崿F(xiàn)電機(jī)在轉(zhuǎn)動過程中速度指標(biāo)的實(shí)時顯示功能。系統(tǒng)實(shí)用性強(qiáng)，元件非常簡單?；魻杺鞲衅魇且环N常見的利用霍爾效應(yīng)把磁輸入信號變換成電信號的元器件。實(shí)際設(shè)計安裝時可以把磁鋼固定在電機(jī)尾部轉(zhuǎn)動軸上，開關(guān)型霍爾傳感器敷設(shè)在需要觀察的支架上，磁鋼伴隨轉(zhuǎn)動軸轉(zhuǎn)動，每當(dāng)霍爾傳感器與磁鋼靠近之時，傳感器即輸出一個無抖動低電平至單片機(jī)，單片機(jī)通過控制計算得出速度，顯示在顯示屏上，即完成實(shí)時測速。設(shè)計安裝時，要總體考慮系統(tǒng)反應(yīng)時間和測速精度。本系統(tǒng)設(shè)計采用測量脈沖頻率，以此計算速度，具有很高的測速精度。

本設(shè)計主要包括液晶顯示部分，單片機(jī)控制系統(tǒng)和傳感器數(shù)據(jù)采集部分。其中由單片機(jī)系統(tǒng)完成關(guān)鍵的數(shù)據(jù)處理，由霍爾傳感器來完成數(shù)據(jù)的采集，通過LCD顯示器把輸出信號顯示出來，即為當(dāng)前的轉(zhuǎn)速情況。圖1為系統(tǒng)設(shè)計基本結(jié)構(gòu)框圖：

圖1 系統(tǒng)原理框圖

本設(shè)計中，利用開關(guān)型霍爾傳感器把磁鋼經(jīng)過傳感器的次數(shù)（也可以說電機(jī)所轉(zhuǎn)圈數(shù)）轉(zhuǎn)換成電脈沖，進(jìn)行處理之后再送入單片機(jī)，單片機(jī)STC89C52為本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理核心，通過STC89C52的定時/計數(shù)器測算出每轉(zhuǎn)一圈的時間和總脈沖數(shù)，再由單片機(jī)進(jìn)行計算，其結(jié)果顯示在LCD1602顯示器上，即得速度測量。

2.系統(tǒng)硬件部分電路

2.1 概述

硬件電路設(shè)計是整個設(shè)計的基礎(chǔ)部分，它包括液晶屏的實(shí)時顯示，單片機(jī)的計算處理，信號的捕獲以及單片機(jī)外圍基本電路設(shè)計（最小系統(tǒng)的設(shè)計），其中兩大主要器件是單片機(jī)和傳感器。

本次設(shè)計的核心關(guān)鍵元器件是STC89C52單片機(jī)，它包括信息處理、定時、計算等功能，是信號采集到輸出的橋梁。

2.2 霍爾傳感器

霍爾效應(yīng)：把一磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場加在一薄片的垂直方向上，然后把控制電流I加在半導(dǎo)體薄片上，那么電勢差為Uh的霍爾電壓將產(chǎn)生在在垂直于電流和磁場的方向上。霍爾效應(yīng)的實(shí)質(zhì)是磁場中受洛侖茲力作用使運(yùn)動的帶電粒子引起偏轉(zhuǎn)。如果電子或空穴等帶電粒子被約束在固體材料中，此偏轉(zhuǎn)即會使得在磁場和垂直電流的方向上積累正負(fù)電荷，一個附加的橫向電場即形成。實(shí)際可測得：霍耳電勢差的數(shù)值與板厚度d 成反比，與磁感強(qiáng)度B和電流I成正比。

把霍爾傳感器粘附在圓盤外緣附近，把一塊磁鋼粘貼在非磁材料的圓盤邊上?；魻杺鞲衅髅枯敵鲆粋€脈沖即代表圓盤轉(zhuǎn)動一圈。圓盤的轉(zhuǎn)速可以通過單片機(jī)測量產(chǎn)生脈沖的頻率得出。

2.3 頻率測量法

單片機(jī)內(nèi)部定時計數(shù)器的T1口所接收到的信號是霍爾傳感器所產(chǎn)生的脈沖。內(nèi)部工作在計數(shù)狀態(tài)的是Timer1，工作在定時狀態(tài)的是定時計數(shù)器Timer0。Timer1與Timer0都工作在模式1。本系統(tǒng)設(shè)計，Timer1累計的是0.5秒內(nèi)（Timer0產(chǎn)生的定時是0.5秒）加到T1腳的脈沖數(shù)。如果共有N個脈沖在0.5秒內(nèi)被timer1檢測到，那么可以有N/0.5=2N算出圓盤的轉(zhuǎn)動頻率。如果在自行車輪條上固定有一個磁鋼，每車輪轉(zhuǎn)了一圈，霍爾傳感器即發(fā)出一個脈沖。單片機(jī)把脈沖頻率處理之后，就可以算出車速。實(shí)際如果再累加脈沖數(shù)之后，然后再乘以輪子長度，又可以計算出里程數(shù)。

圖2 統(tǒng)軟件框圖

3.軟件程序設(shè)計

3.1 概述

模塊化設(shè)計是按照結(jié)構(gòu)的要求和硬件設(shè)計，系統(tǒng)作為一個整體的功能被劃分成許多小的功能模塊，這些小功能模塊的基礎(chǔ)上編程過程。這種設(shè)計方法，從而使整個函數(shù)，并將該系統(tǒng)的每個部分的功能的傾向變得清晰。當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)問題時，根據(jù)特征集，找出問題發(fā)生的根本原因，更快地解決問題。所以，在整個設(shè)計過程中，軟件設(shè)計和硬件設(shè)計緊密地結(jié)合在一起。單片機(jī)的最大的優(yōu)點(diǎn)是通過軟件控制單片機(jī)的功能，程序的設(shè)計，要采用自頂向下的設(shè)計方法，遵循模塊化設(shè)計的原則，綜合考慮可讀性及合理性。模塊化設(shè)計使程序修改及完善方便，可讀性好。如圖2所示為軟件程序系統(tǒng)框圖。

基于霍爾傳感器和單片機(jī)的自行車速度里程表在軟件設(shè)計上主要包括以下內(nèi)容：延時子程序、LCD顯示子程序、里程調(diào)用子程序、速度調(diào)用子程序、中斷子程序、上電初始化程序等。之所以采用模塊化設(shè)計主要是由于其要實(shí)現(xiàn)的功能比較多，下面就著重分析其軟件設(shè)計的主要部分。

3.2 測速系統(tǒng)總體程序設(shè)計

軟件設(shè)計主程序模塊中，必須完成中斷向量的設(shè)計以及開中斷、速度的初始化、循環(huán)等待、對各接口芯片的初始化等工作。此外在主程序模塊中還要設(shè)置啟動/清除速度寄存器、里程寄存器、標(biāo)志寄存器，而且要對它們進(jìn)行初始化。之后系統(tǒng)完成的啟動、清除、計程和計速等不同的操作都是主程序根據(jù)各標(biāo)志寄存器的內(nèi)容來完成。如圖3所示為系統(tǒng)軟件總體流程圖。

圖3 軟件主流程圖

3.3 速度計算子程序的設(shè)計

電機(jī)每轉(zhuǎn)動一圈后的計時數(shù)據(jù)由外中斷1服務(wù)程序來處理。若標(biāo)志位為0，則有計數(shù)單元的值要放入68H～6BH固定單元;若標(biāo)志位是1，即計數(shù)溢出，放入時間最大值（為#0FFH）。每轉(zhuǎn)一圈所用的時間由定時器計出，速度即時轉(zhuǎn)動軸的周長除以時間所得到的數(shù)值。如圖4所示為速度處理子程序流程圖。

圖4 速度處理子程序流程圖

3.4 顯示子程序的設(shè)計

本設(shè)計液晶顯示模塊切換顯示速度和里程數(shù)據(jù)，液晶顯示模塊首先要進(jìn)行初始化，讀寫程序編寫、相應(yīng)的字庫編寫等。設(shè)計液晶顯示程序時應(yīng)包括數(shù)字字庫的編寫、數(shù)字顯示程序、讀顯示數(shù)據(jù)子程序、寫顯示數(shù)據(jù)子程序、寫指令代碼子程序、初始化程序、清屏程序等。

4.調(diào)試結(jié)果以及測試

4.1 硬件電路模塊調(diào)試

本設(shè)計硬件部分主要為顯示模塊、按鍵模塊以及測量模塊。硬件電路功能檢測主要針對這三部分進(jìn)行測試。

按鍵部分：首先要確定各個按鍵是否完好，先自己接到一個簡易的電路上測試，確定完好后再焊接。

測量部分：首先焊接霍爾元件，檢測在磁鋼作用下電壓值是否不同，檢查是否有脈沖產(chǎn)生。

顯示電路：由于使用的是LCD1602顯示屏，首先要確定LCD1602的引腳順序。然后在實(shí)物電路上焊接16管腳的管座，檢查顯示電路能否正常顯示。

4.2 軟件調(diào)試

本設(shè)計軟件調(diào)試中軟件主流程圖分為兩個部分，分模塊包括計算里程模塊、計算速度模塊、顯示功能模塊。各個獨(dú)立模塊功能調(diào)試成功后，將這些模塊程序通過主程序合并在一起，最后再對合并后的總程序進(jìn)行調(diào)試。

4.3 軟件調(diào)試問題分析

LCD顯示問題：調(diào)試發(fā)現(xiàn)1602驅(qū)動程序?qū)憯?shù)據(jù)時延時時間選擇不當(dāng)會使數(shù)據(jù)出現(xiàn)亂碼，在增加顯示延時之后，數(shù)碼管顯示正常。

按鍵消抖問題：在實(shí)際調(diào)試中，發(fā)現(xiàn)按鍵出現(xiàn)反應(yīng)不靈敏和多次計數(shù)現(xiàn)象，在硬件上加入一個基本RS觸發(fā)器可以消抖，在鍵盤控制程序中無需再加入專門的按鍵消抖程序。在去除按鍵消抖程序后，按鍵控制靈敏度恢復(fù)正常。

4.4 調(diào)試結(jié)果

本設(shè)計實(shí)現(xiàn)了自行車測速系統(tǒng)的效果，接上電源，液晶顯示State：YES，為更直觀表明本設(shè)計調(diào)試結(jié)果，我們以增加或減少霍爾傳感器發(fā)送脈沖信號的頻率，來觀察其速度指數(shù)。結(jié)果即上電工作具體顯示如圖5所示。

圖5 實(shí)際調(diào)試圖

5.總結(jié)

本設(shè)計利用單片機(jī)的控制和運(yùn)算功能，以STC89C52為核心，采用霍爾傳感器接收信號，用液晶顯示模塊對所測電機(jī)速度和進(jìn)行實(shí)時顯示?？稍诤喕绦蛟O(shè)計和節(jié)約系統(tǒng)資源的基礎(chǔ)上保證系統(tǒng)的實(shí)時性和測量精度。其低成本，電路簡單、功耗低、具有體積小、性價比高、功能全等優(yōu)點(diǎn)，具有廣泛的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)

[1]趙亮.液晶顯示模版LCD1602應(yīng)用[J]電子制作，2007.03

[2]巴志軍.基于單片機(jī)的簡單液位控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn) [J].科技風(fēng)，2008（21）