基于霍爾傳感器的單片機測速裝置設(shè)計

1、濱江學(xué)院 畢業(yè)論文（設(shè)計）題 目 基于霍爾傳感器的單片機測速裝置設(shè)計 院 系 電子工程系 專 業(yè) 電子信息工程 學(xué)生姓名 學(xué) 號 20082305927 指導(dǎo)教師 李鵬 職 稱 副教授 二一二 年 五 月 三十一 日目 錄1 概述31.1 課題背景31.2 本設(shè)計課題的目的和意義41.3 設(shè)計的要求42 設(shè)計原理和方案42.1 霍爾傳感器的介紹42.1.1 霍爾效應(yīng)52.1.2 霍爾器件52.1.3 霍爾傳感器的分類62.1.4 霍爾傳感器的特性72.2 霍爾測速設(shè)計原理82.2.1 轉(zhuǎn)速測量的方法82.2.2 各種轉(zhuǎn)速測量的優(yōu)缺點82.2.3 檢測部分92.2.4 處理部分92.2.5 顯示

2、部分92.3 系統(tǒng)總體設(shè)計方案103 硬件設(shè)計103.1 電源部分103.2 霍爾測速裝置113.3 轉(zhuǎn)速信號處理電路133.4 單片機系統(tǒng)133.5 isp下載接口143.6 lcd液晶顯示電路143.6.1 lcd顯示的基本原理153.6.2 1602lcd的基本參數(shù)及引腳功能154 軟件設(shè)計165 設(shè)計仿真175.1 proteus簡介175.2 multisim 軟件簡介195.3 keil 軟件簡介216 總結(jié)22致謝24附錄一26附錄二27基于霍爾傳感器的單片機測速裝置設(shè)計趙文婷南京信息工程大學(xué)濱江學(xué)院，南京 210044摘要：本文設(shè)計了一個基于hzl201霍爾齒輪傳感器的單片機測

3、速裝置，整個設(shè)計由一種測量轉(zhuǎn)速裝置，轉(zhuǎn)速信號處理電路，通過8050三極管對信號整形處理，將脈沖信號轉(zhuǎn)化為標準的ttl 電平，便于at89s52單片機的計數(shù)運算，并能夠?qū)⑥D(zhuǎn)速信號顯示在液晶顯示器上。運用keil軟件進行單片機的c語言編程，并且通過proteus軟件仿真單片機與顯示結(jié)果，驗證了本設(shè)計的可行性。該測速裝置具有線路簡單、實時性好、成本低、安裝調(diào)試方便和節(jié)省空間等特點，尤其是在測量空間有限、軸偏心或傳感器不便安裝的條件下，該測量方法有明顯的優(yōu)勢。關(guān)鍵詞：霍爾傳感器；速度測量；單片機；系統(tǒng)設(shè)計1 概述1.1 課題背景在我們的日常生活中，霍爾傳感器被廣泛應(yīng)用。例如，在翻蓋或是滑蓋的手機中，用

4、來檢測手機蓋翻開或是滑動的器件就是霍爾傳感器；再如，在電腦鍵盤上，實現(xiàn)光標移動的滾動鍵就是由霍爾傳感器組成的；還有，在汽車變速箱、電動門窗等需要電機的部件中也有霍爾傳感器的應(yīng)用。我們在每天的生活中都在與霍爾傳感器打交道。傳統(tǒng)式的轉(zhuǎn)速測量通常是采用測速發(fā)電機為檢測元件，這種方法是模擬式的，因此其得到的信號是電壓信號，其抗干擾能力差，靈活性差。隨著微型計算機的廣泛應(yīng)用，現(xiàn)在的轉(zhuǎn)速測量普遍采用了以單片機為核心的數(shù)字化測量，其通常采用光電編碼器，霍爾元件等為檢測元件。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，這種測量方法已不能適應(yīng)現(xiàn)代科技發(fā)展

5、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)字測量系統(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。因此，本課題的目的是：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80c51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，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，根據(jù)仿真情況提出修改方案和解決辦法。本設(shè)計以單片機為中心，設(shè)計的全數(shù)

6、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。其可以應(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。其次該轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)由于采用全數(shù)字化結(jié)構(gòu)，因而可以很方便的和工業(yè)控制計算機進行連接，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直接就能作為單獨的使用產(chǎn)品?？傊?，轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)的研究是一件非常有意義的課題。1.2 本設(shè)計課題的目的和意義在工程實踐中，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

7、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)速的方法及原理設(shè)計有相關(guān)介紹，在測量系統(tǒng)中能學(xué)到關(guān)于測量轉(zhuǎn)速的傳感器進行信號轉(zhuǎn)換的問題，單片機部分的內(nèi)容，顯示部分等各個模塊的聯(lián)通與調(diào)試。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，顯示發(fā)面的實際工作能力。在眾多的數(shù)字式轉(zhuǎn)速傳感器中，因霍爾傳感器具有無觸點、長

8、壽命、高可靠性、無火花、無自激振蕩、溫度性能好、抗污染能力強、構(gòu)造簡單、堅固、體積小、耐沖擊等優(yōu)點，所以選用霍爾效應(yīng)接近式傳感器作為自動控制系統(tǒng)中電機的轉(zhuǎn)速傳感器。該傳感器是開關(guān)元件，直接輸出為脈沖頻率信號，但是由于存在電磁噪聲干擾，必須對信號進行處理，從而提高采集準確度和抗干擾能力。處理后的信號轉(zhuǎn)換成標準的方波信號，將該信號傳輸?shù)絘t89s52單片機上，再經(jīng)過相應(yīng)的軟件設(shè)計，就可以通過lcd顯示電路顯示出電機的轉(zhuǎn)速。1.3 設(shè)計的要求（1）霍爾傳感器能夠接受到齒輪信號盤發(fā)出的轉(zhuǎn)動信號；（2）霍爾傳感器產(chǎn)生的信號通過信號處理電路能夠產(chǎn)生給單片機處理的ttl電平；（3）能夠精確的在液晶顯示屏上顯

9、示齒輪的轉(zhuǎn)速。2 設(shè)計原理和方案2.1 霍爾傳感器的介紹霍爾傳感器是根據(jù)霍爾效應(yīng)制作的一種磁場傳感器?；魻栃?yīng)是磁電效應(yīng)的一種，這一現(xiàn)象是霍爾（edwin h. hall，18551938）于1879年在研究金屬的導(dǎo)電機構(gòu)時發(fā)現(xiàn)的。后來發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)體、導(dǎo)電流體等也有這種效應(yīng)，而半導(dǎo)體的霍爾效應(yīng)比金屬強得多，利用這種現(xiàn)象制成的各種霍爾組件，廣泛地應(yīng)用于工業(yè)自動化技術(shù)、檢測技術(shù)及信息處理等方面。霍爾效應(yīng)是研究半導(dǎo)體材料性能的基本方法。通過霍爾效應(yīng)實驗測定的霍爾系數(shù)，能夠判斷半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電類型、載流子濃度及載流子遷移率等重要參數(shù)。霍爾器件是一種采用半導(dǎo)體材料制成的磁電轉(zhuǎn)換器件。如果在輸入端通入控制電流

10、ic，當有一磁場b穿過該器件感磁面，則在輸出端出現(xiàn)霍爾電勢uh。在磁場力作用下，在金屬或通電半導(dǎo)體中將產(chǎn)生霍爾效應(yīng)，其輸出電壓與磁場強度成正比。基于霍爾效應(yīng)的霍耳傳感器常用于測量磁場強度，其測量范圍從10oe到幾千奧斯特。盡管人們早在1879年就知道了霍爾效應(yīng)，但直到20世紀60年代末期，隨著固態(tài)電子技術(shù)的發(fā)展，霍爾效應(yīng)才開始被人們所應(yīng)用。2.1.1 霍爾效應(yīng)在半導(dǎo)體薄片兩端通以控制電流，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。這一現(xiàn)象便是霍爾效應(yīng)，如圖2.1霍爾效應(yīng)原理圖所示。圖2.1 霍爾效應(yīng)原理圖固體材料中的載流子在外加

11、磁場中運動時，因為受到洛侖茲力的作用而使軌跡發(fā)生偏移，并在材料兩側(cè)產(chǎn)生電荷積累，形成垂直于電流方向的電場，最終使載流子受到的洛侖茲力與電場斥力相平衡，從而在兩側(cè)建立起一個穩(wěn)定的電勢差即霍爾電壓。正交電場和電流強度與磁場強度的乘積之比就是霍爾系數(shù)。平行電場和電流強度之比就是電阻率。大量的研究揭示：參加材料導(dǎo)電過程的不僅有帶負電的電子，還有帶正電的空穴。2.1.2 霍爾器件霍爾器件分為：霍爾元件和霍爾集成電路兩大類。前者是一個簡單的霍爾片，使用時常常需要將獲得的霍爾電壓進行放大。后者將霍爾片和它的信號處理電路集成在同一個芯片上。根據(jù)霍爾效應(yīng)，人們用半導(dǎo)體材料制成的元件叫霍爾元件。霍爾元件的組成：由

12、霍爾片、四根引線和殼體組成，如圖2.2霍爾元件的組成及型號命名方法所示。圖2.2 霍爾元件的組成及型號命名它具有對磁場敏感、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、計算機和信息技術(shù)等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。霍爾元件的特性有霍爾系數(shù)（又稱霍爾常數(shù)）rh，霍爾靈敏度kh（又稱霍爾乘積靈敏度），霍爾額定激勵電流，霍爾最大允許激勵電流，霍爾輸入、輸出電阻，霍爾元件的電阻溫度系數(shù)，霍爾不等位電勢（又稱霍爾偏移零點），霍爾輸出電壓，霍爾電壓輸出比率，霍爾寄生直流電勢，霍爾電勢溫度系數(shù)等。由于霍爾元件產(chǎn)生的電勢差很小，故通常將霍爾元件與放大器電路、溫度補償電路及穩(wěn)壓

13、電源電路等集成在一個芯片上，稱之為霍爾傳感器。2.1.3 霍爾傳感器的分類按照霍爾器件的功能可將霍爾傳感器分為線性型霍爾傳感器和開關(guān)型霍爾傳感器兩種：1）線性型霍爾傳感器線性型霍爾傳感器是由霍爾元件、線性放大器和射極跟隨器組成，它輸出模擬量。 2）開關(guān)型霍爾傳感器開關(guān)型霍爾傳感器是由穩(wěn)壓器、霍爾元件、差分放大器，斯密特觸發(fā)器和輸出級組成，它輸出數(shù)字量?；魻杺鞲衅魇歉鶕?jù)霍爾效應(yīng)原理而制成的電流和電壓傳感器。根據(jù)對霍爾電勢處理的方式不同，霍爾傳感器又可分為以下兩類：1）第一類是直接將霍爾電勢做適當放大處理以后提供給檢測儀器或控制設(shè)備，就是所謂的直接檢測式霍爾電流傳感器。這種傳感器耐壓等級高，成本低

14、，性能穩(wěn)定，但精度受溫度變化影響大，動態(tài)響應(yīng)特性很不理想。我公司采用電路補償，圓滿解決以上問題。2）第二類是磁場平衡式霍爾傳感器，它采用了單或雙霍爾元件，并工作在零磁通狀態(tài)，且有以下特點：（1）測量范圍寬，可測量各種電流，如直流、交流、脈沖電流等。（2）電氣隔離性能好。（3）測量精度高，線性度好。（4）抗外界電磁和溫度等因素的干擾能力強。（5）電流上升率大，響應(yīng)速度快。（6）過載能力強。（7）體積小，重量輕，安裝簡單、方便。目前的產(chǎn)品中以磁場平衡式霍爾傳感器為主。2.1.4 霍爾傳感器的特性（1）線性型霍爾傳感器的特性圖2.3 線性型霍爾傳感器的特性輸出電壓與外加磁場強度呈線性關(guān)系，如圖2.3

15、線性型霍爾傳感器的特性所示，可見，在b1b2的磁感應(yīng)強度范圍內(nèi)有較好的線性度，磁感應(yīng)強度超出此范圍時則呈現(xiàn)飽和狀態(tài)。（2）開關(guān)型霍爾傳感器的特性 如圖2.4開關(guān)型霍爾傳感器的特性所示，其中bop為工作點“開”的磁感應(yīng)強度，brp為釋放點“關(guān)”的磁感應(yīng)強度。圖2.4 開關(guān)型霍爾傳感器的特性當外加的磁感應(yīng)強度超過動作點bop時，傳感器輸出低電平，當磁感應(yīng)強度降到動作點bop以下時，傳感器輸出電平不變，一直要降到釋放點brp時，傳感器才由低電平躍變?yōu)楦唠娖?。bop與brp之間的滯后使開關(guān)動作更為可靠。另外還有一種“鎖鍵型”(或稱“鎖存型”）開關(guān)型霍爾傳感器，其特性如圖3.5鎖鍵型霍爾傳感器特性所示。

16、圖2.5 鎖鍵型霍爾傳感器特性當磁感應(yīng)強度超過動作點bop時，傳感器輸出由高電平躍變?yōu)榈碗娖剑谕獯艌龀废?，其輸出狀態(tài)保持不變（即鎖存狀態(tài)），必須施加反向磁感應(yīng)強度達到brp時，才能使電平產(chǎn)生變化。2.2 霍爾測速設(shè)計原理2.2.1 轉(zhuǎn)速測量的方法轉(zhuǎn)速測量的方法有以下幾種：（1）定時計數(shù)法（測頻率法）。其主要原理如下：在一定的時間間隔t1內(nèi)，計數(shù)被測信號的重復(fù)變化次數(shù)n，則被測信號的頻率f可表示為： 式（2.2.1）（2）定數(shù)計時法（測周期法）。其主要原理如下：在被測信號的一個周期內(nèi)，計數(shù)時鐘脈沖數(shù)為m，則被測信號的頻率fx可以采用下列表達式計算：（式中fc為時鐘頻率）式（2.2.2）2.

17、2.2 各種轉(zhuǎn)速測量的優(yōu)缺點（1）測頻率法測頻法在測量上有量化 ，低速時測量誤差較大，其誤差可采用下列表達式計算： 式（2.2.3）顯然信號頻率較低時，即n較小，則有較大的誤差。（2）測周期法測周期法在測量上也有 時間單位誤差，高速測量有較大的誤差，其誤差可采用下列表達式計算：式（2.2.4）顯然當被測信號頻率較高時，對于一定的時鐘頻率，則m越小，顯然誤差較大。2.2.3 檢測部分轉(zhuǎn)速測量對于檢測部分要求較高，一般而言特別是數(shù)字化測量時，檢測部分可采用光電式傳感器（一般是光柵傳感器），霍爾傳感器以及光電編碼器等，對于本次設(shè)計而言，采用霍爾傳感器，此霍爾傳感器hzl201的優(yōu)點是主要有三個：一是

18、霍爾轉(zhuǎn)速傳感器的輸出信號不會受到轉(zhuǎn)速值的影響；二是霍爾轉(zhuǎn)速傳感器的頻率相應(yīng)高；三是霍爾轉(zhuǎn)速傳感器對電磁波的抗干擾能力強。因此霍爾轉(zhuǎn)速傳感器多應(yīng)用在控制系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速檢測中。同時，霍爾轉(zhuǎn)速傳感器的穩(wěn)定性好，抗外界干擾能力強，如抗錯誤的干擾信號等，因此不易因環(huán)境的因素而產(chǎn)生誤差?；魻栟D(zhuǎn)速傳感器的測量頻率范圍寬，遠遠高于電磁感應(yīng)式無源傳感器。另外，霍爾轉(zhuǎn)速傳感器在防護措施有效的情況下，可以不受電子、電氣環(huán)境影響?；魻栟D(zhuǎn)速傳感器的測量結(jié)果精確穩(wěn)定，輸出信號可靠，可以放油、防潮，并且能在溫度較高的環(huán)境中工作，普通霍爾轉(zhuǎn)速傳感器的工作溫度可以達到100?；魻栟D(zhuǎn)速傳感器的安裝簡單，使用方便，能實現(xiàn)遠距離傳輸。注

19、意檢測部分主要除了霍爾傳感元件外，還應(yīng)包括測速齒輪，磁性轉(zhuǎn)盤等。2.2.4 處理部分主要是單片機處理器，考慮到在工業(yè)環(huán)境中存在許多干擾，因此對單片機的基本要求是抗干擾強。這里主要介紹一下軟件抗干擾技術(shù)。（1）軟件“看門狗”的應(yīng)用選用某個定時器作“看門狗”，“看門狗”啟動后應(yīng)及時復(fù)位。（2）指令冗余技術(shù)可采用nop指令，這會有效地降低程序計數(shù)器發(fā)生的錯誤（3）軟件陷阱技術(shù)采用以下軟件陷阱指令格式nopnopnopljmp 0000h2.2.5 顯示部分主要采用lcd液晶顯示電路，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

20、的模塊。1602lcd是指顯示的內(nèi)容為16*2，即可以顯示兩行，每行16個字符液晶模塊（顯示字符和數(shù)字）。2.3 系統(tǒng)總體設(shè)計方案按照霍爾傳感器轉(zhuǎn)速裝置設(shè)計方案，總設(shè)計電路框圖如圖2.6所示。hzl201霍爾齒輪傳感器接受齒輪信號盤的轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)化為近似方波脈沖信號。由于要使用單片機進行轉(zhuǎn)速信號計數(shù)，霍爾傳感器輸出的方波脈沖信號必須轉(zhuǎn)化為標準ttl電平，所以在信號處理流程圖中加入了信號處理電路。通過這個電路就能將霍爾傳感器輸出的電壓信號變?yōu)闃藴实膖tl電平，之后要做的工作就是將該轉(zhuǎn)速信號顯示在lcd上，通過一系列的處理，就能實時地反應(yīng)轉(zhuǎn)速信號的變化。圖2.6 霍爾測速總設(shè)計電路框圖3 硬件設(shè)計硬件

21、電路主要分為電源部分、霍爾測速裝置（轉(zhuǎn)速信號處理電路）、單片機系統(tǒng)、isp下載接口和lcd液晶顯示電路五部分。3.1 電源部分本設(shè)計的電源部分分別有l(wèi)m7805和lm7815兩部分組成。由于霍爾轉(zhuǎn)速傳感器所需電源電壓為520v，若加入5v電源，其輸出高電平就大于等于4v，這樣提供單片機的電壓就不足5v，使其運作可能會產(chǎn)生不良的效果，所以本設(shè)計采用給霍爾傳感器和單片機分別供電的電源系統(tǒng)如圖3.1所示。圖3.1 電源電路圖用lm78/lm79系列三端穩(wěn)壓ic來組成穩(wěn)壓電源所需的外圍元件極少，電路內(nèi)部還有過流、過熱及調(diào)整管的保護電路，使用起來可靠、方便，而且價格便宜。該系列集成穩(wěn)壓ic型號中的lm7

22、8或lm79后面的數(shù)字代表該三端集成穩(wěn)壓電路的輸出電壓，如lm7806表示輸出電壓為正6v，lm7909表示輸出電壓為負9v。 因為三端固定集成穩(wěn)壓電路的使用方便，電子制作中經(jīng)常采用。 最大輸出電流1.5a，lm78xx系列輸出電壓分別為5v；6v；8v；9v；10v；12v；15v；18v；24v。在實際應(yīng)用中，應(yīng)在三端集成穩(wěn)壓電路上安裝足夠大的散熱器（當然小功率的條件下不用）。當穩(wěn)壓管溫度過高時，穩(wěn)壓性能將變差，甚至損壞。 當制作中需要一個能輸出1.5a以上電流的穩(wěn)壓電源，通常采用幾塊三端穩(wěn)壓電路并聯(lián)起來，使其最大輸出電流為n個1.5a，但應(yīng)用時需注意：并聯(lián)使用的集成穩(wěn)壓電路應(yīng)采用同一廠家

23、、同一批號的產(chǎn)品，以保證參數(shù)的一致。另外在輸出電流上留有一定的余量，以避免個別集成穩(wěn)壓電路失效時導(dǎo)致其他電路的連鎖燒毀。3.2 霍爾測速裝置霍爾測速裝置主要包括測速齒輪以及轉(zhuǎn)速變換裝置，下面詳細介紹一下各個裝置的原理以及結(jié)構(gòu)圖。霍爾轉(zhuǎn)速傳感器的主要工作原理是霍爾效應(yīng)，也就是當轉(zhuǎn)動的金屬部件通過霍爾傳感器的磁場時會引起電勢的變化，通過對電勢的測量就可以得到被測量對象的轉(zhuǎn)速值。霍爾轉(zhuǎn)速傳感器的主要組成部分是傳感頭和齒圈，而傳感頭又是由霍爾元件、永磁體和電子電路組成的。（1）齒輪信號盤和轉(zhuǎn)速測量裝置安裝圖。測速齒輪信號盤如圖3.2所示，信號盤可用一般的黑色鋼板制成。它就是轉(zhuǎn)速測量時所用的轉(zhuǎn)盤，盤上共

24、有24個齒。中心孔用來在電機轉(zhuǎn)軸上定位，從而信號盤與電機的轉(zhuǎn)軸一起轉(zhuǎn)動，傳感器固定在支架上，垂直于信號盤。其安裝圖如圖3.3所示。當信號盤隨電機轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)時，信號盤的每個齒經(jīng)過探頭正前方時產(chǎn)生感應(yīng)，探頭就輸出一個標準的脈沖信號。對該信號盤而言，每24個脈沖對應(yīng)電機的1個工作循環(huán)。因此，脈沖信號的頻率大小就反映了信號盤轉(zhuǎn)速的高低，可由單片機進行測量并換算為轉(zhuǎn)速。圖3.2 測速齒輪信號盤圖 圖3.3 轉(zhuǎn)速變換裝置圖（2）霍爾傳感器的選擇文中選用的是國產(chǎn)的hzl201霍爾齒輪傳感器，如圖3.4所示。該霍爾傳感器是一種用于測量速度、角度、轉(zhuǎn)速、長度等的新型傳感器。由傳感黑色金屬齒輪或齒條的齒數(shù)轉(zhuǎn)換成電壓

25、脈沖信號來測量物體的速度、轉(zhuǎn)速等參量。該傳感器紅色端接電源正極，黑色端接地，黃色端為輸出端。而它的特點在于傳感黑色金屬目標、輸出幅度與齒輪轉(zhuǎn)速無關(guān)，低速性能優(yōu)異，工作頻率高達20 khz，抗電磁干擾，經(jīng)過三防抗振處理，有電源極性反向保護，安裝維修方便?；倦妳?shù)如表3.1所示。圖3.4 hzl201霍爾齒輪傳感器此霍爾齒輪傳感器應(yīng)用在汽車凸輪軸和曲軸速度/位置檢測，汽車和工業(yè)用速度表，汽車的抗滑/牽引控制，鏈條傳送帶速度和距離檢測，“運動停止”檢測器，計數(shù)器中。其連接和調(diào)節(jié)方式有： 傳感器安裝時，齒輪轉(zhuǎn)動方向與畫線平行以便得到最佳敏度。適當調(diào)節(jié)工作距離，可使傳感器可靠工作。 可無特殊說明，傳感

26、器輸出均采用集電極開路輸出方式。紅線：電源正極 黃線：輸出 黑線：地 所測齒輪的齒間距應(yīng)大于3mm，如間距小于3mm可提供齒輪樣本定制。表3.1 霍爾齒輪傳感器電參數(shù)型號hzl2系列參 數(shù)符 號hzl201hzl260hzl202hzl204hzl2*a型b型c型d型可定制電源電壓vc520v電源電流ic15ma輸出低電平vol0.4v輸出高電平voh（vcc1）v工作距離d11.5mm工作頻率f020khz工作溫度te：-40 +85 l：-40 +150（3）霍爾轉(zhuǎn)速傳感器的工作原理霍爾轉(zhuǎn)速傳感器在測量機械設(shè)備的轉(zhuǎn)速時，被測量機械的金屬齒輪、齒條等運動部件會經(jīng)過傳感器的前端，引起磁場的相應(yīng)

27、變化，當運動部件穿過霍爾元件產(chǎn)生磁力線較為分散的區(qū)域時，磁場相對較弱，而穿過產(chǎn)生磁力線較為幾種的區(qū)域時，磁場就相對較強?；魻栟D(zhuǎn)速傳感器就是通過磁力線密度的變化，在磁力線穿過傳感器上的感應(yīng)元件時，產(chǎn)生霍爾電勢。霍爾轉(zhuǎn)速傳感器的霍爾元件在產(chǎn)生霍爾電勢后，會將其轉(zhuǎn)換為交變電信號，最后傳感器的內(nèi)置電路會將信號調(diào)整和放大，輸出矩形脈沖信號。3.3 轉(zhuǎn)速信號處理電路根據(jù)轉(zhuǎn)速信號處理電路以及總設(shè)計流程圖，首先設(shè)計了信號處理電路，傳感器輸出的轉(zhuǎn)速信號為方波脈沖信號，它的高電平低于15v高于14v，而低電平接近0?？梢娫撁}沖信號的電壓幅值與單片機接口不匹配，因此該電路又選用了一個由三極管（8050）組成的整形電

28、路處理轉(zhuǎn)速信號使其滿足單片機的接收要求。當輸出為高電平信號時，三極管q1的基-射級處于正向偏置狀態(tài)，故集-射極處于正向通路狀態(tài)，其輸出電壓約為0；當輸出為低電平信號時，三極管q1的基-射級處于反向偏置狀態(tài)，故集-射極處于斷路狀態(tài)，其輸出電壓約為+5 v。轉(zhuǎn)速信號處理電路如圖3.5所示，經(jīng)處理后的方波脈沖信號滿足單片機的接收要求。圖3.5 轉(zhuǎn)速信號處理電路圖3.4 單片機系統(tǒng)單片機采用at89s52，采用12mhz的晶振頻率。單片機的p3.5口接被處理后的被測信號，p2口接液晶顯示器的數(shù)據(jù)輸入端，p1.0，p1.1，p1.2通過外接控制電路接液晶顯示器的控制端。單片機系統(tǒng)的電路如圖3.6所示。圖

29、3.6 單片機系統(tǒng)電路圖3.5 isp下載接口isp的接口連接如圖3.7所示。其中sck、miso、rst、mosi分別接對應(yīng)于單片機p1.7、p1.6、rst、p1.5管腳。nc管腳可接地也可懸空。圖3.7 isp下載接口3.6 lcd液晶顯示電路顯示電路由1602液晶組成，rs為數(shù)據(jù)或命令選擇端。rw為讀寫控制端，e為使能端。其電路如圖3.8所示。其中d0d7分別對應(yīng)單片機的p2.0p2.7引腳。rs命令選擇端接單片機p1.0引腳；rw讀寫控制端接單片機p1.1引腳；e使能端接單片機p1.2引腳。圖3.8 lcd液晶顯示電路圖3.6.1 lcd顯示的基本原理液晶顯示器各種圖形的顯示原理如下

30、：線段的顯示：點陣圖形式液晶由mn個顯示單元組成，假設(shè)lcd顯示屏有64行，每行有128列，每8列對應(yīng)1字節(jié)的8位，即每行由16字節(jié)，共168=128個點組成，屏上6416個顯示單元與顯示ram區(qū)1024字節(jié)相對應(yīng)，每一字節(jié)的內(nèi)容和顯示屏上相應(yīng)位置的亮暗對應(yīng)。例如屏的第一行的亮暗由ram區(qū)的000h00fh的16字節(jié)的內(nèi)容決定，當（000h）=ffh時，則屏幕的左上角顯示一條短亮線，長度為8個點；當（3ffh）=ffh時，則屏幕的右下角顯示一條短亮線；當（000h）=ffh，（001h）=00h，（002h）=00h，（00eh）=00h，（00fh）=00h時，則在屏幕的頂部顯示一條由8段亮

31、線和8條暗線組成的虛線。字符的顯示：用lcd顯示一個字符時比較復(fù)雜，因為一個字符由68或88點陣組成，既要找到和顯示屏幕上某幾個位置對應(yīng)的顯示ram區(qū)的8字節(jié)，還要使每字節(jié)的不同位為“1”，其它的為“0”，為“1”的點亮，為“0”的不亮。這樣一來就組成某個字符。但由于內(nèi)帶字符發(fā)生器的控制器來說，顯示字符就比較簡單了，可以讓控制器工作在文本方式，根據(jù)在lcd上開始顯示的行列號及每行的列數(shù)找出顯示ram對應(yīng)的地址，設(shè)立光標，在此送上該字符對應(yīng)的代碼即可。漢字的顯示：一般采用圖形的方式，事先從微機中提取要顯示的漢字的點陣碼（一般用字模提取軟件），每個漢字占32b，分左右兩半，各占16b，左邊為1、3

32、、5右邊為2、4、6根據(jù)在lcd上開始顯示的行列號及每行的列數(shù)可找出顯示ram對應(yīng)的地址，設(shè)立光標，送上要顯示的漢字的第一字節(jié)，光標位置加1，送第二個字節(jié)，換行按列對齊，送第三個字節(jié)直到32b顯示完就可以lcd上得到一個完整漢字。3.6.2 1602lcd的基本參數(shù)及引腳功能1602lcd分為帶背光和不帶背光兩種，基控制器大部分為hd44780，帶背光的比不帶背光的厚，是否帶背光在應(yīng)用中并無差別，兩者尺寸差別如下圖3.9所示。圖3.9 1602lcd尺寸差別圖（1）lcd主要技術(shù)參數(shù)顯示容量:162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:5.0

33、v；字符尺寸:2.954.35(wh)mm。（2）引腳功能說明1602lcd采用標準的14腳（無背光）或16腳（帶背光）接口，各引腳接口說明如表3.2所示。表3.2 1602lcd引腳接口說明編號符號引腳說明編號符號引腳說明1vss電源地9d2數(shù)據(jù)2vdd電源正極10d3數(shù)據(jù)3vl液晶顯示偏壓11d4數(shù)據(jù)4rs數(shù)據(jù)/命令選擇12d5數(shù)據(jù)5r/w讀/寫選擇13d6數(shù)據(jù)6e使能信號14d7數(shù)據(jù)7d0數(shù)據(jù)15bla背光源正極8d1數(shù)據(jù)16blk背光源負極4 軟件設(shè)計霍爾測速的軟件設(shè)計主要由主程序、液晶顯示程序組成。主程序首先對系統(tǒng)環(huán)境初始化，設(shè)置t0，t1的工作方式，采用軟件啟動方式，當tr0、tr

34、1同時為1時啟動計時，計數(shù)方式為方式1（16位），th0=(65536-50000)/256；tl0=(65536-50000)%256；t0每次溢出中斷一次，計時50ms,所以總共溢出中斷20次，定時1s，t1此時計算所有脈沖的個數(shù)，這樣就可以準確的找出1s時間內(nèi)，所計數(shù)脈沖的總數(shù)n。由于經(jīng)過24個脈沖后是一個工作循環(huán)，所以n/24，其值就為轉(zhuǎn)速值。其示意圖如圖4.1所示，主程序流程圖如圖4.2所示。圖4.1 計數(shù)工作示意圖圖4.2 程序流程圖5 設(shè)計仿真5.1 proteus簡介proteus嵌入式系統(tǒng)仿真與開發(fā)平臺是英國labcenter公司開發(fā)的，是目前世界上最先進、最完整的嵌入式系統(tǒng)

35、設(shè)計與仿真平臺。它是一種可視化的支持多種型號單片機（如51、pic、avr、motorola hcll等），并且支持與當前流行的單片機開發(fā)環(huán)境（keil、mplab、iar）連接調(diào)試的軟硬件仿真系統(tǒng)。proteus除了具有和其他eda工具一樣的原理圖、pcb自動或人工布線及電路仿真功能外，針對微控制系統(tǒng)與外設(shè)的混合電路的電路仿真、軟件仿真、系統(tǒng)協(xié)同仿真也做到了一體化和互動效果，是目前電子設(shè)計愛好者廣泛使用的電子線路設(shè)計與仿真軟件proteus和multisim功能的聯(lián)合和進一步發(fā)展。proteus軟件已有近20年的歷史，在全球擁有龐大的企業(yè)用戶群，是目前唯一能夠?qū)Ω鞣N處理器進行實時仿真、調(diào)試與

36、測試的eda工具，真正實現(xiàn)了在沒有目標原型時就可對系統(tǒng)進行設(shè)計、測試與驗證。由于proteus軟件包括逼真的協(xié)同仿真功能，得到了包括劍橋大學(xué)在內(nèi)的眾多大學(xué)用戶作為電子學(xué)或嵌入式系統(tǒng)的課程教學(xué)、實驗和水平考試平臺。目前，proteus在國內(nèi)單片機開發(fā)者及單片機愛好者之中已開始普及，有很多開發(fā)者已經(jīng)開始用此開發(fā)環(huán)境進行仿真。本設(shè)計中，通過信號處理后，能夠產(chǎn)生一定的頻率的波形。通過proteus軟件進行頻率的仿真。輸入7.97khz的信號如圖5.1所示。圖5.1 輸入信號7.97k然后將程序輸入keil軟件中，生成.hex文件，加載到單片機上，進行仿真。按開始按鈕，然后連接在p1.3接口的按鍵，單片

37、機就進行運作，lcd液晶顯示上就會顯示“zhuanshu”“0000332r/s”。通過程序中m=(t1count*65536+th1*256+tl1)/24的計算，進一步確定仿真正確。單片機轉(zhuǎn)數(shù)仿真如圖5.2所示。圖 5.2 單片機轉(zhuǎn)數(shù)仿真圖5.2 multisim 軟件簡介multisim是美國國家儀器（ni）有限公司推出的以windows為基礎(chǔ)的仿真工具，適用于板級的模擬/數(shù)字電路板的設(shè)計工作。它包含了電路原理圖的圖形輸入、電路硬件描述語言輸入方式，具有豐富的仿真分析能力。工程師們可以使用multisim交互式地搭建電路原理圖，并對電路進行仿真。multisim提煉了spice仿真的復(fù)雜

38、內(nèi)容，這樣工程師無需懂得深入的spice技術(shù)就可以很快地進行捕獲、仿真和分析新的設(shè)計，這也使其更適合電子學(xué)教育。通過multisim和虛擬儀器技術(shù)，pcb設(shè)計工程師和電子學(xué)教育工作者可以完成從理論到原理圖捕獲與仿真再到原型設(shè)計和測試這樣一個完整的綜合設(shè)計流程。本設(shè)計中運用multisim仿真了霍爾齒輪傳感器進行信號處理電路的仿真和電源部分的仿真。（1）霍爾齒輪傳感器進行信號處理的電路仿真。如圖5.3所示，輸入信號為15v的矩形波。圖5.3 輸入15v信號矩形波圖仿真結(jié)果，能夠產(chǎn)生ttl電平，高電平為5v，低電平為0v。如圖5.4所示。圖5.4 產(chǎn)生ttl電平圖（2）電源部分的仿真。電源部分分別

39、有l(wèi)m7805和lm7815組成，分別為霍爾傳感器和單片機進行供電。如圖5.5所示為電源的設(shè)計圖的仿真。圖5.5 電源部分的仿真圖本電路設(shè)計穩(wěn)定，輸出結(jié)果如圖5.6所示。圖5.6 電源仿真結(jié)果圖5.3 keil 軟件簡介keil c51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(jié)構(gòu)性、可讀性、可維護性上有明顯的優(yōu)勢，因而易學(xué)易用。keil提供了包括c編譯器、宏匯編、連接器、庫管理和一個功能強大的仿真調(diào)試器等在內(nèi)的完整開發(fā)方案，通過一個集成開發(fā)環(huán)境（uvision）將這些部分組合在一起。運行keil軟件需要win98、nt、win

40、2000、winxp等操作系統(tǒng)。如果你使用c語言編程，那么keil幾乎就是你的不二之選，即使不使用c語言而僅用匯編語言編程，其方便易用的集成環(huán)境、強大的軟件仿真調(diào)試工具也會令你事半功倍。本設(shè)計通過keil軟件仿真的結(jié)果如圖5.7所示。圖5.7 軟件仿真圖6 總結(jié)此次畢業(yè)設(shè)計是我們從大學(xué)畢業(yè)生走向未來工程師重要的一步。從最初的選題，開題到研究、論證直到完成設(shè)計。其間，查找資料，老師指導(dǎo)，與同學(xué)交流，反復(fù)修改論文，每一個過程都是對自己能力的一次檢驗和充實。通過這次實踐，我了解了霍爾齒輪傳感器hzl201和單片機以及l(fā)cd液晶顯示器的用途及工作原理，熟悉了基于霍爾傳感器及單片機的測速設(shè)計步驟，鍛煉了

41、工程設(shè)計實踐能力，培養(yǎng)了自己獨立設(shè)計能力。此次畢業(yè)設(shè)計是對我專業(yè)知識和專業(yè)基礎(chǔ)知識一次實際檢驗和鞏固，同時也是走向工作崗位前的一次熱身。畢業(yè)設(shè)計收獲很多，比如學(xué)會了查找相關(guān)資料相關(guān)標準，分析數(shù)據(jù)，提高了自己的求證能力，比如說，運用multism軟件進行霍爾傳感器的放大整形的仿真，能夠產(chǎn)生ttl電平。將keil與proteus結(jié)合，進行軟件的仿真與單片機的仿真，掌握了運用.hex文件進行單片機仿真的過程。懂得了許多經(jīng)驗公式的獲得是前人不懈努力的結(jié)果。同時，仍有很多課題需要后輩去努力去完善。但是畢業(yè)設(shè)計也暴露出自己專業(yè)基礎(chǔ)的很多不足之處。比如缺乏綜合應(yīng)用專業(yè)知識的能力，對材料的不了解，對模電的學(xué)習(xí)

42、還不夠深入，只了解單片機的仿真，而疏忽了multism軟件的仿真。通過向同學(xué)的請教與學(xué)習(xí)，才完成了信號處理這部分的仿真。這次實踐是對自己大學(xué)所學(xué)的知識的一次大檢閱，使我明白自己知識還很淺薄，雖然馬上要畢業(yè)了，但是自己的求學(xué)之路還很長，以后更應(yīng)該在工作中學(xué)習(xí)，努力使自己成為一個對社會有所貢獻的人。參考文獻1成輝傳感器的理論與設(shè)計基礎(chǔ)及其應(yīng)用m北京：國防工業(yè)出版社，19992百度百科霍爾傳感器3李澤勇，王文生閉環(huán)霍爾電流傳感器在車用電源系統(tǒng)中的應(yīng)用j電子技術(shù)應(yīng)用，20044謝文和傳感器及其應(yīng)用m北京：高等教育出版社，20035余成波傳感器及自動檢測技術(shù)m北京：高等教育出版社，20056謝志萍傳感器

43、及測試技術(shù)m北京：電子工業(yè)出版社，20047李群芳，肖看編著單片機原理、接口及應(yīng)用-嵌入式系統(tǒng)技術(shù)基礎(chǔ)北京：清華大出版社20058侯國章測試與傳感技術(shù)m哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，20009孟立凡，藍金輝傳感器原理與應(yīng)用m北京：電子工業(yè)出版社，200710張洪潤傳感器應(yīng)用技術(shù)300例上冊m北京：北京航空航天大學(xué)出版社，200811張洪潤傳感器技術(shù)大全下冊m北京：北京航空航天大學(xué)出版社，200712馬全權(quán)，李慶輝，強盛一種高精度實時電機轉(zhuǎn)速測量新方法齊齊哈爾大學(xué)學(xué)報200213何立民mcs-51系列單片機應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計北京：北京航空航天大學(xué)出版社199014陳伯時電力拖動自動控制系統(tǒng) m. 北京

44、 ：機械工業(yè)出版社，2003 ：103-107.15宋躍輝，宋楊，周毅，等基于單片機的齒輪轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)j信息技術(shù)，2007(11) ：110-11216 tierney, j., rader, c.m., and gold, b. “a digital frequency synthesizer,”ieee transactions on audio and electroacoustics au-19:1, march 197117 goldberg, bar-giora, digital techniques in frequency synthesis, new york:mcgraw-

45、hill, 199618 qu jin-yu. measure of engine speed based on c8051f chip,tractor & farm transporter, 2007 年06 期致謝本科兩年學(xué)習(xí)時光已經(jīng)接近尾聲，在此我想對我的母校，我的父母、親人們，我的老師和同學(xué)們表達我由衷的謝意。感謝我的家人對我本科兩年學(xué)習(xí)的默默支持；感謝我的母校南京信息工程大學(xué)濱江學(xué)院給了我在本科兩年深造的機會，讓我能繼續(xù)學(xué)習(xí)和提高；感謝南京信息工程大學(xué)濱江學(xué)院的老師和同學(xué)們兩年來的關(guān)心和鼓勵。老師們課堂上的激情洋溢，課堂下的諄諄教誨；同學(xué)們在學(xué)習(xí)中的認真熱情，生活上的熱心主動，所有這

46、些都讓我的本科兩年充滿了感動。 這次畢業(yè)論文設(shè)計我得到了李鵬老師和很多同學(xué)的幫助，其中我的論文指導(dǎo)老師李鵬老師對我的關(guān)心和支持尤為重要。這幾個月以來，李鵬老師不僅在學(xué)業(yè)上給我以精心指導(dǎo)，同時還在思想給我以無微不至的關(guān)懷，在此謹向李鵬老師致以誠摯的謝意和崇高的敬意。同時，本篇畢業(yè)論文的寫作也得到了廖建輝、郭義芳等同學(xué)的熱情幫助。感謝在整個畢業(yè)設(shè)計期間和我密切合作的同學(xué)，和曾經(jīng)在各個方面給予過我?guī)椭幕锇閭?，在此，我再一次真誠地向幫助過我的老師和同學(xué)表示感謝！based on the holzer sensor chip speed measuring device designzhao went

47、ingbinjiang college of nanjing university of information science and technology, nanjing 210044abstractthis paper describes the design of a mcu(micro controller unit) based on hzl201holzer gear sensor measuring device, the whole design is composed of a rotating speed measuring device, a rotating spe

48、ed signal processing circuit, through the 8050transistors on plastic processing signal, pulse signal will be converted to standard ttl level, for at89s52single-chip counting operation, and will be able to speed signal is displayed in the liquid crystal display. using keil software for the mcu c language programming, and through the proteus simulation software of mcu and display results, verify the feasibility of this design. the speed mea