霍爾傳感器測速系-硬件

1、基于霍爾傳感器的電機轉速測量系統設計一硬件設計摘要電動機作為機械化、電氣化和自動化的原動機，廣泛應用于國民經濟建設、國防建設、 科學技術研究和人民物質文明生活的各個領域。電機是生產過程中應用十分廣泛的裝置， 對其轉速進行準確測量就顯得十分必要。本文介紹了霍爾傳感器測速的原理，設計了基于單片機 AT89C51的直流電機轉速測量 系統。完成了電機轉速測量系統的硬件電路設計、霍爾傳感器測量電路的設計、顯示電路 的設計。測量轉速的霍爾傳感器和機軸同軸連接，機軸每轉一周，產生一定量的脈沖個數， 由霍爾器件電路部分輸出幅度為12V的脈沖。經光電隔離器后成為輸出幅度為 5V轉數計 數器的計數脈沖?？刂贫〞r器

2、計數時間，即可實現對電機轉速的測量。在顯示電路設計中， 通過1602實現在LCD上直觀地顯示電機的轉速值。并對電機轉速測量系統的硬件電路、 顯示電路進行了調試。與軟件配合，實現了顯示、報警功能。仿真實驗表明所設計的硬件 電路及軟件程序是正確的，滿足設計要求。關鍵詞：電機轉速測量；霍爾傳感器；單片機；89C51; LCDIDesign of Motor Speed MeasurementSystem Based on Hall SensorHardware Desig nAbstractMotors, as the orig inal machi ne of mecha ni zati on,

3、electrificati on and automati on are widely and com mon used in the various areas of con struct ion of n atio nal economy, n ati onal defe nse, scie nee and tech no logy research and materiality civilizati on. And it is very importa nt in manu facturi ng, measuri ng its rotati onal speed becomes ver

4、y esse ntial and n ecessary.The prin ciples of motor speed measureme nts with hall sen sor was described in this article and DC motor speed measureme nt system which is based on AT89C51 was desig ned, and the corresp onding hardware circuit desig ns was also completed accord in gly. The hall sen sor

5、 is conn ected with cran kshaft by coaxial jun cti on. Every revoluti on of the cran kshaft will gen erate a certa in amount of pulses whose amplitude is 12v. The opto-coupler turns these certa in amount of pulses into 5-amplitude count impulse. The motor speed can be measured by con trolli ng the t

6、ime. In the desig n of display circuit, the nu mber of motor speed is displayed in LCD directly through 1602. The motor speed measureme nt system and the hardware circuits, display circuit fun ctio n are debugged to cooperate with the software to display and alarm users. The simulatio n results have

7、 proved that the hardware circuits desig n and software program is correct, and the system can meet the desig ning requireme nt completely.Key Words: Motor Speed Measureme nt; Hall Se nsor; Microcomputer; 89C51 LCDii1 緒論 11.1設計任務 11.1.1 題目來源 11.1.2設計內容 11.1.3相關背景 21.2方案分析論證 21.2.1 霍爾測速模塊論證與選擇 21.2.2

8、單片機模塊論證與選擇 21.2.3顯示模塊論證與選擇 31.2.4報警模塊論證與選擇 31.2.5電源模塊論證與選擇 32基于霍爾傳感器的電機轉速測量系統硬件設計 42.1電機轉速測量系統的硬件電路設計 42.1.1總體硬件設計 42.1.2系統電路設計 52.2霍爾傳感器測量電路設計 62.2.1 霍爾元件 62.2.2霍爾傳感器測量原理 72.2.3轉速測量方法 82.2.4反相器 74LS14 82.2.5光電耦合器 92.2.6蜂鳴器 102.3 單片機 AT89C51 112.3.1 AT89C51 芯片 112.3.2定時器 122.3.3外部中斷 132.4顯示電路設計 142.

9、4.1 1602 字符型LCD簡介 142.4.2 1602LCD的基本參數及引腳功能 142.4.3 顯示模式 172.5系統軟件設計 172.5.1 設計思想 172.5.2 總體軟件流程 1743系統仿真和調試 193.1 Proteus 軟件 193.1.1 Proteus 簡介 193.1.2 用Proteus繪制原理圖步驟 193.2硬件調試 213.2.1 硬件靜態(tài)調試 213.2.2虛擬仿真調試 223.3軟件調試 233.4軟硬件聯調 234 結論 25附錄硬件實物圖 26參考文獻 27致 謝 28#1.1設計任務1.1.1題目來源在工程實踐中，經常會遇到各種需要測量轉速的場

10、合，例如在發(fā)電機、電動機、卷揚 機、機床主軸等旋轉設備的試驗、運轉和控制中，常需要分時或者連續(xù)測量和顯示其轉速 及瞬時轉速。為了能精確地測量轉速外，還要保證測量的實時性，要求能測得瞬時轉速。 轉速測量方法分為模擬式和數字式兩種，模擬式采用測速發(fā)電機為檢測元件，得到的信號 是電壓量，而數字式通常采用光電編碼器、圓光柵、霍爾元件等為檢測元件，得到的信號 是脈沖信號。隨著微型計算機的廣泛應用，特別是高性能價格比的單片機的涌現，轉速測 量普遍采用了以單片機為核心的數字法，智能化微電腦式代替了一般的機械式或模擬量結 構。根據學校畢業(yè)設計的要求，設計一個功能滿足設計要求、工作穩(wěn)定、以單片機為核心 的基于霍

11、爾傳感器的電機轉速測量系統。本設計要求做一個單片機最小系統，并使用合適 的霍爾傳感器，使之具備測轉速的功能，能夠實現在電機工作時轉速的測量，同時選用合 適的顯示器件，使系統具備實時顯示功能，并在發(fā)生故障時能及時的發(fā)出報警信號。根據 題目的要求，設計了以下方案并對各方案進行了論證與分析。本設計包括完整的硬件設計 和相應的軟件設計。1.1.2設計內容1. 選定傳感器?；魻杺鞲衅骶哂徐`敏、可靠、體積小巧、無觸點、無磨損、使用壽命 長、功耗低等優(yōu)點，綜合了電機轉速測量系統的要求。2. 設計一個單片機最小系統，掌握單片機接口電路的設計技巧，學會利用單片機的定 時器和中斷系統對脈沖信號進行測量或計數。3.

12、 實時測量顯示并有報警功能，實時測量根據脈沖計數來實現轉速測量的方法。要求 霍爾傳感器轉速為05000r/min 。1.1.3相關背景在直流電機的多年實際運行的過程中，機械測速電機不足之處日益明顯，其主要表現 為直流測速電機DG中的炭刷磨損及交流測速發(fā)電機 TG中的軸承磨損，增加了設備的維 護工作量，也隨著增加了發(fā)生故障的可能性；同時機械測速電機在更換炭刷及軸承的檢修 作業(yè)過程中，需要將直流電動機停運，安裝過程中需要調整機械測速電機軸與主電機軸的 同軸度，延長了檢修時間，影響了設備的長期平穩(wěn)運行。隨著電力電子技術的不斷發(fā)展，一些新穎器件的不斷涌現，原有器件的性能也隨著逐 漸改進，采用電力電子器

13、件構成的各種電力電子電路的應用范圍與日俱增。因此采用電子 脈沖測速取代原直流電動機械測速電機已具備理論基礎，如可采用磁阻式、霍爾效應式、 光電式等方式檢測電機轉速。經過比較分析后，決定采用測速齒輪和霍爾元件代替原來的機械測速電機?；魻杺鞲?器作為測速器件得到廣泛應用?；魻杺鞲衅魇抢没魻栃獙崿F磁電轉換的一種傳感器。 霍爾效應這種物理現象的發(fā)現，雖然已有一百多年的歷史，但是直到20世紀40年代后期, 由于半導體工藝的不斷改進，才被人們所重視和應用。我國從70年代開始研究霍爾器件經過20余年的研究和開發(fā)，目前已經能生產各種性能的霍爾元件，霍爾傳感器具有靈敏度 高、線性度好、穩(wěn)定性高、體積小和耐高

14、溫等特點 2。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AT89C51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。AT89C51是帶4K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。它將多功

15、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3。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。C8051F060系列單片機是美國CYGNAL 公司推出的一種與51系列 單片機內核兼容的單片機。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。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)掃描丄ED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

16、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。因此選擇方案三。1.2.4報警模塊論證與選擇方案一：采用蜂鳴器與發(fā)光二極管作為聲光報警主要器件。該方案不論在硬件焊接方 面還是在編寫軟件方面都簡單方便，而且成本低廉。方案二：采用語音播報系統作為聲光報警的核心。該方案更具人性化、智能化，但是 就該設計要求而言，方案過于復雜，相對成本過高，工作量偏大。因此選擇方案一。1.2.5電源模塊論證與選擇方案

17、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。因此選擇方案一。2基于霍爾傳感器的電機轉速測量系統硬件設計2.1電機轉速測量系統的硬件電路設計2.1.1總體硬件設計使用單片機測量電機轉速的基本結構如圖 2-1所示。該系統包

18、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AT89C51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。第一部分是利用霍爾器件將電機的轉速

19、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勺探頭上，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。測速齒輪霍爾測速齒輪間隙霍爾元件圖2-2轉速變換裝置2. 處理器采用AT89C51單片機作為系統的處理器。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頻率數值，當電機的轉速超出一定的范圍后，通過蜂

20、鳴器進行報警。蜂鳴器是一種一體化結構的電子訊響 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。2.1.2系統電路設計實際測量時，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 INTO上，設定T 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。LCD1TDFLUD15

21、LClHH口 12MHZCRYSTAL TE網ii * R1nxR8TP：IEK7-RESPAEK 4TECftRV1 -RV1 - p?VFU1ADDPD.W1FDMD2XTWL2PDWD3PCltADiFCLSftDSPOfiADGRSTPQTAD?魄就PSffl科咖ftLE巴P2J&W3P2MILHUM?PIO和nmPI.1P3.VDCDP12P32IHTDPIJpjMUTTP1iP3./rnP15PI 6P1TF37ADU1匹 JLJ133E 花 JL3612_L: _1LSISFEhKERR7 ixk： -=TBQ=-飛5.1U呻T)KKitJ3A_s uvTEeLJ2BOPTUDO

22、lFLEfi-HPMU1SU vTEC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得到廣泛的應用。霍爾傳感器A3144 是Allegro MicroS ystems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-40 C150 C。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0C門輸出極構成，通過使用上拉電阻可以將其輸出接入CMO邏

23、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 oA3144E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。 可應用于汽車工業(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。E4AO8#管腳圖霍爾元件和磁鋼圖2-4霍爾傳感器的外形圖 該霍爾傳感器

24、的接線圖如圖2-5所示。+5v out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，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 。圖2-6霍爾器件測速原理ttma齣方向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

25、法（測周期法）和MPTt（頻率周期法），該系統采用了 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。脈沖信號的周期與電機的轉速有以下關系：（2-1）T為輸出方波信號周期。根據式（2-1）即60n=PT式中：n為電機轉速；P為電機轉一圈的脈沖數; 可計算出直流電機的轉速?；魻柶骷怯砂雽w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

26、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。霍爾開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問o2.2.4 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，丫端為輸出端，一 片芯片一共6路，即1, 3, 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。1A1Y2A2Y3A3YgndU 111421331

27、24115106918圖2-7反相器引腳圖VCC SA 6Y 5A 5Y 4A 4Y2.2.5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一光一電轉換器件。它由發(fā)光源和受光 器兩部分組成。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

28、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一光和光一電的轉換器件。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

29、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“ T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、

30、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 AT89C51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、輸入口、輸出口、定時器/計數器、中斷 系統等全部集中在一個半

31、導體芯片上。單片機結構上的設計，在硬件、指令系統及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11。2.3.1 AT89C51 芯片AT89C51是一種帶4K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器(FPEROM Falsh Programmable and Erasable Read Only Memory 的低電壓，高性能 CMOS8 位微處理器，俗 稱單片機。該器件采用 ATMEL高密度非易失存儲器制造技術制造

32、，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CPI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。P1. 0 11401 VCCPK 1 11 239_1 P0” O/ADOP1. 2 1338P0.1/AD1P1. 3 I| 4371 P0. 2/AD2P1. 4 1536F 1 P0. 3/AD3P1* 5 I635II F0+ 1/AD4P1. 6 17341 PH S/AD5P1, 7 1| 833II P0. 6/AD6RST 19321P0.

33、7/AD7Rxn/pa. n 丨10311 EATXD/P3. 1 1| 1130ALE/PROGINT0/P3. 2 L12291| PSENINT1/P3. 3 113281P2.7/A15TO/P3. 4 |1427P2. 6/A14T1/P3. 5 11526P2.5/A13WR/P3.6 1625P2. 4/A12RD/P3.7 11724II P2. 3/A11XTAL2 11823I P2. 2/A10XTAL1 1| 19221 P2.1/A9GND |2021P2. 0/A8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

34、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，計數頻率為fosc/12,每個機器周期加113o8051單片機定時器/計數器的工作方式由特殊功能寄存器 TMO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

35、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。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

36、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213、216或28），則計算初值X的公式如下：計數方式：X=M要求的計數值（2-2）定時方式:X=M要求的計數值12/fosc(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

37、求標志，向CPU青求中斷。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 CPJ向應并執(zhí)行，必須保證外部中斷源口線的低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

38、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，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CPL忽略。就如同沒有發(fā)生一樣。2.4顯示電路設計241 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

39、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

40、-13所示圖2-13 1602帶背光與不帶背光差別圖2丄CD1602主要技術參數顯示容量:16 X 2個字符芯片工作電壓 45 5.5V工作電流:2.0mA(5.0V)模塊最佳工作電壓:5.0V字符尺寸:2.95 X 4.35(WX H)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

41、源正極8D1數據16BLK背光源負極第1腳：VSS為地電源。第2腳：VD取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，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

42、714腳：DOD7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243 顯示模式LCD1602是常見的16X2行，6X8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。LII16O2m I I 圖2-15 LCD顯示圖2.5系統軟件設計2.5.1設計思想本系統采

43、用89C51中的INT0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INT0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進行測量。如果是，就啟動 系統運行。如果不是就等待啟動。啟動系統后，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T0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

44、晶顯示。如圖2-16所示。圖2-16主流程圖3系統仿真和調試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。Proteus不但完全 支持MCS-51及其派生系列單片機的設計系統，另外也能仿真基于AVR和PIC系列的單片機系統。Proteus的仿真資源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，

45、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 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

46、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“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

47、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。21wPri:tertE55STCj(A1ST51 陽酊H朗061 炯曲亦棚|翩洶.珮吃出1中Tmgj.HAFTIAT88C51 LEB16IC :K51 曲 wo陽 |射 泌.33NHz.擁曲 T 細匚 UARTH 時紳USERCVC厭1畑如加|軸亡曲妙血抑知hb.UAIAT3951.BU5WK6061AT8SC51FE2WCE51A183K1RB38US WCS51 ATaSCSIRQWE8C51A

48、T89C51K2B11S HCS3061 AW1R0?WI361AT89C51FCE1I3UB HCS80E13C61 曲畑* |M zcdfl 矽阻抑如 Tmen. IIABTI8：61 Hcicc皿 |1 鮎血擔 細;彌勾 Tra；b1&tri Tmi LART：I 51 MciiMn&tei |1&8 fflje.W-sfcrdog f n?r.甸 1 ras.何門 K61 曲im* |3M Kde.耶出抽側 Tiw.軸曲 Tnn. IPRTil 8：61知址皿|綁 皿.晦k.M母沁g 丫陽.M曲HART： 8051 Hpran* 阿 城 01 如由如 Tncr. JiW TUARFil

49、 3C61 Huoh |E4 她.MM忙M拠 Tirw.軸如 Tnn.陰T2-n|DUD極1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。22U2AMJSU TK

50、D-Q 12MH2 ICOSTALR1a oIyC3 訓湃IlF 亡TEeR6 w 咱tecU119丄丄丄丄丄丄_E_xnu2RST-：TE-7：- LCD1 LUIQ1L叩1CIQA.岸 目N片t：忙山 O D C D D a-IG電TEErajDQ H1.W1FQ測閃FO胸R1剛區(qū) ffl/WDTF2DW5P2W 陽W 陶用3M1AE圧卿2凸P23ft13P26ftU PJTISmiii,i取i碗PI2陽麗mI335HTIm1340幣P35T1png町儷PITra.flDAATOCS1哥ECR2A51K訂 EPrL-.n-L-jurLCKumvTE昂1yTE皿L51R7imK圖3-2硬件電

51、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

52、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檢查，以防止電源短路和極性錯誤，并重點檢查系統總線是 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

53、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5V4. 8V之間屬正常。 若有高壓,聯機仿真器調試時，將會損壞仿真器等，有時會使應用系統中的集成塊發(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 卜I即可開始進行虛擬仿真17 o3.3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。本系統的軟 件程序完全由C