基于霍尔传感器的转速测量系统的设计

第 37 卷 第 3 期 Vol. 37 No. 3

河 南 科 技 学 院 学 报

Journal of Henan Institute of Science and Technology

2009 年 9 月 Sep. 2009

基于霍尔传感器的转速测量系统的设计

李金波，刘明黎

（河南工业职业技术学院，河南 南阳 473009）

摘 要：对转速测量和控制原理进行了分析 ，利用霍尔传感器工作频带宽 、响应速度快 、测量精度高的特性 ，结

合单片机控制电路，设计出了一种新型的转速测量系统. 实现了对脉冲信号的精确、快速测量，硬件成本低，算 法简单，稳定性好.

关键词：霍尔传感器；单片机；转速；测量 中图分类号：TP271

文献标识码：A

文章编号：1673-6060 （2009）03-0054-03

Hall Sensor Based onThe Speed Measurement System

Li JinBo，Liu MingLi

（Henan Poly- technical Institute，Nanyang 473009,China）

Abstract: Analyzed the principle of speed measurement and control,use the Hall sensor which has a wide

frequency band, fast response and high -precision,combineding with the SCM control circuit, a new speed measurement system was designed. It can measure a pulse signal precisely and rapidly. It also has a low -cost hardware, simple algorithm and good stability.

转速测量技术的应用非常广泛. 随着科学技术的发展，新的测量转速的方法不断产生，特别是单片

机的应用，使得转速的测量更精确、更快速. 我们将单片机和霍尔传感器结合起来，实现了对高转速的

1 转速测量及控制的基本原理

1.1 转速测量原理

精确、快速、简便的测量.

Key words: Hall sensor；SCM；Speed；Measurement

根据霍尔效应原理，测量转速时，在非磁性的转盘上粘上一块磁钢，把霍尔传感器的感应面对准磁

钢的磁极，并将其固定在机架上. 机器轴旋转时，固定在转盘上的磁钢随之旋转，当磁钢转到传感器的 位置时，霍尔传感器便输出一个脉冲信号，经施密特触发器整型，送到单片机的外部中断 INT0 引脚. 转

轴每转一圈霍尔传感器输出一个脉冲信号，相邻两个脉冲之间的时间间隔为转轴转一圈的时间，由此 可计算出转轴的转速.

1.2 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 AT89C2051 片内的 D/A 转换器的

［1］

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）. 比例调节器的输出系统式为

：

（1）

y ? K p e(t)

式（1）中：y 为调节器的输出；

e（t）为调节器的输人，一般为偏差值； Kp 为比例系数.

收稿日期：2009-04-12

作者简介：李金波（1957－），男，河南南阳人，副教授，主要从事应用电子技术研究.

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李金波等： 基于霍尔传感器的转速测量系统的设计

第 3 期

从式（1）可以看出，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 系统的硬件设计

该测量系统的结构如图 1 所示. 主要由单片机、霍尔传感器、施密特触发器和显示器等组成.

图 1 测量系统的结构

单片机采用 AT89C2051 芯片，其功能与 MCS-51 兼容，特点如下：20 引脚封装，无 P0 和 P2 口，内 部有 2KEPROM，对不需扩展程序存储器的系统特别适用. 具有体积小，安装方便，价格便宜等优点. 控 制器 AT89C2051 主要完成转速脉冲的采集、16 位定时计数器计数定时、运算比较、转速控制以及数码 显示等多项功能.

2

［2］

霍尔传感器是把霍尔元件、温度补偿电路、放大器及稳压电源等集成在一个芯片上，然后封装起来 构成的. 由于霍尔传感器测量方式属于补偿式测量，所以具有良好的精确度（±1%）和线性度（≤0.1%× 额定电流）. 霍尔传感器分为线性和开关型两种，线性霍尔传感器主要用于位移、压力、电功率等测量， 开关型霍尔传感器主要用于转速、转角、液位等测量.

使用的霍尔传感器为开关型的，其输出波形如图 2 所示

［3］

.

3 系统的软件设计

测量转速的关键是快速准确地测量转轴每旋转一圈的时间. 转轴旋转时，霍尔传感器输出的信号 经施密特触发器 74LS14 整形后其波形如图 3 所示.

图 2 开关型霍尔传感器的输出波形 图 3 经施密特触发器整形后的波形

此信号送到单片机的 INT0 引脚，设置外部中断 0 为边沿触发方式，在脉冲信号的下降沿向 CPU 发 出中断请求. 同时利用单片机的定时器 T0 进行定时，测量两次中断之间的时间. 为了测量的方便设置一 个测量标志 flag，初始化 flag 为 0. 第一次外部中断产生，将 flag 置 1，同时启动定时器开始定时，在紧接 着的下次中断时关闭定时器，将 flag 清零. 这样在 flag=1 时，定时器计时，测量转轴转一圈的时间，在 flag=0 时，定时器停止计时，计算转速，如此重复进行测量，即可测得转轴的即时转速. 定时器 T0 中断服 55

2009 年 河南科技学院学报

务程序和外部中断服务程序流程图如图 4 所示.

为了比较精确的测量转轴转一圈的时间，设置 定时器 T0 工作在方式 2，允许中断，计数初值为 0， 当计数溢出时自动装入计数初值，以减小在其他工 作方式下， 由程序装入计数初值引起的测量误差. 因方式 2 定时器的计数器仅为 8 位计数器， 另设 置一个 16 位的计数器 i， 每次定时器计数溢出时 将其加 1. 单片机的时钟频率为 6 MHz， 一个机器 周期 T 的时间为 2 μS, 该测量装置的最大计时时 间为 224 ×T≈33.55 S，测量的最低转速为 2 转/min. 测量误差小于 0.5％的情况下， 测量的最高转速可 达每分钟十五万转（计数值为 200，计时误差为 1 个机器周期）. 增大时钟频率，可以提高测量的最大 转速和测量精度：

（a） 定时器 T0 中断服务程序. （b） 外部中断服务程序

图 4 程序流程

60×10

转速=

6

（i×256+TH0）×T

定时器 T0 初始化 式（2）中：i-定时器溢出次数，TH0-关闭定时器时定时器的 计数值， T-单片机的机器周期，主程序流程如图 5 所示.

中断初始化

4 存在问题与解决方法

这种测量转速的方法无论是在电路上还是在算法上都比 较简单，但其不足之处是在转速比较高时测量误差增大，此问

0→flag

0→i

题可以通过软件的方法解决.

解决该问题的基本思路是：当转速大于某一值时，测量转 轴旋转 n 转的时间，这样误差可以减小到原来的 1/n. 霍尔器件 输出的脉冲信号，其频率和转速成正比. 脉冲信号的周期与电 机的转速有以下关系

［4］

显示转速 图 5 主程序流程

：

n=

60

（3）

式（3）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（3）即可计算出 直流电机的转速.

5 结束语

本系统采用霍尔传感器来采集脉冲信号，硬件电路具有制作简单、成本低的特点，软件设计程序简 单，整个系统稳定性好、测速精度高，能较好地满足工业生产中对转速测量的要求. 参考文献：

（责任编辑：刘明） ［1］ 肖 衡，陈春俊，梁 健.单片机在直流电机转速测量及控制中的应用［J］.计量与测试技术.2005,（4）：33. ［2］ 秦祖荫.霍尔电流传感器的性能及其使用［J］.电力电子技术，1994,（4）：63-65. ［3］ 吴腾奇.霍尔传感器及其应用［J］.传感器世界，1997,（1）：28-34.

［4］ 田汉波，赵英俊.一种基于线性霍尔传感器的直流电机转速测量方法［J］.机械与电子，2007，（1）：31-33.

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