霍爾傳感器組成的轉(zhuǎn)速測量儀的設(shè)計

1、結(jié)課論文結(jié)課論文題 目：基于霍爾傳感器發(fā)動機轉(zhuǎn)速測儀設(shè)計基于霍爾傳感器發(fā)動機轉(zhuǎn)速測儀設(shè)計學(xué)生姓名： 學(xué)生學(xué)號： 系 別： 機電工程系 專 業(yè)： 機械化及其自動化 屆 別： 指導(dǎo)教師： 時 間： 1目目 錄錄1 摘要.22 系統(tǒng)概述.3 2.1 系統(tǒng)組成.3 2.2 霍爾傳感器測轉(zhuǎn)速原理及特性.5 2.3 光電式速度傳感器概述.6 2.4 系統(tǒng)工作原理及處理方法.7 2.4.1 系統(tǒng)工作原理.7 2.4.2 處理方法.93 霍爾傳感器測轉(zhuǎn)速系統(tǒng)的單元電路介紹.10 3.1 單片機的簡介 .12 3.2 脈沖產(chǎn)生電路設(shè)計.13 .3 霍爾傳感器選型.14 3.4 開關(guān)霍爾傳感器的性能分析.16 3

2、.5 系統(tǒng)顯示電路介紹.184.數(shù)碼管顯示和液晶顯示的利弊.185 基于霍爾傳感器測轉(zhuǎn)速系統(tǒng)的軟件設(shè)計.19參考文獻(xiàn).22附錄.242摘要摘要在工程實踐中，經(jīng)常會遇到各種需要測量轉(zhuǎn)速的場合，測量轉(zhuǎn)速的方法分為模擬式和數(shù)字式兩種。模擬式采用測速發(fā)電機為檢測元件，得到的信號是模擬量。數(shù)字式通常采用光電編碼器，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(yīng)用，特別是高性能價格比的單片機的出現(xiàn)，轉(zhuǎn)速測量普遍采用以單片機為核心的數(shù)字式測量方法。本文便是運用 STC89C51 單片機控制的智能化轉(zhuǎn)速測量儀。電機在運行過程中，需要對其進(jìn)行監(jiān)控，轉(zhuǎn)速是一個必不可少的一個參數(shù)。本系統(tǒng)就是對電

3、機轉(zhuǎn)速進(jìn)行測量，并可以和 PC 機進(jìn)行通信，顯示電機的轉(zhuǎn)速，并觀察電機運行的基本狀況。本設(shè)計主要用 STC89C51 作為控制核心，由霍爾傳感器、LCD 顯示器、HIN232CPE 電平轉(zhuǎn)換、及 RS232 構(gòu)成。詳細(xì)介紹了單片機的測量轉(zhuǎn)速系統(tǒng)及 PC 機與單片機之間的串行通訊。充分發(fā)揮了單片機的性能。本文重點是測量速度并顯示在 LCD 上。其優(yōu)點硬件是電路簡單，軟件功能完善，測量速度快、精度高、控制系統(tǒng)可靠，性價比較高等特點。關(guān)鍵字：STC89C51 單片機、 轉(zhuǎn)速、 霍爾傳感器2、 系統(tǒng)概述系統(tǒng)概述32.12.1 系統(tǒng)組成系統(tǒng)組成在測量電機轉(zhuǎn)速時我們從采用了電磁感應(yīng)式傳感器。當(dāng)電機轉(zhuǎn)動時，

4、帶動傳感器。這種傳感器可以將轉(zhuǎn)速信號轉(zhuǎn)變成一個對應(yīng)頻率的脈沖信號輸出，經(jīng)過信號處理后輸出到計數(shù)器。脈沖信號的頻率與電機的轉(zhuǎn)速是一種線性的正比關(guān)系，因此對電機轉(zhuǎn)速的測量，實質(zhì)上是對脈沖信號的頻率的測量。本課題采是以 STC89C52 單片機為核心將處理好的信號經(jīng)過數(shù)據(jù)處理轉(zhuǎn)換成所測得的實際十進(jìn)制信號的系統(tǒng)。系統(tǒng)硬件原理框圖如圖 2-1： 系統(tǒng)框圖原理如圖 2-1 所示，系統(tǒng)由傳感器、信號處理、顯示電路和系統(tǒng)軟件等部分組成。傳感器采用霍爾傳感器，負(fù)責(zé)將轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)化為脈沖信號。信號處理電路包含待測信號放大、波形變換、波形整形電路等部分，其中放大器實現(xiàn)對待測信號的放大,降低對待測信號的幅度要求，實現(xiàn)對小信

5、號的測量；波形變換和波形整形電路實現(xiàn)把正負(fù)交變的信號波形變換成可被單片機接受的 TTL/CMOS 兼容信號。 處理器采用 STC89C52 單片機，顯示器采用 LCD1602 液晶顯示器動態(tài)顯示。2.22.2 霍爾傳感器測轉(zhuǎn)速原理及特性霍爾傳感器測轉(zhuǎn)速原理及特性1、霍爾傳感器測速原理：霍爾器件是由半導(dǎo)體材料制成的一種薄片，器件的長、寬、高分別為 l、。若在垂直于薄片平面（沿厚度 ）方向施加外磁場，在沿方向的兩個端面加一外電場，則有一定的電流流過。由于電子在磁場中運動，所以將受到一個洛侖磁力，其大小為：qVBf 式中：f洛侖磁力， 載流子電荷， 載流子運動速度， 磁感應(yīng)強度。發(fā)動機霍爾傳感器單片

6、機STC89C52超速 報警液晶顯示轉(zhuǎn)速電源4這樣使電子的運動軌跡發(fā)生偏移，在霍爾元器件薄片的兩個側(cè)面分別產(chǎn)生電子積聚或電荷過剩，形成霍爾電場，霍爾元器件兩個側(cè)面間的電位差稱為霍爾電壓?；魻朒U電壓大小為： (mV) HUHRdBI/式中：霍爾常數(shù)， 元件厚度， 磁感應(yīng)強度， 控制電流HR設(shè) , 則=(mV)為霍爾器件的靈敏系數(shù)(mV/mA/T)，它表示該HKHRd/HUHKdBI/霍爾元件在單位磁感應(yīng)強度和單位控制電流下輸出霍爾電動勢的大小。應(yīng)注意，當(dāng)電磁感應(yīng)強度反向時，霍爾電動勢也反向。若控制電流保持不變，則霍爾感應(yīng)電壓將隨外界磁場強度而變化，根據(jù)這一原理，可以將兩塊永久磁鋼固定在電動機轉(zhuǎn)

7、軸上轉(zhuǎn)盤的邊沿，轉(zhuǎn)盤隨被測軸旋轉(zhuǎn)，磁鋼也將跟著同步旋轉(zhuǎn)，在轉(zhuǎn)盤附近安裝一個霍爾元件，轉(zhuǎn)盤隨軸旋轉(zhuǎn)時，霍爾元件受到磁鋼所產(chǎn)生的磁場影響，輸出脈沖信號。傳感器內(nèi)置電路對該信號進(jìn)行放大、整形，輸出良好的矩形脈沖信號，測量頻率范圍更寬，輸出信號更精確穩(wěn)定，已在工業(yè)，汽車，航空等測速領(lǐng)域中得到廣泛的應(yīng)用。其頻率和轉(zhuǎn)速成正比，測出脈沖的周期或頻率即可計算出轉(zhuǎn)速。 2、霍爾傳感器的特性:半導(dǎo)體磁敏傳感器是利用半導(dǎo)體材料中的自由電子和空穴隨磁場而改變其運動方向這一特性制成的，按其結(jié)構(gòu)可分為體型和結(jié)型兩大類。體型的主要有霍爾傳感器（材料主要是InSb、InAs、Ge、Si、GaAs）和磁敏電阻（材料主要有 In

8、Sb、InAs） ，結(jié)型的主要有磁敏二極管（材料主要是 Ge、Si）和磁敏三極管（材料主要是 Si） ?；魻杺鞲衅魇且环N基于霍爾效應(yīng)的磁傳感器?；魻栃?yīng)自 1879 年被美國物理學(xué)家愛德文霍爾發(fā)現(xiàn)至今已有 100 多年的歷史，但直到 20 世紀(jì) 50 年代，由于微電子學(xué)的發(fā)展，才被重視和開發(fā)，現(xiàn)在，已發(fā)展成一個品牌多樣的傳感器產(chǎn)品族，并得到廣泛的應(yīng)用?；魻杺鞲衅骺梢詸z測磁場及其變化，可在各種與磁場相關(guān)的場合中應(yīng)用?；魻杺鞲衅骶哂性S多優(yōu)點，其結(jié)構(gòu)牢固，體積小，質(zhì)量輕，壽命長，安裝方便，功能消耗小，頻率高，耐震動，不怕灰塵，油污，水汽及鹽霧等的污染或腐蝕?；魻杺鞲衅骺芍苯佑糜跈z測磁場或磁特性，也可

9、以通過在被檢對象上人為設(shè)置的磁場，來檢測許多非電、非磁的物理量，例如力、力矩、壓力、應(yīng)力、位置、位移、速度、加速度、角度、角速度、轉(zhuǎn)數(shù)、轉(zhuǎn)速以及工作狀態(tài)發(fā)生變化的時間等，還可轉(zhuǎn)換成電量來進(jìn)行檢測和控制。5圖 2.2 霍爾元件的原理結(jié)構(gòu)圖2.32.3 光電式速度傳感器概述光電式速度傳感器概述 光電式速度傳感器將速度的變化轉(zhuǎn)變成光通量的變化，在通過光電轉(zhuǎn)換元件將光通量的變化轉(zhuǎn)換成電量變化，光電轉(zhuǎn)換元件的工作原理是光電效應(yīng)。光電效應(yīng)是指用光照射某一物體，可以看作是一連串帶有一定能量為的光子轟擊在這個物體上，此時光子能量就傳遞給電子，并且是一個光子的全部能量一次性地被一個電子所吸收，電子得到光子傳遞的

10、能量后其狀態(tài)就會發(fā)生變化，從而使受光照射的物體產(chǎn)生相應(yīng)的電效應(yīng)可以分為三部分外光電效應(yīng)、內(nèi)光電效應(yīng)、光生伏特效應(yīng)。2.3.1速度檢測的原理 它是由裝在軸上的帶孔或縫隙的旋轉(zhuǎn)盤，光源，光接收器等組成，輸入軸與被測軸相連接。光源發(fā)出的光通過縫隙旋轉(zhuǎn)盤照射到光敏器件上，使光敏器件感光并產(chǎn)生電脈沖。轉(zhuǎn)軸連續(xù)轉(zhuǎn)動，光敏器件就輸出一系列與轉(zhuǎn)速及帶縫隙旋轉(zhuǎn)盤上縫隙數(shù)成正比的電脈沖數(shù)。在指示縫隙數(shù)一定的情況下，該脈沖數(shù)和轉(zhuǎn)速成正比。光電式速度傳感器原理圖 左圖 光線被遮住，接收器無信號 右圖 光線未被遮住，接收器有信號當(dāng)帶縫隙的旋轉(zhuǎn)盤隨被測軸轉(zhuǎn)動時，由于圓盤上的縫隙間距與指示縫隙的相同，因此帶縫隙旋轉(zhuǎn)盤每轉(zhuǎn)一

11、周，光敏器件輸出與之相等的電脈沖，根據(jù)測量時間內(nèi)的脈沖數(shù) N 就可測出測速為 n=60N/Zt，式中，Z 為帶縫隙旋轉(zhuǎn)盤上的縫隙數(shù)：n 為轉(zhuǎn)速。2.3.2 脈沖信號調(diào)理電路由光電傳感器輸出的電信號一般還要經(jīng)過相應(yīng)放大和整形調(diào)理電路處理以達(dá)到一般數(shù)字電路能識別的矩形脈沖。采用施密特觸發(fā)器在脈沖的產(chǎn)生和整形電路中應(yīng)用很廣。施密特觸發(fā)器是一種能夠把輸入波形整形成為適合于數(shù)字電路需要的矩形脈沖的電路。6同時該觸發(fā)器具有脈沖幅度鑒別且具有很好的抗干擾性。下圖為輸入輸出整形電路； 整形輸入輸出電路上圖可知通過施密特觸發(fā)器輸出的波形具有很好的方波脈沖特性，所以經(jīng)過放大整形電路后信號再傳給頻率計或者單片機內(nèi)部

12、的計數(shù)器通過一系列的數(shù)據(jù)運算就可以求得速度參數(shù)值了。 2.3.3 光電式傳感器速度檢測的優(yōu)越特性 光電速度傳感器為非接觸式轉(zhuǎn)速表光電速度傳感器采用光學(xué)原理制造，屬于非接觸式速度測量儀表，它的測量距離一般可達(dá) 200mm 左右。光電轉(zhuǎn)速傳感器的測量無需與被測量對象接觸，不會對被測量軸形成額外的負(fù)載，因此光電速度傳感器的測量誤差更小，精度更高。 光電速度傳感器的結(jié)構(gòu)緊湊光電速度傳感器的結(jié)構(gòu)緊湊，主要由投射光線部件、接收光線部件也就是光敏元件和放大元件等組成，因此光電速度傳感器的體積設(shè)計小巧、內(nèi)部結(jié)構(gòu)精致，非常便于使用者的攜帶、安裝和使用。 光電速度傳感器的抗干擾性好光電速度傳感器多采用 LED 作

13、為光線投射部件，極少會出現(xiàn)光線停頓的情況，也不會存在燈泡燒毀等故障危險。另外，光電速度傳感器的光源都是經(jīng)過特殊方式調(diào)制的，有極強的抗干擾能力，不會受普通光線的干擾。 光電速度傳感器的測量能力好光電速度傳感器的可采用光纖封裝，可于測量微小的物體，特別是微小旋轉(zhuǎn)體的測量，特別適用于高精密、小元件的機械設(shè)備測量。光電速度傳感器的運行穩(wěn)定，有良好的可靠性，測量的精度較高，能滿足使用者的測量要求。2.3.4 光電式速度傳感器應(yīng)用及發(fā)展前景光電式速度傳感器應(yīng)用及發(fā)展前景 光電速度傳感器由于非接觸、性能高等優(yōu)點，在測量速度時對被測物體損害小，所以其在測量領(lǐng)域有著舉足輕重的地位。比如現(xiàn)在很多電動車以及汽車都是

14、采用光電來檢測當(dāng)前的行駛速度，從而及時通過顯示器很直觀顯示給用戶。其實車速傳感器種類很多，但是當(dāng)車速高于 100km/h 時，一般其他傳感器測量的方法誤差較大，需采用非接觸式光電速度傳感器，測速范圍 0.5250km/h，重復(fù)精度 0.1%，距離測量誤差優(yōu)于 0.3%。除7了汽車速度里程表會涉及到光電式速度傳感器，汽車發(fā)動機也會用到傳感器。近年來生產(chǎn)的 DF4 型機車都采用光電式速度傳感器代測速交流電機軸光電式速度傳感器產(chǎn)生信號供列車監(jiān)控記錄裝置，軸產(chǎn)生的速度信號供機車雙針?biāo)俣缺?、勵磁調(diào)節(jié)器、輪緣涂油器。這主要是因為光電式速度檢測具有高精度、抗震動和檢修方便等優(yōu)點?，F(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)自動化設(shè)備越來越

15、多，其中多電機的檢測也十分普遍，其中用光電式傳感器對電機以及柴油機的轉(zhuǎn)速檢測也十分常見，現(xiàn)在很多電控柴油機的轉(zhuǎn)速參數(shù)檢測看重此傳感器的線性度好、分辨率高、噪音小等優(yōu)點而被選用。同時光電速度傳感器還和其他系統(tǒng)相互組成發(fā)展新興的產(chǎn)品設(shè)備，現(xiàn)在采用光電式速度傳感器和數(shù)據(jù)預(yù)處理電路及微機多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成的車輛道路性能檢測器，可以為交通部門提供方便、便捷、準(zhǔn)確、高效的車輛外場路面行駛性能檢測和新型車輛性能測試，是一種先進(jìn)的車輛性能虛擬測試系統(tǒng)。它不僅能測量速度，也可以檢測加速度，距離、車輛制動等多種性能。且這種儀器經(jīng)過使用，具有測量速度快、精確、功能擴(kuò)展性好、性價比高、能夠適用各種機動車輛性能測量。

16、同時，光電式非接觸傳感器還可以測量鋼板、編織等連續(xù)運動目標(biāo)的高精度測速度和測長。 在高速發(fā)展社會，人們對各類控制裝置技術(shù)要求越來越高。由于現(xiàn)在自動化程度、光電技術(shù)以及傳感器檢測技術(shù)迅速發(fā)展，加上現(xiàn)在對速度檢測也愈發(fā)重要。這就推動了光電式速度檢測的研究與發(fā)展了。目前光電式速度傳感器除了傳統(tǒng)意義上的速度檢測還主要朝著多用途、新型傳感器材料、創(chuàng)新傳感技術(shù)的開發(fā)、應(yīng)對惡劣環(huán)境條件下工作如高溫、高壓等；還有低成本傳感器的開發(fā)以及傳感器與其他微技術(shù)相結(jié)合應(yīng)用的發(fā)展。所以，以后不管是速度檢測還是其他物理量檢測的光電式傳感器以后發(fā)展前景非常好，應(yīng)用將更加廣泛。2.42.4 系統(tǒng)工作原理及處理方法系統(tǒng)工作原理及

17、處理方法2.4.1 系統(tǒng)工作原理：轉(zhuǎn)速是工程上一個常用的參數(shù)，旋轉(zhuǎn)體的轉(zhuǎn)速常以每分鐘的轉(zhuǎn)數(shù)來表示。其單位為 rmin。由霍爾元件及外圍器件組成的測速電路將電動機轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換成脈沖信號，送至單片機 STC89C51 的計數(shù)器 T0 進(jìn)行計數(shù)，用 T1 定時測出電動機的實際轉(zhuǎn)速。此系統(tǒng)使用單片機進(jìn)行測速，采用脈沖計數(shù)法，使用霍爾傳感器獲得脈沖信號。其機械結(jié)構(gòu)也可以做得較為簡單，只要在轉(zhuǎn)軸的圓盤上粘上兩粒磁鋼，讓霍爾傳感器靠近磁鋼，機軸每轉(zhuǎn)一周，產(chǎn)生兩個脈沖，機軸旋轉(zhuǎn)時，就會產(chǎn)生連續(xù)的脈沖信號輸出。由霍爾器件電路部分輸出，成為轉(zhuǎn)速計數(shù)器的計數(shù)脈沖。控制計數(shù)時間，即可實現(xiàn)計數(shù)器的計數(shù)值對應(yīng)機軸的轉(zhuǎn)速值。單

18、片機 CPU 將該數(shù)據(jù)處理后，通過 LCD 顯示出來。 傳感器 發(fā)動機單片機8 信號盤 GND 轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)安裝圖 2.4.2 處理方法:測速實際上就是測頻，通常可以用計數(shù)法、測脈寬法和等精度法來進(jìn)行測試。所謂計數(shù)法，就是給定一個閘門時間，在閘門時間內(nèi)計數(shù)輸入的脈沖個數(shù)；測脈寬法是利用待測信號的脈寬來控制計數(shù)門，對一個高精度的高頻計數(shù)信號進(jìn)行計數(shù)。由于閘門與被測信號不能同步，因此，這兩種方法都存在1 誤差的問題，第一種方法適用于信號頻率高時使用，第二種方法則在信號頻率低時使用。等精度法則對高、低頻信號都有很好的適應(yīng)性。此系統(tǒng)采用計數(shù)法測速。單片機 STC89C52 內(nèi)部具有 2 個 16 位定

19、時/計數(shù)器 ,定時/計數(shù)器的工作可以由編程來實現(xiàn)定時、計數(shù)和產(chǎn)生計數(shù)溢出中斷要求的功能。在構(gòu)成為定時器時,每個機器周期加 1(使用 12MHz 時鐘時,每 1us 加 1),這樣以機器周期為基準(zhǔn)可以用來測量時間間隔。在構(gòu)成為計數(shù)器時,在相應(yīng)的外部引腳發(fā)生從 1 到 0 的跳變時計數(shù)器加 1,這樣在計數(shù)閘門的控制下可以用來測量待測信號的頻率。3 霍爾傳感器測轉(zhuǎn)速系統(tǒng)的單元電路介紹霍爾傳感器測轉(zhuǎn)速系統(tǒng)的單元電路介紹3.13.1 單片機的介紹單片機的介紹本設(shè)計采用 STC89C52 芯片，芯片采用 40 腳雙列直插式封裝，32 個 I/O 口，芯片工作電壓 3.85.5V，工作溫度 070C（商業(yè)級

20、） ，工作頻率可高達(dá) 30MHz，芯片的外形和引腳見下圖（2） 圖（2） STC89C52 外形和引腳圖整形電路9STC89C52 是一種低功耗、高性能 CMOS8 位微控制器，具有 8K 在系統(tǒng)可編程 Flash 存儲器。使用高密度非易失性存儲器技術(shù)制造，與工業(yè) 80C51 產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。片上 Flash 允許程序存儲器在系統(tǒng)可編程，亦適于常規(guī)編程器。在單芯片上，擁有靈巧的 8 位 CPU 和在線系統(tǒng)可編程 Flash，使得 STC89C52 為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。 STC89C52 具有以下標(biāo)準(zhǔn)功能： 8k 字節(jié) Flash，256 字節(jié)RAM，

21、32 位 I/O 口線，看門狗定時器，2 個數(shù)據(jù)指針，三個 16 位 定時器/計數(shù)器，一個 6 向量 2 級中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口，片內(nèi)晶振及時鐘電路。另外，STC89C52 可降至0Hz 靜態(tài)邏輯操作，支持 2 種軟件可選擇節(jié)電模式?？臻e模式下，CPU 停止工作，允許RAM、定時器/計數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護(hù)方式下，RAM 內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復(fù)位為止。8 位微控制器 8K字節(jié)在系統(tǒng)可編程 Flash。P0P3 口結(jié)構(gòu)，第一功能、第二功能請參考數(shù)據(jù)手冊（STC89C52 數(shù)據(jù)手冊下載地址www.mcu-） 。其基本結(jié)構(gòu)框圖如圖 3.1，

22、包括：一個 8 位 CPU；4KB ROM；128 字節(jié) RAM 數(shù)據(jù)存儲器；26 個特殊功能寄存器 SFR； 4 個 8 位并行 I/O 口，其中 P0、P2 為地址/數(shù)據(jù)線，可尋址 64KB ROM 或 64KB RAM；一個可編程全雙工串行口；具有 5 個中斷源，兩個優(yōu)先級，嵌套中斷結(jié)構(gòu)；兩個 16 位定時器/計數(shù)器； 一個片內(nèi)震蕩器及時鐘電路；計數(shù)脈沖輸入 T0 T1 P0 P1 P2 P3 TXD RXD 0INT1INT時鐘源CPU串行接口并行 I/O 接口中斷系統(tǒng)特殊功能寄存器 SFR 128 字節(jié)RAM定時/計數(shù)器 T0、T14K ROM（EPROM）（8031 無）10 中斷

23、輸入圖 3.1 STC89C52 單片機結(jié)構(gòu)框圖STC89C52 系列單片機中 HMOS 工藝制造的芯片采用雙列直插(DIP)方式封裝,有 40 個引腳。STC89C52 單片機 40 條引腳說明如下:（1）電源引腳。V正常運行和編程校驗(8051/8751)時為 5V 電源,V為接地CCSS（2）I/O 總線。P- P（P0 口），P- P（P1 口），P- P（P2 口），0 . 07 . 00 . 17 . 10 . 27 . 2P- P（P3 口）為輸入/輸出引線。0 . 37 . 3（3）時鐘。XTAL1：片內(nèi)震蕩器反相放大器的輸入端。XTAL2：片內(nèi)震蕩器反相放器的輸出端，也是內(nèi)部

24、時鐘發(fā)生器的輸入端。（4）控制總線。由 P3 口的第二功能狀態(tài)和 4 根獨立控制線 RESET、EA、ALE、PSEN 組成。值得強調(diào)的是，P3 口的每一條引腳均可獨立定義為第一功能的輸入輸出或第二功能。如表 3.1 所示。表 3.1 P3 口線的第二功能定義：STC89C52 單片機的片外總線結(jié)構(gòu)： 地址總線（AB）：地址總線寬為 16 位，因此，其外部存儲器直接尋址為 64K 字節(jié)，16 位地址總線由 P0 口經(jīng)地址鎖存器提供 8 位地址（A0 至 A7） ；P2 口直接提供 8 位地址（A8 至 A15） 。 數(shù)據(jù)總線（DB）：數(shù)據(jù)總線寬度為 8 位，由 P0 提供。 控制總線（CB）：

25、由 P3 口的第二功能狀態(tài)和 4 根獨立控制線 RESET、EA、ALE、PSEN 組成。3.2 脈沖產(chǎn)生電路設(shè)計LM358 內(nèi)部包括有兩個獨立的、高增益、內(nèi)部頻率補償?shù)碾p運算放大器，適合于電源電壓范圍很寬的單電源使用，也適用于雙電源工作模式，在推薦的工作條件下，電源電流與電源電壓無關(guān)。它的使用范圍包括傳感放大器、直流增益模塊和其他所有可用單P3 口引腳及線號引腳第二功能P3.0 (10)RXD串行輸入口P3.1 (11)TXD串行輸出口P3.2 (12)INT0外部中斷 0P3.3 (13)INT1外部中斷 1P3.4 (14)T0定時器 0 外部輸入P3.5 (15)T1定時器 1 外部輸

26、入P3.6 (16)WR外部數(shù)據(jù)存儲器寫脈沖P3.7 (17)RD外部數(shù)據(jù)存儲器讀脈沖1132674LM32432674LM32432674LM358R11KR21KR310KR41KR610KR510KRf10K+15V+15V-15V-15V-15V+15VU0+15VPort電源供電的使用運算放大器的場合。 LM358 的封裝形式有塑封 8 引線雙列直插式和貼片式。特性:內(nèi)部頻率補償 直流電壓增益高(約 100dB) 單位增益頻帶寬(約 1MHz) 電源電壓范圍寬：單電源(330V)雙電源(1.5 一15V) 低功耗電流，適合于電池供電 低輸入偏流 低輸入失調(diào)電壓和失調(diào)電流 共模輸入電壓

27、范圍寬，包括接地 差模輸入電壓范圍寬，等于電源電壓范圍 輸出電壓擺幅大(0 至 Vcc-1.5V)如圖 3.2 所示，信號預(yù)處理電路為系統(tǒng)的前級電路，其中霍爾傳感元件 b,d 為兩電源端，d 接正極，b 接負(fù)極；a,c 兩端為輸出端，安裝時霍爾傳感器對準(zhǔn)轉(zhuǎn)盤上的磁鋼,當(dāng)轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)時，從霍爾傳感器的輸出端獲得與轉(zhuǎn)速率成正比的脈沖信號，傳感器內(nèi)置電路對該信號進(jìn)行放大、整形，輸出良好的矩形脈沖信號，圖中 LM358 部分為過零整形電路使輸入的交變信號更精確的變換成規(guī)則穩(wěn)定的矩形脈沖，便于單片機對其進(jìn)行計數(shù)。 b cHda圖 3.2 信號預(yù)處理電路3.33.3 霍爾傳感器選型霍爾傳感器選型12霍爾效應(yīng)自

28、 1879 年被美國物理學(xué)家愛德文霍爾發(fā)現(xiàn)至今已有 100 多年的歷史，但直到 20 世紀(jì) 50 年代，由于微電子學(xué)的發(fā)展，才被重視和開發(fā)，現(xiàn)在，已發(fā)展成一個品牌多樣的傳感器產(chǎn)品族，并得到廣泛的應(yīng)用?；魻杺鞲衅魇菍Υ琶舾械膫鞲性?，由磁鋼、霍耳元件等組成。測量系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速傳感器選用 OH137 的霍爾傳感器。 3.43.4 開關(guān)霍爾傳感器的性能分析開關(guān)霍爾傳感器的性能分析OH137 霍爾開關(guān)電路是為了適用客戶低成本高性能要求開發(fā)生產(chǎn)的系列產(chǎn)品，其應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，性能可靠穩(wěn)定。電路內(nèi)部由反向電壓保護(hù)器、電壓調(diào)整器，霍爾電壓發(fā)生器，差分放大器，史密特觸發(fā)器和集電極開路輸出級組成，能將變化的磁場訊號轉(zhuǎn)換

29、成數(shù)字電壓輸出。產(chǎn)品特點：產(chǎn)品一致性好、靈敏度可按照客戶要求定制、電路可和各種邏輯電路直接接口可實現(xiàn)功能：無觸點開關(guān)、位置檢測、速度檢測、流量檢測典型應(yīng)用領(lǐng)域：直流無刷電機、家用電器、縫紉設(shè)備、紡織機械、編碼器、安全報警裝置等自動化控制領(lǐng)域極限參數(shù)：（TA=25）電源電壓 VCC4.5-24V 輸出負(fù)載電流 IO25mA工作溫度范圍 TA -4085 貯存溫度范圍 TS -55150電特性：TA=25量 值參 數(shù)符號測試條件最小典型最大單位電源電壓VCC4.5-24V輸出低電平電壓VOLVcc=4.5V, RL=2K，BBOP-200400mV輸出漏電流IOHVout=Vccmax，BBRP-

30、0.110A電源電流ICCVCC=Vccmax OC 開路-35mA輸出上升時間trVcc=12V, RL=820, CL=20pF-0.121.20S輸出下降時間tfVcc=12V, RL=820, CL=20pF-0.141.40S磁特性： (VCC=4.524V) 1mT=10GS13量 值參 數(shù)符號最小典型最大單 位工作點BOP-18mT釋放點BRP2-mT回 差BH6-8mT測試電路：磁電轉(zhuǎn)換特性：外型尺寸圖：管腿說明：1.電源 2. 地 3.輸出使用注意：使用注意：1）安裝時要盡量減小施加到電路外殼或引線上的機械應(yīng)力。2）焊接溫度要低于 260，時間小于 3 秒。3）電路為 OC

31、輸出，需要在 1、3 腿（電源與輸出）之間加一上拉電阻。上拉電阻的阻值與工作電壓、通過電路的電流有關(guān)。VoutVcc=5VRLRL=820CL=20 pFCLBHBRPBOPBVOHVOL0功能方框圖：REGPin1.VCCPin3.VoutPin2.GND143.5 系統(tǒng)顯示電路介紹系統(tǒng)顯示電路介紹3.5.1晶顯示部分：晶顯示部分：顯示部分有兩個功能，在正常情況下，通過液晶顯示當(dāng)前轉(zhuǎn)速值，當(dāng)電機的轉(zhuǎn)速超過設(shè)定值通過蜂鳴器進(jìn)行報警。其硬件和連線顯示圖如下圖：處理器部分 處理器采用的是單片機，對霍爾傳感器的脈沖進(jìn)行處理，并將結(jié)果送給顯示器。其程序如附錄。報警部分 報警部分采用蜂鳴器，當(dāng)電機轉(zhuǎn)速超

32、過設(shè)定值時，處理器就會將蜂鳴器驅(qū)動發(fā)出警報。.2 LCDLCD 顯示電路顯示電路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(yīng)用中并無差別，兩者尺寸差別如下圖 x-2 所示：圖 x-2 1602LCD 尺寸圖顯示電路選擇液晶顯示屏 LCD6102，1602 字符型 LCD 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 LC15D 完全一樣。（1）1602LCD 主要技術(shù)參數(shù)顯示容量為 162 個字符；

33、芯片工作電壓為 4.55.5V；工作電流為 2.0mA（5.0V） ；模塊最佳工作電壓為 5.0V；字符尺寸為 2.954.35（WH）mm。其引腳說明如表 3.10，寄存器選擇與控制編碼如表3.11 表 3.10 1602 字符型 LCD 顯示器管腳功能引腳符號功能說明1VSS一般接地2VDD接電源（+5V）3V0液晶顯示器對比度調(diào)整端，接正電源時對比度最弱，接地電源時對比度最高（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） 。4RSRS 為寄存器選擇，高電平 1 時選擇數(shù)據(jù)寄存器、低電平 0 時選擇指令寄存器。5R/WR/W 為讀寫信號線，高電平(1)時進(jìn)

34、行讀操作，低電平(0)時進(jìn)行寫操作。6EE(或 EN)端為使能(enable)端，下降沿使能。7DB0底 4 位三態(tài)、 雙向數(shù)據(jù)總線 0 位（最低位）8DB1底 4 位三態(tài)、 雙向數(shù)據(jù)總線 1 位9DB2底 4 位三態(tài)、 雙向數(shù)據(jù)總線 2 位10DB3底 4 位三態(tài)、 雙向數(shù)據(jù)總線 3 位11DB4高 4 位三態(tài)、 雙向數(shù)據(jù)總線 4 位12DB5高 4 位三態(tài)、 雙向數(shù)據(jù)總線 5 位1613DB6高 4 位三態(tài)、 雙向數(shù)據(jù)總線 6 位14DB7高 4 位三態(tài)、 雙向數(shù)據(jù)總線 7 位（最高位） （也是 busy flag）15BLA背光電源正極16BLK背光 電源負(fù)極表 3.11 寄存器選擇控制

35、編碼 RSR/W操作說明00寫入指令寄存器（清除屏等）01讀 busy flag（DB7） ，以及讀取位址計數(shù)器（DB0DB6）值10寫入數(shù)據(jù)寄存器（顯示各字型等）11從數(shù)據(jù)寄存器讀取數(shù)據(jù)1602 液晶顯示模塊內(nèi)部的字符發(fā)生存儲器（ CGROM)中已經(jīng)存儲了 160 個不同的點陣字符圖形，這些字符有：阿拉伯?dāng)?shù)字、英文字母的大小寫、常用的符號、和日文假名等，每一個字符都有一個固定的代碼，比如大寫的英文字母 “A”的代碼是 01000001B（41H） ，顯示時模塊把地址 41H 中的點陣字符圖形顯示出來，就可以在顯示屏上看到字母“A” 。 1602 識別的是 ASCII 碼，試驗可以用 ASCI

36、I 碼直接賦值，在單片機編程中還可以用字符型常量或變量賦值，如 A 。 （2）控制器接口說明基本操作時序見表3.12 表3.12 基本操作時序讀狀態(tài)輸入RS=L，R/W=H，E=H輸出D0D7=狀態(tài)字寫指令輸入RS=L，R/W=L，D0D7=指令碼，E=高脈沖輸出無讀數(shù)據(jù)輸入RS=H，R/W=H，E=H輸出D0D7=數(shù)據(jù)17寫數(shù)據(jù)輸入RS=H，R/W=L，D0D7=數(shù)據(jù)，E=高脈沖輸出無對此液晶操作主要有以下幾種方法：寫命令（包括但不限于初始化、調(diào)節(jié)顯示位置、清除顯示）寫數(shù)據(jù) (把一個字符的ASC 碼寫入液晶使其顯示)讀忙信號（液晶乃低速設(shè)備，每次操作前應(yīng)該測試忙信號，確定其不忙時再操作）（3

37、）1602LCD的指令碼（命令碼）此液晶上電的時候需要初始化 典型的指令碼是38H，也就是上電的時候需要調(diào)用函數(shù)void write_cmd(unsigned char command)寫指令碼，即write_cmd(0 x38);執(zhí)行完這個函數(shù)可以把液晶初始化成16x2 顯示5x7 的點陣8 位總線接口。此液晶支持的指令碼如表3.13所示，控制液晶是否顯示，光標(biāo)是否顯示，光標(biāo)是否閃爍的指令如表3.14所示，控制寫字符，光標(biāo)或屏幕移動方向的指令如表3.15所示，移動光標(biāo)的指令如表3.16所示。 表3.13 指令碼說明 指令碼功能00001DCBD=1 開顯示；D=0 關(guān)顯示C=1 顯示光標(biāo)；C

38、=0 不顯示光標(biāo)B=1 光標(biāo)閃爍；B=0 光標(biāo)不顯示000001NSN=1 當(dāng)讀或?qū)懸粋€字符后地址指針加一，且光標(biāo)加一N=0 當(dāng)讀或?qū)懸粋€字符后地址指針減一，且光標(biāo)減一S=1 當(dāng)寫一個字符，整屏顯示左移（N=1） 或右移（N=0），以得到光標(biāo)不移動而屏幕移動的效果。S=1 當(dāng)寫一個字符，整屏顯示不移動表3.14 控制液晶顯示指令碼0000100008H關(guān)液晶顯示 光標(biāo)不閃爍 不顯示光標(biāo)位置0000100109H關(guān)液晶顯示 光標(biāo)不閃爍 顯示光標(biāo)位H關(guān)液晶顯示 光標(biāo)不閃爍 不顯示光標(biāo)位置000010110BH關(guān)液晶顯示 光標(biāo)不閃爍 顯示光標(biāo)位置000011000CH開液晶

39、顯示 光標(biāo)不閃爍 不顯示光標(biāo)位置000011010DH開液晶顯示 光標(biāo)不閃爍 顯示光標(biāo)位置000011100EH開液晶顯示 光標(biāo)不閃爍 不顯示光標(biāo)位置000011110FH開液晶顯示 光標(biāo)不閃爍 顯示光標(biāo)位置表3.15 寫完字符、光標(biāo)或屏幕移動方向指令碼指令碼功能80H+地址碼（0-27H，40H-67H）設(shè)置數(shù)據(jù)地址指針表3.16 移動光標(biāo)指令碼這是虛擬的液晶顯示圖 表示2 行16 列顯示 方框中的數(shù)字表示當(dāng)前位置的指針80H81H82H83H84H85H86H87H88H89H8AH8BH8CH8DH8EH8FHC0HC1HC2HC3HC4HC5HC6HC7HC8HC9HCAHCBHCCH

40、CDHCEHCFH指令碼功能01H顯示清屏：1.數(shù)據(jù)指針清零 2.所有顯示清零02H顯示回車：1數(shù)據(jù)指針清零194.4.數(shù)碼管顯示和液晶顯示的利弊數(shù)碼管顯示和液晶顯示的利弊 液晶顯示材料具有明顯的優(yōu)點：驅(qū)動電壓低、功耗微小、可靠性高、顯示信息量大、無閃爍、對人體無危害、生產(chǎn)過程自動化、成本低廉、可以制成各種規(guī)格和類型的液晶顯示器，便于攜帶等。但是需要有背光照明，且可視角度有限制。 1602 采用并口傳輸，速度快。數(shù)碼管，沒有驅(qū)動要加 CD4511 等外加電路。1602 內(nèi)部集成有顯示芯片，可以識別英文字母、阿拉伯?dāng)?shù)字，優(yōu)點：亮度高，顯示大。驅(qū)動部份的軟件簡單。 發(fā)光二極管響應(yīng)速度可以達(dá)到納秒級

41、，也可以用作顯示，比如點陣，但是分辨率稍低于液晶材料。因為其功率較大，可以用于照明，大量發(fā)光二極管用作照明時，要做好散熱設(shè)計。 數(shù)碼管實際就是做成了具體顯示形式的發(fā)光二極管，可以顯示某些預(yù)先設(shè)置的圖像，顯示成本低于發(fā)光二極管點陣，但是顯示內(nèi)容基本固定。數(shù)碼管顯示內(nèi)容單一，液晶則比較豐富；數(shù)碼管一般就是一個 7 段的 8 字，液晶可以顯示各種內(nèi)容。數(shù)碼管是自發(fā)光的，液晶是靠背光(環(huán)境)的。數(shù)碼管是LED 發(fā)光的效果，液晶是分子偏轉(zhuǎn)引起的暗影效果。數(shù)碼管比液晶耗電。5 5 基于霍爾傳感器的硬件電路設(shè)計基于霍爾傳感器的硬件電路設(shè)計霍爾傳感器測速原理圖霍爾傳感器測速原理圖20其測量過程大致是：測量轉(zhuǎn)速

42、的霍爾傳感器和電機軸同軸相連，并在機軸上安裝一個小磁鐵，機軸每轉(zhuǎn)一圈，與霍爾傳感器就接觸一次，霍爾傳感器感應(yīng)磁場的變化通過上拉電阻在輸出口會產(chǎn)生一個低電平，并送給單片機，相應(yīng)的發(fā)光二極管就會發(fā)亮，單片機 IO 口檢測到下降沿觸發(fā)中斷，通過控制計數(shù)的時間，即可實現(xiàn)計數(shù)器的計數(shù)值對應(yīng)機軸的轉(zhuǎn)速值。單片機將該值處理后，在液晶顯示器顯示出來。一旦超速，單片機就會同過蜂鳴器發(fā)出報警?？傮w硬件電路圖和 PCB 圖如下圖所示：5 5 基于霍爾傳感器測轉(zhuǎn)速系統(tǒng)的軟件設(shè)計基于霍爾傳感器測轉(zhuǎn)速系統(tǒng)的軟件設(shè)計5.15.1 軟件流程圖軟件流程圖本設(shè)計軟件主要為主程序、數(shù)據(jù)處理顯示程序、定時器中斷服務(wù)程序三個部分。（1

43、）主程序主要完成初始化功能，包括 LED 顯示的初始化，中斷的初始化，定時器的初21始化，寄存器、標(biāo)志位的初始化等。主程序流程圖如圖 5 所示。（2）數(shù)據(jù)處理顯示模塊程序。此模塊中單片機對在 1 秒內(nèi)的計數(shù)值進(jìn)行處理，轉(zhuǎn)換成r/min 送顯示緩存以便顯示。具體算法如下:設(shè)單片機每秒計數(shù)到 n 個值，即 n/2 (r/s)(圓盤貼兩個磁鋼)。則 n/2 (r/s)=30n(r/min)。即只要將計數(shù)值乘以 30 便可得到每分鐘電機的轉(zhuǎn)速。數(shù)據(jù)處理顯示模塊流程圖如圖 6 所示。圖 5-1 主程序流程圖 圖 5.2 數(shù)據(jù)處理顯示模塊流程圖 （3）定時器 1 中斷服務(wù)程序設(shè)計。定時器 1 完成計時功能，定時 50ms，進(jìn)行定時中斷計數(shù)并每隔 1s 更新一次顯示數(shù)據(jù)。流程圖如圖 7 所示。秒標(biāo)志位秒標(biāo)志位 flag=1返回返回送顯示緩沖器送顯示緩沖器轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)速的 16 進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成 10 進(jìn)制進(jìn)制 BCD 碼碼處理轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)換成處理轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)換成r/min開始開始LCD 顯示緩存初始化顯示緩存初始化調(diào)用顯示子程序調(diào)用顯示