傳感器與測控電路課程設(shè)計報告-基于單片機的霍爾測速報警系統(tǒng).doc

傳感器與測控電路課程設(shè)計報告 學(xué)生姓名： 指導(dǎo)老師： 專業(yè)班級：12級測控二班 所在學(xué)院：機電工程學(xué)院 學(xué) 號 課 題 基于單片機的霍爾測速報警系統(tǒng) 基于單片機的霍爾測速報警系統(tǒng)的設(shè)計 摘 要在生產(chǎn)中，電機應(yīng)用十分廣泛，比如汽車速度顯示，設(shè)備工作時的檔位，都需要我們了解電機或者機器的轉(zhuǎn)速。轉(zhuǎn)速作為工程中應(yīng)用的一個非常廣泛的參數(shù)，它的測量方法有很多，特別是單片機對脈沖數(shù)字信號的強大處理能力，使得全數(shù)字測量系統(tǒng)越來越普及，越來越方便。本設(shè)計屬于碼盤轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)，實現(xiàn)轉(zhuǎn)速的實時測量和顯示。本系統(tǒng)以stc90c51單片機為核心，旋轉(zhuǎn)編碼器通過用傳感器測量非電量，轉(zhuǎn)變成模擬電量，再通過一系列測控電路。獲得數(shù)字信號，實現(xiàn)實時軸轉(zhuǎn)速測量，同時用四位段碼式led數(shù)碼管顯示模塊顯示電機轉(zhuǎn)速，并且加入了報警模塊。詳細闡述了轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)的工作過程，以及硬件電路的設(shè)計、顯示效果。本文吸收了硬件軟件化的思想，實現(xiàn)了題目要求的功能。關(guān)鍵詞：轉(zhuǎn)速測量,，單片機, led顯示模塊，霍爾傳感器。 目 錄第一部分 緒 論1.1 設(shè)計的任務(wù)與要求 1第二部分 功能分析與設(shè)計要求2.1 測控系統(tǒng)功能的概述 12.2系統(tǒng)模塊的確定 22.3各模塊的選擇 2 2.1.1傳感器模塊的論證與選擇 2 2.1.2報警模塊的論證與選擇 3 2.1.3顯示模塊的論證與選擇 3 2.1.2單片機模塊的論證與選擇 32.4 小結(jié) 3第三部分 測控系統(tǒng)的總體設(shè)計3.1 測控系統(tǒng)的總體設(shè)計 4 3.1.1 硬件原理圖 4 3.1.2 硬件電路設(shè)計總圖 53.2 測控系統(tǒng)子模塊簡介 5 3.2.1傳感器原理及分電路析 5 3.2.2 報警模塊 7 3.2.3 led數(shù)碼管 8 3.2.4 stc90c51單片機10第四部分 軟件設(shè)計 4.1 程序設(shè)計步驟 124.2 程序流程圖 13 4.2.1 主程序設(shè)計 14 4.2.2 中斷服務(wù)程序設(shè)計 15第五部分 軟件調(diào)試與仿真5.1 keil軟件進行程序調(diào)試 155.2 proteus軟件仿真 165.3 硬件軟件聯(lián)合調(diào)試 17 5.3.1 硬件電路的焊接與搭建 18 5.3.2搭接檢查步驟 19第六部分 結(jié)論參考文獻 20附錄 第一部分 緒 論1.1 設(shè)計的任務(wù)與要求 本課題的任務(wù)是：設(shè)計一套測量轉(zhuǎn)速的儀器，轉(zhuǎn)速在數(shù)碼管上顯示，且具有超速報警功能，精度到達轉(zhuǎn)速個位，高低速實現(xiàn)報警。要求會選用傳感器并搭建測控電路，實現(xiàn)課題所要求的功能 本設(shè)計需要對各種測量轉(zhuǎn)速的基本方法予以分析，針對不同的應(yīng)用環(huán)境，利用單片機設(shè)計一種全數(shù)字化測速系統(tǒng)，從提高測量精度的角度出發(fā)，分析討論其產(chǎn)生誤差的可能原因，為今后的實際使用提供借鑒。并從實際硬件電路出發(fā)，分析電路工作原理和軟件流程。熟悉傳感器的選擇，及外圍電路的設(shè)計，了解測控系統(tǒng)設(shè)計的基本流程 第二部分 功能分析與設(shè)計要求2.1 測控系統(tǒng)功能的概述 在電機或轉(zhuǎn)軸上放置一個或多個磁鋼，將霍爾傳感器有規(guī)律的放置在電機或者轉(zhuǎn)軸附近，當有磁場通過時，在傳感器上就可以產(chǎn)生電信號，通過測控電路對電信號的處理得到有用信號送單片機內(nèi)部，根據(jù)信號測出電機轉(zhuǎn)速，并在數(shù)碼管上顯示，且有報警功能。2.2系統(tǒng)模塊的確定通過對功能的分析可知，系統(tǒng)模塊分為以下幾類：1. 傳感器模塊，以將非電信號信號轉(zhuǎn)化為電信號。2. 報警模塊，當速度過低或過高時，啟動此模塊。3. 顯示模塊，通過單片機處理得出轉(zhuǎn)速，送顯示模塊顯示。4. 單片機模塊，用以對脈沖計數(shù)，對外部信號進行處理。5. 電源模塊，這里使用現(xiàn)有電源，初步確定為5v直流電源，故不再設(shè)計。 此外由于單片機有計數(shù)功能，計數(shù)模塊在單片機模塊中討論 2.3各模塊的選擇 2.1.1傳感器模塊的論證與選擇霍爾傳感器是根據(jù)霍爾效應(yīng)制作的一種磁場傳感器。霍爾效應(yīng)是磁電效應(yīng)的一種，霍爾傳感器具有許多優(yōu)點，體積小，重量輕，壽命長，安裝方便，功耗小，頻率高（可達1mhz），耐震動，不怕灰塵、油污、水汽及鹽霧等的污染或腐蝕。廣泛用于各類工程實際應(yīng)用中，出于成本的考慮，在這里我們選用直插式霍爾片傳感器a3144，與普通磁鋼配套使用，體積小，靈敏度高，價格在12元左右，基本可以滿足本課題的要求 2.1.2報警模塊的論證與選擇方案一：采用蜂鳴器與led發(fā)光二極管為主要報警系統(tǒng)，該系統(tǒng)成本低，電路容易實現(xiàn)，編程容易。方案二：采用音樂語言報警，更人性化，但設(shè)計難度大，成本高?；诂F(xiàn)有設(shè)備器件，選用方案一。 2.1.3顯示模塊的論證與選擇這里課題已要求使用數(shù)碼管顯示，由于測量轉(zhuǎn)速適中，我們采用四位位選數(shù)碼管完全能滿足要求?；诂F(xiàn)有器件選用共陰極接法，但由于數(shù)碼管功耗較高，故需要加入驅(qū)動芯片，在這里我們使用51單片機開發(fā)板上現(xiàn)有的鎖存芯片74573 2.1.2單片機模塊的論證與選擇此系統(tǒng)十分簡單，數(shù)據(jù)處理不大，采用8位單片機完全能滿足需要，基于國內(nèi)8位單片機領(lǐng)導(dǎo)廠商宏晶公司生產(chǎn)的系列單片機的低價格，高性能的優(yōu)勢，我選用了系類9051八位單片機，編程和使用與一般80c51單片機一樣。2.4 小結(jié)通過本小計，對本設(shè)計的基本模塊進行了選擇，確定了顯示，報警，計數(shù)，傳感器，單片機選擇的可行性。并在實現(xiàn)儀器功能的基礎(chǔ)上充分考慮了成本問題。 第三部分 測控系統(tǒng)的總體設(shè)計3.1 測控系統(tǒng)的總體設(shè)計 3.1.1 硬件原理圖模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量電壓比較器霍爾傳感器單片機數(shù)碼管顯示電機驅(qū)動電路計數(shù)脈沖輸入非電量轉(zhuǎn)換為模擬電量聲光報警系統(tǒng)原理圖如下： 3.1.2 硬件電路設(shè)計總圖系統(tǒng)硬件電路圖如下：3.2 測控系統(tǒng)子模塊簡介 3.2.1傳感器原理及轉(zhuǎn)換電路分析由霍爾效應(yīng)知，霍爾電勢的大小取決于：rh為霍爾常數(shù)，它與半導(dǎo)體材質(zhì)有關(guān)；i為霍爾元件的偏置電流；b為磁場強度；d為半導(dǎo)體材料的厚度。對于一個給定的霍爾器件，當偏置電流i固定時，uh將完全取決于被測的磁場強度b。一個霍爾元件一般有四個引出端子，其中兩根是霍爾元件的偏置電流i的輸入端，另兩根是霍爾電壓的輸出端。如果兩輸出端構(gòu)成外回路，就會產(chǎn)生霍爾電流。在半導(dǎo)體薄片兩端通以控制電流i，并在薄片的垂直方向施加磁感應(yīng)強度為b的勻強磁場，則在垂直于電流和磁場的方向上，將產(chǎn)生電勢差為uh的霍爾電壓。 霍爾效應(yīng)原理圖 以上為alldatasheet網(wǎng)站關(guān)于3144的數(shù)據(jù) 外部接口 本系統(tǒng)采用開關(guān)型霍爾傳感器a3144以及磁鋼，由它們來檢測電機的轉(zhuǎn)速。工作方式為：將磁鋼安裝在電機的轉(zhuǎn)軸上，而霍爾傳感器則放在轉(zhuǎn)軸的旁邊，霍爾傳感器連接在電路中，當磁鋼隨轉(zhuǎn)軸經(jīng)過霍爾傳感器時，霍爾傳感器的工作原理知，此時將輸出一個低電平信號；而當磁鋼離開霍爾傳感器后，又將輸出一個高電平。這樣通過高低電平的轉(zhuǎn)換，將其送入單片機后就可以測量它的轉(zhuǎn)速。 由于由霍爾傳感器輸出的電平未經(jīng)特殊處理，且存在干擾，故不是完整的脈沖電平，在后續(xù)電路中進行改進，這里我們用到電壓比較電路，選用常用的lm393雙電壓比較集成芯片，下圖是alldatasheet數(shù)據(jù)，電路中只用到4、8、1、2、3腳。電路圖也在此給出： 3.2.2 報警模塊報警模塊可選用無源蜂鳴器或者有源蜂鳴器，有源蜂鳴器由于內(nèi)部有震蕩元件，故通電后就可以報警，由于硬件設(shè)備的限制，我們選用無源蜂鳴器，但編程上需要花點心思。 3.2.3 led數(shù)碼管顯示電路采用led數(shù)碼管動態(tài)顯示，led（light-emitting diode）是一種外加電壓從而渡過電流并發(fā)出可見光的器件。led是屬于電流控制器件，使用時必須加限流電阻。led有單個led和八段led之分，也有共陰和共陽兩種。七段發(fā)光數(shù)碼管結(jié)構(gòu)共陰極數(shù)碼管的發(fā)光二極管陰極必須接低電平,當某發(fā)光二極管的陽極為高電平時(一般為+5v)時,此二極管點亮;共陽極數(shù)碼管的發(fā)光二極管是陽極接到高電平,對于需要點亮的發(fā)光二極管使其陰極接低電平(一般為地)即可。根據(jù)led顯示器可知，如果希望顯示“8”字，那么除了“dp”管不要點亮以外，其余管全部點亮。同理如果要顯示“1”，只需bc兩個發(fā)光二極管點亮，其余均布點亮。通常將控制發(fā)光二極管的8位數(shù)據(jù)稱為段選碼，共陰極和共陽極的段選碼互為補碼。led顯示器的段選碼如下表所示： led數(shù)碼管段選碼 顯示部分電路圖如下，這里出于成本簡便考慮，用到的是現(xiàn)有的單片機開發(fā)板，實際試驗中只需用到四位數(shù)碼管，且未加入單個發(fā)光二極管。 值得注意的是由于數(shù)碼管功耗比較高，故在前面加入了74hc573鎖存器芯片用做驅(qū)動數(shù)碼管，但這里用到的并不是鎖存功能。 3.2.4 stc90c51單片機90單片機是國內(nèi)八位高性能單片機，選用的單片機帶16k字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存貯器，stc的90c51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廉的方案.p0口：p0口是一組8位漏極開路型雙向i0口，也即地址數(shù)據(jù)總線復(fù)用口。作為輸出口用時，每位能驅(qū)動8個ttl邏輯門電路。p1口：pl是一個帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向io口，pl的輸出緩沖級可驅(qū)動（吸收或輸出電流）4個ttl邏輯門電路。對端口寫“l(fā)”，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時可作輸入口。作輸入口使用時，因為內(nèi)部存在上拉電阻，某個引腳被外部信號拉低時會輸出一個電流.p2口：p2是一個帶有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向io口，p2的輸出緩沖級可驅(qū)動（吸收或輸出電流）4個ttl邏輯門電路。對端口寫“1”，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時可作輸入口，作輸入口使用時，因為內(nèi)部存在上拉電阻，某個引腳被外部信號拉低時會輸出一個電流p3口：p3口是一組帶有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向i0口。p3口輸出緩沖級可驅(qū)動（吸收或輸出電流）4個ttl邏輯門電路。對p3口寫入“l(fā)”時，它們被內(nèi)部上拉電阻拉高并可作為輸入端口。作輸入端時，被外部拉低的p3口將用上拉電阻輸出電流（iil）.p3口除了作為一般的i0口線外，更重要的用途是它的第二功能，上面表已給出。rst復(fù)位輸入。當振蕩器工作時，rst引腳出現(xiàn)兩個機器周期以上高電平將使單片機復(fù)位。wdt溢出將使該引腳輸出高電平，設(shè)置sfr auxr的disrt0位（地址8eh）可打開或關(guān)閉該功能。disrt0位缺省為reset輸出高電平打開狀態(tài)。psen：程序儲存允許（psen）輸出是外部程序存儲器的讀選通信號，當at89c51由外部程序存儲器取指令（或數(shù)據(jù)）時，每個機器周期兩次psen有效，即輸出兩個脈沖。當訪問外部數(shù)據(jù)存儲器，沒有兩次有效psen信號。xtall：振蕩器反相放大器及內(nèi)部時鐘發(fā)生器的輸入端。xtal2：振蕩器反相放大器的輸出 第四部分 軟件設(shè)計 4.1 程序設(shè)計步驟第一步分析問題，明確任務(wù)要求，還要將解決的問題抽象成數(shù)學(xué)化。第二部確定算法，根據(jù)實際問題和指令系統(tǒng)的特點確定完成這一任務(wù)必須經(jīng)歷的步驟。第三部選擇所選擇的算法，確定內(nèi)存單元的分配：確定解決問題的步驟和順序，畫出程序的流程圖。第四部根據(jù)流程圖，編寫源程序。第五部上機對源程序進行編譯、調(diào)試。4.2 程序流程圖測量過程是測量轉(zhuǎn)速的傳感器和電機同軸連接。電機每轉(zhuǎn)過一圈產(chǎn)生一個脈沖。經(jīng)電壓比較器整形后成為單片機計數(shù)器的輸入脈沖，控制計數(shù)的時間就可以得到相應(yīng)的轉(zhuǎn)速，然后確定是否在所需量程以內(nèi)，在則送數(shù)碼管顯示，不在則啟動報警器。電機計算轉(zhuǎn)速的公式為： n=60*m/(n1*t*n) (r/min）其中：n為電機轉(zhuǎn)速，n為柵格數(shù)，即磁鋼的個數(shù)。n1為中斷次數(shù)，m為在規(guī)定時間內(nèi)測得的脈沖數(shù)，t為t0的溢出時間。 外部脈沖通過單片機定時/計數(shù)器t1進行計數(shù)，內(nèi)部采用定時，定時為10ms，即溢出100次則記滿1秒，在本例磁鋼數(shù)為1 ，n1*t設(shè)定為一秒，故轉(zhuǎn)速即為n=60m (r/min) 4.2.1 主程序設(shè)計 開 始初始化定時計數(shù)器定時刷新數(shù)碼管顯示否計數(shù)器是否循環(huán)100次是計算轉(zhuǎn)速是否超速是 報 警否 返 回數(shù)碼管顯示4.2.2 中斷服務(wù)程序設(shè)計開t0中段是否中斷 100次否中斷返回記電機轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)存至緩存區(qū)是t0中斷入口置初始值開t0中段是否中斷 100次否是中斷返回記電機轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)存至緩存區(qū)是 第五部分 軟件調(diào)試與仿真5.1 keil軟件進行程序調(diào)試1首先創(chuàng)建項目。保存2. 創(chuàng)建c文件，保存，加入到項目中，這里為了便于編程，采用c語言。3. 無錯誤，生成hex文件。5.2 proteus軟件仿真1. 首先根據(jù)原理圖，畫出仿真圖，這里單片機默認為12mhz .2. 由于這里沒有霍爾元件，以此用555電路與脈沖產(chǎn)生器組合使用，產(chǎn)生脈沖 。3. 加入hex文件，啟動仿真。4. 不同時刻，顯示效果如下圖：設(shè)置脈沖頻率為20hz。則轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)速為1200r/min由于我們設(shè)定高于6000低于400轉(zhuǎn)則報警，上圖可以看出，當轉(zhuǎn)速為60時，p3.7口位低電平，驅(qū)動有源蜂鳴器報警。5.3 硬件軟件聯(lián)合調(diào)試 5.3.1 硬件電路的焊接與搭建需要物品 電阻 有源蜂鳴器 單片機開發(fā)板 發(fā)光二極管 洞洞板 5.3.2搭接檢查步驟1.打開單片機電源，接上通訊線2. 確認無誤燒錄程序 第六部分 結(jié) 論通過本次課程設(shè)計，深刻體會到，傳感器在工業(yè)控制，檢測方面發(fā)揮著巨大的作用，傳感器可以將各種非電量裝換為電量，但這并不能用來檢測，控制，還需要通過一系列的測控電路，將信號進一步放大，濾波，整形等操作，以得到有用的信號，再對對相應(yīng)的信號做出處理。此外在電路搭建過程中，發(fā)現(xiàn)，好的軟件設(shè)計能使電路大大簡化，所以在以后進行測控電路設(shè)計，一定要有軟硬件兼顧的思想。參考文獻 1 蔣清明. c語言程序設(shè)計. 中國礦業(yè)大學(xué)出版社, 2011 2 來清明.傳感器與單片接口及實例.北京航空航天大學(xué)出版社，2008 3 李朝青.單片機原理及接口技術(shù).北京航空航天大學(xué)出版社，2008 4 張國雄.測控電路.機械工業(yè)出版社,2014 5 唐文彥.傳感器，機械工業(yè)出版社,2015附錄 程序代碼#include #define uchar unsigned char #define uint unsigned int #define ulong unsigned long#define led_dat p1sbit led_seg0 = p23;sbit led_seg1 = p22;sbit led_seg2 = p21;sbit led_seg3 = p20;sbit beep = p37;#define k 1 /校準系數(shù)unsigned char code table=0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f;uchar data len4;/ 顯示緩沖區(qū) uint tcounter = 0; /時間計數(shù)器bit flag_fresh = 0; / 刷新標志 bit flag_clac = 0; /計算轉(zhuǎn)速標志 void beep();void displayfresh(); /顯示函數(shù)void count(); /計算轉(zhuǎn)速函數(shù)void init_timer0();/初始化定時器t0void init_timer1();/初始化定時器t1void delay(uint ms);/延時函數(shù)void it_timer0() interrupt 1 tf0 = 0; /d定時器 t0用于數(shù)碼管的動態(tài)刷新 th0 = 0xd8; tl0 = 0xf0; flag_fresh = 1; tcounter+; if(tcounter100)/12m晶振，定時器10ms 中斷一次 我們1秒計算一次轉(zhuǎn)速 / 1000ms/10ms = 100 flag_clac = 1;/周期到，該重新計算轉(zhuǎn)速了 void init_timer1() /初始化定時器t1tmod &= 0x0f; tmod |= 0x50; th1 = 0x00; /設(shè)置初值。tl1 = 0x00; et1=1; ea=1; tr1=1; void main(void)len0 = 8; /開機時，初始化為8888len1 = 8; len2 = 8;len3 = 8;init_timer0();init_timer1();while(1) if(flag_fresh) flag_fresh = 0; displayfresh(); / 定時刷新數(shù)碼管顯示 if(flag_clac) flag_clac = 0; count(); /計算轉(zhuǎn)速，并把結(jié)果放入數(shù)碼管緩沖區(qū) tcounter = 0;/周期定時 清零 th1=tl1 = 0x00;/脈沖計數(shù)清零 /可以加報警程序 void displayfresh() /顯示函數(shù)p