傳感器原理基于霍爾傳感器的轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)-供參考

1、 傳感器原理及應(yīng)用期末課程設(shè)計(jì)題目 基于霍爾傳感器的轉(zhuǎn)速測(cè)量電路設(shè)計(jì) 姓 名 小波 學(xué) 號(hào)8888888888 院（系） 電子電氣工程學(xué)院 班 級(jí) 清華大學(xué)電子信息 指導(dǎo)教師 牛人 職 稱 博士后 二O一一年 七 月 十二 日摘 要：轉(zhuǎn)速是發(fā)動(dòng)機(jī)重要的工作參數(shù)之一,也是其它參數(shù)計(jì)算的重要依據(jù)。針對(duì)工業(yè)上常見(jiàn)的發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)了以單片機(jī)STC89C51為控制核心的轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)。系統(tǒng)利用霍爾傳感器作為轉(zhuǎn)速檢測(cè)元件，并利用設(shè)計(jì)的調(diào)理電路對(duì)霍爾轉(zhuǎn)速傳感器輸出的信號(hào)進(jìn)行濾波和整形,將得到的標(biāo)準(zhǔn)方波信號(hào)送給單片機(jī)進(jìn)行處理。實(shí)際測(cè)試表明,該系統(tǒng)能滿足發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量要求。關(guān)鍵詞：轉(zhuǎn)速測(cè)量，霍爾傳感器，信號(hào)處理，數(shù)據(jù)

2、處理 Abstract: The rotate speed is one of the important parameters for the engine, and it is also the important factor that calculates other parameters. The rotate speed measurement system for the common engine is designed with the single chip STC89C51. The signal of the rotate speed is sampled by the

3、 Hall sensor, and it is transformed into square wave which will be sent to single chip computer. The result of the experiment shows that the measurement system is able to satisfy the requirement of the engine rotate speed measurement. Key words: rotate speed measurement, Hall sensor, signal processi

4、ng, data processing目 錄 TOC o 1-2 h z HYPERLINK l _Toc169931087 1 前言 PAGEREF _Toc169931087 h 4 HYPERLINK l _Toc169931088 2 系統(tǒng)概述 PAGEREF _Toc169931088 h 4 HYPERLINK l _Toc169931089 2.1 系統(tǒng)組成 PAGEREF _Toc169931089 h 4 HYPERLINK l _Toc169931090 2.2 處理方法 PAGEREF _Toc169931090 h 5 HYPERLINK l _Toc169931091

5、 2.3 系統(tǒng)工作原理 PAGEREF _Toc169931091 h 6 HYPERLINK l _Toc169931092 3 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc169931092 h 7 HYPERLINK l _Toc169931093 3.1 單片機(jī)主控電路設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc169931093 h 7 HYPERLINK l _Toc169931094 3.2 脈沖產(chǎn)生電路設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc169931094 h 9 HYPERLINK l _Toc169931095 3.3 按鍵電路設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc169931095 h 10 HYPE

6、RLINK l _Toc169931096 3.4 數(shù)據(jù)顯示電路設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc169931096 h 11 HYPERLINK l _Toc169931097 3.5 穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc169931097 h 13 HYPERLINK l _Toc169931098 3.6 串行通信模塊設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc169931098 h 14 HYPERLINK l _Toc169931099 4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc169931099 h 16 HYPERLINK l _Toc169931100 5 制作調(diào)試 PAGEREF _Toc1

7、69931100 h 18 HYPERLINK l _Toc169931101 5.1 硬件調(diào)試 PAGEREF _Toc169931101 h 18 HYPERLINK l _Toc169931102 5.2 軟件調(diào)試 PAGEREF _Toc169931102 h 19 HYPERLINK l _Toc169931103 6 測(cè)試結(jié)果分析 PAGEREF _Toc169931103 h 19 HYPERLINK l _Toc169931104 結(jié)論 PAGEREF _Toc169931104 h 21 HYPERLINK l _Toc169931105 參考文獻(xiàn) PAGEREF _Toc1

8、69931105 h 22 HYPERLINK l _Toc169931106 致謝 PAGEREF _Toc169931106 h 23 HYPERLINK l _Toc169931107 附錄A PAGEREF _Toc169931107 h 241 前言在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和工程實(shí)踐中，經(jīng)常會(huì)遇到各種需要測(cè)量轉(zhuǎn)速的場(chǎng)合，例如在發(fā)動(dòng)機(jī)、電動(dòng)機(jī)、卷?yè)P(yáng)機(jī)、機(jī)床主軸等旋轉(zhuǎn)設(shè)備的試驗(yàn)、運(yùn)轉(zhuǎn)和控制中，常需要測(cè)量和顯示其轉(zhuǎn)速。要測(cè)速，首先要解決的是采樣問(wèn)題。測(cè)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(cè)速發(fā)電機(jī)為檢測(cè)元件，得到的信號(hào)是模擬量。早期直流電動(dòng)機(jī)的控制均以模擬電路為基礎(chǔ)，采用運(yùn)算放大器，非線性集

9、成電路以及少量的數(shù)字電路組成，控制系統(tǒng)的硬件部分非常復(fù)雜，功能單一，而且系統(tǒng)非常不靈活、調(diào)試?yán)щy。數(shù)字式通常采用光電編碼器、圓光柵、霍爾元件等為檢測(cè)元件，得到的信號(hào)是脈沖信號(hào)。隨著微型計(jì)算機(jī)的廣泛應(yīng)用，單片機(jī)技術(shù)的日新月異，特別是高性能價(jià)格比的單片機(jī)的出現(xiàn)，轉(zhuǎn)速測(cè)量普遍采用以單片機(jī)為核心的數(shù)字式測(cè)量方法，使得許多控制功能及算法可以采用軟件技術(shù)來(lái)完成，智能化微電腦代替了一般機(jī)械式或模擬式結(jié)構(gòu)，并使系統(tǒng)能達(dá)到更高的性能。采用單片機(jī)構(gòu)成控制系統(tǒng)，可以節(jié)約人力資源和降低系統(tǒng)成本，從而有效的提高工作效率。直流電動(dòng)機(jī)具有良好的起動(dòng)、制動(dòng)性能，宜于在大范圍內(nèi)平滑調(diào)速。測(cè)速電機(jī)的電壓高低反映了轉(zhuǎn)速的高低，在許

10、多需要調(diào)速或快速正反向電力拖動(dòng)領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。從控制的角度來(lái)看，直流調(diào)速還是交流拖動(dòng)系統(tǒng)的基礎(chǔ)。本文介紹一種用STC89C51單片機(jī)測(cè)量小型電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的方法。系統(tǒng)以單片機(jī)STC89C51為控制核心，用NJK-8002D霍爾集成傳感器作為測(cè)量小型直流電機(jī)轉(zhuǎn)速的檢測(cè)元件，經(jīng)過(guò)單片機(jī)數(shù)據(jù)處理，用8位LED數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示小型直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速。2 系統(tǒng)概述2.1 系統(tǒng)組成系統(tǒng)由傳感器、信號(hào)預(yù)處理電路、處理器、顯示器和系統(tǒng)軟件等部分組成。傳感器部分采用霍爾傳感器，負(fù)責(zé)將電機(jī)的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)化為脈沖信號(hào)。信號(hào)預(yù)處理電路包含待測(cè)信號(hào)放大、波形變換、波形整形電路等部分，其中放大器實(shí)現(xiàn)對(duì)待測(cè)信號(hào)的放大,降低對(duì)待測(cè)信

11、號(hào)的幅度要求，實(shí)現(xiàn)對(duì)小信號(hào)的測(cè)量；波形變換和波形整形電路實(shí)現(xiàn)把正負(fù)交變的信號(hào)波形變換成可被單片機(jī)接受的TTL/CMOS兼容信號(hào)。 處理器采用STC89C51單片機(jī)，顯示器采用8位LED數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示。系統(tǒng)原理框圖如圖2.1所示：圖2.1轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)原理框圖系統(tǒng)軟件主要包括測(cè)量初始化模塊、信號(hào)頻率測(cè)量模塊、浮點(diǎn)數(shù)算術(shù)運(yùn)算模塊、浮點(diǎn)數(shù)到BCD碼轉(zhuǎn)換模塊、顯示模塊、按鍵功能模塊、定時(shí)器中斷服務(wù)模塊。系統(tǒng)軟件框圖如圖2.2所示。圖2.2 系統(tǒng)軟件框圖2.2 處理方法系統(tǒng)的設(shè)計(jì)以STC89C51單片機(jī)為核心，利用它內(nèi)部的定時(shí)/計(jì)數(shù)器完成待測(cè)信號(hào)頻率的測(cè)量。測(cè)速實(shí)際上就是測(cè)頻，通?？梢杂糜?jì)數(shù)法、測(cè)脈寬法和

12、等精度法來(lái)進(jìn)行測(cè)試。所謂計(jì)數(shù)法，就是給定一個(gè)閘門(mén)時(shí)間，在閘門(mén)時(shí)間內(nèi)計(jì)數(shù)輸入的脈沖個(gè)數(shù)；測(cè)脈寬法是利用待測(cè)信號(hào)的脈寬來(lái)控制計(jì)數(shù)門(mén)，對(duì)一個(gè)高精度的高頻計(jì)數(shù)信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)。由于閘門(mén)與被測(cè)信號(hào)不能同步，因此，這兩種方法都存在1誤差的問(wèn)題，第一種方法適用于信號(hào)頻率高時(shí)使用，第二種方法則在信號(hào)頻率低時(shí)使用。等精度法則對(duì)高、低頻信號(hào)都有很好的適應(yīng)性。此系統(tǒng)采用計(jì)數(shù)法測(cè)速。單片機(jī)STC89C51內(nèi)部具有 2 個(gè) 16 位定時(shí)/計(jì)數(shù)器 ,定時(shí)/計(jì)數(shù)器的工作可以由編程來(lái)實(shí)現(xiàn)定時(shí)、計(jì)數(shù)和產(chǎn)生計(jì)數(shù)溢出中斷要求的功能。在構(gòu)成為定時(shí)器時(shí),每個(gè)機(jī)器周期加 1(使用12MHz 時(shí)鐘時(shí),每 1us 加 1),這樣以機(jī)器周期為基準(zhǔn)

13、可以用來(lái)測(cè)量時(shí)間間隔。在構(gòu)成為計(jì)數(shù)器時(shí),在相應(yīng)的外部引腳發(fā)生從 1 到 0 的跳變時(shí)計(jì)數(shù)器加1,這樣在計(jì)數(shù)閘門(mén)的控制下可以用來(lái)測(cè)量待測(cè)信號(hào)的頻率。外部輸入每個(gè)機(jī)器周期被采樣一次,這樣檢測(cè)一次從1到0的跳變至少需要2個(gè)機(jī)器周期(24 個(gè)振蕩周期),所以最大計(jì)數(shù)速率為時(shí)鐘頻率的1/24(使用12MHz時(shí)鐘時(shí) ,最大計(jì)數(shù)速率為 500KHz)。定時(shí)/計(jì)數(shù)器的工作由相應(yīng)的運(yùn)行控制位TR控制,當(dāng)TR置1時(shí),定時(shí)/計(jì)數(shù)器開(kāi)始計(jì)數(shù)，當(dāng) TR清0時(shí),停止計(jì)數(shù)。2.3 系統(tǒng)工作原理轉(zhuǎn)速是工程上一個(gè)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(lái)表示。其單位為 rmin。由霍爾元件及外圍器件組成的測(cè)速電路將電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)

14、換成脈沖信號(hào)，送至單片機(jī)STC89C51的計(jì)數(shù)器 T0進(jìn)行計(jì)數(shù)，用T1定時(shí)測(cè)出電動(dòng)機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速。此系統(tǒng)使用單片機(jī)進(jìn)行測(cè)速，采用脈沖計(jì)數(shù)法，使用霍爾傳感器獲得脈沖信號(hào)。其機(jī)械結(jié)構(gòu)也可以做得較為簡(jiǎn)單，只要在轉(zhuǎn)軸的圓盤(pán)上粘上兩粒磁鋼，讓霍爾傳感器靠近磁鋼，機(jī)軸每轉(zhuǎn)一周，產(chǎn)生兩個(gè)脈沖，機(jī)軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生連續(xù)的脈沖信號(hào)輸出。由霍爾器件電路部分輸出，成為轉(zhuǎn)速計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)脈沖?？刂朴?jì)數(shù)時(shí)間，即可實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值對(duì)應(yīng)機(jī)軸的轉(zhuǎn)速值。單片機(jī)CPU將該數(shù)據(jù)處理后，通過(guò)LED顯示出來(lái)。2.3.1 霍爾傳感器霍爾傳感器是對(duì)磁敏感的傳感元件，由磁鋼、霍耳元件等組成。測(cè)量系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速傳感器選用SiKO 的 NJK-800

15、2D 的霍爾傳感器，其響應(yīng)頻率為100KHz，額定電壓為5-30（V）、檢測(cè)距離為10（mm）。其在大電流磁場(chǎng)或磁鋼磁場(chǎng)的作用下，能測(cè)量高頻、工頻、直流等各種波形電流。該傳感器具有測(cè)量精度高、電壓范圍寬、功耗小、輸出功率大等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用在高速計(jì)數(shù)、測(cè)頻率、測(cè)轉(zhuǎn)速等領(lǐng)域。輸出電壓425V，直流電源要有足夠的濾波電容，測(cè)量極性為N極。安裝時(shí)將一非磁性圓盤(pán)固定在電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)軸上，將磁鋼粘貼在圓盤(pán)邊緣，磁鋼采用永久磁鐵，其磁力較強(qiáng)，霍爾元件固定在距圓盤(pán)1-10mm處。當(dāng)磁鋼與霍爾元件相對(duì)位置發(fā)生變化時(shí)，通過(guò)霍爾元件感磁面的磁場(chǎng)強(qiáng)度就會(huì)發(fā)生變化。圓盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)，磁鋼靠近霍爾元件，穿過(guò)霍爾元件的磁場(chǎng)較強(qiáng)，霍爾元

16、件輸出低電平；當(dāng)磁場(chǎng)減弱時(shí)，輸出高電平，從而使得在圓盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中，霍爾元件輸出連續(xù)脈沖信號(hào)。這種傳感器不怕灰塵、油污，在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用廣泛。2.3.2 轉(zhuǎn)速測(cè)量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(zhǎng)、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(chǎng)，在沿方向的兩個(gè)端面加一外電場(chǎng)，則有一定的電流流過(guò)。由于電子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)，所以將受到一個(gè)洛侖磁力，其大小為：式中：f洛侖磁力， 載流子電荷， 載流子運(yùn)動(dòng)速度， 磁感應(yīng)強(qiáng)度。這樣使電子的運(yùn)動(dòng)軌跡發(fā)生偏移，在霍爾元器件薄片的兩個(gè)側(cè)面分別產(chǎn)生電子積聚或電荷過(guò)剩，形成霍爾電場(chǎng)，霍爾元器件兩個(gè)側(cè)面間的電位差稱為霍爾電壓。霍爾電壓大小為

17、： (mV) 式中：霍爾常數(shù)， 元件厚度， 磁感應(yīng)強(qiáng)度， 控制電流設(shè) , 則=(mV)為霍爾器件的靈敏系數(shù)(mV/mA/T)，它表示該霍爾元件在單位磁感應(yīng)強(qiáng)度和單位控制電流下輸出霍爾電動(dòng)勢(shì)的大小。應(yīng)注意，當(dāng)電磁感應(yīng)強(qiáng)度反向時(shí)，霍爾電動(dòng)勢(shì)也反向。圖2.3為霍耳元件的原理結(jié)構(gòu)圖。若控制電流保持不變，則霍爾感應(yīng)電壓將隨外界磁場(chǎng)強(qiáng)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(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上轉(zhuǎn)盤(pán)的邊沿，轉(zhuǎn)盤(pán)隨被測(cè)軸旋轉(zhuǎn)，磁鋼也將跟著同步旋轉(zhuǎn)，在轉(zhuǎn)盤(pán)附近安裝一個(gè)霍爾元件，轉(zhuǎn)盤(pán)隨軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，霍爾元件受到磁鋼所產(chǎn)生的磁場(chǎng)影響，輸出脈沖信號(hào)。傳感器內(nèi)置電路對(duì)該信號(hào)進(jìn)行放大、整形，輸出良好的矩形脈沖信號(hào)，測(cè)量頻率范

18、圍更寬，輸出信號(hào)更精確穩(wěn)定，已在工業(yè)，汽車，航空等測(cè)速領(lǐng)域中得到廣泛的應(yīng)用。其頻率和轉(zhuǎn)速成正比，測(cè)出脈沖的周期或頻率即可計(jì)算出轉(zhuǎn)速。 圖2.3 霍耳元件的原理結(jié)構(gòu)圖3 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)3.1 單片機(jī)主控電路設(shè)計(jì)系統(tǒng)選用 STC89C51 作為轉(zhuǎn)速信號(hào)的處理核心。STC89C51 包含 2 個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器、4K8 位片內(nèi) FLASH 程序存儲(chǔ)器、4個(gè)8位并行I/O口。16 位定時(shí)/計(jì)數(shù)器用于實(shí)現(xiàn)待測(cè)信號(hào)的頻率測(cè)量。8位并行口P0、P2用于把測(cè)量結(jié)果送到顯示電路。4K8 位片內(nèi)FLASH程序存儲(chǔ)器用于放置系統(tǒng)軟件。STC89C51與具有更大程序存儲(chǔ)器的芯片管腳兼容,如:89C52(8K8 位

19、)或 89C55(32K8 位),為系統(tǒng)軟件升級(jí)打下堅(jiān)實(shí)的物質(zhì)基礎(chǔ)。STC89C51最大的優(yōu)點(diǎn)是：可直接通過(guò)計(jì)算機(jī)串口線下載程序,而無(wú)需專用下載線和編程器。STC89C51單片機(jī)是在一塊芯片中集成了CPU、RAM、ROM、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器和多功能I/O口等一臺(tái)計(jì)算機(jī)所需要的基本功能部件。其基本結(jié)構(gòu)框圖如圖3.1，包括：一個(gè)8位CPU；4KB ROM；128字節(jié)RAM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器；21個(gè)特殊功能寄存器SFR； 4個(gè)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(gè)可編程全雙工串行口；具有5個(gè)中斷源，兩個(gè)優(yōu)先級(jí)，嵌套中斷結(jié)構(gòu)；兩個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器； 一個(gè)

20、片內(nèi)震蕩器及時(shí)鐘電路；計(jì)數(shù)脈沖輸入 T0 T1特殊功能寄存器SFR 128字節(jié)RAM定時(shí)/計(jì)數(shù)器 T0、T1時(shí)鐘源4K ROM（EPROM）（8031無(wú)）中斷系統(tǒng)串行接口并行I/O接口CPU P0 P1 P2 P3 TXD RXD 中斷輸入圖3.1 STC89C51單片機(jī)結(jié)構(gòu)框圖STC89C51系列單片機(jī)中HMOS工藝制造的芯片采用雙列直插(DIP)方式封裝,有40個(gè)引腳。STC89C51單片機(jī)40條引腳說(shuō)明如下: (1)電源引腳。V正常運(yùn)行和編程校驗(yàn)(8051/8751)時(shí)為5V電源,V為接地端。（2）I/O總線。P- P（P0口），P- P（P1口），P- P（P2口），P- P（P3口）

21、為輸入/輸出引線。（3）時(shí)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)部時(shí)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(dú)立控制線RESET、EA、ALE、PSEN組成。值得強(qiáng)調(diào)的是，P3口的每一條引腳均可獨(dú)立定義為第一功能的輸入輸出或第二功能。如表3.1所示。P3口引腳及線號(hào)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(shí)器0外部輸入P3.5 (15)T1定時(shí)器1外部輸入P3.6 (16)WR外部數(shù)

22、據(jù)存儲(chǔ)器寫(xiě)脈沖P3.7 (17)RD外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀脈沖表3.1 P3口線的第二功能定義：STC89C51單片機(jī)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(chǔ)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?？刂瓶偩€（CB）：由P3口的第二功能狀態(tài)和4根獨(dú)立控制線RESET、EA、ALE、PSEN組成。3.2 脈沖產(chǎn)生電路設(shè)計(jì)LM358內(nèi)部包括有兩個(gè)獨(dú)立的、高增益、內(nèi)部頻率補(bǔ)償?shù)碾p運(yùn)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

23、模式，在推薦的工作條件下，電源電流與電源電壓無(wú)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電源供電的使用運(yùn)算放大器的場(chǎng)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(bǔ)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：?jiǎn)坞娫?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(hào)預(yù)處理電路為系統(tǒng)的前級(jí)電路，其中霍爾傳感元件b,d為兩電源端，d接正極，b接

24、負(fù)極；a,c兩端為輸出端，安裝時(shí)霍爾傳感器對(duì)準(zhǔn)轉(zhuǎn)盤(pán)上的磁鋼,當(dāng)轉(zhuǎn)盤(pán)旋轉(zhuǎn)時(shí)，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(hào)，傳感器內(nèi)置電路對(duì)該信號(hào)進(jìn)行放大、整形，輸出良好的矩形脈沖信號(hào)，圖中LM358部分為過(guò)零整形電路使輸入的交變信號(hào)更精確的變換成規(guī)則穩(wěn)定的矩形脈沖，便于單片機(jī)對(duì)其進(jìn)行計(jì)數(shù)。 b cHda圖3.2 信號(hào)預(yù)處理電路3.3 按鍵電路設(shè)計(jì)通過(guò)軟件設(shè)置按鍵開(kāi)關(guān)功能： 按 K0清零、復(fù)位按K1顯示計(jì)時(shí)時(shí)間按K2顯示計(jì)數(shù)脈沖數(shù)此按鍵電路為低電平有效，當(dāng)無(wú)按鍵按下時(shí)，單片機(jī)輸入引腳P1.0、P1.1、P1.2、P1.3端口均為高電平。當(dāng)其中任一按鍵按下時(shí)，其對(duì)應(yīng)的P1端口變?yōu)榈碗娖剑谲浖?/p>

25、利用這個(gè)低電平設(shè)計(jì)其功能。軟件中還設(shè)置了按鍵防抖動(dòng)誤觸發(fā)功能，軟件中設(shè)置定時(shí)器1 50ms中斷一次，每次中斷都對(duì)按鍵進(jìn)行掃描，如果掃描到有按鍵按下，則延遲10ms，再次進(jìn)行鍵掃描，若仍有按鍵按下，則按鍵為真，并從P1口讀取數(shù)據(jù)，低電平對(duì)應(yīng)的即為有效按鍵，如圖3.3所示。 圖3.3 按鍵電路圖3.4 數(shù)據(jù)顯示電路設(shè)計(jì)3.4.1 數(shù)碼管結(jié)構(gòu)和顯示原理圖3.4為數(shù)碼管的引腳接線圖，實(shí)驗(yàn)板上以P0口作輸出口，經(jīng)74LS244驅(qū)動(dòng)，接8只共陽(yáng)數(shù)碼管S0-S7。表3.2為驅(qū)動(dòng)LED數(shù)碼管的段代碼表為低電平有效，1-代表對(duì)應(yīng)的筆段不亮，0-代表對(duì)應(yīng)的筆段亮。若需要在最右邊（S0）顯示“5”，只要將從表中查得

26、的段代碼64H寫(xiě)入P0口，再將P2.0置高，P2.1-P2.7置低即可。設(shè)計(jì)中采用動(dòng)態(tài)顯示，所以其亮度只有一個(gè)LED數(shù)碼管靜態(tài)顯示亮度的八分之一。表3.2 驅(qū)動(dòng)LED數(shù)碼管的段代碼數(shù)字dpecgbfa十六進(jìn)制P0.7P0.6P0.5P0.4P0.3P0.2 P0.1P0.0共陰共陽(yáng)010110111B74810001010014EB210101101AD523100111019D624000111101E64610111011BB4470001010115EA810111111BF409100111119F60圖3.4數(shù)碼管的引腳接線圖這里設(shè)計(jì)的系統(tǒng)先用 6 位LED

27、數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示小型直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速。當(dāng)轉(zhuǎn)速高于六位所能顯示的值（999999）時(shí)就會(huì)自動(dòng)向上進(jìn)位顯示。3.4.2 緩沖器74LS244系統(tǒng)總線中的地址總線和控制總線是單向的,因此驅(qū)動(dòng)器可以選用單向的,如74LS244。74LS244還帶有三態(tài)控制，能實(shí)現(xiàn)總線緩沖和隔離,74LS244是一種三態(tài)輸出的八緩沖器和線驅(qū)動(dòng)器，該芯片的邏輯電路圖和引腳圖如圖3.5所示。從圖可見(jiàn)，該緩沖器有8個(gè)輸入端，分為兩路1A11A4，2A12A4。同時(shí)8個(gè)輸出端也分為兩路1Y11Y4，2Y12Y4，分別由2個(gè)門(mén)控信號(hào)1G和2G控制，/1G, /2G三態(tài)允許端(低電平有效)。當(dāng)1G為低電平時(shí)，1Y11Y4的電平與1A1

28、1A4的電平相同，即輸出反映輸入電平的高低；同樣，當(dāng)2G為低電平時(shí)，2Y12Y4的電平與2A12A4的電平相同。而當(dāng)1G（或2G）為高電平時(shí)，輸出1Y11Y4（或2Y12Y4）為高阻態(tài)。經(jīng)74LS244緩沖后，輸入信號(hào)被驅(qū)動(dòng)，輸出信號(hào)的驅(qū)動(dòng)能力加大了。74LS244緩沖器主要用于三態(tài)輸出的存儲(chǔ)地址驅(qū)動(dòng)器、時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)器和總線定向接收器和定向發(fā)送器等。常用的緩沖器還有74LS240，241等。圖3.5 74LS244邏輯電路圖74LS244的極限參數(shù)如下:電源電壓 7V 輸入電壓5.5V 輸出高阻態(tài)時(shí)高電平電壓5.5V利用上述器件設(shè)計(jì)的顯示電路如圖3.6所示。8個(gè)共陽(yáng)的LED數(shù)碼管（S0-S7）同名

29、的引腳連接在一起，由單片機(jī)P0口通過(guò)74LS244驅(qū)動(dòng)（段控制），R12-R19 為限流電阻。單片機(jī)P2口的8個(gè)引腳分別通過(guò)三極管Q0-Q7控制8個(gè)LED數(shù)碼管的公共端（位控制）。單片機(jī)的主時(shí)鐘為12MHz。 P0口 和 P2口都是準(zhǔn)雙向口，輸出時(shí)需要接上拉電阻。P0內(nèi)部沒(méi)有上拉電阻，P2口內(nèi)部有弱上拉。所以P0口外圍電路設(shè)計(jì)為低電平有效，高電平無(wú)效。要使數(shù)碼管S0-S7的其中一個(gè)亮，其對(duì)應(yīng)的P2端口要置高，P2的其余端口置低。如要讓S0數(shù)碼管亮，則要將P2.0置高，P2.1-P2.7置低即可。系統(tǒng)將定時(shí)把顯示緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)送出，在數(shù)碼管LED上顯示。圖3.6 顯示電路3.5 穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)如圖3

30、.7所示為5-12V連續(xù)可調(diào)穩(wěn)壓電源，采用L4960芯片制作的輸出電流可達(dá)10A，輸出電壓在512V間連續(xù)可調(diào)，是一個(gè)實(shí)用的開(kāi)關(guān)型穩(wěn)壓電源。其工作原理為：220V交流電源經(jīng)變壓器T1降壓，橋堆VD1整流，C1、C2濾波后得到一直流電壓。IC第、腳為直流電壓輸入端，其最高輸入電壓為+40V。該直流電壓經(jīng)IC內(nèi)部的振蕩器調(diào)制為200kHz左右的高頻開(kāi)關(guān)電壓，振蕩器的開(kāi)關(guān)頻率由外接振蕩電容器C4決定。當(dāng)C4的值取為3300pF時(shí)，電源的開(kāi)關(guān)頻率約為200kHz；R3、C6為環(huán)路調(diào)節(jié)放大器的頻率補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，由第7腳輸入。IC第腳為抑制輸入端，其閉鎖電壓的閾值為0.7V，輸出電壓經(jīng)取樣電阻R2反饋至第腳后

31、與R1比較，當(dāng)閾值電壓大于0.7V時(shí)，輸出關(guān)閉，起到短路過(guò)流保護(hù)作用。第6腳為輸出電壓調(diào)節(jié)控制端，由電位器RP1及電阻R4將輸出電壓分壓后得到調(diào)節(jié)電壓檢測(cè)值，調(diào)節(jié)電位器RP1可控制輸出電壓的大小，輸出電壓值可由公式：VO=Vref進(jìn)行估算。其中，Vref為基準(zhǔn)電壓，為2.1V。IC為專用開(kāi)關(guān)型穩(wěn)壓集成電路L4960，其外殼接地并接散熱器。IC外圍電路中，除振蕩電容C4選擇高頻電容器外，電阻R1、R2應(yīng)選擇允許偏差1的高精度金屬膜電阻外，其余元件無(wú)特殊要求，按圖中參數(shù)選取小型器件即可。由于輸出電壓為高頻開(kāi)關(guān)式，因此IC和功率三極管VT所需的散熱器僅為普通穩(wěn)壓電源的三分之一，且性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于普通的穩(wěn)

32、壓電源。圖3.7 5-12V連續(xù)可調(diào)穩(wěn)壓電源電路3.6 串行通信模塊設(shè)計(jì)STC89C51單片機(jī)有一個(gè)全雙工的串行通信口，以便于單片機(jī)和電腦之間進(jìn)行串口通信。為了與計(jì)算機(jī)進(jìn)行通訊，設(shè)計(jì)了RS232串行通信接口，將該接口與PC機(jī)的串口連接，可以實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與PC機(jī)的串行通信，進(jìn)行雙向數(shù)據(jù)傳輸。進(jìn)行串行通信要滿足一定的條件，比如電腦的串口是RS232電平（-5至-15V為1，+5至+15V為0），而單片機(jī)的串口是TTL電平（大于+2.4V為1，小于+0.7V為0），兩者之間必有一個(gè)電平轉(zhuǎn)換電路，圖3.8用MAX232集成電路實(shí)現(xiàn)RS232電平與TTL電平的相互轉(zhuǎn)換。此串行通信功能模塊完成源程序代碼下載

33、到STC89C51芯片中，它需要和微機(jī)上的ISP下載器軟件配合使用來(lái)完成這樣的功能。系統(tǒng)總電路為以上硬件各功能模塊的有機(jī)結(jié)合，如圖3.9所示。圖3.8 MAX232串行通信圖3.9 系統(tǒng)總電路4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)軟件主要為主程序、數(shù)據(jù)處理顯示程序、按鍵程序設(shè)計(jì)、定時(shí)器中斷服務(wù)程序四個(gè)部分。（1）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(shí)器的初始化，寄存器、標(biāo)志位的初始化等。主程序流程圖如圖4.1所示。（2）數(shù)據(jù)處理顯示模塊程序。此模塊中單片機(jī)對(duì)在1秒內(nèi)的計(jì)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(jī)每秒計(jì)數(shù)到n個(gè)值，即n/2 (r/s)(

34、圓盤(pán)貼兩個(gè)磁鋼)。則n/2 (r/s)=30n(r/min)。即只要將計(jì)數(shù)值乘以30便可得到每分鐘電機(jī)的轉(zhuǎn)速。數(shù)據(jù)處理顯示模塊流程圖如圖4.2所示。 圖4.1 主程序流程圖 圖4.2 數(shù)據(jù)處理顯示模塊流程圖 圖4.3 按鍵程序流程圖（3）按鍵程序設(shè)計(jì)。按鍵程序包括按鍵防抖動(dòng)處理、判鍵及修改項(xiàng)目等程序。按鍵流程圖如圖4.3所示。 （4）定時(shí)器1中斷服務(wù)程序設(shè)計(jì)。定時(shí)器1完成計(jì)時(shí)功能，定時(shí)50ms，進(jìn)行定時(shí)中斷計(jì)數(shù)并每隔1s更新一次顯示數(shù)據(jù)。流程圖如圖4.4所示。 圖4.4 定時(shí)器1中斷服務(wù)程序流程圖 5 制作調(diào)試5.1 硬件調(diào)試 硬件調(diào)試時(shí)先分步調(diào)試硬件中各個(gè)功能模塊，調(diào)試成功后再進(jìn)行統(tǒng)調(diào)。安裝

35、固定電機(jī)和霍爾傳感器時(shí)，粘貼磁鋼需注意，霍爾傳感器對(duì)磁場(chǎng)方向敏感，粘貼之前可以先手動(dòng)接近一下傳感器，如果沒(méi)有信號(hào)輸出，可以換一個(gè)方向再試。霍爾傳感器探頭要對(duì)準(zhǔn)轉(zhuǎn)盤(pán)上的磁鋼位置，安裝距離要在10mm以內(nèi)才可靈敏的感應(yīng)磁場(chǎng)變化。在磁場(chǎng)增強(qiáng)時(shí)霍爾傳感器輸出低電平，指示燈亮；磁場(chǎng)減弱時(shí)輸出高電平，指示燈熄滅。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，感應(yīng)電壓指示燈高頻閃爍，所以視覺(jué)上指示燈不會(huì)有多大的閃爍感。當(dāng)給NJK 8002D 型霍爾傳感器施加15V電壓時(shí)其輸出端可以輸出4V的感應(yīng)電壓。輸出幅值為4V的矩形脈沖信號(hào)。LM358整形電路調(diào)試：在焊接硬件電路時(shí)需細(xì)心排除元器件和焊接等方面可能出現(xiàn)的故障，元器件的安裝位置出錯(cuò)或引腳

36、插錯(cuò)都可能導(dǎo)致電路短路或?qū)崿F(xiàn)不了電路應(yīng)有的功能，甚至燒壞元器件。為方便調(diào)試，用信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的1KHz的正弦信號(hào)送給LM358整形電路，調(diào)試直到可以輸出矩形脈沖信號(hào)為止，該整形電路調(diào)試即可完成。然后以此信號(hào)為測(cè)試信號(hào)送給單片機(jī)系統(tǒng)，進(jìn)行測(cè)量、顯示等其他功能的調(diào)試。5.2 軟件調(diào)試 測(cè)量系統(tǒng)與PC機(jī)連接時(shí)一定要先連接串行通信電纜，然后再將其電源線插入U(xiǎn)SB接口；拆除時(shí)先斷開(kāi)其電源，再斷開(kāi)串行通信電纜，否則極易損壞PC機(jī)的串口。在進(jìn)行軟件編程調(diào)試時(shí)需要用到單片機(jī)的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境MedWin V2.39 軟件，編程時(shí)極易出現(xiàn)誤輸入或其他的一些語(yǔ)法錯(cuò)誤，最重要的還有一些模塊無(wú)語(yǔ)法錯(cuò)誤卻達(dá)不到預(yù)期的功能，

37、都要經(jīng)過(guò)調(diào)試才能排除。MedWin V2.39 軟件具有很強(qiáng)大的編程調(diào)試功能，能夠模擬仿真實(shí)際單片機(jī)的端口和內(nèi)部功能部件的狀態(tài)值。該軟件中有硬件調(diào)試和軟件調(diào)試功能，可以觀察單片機(jī)內(nèi)存單元對(duì)應(yīng)的運(yùn)行值，可以顯示單片機(jī)端口、中斷、定時(shí)器1、定時(shí)器2還有串口對(duì)應(yīng)的運(yùn)行值?？梢詥尾秸{(diào)試也可以模塊調(diào)試，最好的是可以對(duì)你所懷疑的語(yǔ)句模塊設(shè)置斷點(diǎn)。MedWin V2.39 具有的強(qiáng)大的編譯調(diào)試功極大地方便了對(duì)軟件部分的調(diào)試。在具體調(diào)試過(guò)程中，系統(tǒng)將各功能模塊如數(shù)據(jù)處理程序、按鍵程序設(shè)計(jì)、中斷服務(wù)子程序、LED顯示程序分別分開(kāi)進(jìn)行調(diào)試，最后進(jìn)行主程序的整體調(diào)試。編譯無(wú)誤后生成目標(biāo)代碼BIN文件采用STC 單片

38、機(jī)下載軟件STC-ISP將其下載到實(shí)驗(yàn)板的單片機(jī)中。下載軟件的最后一步：點(diǎn)擊軟件STC-ISP界面中的下載按鈕，在點(diǎn)擊前一定要保持實(shí)驗(yàn)板的串行通信線及電源線與PC機(jī)連接良好，并且實(shí)驗(yàn)板的電源開(kāi)關(guān)處于關(guān)閉狀態(tài)，然后點(diǎn)擊下載按鈕，再打開(kāi)實(shí)驗(yàn)板電源開(kāi)關(guān)，此時(shí)軟件將自動(dòng)完成程序下載。最后將硬件和軟件結(jié)合起來(lái)整體調(diào)試實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的測(cè)速功能。6 測(cè)試結(jié)果分析設(shè)計(jì)基本完成題目中的各項(xiàng)要求，其中電機(jī)轉(zhuǎn)速的測(cè)量比較精確，與實(shí)際轉(zhuǎn)速相差10 轉(zhuǎn)/分左右，精度在全量程范圍內(nèi)優(yōu)于10轉(zhuǎn)/分，存在一定的誤差，經(jīng)分析主要是由以下原因造成：1)由于電機(jī)的轉(zhuǎn)盤(pán)是采用塑料盤(pán)片磨制而成，高速旋轉(zhuǎn)時(shí)容易打飄不穩(wěn)，導(dǎo)致獲得的脈沖信號(hào)頻率

39、與實(shí)際轉(zhuǎn)速有一定的誤差。2) 中斷處理的進(jìn)入和中斷處理程序都會(huì)有一定時(shí)間的誤差，從而導(dǎo)致定時(shí)時(shí)間的誤差，這也是造成測(cè)量誤差的一個(gè)因素。3)在固定裝置時(shí)，由于是手動(dòng)操作，從而導(dǎo)致初始獲得信號(hào)有一定的時(shí)差。 結(jié) 論霍爾傳感器具有不怕灰塵、油污，安裝簡(jiǎn)易，不易損壞等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)得到了廣泛應(yīng)用。利用霍爾傳感器設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)以單片機(jī)STC89C51為數(shù)據(jù)處理核心，采用定時(shí)器定時(shí)中斷的方法實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)，對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算得到轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)，并將結(jié)果送數(shù)碼管顯示。整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)硬件電路簡(jiǎn)單，容易調(diào)試，軟件部分編程采用C51，有較高的編程效率。測(cè)試結(jié)果表明對(duì)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的測(cè)量精度較高，基本能夠滿足實(shí)際的測(cè)試需要，有

40、一定的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。參 考 文 獻(xiàn)1何希才,薛永毅.傳感器及其應(yīng)用實(shí)例M.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.12譚浩強(qiáng).C程序設(shè)計(jì)（第二版）M.北京：清華大學(xué)出版社，19993謝嘉奎,宣月清,馮軍 . 電子線路M.北京：高等教育出版社，20044康華光 .電子技術(shù)基礎(chǔ)M.北京：高等教育出版社，20045胡斌 . 圖表細(xì)說(shuō)電子元器件M.北京：電子工業(yè)出版社，2004.56德克勞斯貝伊特.電子元件M. 北京：科學(xué)出版社，1999.87余錫存,曹國(guó)華.單片機(jī)原理與接口技術(shù)M .西安：西安電子科技大學(xué)出版社,2000.7致謝 附錄A部分程序清單:/=源代碼_HYTC=#include #include

41、#include #define uchar unsigned char#define uint unsigned int/#include /const uchar code tab1=0 x48,0 xeb,0 x52,0 x62,0 xe1,0 x64,0 x44,0 xea,0 x40,0 x60;/const uchar code tab2=0 x80,0 x40,0 x20,0 x10,0 x08,0 x04,0 x02,0 x01;/uchar buf8=0,0,0,0,0,0,0,0;/unsigned char code dispbit=0 xfe,0 xfd,0 xfb,0 xf7,0 xef,0 xdf,