常熟理工学院课程设计报告
⑦安装位置：无方向要求。
⑧高防护级别，不受外部严酷电子、电气环境影响。 ⑨温度使用范围宽：-40度-+120度。 2、采用霍尔效应测量转速的原理
测量元件由霍尔元件和永磁体构成。当铁磁材质的齿轮（或凹槽）依次经过霍尔元件表面时，霍尔电压产生变化，产生电压差，从而提供了一个测量脉冲信号。这个信号的频率与转速成正比。内置的电路还有电源处理和抗干扰功能，基本消除了外界因素（如：震动，电机磁场，外界杂散电磁场等）的干扰。此特点与电磁感应式传感器相比，有很大的优势。
同时，输出信号强度与转速无关，始终保持最佳状态，弥补了电磁感应式传感器在低速下的缺点，大大扩展了测量范围，可以测量出非常低的转速（甚至静止的物体）。由于非常强的抗干扰能力，即使最低频率小于0.2Hz，此传感器仍然可以测量出来。 3、技术参数
频率范围 0.2Hz – 20,000Hz 测量原理 霍尔原理
探测距离（间隙） 0.2～3.5mm, 根据扫描物体的形状确定。
扫描物体 铁磁体，齿轮模数m＞1；孔，直径d＞3mm；突起或沟槽，宽度w＞3mm 电源电压
电压 直流10～32V，标称值：直流24V 反向电压保护 内含 过电压 60V不超过2ms 电压降 下降100%大于10ms
无负荷时功率消耗 约 15mA（24 VDC）﹢启动电流 信号输出
类型 标准脉冲方波 输出周波 推挽式输出 输出阻抗 130欧姆
输出电平 与输入电源电压有关 输出电流 NPN：50 mA；PNP：20 mA 最大输入电压 36V
11
常熟理工学院课程设计报告
上升时间 ≥10V/us
推荐电缆长度 1,000m/1kHz@0.5mm2,屏蔽线 安装环境
振动等级 4g@25～100Hz，振幅：1.6mm@2～25Hz 抗震性 300m/s2@18ms 工作温度 -25℃ - +120℃ 壳体温度 -45℃ - +85℃ 相对湿度 96% 防护等级 IP59
安装方式 螺纹安装，M1831.5 安装方向 无方向性 电气绝缘等级 ＞60V 材料 壳体：黄铜。
重量 约100～200g（根据长度和连接方式）
2.4 霍尔传感器测速的基本原理
随着单片机的不断推陈出新，特别是高性价比的单片机的涌现，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。本文介绍了一种由单片机C8051F060作为主控制器，使用霍尔传感器进行测量的直流电机转速测量系统。转速测量及控制的基本原理
2.4.1转速测量原理
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M法(测频法)。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电机转轴上的转盘边沿，转盘随测轴旋转，磁钢也将跟着同步旋转，在转盘下方安装一个霍尔器件，转盘随轴旋转时，受磁钢所产生的磁场的影响，霍尔器件输出脉冲信号，其频率和转速成正比。
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
12
常熟理工学院课程设计报告
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2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。在这里选用美国史普拉格公司(SPRAGUE)生产的3000系列霍尔开关传感器3013，它是一种硅单片集成电路，器件的内部含有稳压电路、霍尔电势发生器、放大器、史密特触发器和集电极开路输出电路，具有工作电压范围宽、可靠性高、外电路简单<输出电平可与各种数字电路兼容等特点。 2.4.2 转速控制原理
直流电机的转速与施加于电机两端的电压大小有关，可以采用C8051F060片内的D／A转换器DAC0的输出控制直流电机的电压从而控制电机的转速。在这里采用简单的比例调节器算法(简单的加一、减一法)。
调节器的输出Y与输入偏差值e(t)成正比。因此，只要偏差e(t)一出现就产生与之成比例的调节作用，具有调节及时的特点，这是一种最基本的调节规律。比例调节作用的大小除了与偏差e(t)有关外，主要取决于比例系数Kp，比例调节系数愈大，调节作用越强，动态特性也越大。反之，比例系数越小，调节作用越弱。对于大多数的惯性环节，Kp太大时将会引起自激振荡。比例调节的主要缺点是存在静差，对于扰动的惯性环节，Kp太大时将会引起自激振荡。对于扰动较大，惯性也比较大的系统，若采用单纯的比例调节器就难于兼顾动态和静态特性，需采用调节规律比较复杂的PI(比例积分调节器)或PID(比例、积分、微分调节器)算法。 2.4.3硬件设计
本系统采用单片机C8051F060作为主控制器，使用霍尔传感器测量电机的转速，通过7079最终在LED上显示测试结果。此外，还可以根据需要调整控制电机的转速，硬件组成由图1所示。
图2.1 测速系统硬件组成框图
控制器C8051F060主要完成转速脉冲的采集、16为定时计数器计数定时、运算比较，片内集成的12位DAC0控制转速，并且通过7279显示接口芯片实现数码显示等多项功能。
系统采用外部晶振，系统时钟SYSCLK等于18432000，T0定时1 ms，初始化时
13
常熟理工学院课程设计报告
TH0=(-SYSCLK／1 000)》8；TL0=-SYSCLK／1 000。等待1 s到，输出转速脉冲个数N，计算电机转速值。将1 s内的转速值换算成1 min内的电机转速值，并在LED上输出测量结果。
2.4.4软件设计
本系统采用C8051F060中的INT0中断对转速脉冲计数。定时器T1工作于外部事件计数方式对转速脉冲计数；T0工作于定时器方式均工作于方式1。每到1 s读一次计数值，此值即为脉冲信号的频率，根据式(1)可计算出电机的转速。由于直流电机的转速与施加工于电机两端的电压大小有关，故将实际测得的转速值与预设的转速值比较，若大于预设的转速值则减小DAC0的数值，若小于转速预设的转速值则增加DAC0的值调整电机的转速，直到转速值等于预设定的值，这样就实现了对电机转速的控制，主程序和T0中断流程图如图所示：
图2.2 主程序流程图
14
常熟理工学院课程设计报告
图2.3 中断程序流程图
首先在软件中给出转速预设值，即给定常量speed的值，观察速度稳定后七段数码管的数值，比较实际测量的转速值和预设转速值，计算测量误差，评价测量的准确性，测试结果如表1所示。根据实验测试和误差分析绘制了测量误差曲线，如图4所示。误差分析表明，转速测量误差在5％以内，并且随着转速预设值的增加测量误差愈小，呈指数形式下降。
图2.4 转速测试结果与测量误差曲线
本测速系统采用集成霍尔传感器敏感速率信号，具有频率响应快、抗干扰能力强等特点。霍尔传感器的输出信号经信号调理后，通过单片机对连续脉冲记数来实现转速测控，并且充分利用了单片机的内部资源，有很高的性价比。经过测试并对误差进行分析发现，该系统的测量误差在5％以内，并且在测量范围内转速越高测量精度越高。所以该系统在一般的转速检测和控制中均可应用。本系统采用C8051F060中的INT0中断对转速脉冲计数。定时器T1工作于外部事件计数方式对转速脉冲计数；T0工作于定时器方式均工作于方式1。每到1s读一次计数值，此值即为脉冲信号的频率，根据式(1)可计算出电机的转速。由于直流电机的转速与施加工于电机两端的电压大小有关，故将实际测得的转速值与预设的转速值比较，若大于预设的转速值则减小DAC0的数值，若小于转速预设的转速值
15