基于霍尔传感器的非接触式转速测量(2)

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,并且连接很方便 ,所以在此设计中采用了LCD液晶显示屏。

因此选择方案三。

2 基于霍尔传感器的电机转速测量系统硬件设计

2.1 电机转速测量系统的硬件电路设计

2.1.1 总体硬件设计

使用单片机测量电机转速的基本结构如图2-1所示。

图2-1 系统总体结构图

其测量过程是测量转速的霍尔传感器和电机机轴同轴连接，机轴每转一周，产生一定量的脉冲个数，由霍尔器件电路输出。经过主CPU将该值数据处理后，在LCD液晶显示器上把转速显示出来。一旦电机停止或超速CPU通过LCD液晶显示器显示警告信号信号。用户也可以选择另一功能，即通过曲线表示电机转速的变化规律，此时如果电机停止或超速也会显示警告信号，但没有显示传感器功耗。当用户不需要测量电机时可以选择关闭测量系统当日历使用，日历可准确计算公历从公元000至公元9999年，并显示于LCD液晶显示器上。

1.传感器部分

主要分为两个部分。第一部分是利用霍尔器件将电机的转速转化为脉冲信号。霍尔测速模块由永久磁铁和带有霍尔元件的支架构成。将霍尔元件固定在距齿轮外圆1mm的探头上，霍尔元件的对面粘贴小磁钢，当测速齿轮的转盘上覆铜部分经过探头正前方时，改变了磁通密度，霍尔元件就输出一个脉冲信号。

图2-2 霍尔元件

2.处理器

采用STC12C5A60S2单片机作为系统的处理器。 3.显示部分

在正常情况下，通过LCD液晶显示器显示当前的转速及传感器功率或变化规律曲线，当电机的转速超出一定的范围后，LCD液晶显示器显示错误。用户关闭测量系统时该部分用于日历显示。

2.1.2 系统电路设计

实际测量时，要把霍尔传感器固定在直流测速电机的底板上，与霍尔探头相对的电机的轴上固定着一片磁钢块，电机每转一周，霍尔传感器便发出一个脉冲信号，将此脉冲信号接到开发的多功能实验板上的P3.2和P3.3上，设定Ｔ0定时，每次两个脉冲间隔时间为t，设每分钟转X转，则X =（1分钟）/t

由于在虚拟仿真电路图中，没有电机及传感器，所以采用两个具有时差的脉冲信号代替，电路图如图2-3所示。

图2-3 总体硬件电路图（STC12C5A60S2无仿真库，故用AT89C51代替）

2.2 霍尔传感器测量电路设计

2.2.1 霍尔元件

根据霍尔效应，人们用半导体材料制成的元件叫霍尔元件。它具有对磁场敏感、结构简单、体积小、频率响应宽、输出电压变化大和使用寿命长等优点，因此，在测量、自动化、计算机和信息技术等领域得到广泛的应用。

霍尔传感器A3144是Allegro MicroSystems公司生产的宽温、开关型霍尔效应传感器，其工作温度范围可达-40℃～150℃。它由电压调整电路、反相电源保护电路、霍尔元件、温度补偿电路、微信号放大器、施密特触发器和OC门输出极构成，通过使用上拉电阻可以将其输出接入CMOS逻辑电路。该芯片具有尺寸小、稳定性好、灵敏度高等特点，有两种封装形式，一种是3脚贴片微小型封装，后缀为“LH”；另一种是3脚直插式封装，后缀为“UA”。

A3144E系列单极高温霍尔效应集成传感器是由稳压电源，霍尔电压发生器，差分放大器，施密特触发器和输出放大器组成的磁敏传感电路，其输入为磁感应强度，输出是一个数字电压讯号。它是一种单磁极工作的磁敏电路，适用于矩形或者柱形磁体下工作。可应用于汽车工业和军事工程中。

霍尔传感器的外形图和与磁场的作用关系如图2-4所示。磁场由磁钢提供，所以霍尔传感器和磁钢需要配对使用。

霍尔元件和磁钢 管脚图

图2-4 霍尔传感器的外形图

该霍尔传感器的接线图如图2-5所示。

图2-5 霍尔传感器的接线图

2.2.2 霍尔传感器测量原理

测量电机转速的第一步就是要将电机的转速表示为单片机可以识别的脉冲信号，从而进行脉冲计数。霍尔器件作为一种转速测量系统的传感器，它有结构牢固、体积小、重量轻、寿命长、安装方便等优点，因此选用霍尔传感器检测脉冲信号，其基本的测量原理如图2-6所示，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。

图2-6 霍尔器件测速原理

2.2.3 转速测量方法

转速的测量方法很多，根据脉冲计数来实现转速测量的方法主要有M法(测频法)、T法(测周期法)和MPT法(频率周期法)，该系统采用了T法(测周期法)。由于转速是以单位时间内转数来衡量，在变换过程中多数是有规律的重复运动。根据霍尔效应原理，将一块永久磁钢固定在传感器支架一段（参考图2-2），转盘随侧轴旋转.转盘随轴旋转时，覆铜半边进入传感器支架中间时磁场密度发生改变，受磁钢所产生的磁场的影响，霍尔器件输出脉冲信号，其周期和转速成反比。脉冲信号的周期与电机的转速有以下关系：

n=

60PT

(2-1)

式中：n为电机转速；P为电机转一圈的脉冲数；T为输出方波信号周期。根据式(2-1)即可计算出直流电机的转速。

霍尔器件是由半导体材料制成的一种薄片，在垂直于平面方向上施加外磁场B，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。霍尔开关传感器由于其体积小，无触点，动态特性好，使用寿命长等特点，故在测量转动物体旋转速度领域得到了广泛应用。

2.3 单片机STC12C5A60S2

单片机(Single-Chip-Microcomputer)又称为单片微控制器，其基本结构是将微型计算机的基本功能部件：中央处理器（CPU）、存储器、输入口、输出口、定时器/计数器、中断系统等全部集中在一个半导体芯片上。

单片机结构上的设计，在硬件、指令系统及I/O能力等方面都有独到之处，具有较强而有效的控制功能。虽然单片机只是一个芯片，但无论从组成还是从其逻辑功能上来看，都具有微机系统的含义。另一方面，单片机毕竟是一个芯片，只有外加所需的输入、输出设备，才可以构成实用的单片机应用系统[11]。

2.3.1 STC12C5A60S2芯片

STC12C5A60S2是一种带60K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM—Falsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。其引脚图如图2-11所示。

图2-11 STC12C5A60S2引脚图

2.3.2 定时器

STC12C5A60S2单片机内部有两个16位可编程定时器/计数器，记为T0和T1。它的工作方式可以通过指令对相应的特殊功能寄存器编程来设定，或作定时器用，或作外部事件

计时器用。定时器/计数器在硬件上由双字节加法计数器TH和TL组成。作定时器使用时，计数脉冲由单片机内部振荡器提供，计数频率为fOSC/12,每个机器周期加1。

STC12C5A60S2单片机定时器/计数器的工作方式由特殊功能寄存器TMOD编程决定，定时器/计数器的启动运行由特殊功能寄存器TCON编程控制。不论用作定时器还是计数器，每当产生溢出时，都会向CPU发出中断请求。单片机的定时器的工作原理是利用了寄存器的溢出来触发中断的,所以在写定时器的时候就要去算计数的增量,再根据单片机的晶振的频率就可以算出确定的时间了。定时器主要用到了2个寄存器,一个为TCON,另一个为TMOD。TCON是用来控制定时器的启动与停止的。TMOD是用来设置定时器的模式的。