汽車電子技術(shù)畢業(yè)設(shè)計-基于霍爾傳感器的非接觸式轉(zhuǎn)速測量

1、畢業(yè)設(shè)計報告畢業(yè)設(shè)計報告 設(shè)計題目：設(shè)計題目： 基于霍爾傳感器的非接觸式轉(zhuǎn)速測量基于霍爾傳感器的非接觸式轉(zhuǎn)速測量 設(shè)計作者： 專業(yè)班級/學(xué)號： 汽車電子技術(shù) 合作者 1： 專業(yè)班級/學(xué)號： 合作者 2： 專業(yè)班級/學(xué)號： 指導(dǎo)教師： 鄭老師 設(shè)計時間： 2011-4-21 基于霍爾傳感器的基于霍爾傳感器的 電機轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)設(shè)計電機轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)設(shè)計 軟件設(shè)計軟件設(shè)計 摘摘要要 電動機作為機械化、電氣化和自動化的原動機，廣泛應(yīng)用于國民經(jīng)濟建設(shè)、國防建 設(shè)、科學(xué)技術(shù)研究和人民物質(zhì)文明生活的各個領(lǐng)域。電機是生產(chǎn)過程中應(yīng)用十分廣泛的 裝置，對其轉(zhuǎn)速進行準確測量就顯得十分必要。 本文介紹了霍爾傳感器測速的

2、原理，設(shè)計了基于單片機 STC12C5A60S2 的直流電機轉(zhuǎn) 速測量系統(tǒng)。完成了電機轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計、霍爾傳感器測量電路的設(shè)計、 顯示電路的設(shè)計。測量轉(zhuǎn)速的霍爾傳感器和機軸同軸連接，機軸每轉(zhuǎn)一周，產(chǎn)生一定量 的脈沖個數(shù)，由霍爾器件電路部分輸出幅度為 5V 的脈沖?？刂贫〞r器計數(shù)時間，即可實 現(xiàn)對電機轉(zhuǎn)速的測量。在顯示電路設(shè)計中，通過 OCM12864-3 實現(xiàn)在 LCD 上直觀地顯示電 機的轉(zhuǎn)速值、傳感器的功耗。并對電機轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)的硬件電路、顯示電路進行了調(diào)試。 與硬件配合，實現(xiàn)了顯示、警告功能。仿真實驗表明所設(shè)計的硬件電路及軟件程序是正 確的，滿足設(shè)計要求。 關(guān)鍵詞：電機轉(zhuǎn)速測

3、量；霍爾傳感器；單片機；STC12C5A60S2；OCM12864-3 目目 錄錄 1 1 緒緒 論論.1 1 1.11.1 設(shè)計任務(wù)設(shè)計任務(wù).1 1 1.1.11.1.1 題目來題目來源源.1 1 1.1.21.1.2 設(shè)計設(shè)計內(nèi)內(nèi)容容.1 1 1.1.31.1.3 相關(guān)背景相關(guān)背景.2 2 1.21.2 方案分析論證方案分析論證.2 2 1.2.11.2.1 霍爾測速模塊霍爾測速模塊論論證與選擇證與選擇.2 2 1.2.21.2.2 單片機模塊論證與選擇單片機模塊論證與選擇.2 2 1.2.31.2.3 顯示模塊論證與選擇顯示模塊論證與選擇.3 3 2 2 基于霍爾傳感器的電基于霍爾傳感器

4、的電機轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)硬件設(shè)計機轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)硬件設(shè)計 .3 3 2.12.1 電機轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計電機轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計.3 3 2.1.12.1.1 總體硬件設(shè)計總體硬件設(shè)計.3 3 2.1.22.1.2 系統(tǒng)電路設(shè)計系統(tǒng)電路設(shè)計.5 5 2.22.2 霍爾傳感器測量電路霍爾傳感器測量電路設(shè)設(shè)計計.6 6 2.2.12.2.1 霍爾元件霍爾元件.6 6 2.2.22.2.2 霍爾傳感器測量原理霍爾傳感器測量原理.7 7 2.2.32.2.3 轉(zhuǎn)速測量方法轉(zhuǎn)速測量方法.8 8 2.32.3 單片機單片機 STC1STC12 2C C5A60S25A60S2 .8 8 2.3.12

5、.3.1 STSTC12C5A60S2C12C5A60S2 芯片芯片 .9 9 2.3.22.3.2 定時定時器器.9 9 2.3.32.3.3 外部中斷外部中斷.1010 2.2.2.2.4 4 ADAD 轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換 .1111 2.42.4 顯示電路設(shè)顯示電路設(shè)計計.1212 2.4.12.4.1 OCM12864OCM12864 簡簡介介 .1212 2.4.22.4.2 OCM12864-3OCM12864-3 的基本參數(shù)及引腳功能的基本參數(shù)及引腳功能 .1313 2.4.32.4.3 顯示模式顯示模式.1515 2.52.5 系統(tǒng)軟件設(shè)計系統(tǒng)軟件設(shè)計.1616 2.5.12.5.1 設(shè)

6、計思想設(shè)計思想.1616 2.5.22.5.2 總體總體軟軟件流件流程程.1616 3 3 系統(tǒng)仿系統(tǒng)仿真真和調(diào)試和調(diào)試.1919 3.13.1 ProteusProteus 軟件軟件 .1919 3.1.13.1.1 ProteusProteus 簡介簡介 .1919 3.1.23.1.2 用用 ProteusProteus 繪制原理圖步驟繪制原理圖步驟.1919 3.23.2 硬件調(diào)試硬件調(diào)試.2020 3.2.13.2.1 硬件靜態(tài)調(diào)試硬件靜態(tài)調(diào)試.2020 3.2.23.2.2 虛擬仿真調(diào)試虛擬仿真調(diào)試.2121 3 3.3.3 軟件調(diào)試軟件調(diào)試.2222 3.43.4 軟硬件軟硬件聯(lián)

7、聯(lián)調(diào)調(diào).2222 4 4 結(jié)結(jié) 論論 .2424 參考文獻參考文獻 .2525 致致 謝謝 .2525 附錄附錄一一 主要器件列表主要器件列表 .2 27 7 附錄附錄二二 硬件實物硬件實物圖圖 .2828 附錄附錄三三 程序原程序原代代碼碼 .3 32 2 1 1 緒緒 論論 1.11.1 設(shè)計任務(wù)設(shè)計任務(wù) 1.1.1 題目來源 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)電機、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，常需要分時或者連續(xù)測量和顯示其 轉(zhuǎn)速及瞬時轉(zhuǎn)速。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。轉(zhuǎn)速測量方法分為模擬式和數(shù)字式

8、兩種，模擬式采用測速發(fā)電機為檢測元件，得 到的信號是電壓量，而數(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， 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 涌現(xiàn)，轉(zhuǎn)速測量普遍采用了以單片機為核心的數(shù)字法，智能化微電腦式代替了一般的機 械式或模擬量結(jié)構(gòu)。 根據(jù)學(xué)校畢業(yè)設(shè)計的要求，設(shè)計一個功能滿足設(shè)計要求、工作穩(wěn)定、以單片機為核 心的基于霍爾傳感器的電機轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)。本設(shè)計要求做一個單片機最小系統(tǒng)，并使用 合適的霍爾傳感器，使之具備測轉(zhuǎn)速的功能，能夠?qū)崿F(xiàn)在電機工作時轉(zhuǎn)速的測量，同時 選用合適的顯示器件，使系統(tǒng)具備實時顯示功能，并在電機停止或超出測量范圍時發(fā)

9、出 警告信號。根據(jù)題目的要求，設(shè)計了以下方案并對各方案進行了論證與分析。本設(shè)計包 括完整的硬件設(shè)計和相應(yīng)的軟件設(shè)計。 1.1.21.1.2 設(shè)計內(nèi)容設(shè)計內(nèi)容 1.選定傳感器?；魻杺鞲衅骶哂徐`敏、可靠、體積小巧、無觸點、無磨損、使用壽 命長、功耗低等優(yōu)點，綜合了電機轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)的要求。 2.設(shè)計一個單片機最小系統(tǒng)，掌握單片機接口電路的設(shè)計技巧，學(xué)會利用單片機的 定時器和中斷系統(tǒng)對脈沖信號進行測量或計數(shù)。 3.實時測量顯示，實時測量根據(jù)脈沖計數(shù)來實現(xiàn)轉(zhuǎn)速測量的方法。要求霍爾傳感器 轉(zhuǎn)速為 60 8000r/min。 1.1.31.1.3 相關(guān)背景相關(guān)背景 在直流電機的多年實際運行的過程中，機械測速

10、電機不足之處日益明顯，其主要表 現(xiàn)為直流測速電機 DG 中的炭刷磨損及交流測速發(fā)電機 TG 中的軸承磨損，增加了設(shè)備的 維護工作量，也隨著增加了發(fā)生故障的可能性；同時機械測速電機在更換炭刷及軸承的 檢修作業(yè)過程中，需要將直流電動機停運，安裝過程中需要調(diào)整機械測速電機軸與主電 機軸的同軸度，延長了檢修時間，影響了設(shè)備的長期平穩(wěn)運行。 隨著電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展，一些新穎器件的不斷涌現(xiàn)，原有器件的性能也隨著 逐漸改進，采用電力電子器件構(gòu)成的各種電力電子電路的應(yīng)用范圍與日俱增。因此采用 電子脈沖測速取代原直流電動機械測速電機已具備理論基礎(chǔ)，如可采用磁阻式、霍爾效 應(yīng)式、光電式等方式檢測電機轉(zhuǎn)速。 經(jīng)

11、過比較分析后，決定采用自制轉(zhuǎn)盤（轉(zhuǎn)盤直徑為 50mm，半邊覆銅）和霍爾元件代 替原來的機械測速電機?；魻杺鞲衅髯鳛闇y速器件得到廣泛應(yīng)用?；魻杺鞲衅魇抢没?爾效應(yīng)實現(xiàn)磁電轉(zhuǎn)換的一種傳感器?；魻栃?yīng)這種物理現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)，雖然已有一百多年 的歷史，但是直到 20 世紀 40 年代后期，由于半導(dǎo)體工藝的不斷改進，才被人們所重視 和應(yīng)用。我國從 70 年代開始研究霍爾器件,經(jīng)過 20 余年的研究和開發(fā),目前已經(jīng)能生產(chǎn) 各種性能的霍爾元件,霍爾傳感器具有靈敏度高、線性度好、穩(wěn)定性高、體積小和耐高溫 等特點。 1.21.2 方案分析論證方案分析論證 1.2.11.2.1 霍爾測速模塊論證與選擇霍爾測速模塊論

12、證與選擇 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。 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 1215V。體積較大，價格昂貴，功耗大。 因此選擇方案一。 1.2.21.2.2 單片機模塊論證與選擇單片機模塊論證與選擇 方案一：采用型號為 AT89S51 的單片機作為主控制器，使用霍爾傳感器進行測量 的直流電機轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)。AT89S51 是帶 8K 字節(jié)閃爍可編程擦除只讀存儲器的低電壓、 高性能 CMOS

13、8 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。 方案二：采用單片機 STC12C5A60S2 作為主控制器，使用霍爾傳感器進行測量的 直流電機轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)。STC12C5A60S2 系列單片機是宏晶科技生產(chǎn)的單時鐘/機器周 期(1T)的單片機。ST C12C5A60S2 作為新一代 8051 單片機，具有功能強大、體積小、 工作穩(wěn)定、集成 AD、PWM 等特點，適用于復(fù)雜控制系統(tǒng)。 由于本設(shè)計要求測量傳感器功耗，需要用 AD 功能，方案一中的 AT89S51 不具有集 成 AD，如果使用外部 AD 芯片，增加了成本因此選擇

14、方案二。 1.2.31.2.3 顯示模塊論證與選擇顯示模塊論證與選擇 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)雜，耗電流大，驅(qū)動電路復(fù)雜。 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。 方案三：采用 LCD 液晶顯示屏,液晶顯示屏的顯示功能強大,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。 因此選擇方案三。 2 2 基于霍爾傳感器的電機轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)硬件設(shè)計基于霍爾傳感器的電機轉(zhuǎn)速測

15、量系統(tǒng)硬件設(shè)計 2.12.1 電機轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計電機轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計 2.1.12.1.1 總體硬件設(shè)計總體硬件設(shè)計 使用單片機測量電機轉(zhuǎn)速的基本結(jié)構(gòu)如圖 2-1 所示。 電機霍爾傳感 器 單片機 STC12C 5A60S2 電源 圖 2-1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖 其測量過程是測量轉(zhuǎn)速的霍爾傳感器和電機機軸同軸連接，機軸每轉(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)過主 CPU 將該值數(shù)據(jù)處理后，在 LCD 液晶顯 示器上把轉(zhuǎn)速顯示出來。一旦電機停止或超速 CPU 通過 LCD 液晶顯示器顯示警告信號信 號。用戶也可以選擇另一功能，即通過曲線表示電機轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律，此

16、時如果電機停 止或超速也會顯示警告信號，但沒有顯示傳感器功耗。當用戶不需要測量電機時可以選 擇關(guān)閉測量系統(tǒng)當日歷使用，日歷可準確計算公歷從公元 000 至公元 9999 年，并顯示于 LCD 液晶顯示器上。 1.傳感器部分 主要分為兩個部分。第一部分是利用霍爾器件將電機的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)化為脈沖信號。霍爾 測速模塊由永久磁鐵和帶有霍爾元件的支架構(gòu)成。將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，當測速齒輪的轉(zhuǎn)盤上覆銅部分經(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。 圖 2-2 霍爾元件 2.處理器 采用 STC12C5A60S2 單片機作為系統(tǒng)的處理器。

17、3.顯示部分 在正常情況下，通過 LCD 液晶顯示器顯示當前的轉(zhuǎn)速及傳感器功率或變化規(guī)律曲線， 當電機的轉(zhuǎn)速超出一定的范圍后，LCD 液晶顯示器顯示錯誤。用戶關(guān)閉測量系統(tǒng)時該部分 用于日歷顯示。 2.1.22.1.2 系統(tǒng)電路設(shè)計系統(tǒng)電路設(shè)計 實際測量時，要把霍爾傳感器固定在直流測速電機的底板上，與霍爾探頭相對的電 機的軸上固定著一片磁鋼塊，電機每轉(zhuǎn)一周，霍爾傳感器便發(fā)出一個脈沖信號，將此脈 沖信號接到開發(fā)的多功能實驗板上的 P3.2 和 P3.3 上，設(shè)定0 定時，每次兩個脈沖間 隔時間為 t，設(shè)每分鐘轉(zhuǎn) X 轉(zhuǎn)，則 X =（1 分鐘）/t 由于在虛擬仿真電路圖中，沒有電機及傳感器，所以采用

18、兩個具有時差的脈沖信號 代替，電路圖如圖 2-3 所示。 圖 2-3 總體硬件電路圖（STC12C5A60S2 無仿真庫，故用 AT89C51 代替） 2.22.2 霍爾傳感器測量電路設(shè)計霍爾傳感器測量電路設(shè)計 2.2.12.2.1 霍爾元件霍爾元件 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。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-40150。它由電

19、壓調(diào)整電路、反相電源保護電路、 霍爾元件、溫度補償電路、微信號放大器、施密特觸發(fā)器和 OC 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”。 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)強度，輸出 是一個數(shù)字電壓訊號。它是一種單磁極工作的磁敏電路，適用于矩形或者柱形磁體下工 作。可應(yīng)用于汽車工業(yè)和軍事工程中。 霍爾傳感器

20、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。 霍爾元件和磁鋼 管腳圖 圖 2-4 霍爾傳感器的外形圖 該霍爾傳感器的接線圖如圖 2-5 所示。 圖 2-5 霍爾傳感器的接線圖 2.2.22.2.2 霍爾傳感器測量原理霍爾傳感器測量原理 測量電機轉(zhuǎn)速的第一步就是要將電機的轉(zhuǎn)速表示為單片機可以識別的脈沖信號，從 而進行脈沖計數(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)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，當電機轉(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)

21、過 信號處理后輸出到計數(shù)器或其他的脈沖計數(shù)裝置，進行轉(zhuǎn)速的測量。 圖 2-6 霍爾器件測速原理 2.2.32.2.3 轉(zhuǎn)速測量方法轉(zhuǎn)速測量方法 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 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 T 法(測周期法)。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傳感器支架一段（參考圖 2-2），轉(zhuǎn)盤隨側(cè)軸旋轉(zhuǎn).轉(zhuǎn)盤隨軸旋轉(zhuǎn)時， 覆銅半邊進入傳感器支架中間時磁場密度發(fā)生改變，受磁鋼所產(chǎn)生的磁場的影響，霍爾 器件輸出脈沖信號，其周期和轉(zhuǎn)速成反比。

22、脈沖信號的周期與電機的轉(zhuǎn)速有以下關(guān)系： n= (2-1) PT 60 式中：n 為電機轉(zhuǎn)速；P 為電機轉(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 可計算出直流電機的轉(zhuǎn)速。 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_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。 2.32.3 單片機單片機 STC12C5A60S2STC12C5A60S2 單片機(Single-Ch

23、ip-Microcomputer)又稱為單片微控制器，其基本結(jié)構(gòu)是將微型計算 機的基本功能部件：中央處理器（CPU）、存儲器、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。 單片機結(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 強而有效的控制功能。雖然單片機只是一個芯片，但無論從組成還是從其邏輯功能上來 看，都具有微機系統(tǒng)的含義。另一方面，單片機畢竟是一個芯片，只有外加所需的輸入、 輸出設(shè)備，才可以構(gòu)成實用的單片機應(yīng)用系統(tǒng)11。 2.3.12.3.1 STC12C5A60S2STC12C5A60S2 芯片芯片 STC12C5A60S2 是一種

24、帶 60K 字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器（FPEROMFalsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓，高性能 CMOS8 位微處理器， 俗稱單片機。其引腳圖如圖 2-11 所示。 圖 2-11 STC12C5A60S2 引腳圖 2.3.22.3.2 定時器定時器 STC12C5A60S2 單片機內(nèi)部有兩個 16 位可編程定時器/計數(shù)器，記為 T0 和 T1。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

25、，計數(shù)脈沖由單片機內(nèi)部振蕩器提供，計數(shù)頻率為 f/12,每個機器周期加 1。 OSC STC12C5A60S2 單片機定時器/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計數(shù) 器，每當產(chǎn)生溢出時，都會向 CPU 發(fā)出中斷請求。單片機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 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)

26、置定時器的 模式的。 STC12C5A60S2 單片機的定時器/計數(shù)器是可編程的，在進行定時或計數(shù)操作之前要進 行初始化編程。通常 8051 單片機定時器/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。 在初始化過程中，要設(shè)置定時或計數(shù)的初始值，這時需要進行一點運算。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

27、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： 13168 計數(shù)方式：X=M-要求的計數(shù)值 （2-2） 定時方式：X=M- （2-3） OSC f/12 要求的計數(shù)值 2.3.32.3.3 外部中斷外部中斷 外部中斷：對某個中央處理機而言，它的外部非通道式裝置所引起的中斷稱為外部中 斷。 STC12C5A60S2 單片機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，單片機在每個機器周期檢查中斷源口線，檢測到低電平，即置位中斷請求 標志

28、，向 CPU 請求中斷。選擇邊沿觸發(fā)方式時，單片機在上一個機器周期檢測到中斷源 口線為高電平，下一個機器周期檢測到低電平，即置位中斷標志，請求中斷。 應(yīng)用時需要特別注意的幾點： 1電平觸發(fā)方式時，中斷標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 CPU 正在執(zhí)行同級中斷或更高級中斷期間，產(chǎn)生的外部中斷源（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 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。

29、2邊沿觸發(fā)方式時，中斷標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 CPU 正在執(zhí)行同級中斷（甚至是外部中斷本身）或高級中斷時，產(chǎn)生的外部中斷 （負跳變）同樣將被記錄在中斷標志寄存器中。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志。 3中斷標志可以手工清除。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。 2.3.42.3.4 ADAD 轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換 STC12C5A60AD/S2 系列帶 A/D 轉(zhuǎn)換的單

30、片機的 A/D 轉(zhuǎn)換口在 P1 口(P1.7-P1.0)，有 8 路 10 位高速 A/D 轉(zhuǎn)換器,速度可達到速度可250KHz(25 萬次/秒)。8 路電壓輸入型 A/D，可做溫度檢測、電池電壓檢測、按鍵掃描、頻譜檢測等。上電復(fù)位后 P1 口為弱上 拉型 I/O 口，用戶可以通過軟件設(shè)置將 8 路中的任何一路設(shè)置為 A/D 轉(zhuǎn)換，不需作為 A/D 使用的口可繼續(xù)作為 I/O 口使用。 STC12C5A60S2系列單片機ADC(A/D轉(zhuǎn)換器)的結(jié)構(gòu)如下圖所示。 2.42.4 顯示電路設(shè)計顯示電路設(shè)計 2.4.12.4.1 OCM12864OCM12864 簡介簡介 1OCM12864 液晶顯示

31、模塊是 12864 點陣型液晶顯示模塊，可顯示各種字符及圖 形，可與 CPU 直接接口，具有 8 位標準數(shù)據(jù)總線、6 條控制線及電源線。采用 KS0108 控制 IC。 OCM12864 液晶顯示器實物如圖 2-12 所示。 圖 2-12 1602 實物圖 2.4.22.4.2 OCM12864-3OCM12864-3 的基本參數(shù)及引腳功能的基本參數(shù)及引腳功能 1. OCM12864-3 外形尺寸圖 圖2-13 OCM12864-3 外形尺寸圖 2.最大工作范圍 邏輯工作電壓(Vcc)：4.55.5V（12864-3、12864-5可使用3V 供電） 電源地（GND）：0V 工作溫度(Ta)：

32、055(常溫) / -2070（寬溫） 保存溫度(Tstg)：-3080 3. OCM12864-3引腳 各引腳接口說明如表2-1。 表2-1 引腳接口說明表 管腳 號 管腳名稱電平管腳功能描述 1VSS0V 電源地 2VCC3.0+5V電源正 3V0- 對比度（亮度）調(diào)整 4 RS(CS）H/L RS=“H”,表示 DB7DB0 為顯示數(shù)據(jù) RS=“L”,表示 DB7DB0 為顯示指令數(shù)據(jù) 5R/W(SID)H/L R/W=“H”,E=“H”,數(shù)據(jù)被讀到 DB7DB0 R/W=“L”,E=“HL”, DB7DB0 的數(shù)據(jù)被寫到 IR 或 DR 6E(SCLK) H/L 使能信號 7DB0H/

33、L 三態(tài)數(shù)據(jù)線 8DB1H/L 三態(tài)數(shù)據(jù)線 9DB2H/L 三態(tài)數(shù)據(jù)線 10DB3H/L 三態(tài)數(shù)據(jù)線 11DB4H/L 三態(tài)數(shù)據(jù)線 12DB5H/L 三態(tài)數(shù)據(jù)線 13DB6H/L 三態(tài)數(shù)據(jù)線 14DB7H/L 三態(tài)數(shù)據(jù)線 15PSBH/L H：8 位或 4 位并口方式，L：串口方式 16NC- 空腳 17/RESETH/L 復(fù)位端，低電平有效 18VOUT- LCD 動負電壓（-10V）輸出驅(qū)對地接一個 10k 電位 器 19AVDD 背光源正端（+5V） 20KVSS 背光源負端 4.其與單片機的連接如圖2-14所示。 圖 2-14 1602 與單片機接線圖 2.4.32.4.3 顯示模式顯

34、示模式 OCM12864-3 是常見的 12864 點陣型液晶顯示模塊, 可顯示各種字符及圖形,2-15 所示。 圖 2-15 LCD 顯示圖 STC12C5A60S2 2.52.5 系統(tǒng)軟件設(shè)計系統(tǒng)軟件設(shè)計 2.5.12.5.1 設(shè)計思想設(shè)計思想 本系統(tǒng)采用 STC12C5A60S2 中的中斷對轉(zhuǎn)速脈沖處理。定時器 T0 工作于定時方0INT 式 1。每到一個中斷計算一次周期，此值的倒數(shù)即為脈沖信號的頻率，代表的即是0INT 電機的轉(zhuǎn)速。 2.5.22.5.2 總體軟件流程總體軟件流程 進行初始化設(shè)置各定時器初值。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

35、錄脈沖個數(shù)。同時啟動 T0 定時器工作，每到一個 中斷計算一次轉(zhuǎn)速及功率。連續(xù)采樣三次，取平均值記為一次轉(zhuǎn)速值。再進行數(shù)值0INT 的判斷，若數(shù)值超出 60-8000r/min 則顯示出錯，否則就進行正常速度液晶顯示。如果下 次測量值沒有溢出，則恢復(fù)正常顯示。 如圖 2-16 所示。 開始 結(jié)果是否溢出 是否卻換顯示 是否需要計算 當前顯示模式清 屏 文字模板 初始化 計算轉(zhuǎn)速、功率 當前顯示模式更新顯示數(shù)據(jù) 轉(zhuǎn)速求均值 是否更新波形 更新波形 是否開關(guān)測速 是否計算 T 計算時間 是否設(shè)置時間 設(shè)置時間 是否更新顯示更新顯示 圖 2-16 主流程圖 3 3 系統(tǒng)仿真和調(diào)試系統(tǒng)仿真和調(diào)試 3.

36、13.1 ProteusProteus 軟件軟件 3.1.13.1.1 ProteusProteus 簡介簡介 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的電子系統(tǒng)。Proteus 不但完 全支持 MCS-51及其派生系列單片機的設(shè)計系統(tǒng)，另外也能仿真基于 AVR 和 PIC 系列的單 片機系統(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

37、只帶匯編編譯器，不支持 C 語言。但可以將它與 KeilC51集 成開發(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。 當然，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)板和仿真器當然是最好選擇，可是對于單片機愛好者，或者簡單的開發(fā)應(yīng)該是比較好 的選擇。Proteus 與其它單片機仿真軟件不同的是，它不僅能仿真單片機 CPU 的工作情況， 也能仿真單片機外圍電路或沒有單片機參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)行時單片機寄存器和存儲器內(nèi)容的改變，而是從工程

38、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，是彌補了實驗和工程應(yīng)用間脫節(jié)的矛盾和現(xiàn)象。 3.1.23.1.2 用用 ProteusProteus 繪制原理圖步驟繪制原理圖步驟 原理圖是在原理圖編輯窗口中的藍色方框內(nèi)繪制完成的，通過文件中的“新建設(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。 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

39、”欄內(nèi)鍵入“AT89C51” （ Proteus 中無 STC12C5A60S2 仿真庫故用 AT89S51 代替）,窗口中間的“結(jié)果”欄將顯示出元器件庫中所 有 AT89C51 單片機芯片，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。 圖 3-1 器件選擇窗口 器件選擇完畢后，就可以開始繪制原理圖了。先用鼠標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。再將鼠標指向編輯窗口并單擊左鍵，將選中的器 件放置到原理圖中。 放置電源

40、和地線端時，要從“終端”按鈕欄中選取。 在兩個元器件之間進行連線的方式很簡單，先將鼠標指向第一個器件的連接點并單 擊左鍵，再將鼠標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，直接連線不方便的器件，可以用標號的方式進行連接。 連接后的部分硬件電路如圖 3-2 所示。 圖 3-2 硬件電路圖（STC12C5A60S2 無仿真庫，故用 AT89C51 代替） 3.23.2 硬件調(diào)試硬件調(diào)試 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行檢測， 一定要仔細認真。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。

41、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，所以布線要無跨線并且工整。當 硬件設(shè)計從布線到焊接安裝完成之后，就開始進入硬件調(diào)試階段。 3.2.13.2.1 硬件靜態(tài)調(diào)試硬件靜態(tài)調(diào)試 1排除邏輯故障 顯示器部分調(diào)試為了使調(diào)試順利進行,首先將 STC12C5A60S2 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 STC12C5A60S2 電路工作是否正常。對 STC12C5A60S2 進行編程調(diào)試時,分為

42、兩個步驟：第一,對其進行 初始化。第二,將 STC12C5A60S2 與 LCD 結(jié)合起來,借助開發(fā)機,通過編制程序進行調(diào)試。 若調(diào)試通過后,就可以編制應(yīng)用程序了。 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。排除的方法是首先將焊接好的電路板認真對照原理圖,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

43、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。 3排除電源故障 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 5V48V 之間屬正 常。若有高壓,聯(lián)機仿真器調(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。 3.2.23.2.2 虛擬仿真調(diào)試虛擬仿真調(diào)試 原理圖繪制完成之后，給單片機添加應(yīng)用程序，就可以進行虛擬仿真調(diào)試。先用鼠 標右鍵選中 STC12C5A60S2 單片機，再單擊左鍵，彈出如圖 3-3 所示器件編輯窗口。

44、 圖 3-3 器件編輯窗口 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“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行虛擬仿真 17。 3 3.3.3 軟件調(diào)試軟件調(diào)試 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。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。 3.43.4 軟硬件聯(lián)調(diào)軟硬件聯(lián)調(diào) 使用 Keil、Proteus 軟件進行單步調(diào)試仿真模擬，直到滿足技術(shù)指標后，將程序燒到 STC12C5A60S2 片中進行軟硬件聯(lián)調(diào)。調(diào)試的過程及步驟如下： 1.檢測 5v 電源是否正常，并且是否加到單片機的電源引腳端。 2.檢測單片機的晶振電路是否正常工作，用萬用表檢測 STC12C5A60S2 片的 18、19