畢業(yè)論文-基于at89c51單片機的轉(zhuǎn)速測量儀設(shè)計

青島理工大學(xué)畢業(yè)論文題目基于AT89C51單片機的轉(zhuǎn)速測量儀設(shè)計學(xué)生姓名學(xué)生學(xué)號院系名稱機電工程系專業(yè)班級機電一體化107班指導(dǎo)教師2013年6月15日摘要在工程實踐中，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AT89C51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)就是對電機轉(zhuǎn)速進行測量，并可以和PC機進行通信，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AT89C51作為控制核心，由霍爾傳感器、LED數(shù)碼顯像管、HIN232CPE電平轉(zhuǎn)換及RS232構(gòu)成。詳細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5位LED數(shù)碼管上。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)鍵詞MSC51單片機，轉(zhuǎn)速，傳感器ABSTRACTINTHEPROJECTPRACTICE,WEWILLMEETEACHKINDTONEEDFREQUENTLYTOSURVEYTHEROTATIONALSPEEDTHESITUATION,THESURVEYROTATIONALSPEEDMETHODDIVIDESINTOTHESIMULATIONTYPEANDTHEDIGITALTWOKINDSTHESIMULATIONTYPEUSESMEASUREDTHATTHEFASTGENERATORISTHEDETECTINGELEMENT,OBTAINSTHESIGNALSIMULATESTHEQUANTITYDIGITALUSUALLYUSESTHEELECTROOPTICALENCODER,THEHALLPARTANDSOONISTHEDETECTINGELEMENT,OBTAINSTHESIGNALISTHESIGNALIMPULSEALONGWITHMICROCOMPUTERSWIDESPREADAPPLICATION,SPECIALLYHIGHPERFORMANCEPRICECOMPAREDTOMONOLITHICINTEGRATEDCIRCUITSAPPEARANCE,THETACHOMETRICSURVEYUSESGENERALLYTAKETHEMONOLITHICINTEGRATEDCIRCUITASTHECOREDIGITALMEASURINGTECHNIQUEIGRADUATEDFROMTHEDESIGNOFTHEISSUEISCONTROLOFTHEINTELLIGENTUSEOFSCMSPEEDMEASURINGINSTRUMENTTHESYSTEMISTHEMOTORSPEEDMEASUREMENT,ANDPCANDCANCOMMUNICATETHATTHEMOTORSPEED,ANDTOOBSERVETHEMOTORRUNNINGTHEBASICSITUATIONTHEMAINDESIGNAT89C51CONTROLASTHECORE,BYTHEHALLSENSOR,LEDDIGITALCRT,HIN232CPELEVELCONVERSION,ANDARS232DETAILEDMEASUREMENTSOFTHESPEEDOFTHESCMSYSTEMANDPCANDTHESERIALCOMMUNICATIONBETWEENTHEMICROCONTROLLERGIVEFULLPLAYTOTHEPERFORMANCEOFTHESCMTHISPAPERISTOMEASURETHESPEEDANDDISPLAYEDINFIVELEDDIGITALPIPETHEADVANTAGEOFASIMPLEHARDWAREANDSOFTWARECAPABILITIESIMPROVE,MEASURINGSPEED,HIGHPRECISIONANDCONTROLSYSTEMRELIABLE,COSTEFFECTIVEANDSOONKEYWORDSMSC51ONECHIPCOMPUTER,SENSOR,TACHOMETER目錄摘要IABSTRACTII前言1第1章緒論211課題的研究背景212課題研究的目的和意義213轉(zhuǎn)速測量在國內(nèi)外的研究314主要內(nèi)容4第2章系統(tǒng)功能分析521系統(tǒng)功能概述522系統(tǒng)要求及主要內(nèi)容523系統(tǒng)技術(shù)指標6第3章系統(tǒng)總體設(shè)計731轉(zhuǎn)速測量的一般方法732硬件電路設(shè)計思路933軟件設(shè)計思路9第4章硬件電路設(shè)計1141單片機模塊11411處理執(zhí)行元件11412時鐘電路14413復(fù)位電路15414顯示電路16415HD7279接口18416鍵盤電路2142霍爾傳感器簡介22421霍爾器件概述22422霍爾傳感器的應(yīng)用22423AH41霍爾開關(guān)2343發(fā)送模塊24第5章軟件設(shè)計2851單片機轉(zhuǎn)速程序設(shè)計思路及過程28511單片機程序設(shè)計思路28512單片機轉(zhuǎn)速計算程序29513二十進制轉(zhuǎn)換程序3052程序設(shè)計32第6章系統(tǒng)調(diào)試3461硬件調(diào)試3462軟件調(diào)試35621調(diào)試主要方法和技巧35622程序調(diào)試過程3663綜合調(diào)試3764故障分析與解決方案3765結(jié)論與經(jīng)驗38參考文獻40致謝41附錄42前言智能化轉(zhuǎn)速測量可以對電機的轉(zhuǎn)速進行測量，電機在運行的過程中，需要對其平穩(wěn)性進行監(jiān)測，適時對轉(zhuǎn)速的測量有效地可以反映電機的狀況。本系統(tǒng)主要由傳感器，單片機AT89C51構(gòu)成?？梢詫Υ蠓秶D(zhuǎn)速進行測量，測量的轉(zhuǎn)速精度高，還可以和PC機時時通信，實現(xiàn)對電機轉(zhuǎn)速的測量。單片機的英文名稱是MICROCONTROLLERUNIT,縮寫為MCU，又稱為微控制器，它是一種面向控制的大規(guī)模集成電路芯片。它具有功能強、體積小、可靠性高、應(yīng)用簡單靈活，因而使用非常廣泛，有力地推動各行業(yè)的技術(shù)發(fā)展和更新?lián)Q代。本文首先在第1章緒論介紹了此系統(tǒng)的功能、技術(shù)指標以及主要內(nèi)容等；在第2章論述了總體設(shè)計過程,確定了技術(shù)指標及器件的選擇；第3章著重描述了系統(tǒng)硬件電路設(shè)計、硬件設(shè)計框圖及所使用的各種芯片功能與特性；在第4章中重點剖析了軟件設(shè)計的過程；最后在第5章中具體論述單片機、電平轉(zhuǎn)換電路、通信的處理及調(diào)試。第1章緒論11課題的研究背景目前國內(nèi)外測量電機轉(zhuǎn)速的方法很多，按照不同的理論方法，先后產(chǎn)生過模擬測速法如離心式轉(zhuǎn)速表、用電機轉(zhuǎn)矩或者電機電樞電動勢計算所得、同步測速法如機械式或閃光式頻閃測速儀以及計數(shù)測速法。計數(shù)測速法又可分為機械式定時計數(shù)法和電子式定時計數(shù)法。傳統(tǒng)的電機轉(zhuǎn)速檢測多采用測速發(fā)電機或光電數(shù)字脈沖編碼器，也有采用電磁式利用電磁感應(yīng)原理或可變磁阻的霍爾元件等、電容式對高頻振蕩進行幅值調(diào)制或頻率調(diào)制等，還有一些特殊的測速器是利用置于旋轉(zhuǎn)體內(nèi)的放射性材料來發(fā)生脈沖信號。其中應(yīng)用最廣的是光電式，光電式測系統(tǒng)具有低慣性、低噪聲、高分辨率和高精度的優(yōu)點。加之激光光源、光柵、光學(xué)碼盤、CCD器件、光導(dǎo)纖維等的相繼出現(xiàn)和成功應(yīng)用，使得光電傳感器在檢測和控制領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。而采用光電傳感器的電機轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)測量準確度高、采樣速度快、測量范圍寬和測量精度與被測轉(zhuǎn)速無關(guān)等優(yōu)點，具有廣闊的應(yīng)用前景。12課題研究的目的和意義隨著超大規(guī)模集成電路技術(shù)提高，尤其是單片機應(yīng)用技術(shù)以其功能強大，價格低廉的顯著特點，使全數(shù)字化測量轉(zhuǎn)速系統(tǒng)得以廣泛應(yīng)用。由于單片機在測量轉(zhuǎn)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。轉(zhuǎn)速是工程中應(yīng)用非常廣泛的一個參數(shù)，其測量方法較多，而模擬量的采集和模擬處理一直是轉(zhuǎn)速測量的主要方法，這種測量方技術(shù)已不能適應(yīng)現(xiàn)代科技發(fā)展的要求，在測量范圍和測量精度上，已不能滿足大多數(shù)系統(tǒng)的使用。隨著大規(guī)模及超大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字系統(tǒng)測量得到普遍應(yīng)用，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)字量系統(tǒng)越來越普及，其轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)也可以用全數(shù)字化處理。在測量范圍和測量精度方面都有極大的提高。常用的檢測方法有機械式，光電式，霍爾式，頻閃法，高壓油管應(yīng)變法等，本課題主要是針對轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)的硬件和軟件系統(tǒng)的設(shè)計。運用51系列單片機設(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。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(shè)計具體情況提出修改方案和解決辦法。在工程實踐中,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、電動機、卷揚機、機床主軸等旋轉(zhuǎn)設(shè)備的試驗、運轉(zhuǎn)和控制中,常需要分時或連續(xù)測量和顯示其轉(zhuǎn)速及瞬時轉(zhuǎn)速。要測速，首先要解決是采樣問題。在使用模技術(shù)制作測速表時，常用測速發(fā)電機的方法，即將測速發(fā)電機的轉(zhuǎn)軸與待測軸相連，測速發(fā)電機的電壓高低反映了轉(zhuǎn)速的高低。為了能精確地測量轉(zhuǎn)速外,還要保證測量的實時性,要求能測得瞬時轉(zhuǎn)速方法。因此轉(zhuǎn)速的測試具有重要的意義。這次設(shè)計內(nèi)容包含知識全面，對傳感器測量發(fā)電機轉(zhuǎn)速的不同的方法及原理設(shè)計有較多介紹，在測量系統(tǒng)中能學(xué)到關(guān)于測量轉(zhuǎn)速的傳感器采樣問題，單片機部分的內(nèi)容，顯示部分等各個模塊的通信和聯(lián)調(diào)。全面了解單片機和信號放大的具體內(nèi)容。進一步鍛煉我們在信號采集、處理、顯示等方面的實際工作能力。本課題以單片機為核心，設(shè)計的全數(shù)字化測量轉(zhuǎn)速系統(tǒng)，在工業(yè)控制和民用電器中都有較高使用價值。一方面它可以應(yīng)用于工業(yè)控制中的某一部分，如數(shù)控車床的電機轉(zhuǎn)速檢測和控制、水泵流量控制以及需要利用轉(zhuǎn)速檢測來進行控制的許多場合，如車輛的里程表、車速表等。另一方面由于該轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)采用全數(shù)字結(jié)構(gòu)，因而可以很方便的和工業(yè)控制機進行連接，實行遠程管理和控制，進一步提高現(xiàn)代化水平。并且，幾乎不需做很大改變就能直接作為單獨的產(chǎn)品使用?？傊?，轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)的研究是一件非常有意義的課題。13轉(zhuǎn)速測量在國內(nèi)外的研究轉(zhuǎn)速是能源設(shè)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(zhuǎn)速的函數(shù)關(guān)系來確定的，例如壓縮機的排氣量、軸功率、內(nèi)燃機的輸出功率等等，而且動力機械的振動、管道氣流脈動、各種工作零件的磨損狀態(tài)等都與轉(zhuǎn)速密切相關(guān)。轉(zhuǎn)速測量的方法很多，測量儀表的型式也多種多樣，其使用條件和測量精度也各不相同。根據(jù)轉(zhuǎn)速測量的工作方式可分為兩大類接觸式轉(zhuǎn)速測量儀表與非接觸式轉(zhuǎn)速測量儀表。前者在使用時必須與被測轉(zhuǎn)軸直接接觸，如離心式轉(zhuǎn)速表、磁性轉(zhuǎn)速表與測速發(fā)電機等；后者在使用時不需要與被測轉(zhuǎn)軸接觸,如光電式轉(zhuǎn)速表、電子數(shù)字式轉(zhuǎn)速表、閃光測速儀等。測量發(fā)動機轉(zhuǎn)速的傳統(tǒng)方法是使用光電式轉(zhuǎn)速表測量。用這種方法測量時,既要在發(fā)動機轉(zhuǎn)動軸上粘貼光標紙，又要求測量人員把轉(zhuǎn)速表與光標紙的距離控制在很近的范圍,測量十分不方便。隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展,轉(zhuǎn)速測量儀表已步入現(xiàn)代化、電子化的行列。過去曾經(jīng)使用過的接觸式測量儀表,如離心式轉(zhuǎn)速表、磁性轉(zhuǎn)速表、微型發(fā)電機轉(zhuǎn)速表及鐘表是定時轉(zhuǎn)速表，均已先后受到冷落；而利用已知頻率的閃光與被測軸轉(zhuǎn)速同步的方法來測速的閃光測速儀，雖屬非接觸式儀表，目前仍有應(yīng)用,但也退居次要地位。代之而起的是非接觸式的電子與數(shù)字化的測速儀表。這類轉(zhuǎn)速儀表大多具有體積小、重量輕、讀數(shù)準確、使用方便等優(yōu)點，容易實現(xiàn)電腦熒屏顯示和打印輸出，能夠連續(xù)的反映轉(zhuǎn)速變化，既能測定發(fā)動機穩(wěn)定情況下的平均轉(zhuǎn)速,也能夠用來在足夠小的時間間隔這一特定條件下測定發(fā)動機的瞬時轉(zhuǎn)速。轉(zhuǎn)速測量的應(yīng)用系統(tǒng)在工業(yè)生產(chǎn)、科技教育、民用電器等各領(lǐng)域的應(yīng)用極為廣泛，往往成為某一產(chǎn)品或控制系統(tǒng)的核心部分，其各種參數(shù)在不同的應(yīng)用中有其側(cè)重，但轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)作為普遍的應(yīng)用在國民經(jīng)濟發(fā)展中，有重要的意義。14主要內(nèi)容1詳細分析轉(zhuǎn)速的測量理論，對轉(zhuǎn)速的周期測量法“T”法、頻率測量法“M”法以及周期頻率“M/T”測量法，三種具體測量方法的轉(zhuǎn)速計算、各自的測量精度和誤差進行闡述。定性地比較三種方法所針對的轉(zhuǎn)速特征，分析高、中、低轉(zhuǎn)速情況下各自的適用狀況。2根據(jù)單片機硬件系統(tǒng)的設(shè)計，構(gòu)建軟件系統(tǒng)，分別對硬件系統(tǒng)的配置予以估計，使其能夠?qū)D(zhuǎn)速進行測量。同時分析接口電路，顯示轉(zhuǎn)速。3對單片機定時/計數(shù)器進行設(shè)置，設(shè)計和說明定時/計數(shù)器在“M”法測量中的作用和使用方法，討論測量精度的問題。4根據(jù)系統(tǒng)要求設(shè)置各控制字，用匯編語言編制程序，包括主程序流程，轉(zhuǎn)速計算程序，顯示中斷程序流程，同時并寫出其具體程序。第2章系統(tǒng)功能分析21系統(tǒng)功能概述系統(tǒng)主要實現(xiàn)功能是AT89C51單片機接收霍爾傳感器傳來的脈沖信號,單片機根據(jù)外部中斷,以及內(nèi)部定時器進行記數(shù)計算出電機轉(zhuǎn)速送到LED顯示，同時數(shù)據(jù)傳給PC機,并在PC機屏幕上顯示出來。記錄各時段的轉(zhuǎn)速，畫出VT坐標圖。本系統(tǒng)通信部分是單片機經(jīng)電平轉(zhuǎn)換電路HIN232CP之后，通過串口RS232發(fā)送數(shù)據(jù)，由PC微機接收，微機部分用VISUALBASIC軟件編寫的界面作為PC機部分與單片機進行串口之間通信。傳感器電路、轉(zhuǎn)速測量、LED顯示、電平轉(zhuǎn)換電路設(shè)計等將在以下章節(jié)作詳細地設(shè)計。傳感器單片機AT89C51電平轉(zhuǎn)換電路LED顯示驅(qū)動電路送PC機界面圖21系統(tǒng)硬件電路從實用的角度看，評價一個系統(tǒng)實用價值的重要標準，就是這個系統(tǒng)對社會生活和科技觀念有多大的貢獻。轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)具有大范圍、高精度等優(yōu)點、測量速度快，這種系統(tǒng)將會有良好的應(yīng)用。22系統(tǒng)要求及主要內(nèi)容將霍爾傳感器產(chǎn)生的脈沖信號輸出入到單片機的外部中斷0口，單片機工作在內(nèi)部定時器工作方式0，對周期信號進行內(nèi)部記數(shù)，調(diào)用計算公式算出轉(zhuǎn)速，調(diào)用顯示程序顯示在LED上，同時通過串口向上位機發(fā)送轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)。系統(tǒng)包含主要內(nèi)容如下（1）單片機部分主要完成電機轉(zhuǎn)速的測量（2）LED部分主要是把轉(zhuǎn)速顯示出來，顯示范圍6036000R/MIN（3）發(fā)送部分主要是完成電平轉(zhuǎn)換，送RS232向PC發(fā)送數(shù)據(jù)。（4）PC機部分主要完成將數(shù)據(jù)顯示在界面并描繪出VT圖23系統(tǒng)技術(shù)指標系統(tǒng)主要完成測量和通信兩部分功能（1）設(shè)計并制作單片機的轉(zhuǎn)速測量的硬件系統(tǒng)；（2）用匯編語言完成轉(zhuǎn)速測量的軟件系統(tǒng)；（3）要求把轉(zhuǎn)速顯示在5位LED上，精度為01；（4）能向上位機發(fā)送數(shù)據(jù)；（5）用9針RS232即可；（6）在微機部分采用VISUALBASIC編制RS232通信軟件；（7）通信軟件具有數(shù)據(jù)接受編輯框；（8）通信軟件要適時對數(shù)據(jù)的記錄，用時間曲線表示。根據(jù)系統(tǒng)要實現(xiàn)的功能以及要求，要實現(xiàn)單片機的轉(zhuǎn)速測量主要是各個模塊的設(shè)計，定時器記數(shù)功能、以及LED驅(qū)動、電平轉(zhuǎn)換及PC機之間的通信。單片機可通過編程控制外圍部件，能實現(xiàn)較高的自動化程度。以它為系統(tǒng)核心的控制模塊可實現(xiàn)主從控制，完成預(yù)定的任務(wù)。第3章系統(tǒng)總體設(shè)計31轉(zhuǎn)速測量的一般方法一般轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)有以下幾個部分構(gòu)成，轉(zhuǎn)速測量框圖如圖31所示。轉(zhuǎn)速信號拾取整型倍頻單片機顯示接口芯片顯示鍵盤驅(qū)動電路圖31轉(zhuǎn)速測量框圖1轉(zhuǎn)速信號拾取轉(zhuǎn)速信號拾取是整個系統(tǒng)的前端通道，目的是將外界的非電參量，通過一定方式轉(zhuǎn)換成電量，這一環(huán)節(jié)可以通過敏感元件、傳感器或測量儀表等來實現(xiàn)。方法如下（1）通過敏感元件拾取被測信號敏感元件體積小，可以根據(jù)用戶及環(huán)境要求做成各矛頭形狀的探頭，它能將被測的物理量變換成電流、電壓，只要選擇合適的元件參數(shù)。如R、L、C設(shè)計相應(yīng)的電路，便能完成這種對應(yīng)關(guān)系。這種方法設(shè)計難度大，信號穩(wěn)定度差，在模擬處理系統(tǒng)中不宜采用。（1）通過傳感器拾取信號由專業(yè)人員將敏感元件和相應(yīng)的測量電路、傳遞機構(gòu)以適當(dāng)?shù)男问街瞥刹煌愋?、不同用處的傳感器，根?jù)原理輸出電量。該電量可以是模擬量或數(shù)字量，現(xiàn)代傳感器還可以輸出開關(guān)量，用于數(shù)字邏輯電路。（2）通過測量儀表拾取被測信號目前有許多測量儀表用于各種測量中，有大信號輸出、有BCD碼輸出等，但價格昂貴，專業(yè)性強，一般不適合通用系統(tǒng)。通用的轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)大都采用一種俗稱“碼盤”的傳感裝置，將圓形的碼盤固定在轉(zhuǎn)軸上，碼盤上有若干規(guī)則排列的小孔，用光電偶來輸出電信號，以反映轉(zhuǎn)速對應(yīng)關(guān)系，即是將轉(zhuǎn)軸的速度以脈沖形式反映出來，通常有兩種形式模擬量量化后經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換，由數(shù)字量反映角度，供單片機計算處理，得出轉(zhuǎn)速。直接由脈沖來反應(yīng)轉(zhuǎn)軸的角度，用每轉(zhuǎn)產(chǎn)生的脈沖經(jīng)單片機處理得出轉(zhuǎn)速。2整形和倍頻前向通道中，從傳感器輸出的信號必須轉(zhuǎn)換成單片機輸入要求的信號，由于信號調(diào)節(jié)電路與傳感器的選擇，現(xiàn)場干擾程度等，都會影響信號的質(zhì)量。而脈沖信號的上升沿和下降沿對數(shù)字電路的觸發(fā)尤為重要，若要將轉(zhuǎn)速脈沖信號直接加到計數(shù)器或外部中斷的輸入端，并利用其上升沿來觸發(fā)進行計數(shù)，則必須要求輸入的信號有陡峭的上升沿或下降沿。處理方法上可以用觸發(fā)器電路來整形；而倍頻電路主要用于解決低轉(zhuǎn)速時測量精度問題及碼盤的刻度誤差而造成的精度下降問題。方法是在每轉(zhuǎn)中增加脈沖的個數(shù)碼盤的線程數(shù)來提高精度。但在高轉(zhuǎn)速時，由于脈沖個數(shù)的增加，限制了最高轉(zhuǎn)速測量量程，這個問題可用單片機控制來動態(tài)處理解決，兼顧高低轉(zhuǎn)速的測量精度。3單片機單片機是整個測量系統(tǒng)的主要部分，擔(dān)負對前端脈沖信號的處理、計算、以及信號的同步，計時等任務(wù)，其次，將測量的數(shù)據(jù)經(jīng)計算后，將得到的轉(zhuǎn)速值傳送到顯示接口中，用數(shù)碼管顯示數(shù)值。在本系統(tǒng)中考慮到計數(shù)的范圍、使用的定時，計數(shù)器的個數(shù)及I/O口線，預(yù)選用89C51單片機。具體工作情況在后討論。4驅(qū)動和顯示由于LED數(shù)碼管具有亮度高、可靠性好等特點，工業(yè)測控系統(tǒng)中常用LED數(shù)碼管作為顯示輸出。本系統(tǒng)也采用數(shù)碼管作顯示。LED顯示器是用發(fā)光二極管顯示字段的，通常使用七段構(gòu)成“日”字型和一只發(fā)光二極管作為小數(shù)點，稱八段數(shù)碼顯示器。其有兩種驅(qū)動方式，共陰驅(qū)動和共陽驅(qū)動，共陰驅(qū)動是各段發(fā)光二極管的陰極連在一起，并將公共端接地，在共陽結(jié)構(gòu)中，將各段發(fā)光二極管陽極連在一起，并將公共端接上5V電源，顯示字符對應(yīng)字型代碼發(fā)光。32硬件電路設(shè)計思路硬件設(shè)計的任務(wù)是根據(jù)總體設(shè)計要求，在選擇的機型的基礎(chǔ)上，具體確定系統(tǒng)中所要使用的元器件，設(shè)計出系統(tǒng)的原理框圖、電路原理圖。轉(zhuǎn)速是工程中應(yīng)用非常廣泛的一個參數(shù)，早期模擬量的模擬處理一直是作為轉(zhuǎn)速測量的主要方法，這種測量方法在測量范圍和測量精度上，已不能適應(yīng)現(xiàn)代科技發(fā)展的要求。而隨著大規(guī)模及超大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字測量系統(tǒng)得到普遍應(yīng)用，利用單片機對脈沖數(shù)字信號的強大處理能力，應(yīng)用全數(shù)字化的結(jié)構(gòu)，使數(shù)字測量系統(tǒng)的越來越普及,在測量范圍和測量精度方面都有極大的提高。89C51單片機通過INT0輸入傳感器的脈沖信號，P0口P2口接LED動態(tài)顯示。另由于PC系列微機串行口為RS232C標準接口，與輸入、輸出均為TTL電平的89C51單片機在接口規(guī)范上不一致，因此TTL電平到RS232接口電平的轉(zhuǎn)換采用HIN232CP接口芯片，該芯片可以用單電壓（5V）實現(xiàn)RS232接口邏輯“1”（3V15V）和邏輯“0”（3V15V）的電平轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)速測量部分的硬件設(shè)計思路本次設(shè)計單片機部分的硬件框圖如圖32所示。具體詳細的敘述將在下面的章節(jié)中逐一介紹。復(fù)位電路CPU執(zhí)行單元顯示電路時鐘電路發(fā)送電路圖32單片機部分硬件框圖33軟件設(shè)計思路軟件需要解決的是定時器0的記數(shù)和外部中斷0的設(shè)定、由于測量的轉(zhuǎn)速范圍大，所以低速和高速都要考慮在內(nèi)，關(guān)鍵在于一個四字節(jié)除三字節(jié)程序的實現(xiàn)。顯示部分、需要有一個二進制到十進制的轉(zhuǎn)化程序，以及轉(zhuǎn)換成非壓縮BCD的程序后、才能進行調(diào)用查表程序送到顯示。PC機串口和單片機串行口的工作方式，包括串行口的通訊速率、奇偶校驗位、停止位等均由通信軟件實現(xiàn)。軟件工作流程霍爾傳感器利用磁電效應(yīng)產(chǎn)生一周期脈沖向單片機的外部中斷0（P32）口發(fā)送一個中斷信號，定時器工作在內(nèi)部定時，TH0、TL0設(shè)定初值為0，作為除數(shù)的低兩字節(jié)，利用軟件記數(shù)器、定時器0中斷的次數(shù)作為除數(shù)高字節(jié)。中斷完畢讀取內(nèi)部記數(shù)值作為除數(shù)，調(diào)用除法程序計算轉(zhuǎn)速，再對二進制數(shù)進行一系列變換后調(diào)用查表顯示程序，顯示在LED上。轉(zhuǎn)速部分軟件設(shè)計思路AT89C51單片機的P32口接收傳感器的信號。主要編寫一個外部中斷服務(wù)程序INT_0，讀取記數(shù)值的三個字節(jié)，并再次清0記數(shù)初值以便下次的記數(shù)和計算。調(diào)用兩字節(jié)二進制三字節(jié)十進制（BCD）轉(zhuǎn)換子程序BCD，再調(diào)用十進制轉(zhuǎn)換成非壓縮BCD程序CBCD、最后調(diào)用查表程序送顯示。為了和PC通信，系統(tǒng)要求單片機晶振110592MHZ。軟件的具體設(shè)計我們將在下面的章節(jié)中作詳細介紹。第4章硬件電路設(shè)計硬件的功能由總體設(shè)計所規(guī)定，硬件設(shè)計的任務(wù)是根據(jù)總體設(shè)計要求，在選擇的機型的基礎(chǔ)上，具體確定系統(tǒng)中所要使用的元器件，設(shè)計出系統(tǒng)的電路原理圖，必要時做一些部件實驗，以確定電路圖的正確性。整個單片機測量轉(zhuǎn)速系統(tǒng)為單片機控制模塊、霍爾傳感器模塊、發(fā)送模塊，各個模塊都承擔(dān)著各自的任務(wù)。設(shè)計單片機模塊，考慮到單片機本身的外圍電路較多，所以在單片機模塊方面需要極為小心。在整個電路設(shè)計時要考慮電平轉(zhuǎn)換電路，具體每一部分的設(shè)計將在以下章節(jié)中詳細分析。41單片機模塊根據(jù)系統(tǒng)功能要求以及單片機硬件電路設(shè)計思路對單片機模塊進行設(shè)計，要使單片機準確的測量電機轉(zhuǎn)速，并且使測出的數(shù)據(jù)能顯示出來，所以整個單片機分為傳感器電路、時鐘電路、復(fù)位電路、執(zhí)行元件以及顯示電路五個部分。411處理執(zhí)行元件單片機我們采用AT89C51其引腳圖如圖41，相對于INTEL公司的8051它本身帶有一定的優(yōu)點。AT89C51是一種帶4K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存貯器（FPEROMFALSHPROGRAMMABLEANDERASABLEREADONLYMEMORY）的低電壓，高性能CMOS8位微處理器，俗稱單片機。圖41AT89C51引腳圖主要特性與MCS51兼容4K字節(jié)可編程閃爍存儲器壽命1000寫/擦循環(huán)數(shù)據(jù)保留時間10年全靜態(tài)工作0HZ24HZ三級程序存儲器鎖定1288位內(nèi)部RAM32可編程I/O線兩個16位定時器/計數(shù)器5個中斷源可編程串行通道低功耗的閑置和掉電模式片內(nèi)振蕩器和時鐘電路管腳說明1VCC供電電壓；2GND接地；3P0口P0口為一個8位漏極開路雙向I/O口，每腳可吸收8TTL門電流。當(dāng)P1口的管腳第一次寫1時，被定義為高阻輸入。P0能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲器，它可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的第八位。在FIASH編程時，P0口作為原碼輸入口，當(dāng)FIASH進行校驗時，P0輸出原碼，此時P0外部必須被拉高。4P1口P1口是一個內(nèi)部提供上拉電阻的8位雙向I/O口，P1口緩沖器能接收輸出4TTL門電流。P1口管腳寫入1后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入，P1口被外部下拉為低電平時，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在FLASH編程和校驗時，P1口作為第八位地址接收。5P2口P2口為一個內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2口緩沖器可接收，輸出4個TTL門電流，當(dāng)P2口被寫“1”時，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時，P2口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。P2口當(dāng)用于外部程序存儲器或16位地址外部數(shù)據(jù)存儲器進行存取時，P2口輸出地址的高八位。在給出地址“1”時，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢，當(dāng)對外部八位地址數(shù)據(jù)存儲器進行讀寫時，P2口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。P2口在FLASH編程和校驗時接收高八位地址信號和控制信號。6P3口P3口管腳是8個帶內(nèi)部上拉電阻的雙向I/O口，可接收輸出4個TTL門電流。當(dāng)P3口寫入“1”后，它們被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平，P3口將輸出電流（ILL）這是由于上拉的緣故。P3口也可作為AT89C51的一些特殊功能口，如為閃爍編程和編程校驗接收一些控制信號。如下表41所示。表41P3口的第二功能引腳第二功能信號名稱P30P31P32P33P34P35P36P37RXDTXDINT0INT1T0T1WRRD串行數(shù)據(jù)接收串行數(shù)據(jù)發(fā)送外部中斷0請求外部中斷1請求定時器/計數(shù)器0計數(shù)輸入定時器/計數(shù)器1計數(shù)輸入外部RAM寫選通外部RAM讀選通7RST復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器復(fù)位器件時，要保持RST腳兩個機器周期的高電平時間。8ALE/PROG當(dāng)訪問外部存儲器時，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)。在FLASH編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時，ALE端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此它可用作對外部輸出的脈沖或用于定時目的。然而要注意的是每當(dāng)用作外部數(shù)據(jù)存儲器時，將跳過一個ALE脈沖。如想禁止ALE的輸出可在SFR8EH地址上置0。此時，ALE只有在執(zhí)行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，該引腳被略微拉高。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài)ALE禁止，置位無效。9PSEN外部程序存儲器的選通信號。在由外部程序存儲器取指期間，每個機器周期兩次/PSEN有效。但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，這兩次有效的/PSEN信號將不出現(xiàn)。10/EA/VPP當(dāng)/EA保持低電平時，則在此期間外部程序存儲器（0000HFFFFH），不管是否有內(nèi)部程序存儲器。注意加密方式1時，/EA將內(nèi)部鎖定為RESET；當(dāng)/EA端保持高電平時，此間內(nèi)部程序存儲器。在FLASH編程期間，此引腳也用于施加12V編程電源（VPP）。11XTAL1反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時鐘工作電路的輸入。12XTAL2來自反向振蕩器的輸出。振蕩器特性XTAL1和XTAL2分別為反向放大器的輸入和輸出。該反向放大器可以配置為片內(nèi)振蕩器。石英振蕩和陶瓷振蕩均可采用。如采用外部時鐘源驅(qū)動器件，XTAL2應(yīng)不接。有余輸入至內(nèi)部時鐘信號要通過一個二分頻觸發(fā)器，因此對外部時鐘信號的脈寬無任何要求，但必須保證脈沖的高低電平要求的寬度。芯片擦除整個PEROM陣列和三個鎖定位的電擦除可通過正確的控制信號組合，并保持ALE管腳處于低電平10MS來完成。在芯片擦操作中，代碼陣列全被寫“1”且在任何非空存儲字節(jié)被重復(fù)編程以前，該操作必須被執(zhí)行。此外，AT89C51設(shè)有穩(wěn)態(tài)邏輯，可以在低到零頻率的條件下靜態(tài)邏輯，支持兩種軟件可選的掉電模式。在閑置模式下，CPU停止工作。但RAM，定時器，計數(shù)器，串口和中斷系統(tǒng)仍在工作。在掉電模式下，保存RAM的內(nèi)容并且凍結(jié)振蕩器，禁止所用其他芯片功能，直到下一個硬件復(fù)位為止。412時鐘電路時鐘電路是計算機的心臟，它控制著計算機的工作節(jié)奏。MCS51單片機允許的時鐘頻率是因型號而異的典型值為12MHZMCS51內(nèi)部都有一個反相放大器，XTAL1、XTAL2分別為反相放大器輸入和輸出端，外接定時反饋元件以后就組成振蕩器，產(chǎn)生時鐘送至單片機內(nèi)部的各個部件。AT89C51是屬于CMOS8位微處理器，它的時鐘電路在結(jié)構(gòu)上有別于NMOS型的單片機。CMOS型單片機內(nèi)部（如AT89C51）有一個可控的負反饋反相放大器，外接晶振（或陶瓷諧振器）和電容組成振蕩器，圖42為CMOS型單片機時鐘電路框圖。振蕩器工作受/PD端控制，由軟件置“1”PD（即特殊功能寄存器PCON1）使/PD0，振蕩器停止工作，整個單片機也就停止工作，以達到節(jié)電目的。清“0”PD，使振蕩器工作產(chǎn)生時鐘，單片機便正常運行。圖中SYS為晶振或陶瓷諧振器，振蕩器產(chǎn)生的時鐘頻率主要由SYS參數(shù)確定（晶振上標明的頻率）。電容C1和C2的作用有兩個其一是使振蕩器起振，其二是對振蕩器的頻率F起微調(diào)作用（C1、C2大，F(xiàn)變?。?，其典型值為30PF。圖42CMOS型單片機時鐘電路框圖413復(fù)位電路計算機在啟動運行時都需要復(fù)位，使中央處理器CPU和系統(tǒng)中的其它部件都處于一個確定的初始狀態(tài)，并從這個狀態(tài)開始工作。MCS51單片機有一個復(fù)位引腳RST，它是史密特觸發(fā)輸入對于CHMOS單片機，RST引腳的內(nèi)部有一個拉低電阻，當(dāng)振蕩器起振后該引腳上出現(xiàn)2個機器周期即24個時鐘周期以上的高電平，使器件復(fù)位，只要RST保持高電平，MCS51保持復(fù)位狀態(tài)。此時ALE、PSEN、P0、P1、P2、P3口都輸出高電平。RST變?yōu)榈碗娖胶螅顺鰪?fù)位，CPU從初始狀態(tài)開始工作。單片機采用的復(fù)位方式是自動復(fù)位方式。對于MOSAT89C51單片機只要接一個電容至VCC即可見圖43。在加電瞬間，電容通過電阻充電，就在RST端出現(xiàn)一定時間的高電平，只要高電平時間足夠長，就可以使MCS51有效的復(fù)位。RST端在加電時應(yīng)保持的高電平時間包括VCC的上升時間和振蕩器起振的時間，VSS上升時間若為10MS，振蕩器起振的時間和頻率有關(guān)。10MHZ時約為1MS，1MHZ時約為10MS，所以一般為了可靠的復(fù)位，RST在上電應(yīng)保持20MS以上的高電平。RC時間常數(shù)越大，上電RST端保持高電平的時間越長。若復(fù)位電路失效，加電后CPU從一個隨機的狀態(tài)開始工作，系統(tǒng)就不能正常運轉(zhuǎn)。圖43上電復(fù)位電路414顯示電路顯示電路采用LED數(shù)碼管動態(tài)顯示，LED（LIGHTEMITTINGDIODE）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。顯示器結(jié)構(gòu)常用的七段顯示器的結(jié)構(gòu)如圖44所示。發(fā)光二極管的陽極連在一起的稱為共陽極顯示器,陰極連在一起的稱為共陰極顯示器。1位顯示器由八個發(fā)光二極管組成，其中七個發(fā)光二極管AG控制七個筆畫（段）的亮或暗，另一個控制一個小數(shù)點的亮和暗，這種筆畫式的七段顯示器能顯示的字符較少，字符的開頭有些失真，但控制簡單，使用方便。此外，要畫出電路圖，首先還要搞清楚他的引腳圖的分布，在了解了正確的引腳圖后才能進行正確的字型段碼編碼。才能顯示出正確的數(shù)字來，如圖45所示，為七段數(shù)碼管的管腳圖。圖44七段發(fā)光顯示器的結(jié)構(gòu)圖45七段發(fā)光顯示器管腳的結(jié)構(gòu)驅(qū)動方式采用的數(shù)碼管驅(qū)動為7407，它的全名為7407TTL集電極開路六正相高壓驅(qū)動器，其結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，圖46為7407的圖以及各個引腳的分布功能介紹。圖467407管腳的結(jié)構(gòu)顯示方式為了節(jié)省I/O口線，我們采用的動態(tài)顯示方式。所謂動態(tài)顯示，就一位一位地輪流點亮各位顯示器（掃描），對于每一位顯示器來說，每隔一段時間點亮一次。顯示器的亮度既與導(dǎo)通電流有關(guān)，也與點亮?xí)r間和間隔時間的比例有關(guān)。調(diào)整電流和時間參數(shù)，可實現(xiàn)亮度較高較穩(wěn)定的顯示。若顯示器的位數(shù)不大于8位，則控制顯示器公共極電位只需8位口（稱為掃描口），控制各位顯示器所顯示的字形也需一個8位口（稱為段數(shù)據(jù)口）。本次設(shè)計要求的轉(zhuǎn)速測量范圍60R/MIN36000R/MIN，所以只需要5位數(shù)碼管即可。5位共陰極顯示器和AT89C51的接口邏輯如圖47所示。AT89C51的P0口作為段數(shù)據(jù)口，接上拉電阻到顯示器的各個段；P2口作為掃描口，經(jīng)同相驅(qū)動器7407接顯示器公共極。對于圖47中的5位顯示器，在AT89C51RAM存貯器中設(shè)置五個顯示緩沖器單元30H35H，分別存放5位顯示器的顯示數(shù)據(jù)，AT89C51的P2口掃描輸出總是只在一位為低電平，即5位顯示器中僅有一位公共陰極為低電平，其它位為高電平，AT89C51的P0口相應(yīng)位（陰極為低）的顯示數(shù)據(jù)的段數(shù)據(jù)，使該位顯示出一個字符，其它們?yōu)榘担来蔚馗淖働2口輸出為高的位，P0口輸出對應(yīng)的段數(shù)據(jù)，5位顯示器就顯示出由緩沖器中顯示數(shù)據(jù)所確定的字符。圖47五位動態(tài)顯示電路415HD7279接口1引腳介紹HD7279A是一款具有簡單SPI串行接口的器件，可直接驅(qū)動8位共陰式數(shù)碼管或64個獨立的LED，管理多達64鍵鍵盤，單片即可完成LED顯示和鍵盤接口的全部功能，大大簡化電路設(shè)計，占用單片機資源極少最少2線，完全免調(diào)試，外圍電路更簡單。HD7279A內(nèi)部含有譯碼器可直接接收BCD碼或16進制碼，也可不譯碼，并同時具有兩種譯碼方式。此外，該器件還具有多種控制指令，諸如消隱，閃爍，左移，右移和段尋址等，顯示控制方式靈活，其段尋址能力可用于獨立的LED顯示或信息指示燈控制。圖314為HD729A的引腳配置，其各引腳功能描述如表33所列。HD7279A具有片選信號，可方便實現(xiàn)高于8位的顯示或高于64鍵的鍵盤接口，采用多片級聯(lián)，對片選信號進行譯碼即可實現(xiàn)。當(dāng)應(yīng)用系統(tǒng)中只有一片HD7279A時，片選端CS可直接接地。VDNC3S456LK7ATEY9G0FBPIORUH圖48HD7279引腳配置表42HD7279引腳功能介紹引腳名稱功能描述1,2VDD正電源3,5NC無連接，必須懸空4VSS接地6CS片選輸入端，此引腳為低電平，可向器件發(fā)送指令及讀取鍵盤數(shù)據(jù)7CLK同步時鐘輸入端，向器件發(fā)送數(shù)據(jù)及讀取鍵盤數(shù)據(jù)時，此引腳電平上升沿表示數(shù)據(jù)有效8DATA串行數(shù)據(jù)輸入/輸出端，當(dāng)器件接收指令時，此引腳為輸入端；當(dāng)讀取鍵盤數(shù)據(jù)時，此引腳在讀指令最后一個時鐘的下降沿變?yōu)檩敵龆?KEY按鍵有效輸出端，平時為高電平，當(dāng)檢測到有效按鍵時，此引腳為低電平1016SGSA段G段A驅(qū)動輸出17DP小數(shù)點驅(qū)動輸出1825DIG0DIG7數(shù)字0數(shù)字7驅(qū)動輸出26CLKORC振蕩器連接端27RC復(fù)位端28REST復(fù)位端2HD7279A的工作原理HD7279A最顯著的優(yōu)點是與單片機的接口簡單，最多只需5條連接線，分別是復(fù)位端RESET，片選輸入端CS，同步時鐘輸入端CLK，數(shù)據(jù)輸入輸出端DATA和按鍵有效輸出端KEY。在一般應(yīng)用系統(tǒng)中，RESET可直接接電源，當(dāng)應(yīng)用系統(tǒng)中只有一片HD7279A器件時，CS也可以直接接地，此時只需占用3條單片機的IO端口線，如果應(yīng)用系統(tǒng)中沒有鍵盤，僅具有顯示功能，或者即使有鍵盤，但單片機軟件任務(wù)不復(fù)雜，均可不接KEY線，使用定時讀取鍵盤鍵值代碼的方法，則此時只需占用2條單片機的I/0端口線。3HD7279A接口的具體設(shè)計根據(jù)HD7279A的特點與優(yōu)點，我們選擇該器件來驅(qū)動數(shù)碼管，實現(xiàn)數(shù)碼顯示，其具體電路如下圖所示VD12REST8C6LK7AY904FG3B5PIHPFGEDCBA圖49HD7279驅(qū)動顯示器的具體電路416鍵盤電路本設(shè)計使用的鍵盤主要為完成一個功能轉(zhuǎn)速測量的啟動/停止；我們將開關(guān)直接與AT89C51單片機的P11接口相連，通過讀I/O口，判定各I/O線的電平狀態(tài)，即可識別出按下的按鍵。操作員通過鍵盤可以輸入數(shù)據(jù)或指令，實現(xiàn)簡單的人機通信。我們采用了獨立式鍵盤電路，按鍵均采用了上拉電阻，這是為了保證在按鍵斷開時，個I/O口有確定的高電平，同時，還備用兩個按鍵方便擴展，其具體電路如下所示圖410鍵盤電路42霍爾傳感器簡介421霍爾器件概述霍爾元件是一種基于霍爾效應(yīng)的磁傳感器，已發(fā)展成一個品種多樣的磁傳感器產(chǎn)品族，并已得到廣泛應(yīng)用?；魻栐且环N磁傳感器。要他們可以檢測磁場及其變化，可以在各種與磁場有關(guān)的場合中?；魻柶骷曰魻栃?yīng)為其工作基礎(chǔ)?；魻柶陂g具有許多優(yōu)點，他們的結(jié)構(gòu)牢固，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、水汽及煙霧等污染或腐蝕?；魻柧€性器件的精度高、線性度好；霍爾開關(guān)器件無觸點、無磨損、輸出波形清晰、無抖動、無回調(diào)、位置重復(fù)精度高（可達UM級）。采用了各種補償措施的霍爾器件的工作溫度范圍廣，可達55150度。按照霍爾器件的功能可將他們分為霍爾線性器件和霍爾開關(guān)器件。前者輸出模擬量，后者輸出數(shù)字量。按被檢測的對象的性質(zhì)可將它們分為直接應(yīng)用和間接應(yīng)用。前者是直接檢測出被測對象本身的磁場或磁特性，后者是檢測被檢測對象上人為設(shè)置的磁場，用這個磁場作為被檢測信息的載體，通過它，將許多非電、非磁的物理量例如力、力矩、壓力、應(yīng)力、位置、位移、加速度、角度、角速度、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)數(shù)以及工作狀態(tài)發(fā)生變化的時間等，轉(zhuǎn)換成電量來進行檢測和控制。集成霍爾傳感器是利用硅集成電路工藝將霍爾元件和測量線路集成在一起的一種傳感器。它取消了傳感器和測量電路之間的界限，實現(xiàn)了材料、元件、電路三位一體。集成霍爾傳感器與分立相比，由于減少了焊點，因此顯著地提高了可靠性。此外，它具有體積小、重量輕、功耗低等優(yōu)點，正越來越愛到眾的重視。集成霍爾傳感器的輸出是經(jīng)過處理的霍爾輸出信號。按照輸出信號的形式，可以分為開關(guān)型集成霍爾傳感器和線性集成霍爾傳感器兩種類型。開關(guān)型集成霍爾傳感器是把霍爾元件的輸出經(jīng)過處理后輸出一個高電平或低電平的數(shù)字信號?；魻栭_關(guān)電路又稱霍爾數(shù)字電路，由穩(wěn)壓器、霍爾片、差分放大器，斯密特觸發(fā)器和輸出級組成。422霍爾傳感器的應(yīng)用使用霍爾器件檢測磁場的方法極為簡單，將霍爾器件做成各種形式的探頭，放在被測磁場中，因霍爾器件只對垂直于霍爾片表面的磁感應(yīng)強度敏感，因而必須令磁力線和器件表面垂直，通電后即可由輸出電壓得到被測磁場的磁感應(yīng)強度。若不垂直，則應(yīng)求出其垂直分量來計算被測磁場的磁感應(yīng)強度值。而且，因霍爾元件的尺寸極小，可以進行多點檢測，由計算機進行數(shù)據(jù)處理，可以得到場的分布狀態(tài)，并可對狹縫，小孔中的磁場進行檢測用磁場作為被傳感物體的運動和位置信息載體時，一般采用永久磁鋼來產(chǎn)生工作磁場。例如，用一個5425（MM3）的釹鐵硼號磁鋼，就可在它的磁極表面上得到約2300高斯的磁感應(yīng)強度。在空氣隙中，磁感應(yīng)強度會隨距離增加而迅速下降。為保證霍爾器件，尤其是霍爾開關(guān)器件的可靠工作，在應(yīng)用中要考慮有效工作氣隙的長度。在計算總有效工作氣隙時，應(yīng)從霍爾片表面算起。在封裝好的霍爾電路中，霍爾片的深度在產(chǎn)品手冊中會給出。因為霍爾器件需要工作電源，在作運動或位置傳感時，一般令磁體隨被檢測物體運動，將霍爾器件固定在工作系統(tǒng)的適當(dāng)位置，用它去檢測工作磁場，再從檢測結(jié)果中提取被檢信息。423AH41霍爾開關(guān)AH41霍爾開關(guān)電路最適于響應(yīng)變化斜率陡峭的磁場并在磁通密度較弱的場合使用，適用于單極或多對磁環(huán)工作，它由反向電壓保護器、電壓調(diào)整器、霍爾電壓發(fā)生器、信號放大器、史密特觸發(fā)器和集電極開路的輸出級組成。工作溫度范圍為40150（存儲溫度為150），可適用于各種機及機電一體化領(lǐng)域。電參數(shù)參數(shù)符號測試條件量值單位最小典型最大電源電壓VCC4524V輸出低電平電壓VOUTIOUT20MABBOP200400MV輸出高電平電流IOFFVOUT24VB電源電流ICCVCC24V輸出端開路10MA輸出上升時間TRVCC12VRL11KCL20PF012S輸出下降時間TFVCC12VRL11KCL20PF018S產(chǎn)品特點電源電壓范圍寬可用市售的小磁環(huán)來驅(qū)動無可動部件、可靠性高尺寸小抗環(huán)境應(yīng)力可直接同雙極和MOS邏輯電路接口應(yīng)用高靈敏的無觸點開關(guān)直流無刷電機直流無刷風(fēng)機霍爾開關(guān)元件的電路圖圖411霍爾傳感器的電路圖43發(fā)送模塊根據(jù)系統(tǒng)功能要求，要使單片機測量的轉(zhuǎn)速能夠向上位機發(fā)送數(shù)據(jù)，硬件電路中必須要考慮到單片機的發(fā)送部分，由于單片機通過串口發(fā)送出來的是TTL邏輯電平（0V和5V），而計算機RS232總線上輸入、輸出數(shù)據(jù)和控制信號為12V左右的電壓，單片機要和PC的上位機通信就必須是電平一致，所以發(fā)送部分關(guān)鍵的部分是電平轉(zhuǎn)換和串口發(fā)送，電平轉(zhuǎn)換可以用模擬器件進行轉(zhuǎn)換，但是為了方便起見，本次設(shè)計采用的是集成芯片，一個芯片加上它的外圍電路即可完成電平的轉(zhuǎn)換的工作。結(jié)構(gòu)簡單、方便容易，精確度高。本次所采用的是HIN232CP，我們要對其外圍電路進行設(shè)計，下面我們將詳細的敘述。數(shù)據(jù)的傳輸當(dāng)電路工作于發(fā)送數(shù)據(jù)狀態(tài)時，PC機的RTS端輸出高電平，經(jīng)IC1電平轉(zhuǎn)換打開IC3（74LS08）的與門B1，使PC機TXD端輸出的數(shù)據(jù)經(jīng)紅外發(fā)射電路發(fā)射出去；RTS信號IC1反相后作為CTS信號送入計算機，同時還關(guān)閉與門B2；使計算機不接收其它數(shù)據(jù)信號。該必發(fā)器的數(shù)據(jù)傳輸速率最好設(shè)在9600B/S為宜，以確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?。模塊所用器件如下1、RS232CRS232C是美國電氣工業(yè)協(xié)會推廣使用的一種串行通信總路線標準，是DCE數(shù)據(jù)通信設(shè)備，如微機和DTE數(shù)據(jù)終端設(shè)備，如CRT間傳輸串行數(shù)據(jù)的接口總線。RS232C最大傳輸距離為15M，最高傳輸速率約20KBPS，信號的邏輯0電平為3V15V。邏輯1電平為3V15V。電氣特性EIARS232C對電器特性、邏輯電平和各種信號線功能都作了規(guī)定；在TXD和RXD上邏輯1MARK3V15V邏輯0SPACE315V在RTS、CTS、DSR、DTR和DCD等控制線上信號有效（接通，ON狀態(tài)，正電壓）3V15V信號無效（斷開，OFF狀態(tài)，負電壓）3V15V2、RS232連接器DB9DB9是RS232信號線的連接器，其連接器的機械特性見圖412，表43所示RS232信號線名稱、符號以及對應(yīng)在DB9上的針腳號。圖412連接器的機械特性表43RS232信號線和DB9引腳關(guān)系符號名稱引腳DCDRXDTXDDTRGNDDSRRTSCTSRI接收信號載波檢測數(shù)據(jù)接收線數(shù)據(jù)發(fā)送線DTE裝置數(shù)據(jù)就緒公共地DCE裝置就緒請求發(fā)送清除發(fā)送振鈴指示123456789圖413電平轉(zhuǎn)換電路原理圖3、電平轉(zhuǎn)換器HIN232CPE由于RS232C總線上傳輸?shù)男盘栠壿嬰娖脚cTTL邏輯電平差異很大，所以就存在這兩種電平的轉(zhuǎn)換問題，下面就介紹一下電平轉(zhuǎn)換器HIN232CPE。HIN232CPE能將RS232C電平轉(zhuǎn)換成TTL電平，也能將TTL電平轉(zhuǎn)換成RS232C電平，只需單5V供電，由內(nèi)部升高電路產(chǎn)生10V12V。內(nèi)部有兩個發(fā)送器TTL電平轉(zhuǎn)換為RS232C電平和兩個接收器RS232電平轉(zhuǎn)換為TTL電平。HIN232CPE芯片引腳排列和外部元件連接線路如圖414所示。圖414HIN232CPE電平轉(zhuǎn)換器及外接元件圖第5章軟件設(shè)計本章重點闡述測量轉(zhuǎn)速的匯編語言。以及軟件設(shè)計的過程。軟件設(shè)計部分需要解決的是單片機中斷服務(wù)程序的設(shè)計、計算程序的設(shè)計、顯示部分的程序設(shè)計以及在我們這里非重點介紹的通信程序設(shè)計。51單片機轉(zhuǎn)速程序設(shè)計思路及過程單片機測量轉(zhuǎn)速可以分為若干模塊，然后在主程序中調(diào)用各個模塊，流程圖如下圖所示。圖51主程序流程圖511單片機程序設(shè)計思路計算轉(zhuǎn)速公式N60/NTCR/MIN其中，N是內(nèi)部定時器的計數(shù)值，為三字節(jié)，分別由TH0，TL0，VTT構(gòu)成；TC為時基，由于采用110592M的晶振，所以TC不在是1UM，而是12M/110592M約為108UM，帶入上面公式，即可得到轉(zhuǎn)速的精確計算公式開始初始化計算程序BCD碼轉(zhuǎn)換非壓縮BCD轉(zhuǎn)換顯示程序返回N6011059200/12N55296000/N再將55296000化為二進制存入單片機的內(nèi)存單元。下面我們將介紹除數(shù)是如何獲得的單片機的轉(zhuǎn)速測量完成，定時器T0作為內(nèi)部定時器，外部中斷來的時候讀取TH0，TL0，并同時清零TH0、TL0，使定時器再次循環(huán)計內(nèi)部脈沖。此外，對于低速情況下，我們還要設(shè)定一個軟件計數(shù)器VTT，當(dāng)外部中斷還沒來而內(nèi)部定時器已經(jīng)溢出，產(chǎn)生定時器0中斷時，增加VTT，作為三字節(jié)中的高字節(jié)。三字節(jié)組成除數(shù)，上面的常數(shù)為四字節(jié)，所以計算程序?qū)嶋H上就是調(diào)用一個四字節(jié)除三字節(jié)商為兩字節(jié)（最高轉(zhuǎn)速36000R/MIN足夠）的程序。為數(shù)碼管能夠顯示出來，需將二進制轉(zhuǎn)換為十進制，在將十進制轉(zhuǎn)換為非壓縮BCD碼后，才能調(diào)用查表程序，最后送顯示。512單片機轉(zhuǎn)速計算程序由于本次設(shè)計的系統(tǒng)要實現(xiàn)的功能是將霍爾傳感器的信號送到單片機的外部中斷口，再對周期方波進行內(nèi)部計數(shù)，調(diào)用計算程序把轉(zhuǎn)速測出來。可以說是核心部分，流程圖如圖所示圖52計算程序流程圖計算程序中又再次調(diào)用了除法程序，這里的除法為四字節(jié)除三字節(jié)商為兩字節(jié)，除法的程序的編程思想可以和手工計算的除法相似，比較減法的思想，流程被除數(shù)初始化讀取定