1、淮安信息职业技术学院毕业设计 毕业论文 题目 基于 avr单片机测转速测量系统设计 学生姓名 李慧芳 学 号 71081010 系 部 通信系 专 业 电子信息工程 班 级 710810 指导教师 沙祥 二一年十月 基于 avr 测转速 2 摘 要： 转速是发动机重要的工作参数之一 ,也是其它参数计算的重要依据。 转速测量控制普遍采用了以单片机为核心的数字化、智能化的系统。 针对 现在日常生活中 常见的发动机设计了以单片机ATMage16 为控制核心的转速测量系统。系 统利用霍尔传感器作为转速检测元件，并利用设计的调理电路对霍尔转速传感器输出的信号进行滤波和整形 ,将得到的标准方波信号送给单片
2、机进行处理。实际测试表明 ,该系统能满足发动机转速测量要求。 关键词： 转速测量， 霍尔传感器， 信号处理，数据处理 淮安信息职业技术学院毕业设计论文 3 Abstract The rotate speed is one of the important parameters for the engine, and it is also the important factor that calculates other parameters. The rotate speed measurement system for the common engine is designed with
3、the single chip ATMage16. The signal of the rotate speed is sampled by the Hall sensor, and it is transformed into square wave which will be sent to single chip computer. The result of the experiment shows that the measurement system is able to satisfy the requirement of the engine rotate speed meas
4、urement. Key words: rotate speed measurement, Hall sensor, signal processing, data processing 基于 avr 测转速 4 目 录 ABSTRACT . 3 第一章 前言 . 5 第二章 系统概述 . 6 2.1 系统组成 . 6 2.2 处理方法 . 7 2.3 系统工作原理 . 7 2.3.1 霍尔传感器 . 8 2.3.2 转速测量原理 . 8 第三章 系统硬件电路设计 . 10 3.1 单片机主控电路设计 . 10 3.3 定时器 /计数电路 . 14 3.4 数据显示电路设计 . 16 3.4.
5、1 1602 液晶显 示结构和显示原理 . 16 3.5 稳压电源设计 . 18 第四章 系统软件设计 . 21 第五章 制作调试 . 23 5.1 硬件调试 . 23 5.2 软件调试 . 23 第六章 测试结果分析 . 24 结 论 . 25 致谢 . 26 参 考 文 献 . 27 淮安信息职业技术学院毕业设计论文 5 第一章 前言 在工业 生产和日常生活 中，经常会遇到 各种需要测量转速的场合，例如在发动机、电动机、卷扬机、机床主轴等旋转设备的试验、运转和控制中，常需要测量和显示其转速。 要测速，首先要解决的是采样问题。 测量转速的方法分为模拟式和数字式两种。模拟式采用测速发电机为检测
6、元件，得到的信号是模拟量。早期直流电动机的控制均以模拟电路为基础，采用运算放大器，非线性集成电路以及少量的数字电路组成，控制系统的硬件部分非常复杂，功能单一，而且系统非常不灵活、调试困难。数字式通常采用光电编码器、圆光栅、霍尔元件等为检测元件，得到的信号是脉冲信号。随着微型计算机的广泛应用，单片机 技术的日新月异，特别是高性能价格比的单片机的出现，转速测量普遍采用以单片机为核心的数字式测量方法，使得许多控制功能及算法可以采用软件技术来完成，智能化微电脑代替了一般机械式或模拟式结构，并使系统能达到更高的性能。采用单片机构成控制系统，可以节约人力资源和降低系统成本，从而有效的提高工作效率。 直流电
7、动机具有良好的起动、制动性能，宜于在大范围内平滑调速。 测速电机的电压高低反映了转速的高低， 在许多需要调速或快速正反向电力拖动领域中得到了广泛的应用。 从控制的角度来看，直流调速还是交流拖动系统的基础。 本文介绍一种用 ATMage16 单片机测量小型电动机转速的方法。系统以单片机ATMage16 为控制核心，用 NJK-8002D 霍尔集成传感器作为测量小型直流电机转速的检测元件，经过单片机数据处理，用 8位 LED 数码管动态显示小型直流电机的转速。 基于 avr 测转速 6 第二章 系统概述 2.1 系统组成 系统由传感器、处理器、显示器和系统软件等部分组成。传感器部分采用霍尔传感器，
8、负责将转速转化为脉冲信号。 处理器采用 ATMage16 单片机，显示器采用 1602 字符点阵液晶显示模块。系统原理框图如图 2.1 所示： 图 2.1 转速测量系统原理框图 系统软件主要包括测量初始化模块、显示模块、定时器计数模块。系统软件框图如图 2.2 所示。 图 2.2 系统软件框图 霍尔传感器 单片机 信号 1602 液晶显示 初始化模块 定时器计数模块 显示模块 淮安信息职业技术学院毕业设计论文 7 2.2 处理方法 系统的设计以 ATMage16 单片机为核心，利用它内部的定时 /计数器完成待测信号频率的测量。 测速实际上就是测频，通常可以用计数法、测脉宽法和等精度法来进行测试
9、。所谓计数法，就是给定一个闸门时间，在闸门时间内计数输入的脉冲个数；测脉宽法是利用待测信号的脉宽来控制计数门，对一个高精度的高频计数信号进行计数。由于闸门与被测信 号不能同步，因此，这两种方法都存在1误差的问题，第一种方法适用于信号频率高时使用，第二种方法则在信号频率低时使用。等精度法则对高、低频信号都有很好的适应性。此系统采用计数法测速。 单片机 ATMage16 内部具有 2 个 8 位定时 /计数器 ,定时 /计数器的工作可以由编程来实现定时、计数和产生计数溢出中断要求的功能。在构成为定时器时 ,每个机器周期加 1(使用 12MHz 时钟时 ,每 1us 加 1),这样以机器周期为基准可
10、以用来测量时间间隔。在构成为计数器时 ,在相应的外部引脚发生从 1 到 0 的跳变时计数器加 1,这样在计数闸门的控制下可以用来测量待测信号的频率。外部输入每个机器周期被采样一次 ,这样检测一次从 1到 0 的跳变至少需要 2 个机器周期 (24 个振荡周期 ),所以最大计数速率为时钟频率的 1/24(使用 12MHz时钟时 ,最大计数速率为 500KHz)。定时 /计数器的工作由相应的运行控制位 TR 控制 ,当 TR 置 1时 ,定时 /计数器开始计数，当 TR清 0 时 ,停止计数。 2.3 系统工作 原理 转速是工程上一个常用的参数，旋转体的转速常以每分钟的转数来表示。其单位为 r m
11、in。由霍尔元件及外围器件组成的测速电路将电动机转速 转换成脉冲信号，送至单片机 ATMage16 的计数器 T0进行计数，用 T1 定时测出电动机的实际转速。此系统使用单片机进行测速，采用脉冲计数法，使用霍尔传感器获得脉冲信号。其机械结构也可以做得较为简单，只要在转轴的圆盘上粘上两粒磁钢，让霍尔传感器靠近磁钢，机轴每转一周，产生两个脉冲，机轴旋转时，就会产生连续的脉冲信号输出。由霍尔器件电路部分输出，成为转速计数器的计数脉冲。控制计数时间，即可实现计数器的计数值对应机轴的转速值。单片机 CPU 将该数基于 avr 测转速 8 据处理后，通过 LED 显示出来。 2.3.1 霍尔传感器 霍尔传
12、感器是 对磁敏感的传感元件，由磁钢、霍耳元件等组成。测量系统的转速传感器选用 SiKO 的 NJK-8002D 的霍尔传感器，其响应频率为 100KHz，额定电压为 5-30（ V）、检测距离为 10（ mm）。其在大电流磁场或磁钢磁场的作用下，能测量高频、工频、直流等各种波形电流。该传感器具有测量精度高、电压范围宽、功耗小、输出功率大等优点，广泛应用在高速计数、测频率、测转速等领域。输出电压 4 25V，直流电源要有足够的滤波电容，测量极性为 N 极。安装时将一非磁性圆盘固定在电动机的转轴上，将磁钢粘贴在圆盘边缘，磁钢采用永久磁铁 ，其磁力较强，霍尔元件固定在距圆盘 1-10mm 处。当磁钢
13、与霍尔元件相对位置发生变化时，通过霍尔元件感磁面的磁场强度就会发生变化。圆盘转动，磁钢靠近霍尔元件，穿过霍尔元件的磁场较强，霍尔元件输出低电平；当磁场减弱时，输出高电平，从而使得在圆盘转动过程中，霍尔元件输出连续脉冲信号。 这种传感器不怕灰尘、油污，在工业现场应用广泛。 2.3.2 转速测量原理 霍尔器件是由半导体材料制成的一种薄片，器件的长、宽、高分别为 l、。若在垂直于薄片平面（沿厚度 ）方向施加外磁场，在沿方向的两个端面加一外电场，则 有一定的电流流过。由于电子在磁场中运动，所以将受到一个洛仑磁力，其大小为： qVBf 式中： f 洛仑磁力， 载流子电荷， 载流子运动速度， 磁感应强度。
14、 这样使电子的运动轨迹发生偏移，在霍尔元器件薄片的两个侧面分别产生电子积聚或电荷过剩，形成霍尔电场，霍尔元器件两个侧面间的电位差 HU 称为霍尔电压。 霍尔电压大小为： HU HR dBI / (mV) 式中： HR 霍尔常数， 元件厚度， 磁感应强度， 控制电流 设 HK HR d/ , 则 HU = HK dBI / (mV) HK 为霍尔 器件的灵敏系数 (mV/mA/T)，它表示该霍尔元件在单位磁感应强度和单位控制电流下输出霍尔电动势的大小。应注意，当电磁感应强度反向淮安信息职业技术学院毕业设计论文 9 时，霍尔电动势也反向。图 2.3 为霍耳元件的原理结构图。 若控制电流保持不变，则
15、霍尔感应电压将随外界磁场强度而变化，根据这一原理，可以将两块永久磁钢固定在电动机转轴上转盘的边沿，转盘随被测轴旋转，磁钢也将跟着同步旋转，在转盘附近安装一个霍尔元件，转盘随轴旋转时，霍尔元件受到磁钢所产生的磁场影响，输出脉冲信号。 传感器内置电路对该信号进行放大、整形，输出良好的矩形脉冲信号，测量频率范 围更宽，输出信号更精确稳定，已在工业，汽车，航空等测速领域中得到广泛的应用。 其频率和转速成正比，测出脉冲的周期或频率即可计算出转速。 图 2.3 霍耳元件的原理结构图 图 2.4 霍尔元器件 基于 avr 测转速 10 第三章 系统硬件电路设计 3.1 单片机主控电路设计 系统 选用 ATM
16、age16 作为转速信号的处理核心。 ATMage16 包含 32 个 8 位通用工作寄存器 、 两个具有独立预分频器和比较器功能的 8 位定时器 /计数器 、一个具有预分频器、比较功能和捕捉功能的 16 位定时器 /计数器 、 并 具有独立振荡器的实时计数器 RTC、 四通道 PWM 32 个 和 可编程的 I/O 口 。 它的最大特点是低功耗和高速度，其掉电方式、闲置方式至工作方式下的耗电约为 1 A2.5 A。 ATmega16 成为一个功能强大的单片机，为许多嵌入式控制应用提供了灵活而低成本的解决方案。 ATmega16 具有一整套的编程与系统开发工具，包括：C 语言 编译器、宏汇编、 程序调试器 / 软件仿真器、仿真器及评估板。 ATMage16 单片机是在一块芯片中集成了 CPU、定时器 /计数器、多功能 I/O口、 A D转换器、 EEPROM、模拟比较器、 PWM 定时计数器等多种功 能部件 。其基本结构框图如图 3.1，包括： 32 个 8 位通用工作寄存器 4个 8位并行 I/O 口 两个 8位定时器 /计数器； 一个内部时钟电路； 一条 8位数据总线 2 个时钟周期的硬件乘法器 1 个状态控制器 1 个看门狗定时器
