霍爾傳感器測速系-硬件

1、自行車測速系統(tǒng)設計 摘要隨著居民生活水平的不斷提高，自行車不再僅僅是普通的運輸、代步的工具，而是成為人們娛樂、休閑、鍛煉的首選。自行車的速度里程表能夠滿足人們最基本的需求，讓人們能清楚地知道當前的速度、里程等物理量。本論文主要闡述一種基于霍爾元件的自行車的速度里程表的設計。以 STC89C52 單片機為核心，A44E霍爾傳感器測轉數，實現對自行車里程/速度的測量統(tǒng)計，單片機片內EEPROM實現在系統(tǒng)掉電的時候保存里程信息，并能將自行車的里程數及速度用1CD1602實時顯示。文章詳細介紹了自行車的速度里程表的硬件電路和軟件設計。硬件部分利用霍爾元件將自行車每轉一圈的脈沖數傳入單片機系統(tǒng)，然后單片

2、機系統(tǒng)將信號經過處理送顯示。軟件部分用C語言進行編程，采用模塊化設計思想。該系統(tǒng)硬件電路穩(wěn)定性高，操作方便，完全符合設計要求。關鍵詞：里程/速度；霍爾元件；單片機；LCD1602引言自行車被發(fā)明及使用到現在已有兩百多年的歷史，這兩百年間人類在不斷的嘗試與研發(fā)過程中，將玩具式的木馬車轉換到今日各式新穎休閑運動自行車，自行車發(fā)展的目的也從最早的交通代步的工具轉換成休閑娛樂運動的用途。隨著居民生活水平的不斷提高，自行車不再僅僅是普通的運輸、代步的工具，而是成為人們娛樂、休閑、鍛煉的首選。因此，人們希望自行車的功用更強大，能給人們帶來更多的方便。自行車里程速度表作為自行車的一大輔助工具也正是隨著這個要

3、求而迅速發(fā)展的，其功能也逐漸從單一的里程顯示發(fā)展到速度、時間顯示，甚至有的還具有測量騎車人的心跳、顯示騎車人熱量消耗等功能。本設計采用了STC89C52單片機設計一種體積小、操作簡單的便攜式自行車的速度里程表，它能自動地顯示當前自行車行走的距離及運行的速度。 1 緒 論1.1 設計內容本課題主要任務是利用霍爾元件、單片機等部件設計一個可用LCD1602實時顯示里程和速度的自行車的速度里程表。本文主要介紹了自行車的速度里程表的設計思想、電路原理、方案論證以及元件的選擇等內容，整體上分為硬件部分設計和軟件部分設計。本文首先扼要對該課題的任務進行方案論證，包括硬件方案和軟件方案的設計；繼而具體介紹了

4、自行車的速度里程表的硬件設計，包括傳感器的選擇、單片機的選擇、顯示電路的設計；然后闡述了該自行車的速度里程表的軟件設計，包括數據處理子程序的設計、顯示子程序的設計；最后針對仿真過程遇到的問題進行了具體說明與分析，對本次設計進行了系統(tǒng)的總結。 具體的硬件電路包括STC89C52單片機的外圍電路以及LCD顯示電路等。軟件設計包括：芯片的初始化程序、定時中斷采樣子程序、顯示子程序等，軟件采用C語言編寫，軟件設計的思想主要是自頂向下，模塊化設計，各個子模塊逐一設計。 1.2 任務分析與實現本設計的任務是：以通用STC89C52單片機為處理核心，用傳感器將車輪的轉數轉換為電脈沖，進行處理后送入單片機。里

5、程及速度的測量，是經過單片機的定時/計數器測出總的脈沖數和每轉一圈的時間，再經過單片機的計算得出，其結果通過LCD顯示器顯示出來。本系統(tǒng)總體思路如下：假定輪圈的周長為L，在輪圈上安裝m個永久磁鐵，則測得的里程值最大誤差為L/m。經綜合分析，本設計中取m=1。當輪子每轉一圈，通過開關型霍爾元件傳感器采集到一個脈沖信號，并從引腳P3.2中斷0端輸入，傳感器每獲取一個脈沖信號即對系統(tǒng)提供一次計數中斷。每次中斷代表車輪轉動一圈，中斷數n輪圈的周長為L的乘積為里程值。計數器T1計算每轉一圈所用的時間t，就可以計算出即時速度v。經過單片機的處理將當前速度與里程顯示出來。要求達到的各項指標及實現方法如下：1

6、. 利用霍爾傳感器產生里程數的脈沖信號。2. 對脈沖信號進行計數。實現：利用單片機自帶的計數器對霍爾傳感器脈沖信號進行計數。3. 對數據進行處理，要求用LCD顯示里程總數和即時速度。實現：利用軟件編程，對數據進行處理得到需要的數值。最終實現目標：自行車的速度里程表具有里程、速度測試與顯示功能，采用單片機作控制，顯示電路可顯示里程及速度。1.2 方案分析論證1.2.1 霍爾測速模塊論證與選擇方案一：采用型號為A3144的霍爾片作為霍爾測速模塊的核心，該霍爾片體積小，安裝靈活，價格合理，可用于測速，可與普通的磁鋼片配合工作。 方案二：采用型號為CHV-20L的霍爾元器件作為霍爾測速模塊的核心,該霍

7、爾器件額定電流為100mA,輸出電壓為5V,電源為1215V。體積較大，價格昂貴。因此選擇方案一。1.2.2 單片機模塊論證與選擇方案一：采用型號為STC89C52的單片機作為主控制器，使用霍爾傳感器進行測量的直流電機轉速測量系統(tǒng)。STC89C52是帶8K字節(jié)閃爍可編程擦除只讀存儲器的低電壓、高性能CMOS8位微處理器,且內部集成EEPROM它將多功能8位CPU和閃爍存儲器組合在單個芯片中，為許多控制提供了靈活性高且價格低廉的方案。方案二：采用單片機C8051F060作為主控制器，使用霍爾傳感器進行測量的直流電機轉速測量系統(tǒng)。C8051F060系列單片機是美國CYGNAL公司推出的一種與51系

8、列單片機內核兼容的單片機4。C8051F060作為新一代8051單片機，具有功能強大、體積小、工作穩(wěn)定等特點，適用于復雜控制系統(tǒng)。因此選擇方案一。1.2.3 顯示模塊論證與選擇方案一：采用LED數碼管動態(tài)掃描,LED數碼管價格適中,亮度高，顯示數字合適,但是連接復雜，耗電流大，驅動電路復雜。方案二：采用點陣式數碼管顯示，點陣式數碼管是由八行八列的發(fā)光二極管組成，對于顯示簡單文字比較適合,如果顯示數字則浪費資源,而且價格也相對較高。方案三：采用LCD液晶顯示屏,液晶顯示屏的顯示功能強大,可顯示大量文字,圖形,顯示多樣,清晰可見,并且連接很方便 ,所以在此設計中采用了LCD液晶顯示屏。因此選擇方案

9、三。1.2.4 電源模塊論證與選擇方案一：采用交流220V/50Hz電源轉換為直流5V電源作為電源模塊。該方案實施簡單，電路搭建方便，可作為單片機開發(fā)常備電源使用。方案二：采用干電池串并聯達到5V作為電源模塊。該方案實施簡單，無需搭建電路，但相對該方案不夠穩(wěn)定，電池耗電快，帶負載后壓降過高，可能無法使系統(tǒng)穩(wěn)定持續(xù)運行。方案三：采用可充電鋰電池結合穩(wěn)壓模塊作為電源模塊。該方案簡單易行，而且相對穩(wěn)定、誤差小，但該方案相對價格過高，針對該設計要求性價比低。因此選擇方案二。2 基于霍爾傳感器的電機轉速測量系統(tǒng)硬件設計2.1 電機轉速測量系統(tǒng)的硬件電路設計2.1.1 總體硬件設計使用單片機測量電機轉速的

10、基本結構如圖2-1所示。該系統(tǒng)包括霍爾傳感器、隔離整形電路、主CPU、顯示電路、報警電路及電源等部分。圖2-1 系統(tǒng)總體結構圖其測量過程是測量轉速的霍爾傳感器和電機機軸同軸連接，機軸每轉一周，產生一定量的脈沖個數，由霍爾器件電路輸出。經過電耦合器后，即經過隔離整形電路后，成為轉數計數器的計數脈沖。同時霍爾傳感器電路輸出幅度為12V的脈沖經光電耦合后降為5V，保持同單片機STC89C52邏輯電平相一致，控制計數時間，即可實現計數器的計數值對應機軸的轉速值。主CPU將該值數據處理后，在LCD液晶顯示器上顯示出來。一旦超速，CPU通過喇叭和轉燈發(fā)出聲、光報警信號。1.傳感器部分主要分為兩個部分。第一

11、部分是利用霍爾器件將電機的轉速轉化為脈沖信號?；魻枩y速模塊由鐵質的測速齒輪和帶有霍爾元件的支架構成。測速齒輪如圖2-2所示，齒輪厚度大約2mm，將其固定在待測電機的轉軸上。將霍爾元件固定在距齒輪外圓1mm的探頭上，霍爾元件的對面粘貼小磁鋼，當測速齒輪的每個齒經過探頭正前方時，改變了磁通密度，霍爾元件就輸出一個脈沖信號。第二部分是使用六反相器和光耦，將傳感器輸出的信號進行整形隔離，減少計數的干擾。測速齒輪 霍爾元件圖2-2 轉速變換裝置2.處理器采用STC89C52單片機作為系統(tǒng)的處理器。3.顯示部分該部分有兩個功能，在正常情況下，通過LCD液晶顯示器顯示當前的轉速。2.1.2 系統(tǒng)電路設計實際

12、測量時，要把霍爾傳感器固定在直流測速電機的底板上，與霍爾探頭相對的電機的軸上固定著一片磁鋼塊，電機每轉一周，霍爾傳感器便發(fā)出一個脈沖信號，將此脈沖信號接到開發(fā)的多功能實驗板上的P3.2上，設定0定時，每分鐘所計的進入P3.2的脈沖個數即為直流電機的轉速。由于在虛擬仿真電路圖中，沒有電機及傳感器，所以就直接用一個脈沖信號代替，電路圖如圖2-3所示。圖2-3 總體硬件電路圖2.2 霍爾傳感器測量電路設計2.2.1 霍爾元件根據霍爾效應，人們用半導體材料制成的元件叫霍爾元件。它具有對磁場敏感、結構簡單、體積小、頻率響應寬、輸出電壓變化大和使用壽命長等優(yōu)點，因此，在測量、自動化、計算機和信息技術等領域

13、得到廣泛的應用?；魻杺鞲衅鰽3144是Allegro MicroSystems公司生產的寬溫、開關型霍爾效應傳感器，其工作溫度范圍可達-40150。它由電壓調整電路、反相電源保護電路、霍爾元件、溫度補償電路、微信號放大器、施密特觸發(fā)器和OC門輸出極構成，通過使用上拉電阻可以將其輸出接入CMOS邏輯電路。該芯片具有尺寸小、穩(wěn)定性好、靈敏度高等特點，有兩種封裝形式，一種是3腳貼片微小型封裝，后綴為“LH”；另一種是3腳直插式封裝，后綴為“UA”5。A3144E系列單極高溫霍爾效應集成傳感器是由穩(wěn)壓電源，霍爾電壓發(fā)生器，差分放大器，施密特觸發(fā)器和輸出放大器組成的磁敏傳感電路，其輸入為磁感應強度，輸出

14、是一個數字電壓訊號。它是一種單磁極工作的磁敏電路，適用于矩形或者柱形磁體下工作?？蓱糜谄嚬I(yè)和軍事工程中?；魻杺鞲衅鞯耐庑螆D和與磁場的作用關系如圖2-4所示。磁場由磁鋼提供，所以霍爾傳感器和磁鋼需要配對使用?；魻栐痛配?管腳圖圖2-4 霍爾傳感器的外形圖該霍爾傳感器的接線圖如圖2-5所示。 圖2-5 霍爾傳感器的接線圖2.2.2 霍爾傳感器測量原理測量電機轉速的第一步就是要將電機的轉速表示為單片機可以識別的脈沖信號，從而進行脈沖計數?；魻柶骷鳛橐环N轉速測量系統(tǒng)的傳感器，它有結構牢固、體積小、重量輕、壽命長、安裝方便等優(yōu)點，因此選用霍爾傳感器檢測脈沖信號，其基本的測量原理如圖2-6所示

15、，當電機轉動時，帶動傳感器運動，產生對應頻率的脈沖信號，經過信號處理后輸出到計數器或其他的脈沖計數裝置，進行轉速的測量6。圖2-6 霍爾器件測速原理2.2.3 轉速測量方法 轉速的測量方法很多，根據脈沖計數來實現轉速測量的方法主要有M法(測頻法)、T法(測周期法)和MPT法(頻率周期法)，該系統(tǒng)采用了M法(測頻法)。由于轉速是以單位時間內轉數來衡量，在變換過程中多數是有規(guī)律的重復運動。根據霍爾效應原理，將一塊永久磁鋼固定在電機轉軸上的轉盤邊沿，轉盤隨側軸旋轉，磁鋼也將跟著同步旋轉，在轉盤下方安裝一個霍爾器件，轉盤隨軸旋轉時，受磁鋼所產生的磁場的影響，霍爾器件輸出脈沖信號，其頻率和轉速成正比。脈

16、沖信號的周期與電機的轉速有以下關系：n= (2-1)式中：n為電機轉速；P為電機轉一圈的脈沖數；T為輸出方波信號周期。根據式(2-1)即可計算出直流電機的轉速7。 霍爾器件是由半導體材料制成的一種薄片，在垂直于平面方向上施加外磁場B，在沿平面方向兩端加外電場，則使電子在磁場中運動，結果在器件的兩個側面之間產生霍爾電勢。其大小和外磁場及電流大小成比例?；魻栭_關傳感器由于其體積小，無觸點，動態(tài)特性好，使用壽命長等特點，故在測量轉動物體旋轉速度領域得到了廣泛應用8。2.2.4 反相器74LS1474LS14是一個6反相器，引腳定義如圖2-7所示：A端為輸入端，Y端為輸出端，一片芯片一共6路，即1，3

17、，5，9，11，13為輸入端，2，4，6，8，10，12為輸出端，輸出結果與輸入結果反相。即如果輸入端為高電平，那么輸出為低電平。如果輸入低電平，輸出為高電平。圖2-7 反相器引腳圖2.2.5 光電耦合器光電耦合器，是近幾年發(fā)展起來的一種半導體光電器件，由于它具有體積小、壽命長、抗干擾能力強、工作溫度寬及無觸點輸入與輸出在電氣上完全隔離等特點，被廣泛地應用在電子技術領域及工業(yè)自動控制領域中，它可以代替繼電器、變壓器、斬波器等，而用于隔離電路、開關電路、數模轉換、邏輯電路、過流保護、長線傳輸、高壓控制及電平匹配等。光電耦合器是以光為媒介傳輸電信號的一種電光電轉換器件。它由發(fā)光源和受光器兩部分組成

18、。把發(fā)光源和受光器組裝在同一密閉的殼體內，彼此間用透明絕緣體隔離。發(fā)光源的引腳為輸入端，受光器的引腳為輸出端，常見的發(fā)光源為發(fā)光二極管，受光器為光敏二極管、光敏三極管等。光電耦合器的種類較多，常見有光電二極管型、光電三極管型、光敏電阻型、光控晶閘管型、光電達林頓型、集成電路型等。光電耦合器件（簡稱光耦）是把發(fā)光器件（如發(fā)光二極管）和光敏器件（如光敏三極管）組裝在一起，通過光線實現耦合構成電光和光電的轉換器件。在光電耦合器輸入端加電信號使發(fā)光源發(fā)光，光的強度取決于激勵電流的大小，此光照射到封裝在一起的受光器上后，因光電效應而產生了光電流，由受光器輸出端引出，這樣就實現了電一光一電的轉換9。光電耦

19、合器分為很多種類，圖2-8所示為常用的三極管型光電耦合器原理圖。當電信號送入光電耦合器的輸入端時，發(fā)光二極管通過電流而發(fā)光，光敏元件受到光照后產生電流，CE導通；當輸入端無信號，發(fā)光二極管不亮，光敏三極管截止，CE不通。對于數位量，當輸入為低電平“0”時，光敏三極管截止，輸出為高電平“1”；當輸入為高電平“1”時，光敏三極管飽和導通，輸出為低電平“0”。若基極有引出線則可滿足溫度補償、檢測調制要求。這種光耦合器性能較好，價格便宜，因而應用廣泛。圖2-8 最常用的光電耦合器內部結構圖光電耦合器的接線原理如圖2-9所示。圖2-9 光電耦合器接線原理2.2.6 蜂鳴器蜂鳴器是一種一體化結構的電子訊響

20、器，采用直流電壓供電，廣泛應用于計算機、打印機、復印機、報警器、電子玩具、汽車電子設備、電話機、定時器等電子產品中作發(fā)聲器件。報警器的種類很多，比如：揚聲器、蜂鳴器等，本設計中選用電磁式蜂鳴器作為報警器。電磁式蜂鳴器由振蕩器、電磁線圈、磁鐵、振動膜片及外殼等組成。接通電源后，振蕩器產生的音頻信號電流通過電磁線圈，使電磁線圈產生磁場。振動膜片在電磁線圈和磁鐵的相互作用下，周期性地振動發(fā)聲10。圖2-10 電磁式蜂鳴器2.3 單片機STC89C52單片機(Single-Chip-Microcomputer)又稱為單片微控制器，其基本結構是將微型計算機的基本功能部件：中央處理器（CPU）、存儲器、輸

21、入口、輸出口、定時器/計數器、中斷系統(tǒng)等全部集中在一個半導體芯片上。 單片機結構上的設計，在硬件、指令系統(tǒng)及I/O能力等方面都有獨到之處，具有較強而有效的控制功能。雖然單片機只是一個芯片，但無論從組成還是從其邏輯功能上來看，都具有微機系統(tǒng)的含義。另一方面，單片機畢竟是一個芯片，只有外加所需的輸入、輸出設備，才可以構成實用的單片機應用系統(tǒng)11。2.3.1 STC89C52芯片AT89C51是一種帶4K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器（FPEROMFalsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓，高性能CMOS8位微處理器，俗稱單片機。該器件

22、采用ATMEL高密度非易失存儲器制造技術制造，與工業(yè)標準的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容12。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲器組合在單個芯片中，ATMEL的AT89C51是一種高效微控制器，為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價格低廉的方案。其引腳圖如圖2-11所示。圖2-11 AT89C51引腳圖2.3.2 定時器8051單片機內部有兩個16位可編程定時器/計數器，記為T0和T1。它的工作方式可以通過指令對相應的特殊功能寄存器編程來設定，或作定時器用，或作外部事件計時器用。定時器/計數器在硬件上由雙字節(jié)加法計數器TH和TL組成。作定時器使用時，計數脈沖由單片機內部振蕩器提供，計數頻

23、率為f/12,每個機器周期加113。8051單片機定時器/計數器的工作方式由特殊功能寄存器TMOD編程決定，定時器/計數器的啟動運行由特殊功能寄存器TCON編程控制。不論用作定時器還是計數器，每當產生溢出時，都會向CPU發(fā)出中斷請求。單片機的定時器的工作原理是利用了寄存器的溢出來觸發(fā)中斷的,所以在寫定時器的時候就要去算計數的增量,再根據單片機的晶振的頻率就可以算出確定的時間了。定時器主要用到了2個寄存器,一個為TCON,另一個為TMOD。TCON是用來控制定時器的啟動與停止的。TMOD是用來設置定時器的模式的。8051單片機的定時器/計數器是可編程的，在進行定時或計數操作之前要進行初始化編程。

24、通常8051單片機定時器/計數器的初始化編程包括如下幾個步驟:1.確定工作方式，即給方式控制寄存器TMOD寫入控制字。2.計算定時器/計數器初值,并將初值寫入TH和TL。3.根據需要對中斷控制寄存器IE置初值，決定是否開放定時器中斷。4.使運行控制寄存器TCON中的TR0或TR1置“1”，啟動定時器/計數器。在初始化過程中，要設置定時或計數的初始值，這時需要進行一點運算。由于計數器是加法計數，并在溢出時產生中斷，因此初始值不能是所需要的計數模值，而是要從最大計數值減去計數模值所得才是應當設置的計數初始值。假設計數器的最大計數值為M（根據不同工作方式，M可以是2、2或2），則計算初值X的公式如下

25、：計數方式：X=M-要求的計數值 （2-2）定時方式：X=M- （2-3）2.3.3 外部中斷外部中斷：對某個中央處理機而言，它的外部非通道式裝置所引起的中斷稱為外部中斷。51單片機的外部中斷有兩種觸發(fā)方式可選：電平觸發(fā)和邊沿觸發(fā)。選擇電平觸發(fā)時，單片機在每個機器周期檢查中斷源口線，檢測到低電平，即置位中斷請求標志，向CPU請求中斷。選擇邊沿觸發(fā)方式時，單片機在上一個機器周期檢測到中斷源口線為高電平，下一個機器周期檢測到低電平，即置位中斷標志，請求中斷。應用時需要特別注意的幾點：1電平觸發(fā)方式時，中斷標志寄存器不鎖存中斷請求信號。要使電平觸發(fā)的中斷被CPU響應并執(zhí)行，必須保證外部中斷源口線的低

26、電平維持到中斷被執(zhí)行為止。因此當CPU正在執(zhí)行同級中斷或更高級中斷期間，產生的外部中斷源（產生低電平）如果在該中斷執(zhí)行完畢之前撤銷（變?yōu)楦唠娖剑┝?，那么將得不到響應，就如同沒發(fā)生一樣。同樣，當CPU在執(zhí)行不可被中斷的指令（如RETI）時，產生的電平觸發(fā)中斷如果時間太短，也得不到執(zhí)行。2邊沿觸發(fā)方式時，中斷標志寄存器鎖存了中斷請求。中斷口線上一個從高到低的跳變將記錄在標志寄存器中，直到CPU響應并轉向該中斷服務程序時，由硬件自動清除。因此當CPU正在執(zhí)行同級中斷（甚至是外部中斷本身）或高級中斷時，產生的外部中斷（負跳變）同樣將被記錄在中斷標志寄存器中。在該中斷退出后，將被響應執(zhí)行。如果不希望這樣

27、，必須在中斷退出之前，手工清除外部中斷標志。3中斷標志可以手工清除。一個中斷如果在沒有得到響應之前就已經被手工清除，則該中斷將被CPU忽略。就如同沒有發(fā)生一樣。2.4 顯示電路設計2.4.1 1602字符型LCD簡介1字符型液晶顯示模塊是一種專門用于顯示字母、數字、符號等點陣式LCD，目前常用16*1，16*2，20*2和40*2行等的模塊。下面以長沙太陽人電子有限公司的1602字符型液晶顯示器為例，介紹其用法。字符型LCD1602通常有14條引腳線或16條引腳線的LCD，多出來的2條線是背光電源線VCC(15腳)和地線GND(16腳)，其控制原理與14腳的LCD完全一樣14。一般1602字符

28、型液晶顯示器實物如圖2-12所示。圖2-12 1602實物圖2.4.2 1602LCD的基本參數及引腳功能1.1602LCD類型1602LCD分為帶背光和不帶背光兩種，基控制器大部分為HD44780，帶背光的比不帶背光的厚，是否帶背光在應用中并無差別，兩者尺寸差別如圖2-13所示。圖2-13 1602帶背光與不帶背光差別圖2.LCD1602主要技術參數顯示容量:162個字符芯片工作電壓:4.55.5V工作電流:2.0mA(5.0V)模塊最佳工作電壓:5.0V字符尺寸:2.954.35(WH)mm3.1602LCD引腳1602LCD采用標準的14腳（無背光）或16腳（帶背光）接口，各引腳接口說明

29、如表2-1。表2-1 引腳接口說明表編號符號引腳說明編號符號引腳說明1VSS電源地9D2數據2VDD電源正極10D3數據3VL液晶顯示偏壓11D4數據4RS數據/命令選擇12D5數據5R/W讀/寫選擇13D6數據6E使能信號14D7數據7D0數據15BLA背光源正極8D1數據16BLK背光源負極第1腳：VSS為地電源。第2腳：VDD接5V正電源。第3腳：VL為液晶顯示器對比度調整端，接正電源時對比度最弱，接地時對比度最高，對比度過高時會產生“鬼影”，使用時可以通過一個10K的電位器調整對比度。第4腳：RS為寄存器選擇，高電平時選擇數據寄存器、低電平時選擇指令寄存器。第5腳：R/W為讀寫信號線，

30、高電平時進行讀操作，低電平時進行寫操作。當RS和R/W共同為低電平時可以寫入指令或者顯示地址，當RS為低電平R/W為高電平時可以讀忙信號，當RS為高電平R/W為低電平時可以寫入數據。第6腳：E端為使能端，當E端由高電平跳變成低電平時，液晶模塊執(zhí)行命令。第714腳：D0D7為8位雙向數據線。第15腳：背光源正極。第16腳：背光源負極。4.其與單片機的連接如圖2-14所示。圖2-14 1602與單片機接線圖2.4.3 顯示模式LCD1602是常見的162行，68字符點陣液晶模塊，廣泛應用于智能儀表、通信、辦公自動化設備中，其字符發(fā)生器ROM中自帶數字和英文字母及一些特殊符號的字符庫，沒有漢字。本設

31、計中LCD1602顯示了英文字母和數字。由于Proteus庫中沒有16引腳，因此選用LCD1602的14引腳方式，即不帶背光源部分。如圖2-15所示。圖2-15 LCD顯示圖2.5 系統(tǒng)軟件設計2.5.1 設計思想本系統(tǒng)采用89C51中的中斷對轉速脈沖計數。定時器T0工作于定時方式，工作于方式1。每到1s讀一次外部中斷計數值，此值即為脈沖信號的頻率，代表的即是電機的轉速。2.5.2 總體軟件流程先進行初始化設置各定時器初值，然后判斷是否啟動系統(tǒng)進行測量。如果是，就啟動系統(tǒng)運行。如果不是就等待啟動。啟動系統(tǒng)后，霍爾傳感器檢測脈沖到來后，啟動外部中斷，每來一個脈沖中斷一次，記錄脈沖個數。同時啟動T

32、0定時器工作，每1秒定時中斷一次，讀取記錄的脈沖個數，即電機轉速。連續(xù)采樣三次，取平均值記為一次轉速值。再進行數值的判斷，若數值高于5000r/min則報警并返回初始化階段，否則就進行正常速度液晶顯示。如圖2-16所示。圖2-16 主流程圖3 系統(tǒng)仿真和調試3.1 Proteus軟件3.1.1 Proteus簡介Proteus是基于SPICE3F5仿真引擎的混合電路仿真軟件，不僅能夠仿真模擬、數字電路以及模數混合電路，更具特色的是它能夠仿真基于單片機的電子系統(tǒng)。Proteus不但完全支持MCS-51及其派生系列單片機的設計系統(tǒng)，另外也能仿真基于AVR和PIC系列的單片機系統(tǒng)。Proteus的仿

33、真資源Proteus軟件可提供的模擬、數字、交(直)流等元器件達30多個元件庫，共計數千種。此外，對于元件庫中沒有的器件，使用者也可依照需要自己創(chuàng)建。軟件調試方面，其自身只帶匯編編譯器，不支持C語言。但可以將它與KeilC51集成開發(fā)環(huán)境連接，將用匯編和C語言編寫的程序編譯好之后，可以立即進行軟、硬件結合的系統(tǒng)仿真，像使用仿真器一樣來調試程序15。當然，軟件仿真精度有限，而且不可能所有的器件都找得到相應的仿真模型，用開發(fā)板和仿真器當然是最好選擇，可是對于單片機愛好者，或者簡單的開發(fā)應該是比較好的選擇。Proteus與其它單片機仿真軟件不同的是，它不僅能仿真單片機CPU的工作情況，也能仿真單片機

34、外圍電路或沒有單片機參與的其它電路的工作情況。因此在仿真和程序調試時，關心的不再是某些語句執(zhí)行時單片機寄存器和存儲器內容的改變，而是從工程的角度直接看程序運行和電路工作的過程和結果。對于這樣的仿真實驗，從某種意義上講，是彌補了實驗和工程應用間脫節(jié)的矛盾和現象。3.1.2 用Proteus繪制原理圖步驟原理圖是在原理圖編輯窗口中的藍色方框內繪制完成的，通過文件中的“新建設計”選項，可以調整原理圖設計頁面大小。繪制原理圖時首先應根據需要選取元器件，Proteus庫中提供了大量元器件原理圖符號，利用Proteus的搜索功能能很方便地查找需要的元器件。首先根據需要選擇器件。單擊元器件列表窗口上邊的按鈕

35、“P”，彈出如圖3-1所示元器件選擇窗口。在該窗口左上方的“關鍵字”欄內鍵入“AT89C51”,窗口中間的“結果”欄將顯示出元器件庫中所有AT89C51單片機芯片，選擇其中的“AT89C51”，窗口右上方將顯示出AT89C51圖形符號，同時顯示該器件的虛擬仿真模型，單擊“確定”按鈕后，AT89C51將出現在器件列表窗口。照此方法選擇所有需要的元器件。圖3-1 器件選擇窗口器件選擇完畢后，就可以開始繪制原理圖了。先用鼠標從器件選擇窗口選中需要的器件，預覽窗口將出現該器件的圖標。再將鼠標指向編輯窗口并單擊左鍵，將選中的器件放置到原理圖中。放置電源和地線端時，要從“終端”按鈕欄中選取。在兩個元器件之

36、間進行連線的方式很簡單，先將鼠標指向第一個器件的連接點并單擊左鍵，再將鼠標移到另一個器件的連接點并單擊左鍵，這兩個點就連接到一起了。對于相隔較遠，直接連線不方便的器件，可以用標號的方式進行連接。連接后的部分硬件電路如圖3-2所示。圖3-2 硬件電路圖3.2 硬件調試 按電路圖買好元件后首先檢查買回元件的好壞，按各元件的檢測方法分別進行檢測，一定要仔細認真。按電路圖的位置將各元件安置好，首先放置核心元件，然后再放其他元件，特別注意順序不能顛倒。在保證電路元器件完好及各元器件放置無誤合理的情況下，開始對電路連接布線，由于本設計用面包板搭件，所以布線要無跨線并且工整。當硬件設計從布線到焊接安裝完成之

37、后，就開始進入硬件調試階段。3.2.1 硬件靜態(tài)調試1排除邏輯故障顯示器部分調試為了使調試順利進行,首先將89C51與LCD顯示分離,這樣就可以用靜態(tài)方法先測試LCD顯示,用規(guī)定的電平加至位顯示的引腳,看顯示是否與理論上一致。不一致,一般為LCD顯示器接觸不良所致,必須找出故障,檢測89C51電路工作是否正常。對89C51進行編程調試時,分為兩個步驟：第一,對其進行初始化。第二,將89C51與LCD結合起來,借助開發(fā)機,通過編制程序進行調試。若調試通過后,就可以編制應用程序了16。對于一些邏輯故障來說，這類故障往往是由于設計和焊接過程中的失誤所造成的。主要包括錯線、開路、短路。排除的方法是首先

38、將焊接好的電路板認真對照原理圖,看兩者是否一致。應特別注意電源系統(tǒng)檢查,以防止電源短路和極性錯誤,并重點檢查系統(tǒng)總線是否存在相互之間短路或與其它信號線路短路。必要時利用數字萬用表的短路測試功能,可以縮短排錯時間。 2排除元器件失效 造成這類錯誤的原因有兩個：一個是元器件買來時就已壞了另一個是由于安裝錯誤,造成器件燒壞?？梢圆扇z查元器件與設計要求的型號、規(guī)格和安裝是否一致。在保證安裝無誤后,用替換方法排除錯誤。 3排除電源故障在通電前,一定要檢查電源電壓的幅值和極性,否則很容易造成集成塊損壞。加電后檢查各插件上引腳的電位,一般先檢查VCC與GND之間電位,若在5V48V之間屬正常。若有高壓,聯

39、機仿真器調試時,將會損壞仿真器等,有時會使應用系統(tǒng)中的集成塊發(fā)熱損壞。3.2.2 虛擬仿真調試原理圖繪制完成之后，給單片機添加應用程序，就可以進行虛擬仿真調試。先用鼠標右鍵選中AT89C51單片機，再單擊左鍵，彈出如圖3-3所示器件編輯窗口。圖3-3 器件編輯窗口在器件編輯窗口中“Program File”欄單擊文件夾瀏覽按鈕，找到需要仿真的Hex文件，單擊“確定”按鈕完成添加文件，在“Clock Frequency”文本框中把頻率改為12MHz，單擊“確定”按鈕退出。這時單擊仿真工具欄中全速運行按鈕即可開始進行虛擬仿真17。3.3 軟件調試軟件調試是通過對用戶程序的匯編、連接、執(zhí)行來發(fā)現程序

40、中存在的語法錯誤與邏輯錯誤并加以排除糾正的過程。程序運行后編輯，查看程序是否有邏輯的錯誤。本系統(tǒng)的軟件程序完全由C51編寫，C語言效率高，但同時也存在一些缺點，比如嚴格定時比較困難。在調試過程中采取的是自上至下的調試方法，單獨調試好每一個模塊，然后再連接成一個完整的系統(tǒng)調試。3.4 軟硬件聯調使用Keil、Proteus軟件進行單步調試仿真模擬，直到滿足技術指標后，將程序燒到89C51片中進行軟硬件聯調。調試的過程及步驟如下：1.檢測5v電源是否正常，并且是否加到單片機的電源引腳端。2.檢測單片機的晶振電路是否正常工作，用萬用表檢測89C51片的18、19腳的電壓分別為3v、1.5v左右。3.

41、檢測復位信號輸入端RST,高電平有效。在單片機正常工作時，此腳應為0.5V低電平。4.測試外部脈沖計數電路通過給CPU 施加固定脈沖，測試外部計數軟件的正確與否。5.測試定時器中斷系統(tǒng)6.檢測液晶顯示模式通過軟件編程，給LCD輸出指定數字，如“2501”，觀察LCD上顯示的也是“2501”，表明顯示電路正確。如圖3-4所示。圖3-4 液晶顯示模式測試電路4 結 論經過14周的辛勤努力，學習了霍爾傳感器測速原理及相關器件的性能特點與用法等知識，查閱了關于單片機的各方面的資料，實現了“基于霍爾傳感器的電機轉速測量系統(tǒng)設計”的基本要求。所設計的系統(tǒng)具有以下功能：1.設計采用89C51單片機作為測量轉速的主CPU芯片，系統(tǒng)硬件設備結構簡