637機械工程測試技術(shù)(共18頁)

1、機械工程測試技術(shù)課程設(shè)計自行車車速/里程測量儀設(shè)計姓 名： 王新波 學(xué) 院： 機電工程學(xué)院 專 業(yè)： 機械設(shè)計制造及其自動化班 級： 2018級本科3班 學(xué) 號：201805130637完 成 日 期：2018年12月28日1 / 19摘摘要要本文介紹了霍爾傳感器測速的原理，設(shè)計了基于單片機AT89C51的測量車速系統(tǒng)。完成了車速測量系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計、霍爾傳感器測量電路的設(shè)計、顯示電路的設(shè)計。測量轉(zhuǎn)速的霍爾傳感器和車軸同軸連接，車軸每轉(zhuǎn)一周，產(chǎn)生一定量的脈沖個數(shù)，由霍爾器件電路部分輸出幅度為12V的脈沖。經(jīng)光電隔離器后成為輸出幅度為5V轉(zhuǎn)數(shù)計數(shù)器的計數(shù)脈沖?？刂贫〞r器計數(shù)時間，即可實現(xiàn)對車速

2、的測量。在顯示電路設(shè)計中，通過1602實現(xiàn)在LCD上直觀地顯示車輪的轉(zhuǎn)速值。與軟件配合，實現(xiàn)了顯示、報警功能。關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞：車速測量；霍爾傳感器；單片機；89C51；LCD2 / 19目錄目錄一、緒論11.1 設(shè)計內(nèi)容21.2 設(shè)計要求2二、霍爾傳感器測量車速系統(tǒng)硬件設(shè)計32.1 車速測量系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計32.1.1 總體硬件設(shè)計32.1.2 系統(tǒng)電路設(shè)計42.2 霍爾傳感器測量電路設(shè)計52.2.1 霍爾元件52.2.2 霍爾傳感器測量原理62.2.3 轉(zhuǎn)速測量方法62.2.4 反相器74LS1472.2.5 光電耦合器72.2.6 蜂鳴器92.3 單片機AT89C5192.3.1 AT89

3、C51芯片102.3.2 定時器102.3.3 外部中斷112.4 顯示電路設(shè)計112.4.1 1602字符型LCD簡介112.4.2 1602LCD的基本參數(shù)及引腳功能11三、霍爾傳感器測量車速系統(tǒng)軟件設(shè)計1133.1 設(shè)計思想1133.2 總體軟件流程113四、設(shè)計中的問題及解決方法144.1 出現(xiàn)的問題144.2 解決方法.14附錄完整電路圖15參考文獻16一、緒論一、緒論1.11.1 設(shè)計設(shè)計內(nèi)容內(nèi)容霍爾傳感器一般由霍爾元件和磁鋼組成，當霍爾元件和磁鋼相對運動時，就會產(chǎn)生脈沖信號，根據(jù)磁鋼和脈沖數(shù)量就可以計算轉(zhuǎn)速，進而求出車速?，F(xiàn)要求設(shè)計一個測量系統(tǒng)，在小車的適當位置安裝霍爾元件及磁鋼

4、，使之具有以下功能：1）LED數(shù)碼管顯示小車的行駛距離、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(zhuǎn)速是以單位時間內(nèi)轉(zhuǎn)數(shù)來衡量，在變換過程中多數(shù)是有規(guī)律的重復(fù)運動。根據(jù)霍爾效應(yīng)原理，將一塊永久磁鋼固定在車輪轉(zhuǎn)軸上的轉(zhuǎn)盤邊沿，轉(zhuǎn)盤隨側(cè)軸旋轉(zhuǎn)，磁鋼也將跟著同步旋轉(zhuǎn)，在轉(zhuǎn)盤下方安裝一個霍爾器件，轉(zhuǎn)盤隨軸旋轉(zhuǎn)時，受磁鋼所產(chǎn)生的磁場的影響，霍爾器件輸出脈沖信號，其頻率和轉(zhuǎn)速成正比。脈沖信號的周期與車輪的轉(zhuǎn)速有以下關(guān)系：7 / 19n= (2-1式中：n為車輪轉(zhuǎn)速；P為車輪轉(zhuǎn)一圈的脈沖數(shù)；T為輸出方波信號周期。根據(jù)式(2-1即可計算出小車的轉(zhuǎn)速?；魻柶骷怯砂雽?dǎo)體材料制成的一種薄

5、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(jié)果在器件的兩個側(cè)面之間產(chǎn)生霍爾電勢。其大小和外磁場及電流大小成比例?；魻栭_關(guān)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(zhuǎn)動物體旋轉(zhuǎn)速度領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。2.2.42.2.4反相器反相器74LS1474LS1474LS14是一個6反相器，引腳定義如圖2-5所示：A端為輸入端，Y端為輸出端，一片芯片一共6路，即1，3，5，9，11，13為輸入端，2，4，6，8，10，12為輸出端，輸出結(jié)果與輸入結(jié)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2-5反相器

6、引腳圖2.2.52.2.5光電耦合器光電耦合器光電耦合器，是近幾年發(fā)展起來的一種半導(dǎo)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8 / 19離等特點，被廣泛地應(yīng)用在電子技術(shù)領(lǐng)域及工業(yè)自動控制領(lǐng)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(guān)電路、數(shù)模轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(nèi)，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

7、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）和光敏器件又稱為單片微控制器，其基本結(jié)構(gòu)是將微型計算機的基本功能10 / 19部件：中央處理器CPU）、存儲器、輸入口、輸出口、定時器/計數(shù)器、中斷系統(tǒng)等全部集中在一個半導(dǎo)體芯片上。單片機結(jié)構(gòu)上的設(shè)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(shè)備

8、，才可以構(gòu)成實用的單片機應(yīng)用系統(tǒng)11。2.3.12.3.1 AT89C51AT89C51芯片芯片AT89C51是一種帶4K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器FPEROMFlash 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(shù)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。2.3.22.3.2定時器定時

9、器8051單片機內(nèi)部有兩個16位可編程定時器/計數(shù)器，記為T0和T1。它的工作方式可以通過指令對相應(yīng)的特殊功能寄存器編程來設(shè)定，或作定時器用，或作外部事件計時器用。定時器/計數(shù)器在硬件上由雙字節(jié)加法計數(shù)器TH和TL組成。作定時器使用時，計數(shù)脈沖由單片機內(nèi)部振蕩器提供，計數(shù)頻率為f/12,每個機器周期加1。8051單片機定時器/計數(shù)器的工作方式由特殊功能寄存器TMOD編程決定，定時器/計數(shù)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(shù)器，每當產(chǎn)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(shù)的增量

10、,再根據(jù)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(shè)置定時器的模式的。8051單片機的定時器/計數(shù)器是可編程的，在進行定時或計數(shù)操作之前要進行初始化編程。通常8051單片機定時器/計數(shù)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(shù)器初值,并將初值寫入TH和TL。3.根據(jù)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(shù)器。11 / 19在初始

11、化過程中，要設(shè)置定時或計數(shù)的初始值，這時需要進行一點運算。由于計數(shù)器是加法計數(shù)，并在溢出時產(chǎn)生中斷，因此初始值不能是所需要的計數(shù)模值，而是要從最大計數(shù)值減去計數(shù)模值所得才是應(yīng)當設(shè)置的計數(shù)初始值。假設(shè)計數(shù)器的最大計數(shù)值為M根據(jù)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：計數(shù)方式：X=M-要求的計數(shù)值2-2）定時方式：X=M-和地線GND(16腳，其控制原理與14腳的LCD完全一樣。2.4.22.4.2 16021602LCD的基本參數(shù)及引腳功能的基本參數(shù)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

12、，是否帶背光在應(yīng)用中并無差別。2.LCD1602主要技術(shù)參數(shù)12 / 19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(WHmm3.1602LCD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1234567符號VSSVDDVLRSR/WED0引腳說明電源地電源正極液晶顯示偏壓數(shù)據(jù)/命令選擇讀/寫選擇使能信號數(shù)據(jù)編號9101112131415符號D2D3D4D5D6D7BLA引腳說明數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)背光源正極第1腳：VSS為地電源

13、。第2腳：VDD接5V正電源。第3腳：VL為液晶顯示器對比度調(diào)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(chǎn)生“鬼影”，使用時可以通過一個10K的電位器調(diào)整對比度。第4腳：RS為寄存器選擇，高電平時選擇數(shù)據(jù)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13 / 19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(shù)據(jù)。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(shù)據(jù)線。第15腳：背光

14、源正極。第16腳：背光源負極。三、霍爾傳感器測量車速系統(tǒng)軟件設(shè)計三、霍爾傳感器測量車速系統(tǒng)軟件設(shè)計3.13.1設(shè)計思想設(shè)計思想本系統(tǒng)采用89C51中的中斷對轉(zhuǎn)速脈沖計數(shù)。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(shù)值，此值即為脈沖信號的頻率，代表的即是小車的轉(zhuǎn)速。3.23.2總體軟件流程總體軟件流程先進行初始化設(shè)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(shù)。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(shù)，即小車轉(zhuǎn)速。連續(xù)采樣三

15、次，取平均值記為一次轉(zhuǎn)速值。再進行數(shù)值的判斷，若數(shù)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。14 / 19四、四、設(shè)計中的問題及解決辦法設(shè)計中的問題及解決辦法4.14.1 出現(xiàn)的問題出現(xiàn)的問題1、邏輯故障2、元器件失效3、電源故障4.24.2 解決方法解決方法1排除邏輯故障顯示器部分調(diào)試為了使調(diào)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(diào)試時,分為兩個步驟：第一

16、,對其進行初始化。第二,將89C51與LCD結(jié)合起來,借助開發(fā)機,通過編制程序進行調(diào)試。若調(diào)試通過后,就可以編制應(yīng)用程序了。對于一些邏輯故障來說，這類故障往往是由于設(shè)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(yīng)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(shù)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(shè)計要求的型號、規(guī)格和安裝

17、是否一致。在保證安裝無誤后,用替換方法排除錯誤。15 / 193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(lián)機仿真器調(diào)試時,將會損壞仿真器等,有時會使應(yīng)用系統(tǒng)中的集成塊發(fā)熱損壞。附錄：完整電路圖附錄：完整電路圖16 / 19參考文獻參考文獻1成輝傳感器的理論與設(shè)計基礎(chǔ)及其應(yīng)用M北京：國防工業(yè)出版社.199917 / 19.30322任小青，王曉娟.基于AT89C51單片機的頻率計設(shè)計方法的研究J.青海大學(xué)學(xué)報.20095邵顯濤，陳明，李俊.基于霍爾傳感器電機轉(zhuǎn)