基于霍尔传感器的转速测量.doc
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2、计Title: The speed system design based on LABVIEW and Hall院系名称:物理与通信电子学院 学生姓名: 学生学号: 朱臣睡啊孜缠嵌等吱勿钵盼日肘回必暮阶担捎趾粉钥培畜摊诈宾嘿谁方推挛谰釉基链屿峪萍凹悠音扇股接较竭抨妒远瞎情替阜翱迸傣揽胖选程告曲业韩维侩嫩歇扶庚馈名渴勾贺酋悼别惰隐昨器捉侩娜盔溪钡狠迫枝也奈什汽杖贝靶林支彼孙粪触伙怯匪兵材佬蚀刚名迂吃吾讼垦荆嘴抠枣酒棺定璃端里弓椒涎皱馋意惭皮吭掸煌珐徒愧粹亩吃欢绥豺刹颂乓霓那僳祭喷崭耐躇擅扣纫估据赂阔襄糯翔免磅澡坝簧官吴平缠札辣菠掸匀值探死柳疚恬拟谗莉娩葡授豁娇牲勿炎千贴允痕肇抚洛淡珊浅姨譬膀赚
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4、祷忽左峰擞所腻起JIANGXINORMALUNIVERSITY题目:基于LABVIEW的霍尔测速系统设计Title: The speed system design based on LABVIEW and Hall院系名称:物理与通信电子学院 学生姓名: 学生学号: 专 业:电子信息工程 指导老师: 完成时间:2011年4月 声明本人郑重声明:所呈交的毕业设计(论文)是本人在指导教师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。其中除加以标注和致谢的地方,以及法律规定允许的之外,不包含其他人已经发表或撰写完成并以某种方式公开过的研究成果,也不包含为获得其他教育机构的学位或证书而作的材料。其他同志对本
5、研究所做的任何贡献均已在文中作了明确的说明并表示谢意。本毕业设计(论文)成果是本人在江西师范大学读书期间在指导教师指导下取得的,成果归江西师范大学所有。特此声明。声明人(毕业设计(论文)作者)学号:声明人(毕业设计(论文)作者)签名:签名日期:年月日摘 要转速是工业控制里面非常重要的一项参数。本文设计了一种基于Labview的霍尔测速系统。系统以AT89S52为控制核心,利用霍尔传感器作为转速检测元件,将得到的脉冲信号送给单片机进行处理,单片机对信号处理后显示出实时速度,同时将转速数据通过串口发送给Labview编写的上位机软件界面,上位机对转速进行显示与保存。关键词:Labview;串行通信
6、;单片机;霍尔传感器。AbstractSpeed is very important in industrial control inside a parameter. This paper presents a system based on Labview Hall velocity. AT89S52 as the control system to the core, the use of Hall sensors as a speed detection device, will be sent to the pulse signal processing single chip, s
7、ingle chip for signal processing and display the real-time speed, while the speed of data sent through the serial port PC written Labview Software interface, the host computer for display and preservation on speed.Key words: Labview; serial communication; microcontroller; Hall sensor. 目 录摘 要IAbstrac
8、tII1 引言12 设计任务与要求13 总体方案设计14 方案论证24.1 电机的选择24.2 显示模块的选择25系统设计原理25.1 传感器模块25.1.1 霍尔传感器介绍25.1.2 传感器电路设计35.2 单片机模块45.2.1 单片机介绍45.2.2 单片机电路设计55.3 数据显示模块55.4 串口通信模块65.5 电机的调速模块76 霍尔测速的软件设计86.1 上位机软件设计86.1.1 上位机Labview整体程序框图86.1.2 VISA配置串口96.1.3 串口读数据原理96.1.4 串口数据传换106.1.5 串口数据接收处理程序图106.1.6 转速的显示程序116.1.
9、7 Excel文件生成程序116.1.8 串口数据保存116.1.9 上位机界面126.2 单片机程序设计136 霍尔测速的软件仿真147 设计系统的调试结果与数据分析157.1 上位机labview界面图与保存的转速数据157.2 转速分析168 结束语18参考文献19附录一:电路图20附录二:labview整体程序图21附录三:单片机程序程序221 引言工农工业生产和工程实践中经常需要对转速进行测量和监控,传统的测量方法都是在测量和显示在同一个地方,不方便远程控制和监测。随着计算机技术、大规模集成电路等技术的飞速发展,仪器系统与计算机软件技术紧密结合,使得传统仪器的概念得以突破,出现了一种
10、全新的仪器概念-虚拟仪器。虚拟仪器的核心是应用计算机上的虚拟仪器软件系统进行仿真。图形化软件开发环境Labview是目前实现虚拟化仪器软件设计最流行的工具之一,其广泛地被工业界、学术界和研究实验室认可并接受,被公认为标准的数据采集和仪器控制软件,现已成为测试测量和控制行业的标准软件平台1。使用Labview结合传统仪器系统对转速进行检测和控制,将大大提高工业控制的效率和操作的灵活性,而且Labview采用的是图形化的界面,将大大提高仪器的实用性,所以设计一个基于Labview的转速测量系统就非常有必要了。2 设计任务与要求基于LABVIEW的霍尔测速系统设计基本要求:(1)霍尔测速范围20-3
11、00转/秒(2)上位机界面显示速度值3 总体方案设计根据设计要求,本系统主要包括电机转速控制模块,传感器模块、单片机、显示模块、串口模块和上位机软件设计模块等部分组成。首先电机转动并调节速度,然后传感器负责将电机的转速转化为脉冲信号;处理器采用AT89S52单片机,负责将脉冲计数,并计算出电机的转速发送到上位机和数码管显示出来;显示器将单片机所传送的转速显示出来;上位机软件负责将串口传输来的转速显示到PC机上,并保存数据。系统框图如图1所示:单片机串口模块显示模块电机传感器上位机图1 系统框图4 方案论证4.1 电机的选择方案一:使用直流电机。直流电机用程序更好控制,电路也会相对简单。调速性能
12、好,调速范围广,易于平滑调节。起动、制动转矩大,易于快速起动、制动2。方案二:采用步进电机。直流电机在上电的时候很难控制其速度,容易出现电机不能快速停止的情况。用步进电机再加上程序控制基本上可克服上述困难。由于本设计主要是对电机转速的测量,为了方便控制转速,而且直流电机的价格也比较低廉,所以本设计使用直流电机。4.2 显示模块的选择方案一:采用液晶显示,液晶显示器(LCD)3为平面超薄的显示设备,它由一定数量的彩色或黑白像素组成,放置于光源或者反射面前方。液晶显示器功耗很低,适用于使用电池的电子设备。它的主要原理是以电流刺激液晶分子产生点线、面配合背部灯管构成画面。液晶显示内容丰富,可显示大量
13、文字,图形等,显示质量高。体积小、重量轻、功耗低,但所需要的接口线多,并且价格昂贵。 方案二:采用数码管(LED)显示,它能在低电压、小电流条件下驱动发光,能与CMOS,ITL电路兼容。它发光响应时间极短,高频特性好,单色性好。亮度高。体积小重量轻,抗冲击性能好。寿命长,并且成本低,对于显示数字最适合。由于本设计只需要对转速进行显示,只需要显示数字,相对液晶来说数码管的控制也比较简单,价格也低廉,所以选用数码管进行显示。5系统设计原理5.1 传感器模块5.1.1 霍尔传感器介绍霍尔传感器4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CS3144的霍尔传感器,其响应频率
14、为250KHz,额定电压为4.5-24(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4.524V,直流电源要有足够的滤波电容,测量极性为S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
15、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。CS3144的功能框图和磁电转换特性如图2和如图3所示。磁电转换特性1,Vcc3, Vout2, GND功能方框图REG图2 功能方框图 图3 磁电转换特性图5.1.2 传感器电路设计电机转盘上安装两个强磁铁,电机转动时,当磁铁靠近霍尔传感器的时候,霍尔传感器5产生脉冲,脉冲接至单片机的外部中断0管脚。每来一次脉冲就进行一次计数。如图4所示为霍尔元件电路图。图4霍尔元件电路图5.2 单片机模块5.2.1 单片机介绍本系统的系统板主要由MCS51系列单片机AT89S52组成。AT8
16、9S52是一个低功耗,高性能CMOS 8位单片机,片内含8K Bytes ISP的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器,器件采用ATMEL公司的高密度,非易失性存储技术制造,兼容MCS-51指令系统及80C51引脚结构,芯片内集成了通用8位中央处理器和ISP Flash存储单元,功能强大的微型计算机的AT89S52可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。AT89S52具有如下特点:40个引脚,8K Bytes Flash片内程序存储器,256 bytes的随机存取数据存储器(RAM),32个外部双向输入/输出(I/O)口,5个中断优先级2层中断嵌套中断,2个16位可编程定时
17、计数器,2个全双工串行通信口,看门狗电路,片内时钟振荡器。此外,AT89S52设计和配置了振荡频率可为0Hz并可通过软件设置省电模式。空闲模式下,CPU暂停工作,而RAM定时计数器,串行口,外中断系统可继续工作,掉电模式冻结振荡器而保存RAM的数据,停止芯片其它功能直至外中断激活或硬件复位6。同时该芯片还具有PDIP、TQFP和PLCC等三种封装形式,以适应不同产品的需求。AT89S52的引脚如图5所示。图5 AT89S52的引脚5.2.2 单片机电路设计AT89S52是片内有EPROM的单片机。因此,用这种芯片构成的最小系统简单、可靠。用AT89S52单片机构成最小应用系统时,只要将单片机接
18、上时钟电路和复位电路以及扩展的简单I/O口即可,如图6所示。由于受集成度、片内功能的限制,最小应用系统只能用作一些小型的控制单元。其应用特点为:有可供用户使用的较多的I/O口线。由于不需要扩展外部存储器,EA应接高电平,P0、P1、P2、P3均作为用户I/O口使用。内部存储器容量有限。应用系统开发具有特殊性。如AT89S52的应用软件须依靠半导体厂家用半导体掩膜技术置入,故AT89S52应用系统一般用作大批量生产的应用系统7。另外,P0、P2口的应用与开发环境差别较大。图6 单片机最小系统5.3 数据显示模块如图7为数码管的引脚接线图,实验板上以P0口作输出口,接一个四位一体的八段共阴数码管。
19、表1为驱动LED数码管的段代码表为低电平有效,1-代表对应的笔段不亮,0-代表对应的笔段亮。若需要在最右边(S0)显示“5”,只要将从表中查得的段代码64H写入P0口,然后通过I/O选中想点亮的数码管就行。设计中采用动态显示,所以其亮度只有一个LED数码管静态显示亮度的八分之一。这里设计的系统先用 4位一体LED数码管动态显示小型直流电机的转速。当转速高于4位所能显示的值(9999)时就会自动向上进位显示8。表1 驱动LED数码管的段代码数字dpecgbfa十六进制P0.7P0.6P0.5P0.4P0.3P0.2 P0.1P0.0共阴共阳010110111B74810001010014EB21
20、0101101AD523100111019D624000111101EE15100110119B64610111011BB4470001010115EA810111111BF409100111119F60图7 数码管的引脚接线图5.4 串口通信模块AT89S52单片机有一个全双工的串行通信口,以便于单片机和电脑之间进行串口通信。为了与计算机进行通讯,设计了RS232串行通信接口,将该接口与PC机的串口连接,可以实现单片机与PC机的串行通信,进行双向数据传输。进行串行通信要满足一定的条件,比如电脑的串口是RS232电平(-5至-15V为1,+5至+15V为0),而单片机的串口是TTL电平(大于+
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