霍爾傳感器課程設(shè)計---霍爾元件小車測速系統(tǒng)設(shè)計

1、<p>　　電氣與電子信息工程學(xué)院</p><p>　　傳感器及檢測技術(shù)課程設(shè)計報告</p><p>　　設(shè)計題目： 霍爾元件小車測速系統(tǒng)設(shè)計 </p><p>　　專業(yè)班級： 電子信息科學(xué)與技術(shù)081班 </p><p>　　學(xué)生姓名： </p>

2、<p>　　學(xué) 號： </p><p>　　指導(dǎo)教師： </p><p>　　設(shè)計時間： 2011.12.12－2011.12.23 </p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b&

3、gt;　　1 緒 論1</b></p><p>　　1.1 設(shè)計任務(wù)1</p><p>　　1.2 方案分析論證1</p><p>　　2 基于霍爾傳感器的電機(jī)轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)硬件設(shè)計2</p><p>　　2.1 電機(jī)轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計2</p><p>　　2.2 霍爾傳感器測量電路

4、設(shè)計4</p><p>　　2.3 單片機(jī)AT89C518</p><p>　　2.4 顯示電路設(shè)計11</p><p>　　2.5 系統(tǒng)軟件設(shè)計14</p><p>　　3 系統(tǒng)仿真和調(diào)試16</p><p>　　3.1 Proteus軟件16</p><p>　　3.2 硬件調(diào)

5、試17</p><p>　　3.3 軟件調(diào)試19</p><p>　　3.4 軟硬件聯(lián)調(diào)19</p><p>　　4 結(jié) 論21</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)22</b></p><p>　　附錄 硬件實物圖23</p><p><b>

6、　　1 緒 論</b></p><p><b>　　1.1 設(shè)計任務(wù)</b></p><p>　　1.1.1課程設(shè)計目的：</p><p>　　通過《傳感器及檢測技術(shù)》課程設(shè)計，掌握傳感器及檢測系統(tǒng)設(shè)計的方法和設(shè)計原則及相應(yīng)的硬件調(diào)試的方法。進(jìn)一步理解傳感器及檢測系統(tǒng)的設(shè)計和應(yīng)用。 </p><p>　　

7、1.1.2課程設(shè)計題目：</p><p>　　霍爾元件小車測速系統(tǒng)設(shè)計</p><p>　　1.1.3 課程設(shè)計內(nèi)容：</p><p>　　霍爾元件測速系統(tǒng)設(shè)計</p><p>　　霍爾傳感器一般由霍爾元件和磁鋼組成，當(dāng)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(jìn)而求出車速。</p><

8、p>　　現(xiàn)要求設(shè)計一個測量系統(tǒng)，在小車的適當(dāng)位置安裝霍爾元件及磁鋼，使之具有以下功能：</p><p>　　1）LED數(shù)碼管顯示小車的行駛距離（單位：cm）。</p><p>　　2）具有小車前進(jìn)和后退檢測功能，并用指示燈顯示。</p><p>　　3）記錄小車的行駛時間，并實時計算小車的行駛速度。</p><p>　　4）距離測量誤差

9、＜2cm。</p><p><b>　　5）其它。</b></p><p>　　1.2 方案分析論證</p><p>　　1.2.1 霍爾測速模塊論證與選擇</p><p>　　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。

10、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12～15V。體積較大，價格昂貴。</p><p><b>　　因此選擇方案一。</b></p><p>　　1.2.2 單片機(jī)模塊論證與選擇</p><p>　　方案一：采用型號為AT89C51的單片機(jī)作為主控制器，使用霍

11、爾傳感器進(jìn)行測量的直流電機(jī)轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)。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]。</p><p>　　方案二：采用單片機(jī)C8051F060作為主控制器，使用霍爾傳感器進(jìn)行測量的直流電機(jī)轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)。C8051F060系列單片機(jī)是美國CYGNAL公司推出的一種與51系列單

12、片機(jī)內(nèi)核兼容的單片機(jī)[4]。C8051F060作為新一代8051單片機(jī)，具有功能強(qiáng)大、體積小、工作穩(wěn)定等特點，適用于復(fù)雜控制系統(tǒng)。</p><p><b>　　因此選擇方案一。</b></p><p>　　1.2.3 顯示模塊論證與選擇</p><p>　　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(fù)

13、雜，耗電流大，驅(qū)動電路復(fù)雜。</p><p>　　方案二：采用點陣式數(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。</p><p>　　方案三：采用LCD液晶顯示屏,液晶顯示屏的顯示功能強(qiáng)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(shè)計中采用了LCD液晶顯示屏。</p>

14、<p><b>　　因此選擇方案三。</b></p><p>　　1.2.4 報警模塊論證與選擇</p><p>　　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。</p><p>　　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

15、該設(shè)計要求而言，方案過于復(fù)雜，相對成本過高，工作量偏大。</p><p><b>　　因此選擇方案一。</b></p><p>　　1.2.5 電源模塊論證與選擇</p><p>　　方案一：采用交流220V/50Hz電源轉(zhuǎn)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(jī)開發(fā)常備電源使用。</p><

16、p>　　方案二：采用干電池串并聯(lián)達(dá)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(fù)載后壓降過高，可能無法使系統(tǒng)穩(wěn)定持續(xù)運行。</p><p>　　方案三：采用可充電鋰電池結(jié)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(shè)計要求性價比低。</p><p><b>　　因此選擇方案一。</

17、b></p><p>　　2 基于霍爾傳感器的電機(jī)轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)硬件設(shè)計</p><p>　　2.1 電機(jī)轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計</p><p>　　2.1.1 總體硬件設(shè)計</p><p>　　使用單片機(jī)測量電機(jī)轉(zhuǎn)速的基本結(jié)構(gòu)如圖2-1所示。該系統(tǒng)包括霍爾傳感器、隔離整形電路、主CPU、顯示電路、報警電路及電源等部分。</p

18、><p>　　圖2-1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　其測量過程是測量轉(zhuǎn)速的霍爾傳感器和電機(jī)機(jī)軸同軸連接，機(jī)軸每轉(zhuǎn)一周，產(chǎn)生一定量的脈沖個數(shù)，由霍爾器件電路輸出。經(jīng)過電耦合器后，即經(jīng)過隔離整形電路后，成為轉(zhuǎn)數(shù)計數(shù)器的計數(shù)脈沖。同時霍爾傳感器電路輸出幅度為12V的脈沖經(jīng)光電耦合后降為5V，保持同單片機(jī)AT89C51邏輯電平相一致，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(jī)軸的轉(zhuǎn)速值。主CP

19、U將該值數(shù)據(jù)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(zhuǎn)燈發(fā)出聲、光報警信號。</p><p><b>　　1.傳感器部分</b></p><p>　　主要分為兩個部分。第一部分是利用霍爾器件將電機(jī)的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)化為脈沖信號?；魻枩y速模塊由鐵質(zhì)的測速齒輪和帶有霍爾元件的支架構(gòu)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(jī)的轉(zhuǎn)軸上。將

20、霍爾元件固定在距齒輪外圓1mm的探頭上，霍爾元件的對面粘貼小磁鋼，當(dāng)測速齒輪的每個齒經(jīng)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(jìn)行整形隔離，減少計數(shù)的干擾。</p><p>　　測速齒輪 霍爾元件</p><p>　　圖2-2 轉(zhuǎn)速變換裝

21、置</p><p><b>　　2.處理器</b></p><p>　　采用AT89C51單片機(jī)作為系統(tǒng)的處理器。</p><p><b>　　3.顯示部分</b></p><p>　　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(dāng)前的頻率數(shù)值，當(dāng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速超出一定的范圍后，通過蜂鳴器進(jìn)

22、行報警。蜂鳴器是一種一體化結(jié)構(gòu)的電子訊響器，采用直流電壓供電，廣泛應(yīng)用于計算機(jī)、打印機(jī)、復(fù)印機(jī)、報警器、電子玩具、汽車電子設(shè)備、電話機(jī)、定時器等電子產(chǎn)品中作發(fā)聲器件。</p><p>　　2.1.2 系統(tǒng)電路設(shè)計</p><p>　　實際測量時，要把霍爾傳感器固定在直流測速電機(jī)的底板上，與霍爾探頭相對的電機(jī)的軸上固定著一片磁鋼塊，電機(jī)每轉(zhuǎn)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

23、開發(fā)的多功能實驗板上的P3.2[]上，設(shè)定Ｔ0定時，每分鐘所計的進(jìn)入P3.2的脈沖個數(shù)即為直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速。</p><p>　　由于在虛擬仿真電路圖中，沒有電機(jī)及傳感器，所以就直接用一個脈沖信號代替。</p><p>　　2.2 霍爾傳感器測量電路設(shè)計</p><p>　　2.2.1 霍爾元件</p><p>　　根據(jù)霍爾效應(yīng)，人們用半導(dǎo)體材

24、料制成的元件叫霍爾元件。它具有對磁場敏感、結(jié)構(gòu)簡單、體積小、頻率響應(yīng)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(jī)和信息技術(shù)等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。</p><p>　　霍爾傳感器A3144是Allegro MicroSystems公司生產(chǎn)的寬溫、開關(guān)型霍爾效應(yīng)傳感器，其工作溫度范圍可達(dá)-40℃～150℃。它由電壓調(diào)整電路、反相電源保護(hù)電路、霍爾元件、溫度補(bǔ)償電路、微信號放大器、施密特觸發(fā)器和O

25、C門輸出極構(gòu)成，通過使用上拉電阻可以將其輸出接入CMOS邏輯電路。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]。</p><p>　　A3144E系列單極高溫霍爾效應(yīng)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(yīng)強(qiáng)度，輸出是一個數(shù)字電壓訊號。它是一種

26、單磁極工作的磁敏電路，適用于矩形或者柱形磁體下工作?？蓱?yīng)用于汽車工業(yè)和軍事工程中。</p><p>　　霍爾傳感器的外形圖和與磁場的作用關(guān)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。</p><p>　　霍爾元件和磁鋼 管腳圖</p><p>　　圖2-4 霍爾傳感器的外形圖</p&

27、gt;<p>　　該霍爾傳感器的接線圖如圖2-5所示。</p><p>　　圖2-5 霍爾傳感器的接線圖</p><p>　　2.2.2 霍爾傳感器測量原理</p><p>　　測量電機(jī)轉(zhuǎn)速的第一步就是要將電機(jī)的轉(zhuǎn)速表示為單片機(jī)可以識別的脈沖信號，從而進(jìn)行脈沖計數(shù)?；魻柶骷鳛橐环N轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)的傳感器，它有結(jié)構(gòu)牢固、體積小、重量輕、壽命長、安裝方便等優(yōu)

28、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(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動時，帶動傳感器運動，產(chǎn)生對應(yīng)頻率的脈沖信號，經(jīng)過信號處理后輸出到計數(shù)器或其他的脈沖計數(shù)裝置，進(jìn)行轉(zhuǎn)速的測量[6]。</p><p>　　圖2-6 霍爾器件測速原理</p><p>　　2.2.3 轉(zhuǎn)速測量方法 </p><p>　　轉(zhuǎn)速的測量方法很多，根據(jù)脈沖計數(shù)來實現(xiàn)轉(zhuǎn)速測量的方法主要有

29、M法(測頻法)、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電機(jī)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。脈沖信號的周期與電機(jī)的轉(zhuǎn)速有以下關(guān)系：</p><p&

30、gt;　　n= (2-1)</p><p>　　式中：n為電機(jī)轉(zhuǎn)速；P為電機(jī)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)即可計算出直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速[7]。 霍爾器件是由半導(dǎo)體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_

31、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[8]。</p><p>　　2.2.4 反相器74LS14</p><p>　　74LS14是一個6反相器，引腳定義如圖2-7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

32、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。</p><p>　　圖2-7 反相器引腳圖</p><p>　　2.2.5 光電耦合器</p><p>　　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(qiáng)、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(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

33、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(hù)、長線傳輸、高壓控制及電平匹配等。</p><p>　　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，受光器為光敏二極管、光敏三極管等。光電耦合器的種類較多，常

34、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(dá)林頓型、集成電路型等。</p><p>　　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(xiàn)耦合構(gòu)成電—光和光—電的轉(zhuǎn)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(qiáng)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(yīng)而產(chǎn)生了光電流，由受光器輸出端引出，這樣就實現(xiàn)了電一光一電

35、的轉(zhuǎn)換[9]。</p><p>　　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。</p><p>　　當(dāng)電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(chǎn)生電流，CE導(dǎo)通；當(dāng)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(shù)位量，當(dāng)輸入為低電平“0”時，光敏三極管截止，輸出為高電平“1”；當(dāng)輸入為高電平“1”時，光敏三極管飽

36、和導(dǎo)通，輸出為低電平“0”。若基極有引出線則可滿足溫度補(bǔ)償、檢測調(diào)制要求。這種光耦合器性能較好，價格便宜，因而應(yīng)用廣泛。</p><p>　　圖2-8 最常用的光電耦合器內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　光電耦合器的接線原理如圖2-9所示。</p><p>　　圖2-9 光電耦合器接線原理</p><p><b>　　2.2.6 蜂鳴

37、器</b></p><p>　　蜂鳴器是一種一體化結(jié)構(gòu)的電子訊響器，采用直流電壓供電，廣泛應(yīng)用于計算機(jī)、打印機(jī)、復(fù)印機(jī)、報警器、電子玩具、汽車電子設(shè)備、電話機(jī)、定時器等電子產(chǎn)品中作發(fā)聲器件。</p><p>　　報警器的種類很多，比如：揚(yáng)聲器、蜂鳴器等，本設(shè)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(chǎn)生的音頻信

38、號電流通過電磁線圈，使電磁線圈產(chǎn)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]。</p><p>　　圖2-10 電磁式蜂鳴器</p><p>　　2.3 單片機(jī)AT89C51</p><p>　　單片機(jī)(Single-Chip-Microcomputer)又稱為單片微控制器，其基本結(jié)構(gòu)是將微型計算機(jī)的基本功能部件：中央處理器（CPU）、存儲

39、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。</p><p>　　單片機(jī)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(qiáng)而有效的控制功能。雖然單片機(jī)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(jī)系統(tǒng)的含義。另一方面，單片機(jī)畢竟是一個芯片，只有外加所需的輸入、輸出設(shè)備，才可以構(gòu)成實用的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)[11]。</p><p>

40、　　2.3.1 AT89C51芯片</p><p>　　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(jī)。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(biāo)準(zhǔn)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

41、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。其引腳圖如圖2-11所示。</p><p>　　圖2-11 AT89C51引腳圖</p><p><b>　　2.3.2 定時器</b></p><p>　　8051單片機(jī)內(nèi)部有兩個16位可編程定時器/計數(shù)器，記為T0和T1

42、。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(jī)內(nèi)部振蕩器提供，計數(shù)頻率為f/12,每個機(jī)器周期加1[13]。</p><p>　　8051單片機(jī)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

43、計數(shù)器，每當(dāng)產(chǎn)生溢出時，都會向CPU發(fā)出中斷請求。單片機(jī)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,再根據(jù)單片機(jī)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。</p><p>　　8051單片機(jī)的定時器/計數(shù)器是可編程的，在進(jìn)行定時或計數(shù)操作

44、之前要進(jìn)行初始化編程。通常8051單片機(jī)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。</p><p>　　在初始化過程中，要設(shè)置定時或計數(shù)的初始值，這時需要進(jìn)行一點運算

45、。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(dāng)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：</p><p>　　計數(shù)方式：X=M-要求的計數(shù)值 （2-2）</p><p>　　定時方式：X=M-

46、 （2-3）</p><p>　　2.3.3 外部中斷</p><p>　　外部中斷：對某個中央處理機(jī)而言，它的外部非通道式裝置所引起的中斷稱為外部中斷。</p><p>　　51單片機(jī)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(jī)在每個機(jī)器周期檢查中斷源口線，檢測到低電平，即置位中斷請求標(biāo)志，向CPU請求中

47、斷。選擇邊沿觸發(fā)方式時，單片機(jī)在上一個機(jī)器周期檢測到中斷源口線為高電平，下一個機(jī)器周期檢測到低電平，即置位中斷標(biāo)志，請求中斷。</p><p>　　應(yīng)用時需要特別注意的幾點：</p><p>　　1．電平觸發(fā)方式時，中斷標(biāo)志寄存器不鎖存中斷請求信號。要使電平觸發(fā)的中斷被CPU響應(yīng)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(dāng)CPU正在執(zhí)行同級中斷或更高級中斷期間，產(chǎn)生的

48、外部中斷源（產(chǎn)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?yīng)，就如同沒發(fā)生一樣。同樣，當(dāng)CPU在執(zhí)行不可被中斷的指令（如RETI）時，產(chǎn)生的電平觸發(fā)中斷如果時間太短，也得不到執(zhí)行。</p><p>　　2．邊沿觸發(fā)方式時，中斷標(biāo)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(biāo)志寄存器中，直到CPU響應(yīng)并轉(zhuǎn)向該中斷服務(wù)程序時，由硬件自動清除。因此當(dāng)CPU正在執(zhí)行同級中斷（甚至

49、是外部中斷本身）或高級中斷時，產(chǎn)生的外部中斷（負(fù)跳變）同樣將被記錄在中斷標(biāo)志寄存器中。在該中斷退出后，將被響應(yīng)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(biāo)志。</p><p>　　3．中斷標(biāo)志可以手工清除。一個中斷如果在沒有得到響應(yīng)之前就已經(jīng)被手工清除，則該中斷將被CPU忽略。就如同沒有發(fā)生一樣。</p><p>　　2.4 顯示電路設(shè)計</p><p&

50、gt;　　2.4.1 1602字符型LCD簡介</p><p>　　1·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。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

51、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。</p><p>　　圖2-12 1602實物圖</p><p>　　2.4.2 1602LCD的基本參數(shù)及引腳功能</p><p>　　1.1602LCD類型</p><p>　　1602LCD分為帶背光和不帶背光兩種，基控制器大部分為HD44780，帶背

52、光的比不帶背光的厚，是否帶背光在應(yīng)用中并無差別，兩者尺寸差別如圖2-13所示。</p><p>　　圖2-13 1602帶背光與不帶背光差別圖</p><p>　　2.LCD1602主要技術(shù)參數(shù)</p><p>　　顯示容量:16×2個字符</p><p>　　芯片工作電壓:4.5—5.5V</p><p>

53、　　工作電流:2.0mA(5.0V)</p><p>　　模塊最佳工作電壓:5.0V</p><p>　　字符尺寸:2.95×4.35(W×H)mm</p><p>　　3.1602LCD引腳</p><p>　　1602LCD采用標(biāo)準(zhǔn)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。</p>

54、<p>　　表2-1 引腳接口說明表</p><p>　　第1腳：VSS為地電源。</p><p>　　第2腳：VDD接5V正電源。</p><p>　　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。</p><p>　　第4

55、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。</p><p>　　第5腳：R/W為讀寫信號線，高電平時進(jìn)行讀操作，低電平時進(jìn)行寫操作。當(dāng)RS和R/W共同為低電平時可以寫入指令或者顯示地址，當(dāng)RS為低電平R/W為高電平時可以讀忙信號，當(dāng)RS為高電平R/W為低電平時可以寫入數(shù)據(jù)。</p><p>　　第6腳：E端為使能端，當(dāng)E端由高電平跳變成低電平時，液晶模塊執(zhí)行命令

56、。</p><p>　　第7～14腳：D0～D7為8位雙向數(shù)據(jù)線。</p><p>　　第15腳：背光源正極。</p><p>　　第16腳：背光源負(fù)極。</p><p>　　4.其與單片機(jī)的連接如圖2-14所示。</p><p>　　圖2-14 1602與單片機(jī)接線圖</p><p>　　2.

57、4.3 顯示模式</p><p>　　LCD1602是常見的16×2行，6×8字符點陣液晶模塊，廣泛應(yīng)用于智能儀表、通信、辦公自動化設(shè)備中，其字符發(fā)生器ROM中自帶數(shù)字和英文字母及一些特殊符號的字符庫，沒有漢字。本設(shè)計中LCD1602顯示了英文字母和數(shù)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。</p><

58、;p>　　圖2-15 LCD顯示圖</p><p>　　2.5 系統(tǒng)軟件設(shè)計</p><p>　　2.5.1 設(shè)計思想</p><p>　　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，代表的即是電機(jī)的轉(zhuǎn)速。</p><p>　　2.5.2 總體

59、軟件流程</p><p>　　先進(jìn)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(jìn)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)，即電機(jī)轉(zhuǎn)速。連續(xù)采樣三次，取平均值記為一次轉(zhuǎn)速值。再進(jìn)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(jìn)行

60、正常速度液晶顯示。如圖2-16所示。</p><p>　　圖2-16 主流程圖</p><p>　　3 系統(tǒng)仿真和調(diào)試</p><p>　　3.1 Proteus軟件</p><p>　　3.1.1 Proteus簡介</p><p>　　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

61、擬、數(shù)字電路以及模數(shù)混合電路，更具特色的是它能夠仿真基于單片機(jī)的電子系統(tǒng)。Proteus不但完全支持MCS-51及其派生系列單片機(jī)的設(shè)計系統(tǒng)，另外也能仿真基于AVR和PIC系列的單片機(jī)系統(tǒng)。Proteus的仿真資源Proteus軟件可提供的模擬、數(shù)字、交(直)流等元器件達(dá)30多個元件庫，共計數(shù)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(diào)試方面，其自身只帶匯編編譯器，不支持C語言。但可以將它與KeilC51集成開

62、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(jìn)行軟、硬件結(jié)合的系統(tǒng)仿真，像使用仿真器一樣來調(diào)試程序[15]。</p><p>　　當(dāng)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(yīng)的仿真模型，用開發(fā)板和仿真器當(dāng)然是最好選擇，可是對于單片機(jī)愛好者，或者簡單的開發(fā)應(yīng)該是比較好的選擇。Proteus與其它單片機(jī)仿真軟件不同的是，它不僅能仿真單片機(jī)CPU的工作情況，也能仿真單片機(jī)外圍電路或沒有單片機(jī)參

63、與的其它電路的工作情況。因此在仿真和程序調(diào)試時，關(guān)心的不再是某些語句執(zhí)行時單片機(jī)寄存器和存儲器內(nèi)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結(jié)果。對于這樣的仿真實驗，從某種意義上講，是彌補(bǔ)了實驗和工程應(yīng)用間脫節(jié)的矛盾和現(xiàn)象。</p><p>　　3.1.2 用Proteus繪制原理圖步驟</p><p>　　原理圖是在原理圖編輯窗口中的藍(lán)色方框內(nèi)繪制完成的，通過文件中的“新建

64、設(shè)計”選項，可以調(diào)整原理圖設(shè)計頁面大小。繪制原理圖時首先應(yīng)根據(jù)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。</p><p>　　首先根據(jù)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(guān)鍵字”欄內(nèi)鍵入“AT89C51”,窗口中間的“結(jié)果”欄將顯示出元器件庫中所有AT89C51單片機(jī)芯片，

65、選擇其中的“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(xiàn)在器件列表窗口。照此方法選擇所有需要的元器件。</p><p>　　圖3-1 器件選擇窗口</p><p>　　器件選擇完畢后，就可以開始繪制原理圖了。先用鼠標(biāo)從器件選擇窗口選中需要的器件，預(yù)覽窗口將出現(xiàn)該器件的圖標(biāo)。再將鼠標(biāo)指向編輯窗口并單擊左鍵，

66、將選中的器件放置到原理圖中。</p><p>　　放置電源和地線端時，要從“終端”按鈕欄中選取。</p><p>　　在兩個元器件之間進(jìn)行連線的方式很簡單，先將鼠標(biāo)指向第一個器件的連接點并單擊左鍵，再將鼠標(biāo)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(yuǎn)，直接連線不方便的器件，可以用標(biāo)號的方式進(jìn)行連接。</p><p>　　連接后的部分硬件電路

67、如圖3-2所示。</p><p><b>　　3.2 硬件調(diào)試</b></p><p>　　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(jìn)行檢測，一定要仔細(xì)認(rèn)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(shè)計用面包板搭件，所以

68、布線要無跨線并且工整。當(dāng)硬件設(shè)計從布線到焊接安裝完成之后，就開始進(jìn)入硬件調(diào)試階段。</p><p>　　3.2.1 硬件靜態(tài)調(diào)試</p><p><b>　　1．排除邏輯故障</b></p><p>　　顯示器部分調(diào)試為了使調(diào)試順利進(jìn)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

69、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(jìn)行編程調(diào)試時,分為兩個步驟：第一,對其進(jìn)行初始化。第二,將89C51與LCD結(jié)合起來,借助開發(fā)機(jī),通過編制程序進(jìn)行調(diào)試。若調(diào)試通過后,就可以編制應(yīng)用程序了[16]。</p><p>　　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

70、先將焊接好的電路板認(rèn)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)格和安裝是否一致。在保證安裝無誤后,用替換方法排除錯誤。

71、 3．排除電源故障</p><p>　　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5V～4．8V之間屬正常。若有高壓,聯(lián)機(jī)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。</p><p>　　3.2.2 虛擬仿真調(diào)試</p><p>　　原理圖繪制完成

72、之后，給單片機(jī)添加應(yīng)用程序，就可以進(jìn)行虛擬仿真調(diào)試。先用鼠標(biāo)右鍵選中AT89C51單片機(jī)，再單擊左鍵，彈出如圖3-3所示器件編輯窗口。</p><p>　　圖3-3 器件編輯窗口</p><p>　　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

73、“確定”按鈕退出。這時單擊仿真工具欄中全速運行按鈕即可開始進(jìn)行虛擬仿真[17]。</p><p><b>　　3.3 軟件調(diào)試</b></p><p>　　軟件調(diào)試是通過對用戶程序的匯編、連接、執(zhí)行來發(fā)現(xiàn)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(tǒng)的軟件程序完全由C51編寫，C語言效率高，但同時也存在一些缺點，比

74、如嚴(yán)格定時比較困難。在調(diào)試過程中采取的是自上至下的調(diào)試方法，單獨調(diào)試好每一個模塊，然后再連接成一個完整的系統(tǒng)調(diào)試。</p><p><b>　　3.4 軟硬件聯(lián)調(diào)</b></p><p>　　使用Keil、Proteus軟件進(jìn)行單步調(diào)試仿真模擬，直到滿足技術(shù)指標(biāo)后，將程序燒到89C51片中進(jìn)行軟硬件聯(lián)調(diào)。調(diào)試的過程及步驟如下：</p><p>

75、　　1.檢測5v電源是否正常，并且是否加到單片機(jī)的電源引腳端。</p><p>　　2.檢測單片機(jī)的晶振電路是否正常工作，用萬用表檢測89C51片的18、19腳的電壓分別為3v、1.5v左右。</p><p>　　3.檢測復(fù)位信號輸入端RST,高電平有效。在單片機(jī)正常工作時，此腳應(yīng)為0.5V低電平。</p><p>　　4.測試外部脈沖計數(shù)電路</p>

76、<p>　　通過給CPU 施加固定脈沖，測試外部計數(shù)軟件的正確與否。</p><p>　　5.測試定時器中斷系統(tǒng)</p><p>　　6.檢測液晶顯示模式</p><p>　　通過軟件編程，給LCD輸出指定數(shù)字，如“2501”，觀察LCD上顯示的也是“2501”，表明顯示電路正確。如圖3-4所示。</p><p>　　圖3-4 液

77、晶顯示模式測試電路</p><p><b>　　結(jié) 論</b></p><p>　　在實踐中，經(jīng)常會遇到各種需要測量轉(zhuǎn)速的場合。例如在發(fā)動機(jī)、電動機(jī)、卷揚(yáng)機(jī)、機(jī)床主軸等旋轉(zhuǎn)設(shè)備的試驗、運轉(zhuǎn)和控制中，常需要測量和顯示其轉(zhuǎn)速。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(jī)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、圓光柵、霍爾元件等為檢測元件，

78、得到的信號是脈沖信號。隨著微型計算機(jī)的廣泛應(yīng)用，特別是高性能價格比的單片機(jī)的出現(xiàn)，轉(zhuǎn)速測量普遍采用以單片機(jī)為核心的數(shù)字式測量方法，智能化微電腦代替了一般機(jī)械式或模擬式結(jié)構(gòu)。</p><p>　　經(jīng)過2周的辛勤努力，學(xué)習(xí)了霍爾傳感器測速原理及相關(guān)器件的性能特點與用法等知識，查閱了關(guān)于單片機(jī)的各方面的資料，實現(xiàn)了“基于霍爾傳感器的電機(jī)轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)設(shè)計”的基本要求。所設(shè)計的系統(tǒng)具有以下功能：</p>&l

79、t;p>　　1.設(shè)計采用89C51單片機(jī)作為測量轉(zhuǎn)速的主CPU芯片，系統(tǒng)硬件設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單合理，成本低，實時性好。</p><p>　　2.測速系統(tǒng)采用霍爾傳感器作為敏感速率信號，具有頻率響應(yīng)快，抗干擾能力強(qiáng)等特點?；魻杺鞲衅鞯妮敵鲂盘柦?jīng)信號調(diào)理后，通過單片機(jī)對連續(xù)脈沖計數(shù)來實現(xiàn)轉(zhuǎn)速測量，充分利用了單片機(jī)的內(nèi)部資源，有很高的性價比。</p><p>　　3.采用1602LCD顯示測速值

80、，直觀、穩(wěn)定，易于實現(xiàn)，該顯示方式可以推廣到其他工程應(yīng)用領(lǐng)域。</p><p>　　4.采用Proteus進(jìn)行了軟仿真，繪制出電機(jī)轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)的硬件電路，調(diào)試結(jié)果表明所設(shè)計的硬件電路正確。</p><p>　　5.測速系統(tǒng)的功能還有待進(jìn)一步擴(kuò)充，如判別轉(zhuǎn)速方向的能力，電路布局和抗干擾方面還有很大的提升空間。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b

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