電動機轉速測量系統(tǒng)的設計電氣工程和自動化畢業(yè)論文

1、圖書分類號：密 級：摘要電機是生產(chǎn)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。本文介紹了電機轉速測量常用的方法，給出了基于單片機STC89C52的直流電機轉速測量系統(tǒng)的設計方案，完成了電機轉速測量系統(tǒng)的硬件和軟件的設計。該系統(tǒng)以A44E開關型霍爾傳感器作為產(chǎn)生脈沖信號的主要元件，并利用所設計的信號調理電路對霍爾傳感器輸出的脈沖信號進行放大整形，將得到的方波信號送給單片機進行處理，把所得到的計數(shù)脈沖轉化為電機的轉速值，并在LCD液晶顯示器上直觀的顯示電機的轉速值。同時利用矩陣鍵盤對預先設定的高速值和低速值進行相關設置，超過高速或低于低速值時，實現(xiàn)聲光報警功能。關鍵詞 電動機；轉

2、速測量；STC89C52；霍爾傳感器AbstractMotor is very important in manufacturing, measuring its rotational speed becomes very essential and necessary.This article describes the common method of motor speed measurement ,it gives the DC motor speed measurement system design scheme,which based on STC89C52 single-chi

3、p microcomputer.The motor speed measurement system completes the hardware and software design. The system uses A44E Hall Switch Sensor as a main component of the pulse signal acquisition and uses the design of the signal conditioning circuit to amplify the output Hall sensor pulse , the square-wave

4、signal is sent to single chip microcomputer . the count the pulses gets into the motor speed value, and the LCD display motor speed value intuitively. At the same time,the system uses the matrix keyboard to set pre-set high and low value ,when the measured value over high-speed or lower than the low

5、 value, realize the acousto-optic alarm function.Keywords Motor Speed Measurement STC89C52 Hall Sensor44 / 48目 錄1 緒論11.1 課題研究的目的和意義11.2 轉速測量在國外的研究11.3 主要研究容22 電機轉速測量常用方法32.1 測頻法（“M法”）32.2 測周期法（“T法”）32.3 本設計系統(tǒng)中采用的方法43 系統(tǒng)總體方案設計53.1 各模塊方案論證與選擇53.1.1 傳感器論證與選擇53.1.2 單片機模塊論證與選擇63.1.3 顯示模塊論證與選擇63.1.4 報警模塊論

6、證與選擇73.2 總體設計方案74 硬件電路設計84.1 單片機最小系統(tǒng)設計84.1.1 時鐘電路84.1.2 復位電路84.1.2 電源電路104.2 穩(wěn)壓可調直流電源電路設計104.3 霍爾傳感器測量電路設計114.3.1 霍爾傳感器原理114.3.2 開關型霍爾傳感器124.4 信號處理電路設計134.5 顯示電路設計154.5.1 LCD1602簡介154.5.2 LCD顯示電路164.6 按鍵電路設計164.7 蜂鳴器報警電路設計175 軟件設計205.1 系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境205.2 系統(tǒng)開發(fā)語言205.3 軟件總體設計215.4 定時/計數(shù)中斷程序235.4.1 定時/計數(shù)器介紹235

7、.4.2 中斷控制245.4.3 定時/計數(shù)器初值計算255.4.4 定時中斷流程圖255.5 按鍵掃描程序流程圖265.6 速度計算與顯示程序285.6.1 速度計算285.6.2 速度值顯示處理程序285.7 報警程序流程圖286 系統(tǒng)調試296.1 Protues仿真296.2 硬件調試306.3 系統(tǒng)調試結果306.4 故障分析與解決方案32結論33致34參考文獻35附錄36附錄136附錄246附錄3471 緒論1.1 課題研究的目的和意義轉速是工程中應用非常廣泛的一個參數(shù)，其測量方法較多，傳統(tǒng)的測速方法一般以測速發(fā)電機為主要檢測元件，得到的是模擬量，這種測量技術已不能適應現(xiàn)代科技發(fā)展

8、的要求，在測量圍和測量精度上，已不能滿足大多數(shù)系統(tǒng)的使用。隨著大規(guī)模與超大規(guī)模集成電路技術的發(fā)展，數(shù)字系統(tǒng)測量得到普遍應用。由于單片機在測量轉速方面具有體積小、性能強、成本低的特點，越來越受到企業(yè)用戶的青睞，單片機對脈沖數(shù)字信號的強大處理能力，使得全數(shù)字化系統(tǒng)越來越普與，其轉速測量系統(tǒng)也可以用全數(shù)字化處理，在測量圍和測量精度方面都有極大的提高。以單片機為核心，設計的數(shù)字化轉速測量系統(tǒng)，使系統(tǒng)能達到更高的性能，具有較強的應用價值。它的研究結果可以用于我們的實際生活中，一方面它可以應用于工業(yè)控制中的某一部分，如數(shù)控車床的電機轉速檢測和控制、水泵流量控制以與需要利用轉速檢測來進行控制的許多場合，如車

9、輛的里程表、車速表等。另一方面由于該轉速測量系統(tǒng)采用全數(shù)字結構，因而可以很方便的實行遠程管理和控制，進一步提高現(xiàn)代化水平。總之，轉速測量系統(tǒng)的研究是一件非常有意義的課題。本課題研究的是電機轉速測量系統(tǒng)，對了解電機工作狀態(tài)，提高電機工作效率有很大的幫助，該課題主要是對電機轉速測量系統(tǒng)進行硬件和軟件的設計，同時從實際硬件電路出發(fā)，分析電路的工作原理，根據(jù)設計的具體情況提出修改方案和解決辦法。1.2 轉速測量在國外的研究轉速是能源設備與動力機械性能測試中的一個重要的特性參量，因為動力機械的許多特性參數(shù)是根據(jù)它們與轉速的函數(shù)關系來確定的，例如壓縮機的排氣量、軸功率、燃機的輸出功率等等，而且動力機械的振

10、動、管道氣流脈動、各種工作零件的磨損狀態(tài)等都與轉速密切相關。轉速測量的方法很多，根據(jù)轉速測量的工作方式可分為兩大類：接觸式轉速測量法與非接觸式轉速測量法。前者在使用時必須與被測轉軸直接接觸，如離心式轉速表測速法、測速發(fā)電機測速法等；后者在使用時不需要與被測轉軸接觸,如閃光測速法、光電碼盤測速法。(1)離心式轉速表測速法離心式轉速表是利用離心原理制成的測速儀表，可以直接讀出轉速。測轉速時，轉速表的端頭要插入電機轉軸的中心孔，插入前，應注意清除中心孔中的油污，并使轉速表的軸與電機的軸保持同心，不可上下左右偏斜，否則易將表軸扭壞，并影響準確讀數(shù)，而且轉速表要間歇使用，以減少磨損和發(fā)熱。如果要改變量程

11、，還要將轉速表取出停轉后再改變量程。(2) 測速發(fā)電機測速法測速發(fā)電機測轉速時，測速發(fā)電機連接到被測電機的軸端，將被測電機的機械轉速變換為電壓信號輸出E=CeFn，在輸出端接一個刻度以轉速為單位的電壓表，即可讀出轉速。(3) 閃光測速法閃光測速法是利用可調脈沖頻率的專用電源施加于閃光燈上，將閃光燈的燈光照到電機轉動部分(可在電機端軸上粘貼一標記紙片)，當調整脈沖頻率使黑色扇形片靜止不動時，此時脈沖的頻率與電機轉動的轉速是同步的。若脈沖頻率為f，則電機的轉速為n=60f(rmin)。(4) 光電碼盤測速法光電碼盤測速法是通過測出轉速信號的頻率或周期來測量電機轉速的一種無接觸測速法。光電碼盤安裝在

12、轉子端軸上，隨著電機的轉動，光電碼盤也跟著一起轉動，如果有一個固定光源照射在碼盤上，則可利用光敏元件，其接收到的光的次數(shù)就是碼盤的編碼數(shù)。若編碼數(shù)為60，測量時間為t，測量到的脈沖數(shù)為N，則n=N/t。1.3 主要研究容該系統(tǒng)要實現(xiàn)的功能有：1液晶顯示器實時顯示所測得的轉速值；2鍵盤對設定的高低速值進行相關設置；3實現(xiàn)聲光報警功能。為了實現(xiàn)系統(tǒng)功能，主要研究了以下容：1分析轉速測量常用的兩種方法；2根據(jù)電機轉速測量系統(tǒng)的要求選擇合適的傳感器；3系統(tǒng)各模塊的論證和選擇，總體方案的設計。4系統(tǒng)中各硬件模塊設計和軟件設計；5系統(tǒng)調試。2 電機轉速測量常用方法電機轉速測量的主要方法有測周期法（“T”法

13、）和測頻法（“M”法）。2.1 測頻法（“M法”）在一定測量時間T，測量脈沖發(fā)生器（替代輸入脈沖）產(chǎn)生的脈沖數(shù)來測量轉速，如圖2-1所示，設在時間T，轉軸轉過的弧度數(shù)為，則轉速n由式（2-1）計算得到。 式(2-1)轉軸轉過的弧度數(shù)的計算見式（2-2）。 式(2-2)圖2-1 “M”法測量轉速脈沖將式（2-2）式代入式（2-1），則轉速n的表達式見式（2-3）。式（2-3）式中n表示轉速單位：（轉/分）；T表示定時時間單位：（秒）；表示產(chǎn)生的脈沖個數(shù)。在該方法中，由于定時時間T和脈沖不能保證嚴格同步，以與在T能否正好測量外部脈沖的完整的周期不確定，所以可能產(chǎn)生1個脈沖的量化誤差。因此，為了提高

14、測量精度，T要有足夠長的時間。定時時間可根據(jù)測量對象預先設置。設置的時間過長，可以提高精度，而設置的時間過短，測量精度會受到一定的影響。而且在規(guī)定的檢測時間對脈沖個數(shù)計數(shù)，雖然檢測時間一定，但檢測的起止時間具有隨機性，當被測轉速較高時，才有較高的測量精度，并且測量準確度隨轉速的減小而降低，該方法適合于高速測量。2.2 測周期法（“T法”）轉速可以用兩脈沖產(chǎn)生的間隔寬度來決定。如圖2-2所示。通過定時器測得。定時器對時基脈沖(頻率為)進行計數(shù)定時，在計數(shù)值若為，則計算公式見式（2-4）。 式（2-4）即： 式（2-5）式中P表示為轉軸轉一周脈沖發(fā)生器產(chǎn)生的脈沖數(shù)；表示硬件產(chǎn)生的基準時鐘脈沖頻率：

15、單位（Hz）；n表示轉速單位：（轉/分）；表示時基脈沖。圖2-2 “T”法脈寬測量由“T”法可知，“T”法測量精度的誤差主要有兩個方面，一是由兩脈沖的上升沿觸發(fā)時間不一致而產(chǎn)生的；二是由計數(shù)和定時起始和關閉不一致而產(chǎn)生的。因此要求脈沖的上升沿（或下降沿）陡峭以與計數(shù)和定時嚴格同步。該方法在被測轉速較低（相鄰兩個轉速脈沖信號間隔時間較大）時，才有較高的測量精度，其測量準確度隨著轉速的增大而降低，適于低速測量。2.3 本設計系統(tǒng)中采用的方法通過分析可知，M法適合于高速測量，當轉速越低，產(chǎn)生的誤差會越大。T法適合于低速測量，轉速增高，誤差增大。由于本系統(tǒng)中所測的電機轉速較高，且基于M法的測量，其電路

16、和程序均較為簡單，所以本設計中采用M法進行測量。3 系統(tǒng)總體方案設計3.1 各模塊方案論證與選擇3.1.1 傳感器論證與選擇方案一：光電傳感器光電傳感器是應用非常廣泛的一種器件，有各種各樣的形式，如透射式、反射式等，光電轉速傳感器是根據(jù)光敏二極管工作原理制造的一種感應接收光強度變化的電子器件，當它發(fā)出的光被目標反射或阻斷時，則接收器感應出相應的電信號。它包含調制光源，由光敏元件等組成的光學系統(tǒng)、放大器、開關或模擬量輸出裝置。光電式傳感器由獨立且相對放置的光發(fā)射器和收光器組成。以透射式為例，如圖3-1所示，當不透光的物體擋住發(fā)射與接收之間的間隙時，開關管關斷，否則打開。為此可以制作一個遮光葉片如

17、圖3-2所示，安裝在轉軸上，當扇葉經(jīng)過時，產(chǎn)生脈沖信號。當葉片數(shù)較多時，旋轉一周可以獲得多個脈沖信號。圖3-1 光電傳感器的原理圖圖3-2 遮光葉片方案二：光電編碼器光電編碼器的工作原理與光電傳感器一樣，不過它已將光電傳感器、電子電路、碼盤等做成一個整體，只要用連軸器將光電傳感器的軸與轉軸相連，就能獲得多種輸出信號。它廣泛應用于數(shù)控機床、回轉臺、伺服傳動、機器人、雷達、軍事目標測定等需要檢測角度的裝置和設備中。將旋轉編碼器安裝在電機軸上，這樣每當電機轉過一圈編碼器就會發(fā)出一個脈沖，利用脈沖數(shù)對轉速進行測量。如圖3-3所示，是某光電編碼器的外形。圖3-3 成品光電編碼器方案三：霍爾傳感器霍爾傳感

18、器是對磁敏感的傳感元件，常用于開關信號采集的有CS3020、CS3040、A04E、A44E等，這種傳感器是一個3端器件，外形與三極管相似，只要接上電源、地，即可工作，輸出通常是集電極開路（OC）門輸出，工作電壓圍寬，使用非常方便。圖3-4 霍爾元件和磁鋼實際圖使用霍爾傳感器獲得脈沖信號，其機械結構也可以做得較為簡單，只要在轉軸的圓周上粘上一粒磁鋼，讓霍爾開關靠近磁鋼，就有信號輸出，轉軸旋轉時，就會不斷地產(chǎn)生脈沖信號。如果在圓周上粘上多粒磁鋼，可以實現(xiàn)旋轉一周獲得多個脈沖輸出,單片機根據(jù)脈沖數(shù)來計算轉速值?；魻栐痛配撊鐖D3-4所示。在粘磁鋼時要注意，霍爾傳感器對磁場方向敏感，粘之前可以先手

19、動接近一下傳感器，如果沒有信號輸出，可以換一個方向再試。由于光電傳感器受環(huán)境影響較大，且光電編碼器安裝不方便，由于軟連接的原因，很容易松動，可靠性差，而由霍爾元件構成的霍爾開關系統(tǒng)，具有輸出響應快，數(shù)字脈沖性能好，安裝方便，性能可靠，不受光線等因素影響，價格便宜的優(yōu)點。所以本設計采用方案三，使用霍爾傳感器采集脈沖信號。3.1.2 單片機模塊論證與選擇方案一：采用單片機AT89C52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)。AT89C52片具有8K字節(jié)程序存儲空間，256字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲空間,與MCS-51系列單片機完全兼容，具有在線編程可擦除技術。方案二：采用型號為STC89C

20、52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是一種低功耗、高性能CMOS8位單片機，片集成了8KB可重復編程的FLASH程序存儲器。256字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲空間，具有TSP功能，可直接通過串口下載用戶程序，方便調試程序，帶有2KB的EEPROM存儲空間，與MCS-51完全兼容。兩種單片機都能滿足設計需要，但STC89C52相對于AT89C52價格便宜，且抗干擾能力強，考慮到成本因素，因此選擇方案二。3.1.3 顯示模塊論證與選擇方案一：采用LED數(shù)碼管動態(tài)掃描,LED數(shù)碼管價格適中,亮度高，顯示數(shù)字合適,但是連接復雜，耗電流大，驅動電路復雜。方案二：采用

21、點陣式數(shù)碼管顯示，點陣式數(shù)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(shù)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液晶顯示器。因此選擇方案三。3.1.4 報警模塊論證與選擇方案一：采用蜂鳴器和發(fā)光二極管作為報警的主要器件。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(tǒng)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。3.

22、2 總體設計方案本系統(tǒng)的硬件主要由電機，霍爾傳感器，信號調理電路，STC89C52單片機，LCD液晶顯示器，矩陣鍵盤，報警系統(tǒng)組成。電機測速原理是在非磁材料的圓盤邊上粘貼兩塊磁鋼，霍爾傳感器固定在圓盤外緣，當電機轉動時，磁鋼經(jīng)過霍爾傳感器正前方，改變了磁通密度，電機每轉動一圈，霍爾傳感器便輸出兩個脈沖，隨著轉盤的不斷轉動，就不斷產(chǎn)生脈沖信號，經(jīng)放大整形電路后送入單片機處理，轉化為計數(shù)脈沖，脈沖信號的頻率與轉動速度成正比，根據(jù)單位時間間隔的脈沖數(shù)，就可獲得被測電機轉速。系統(tǒng)原理框圖見圖3-5。圖3-5轉速測量系統(tǒng)框圖其中傳感器部分采用A44E開關型霍爾傳感器，負責將被測量轉化為脈沖信號。信號調理

23、電路實現(xiàn)對待測信號的放大整形，降低對待測信號幅度要求，實現(xiàn)對小信號的測量。處理器采用STC89C52單片機，負責對采集到的數(shù)據(jù)進行處理。顯示器采用LCD液晶顯示器，負責顯示測得的轉速值與預設的高速、低速值。采用矩陣鍵盤對高速、低速值進行加減以與按鍵聲、報警聲的相關設置，當測得的轉速值超過高速或不足低速值時，就實現(xiàn)聲光報警功能。4 硬件電路設計4.1 單片機最小系統(tǒng)設計單片機的最小系統(tǒng)是指一個真正可用的單片機的最小配置系統(tǒng)，由時鐘電路、復位電路和電源電路組成。4.1.1 時鐘電路單片機各功能部件的運行都是以時鐘控制信號為基準，有條不紊的工作。時鐘電路是單片機的心臟，它控制著單片機的工作節(jié)奏。ST

24、C89C52單片機部有一個反相放大器，XTAL1、XTAL2分別為反相放大器的輸入和輸出端，接晶振和兩個負載電容元件以后就組成振蕩器，產(chǎn)生時鐘送至單片機部的各個部件。電路中的電容C7和C8典型值通常選擇為20pf-30pf之間。對外接電容的值雖然沒有嚴格的要求，但電容的大小會影響振蕩器的頻率的高低，振蕩器的穩(wěn)定性和起振的快速性。時鐘電路中，晶振的振蕩頻率圍通常在1.2MHZ-12MHZ之間。晶振的頻率越高，則系統(tǒng)的時鐘頻率也就越高，單片機的運行速度也就越快。但反過來運行速度快對存儲器的速度要求就高，對印制電路板的工藝要求也高，晶振和電容應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

25、振蕩器穩(wěn)定，可靠地工作。綜合考慮，本設計采用30pf的電容，晶振的頻率采用12MHZ,時鐘電路在本系統(tǒng)中采用并聯(lián)方式，最后連接在單片機的18腳和19腳，其電路圖見圖4-1。圖4-1時鐘電路4.1.2 復位電路單片機在啟動運行時都需要復位，復位使中央處理器CPU和部其他部件處于一個確定的初始狀態(tài)，從這個狀態(tài)開始工作。當單片機執(zhí)行程序出錯或進入死循環(huán)時，也可重新啟動。單片機有一個復位引腳RST，高電平有效。在時鐘電路工作以后，當外部電路使得RST端出現(xiàn)2個機器周期（24個時鐘周期）以上的高電平，系統(tǒng)部復位。復位有兩種方式：上電復位和按鈕復位，本系統(tǒng)采用的是按鈕復位電路，見圖4-2。圖4-2復位電路

26、圖其中電容接VCC，電阻接地，RESET腳接在它們中間，電容選擇10uF，按鈕與電容并聯(lián)，后與10K電阻串聯(lián)，就成了按鈕復位電路。只要RST保持高電平，單片機將循環(huán)復位。復位期間，ALE、PSEN輸出高電平。RST從高電平變?yōu)榈碗娖胶?，PC指針變?yōu)?000H，使單片機從程序存儲器地址為0000H的單元開始執(zhí)行程序。復位后，部各個寄存器的初始容見表4-1。表4-1 復位后寄存器狀態(tài)表特殊功能寄存器初始狀態(tài)特殊功能寄存器初始狀態(tài)ABPSW00H00H0000HTMODTCONTH000H00H00HSPDPLDPHP0P3IPIE07H00H00HFFHXX000000B0X000000BTL0T

27、H1TL1SBUFSCONPCON00H00H00H不定00H0XXX0000B4.1.2 電源電路本系統(tǒng)采用USE接口對系統(tǒng)板上各模塊供電，提供+5V電源。電源電路圖見圖4-3.圖4-3 電源電路圖當開關S1按下時，二極管綠燈亮，此時電源電路接通，各模塊可以開始正常工作。4.2 穩(wěn)壓可調直流電源電路設計本系統(tǒng)采用LM317T三端可調式穩(wěn)壓器設計一個穩(wěn)壓可調直流電源，通過改變輸出電壓改變電機轉動的頻率，從而使電機產(chǎn)生不同的轉速。LM317T是美國國家半導體公司的三端可調正穩(wěn)壓器。我國和世界各大集成電路生產(chǎn)商均有同類產(chǎn)品可供選用，是使用極為廣泛的集成穩(wěn)壓器。它的使用非常簡單，僅需兩個外接電阻來設

28、置輸出電壓。此外它的線性調整率和負載調整率也比標準的固定穩(wěn)壓器好。LM317T置有過載保護、安全區(qū)保護等多種保護電路。 其性能參數(shù)為：·可調整輸出電壓1.25V-37V。·保證1.5A輸出電流。·典型線性調整率 0.01%。·典型負載調整率 0.1%。·80dB紋波抑制比。·輸出短路保護。·過流、過熱保護。·調整管安全工作區(qū)保護。其封裝見圖4-4。圖4-4 LM317T封裝圖LM317T原理：由Vin端（3腳）給它提供工作電壓以后，它便可以保持其Vout端(2腳)比其ADJ端(1腳)的電壓高1.25V。因此，只需要

29、用極小的電流來調整ADJ端的電壓，便可在Vout端得到比較大的電流輸出，并且電壓比ADJ端高出恒定的1.25V。還可以通過調整滑動變阻器的抽頭位置來改變輸出電壓，但是LM317T會保證接入ADJ端和Vout端的那部分電阻上的電壓為1.25V。穩(wěn)壓電路圖見圖4-5。圖4-5 穩(wěn)壓電路原理圖圖中當通電時，則黃色二極管DS1亮。C1、C5選擇的是1000uF的電容，C2、C4選擇的是0.1uF的電容，用來對低頻濾波，C3選擇的是0.1uF的電容，其作用也是對LM317T的1腳的電壓進行小小的濾波，以提高輸出電壓的質量，屬于高頻濾波。R2選擇的是240歐姆的電阻，通過改變R3的阻值可以調整輸出電壓值,

30、從而改變電機轉動頻率。電源電路工作原理是：將220V的交流電送到變壓器的線圈，從線圈感應出約12V的電壓送到4個二極管，因為交流電的特點是方向和電壓大小一直隨時間變化，即它正負極是不固定的，二極管的作用是只允許電流從它的正極流向它的負極，這就是二極管整流的原理，此時，電壓大小還在發(fā)生變化，電容器有存儲電能的特性，在電壓較高時向電容器中充電，在電壓較低時便由電容器向電路供電，這個過程叫作濾波，圖4-5中C1的作用就是這樣。經(jīng)C1濾波后比較穩(wěn)定的直流電送到三端穩(wěn)壓集成電路LM317T的Vin端（3端），通過改變滑動變阻器的阻值，可以調整輸出電壓值，從而改變電機的轉動頻率。其中，輸出電壓見式（4-1

31、）。Vout=1.25(1+R3/R2) 式（4-1）4.3 霍爾傳感器測量電路設計4.3.1 霍爾傳感器原理霍爾傳感器是利用霍爾效應原理制成的一種磁敏傳感器。它是近年來為適應信息采集的需要而迅速發(fā)展起來的一種新型傳感器，這類傳感器具有工作頻帶寬，響應快、面積小、靈敏度高、無缺點、便于集成化、多功能化等優(yōu)點，且易與計算機和其它數(shù)字儀表接口，因此被廣泛用于自動監(jiān)測、自動測量、自動報警、自動控制、信息傳遞、生物醫(yī)學等各個領域。其測量原理為：金屬或半導體薄片的兩個端面通以控制電流I，并在薄片的垂直方向上施加磁感應強度為B的磁場，則在垂直于電流和磁場的方向上將產(chǎn)生電勢Uh，稱為霍爾電勢或霍爾電壓?；魻?/p>

32、電勢Uh=KhIB(其中Kh為霍爾元件靈敏度，它與所用的材料與幾何尺寸有關)。這種現(xiàn)象稱為霍爾效應，而用這種效應制成的元件稱為霍爾元件?；魻杺鞲衅髟韴D見圖4-6。圖4-6 霍爾傳感器磁場效應4.3.2 開關型霍爾傳感器本系統(tǒng)采用開關型霍爾傳感器A44E。它的性能參數(shù)為：·工作點：35-450；·釋放點：25-430；·回差：>20；·輸入電壓：4.5-24V;·工作電流：20mA;·工作溫度：-40-85攝氏度；它部由穩(wěn)壓器A、硅霍爾片B、差分放大器C、施密特觸發(fā)器D和OC門輸出E五部分組成，如圖4-7所示從輸入端1輸入電壓V

33、cc，經(jīng)穩(wěn)壓器A穩(wěn)壓后加在硅霍爾片B的兩端，以提供恒定不變的工作電流在垂直于霍爾片的感應面方向施加磁場，產(chǎn)生霍爾電勢差Vw，該信號經(jīng)差分放大器c放大后送至施密特觸發(fā)器D整形當磁場達到“工作點”(即Bop)，見圖4-8，觸發(fā)器D輸出高電壓(相對于地電位)，使三極管E導通，輸出端V。輸出低電位，此狀態(tài)稱為“開”。當施加的磁場達到“釋放點”(即)時，觸發(fā)器D輸出低電壓，使三極管E截止，輸出端V。輸出高電位，此狀態(tài)稱為“關”。這樣2次高低電位變換，使霍爾傳感器完成了1次開關動作。圖4-7 開關型霍爾傳感器構成圖開關型霍爾傳感器的工作特性見圖4-8。圖4-8 開關型霍爾傳感器工作特性霍爾傳感器的電路圖見

34、圖4-9.A44EVCCGND12310KOUT 圖4-9 霍爾傳感器電路圖其中，A44E霍爾元件的1腳接+5V電源，2腳接地，3腳是輸出端，接LM358的3腳作為輸入信號。4.4 信號處理電路設計當電動機轉動的時候，霍爾傳感器會輸出一系列與轉速成正比的脈沖信號，但霍爾傳感器的輸出的信號一般電平較低，不能被單片機很好的識別計數(shù)顯示，所以需要對其進行放大整形，這一環(huán)節(jié)主要由集成運算放大器構成的電壓比較器來實現(xiàn)。該設計在信號處理電路中選用LM358進行設計。LM358部包括有兩個獨立的高增益、部頻率補償?shù)碾p運算放大器，適合于電源電壓圍很寬的單電源使用，也適用于雙電源工作模式。它的使用圍包括傳感放大

35、器、直流增益模塊和其他所有可用單電源供電的使用運算放大器的場合。LM358的管腳見圖4-10。圖4-10 LM358管腳圖LM358的特性(Features):· 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· 低輸入失調電壓和失調電流· 共模輸入電壓圍寬，包括接地· 差模輸入電壓圍寬，等于電源電壓圍· 輸出電壓擺幅大(0 至Vcc-

36、1.5V)· 共模抑制比80dB· 電源抑制比100dB.設計的脈沖信號調理電路圖見圖4-11。圖4-11 信號調理電路在該圖中，LM358本質作為一個電壓比較器，把R14作為一個基準電壓，由霍爾傳感器輸出的電壓傳到LM358的“+”輸入端，與“-”輸入端的基準電壓相比較，當“+”端電壓高于“-”端電壓時，則LM358電壓比較器輸出為高電平，當“+”端電壓低于“-”級電壓時，則電壓比較器輸出為低電平，此時二極管DS6燈亮。二極管DS6作為一個指示信號。電阻R12的作用是分壓，二極管的驅動電壓約是2V，所以R12要分掉約3V的電壓。R13的作用是限流。4.5 顯示電路設計4.

37、5.1 LCD1602簡介字符型液晶顯示模塊是一種專門用于顯示字母、數(shù)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。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。一般1602字符型液晶顯示器實物見圖4-12。圖4-12 液晶顯示器實物圖1.LCD1602主要技術參數(shù)·顯示容量:16×2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；&#

38、183;字符尺寸:2.95×4.35(W×H)mm。2.1602LCD引腳功能第1腳：VSS為地電源。第2腳：VDD接5V正電源。第3腳：VO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(chǎn)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(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

39、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：背光源正極。第16腳：背光源負極。4.5.2 LCD顯示電路本設計中LCD顯示器的7-14腳接單片機的P0口，RS接P2.7口，RW接P2.6口，EN接P2.5口，同時加上上拉電阻，該LCD顯示器為兩行顯示，第一行顯示測得的當前速度值，第二行顯示設置的高速值，低速值。電路設計如下圖4-13所示。圖4-13 液晶顯示電路4.6 按鍵電路設計本系統(tǒng)需要對預設的高低速值進行設置，需要用到鍵盤，鍵盤一般分為獨立式鍵盤和矩陣鍵盤。當按鍵數(shù)量較少時，用獨立鍵盤較合適。當按鍵數(shù)量較多時，往往采用矩陣式鍵盤，

40、可以節(jié)省I/O接口線，而且鍵位越多，情況越明顯，矩陣鍵盤用I/O接口線組成行、列結構，鍵位設置在行列的交點上。例如4*4的行、列結構可組成16個鍵的鍵盤，比一個鍵位用一根I/O接口線的獨立式鍵盤少了一半的I/O接口線，。在本設計中，矩陣式鍵盤直接連接于單片機的P1口。P1的8條I/O口線分為4條行線和4條列線，P1.0-P1.3口接矩陣鍵盤的行線，P1.4-P1.7口接矩陣鍵盤的列線，按鍵開關的兩端分別接在行線和列線上。其接口電路見圖4-14。圖4-14 鍵盤電路圖由圖和相應的鍵的鍵值定義的各個鍵的功能如下：S1S4號鍵： 高速值-10，高速值-1，高速值+1，高速值+10；S5S8號鍵： 低

41、速值-10，低速值-1，低速值+1，低速值+10；S9S12號鍵： 無定義；S13S16號鍵： 按鍵聲開，按鍵聲關，報警聲開，報警聲關。4.7 蜂鳴器報警電路設計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、機、定時器等電子產(chǎn)品中，作為發(fā)聲器件。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、振動膜片與外殼等組成。蜂鳴器實物見圖4-15。圖4-15 報警器圖蜂鳴器發(fā)聲原理：電流通過電磁線圈，使電磁線圈產(chǎn)生磁場來驅動振動膜發(fā)聲的，因此需要一定的電流才能驅動它，單片機IO引腳輸出的電流較小，單片機輸

42、出的TTL電平基本上驅動不了蜂鳴器，因此需要增加一個電流放大的電路。本設計采用S8550PNP小功率三極管進行放大電流，其引腳圖見圖4-16。圖4-16 S8550引腳圖其主要性能參數(shù)為：·耗散功率0.625W（貼片：0.3W）；·放大倍數(shù) 50-200；·集電極到發(fā)射極電壓Vceo為25V；·集電極到基極電壓Vcbo為40V；·發(fā)射極到基極電壓Vebo為0.6V；·集電極連續(xù)電流0.5A；·引腳排列為EBC或ECB；·按三極管后綴號分為BCD檔，貼片為LH檔；·放大倍數(shù)B85-160，C120-200,

43、D160-300,L100-200,H200-350.報警模塊主要負責聲音報警和燈光報警，報警電路均比較簡單，聲音報警由單片機引腳接上拉電阻，晶體管與揚聲器構成，燈光報警由三個發(fā)光二極管和電阻串聯(lián)構成，電路接線圖見圖4-17。圖4-17 蜂鳴器報警電路蜂鳴器的正極性的一端連接到5V電源上面，另一端連接到三極管的集電極，三極管的基極和一個1K的電阻串聯(lián)由單片機的P2.0管腳導通，當P2.0口輸出低電平時，電路導通，蜂鳴器響，當P2.0口輸出高點平時，電路不導通，蜂鳴器不響，由P2.0口不斷地輸出101010的高低電平，驅動聲光報警電路報警。當測得的轉速不足所設定的低速值時，則發(fā)光二極管DS3亮。

44、若測得的轉速值高于所設計的高速值時，則發(fā)光二極管DS5亮。當測得的轉速值在設定的低速值和高速值之間時，則發(fā)光二極管DS4亮。5 軟件設計5.1 系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境隨著單片機開發(fā)技術的不斷發(fā)展，單片機的開發(fā)軟件也在不斷發(fā)展，Keil軟件是目前流行的用于開發(fā)51系列單片機的軟件。該軟件提供了包含C編譯器、宏匯編、器庫管理和一個功能強大的仿真調試器等在的完整開發(fā)方案，通過一個集成開發(fā)環(huán)境（Vision）將這些部分組合在一起。運行Keil軟件需要Pentium或以上的CPU，16MB或更多RAM、20MB以上空閑的硬盤空間、Win98、NT、Win2000、WinXP等操作系統(tǒng)。其界面見圖5-1.圖5-1

45、Kell運行環(huán)境界面5.2 系統(tǒng)開發(fā)語言KeilC51是美國Keil Software公司出品的51系列兼容單片機C語言軟件開發(fā)系統(tǒng)。與匯編相比，C語言在功能上、結構性、可讀性、可維護性上有明顯的優(yōu)勢，因而易學易用。用過匯編語言后再使用C來開發(fā)，體會更加深刻。C語言具有良好的模塊化，容易閱讀和維護等優(yōu)點。由于模塊化，用C語言編寫的程序有很好的可移植性，功能化代碼能夠很方便地從一個工程移植到另一個工程，從而減少開發(fā)時間。用C語言編寫程序比用匯編編寫程序更符合人們的思考習慣，開發(fā)者可以更專心地考慮算法而不是考慮一些細節(jié)問題，這樣就減少了開發(fā)和調試時間。使用像C這樣的語言，編寫者不必十分熟悉處理器的

46、運算過程。很多處理器支持C編譯器，這意味著對新的處理器也能很快上手，而不必知道處理器的具體部結構，這使得用C語言編寫的程序比匯編程序有更好的可移植性。對大多數(shù)51系列單片機，使用C語言這樣的高級語言與使用匯編語言相比具有如下優(yōu)點：(1)不需要了解處理器的指令集，也不必了解存儲器結構；(2)寄存器分配和尋址方式由編譯器進行管理，編程時不需要考慮存儲器的尋址和數(shù)據(jù)類型等細節(jié)；(3)指定操作的變量選擇組合提高了程序的可讀性；(4)可使用與人的思維更相近的關鍵字和操作函數(shù)；(5)與使用匯編語言編程相比，程序的開發(fā)和調試時間大大縮短；(6)C語言中的庫文件提供許多標準的方程，例如：格式化輸出、數(shù)據(jù)轉換和

47、浮點運算等；(7)通過C語言可實現(xiàn)模塊編程技術，從而可將已編制好的程序加入到新程序中；(8)C語言可移植性好且非常普與，C語言編譯器幾乎適用于所有的目標系統(tǒng)，已完成的軟件項目可以很容易地轉換到其它的處理器或環(huán)境中。所以在本畢業(yè)設計中選用單片機C語言來進行程序代碼的編寫。5.3 軟件總體設計根據(jù)系統(tǒng)要求，對軟件進行了整體設計，該軟件系統(tǒng)實現(xiàn)的功能是在單片機部計數(shù)，在計算出轉速后進行顯示，設定按鍵的各個功能，實現(xiàn)聲光報警。整個系統(tǒng)軟件由主程序、T0中斷服務子程序，鍵盤掃描子程序，轉速值計算顯示子程序，蜂鳴器子程序與延時子程序等組成。軟件總體框圖見圖5-2。圖5-2總體框圖主程序主要完成系統(tǒng)初始化功

48、能，包括LCD顯示初始化，定時/計數(shù)器初始化，中斷開、關等功能。中斷程序主要完成定時、計數(shù)功能。轉速值顯示子程序主負責將測得的當前轉速值的顯示和設定的高速、低速值的顯示。蜂鳴器程序主要完成報警功能。主程序流程圖見圖5-3。圖5-3主程序流程圖主程序部分流程圖如下：main() lcd_init(); /初始化LCDTMOD=0x51; /設置定時器工作方式，即T0為16位定時器、T1為16位計數(shù)器TH0=0x3C;TL0=0xB0;/T0初始化TH1=0x00;TL1=0x00;/T1初始化EA=1; /打開總中斷ET0=1; /允許T0中斷TR0=1;TR1=1; /啟動T0，T1while

49、(1) 5.4 定時/計數(shù)中斷程序5.4.1 定時/計數(shù)器介紹定時/計數(shù)器的實質是加1計數(shù)器（16位），由高8位和低8位兩個寄存器組成。TMOD是定時/計數(shù)器的工作方式寄存器，確定工作方式和功能；TCON是控制寄存器，控制T0、T1的啟動和停止與設置溢出標志。定時/計數(shù)器結構見圖5-4。圖5-4 定時/計數(shù)器結構1.工作方式寄存器TMOD工作方式寄存器TMOD用于設置定時/計數(shù)器的工作方式，低四位用于T0，高四位用于T1。其格式見表5-1。表5-1 工作方式寄存器TMODGATE：門控位。GATE0時，以運行控制位TRX(X=0，1)來啟動定時/計數(shù)器運行；GATA1時，要用軟件使TR0或TR

50、1為1，同時外部中斷引腳或也為高電平時，才能啟動定時/計數(shù)器工作；C/T：計數(shù)器模式和定時器模式選擇位。C/T=1時，選擇計數(shù)器模式，計數(shù)器對外部輸入引腳T0（P3.4）或T1（P3.5）的外部脈沖計數(shù)；C/T=0時，選擇定時器模式。M1M0：工作方式設置位。定時/計數(shù)器有四種工作方式，由M1M0進行設置，其選擇情況見表5-2。表5-2 定時/計數(shù)器工作方式在本軟件設計中，設置工作方式寄存器TMOD=0x51。2.控制寄存器TCON控制寄存器TCON用于控制定時/計數(shù)器的啟動和溢出，它的字節(jié)地址為88H，可以進行位尋址，其低4位用于控制外部中斷，TCON的高4位用于控制定時/計數(shù)器的啟動和中斷

51、申請。其格式如見表5-3。表5-3控制寄存器TCON位76543210字節(jié)地址：88HTF1TR1TF0TR0TF1（TCON.7）：T1溢出中斷請求標志位。T1計數(shù)溢出時由硬件自動置TF1為1。CPU響應中斷后TF1由硬件自動清0。T1工作時，CPU可隨時查詢TF1的狀態(tài)。所以，TF1可用作查詢測試的標志。TF1也可以用軟件置1或清0，同硬件置1或清0的效果一樣。TR1（TCON.6）：T1運行控制位。TR1置1時，T1開始工作；TR1置0時，T1停止工作。TR1由軟件置1或清0。所以，用軟件可控制定時/計數(shù)器的啟動與停止。TF0（TCON.5）：T0溢出中斷請求標志位。當定時/寄存器T0記

52、滿時，由硬件使它置位，如中斷允許則觸發(fā)T 0中斷。進入中斷處理后由部硬件電路自動清除。TR0（TCON.4）：T0運行控制位，TR0置1時，T0開始工作；TR0置0時，T0停止工作。TR0由軟件置1或清0。所以，用軟件可控制定時/計數(shù)器的啟動與停止。5.4.2 中斷控制CPU對中斷系統(tǒng)所有中斷以與某個中斷源的開放和屏蔽是由中斷允許寄存器IE控制，IE的字節(jié)地址為A8H,可以進行位尋址，各位的定義見表5-4。表5-4 中斷允許寄存器IE位76543210字節(jié)地址：A8HEAESET1EX1ET0EX0§ EX0(IE.0)，外部中斷0的中斷允許位。EX0=0,禁止外部中斷；EX0=1,

53、允許外部中斷。§ ET0(IE.1)，定時/計數(shù)器T0的溢出中斷允許位。ET0=0，禁止T0中斷；ET0=1，允許T0中斷。§ EX1(IE.2)，外部中斷1的中斷允許位。EX1=0,禁止外部中斷；EX1=1,允許外部中斷。§ ET1(IE.3)，定時/計數(shù)器T1的溢出中斷允許位。ET1=0，禁止T0中斷；ET1=1，允許T0中斷。§ ES（IE.4)，串行口中斷允許位。ES=0，禁止串行口中斷；ES=1，允許串行口中斷。§ EA (IE.7)，CPU中斷允許（總允許）位。EA=0，屏蔽所有的中斷請求，EA=1，開放中斷。EA的作用是使中斷允許

54、形成兩級那個控制，即各中斷源首先要受EA位的控制，其次還要受中斷源自己的中斷允許位控制。系統(tǒng)復位時，中斷允許寄存器IE的容為00H，如果要開放某個中斷源，則必須使IE中的總控置位和對應的中斷允許位置“1”。5.4.3 定時/計數(shù)器初值計算MCS-51的定時/計數(shù)器是可編程的，可以設定為對機器周期進行計數(shù)實現(xiàn)定時功能，也可以設定為對外部脈沖計數(shù)實現(xiàn)計數(shù)功能。有四種工作方式，使用時可根據(jù)情況選擇其中一種。單片機定時/計數(shù)器初始化過程如下：1） 根據(jù)要求選擇方式，確定方式控制字，寫入方式控制寄存器TMOD。2） 根據(jù)要求計算定時/計數(shù)器的計數(shù)值，再由計數(shù)值求得初值，寫入初值寄存器。3） 根據(jù)需要開放

55、定時/計數(shù)器中斷。4） 設置定時/計數(shù)器控制寄存器TCON的值，啟動定時/計數(shù)器開始工作。5） 等待定時/計數(shù)時間到，到則執(zhí)行中斷服務程序;如用查詢處理則編寫查詢程序來判斷溢出標志，溢出標志等于1，則進行相關處理。根據(jù)設計需要，定時/計數(shù)器選擇方式1合適，方式寄存器TMOD=01010011B=0x51。此時，T0作為16位定時器，定時時間為50ms,循環(huán)10次后，關閉中斷。T1作為16位計數(shù)器對霍爾傳感器產(chǎn)生的脈沖（P3.5口）進行計數(shù)。（1）T0用于定時工作方式，其定時時間為：T=（216-T0的初值）×機器周期此設計采用的是12MHz的晶振，則機器周期為1s，定時器T0定時為5

56、0ms，將參數(shù)帶入公式 ：T0的初值=65536-50000=15536；換成十六進制，T0的初值=0x3CB0。所以對于定時/計數(shù)器T0有：TH0 = 0x3C；TL0 = 0xB0；對于計數(shù)器T1，初始化時為清零狀態(tài)，即.（2）TI用于計數(shù)工作方式，初始化時為清零狀態(tài)，即TH1=0x00；TL1=0x00。計數(shù)的最大長度為：216=65536，即在規(guī)定時間（500ms）外部脈沖個數(shù)不超過65536。5.4.4 定時中斷流程圖定時中斷程序主要負責完成定時、計數(shù)功能。在中斷程序中，定時50ms,用T0-count對定時的時間進行計數(shù)，每50ms就加1，當計數(shù)值到了10時，此時定時了500ms,關閉中斷，T0-count清零。在每一次定時過程中，都對鍵盤進行掃描。此時計數(shù)器T1統(tǒng)計在500ms所得到的脈沖數(shù)，然后通過轉速值計算子程序對得到的脈沖數(shù)進行計算，得到每秒的轉速，再通過顯示子程序把得到的數(shù)值顯示出來。最后重置T0、T1值，并重新開啟中斷。其具體的流程圖