基于霍爾傳感器的電機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張玲娜,毛 敏

（1.西安石油大學(xué)電子工程學(xué)院,西安 710065；2.陜西國防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院,陜西 戶縣 710300）

0 引言

在工廠車間與汽車、火車等交通工具中，人們經(jīng)常遇到測(cè)量電極轉(zhuǎn)動(dòng)速度的問題，并且在此問題的基礎(chǔ)上需要解決按照自己的目的設(shè)定電機(jī)轉(zhuǎn)速的問題。例如，在發(fā)電機(jī)、卷揚(yáng)機(jī)、造紙機(jī)械中電機(jī)設(shè)備中要實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速的控制，并且要連續(xù)時(shí)間內(nèi)實(shí)施采集控制目標(biāo)的速度值以保證系統(tǒng)的安全性?；蛘叻謺r(shí)的對(duì)目標(biāo)檢測(cè)并顯示其轉(zhuǎn)速。這時(shí)，我們首先要求等過獲取電機(jī)運(yùn)行時(shí)的正確速度，即要求傳感器的精確測(cè)量，并且保證系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)性反應(yīng)生產(chǎn)狀況，所以要求傳感器能夠準(zhǔn)確測(cè)量瞬時(shí)轉(zhuǎn)速。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一個(gè)MSP430單片機(jī)整體系統(tǒng)，利用單片機(jī)的數(shù)量捕捉功能以及AD轉(zhuǎn)換完成對(duì)外部數(shù)據(jù)的采集，利用PWM完成對(duì)外部電機(jī)的控制。選用適合電機(jī)測(cè)速的霍爾傳感器，測(cè)量電機(jī)的速度，同時(shí)選擇合理的LCD顯示器件，實(shí)現(xiàn)與單片機(jī)引腳匹配并實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)顯示，顯示過程中使系統(tǒng)具備實(shí)時(shí)顯示的能力，如果轉(zhuǎn)速超過設(shè)定值，則實(shí)現(xiàn)在調(diào)速系統(tǒng)中的聲光報(bào)警功能。

單片機(jī)作為微控制器MCU，在不同工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的控制系統(tǒng)中，如適應(yīng)性控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)的采集與處理系統(tǒng)中得到了充分的運(yùn)用。在控制領(lǐng)域中，主流上舍棄之前模擬式控制方法，改為通用嵌入式計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)控制功能。大部分的控制系統(tǒng)都可以用以單片機(jī)為核心的系統(tǒng)或單片機(jī)加通用機(jī)系統(tǒng)來代替。在單片機(jī)對(duì)電動(dòng)機(jī)測(cè)量測(cè)量與控制系統(tǒng)中，其典型系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，整個(gè)系統(tǒng)由模擬信號(hào)采集過程、人機(jī)交互過程、信號(hào)顯示設(shè)備、實(shí)時(shí)報(bào)警設(shè)備、實(shí)時(shí)存儲(chǔ)設(shè)備、信號(hào)輸出設(shè)備等功能來實(shí)現(xiàn)。

圖1 單片機(jī)典型應(yīng)用系統(tǒng)

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 部分電路設(shè)計(jì)

2.1.1 仿真電路設(shè)計(jì)：整題電路設(shè)計(jì)如下（圖2）所示

圖2 仿真電路圖

2.1.2 供電電源電路設(shè)計(jì)

整個(gè)信號(hào)調(diào)理電路板和霍爾傳感器需要一個(gè)穩(wěn)壓電源，這里選擇調(diào)整電源芯片LM317。MSP430單片機(jī)的電源電壓要求3.3V電壓，放大器芯片的電源需要5V電壓，需要重新處理電壓，該芯片是TPS76950和TPS76933。芯片TPS76950和TPS76933為變換電壓芯片，穩(wěn)定性好，輸出穩(wěn)壓性高。當(dāng)輸入的電壓在10V左右時(shí)，輸出電壓可以分別穩(wěn)壓在5V和3.3V，相應(yīng)的電容起到穩(wěn)壓作用（圖3）。

圖3 穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)電路圖

2.1.3 霍爾傳感器

利用霍爾傳感器將電機(jī)轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)化為脈沖信號(hào)。測(cè)量用霍爾器件A3144為開關(guān)型霍爾集成電路，是將霍爾元件、穩(wěn)壓電路、放大器、施密特觸發(fā)器、OC門等電路做在同一個(gè)芯片。當(dāng)外加磁場(chǎng)強(qiáng)度超過規(guī)定的工作點(diǎn)時(shí)，OC門由高阻態(tài)變?yōu)閷?dǎo)通狀態(tài)，輸出變?yōu)榈碗娖剑划?dāng)外加磁場(chǎng)強(qiáng)度低于釋放點(diǎn)時(shí)，OC門重新變?yōu)楦咦钁B(tài)，輸出高電平。通過上拉電阻可將其輸出接入邏輯電路。

該芯片具有尺寸小、穩(wěn)定性好、靈敏度高等特點(diǎn)，有兩種封裝形式，一種是3腳貼片微小型封裝，后綴為“LT”；另一種是3腳直插封裝，后綴為“UA”?；魻柶骷嗀3144管腳及其接線如圖4所示。

2.2 處理器

圖4 A3144管腳及其接線圖

處理器采用的是89C51單片機(jī)。完成對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速脈沖計(jì)數(shù)的控制，讀取寄存器完成轉(zhuǎn)速頻率的確定。電機(jī)脈沖信號(hào)連到 引腳。中斷對(duì)轉(zhuǎn)速脈沖計(jì)數(shù)。定時(shí)器T0工作于定時(shí)方式，工作于方式1，每1s讀一次外部中斷計(jì)數(shù)值，此值即為脈沖信號(hào)的頻率。根據(jù)下式可計(jì)算出電機(jī)的轉(zhuǎn)速，電機(jī)轉(zhuǎn)速計(jì)算公式：

其中n為電機(jī)轉(zhuǎn)速，f為電機(jī)脈沖信號(hào)頻率，z為轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)一圈霍爾傳感器產(chǎn)生的脈沖數(shù)。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 主程序

工作過程：先初始化，設(shè)置各中斷初值，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)脈沖信號(hào)頻率，根據(jù)公式計(jì)算出電機(jī)的轉(zhuǎn)速，再進(jìn)行數(shù)值的判斷，若數(shù)值高于100則報(bào)警，否則就進(jìn)行正常速度液晶顯示。

3.2 流程圖

流程圖如下圖5所示。

圖5

3.3 程序代碼

3.4 中斷程序

3.4.1 外部計(jì)數(shù)中斷

（1）工作過程：每來一個(gè)電機(jī)脈沖信號(hào)，產(chǎn)生中斷計(jì)數(shù)。

（2）流程圖，如圖6所示。

（3）程序

3.4.2 定時(shí)器中斷

（1）工作過程。TT0定時(shí)器每1秒定時(shí)中斷一次，讀取記錄的脈沖個(gè)數(shù)。

（2）流程圖。如圖7所示。

（3）程序

圖6

圖7

4 結(jié)論

本文給出了一種單片機(jī)實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的測(cè)量系統(tǒng),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、靈敏度高的優(yōu)點(diǎn)，不但可應(yīng)用于一般的機(jī)電控制過程中進(jìn)行速度測(cè)量，而且可應(yīng)用于其它要求轉(zhuǎn)速精確測(cè)量系統(tǒng)中，具有較高的理論和實(shí)際應(yīng)用意義。

[1]丁芝琴.基于霍爾傳感器的電機(jī)測(cè)速裝置設(shè)計(jì)[J].農(nóng)機(jī)化研究,2010(05):81-83.

[2]張坤,徐慧.基于MSP430的智能汽車防撞系統(tǒng)[J].電腦知識(shí)與技術(shù),2013(28):6385-6388.

[3]杜紅.基于MSP430的直流電機(jī)控制器設(shè)計(jì)[J].信息系統(tǒng)工程,2013(10):81-86.