基于單片機的數字測速系統設計

袁 捷

（陜西職業技術學院,陜西西安,710100）

本文所設計的基于霍爾元件的脈沖發生器要求成本低，構造簡單，性能好。在電氣控制系統中存在著較為惡劣的電磁環境，因此要求產品本身要具有較強的抗干擾能力。系統主要由AT89S52單片機處理系統、電機、傳感器檢測單元、信號處理單元和顯示系統等幾個部分組成。

1 總體方案設計

對轉速的測量實際上是對轉子旋轉引起的周期脈沖信號的頻率進行測量。霍爾元件測速法是利用霍爾開關元件測轉速的。霍爾開關元件內含穩壓電路、霍爾電勢發生器、放大器、施密特觸發器和輸出電路。輸出電平與TTL電平兼容，在電機轉軸上裝一個圓盤，圓盤上裝若干對小磁鋼，小磁鋼越多，分辨率越高，霍爾開關固定在小磁鋼附近，當電機轉動時，每當一個小磁鋼轉過霍爾開關，霍爾開關便輸出一個脈沖，計算出單位時間的脈沖數，即可確定旋轉體的轉速。其系統框圖如圖1所示。

圖1 霍爾傳感器測速框圖

2 系統硬件電路設計

該系統包括霍爾傳感器、隔離整形電路、主CPU、顯示電路、報警電路及電源等部分。其測量過程是測量轉速的霍爾傳感器和電機機軸同軸連接，機軸每轉一周，產生一定量的脈沖個數，由霍爾器件電路輸出，經隔離整形后送入單片機進行處理，單片機收到信號將該值數據處理后，在LCD液晶顯示器上顯示出來。一旦超速，CPU通過蜂鳴器進行報警。

2.1 傳感器的選擇

測量電機轉速的第一步就是要將電機的轉速表示為單片機可以識別的脈沖信號，從而進行脈沖計數。利用霍爾器件檢測脈沖信號因其具有結構牢固、體積小、重量輕、壽命長、安裝方便等優點。當電機轉動時，帶動傳感器運動，產生對應頻率的脈沖信號，經過信號處理后輸出到計數器或其他的脈沖計數裝置，進行轉速的測量。

2.2 微處理器的選擇

為了減少體積與功耗，采用較常使用且較經濟的AT89S52單片機：AT89S52是一種低功耗、高性能CMOS的8位微控制器，具有8K在系統可編程存儲器。其最小系統包括單片機AT89S52接口電路、晶振電路、復位電路。如圖2所示。

2.3 計數器與定時器

使用片內的計數器的優點在于降低單片機系統的成本。每到一個脈沖將會產生一個T1的計數，在T0產生的100ms中斷完成后，T1的中斷溢出次數就是所需要計的脈沖數。系統計數部分采用片內的計數器。定時器部分可由片內始終信號產生。

2.4 信號處理電路

用霍爾傳感器測量轉速，其檢測到的信號為一個個的脈沖，所以不需要進行模數轉換，信號經傳感器后，濾去雜波即可直接接入單片機進行計數處理。由于是數字脈沖信號，所以濾波的時候采用兩次反向操作，即可達到隔離整形的目的。硬件搭接如圖3所示。其中74LS14為六位反相器。

圖2 最小系統仿真圖

圖3 信號處理電路

2.5 系統設計總框圖

實際測量時，要把霍爾傳感器固定在直流測速電機的底板上，與霍爾探頭相對的電機的軸上固定著一片磁鋼塊，電機每轉一周，霍爾傳感器便發出一個脈沖信號，如圖4所示。

圖4 系統硬件設計框圖

3 檢測系統軟件設計

電機轉速測量需要經過的4個基本步驟：1是控制方式；2是確定計數方式；3是信號輸入方式；4是計數值的讀取。其測量過程是測量轉速的霍爾傳感器和電機機軸同軸連接，機軸每轉一周，產生一定量的脈沖個數，由霍爾器件電路輸出。經過隔離整形電路后，成為轉數計數器的計數脈沖。控制計數時間，即可實現計數器的計數值對應機軸的轉速值。主CPU將該值數據處理后，在LCD液晶顯示器上顯示出來。

3.1 主程序框圖

先進行初始化設置各定時器初值，然后判斷是否啟動系統進行測量。啟動系統后，霍爾傳感器檢測脈沖到來后，啟動外部中斷，每來一個脈沖中斷一次，記錄脈沖個數。同時啟動T0定時器工作，每1秒定時中斷一次，讀取記錄的脈沖個數，即電機轉速。連續采樣三次，取平均值記為一次轉速值。再進行數值的判斷，若數值高于5000r/s則報警并返回初始化階段，否則就進行正常速度液晶顯示。如圖5所示。

圖5 主程序設計框圖

圖6 計數器中斷流程圖

圖7 定時器中斷流程圖

3.2 中斷服務程序

3.2.1 外部計數中斷

3.2.2 定時器中斷流程圖

4 總結

本文給出了一種單片機實現電機轉速的測量系統,克服了傳統方法測量的不足,可以實現電機轉速不同區段的精度測量。該速度測量系統具有測量速度快，測量精度高的優點，霍爾傳感器的輸出信號經信號調理后，通過單片機對連續脈沖記數來實現轉速測量，充分利用了單片機的內部資源，有很高的性價比。該系統在一般的轉速檢測和控制中均可應用。

[1]趙負圖.現代傳感器集成電路[M].北京：人民郵電出版社,2000.534-535.

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