基于磁敏电阻传感器测电机转速的毕业设计.doc

摘要在生产活动中离不开电机，电机转速的大小影响生产活动的进行。那么，对于电机转速的测量便是关键。本设计是基于12C5A60S2单片机设计的基于单片机控制的电机转速的测量系统。该系统采用磁敏电阻传感器检测转速，通过单桥电路将检测到的磁信号转变为电信号即电压信号。再利用LM339芯片对检测到的电压信号进行整形，转换为数字信号，再利用单片机的外部中断对数字信号进行计数，其实质是检测下降沿。另一方面，利用向单片机发送PWM波对电机进行调速。显示方面，利用1602液晶屏进行转速显示。该系统拟采用C语言编程，实现对单片机的控制。关键字：12C5A60S2单片机 磁敏电阻传感器 LM339芯片 PWM波 1602液晶屏AbstractIn production activities without motor, motor speed affects the size of the production activities. So, for measuring the rotational speed of motor is the key. This design is based on the 12 c5a60s2 microcontroller design based on single chip microcomputer control motor speed measurement system. This system adopts magnetic resistor sensor detection speed, through single bridge circuit to detect the magnetic signal into electrical signal voltage signal. Reuse LM339 plastic chip to detect the voltage signal, converted to digital signal, using MCU external interrupt count to digital signal, the essence of which is falling edge detection. On the other hand, the use of send MCU PWM wave's speed on the motor. Show respect, we use 1602 LCD screen for rotational speed. The system using C language programming, realize the single chip microcomputer control.Key words: 12c5a60s2 microcontroller LM339 magnetic resistor sensor chip PWM wave 1602 LCD screen目录1 绪论11.1课题研究的目的和意义11.2转速在国内外的研究11.3主要研究内容22 电机转速测量方法21 绪论1.1 课题研究的目的和意义转速是工程应用中非常广泛的一个参数，其测量方法较多，传统的测速方法一般以测速发电机为主要检测元件，得到的是模拟量，这种测量技术已不适应于现代科技发展的要求，在测量范围和测量精度上，已不能满足大多数系统的使用。随着大规模及超大规模集成电路技术的发展，数字系统测量得到普遍应用。由于单片机在测量转速方面具有体积小、性能强、成本低的特点，越来越受到企业用户的青睐，单片机对脉冲数字信号的强大处理能力，使得全数字化越来越普及，其转速测量系统也可以用全数字化处理，在在测量范围和测量精度方面都有极大的提高。以单片机为核心，设计的数字化转速测速系统，使系统能达到更高的性能，具有较强的应用价值。它的研究结果可以用于我们的实际生活中，一方面可以应用于工业控制中的某一部分，如数控车床的电机转速检测和控制、睡泵流量控制以及需要利用转速检测来进行控制的许多场合，如车辆的里程表、车速表等。另一方面由于该转速测量系统采用全数字结构，因而可以很方便的实行远程管理和控制，进一步提高现代化水平。总之，转速测量系统的研究是一件非常有意义的课题。本课题研究的是电机转速测量系统，对了解电机工作状态，提高电机工作效率有很大帮助，该课题主要是对电机转速测量系统进行硬件和软件的设计，同时从实际硬件电路出发，分析电路的工作原理，根据设计的具体情况提出修改方案和解决办法。1.2 转速测量在国内外的研究目前国内外测量电机转速的方法很多，按照不同的理论方法，先后产生过模拟测速法、同步测速法以及计数测速法。计数测速法又可分为机械式定时计数法和电子式定时计数法。传统的电机转速检测多采用测速发电机或光电数字脉冲变编码器，也有采用电磁式、电容式、磁阻式等。还有一些特殊的测速器是利用置于旋转体内的放射性磁性材料来发出脉冲信号。其中应用最广的是光电式，光电式测速系统具有低惯性、低噪声、高分辨率和高精度的优点。加之激光光源、光栅、光学码盘、CCD器件、光导纤维等的利用相继出现和成功应用，使得光电传感器在检测和控制领域得到了广泛的应用。而利用半导体材料制作的新型转速传感器即磁敏转速传感器又具有光电传感器一系列优点。核心部件是采用磁敏电阻作为检测的元件，再经过全新的信号处理电路令噪声降低，功能更完善。通过与其它类型齿轮转速传感器的输出波形对比，所测到转速的误差极小，线性特性具有很好的一致性。它的感应对象为磁性材料或导磁材料，如磁钢、铁和电工钢等。当被测体上带有凸起（或凹陷）的磁性或导磁材料，随着被测物体转动时，传感器输出与旋转频率相关的脉冲信号，达到测速或位移检测的发讯目的。利用磁敏电阻传感器测电机转速具有高灵敏度、高可靠性、触发距离远、信号触发为铁（软）磁材料。可实现远距离输送、抗电磁干扰能力强、具有良好的抗冲击性和抗震性。1.3主要研究内容a. 该系统要实现的功能有：1) 液晶显示器实时显示所测得的转速值；2) 键盘对设定的高低速值进行相关设置；b. 为了实现系统功能，主要研究了一下内容：1) 分析转速测量常用的两种方法；2) 根据电机转速测量系统的要求选择合适的传感器；3) 系统中各个模块的论证和选择，总体方案的设计。4) 系统中各硬件模块设计和软件设计；5) 系统调试。2 电机转速测量常用方法电机转速测量的主要方法有测周期法（“T”法）和测频法（“M”)。2.1测频法（“M”）在一定测量时间T内，测量脉冲发生器（替代输入脉冲）产生的脉冲数m1来测量转速，如图2-1所示，设在时间T内，转轴转过的弧度数为X，则转速n由式（2-1）计算得到。 式（2-1）转轴转过的弧度数X的计算见式（2-2）。 式（2-2） 图2-1 “M”法测脉冲宽度 将式（2-2）代入式（2-1），则转速n的表达式见式（2-3）。 式（2-3）式中n表示转速单位：（转/分）；T表示定时时间单位：（秒）；m1表式产生的脉冲个数。在该方法中，由于定时时间T和脉冲不能保证严格同步，以及在T内能否正好测量外部脉冲的完整的周期不确定，所以可能产生1个脉冲的量化误差。因此，为了提高测量精度，T要有足够长的时间。定时时间可根据测量对象预先设置。设置的时间过长，可以提高精度，而设置的时间过短，测量精度会受到一定的影响。而且在规定的检测时间内对脉冲个数计数，虽然检测时间一定，但检测的旗帜时间具有随机性，当被测转速较高时，才有较高的测量精度，并且测量准确度随转速的减小而降低，该方法适合于高速测量。2.2 测周期法（“T”法）转速可以用两脉冲产生的间隔宽度Tp来决定。如图2-2所示。Tpt通过定时器测得。定时器对时钟脉冲（fc频率）进行计数定时，在Tp内计数值若为m2，则计算公式见式（2-4)。 式（2-4）即 n= 式（2-5）式中P表示为转轴转一周脉冲发生器产生的脉冲数；fc表示硬件产生的基准时钟脉冲频率；单位（Hz）；n表示转速单位：（转/分）；m2表示时基脉冲。 图2-2 “T”法测脉冲宽度 由“T”法可知，该法测量精度的误差主要有两个方面，一是由两脉冲的上升沿触发时机不一致而产生的；二是由计数和定时起始不一致而产生的。因此要求脉冲的上升沿（或下降沿）陡峭以及计数和定时严格同步。该方法在被测转速较低（相邻两个转速脉冲信号时间间隔较大）时，才有较高的测量精度，其测量准确度随着转速的增大而降低，适于低速测量。2.3 本设计系统中采用的方法 通过分析可知，M法适合于高速测量，当转速较低，产生的误差会越大。T法适合于低速测量，转速增高，误差增大。由于本系统中所测的电机转速较高，且基于M法的测量，其电路和程序较为简单，所以本设计中采用M法进行测量。3 系统总体方案设计3.1各模块方案论证与选择3.1.1 传感器论证与选择方案一：光电传感器 光电传感器是应用非常广泛的一种器件，有各种各样的形式，如透射式、反射式等，光电转速传感器是根据光敏二极管工作原理制造的一种感应接收强度变化的电子器件，当它发出的光被目标反射或阻断时，则接收器感应出相应的电信号。它包含调制光源，由光敏元件等组成的光学系统、放大器、开关或模拟量输出装置。光电式传感器由独立且相对放置的光发射器和收光器组成。以透射式为例，如图3-1所示，当不透光的物体挡住发射与接收之间的间隙时，开关管关断，否则打开。为此可以制作一个遮光叶片如图3-2所示，安装在转轴上，当扇叶经过时，产生脉冲信号。当叶片数较多时，旋转一周可以获得多个脉冲信号。图3-2 遮光叶片方案二：光电编码器 光电编码器的工作原理与光电传感器的一样，不过它将光电传感器、电子电路、码盘等做成一个整体，只要用联轴器将光电传感器的轴与转轴相连，就能获得多种输出信号。它广泛应用于数控机床、回转台、伺服传动、机器人、雷达、军事目标测定等需要检测角度的装置和设备中。讲旋转编码器安装在电机轴上，这样每当电机转过一圈编码器就会发出一个脉冲，利用脉冲数对转速进行测量。如图3-3所示，是某光电编码器的外形。图3-3 光电编码器成品方案三：霍尔传感器 霍尔传感器是磁敏感的传感元件，常用于开关信号采集的有CS3020、CS3040、A04E、A44E等，这种传感器是一个3端器件，外形与三极管相似，只要接上电源、地即可工作，输出通常是集电极开路（OC）们输出，工作电压范围宽，使用非常方便。使用霍尔传感器获得脉冲信号，其机械结构也可以做的较为简单，只要在转轴的圆周上粘上一粒磁钢，让霍尔开关靠近磁钢，就有信号输出，转轴选择时，就会不断地产生脉冲信号。如果在圆周上粘上多粒磁钢，就可以实现旋转一周获得多个脉冲输出，单片机根据脉冲数来计算转速值。霍尔元件和磁钢如图3-4所示。在粘磁钢时要注意，霍尔传感器对磁场方向敏感粘之前可以先手动接近一下传感器，如果没有信号输出，可以换一个方向再试。方案四：磁敏电阻传感器 磁阻传感器具有很高的磁场检测灵敏度，可以测量微弱的磁场。它的感应对象为磁性材料或导磁材料，如磁钢、铁和电工钢等。当被测体上带有凸起（或凹陷）的磁性或导磁材料，随着被测物体转动时，传感器输出与旋转频率相关的脉冲信号，达到测速或位移检测的发讯目的。利用磁敏电阻传感器测电机转速具有高灵敏度、高可靠性、触发距离远、信号触发为铁（软）磁材料。可实现远距离输送、抗电磁干扰能力强、具有良好的抗冲击性和抗震性。 由于光电传感器受环境影响较大，且光电编码器安装不方便，由于软连接的原因，很容易松动，可靠性差，而霍尔传感器在信号采样时，会出现采样不精确，因为它是靠磁性感应才采集脉冲的，使用时间长了会出现磁性变小，影响脉冲的采样精度。 而磁敏转速传感器由磁敏电阻作感应元件，是一种新型的转速传感器。核心部件是采用磁敏电阻作为检测的元件，再经过全新的信号处理电路令噪声降低,功能更完善。通过与其它类型齿转速传感器的输出波形对比，所测到转速的误差极小以及线性特性具有很好的一致性。它的感应对象为磁性材料或导磁材料，如磁钢、铁和电工钢等。当被测体上带有凸起（或凹陷）的磁性或导磁材料，随着被测物体转动时，传感器输出与旋转频率相关的脉冲信号，达到测速或位移检测的发讯目的。由于磁敏电阻转速传感器灵敏度高 、高可靠性、寿命长、触发距离远 ；信号触发为铁（软）磁材料，可实现远距离输送、 抗电磁干扰能力强、 良好的抗冲击性和抗震性。与四端口的霍尔传感器相比，磁敏电阻传感器是二端型元件，使用更加方便。 所以本设计采用方案四，使用磁敏电阻传感器采集脉冲信号。3.1.2 单片机模块论证与选择方案一：采用型号为STC89C52作为主控器，使用磁敏电阻传感器进行测量的直流电机转速测量系统。STC89C52是一种低功耗、高性能CMOS 8位单片机，片内集成了8kb可重复编程的FLASH程序存储器。256字节的数据存储空间，具有TSP功能，可直接通过串口下载用户程序，方便调试程序，带有2KB的EEPROM存储空间，与MC-51完全兼容。方案二：STC12C5A60S2/AD/PWM系列单片机是STC生产的单时钟/机器周期（IT）的单片机，是高速/低功耗/超强抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051，但速度快8-12 倍。内部集成MAX810专用复位电路，2路PWM，8路高速10位A/D转换（25万次/秒），针对电机控制，强干扰场合。 两种单片机相比之下，采用STC12C5A60S2/AD/PWM系列单片机更能满足使用要求，减少芯片的使用数目，使得硬件电路更为简洁，具有更强的操作性。3.1.3 显示模块论证与选择方案一：采用LED数码管动态扫描，LED数码管价格适中，亮度高，显示数字合适，但是连接复杂，耗电流大，驱动电路复杂。方案二：采用点阵式数码管显示，点阵式数码管事由八行八列的发光二极管组成，对于显示简单文字比较适合，如果显示数字则浪费资源，而且价格也相对较高。方案三：采用LCD液晶显示屏，液晶显示屏的显示功能强大，可显示大量文字、图形，显示多样，清晰可见，并且连接方便，所以在此设计中采用了LCD1602液晶显示屏。因此选择方案三。3.2 总体设计方案 本系统的硬件主要由电机、磁敏电阻传感器、信号调理电路，以及STC12C5A60S2单片机，LCD1602液晶显示器，矩阵键盘组成。电机测速原理是在非磁性材料的圆盘上粘贴12块磁钢，磁敏电阻传感器固定在圆盘外缘，当电机转动时，磁钢经过磁敏电阻传感器正前方，改变了磁感应强度，电机每转动一圈，磁敏电阻传感器便输出12个脉冲，随着转盘的不断转动，就不断产生脉冲信号，经信号处理电路后送人单片机处理，转化为数字脉冲，脉冲信号的频率与转动速度成正比，根据单位时间间隔内的脉冲数，就可获得被测电机转速。系统原理框图见图3-5。图3.5 转速测量系统流程模块图4 硬件电路设计4.1 单片机最小系统设计单片机的最小系统是指一个真正可用的最小配置系统，由时钟电路、复位电路和电源电路组成。STC 12C5A60S2 系列单片机的内部结构框图如下图所示。STC12C5A60S2 单片机中包含中央处理器(CPU )、程序存储器(Flash)、数据存储器(SRAM )、定时/计数器、UART 串口、串口2、I/O 接口、高速A/D 转换、SPI接口、PCA 、看门狗及片内R/C振荡器和外部晶体振荡电路等模块。STC12C5A60S2系列单片机几乎包含了数据采集和控制中所需的所有单元模块，可称得上一个片上系统。图3-6 STC12C5A60S2 系列单片机最小应用系统关于复位电路：时钟频率低于12MHz时，可以不用C1，R1接1K电阻到地时钟频率高于12MHz时，建议使用第二复位功能角(STC 12C5A60S2系列在RST2/EX_LVD/P4.6口STC 12C520 1AD系列在RST2/EX_LVD/P1.2 口)关于晶振电路： 如果外部时钟频率在33MHz以上时，建议直接使用外部有源晶振。 如果使用内部R/C振荡器时钟(室温情况下5V单片机为: MHz 7MHz ,3V单片机为 8MHz 2MHz ),XTAL 和XTAL2脚浮空 如果外部时钟频率在27MHz以上时,使用标称频率就是基本频率的晶体，不要使用三泛音的晶体，否则如参数搭配不当，就有可能振在基频，此时实际频率就只有标称频率的1/3 了，或直接使用外部有源晶振,时钟XTAL1脚输入,XTAL2脚必须浮空。 当时钟频率高于 时钟频率高于 高于12MHz 时，建议使用第二复位功能脚,可以不用 ，建议使用第二复位功能脚,可以不用C1,R1接1K电阻到地，此时的最小应用系统如下所示。 图3-7 STC12C5A60S2 系列单片机最小应用系统4.2 磁敏电阻传感器测量电路设计4.2.1 磁敏电阻传感器原理 磁敏电阻传感器是利用磁阻效应制成的一种磁敏电阻传感器。它是今年来为适应信息采集的需要而迅速发展起来的一种新型传感器，这类传感器具有以下特性：1) 原始信号强，后序处理电路简单；2) 永磁体与MR元件非接触，无触点；3) 电性能寿命无限；4) 纯电阻元件，响应速度0到10-9s，反应迅速准确；5) 灵敏度高，输出信号大，易于采集处理；6) 分辨率高；7) 结构简单，轻巧；8) 无磨损、无接触电噪声，可适用于水、油、汽、粉尘、腐蚀性气体、振动、冲击等多种恶劣环境下。锑化锢磁阻转速传感器由一对电阻值相当的锑化锢磁敏电阻(MRI、MRZ)构成的磁敏感元件和相应的信号处理电路组成。锑化锢磁敏感元件由引脚(1、2、3)、一对阻值大致相等的锑化锢磁阻电阻MRI和MRZ、永磁体、绝缘基片、起屏蔽和保护作用的金属外壳构成，并由环氧树脂灌封，如图3-8所示。其工作电压一般为SVDC。图3-8 锑化铟磁敏感元件示意图图3-9为它的工作原理图。其中，图(a)为磁敏感元件上表面附近没有铁磁性物体时期内部永磁体的磁场示意图，它使得MR1和MR2处在同样的磁场环境中;图(b)为铁磁性物体通过MR1时的示意图，铁磁性物体上的箭头方向标明它的运动方向。从该示意图可见，此时永磁体的磁场分布发生了明显的变化:通过MR1的磁力线明显增多而通过MR2的磁力线明显减少，此时MR1的电阻值增大而MR2的电阻值减小；图(c)为铁磁性物体通过MR2时的示意图，铁磁性物体上的箭头方向也标明它的运动方向。从该示意图可见，此时永磁体的磁场分布变化情况恰好与铁磁性物体通过MR1时的情况相反:通过MR2的磁力线明显增多而通过MR1的磁力线明显减少，此时MR2的电阻值增大而MR1的电阻值减小;图(d)为齿轮在磁敏感元件上表面附近转动时的示意图。当磁性元件近MR2时，对应图(b)情况，则MR1的电阻值增大，由欧姆定律可知：Va处的电压降低；当齿轮齿部接近MR2时，对应图(c)情况，则MR2的电阻值增大，由欧姆定律可知:Va处的电压升高。这样，连续的转动就使得Va处的电压以15V为中心发生周期性的降低和升高，即相当于Va处有的交流小信号输出。 图（a）无铁磁性物体时示意图 图（b）铁磁性物体通过MR1时示意图 图（c） 铁磁性物体通过MR2时的示意图 图（d) 转动示意图 图3-10为某一转速时Va处的输出波形。横轴代表时间，一小格为0.5ms；纵轴代表电压，一小格为2mV。图中T处的毛刺状波是磁阻感元件的噪声。可见它具有明显的周期性，周期的大小反映了电机转动时转速的快慢。波形的下尖峰对应磁性元件空隙部分接近MR1时的输出电压，上尖峰对应磁性元件接近MR2时的输出电压。 图3-10 某一转速时Va处的输出波形