傳感器原理課程設(shè)計基于單片機轉(zhuǎn)速測量顯示裝置的設(shè)計

1、 目錄1、 概述1.1 相關(guān)背景和應(yīng)用簡介1.2 總體設(shè)計方案.21、各模塊的功能介紹22、總體設(shè)計框圖32、硬件電路的設(shè)計2.1 傳感器的選型及電路接口設(shè)計.42.2 單片機最小系統(tǒng)設(shè)計.6一、復(fù)位電路.6二、晶振電路.82.3 顯示電路設(shè)計.92.4 脈沖電路設(shè)計.113、軟件部分的設(shè)計3.1 總體流程圖及子程序流程圖.123.2 主要程序.134、仿真及結(jié)果4.1 數(shù)據(jù)分析表.164.2 仿真界面圖.165、小結(jié)課程設(shè)計小結(jié).176、參考文獻參考文獻.181、 概述 1.1 相關(guān)背景和應(yīng)用簡介目前國內(nèi)外測量電機轉(zhuǎn)速的方法很多，按照不同的理論方法，先后產(chǎn)生過模擬測速法(如離心式轉(zhuǎn)速表、用電

2、機轉(zhuǎn)矩或者電機電樞電動勢計算所得)、同步測速法(如機械式或閃光式頻閃測速儀)以及計數(shù)測速法。計數(shù)測速法又可分為機械式定時計數(shù)法和電子式定時計數(shù)法。傳統(tǒng)的電機轉(zhuǎn)速檢測多采用測速發(fā)電機或光電數(shù)字脈沖編碼器，也有采用電磁式(利用電磁感應(yīng)原理或可變磁阻的霍爾元件等)、電容式(對高頻振蕩進行幅值調(diào)制或頻率調(diào)制)等，還有一些特殊的測速器是利用置于旋轉(zhuǎn)體內(nèi)的放射性材料來發(fā)生脈沖信號其中應(yīng)用最廣的是光電式，光電式測系統(tǒng)具有低慣性、低噪聲、高分辨率和高精度的優(yōu)點加之激光光源、光柵、光學(xué)碼盤、ccd 器件、光導(dǎo)纖維等的相繼出現(xiàn)和成功應(yīng)用，使得光電傳感器在檢測和控制領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。而采用光電傳感器的電機轉(zhuǎn)速測

3、量系統(tǒng)測量準(zhǔn)確度高、采樣速度快、測量范圍寬和測量精度與被測轉(zhuǎn)速無關(guān)等優(yōu)點，具有廣闊的應(yīng)用前景。1.2 總體設(shè)計方案 1、各模塊的功能介紹 圖1.1 系統(tǒng)原理圖各部分模塊的功能：傳感器：用來對信號的采樣。放大、整形電路：對傳感器送過來的信號進行放大和整形，在送入單片機進行數(shù)據(jù)的處理轉(zhuǎn)換。單片機：對處理過的信號進行轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)速的實際值，送入ledled 顯示：用來對所測量到的轉(zhuǎn)速進行顯示。2、總體設(shè)計框圖 圖1.2 總體設(shè)計框圖2、硬件電路的設(shè)計2.1 傳感器的選型一、霍爾傳感器霍爾傳感器是利用霍爾效應(yīng)進行工作的？其核心元件是根據(jù)霍爾效應(yīng)原理制成的霍爾元件。本文介紹一種泵驅(qū)動軸的轉(zhuǎn)速采用霍爾轉(zhuǎn)速傳感

4、器測量?；魻栟D(zhuǎn)速傳感器的結(jié)構(gòu)原理圖如圖2.1, 霍爾轉(zhuǎn)速傳感器的接線圖如圖2.2。傳感器的定子上有2 個互相垂直的繞組a 和b, 在繞組的中心線上粘有霍爾片ha 和hb ,轉(zhuǎn)子為永久磁鋼,霍爾元件ha 和hb 的激勵電機分別與繞組a 和b 相連,它們的霍爾電極串聯(lián)后作為傳感器的輸出。 圖2.1 霍爾轉(zhuǎn)速傳感器的結(jié)構(gòu)原理圖 圖2.2 霍爾轉(zhuǎn)速傳感器接線圖缺點：采用霍爾傳感器在信號采樣的時候，會出現(xiàn)采樣不精確，因為它是靠磁性感應(yīng)才采集脈沖的，使用時間長了會出現(xiàn)磁性變小，影響脈沖的采樣精度。二、光電傳感器整個測量系統(tǒng)的組成框圖如圖2.2所示。從圖中可見,轉(zhuǎn)子由一直流調(diào)速電機驅(qū)動,可實現(xiàn)大轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的

5、無級調(diào)速。轉(zhuǎn)速信號由光電傳感器拾取,使用時應(yīng)先在轉(zhuǎn)子上做好光電標(biāo)記,具體辦法可以是:將轉(zhuǎn)子表面擦干凈后用黑漆(或黑色膠布)全部涂黑,再將一塊反光材料貼在其上作為光電標(biāo)記,然后將光電傳感器(光電頭)固定在正對光電標(biāo)記的某一適當(dāng)距離處。光電頭采用低功耗高亮度led ,光源為高可靠性可見紅光,無論黑夜還是白天,或是背景光強有大范圍改變都不影響接收效果。光電頭包含有前置電路，輸出05v 的脈沖信號。接到單片機89c51 的相應(yīng)管腳上，通過89c51 內(nèi)部定時/計時器t0、t1 及相應(yīng)的程序設(shè)計，組成一個數(shù)字式轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)。 圖2.3 光電傳感器測量接口電路優(yōu)點：這種方案使用光電轉(zhuǎn)速傳感器具有采樣精確，

6、采樣速度快，范圍廣的特點。綜上所述，方案二使用光電傳感器來作為本設(shè)計的最佳選擇方案。2.2 單片機最小系統(tǒng)設(shè)計一、 復(fù)位電路mcs-51 單片機復(fù)位電路是指單片機的初始化操作。單片機啟運運行時，都需要先復(fù)位，其作用是使cpu 和系統(tǒng)中其他部件處于一個確定的初始狀態(tài)，并從這個狀態(tài)開始工作。因而，復(fù)位是一個很重要的操作方式。但單片機本身是不能自動進行復(fù)位的，必須配合相應(yīng)的外部電路才能實現(xiàn)。 圖2.4 復(fù)位電路復(fù)位功能：復(fù)位電路的基本功能是：系統(tǒng)上電時提供復(fù)位信號，直至系統(tǒng)電源穩(wěn)定后，撤銷復(fù)位信號。為可靠起見，電源穩(wěn)定后還要經(jīng)一定的延時才撤銷復(fù)位信號，以防電源開關(guān)或電源插頭分-合過程中引起的抖動而影

7、響復(fù)位。單片機的復(fù)位是由外部的復(fù)位電路來實現(xiàn)的。片內(nèi)復(fù)位電路是復(fù)位引腳rst 通過一個斯密特觸發(fā)器與復(fù)位電路相連，斯密特觸發(fā)器用來抑制噪聲，它的輸出在每個機器周期的s5p2，由復(fù)位電路采樣一次。復(fù)位電路通常采用上電自動復(fù)位（如圖2.5 (a)）和按鈕復(fù)位(如圖2.5(b)兩種方式。 圖2.5 rc復(fù)位電路單片機復(fù)位后的狀態(tài):單片機的復(fù)位操作使單片機進入初始化狀態(tài)，其中包括使程序計數(shù)器pc0000h，這表明程序從0000h 地址單元開始執(zhí)行。單片機冷啟動后，片內(nèi)ram 為隨機值，運行中的復(fù)位操作不改變片內(nèi)ram 區(qū)中的內(nèi)容，21 個特殊功能寄存器復(fù)位后的狀態(tài)為確定值，見表1。值得指出的是，記住一

8、些特殊功能寄存器復(fù)位后的主要狀態(tài)，對于了解單片機的初態(tài)，減少應(yīng)用程序中的初始化部分是十分必要的。說明：表2-6 中符號*為隨機狀態(tài)： 表2.6 寄存器復(fù)位后狀態(tài)表psw00h，表明選寄存器0 組為工作寄存器組； sp07h，表明堆棧指針指向片內(nèi)ram 07h 字節(jié)單元，根據(jù)堆棧操作的先加后壓法則，第一個被壓入的內(nèi)容寫入到08h 單元中；po-p3ffh，表明已向各端口線寫入1，此時，各端口既可用于輸入又可用于輸出。ip00000b，表明各個中斷源處于低優(yōu)先級； ie000000b，表明各個中斷均被關(guān)斷； 系統(tǒng)復(fù)位是任何微機系統(tǒng)執(zhí)行的第一步，使整個控制芯片回到默認(rèn)的硬件狀態(tài)下。51 單片機的復(fù)位

9、是由reset 引腳來控制的，此引腳與高電平相接超過24 個振蕩周期后，51 單片機即進入芯片內(nèi)部復(fù)位狀態(tài)，而且一直在此狀態(tài)下等待，直到reset 引腳轉(zhuǎn)為低電平后，才檢查ea 引腳是高電平或低電平，若為高電平則執(zhí)行芯片內(nèi)部的程序代碼，若為低電平便會執(zhí)行外部程序。51 單片機在系統(tǒng)復(fù)位時，將其內(nèi)部的一些重要寄存器設(shè)置為特定的值，至于內(nèi)部ram 內(nèi)部的數(shù)據(jù)則不變。二、晶振電路晶振（圖2.7）是晶體振蕩器的簡稱，在電氣上它可以等效成一個電容和一個電阻并聯(lián)再串聯(lián)一個電容的二端網(wǎng)絡(luò)，電工學(xué)上這個網(wǎng)絡(luò)有兩個諧振點，以頻率的高低分其中較低的頻率是串聯(lián)諧振，較高的頻率是并聯(lián)諧振。at89c51 單片機內(nèi)部有

10、一個用于構(gòu)成振蕩器的高增益反相放大器。引腳xtal1 和xtal2 分別是此放大器的輸入端和輸出端。這個放大器與作為反饋元件的片外晶體諧振器一起構(gòu)成一個自激振蕩器。外接晶體諧振器以及電容c1 和c2 構(gòu)成并聯(lián)諧振電路，接在放大器的反饋回路中。對外接電容的值雖然沒有嚴(yán)格的要求，但電容的大小會影響震蕩器頻率的高低、震蕩器的穩(wěn)定性、起振的快速性和溫度的穩(wěn)定性。因此，此系統(tǒng)電路的晶體振蕩器的值為12mhz，電容應(yīng)盡可能的選擇陶瓷電容，電容值約為30f。在焊接刷電路板時，晶體振蕩器和電容應(yīng)盡可能安裝得與單片機芯片靠近，以減少寄生電容，更好地保證震蕩器穩(wěn)定和可靠地工作。晶體振蕩電路如圖2.7：晶振有一個重

11、要的參數(shù)，那就是負(fù)載電容值，選擇與負(fù)載電容值相等的并聯(lián)電容，就可以得到晶振標(biāo)稱的諧振頻率。 圖2.7 晶振電路2.3 顯示電路設(shè)計(1)許多電子產(chǎn)品上都有跳動的數(shù)碼來指示電器的工作狀態(tài)，其實數(shù)碼管顯示的數(shù)碼均是由八個發(fā)光二極管構(gòu)成的。每段上加上合適的電壓，該段就點亮。led 數(shù)碼有共陽和共陰兩種，把這些led 發(fā)光二極管的正極接到一塊（一般是拼成一個8 字加一個小數(shù)點）而作為一個引腳，就叫共陽的，相反的，就叫共陰的，那么應(yīng)用時這個腳就分別的接vcc 和gnd。再把多個這樣的8 字裝在一起就成了多位的數(shù)碼管了。實物如圖2.8所示 圖2.8 數(shù)碼管共陽型（圖2.9）就是八個發(fā)光管的正極都連在一起，

12、作為一條引線.ag 段用于顯示數(shù)字,字符的筆畫,（dp 顯示小數(shù)點），每一段控制agdp 的亮與來。內(nèi)部結(jié)構(gòu): 圖2.9 共陽極lcd共陰型（圖2.10）就是七個發(fā)光管的負(fù)極都連在一起，作為一條引線。ag 段用于顯示數(shù)字,字符的筆畫,（dp 顯示小數(shù)點），每一段控制agdp 的亮與來.內(nèi)部結(jié)構(gòu): 圖2.10 共陰極lcd數(shù)碼管要正常顯示，就要用驅(qū)動電路來驅(qū)動數(shù)碼管的各個段碼，從而顯示出我們要的數(shù)字，因此根據(jù)數(shù)碼管的驅(qū)動方式的不同，可以分為靜態(tài)式和動態(tài)式兩類。靜態(tài)顯示驅(qū)動：靜態(tài)驅(qū)動也稱直流驅(qū)動。靜態(tài)驅(qū)動是指每個數(shù)碼管的每一個段碼都由一個單片機的i/o 端口進行驅(qū)動，或者使用如bcd 碼二-十進制

13、譯碼器譯碼進行驅(qū)動。靜態(tài)驅(qū)動的優(yōu)點是編程簡單，顯示亮度高，缺點是占用i/o 端口多，如驅(qū)動5 個數(shù)碼管靜態(tài)顯示則需要5840 根i/o 端口來驅(qū)動，要知道一個89s51 單片機可用的i/o 端口才32 個呢：），實際應(yīng)用時必須增加譯碼驅(qū)動器進行驅(qū)動，增加了硬件電路的復(fù)雜性。動態(tài)顯示驅(qū)動：數(shù)碼管動態(tài)顯示接口是單片機中應(yīng)用最為廣泛的一種顯示方式之一，動態(tài)驅(qū)動是將所有數(shù)碼管的8 個顯示筆劃a,b,c,d,e,f,g,dp的同名端連在一起，另外為每個數(shù)碼管的公共極com 增加位選通控制電路，位選通由各自獨立的i/o 線控制，當(dāng)單片機輸出字形碼時，所有數(shù)碼管都接收到相同的字形碼，但究竟是那個數(shù)碼管會顯示

14、出字形，取決于單片機對位選通com 端電路的控制，所以我們只要將需要顯示的數(shù)碼管的選通控制打開，該位就顯示出字形，沒有選通的數(shù)碼管就不會亮。通過分時輪流控制各個數(shù)碼管的的com 端，就使各個數(shù)碼管輪流受控顯示，這就是動態(tài)驅(qū)動。在輪流顯示過程中，每位數(shù)碼管的點亮?xí)r間為12ms，由于人的視覺暫留現(xiàn)象及發(fā)光二極管的余輝效應(yīng)，盡管實際上各位數(shù)碼管并非同時點亮，但只要掃描的速度足夠快，給人的印象就是一組穩(wěn)定的顯示數(shù)據(jù)，不會有閃爍感，動態(tài)顯示的效果和靜態(tài)顯示是一樣的，能夠節(jié)省大量的i/o 端口，而且功耗更低。(2)段碼表表2.11 為led 段碼表 表2.11 led斷碼表2.4 脈沖電路的設(shè)計在數(shù)字電路

15、中分別以高電平和低電平表示1狀態(tài)和0狀態(tài)。此時電信號的波形是非正弦波。通常，就把一切既非直流又非正弦交流的電壓或電流統(tǒng)稱為脈沖。脈沖波形多種多樣，表征它們特性的參數(shù)也不盡相同，這里，僅以圖z1602所示的矩形脈沖為例，介紹脈沖波形的主要參數(shù)。 （1）脈沖幅度vm-脈沖電壓或電流的最大值。脈沖電壓幅度的單位為v、mv，脈沖電流幅度的單位為a、ma。 （2）脈沖前沿上升時間tr-脈沖前沿從0.1vm上升到09vm所需要的時間。單位為ms、s、ns。 （3）脈沖后沿下降時間t-脈沖后沿從0.9vm下降到0.1vm所需要的時間。單位為：ms、s、ns。 （4）脈沖寬度tk-從脈沖前沿上升到0.5vm處

16、開始，到脈沖下降到0.5vm處為止的一段時間。單位為：s、ms、s或ns。 （5）脈沖周期-周期性重復(fù)的脈沖序列中，兩相鄰脈沖重復(fù)出現(xiàn)的間隔時間。單位為：s、ms、s。 （6）脈沖重復(fù)頻率-脈沖周期的倒數(shù)，即f =1t，表示單位時間內(nèi)脈沖重復(fù)出現(xiàn)的次數(shù)，單位為hz、khz、mhz。 （7）占空比tkt-脈沖寬度與脈沖周期的比值，亦稱占空系數(shù)。 圖2.12 脈沖輸入電路3、軟件部分的設(shè)計3.1 總體流程圖及顯示子流程圖主程序流程圖3.1 圖3.1 流程圖顯示子程序流程圖3.2 圖3.2 顯示子程序流程圖定時計數(shù)子程序流程圖3.3 圖3.3 定時計數(shù)子程序流程圖3.2 主要程序#include#d

17、efine uchar unsigned charunsigned int a,count;uchar i;uchar dis_buf4;/顯示緩沖區(qū)uchar code table10=0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f;/代碼表uchar code bittable4=0xfe,0xfd,0xfb,0xf7; /位碼控制表void dl_ms() unsigned int j; for(j=0;j200;j+); void abc() uchar j; count=0; for(j=0;j4;j+) dis_bufi=0; t

18、mod=0x51; th0=(65536-50000)/256; tl0=(65536-50000)%256; th1=0; tl1=0; et1=1;pt1=1;ea=1;tr1=1;tr0=1;et0=1; void efg() count=th1*256+tl1; a=count; dis_buf3=a%10; a=a/10; dis_buf2=a%10; a=a/10; dis_buf1=a%10; a=a/10; dis_buf0=a%10; th1=0;tl1=0;void display(void) /顯示函數(shù) uchar segcode,i; for(i=0;i4;i+) se

19、gcode=dis_bufi; /顯示緩沖器內(nèi)容查表p1=tablesegcode;p2=bittablei;dl_ms();p2=0xff; /關(guān)閉顯示 void main(void) abc(); while(1) display();void time0_int() interrupt 1 th0=(65536-50000)/256; tl0=(65536-50000)%256; i+; if(i=20) i=0; efg(); 4、仿真及結(jié)果4.1 數(shù)據(jù)分析表脈沖頻率/hz1501002005001000200050009999轉(zhuǎn)速輸出/r/s150100201500100120005

20、0019998系統(tǒng)誤差/%0000.500.100.020.014.2 仿真界面圖 5、小結(jié)通過此次課程設(shè)計，使我更加扎實的掌握了有關(guān)傳感器原理方面的知識，在設(shè)計過程中雖然遇到了一些問題，但經(jīng)過一次又一次的思考，一遍又一遍的檢查終于找出了原因所在，也暴露出了前期我在這方面的知識欠缺和經(jīng)驗不足。實踐出真知，通過親自動手制作，使我們掌握的知識不再是紙上談兵。過而能改，善莫大焉。在課程設(shè)計過程中，我們不斷發(fā)現(xiàn)錯誤，不斷改正，不斷領(lǐng)悟，不斷獲取。最終的檢測調(diào)試環(huán)節(jié)，本身就是在踐行“過而能改，善莫大焉”的知行觀。這次課程設(shè)計終于順利完成了，在設(shè)計中遇到了很多問題，最后在老師的指導(dǎo)下，終于游逆而解。在今后

21、社會的發(fā)展和學(xué)習(xí)實踐過程中，一定要不懈努力，不能遇到問題就想到要退縮，一定要不厭其煩的發(fā)現(xiàn)問題所在，然后一一進行解決，只有這樣，才能成功的做成想做的事，才能在今后的道路上劈荊斬棘，而不是知難而退，那樣永遠(yuǎn)不可能收獲成功，收獲喜悅，也永遠(yuǎn)不可能得到社會及他人對你的認(rèn)可！課程設(shè)計誠然是一門專業(yè)課，給我很多專業(yè)知識以及專業(yè)技能上的提升，同時又是一門講道課，一門辯思課，給了我許多道，給了我很多思，給了我莫大的空間。同時，設(shè)計讓我感觸很深。使我對抽象的理論有了具體的認(rèn)識。通過這次課程設(shè)計，我掌握了傳感器的選型、keil與proteus的聯(lián)調(diào)、單片機的實用、及c51語言熟練編譯等等一系列的知識。我認(rèn)為，在這學(xué)期的實驗中，不僅培養(yǎng)了獨立思考、動手操作的能力，在各種其它能力上也都有了提高。更重要的是，在實驗課上，我們學(xué)會了很多學(xué)習(xí)的方法。而這是日后最實用的，真的是受益匪淺。要面對社會的挑戰(zhàn)，只有不斷的學(xué)習(xí)、實踐，再學(xué)習(xí)、再實踐。這對于我們的將來也有很大的幫助。以后，不管有多苦，我想我們都能變苦為樂，找尋有趣的事情，發(fā)現(xiàn)其中珍貴的事情。就像中國提倡的艱苦奮斗一樣，我們都可以在實驗結(jié)束之后變的更加成熟，會面對需要面