霍爾傳感器組成的轉(zhuǎn)速測量儀的設(shè)計(jì)

1、結(jié)課論文題 目：基于霍爾傳感器發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速測儀設(shè)計(jì)學(xué)生姓名： 學(xué)生學(xué)號： 系 別： 機(jī)電工程系 專 業(yè)： 機(jī)械化及其自動(dòng)化 屆 別： 指導(dǎo)教師： 時(shí) 間： 目 錄1 摘要.22 系統(tǒng)概述.3 2.1 系統(tǒng)組成.3 2.2 霍爾傳感器測轉(zhuǎn)速原理及特性.5 2.3 光電式速度傳感器概述.6 2.4 系統(tǒng)工作原理及處理方法.7 2.4.1系統(tǒng)工作原理.7 2.4.2處理方法.93 霍爾傳感器測轉(zhuǎn)速系統(tǒng)的單元電路介紹.10 3.1 單片機(jī)的簡介 .12 3.2 脈沖產(chǎn)生電路設(shè)計(jì).13 .3 霍爾傳感器選型.14 3.4 開關(guān)霍爾傳感器的性能分析.16 3.5 系統(tǒng)顯示電路介紹.184.數(shù)碼管顯示和液晶顯

2、示的利弊.185 基于霍爾傳感器測轉(zhuǎn)速系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì).19參考文獻(xiàn).22附錄.24摘要在工程實(shí)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(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，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(jì)算機(jī)的廣泛應(yīng)用，特別是高性能價(jià)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。本文便是運(yùn)用STC89C51單片機(jī)控制的智能化轉(zhuǎn)速測量儀。電機(jī)在運(yùn)行過程中，需要對其進(jìn)行監(jiān)控，轉(zhuǎn)速是一個(gè)必不可少的一個(gè)參數(shù)。本系統(tǒng)就是對電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行測量，并可以和PC機(jī)進(jìn)行通信，顯示電機(jī)的轉(zhuǎn)速，并觀

3、察電機(jī)運(yùn)行的基本狀況。本設(shè)計(jì)主要用STC89C51作為控制核心，由霍爾傳感器、LCD顯示器、HIN232CPE電平轉(zhuǎn)換、及RS232構(gòu)成。詳細(xì)介紹了單片機(jī)的測量轉(zhuǎn)速系統(tǒng)及PC機(jī)與單片機(jī)之間的串行通訊。充分發(fā)揮了單片機(jī)的性能。本文重點(diǎn)是測量速度并顯示在LCD上。其優(yōu)點(diǎn)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(jià)比較高等特點(diǎn)。關(guān)鍵字：STC89C51單片機(jī)、 轉(zhuǎn)速、 霍爾傳感器2、 系統(tǒng)概述2.1 系統(tǒng)組成在測量電機(jī)轉(zhuǎn)速時(shí)我們從采用了電磁感應(yīng)式傳感器。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，帶動(dòng)傳感器。這種傳感器可以將轉(zhuǎn)速信號轉(zhuǎn)變成一個(gè)對應(yīng)頻率的脈沖信號輸出，經(jīng)過信號處理后輸出到計(jì)數(shù)器。脈沖信號的頻

4、率與電機(jī)的轉(zhuǎn)速是一種線性的正比關(guān)系，因此對電機(jī)轉(zhuǎn)速的測量，實(shí)質(zhì)上是對脈沖信號的頻率的測量。本課題采是以STC89C52單片機(jī)為核心將處理好的信號經(jīng)過數(shù)據(jù)處理轉(zhuǎn)換成所測得的實(shí)際十進(jìn)制信號的系統(tǒng)。系統(tǒng)硬件原理框圖如圖2-1：發(fā)動(dòng)機(jī)液晶顯示轉(zhuǎn)速單片機(jī)STC89C52霍爾傳感器 超速 報(bào)警電源系統(tǒng)框圖原理如圖2-1所示，系統(tǒng)由傳感器、信號處理、顯示電路和系統(tǒng)軟件等部分組成。傳感器采用霍爾傳感器，負(fù)責(zé)將轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)化為脈沖信號。信號處理電路包含待測信號放大、波形變換、波形整形電路等部分，其中放大器實(shí)現(xiàn)對待測信號的放大,降低對待測信號的幅度要求，實(shí)現(xiàn)對小信號的測量；波形變換和波形整形電路實(shí)現(xiàn)把正負(fù)交變的信號波形

5、變換成可被單片機(jī)接受的TTL/CMOS兼容信號。 處理器采用STC89C52單片機(jī)，顯示器采用LCD1602液晶顯示器動(dòng)態(tài)顯示。2.2霍爾傳感器測轉(zhuǎn)速原理及特性1、霍爾傳感器測速原理：霍爾器件是由半導(dǎo)體材料制成的一種薄片，器件的長、寬、高分別為 l、。若在垂直于薄片平面（沿厚度 ）方向施加外磁場，在沿方向的兩個(gè)端面加一外電場，則有一定的電流流過。由于電子在磁場中運(yùn)動(dòng)，所以將受到一個(gè)洛侖磁力，其大小為：式中：f洛侖磁力， 載流子電荷， 載流子運(yùn)動(dòng)速度， 磁感應(yīng)強(qiáng)度。這樣使電子的運(yùn)動(dòng)軌跡發(fā)生偏移，在霍爾元器件薄片的兩個(gè)側(cè)面分別產(chǎn)生電子積聚或電荷過剩，形成霍爾電場，霍爾元器件兩個(gè)側(cè)面間的電位差稱為霍

6、爾電壓?；魻栯妷捍笮椋?(mV) 式中：霍爾常數(shù)， 元件厚度， 磁感應(yīng)強(qiáng)度， 控制電流設(shè) , 則=(mV)為霍爾器件的靈敏系數(shù)(mV/mA/T)，它表示該霍爾元件在單位磁感應(yīng)強(qiáng)度和單位控制電流下輸出霍爾電動(dòng)勢的大小。應(yīng)注意，當(dāng)電磁感應(yīng)強(qiáng)度反向時(shí)，霍爾電動(dòng)勢也反向。若控制電流保持不變，則霍爾感應(yīng)電壓將隨外界磁場強(qiáng)度而變化，根據(jù)這一原理，可以將兩塊永久磁鋼固定在電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上轉(zhuǎn)盤的邊沿，轉(zhuǎn)盤隨被測軸旋轉(zhuǎn)，磁鋼也將跟著同步旋轉(zhuǎn)，在轉(zhuǎn)盤附近安裝一個(gè)霍爾元件，轉(zhuǎn)盤隨軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，霍爾元件受到磁鋼所產(chǎn)生的磁場影響，輸出脈沖信號。傳感器內(nèi)置電路對該信號進(jìn)行放大、整形，輸出良好的矩形脈沖信號，測量頻率范圍更寬，輸

7、出信號更精確穩(wěn)定，已在工業(yè)，汽車，航空等測速領(lǐng)域中得到廣泛的應(yīng)用。其頻率和轉(zhuǎn)速成正比，測出脈沖的周期或頻率即可計(jì)算出轉(zhuǎn)速。 2、霍爾傳感器的特性:半導(dǎo)體磁敏傳感器是利用半導(dǎo)體材料中的自由電子和空穴隨磁場而改變其運(yùn)動(dòng)方向這一特性制成的，按其結(jié)構(gòu)可分為體型和結(jié)型兩大類。體型的主要有霍爾傳感器（材料主要是InSb、InAs、Ge、Si、GaAs）和磁敏電阻（材料主要有InSb、InAs），結(jié)型的主要有磁敏二極管（材料主要是Ge、Si）和磁敏三極管（材料主要是Si）?；魻杺鞲衅魇且环N基于霍爾效應(yīng)的磁傳感器?；魻栃?yīng)自1879年被美國物理學(xué)家愛德文·霍爾發(fā)現(xiàn)至今已有100多年的歷史，但直到20

8、世紀(jì)50年代，由于微電子學(xué)的發(fā)展，才被重視和開發(fā)，現(xiàn)在，已發(fā)展成一個(gè)品牌多樣的傳感器產(chǎn)品族，并得到廣泛的應(yīng)用。霍爾傳感器可以檢測磁場及其變化，可在各種與磁場相關(guān)的場合中應(yīng)用?；魻杺鞲衅骶哂性S多優(yōu)點(diǎn)，其結(jié)構(gòu)牢固，體積小，質(zhì)量輕，壽命長，安裝方便，功能消耗小，頻率高，耐震動(dòng)，不怕灰塵，油污，水汽及鹽霧等的污染或腐蝕?；魻杺鞲衅骺芍苯佑糜跈z測磁場或磁特性，也可以通過在被檢對象上人為設(shè)置的磁場，來檢測許多非電、非磁的物理量，例如力、力矩、壓力、應(yīng)力、位置、位移、速度、加速度、角度、角速度、轉(zhuǎn)數(shù)、轉(zhuǎn)速以及工作狀態(tài)發(fā)生變化的時(shí)間等，還可轉(zhuǎn)換成電量來進(jìn)行檢測和控制。圖2.2 霍爾元件的原理結(jié)構(gòu)圖2.3 光電

9、式速度傳感器概述 光電式速度傳感器將速度的變化轉(zhuǎn)變成光通量的變化，在通過光電轉(zhuǎn)換元件將光通量的變化轉(zhuǎn)換成電量變化，光電轉(zhuǎn)換元件的工作原理是光電效應(yīng)。光電效應(yīng)是指用光照射某一物體，可以看作是一連串帶有一定能量為的光子轟擊在這個(gè)物體上，此時(shí)光子能量就傳遞給電子，并且是一個(gè)光子的全部能量一次性地被一個(gè)電子所吸收，電子得到光子傳遞的能量后其狀態(tài)就會發(fā)生變化，從而使受光照射的物體產(chǎn)生相應(yīng)的電效應(yīng)可以分為三部分外光電效應(yīng)、內(nèi)光電效應(yīng)、光生伏特效應(yīng)。2.3.1速度檢測的原理 它是由裝在軸上的帶孔或縫隙的旋轉(zhuǎn)盤，光源，光接收器等組成，輸入軸與被測軸相連接。光源發(fā)出的光通過縫隙旋轉(zhuǎn)盤照射到光敏器件上，使光敏器件

10、感光并產(chǎn)生電脈沖。轉(zhuǎn)軸連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，光敏器件就輸出一系列與轉(zhuǎn)速及帶縫隙旋轉(zhuǎn)盤上縫隙數(shù)成正比的電脈沖數(shù)。在指示縫隙數(shù)一定的情況下，該脈沖數(shù)和轉(zhuǎn)速成正比。光電式速度傳感器原理圖 左圖 光線被遮住，接收器無信號 右圖 光線未被遮住，接收器有信號當(dāng)帶縫隙的旋轉(zhuǎn)盤隨被測軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，由于圓盤上的縫隙間距與指示縫隙的相同，因此帶縫隙旋轉(zhuǎn)盤每轉(zhuǎn)一周，光敏器件輸出與之相等的電脈沖，根據(jù)測量時(shí)間內(nèi)的脈沖數(shù)N就可測出測速為 n=60N/Zt，式中，Z為帶縫隙旋轉(zhuǎn)盤上的縫隙數(shù)：n為轉(zhuǎn)速。2.3.2 脈沖信號調(diào)理電路由光電傳感器輸出的電信號一般還要經(jīng)過相應(yīng)放大和整形調(diào)理電路處理以達(dá)到一般數(shù)字電路能識別的矩形脈沖。采用施密特觸

11、發(fā)器在脈沖的產(chǎn)生和整形電路中應(yīng)用很廣。施密特觸發(fā)器是一種能夠把輸入波形整形成為適合于數(shù)字電路需要的矩形脈沖的電路。同時(shí)該觸發(fā)器具有脈沖幅度鑒別且具有很好的抗干擾性。下圖為輸入輸出整形電路； 整形輸入輸出電路上圖可知通過施密特觸發(fā)器輸出的波形具有很好的方波脈沖特性，所以經(jīng)過放大整形電路后信號再傳給頻率計(jì)或者單片機(jī)內(nèi)部的計(jì)數(shù)器通過一系列的數(shù)據(jù)運(yùn)算就可以求得速度參數(shù)值了。 2.3.3 光電式傳感器速度檢測的優(yōu)越特性 光電速度傳感器為非接觸式轉(zhuǎn)速表光電速度傳感器采用光學(xué)原理制造，屬于非接觸式速度測量儀表，它的測量距離一般可達(dá)200mm左右。光電轉(zhuǎn)速傳感器的測量無需與被測量對象接觸，不會對被測量軸形成額

12、外的負(fù)載，因此光電速度傳感器的測量誤差更小，精度更高。 光電速度傳感器的結(jié)構(gòu)緊湊光電速度傳感器的結(jié)構(gòu)緊湊，主要由投射光線部件、接收光線部件也就是光敏元件和放大元件等組成，因此光電速度傳感器的體積設(shè)計(jì)小巧、內(nèi)部結(jié)構(gòu)精致，非常便于使用者的攜帶、安裝和使用。 光電速度傳感器的抗干擾性好光電速度傳感器多采用LED作為光線投射部件，極少會出現(xiàn)光線停頓的情況，也不會存在燈泡燒毀等故障危險(xiǎn)。另外，光電速度傳感器的光源都是經(jīng)過特殊方式調(diào)制的，有極強(qiáng)的抗干擾能力，不會受普通光線的干擾。 光電速度傳感器的測量能力好光電速度傳感器的可采用光纖封裝，可于測量微小的物體，特別是微小旋轉(zhuǎn)體的測量，特別適用于高精密、小元件

13、的機(jī)械設(shè)備測量。光電速度傳感器的運(yùn)行穩(wěn)定，有良好的可靠性，測量的精度較高，能滿足使用者的測量要求。2.3.4 光電式速度傳感器應(yīng)用及發(fā)展前景 光電速度傳感器由于非接觸、性能高等優(yōu)點(diǎn)，在測量速度時(shí)對被測物體損害小，所以其在測量領(lǐng)域有著舉足輕重的地位。比如現(xiàn)在很多電動(dòng)車以及汽車都是采用光電來檢測當(dāng)前的行駛速度，從而及時(shí)通過顯示器很直觀顯示給用戶。其實(shí)車速傳感器種類很多，但是當(dāng)車速高于100km/h時(shí)，一般其他傳感器測量的方法誤差較大，需采用非接觸式光電速度傳感器，測速范圍0.5250km/h，重復(fù)精度0.1%，距離測量誤差優(yōu)于0.3%。除了汽車速度里程表會涉及到光電式速度傳感器，汽車發(fā)動(dòng)機(jī)也會用到

14、傳感器。近年來生產(chǎn)的DF4型機(jī)車都采用光電式速度傳感器代測速交流電機(jī)軸光電式速度傳感器產(chǎn)生信號供列車監(jiān)控記錄裝置，軸產(chǎn)生的速度信號供機(jī)車雙針?biāo)俣缺?、?lì)磁調(diào)節(jié)器、輪緣涂油器。這主要是因?yàn)楣怆娛剿俣葯z測具有高精度、抗震動(dòng)和檢修方便等優(yōu)點(diǎn)。現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化設(shè)備越來越多，其中多電機(jī)的檢測也十分普遍，其中用光電式傳感器對電機(jī)以及柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速檢測也十分常見，現(xiàn)在很多電控柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速參數(shù)檢測看重此傳感器的線性度好、分辨率高、噪音小等優(yōu)點(diǎn)而被選用。同時(shí)光電速度傳感器還和其他系統(tǒng)相互組成發(fā)展新興的產(chǎn)品設(shè)備，現(xiàn)在采用光電式速度傳感器和數(shù)據(jù)預(yù)處理電路及微機(jī)多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成的車輛道路性能檢測器，可以為交通部門提

15、供方便、便捷、準(zhǔn)確、高效的車輛外場路面行駛性能檢測和新型車輛性能測試，是一種先進(jìn)的車輛性能虛擬測試系統(tǒng)。它不僅能測量速度，也可以檢測加速度，距離、車輛制動(dòng)等多種性能。且這種儀器經(jīng)過使用，具有測量速度快、精確、功能擴(kuò)展性好、性價(jià)比高、能夠適用各種機(jī)動(dòng)車輛性能測量。同時(shí)，光電式非接觸傳感器還可以測量鋼板、編織等連續(xù)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的高精度測速度和測長。 在高速發(fā)展社會，人們對各類控制裝置技術(shù)要求越來越高。由于現(xiàn)在自動(dòng)化程度、光電技術(shù)以及傳感器檢測技術(shù)迅速發(fā)展，加上現(xiàn)在對速度檢測也愈發(fā)重要。這就推動(dòng)了光電式速度檢測的研究與發(fā)展了。目前光電式速度傳感器除了傳統(tǒng)意義上的速度檢測還主要朝著多用途、新型傳感器材料、

16、創(chuàng)新傳感技術(shù)的開發(fā)、應(yīng)對惡劣環(huán)境條件下工作如高溫、高壓等；還有低成本傳感器的開發(fā)以及傳感器與其他微技術(shù)相結(jié)合應(yīng)用的發(fā)展。所以，以后不管是速度檢測還是其他物理量檢測的光電式傳感器以后發(fā)展前景非常好，應(yīng)用將更加廣泛。2.4系統(tǒng)工作原理及處理方法系統(tǒng)工作原理：轉(zhuǎn)速是工程上一個(gè)常用的參數(shù)，旋轉(zhuǎn)體的轉(zhuǎn)速常以每分鐘的轉(zhuǎn)數(shù)來表示。其單位為 rmin。由霍爾元件及外圍器件組成的測速電路將電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換成脈沖信號，送至單片機(jī)STC89C51的計(jì)數(shù)器 T0進(jìn)行計(jì)數(shù)，用T1定時(shí)測出電動(dòng)機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速。此系統(tǒng)使用單片機(jī)進(jìn)行測速，采用脈沖計(jì)數(shù)法，使用霍爾傳感器獲得脈沖信號。其機(jī)械結(jié)構(gòu)也可以做得較為簡單，只要在轉(zhuǎn)軸的圓盤上

17、粘上兩粒磁鋼，讓霍爾傳感器靠近磁鋼，機(jī)軸每轉(zhuǎn)一周，產(chǎn)生兩個(gè)脈沖，機(jī)軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，就會產(chǎn)生連續(xù)的脈沖信號輸出。由霍爾器件電路部分輸出，成為轉(zhuǎn)速計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)脈沖?？刂朴?jì)數(shù)時(shí)間，即可實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值對應(yīng)機(jī)軸的轉(zhuǎn)速值。單片機(jī)CPU將該數(shù)據(jù)處理后，通過LCD顯示出來。發(fā)動(dòng)機(jī)單片機(jī) 傳感器 整形電路支架 信號盤 GND 轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)安裝圖 處理方法:測速實(shí)際上就是測頻，通?？梢杂糜?jì)數(shù)法、測脈寬法和等精度法來進(jìn)行測試。所謂計(jì)數(shù)法，就是給定一個(gè)閘門時(shí)間，在閘門時(shí)間內(nèi)計(jì)數(shù)輸入的脈沖個(gè)數(shù)；測脈寬法是利用待測信號的脈寬來控制計(jì)數(shù)門，對一個(gè)高精度的高頻計(jì)數(shù)信號進(jìn)行計(jì)數(shù)。由于閘門與被測信號不能同步，因此，這兩種方法都存在

18、±1誤差的問題，第一種方法適用于信號頻率高時(shí)使用，第二種方法則在信號頻率低時(shí)使用。等精度法則對高、低頻信號都有很好的適應(yīng)性。此系統(tǒng)采用計(jì)數(shù)法測速。單片機(jī)STC89C52內(nèi)部具有 2 個(gè) 16 位定時(shí)/計(jì)數(shù)器 ,定時(shí)/計(jì)數(shù)器的工作可以由編程來實(shí)現(xiàn)定時(shí)、計(jì)數(shù)和產(chǎn)生計(jì)數(shù)溢出中斷要求的功能。在構(gòu)成為定時(shí)器時(shí),每個(gè)機(jī)器周期加 1(使用12MHz 時(shí)鐘時(shí),每 1us 加 1),這樣以機(jī)器周期為基準(zhǔn)可以用來測量時(shí)間間隔。在構(gòu)成為計(jì)數(shù)器時(shí),在相應(yīng)的外部引腳發(fā)生從 1 到 0 的跳變時(shí)計(jì)數(shù)器加1,這樣在計(jì)數(shù)閘門的控制下可以用來測量待測信號的頻率。3 霍爾傳感器測轉(zhuǎn)速系統(tǒng)的單元電路介紹3.1 單片機(jī)的介

19、紹本設(shè)計(jì)采用STC89C52芯片，芯片采用40腳雙列直插式封裝，32個(gè)I/O口，芯片工作電壓3.85.5V，工作溫度070°C（商業(yè)級），工作頻率可高達(dá)30MHz，芯片的外形和引腳見下圖（2） 圖（2） STC89C52外形和引腳圖STC89C52 是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有 8K 在系統(tǒng)可編程Flash 存儲器。使用高密度非易失性存儲器技術(shù)制造，與工業(yè)80C51 產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。片上Flash允許程序存儲器在系統(tǒng)可編程，亦適于常規(guī)編程器。在單芯片上，擁有靈巧的8 位CPU 和在線系統(tǒng)可編程Flash，使得STC89C52為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活

20、、超有效的解決方案。 STC89C52具有以下標(biāo)準(zhǔn)功能： 8k字節(jié)Flash，256字節(jié)RAM， 32 位I/O 口線，看門狗定時(shí)器，2 個(gè)數(shù)據(jù)指針，三個(gè)16 位 定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，一個(gè)6向量2級中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口，片內(nèi)晶振及時(shí)鐘電路。另外，STC89C52可降至0Hz靜態(tài)邏輯操作，支持2種軟件可選擇節(jié)電模式?？臻e模式下，CPU 停止工作，允許RAM、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護(hù)方式下，RAM內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機(jī)一切工作停止，直到下一個(gè)中斷或硬件復(fù)位為止。8 位微控制器 8K字節(jié)在系統(tǒng)可編程 Flash。P0P3口結(jié)構(gòu)，第一功能、第二功能請參考數(shù)據(jù)手冊（STC89

21、C52數(shù)據(jù)手冊下載地址）。其基本結(jié)構(gòu)框圖如圖3.1，包括：·一個(gè)8位CPU；·4KB ROM；·128字節(jié)RAM數(shù)據(jù)存儲器；·26個(gè)特殊功能寄存器SFR；· 4個(gè)8位并行I/O口，其中P0、P2為地址/數(shù)據(jù)線，可尋址64KB ROM或64KB RAM；·一個(gè)可編程全雙工串行口；·具有5個(gè)中斷源，兩個(gè)優(yōu)先級，嵌套中斷結(jié)構(gòu)；·兩個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器； ·一個(gè)片內(nèi)震蕩器及時(shí)鐘電路；計(jì)數(shù)脈沖輸入 T0 T1特殊功能寄存器SFR 128字節(jié)RAM定時(shí)/計(jì)數(shù)器 T0、T1時(shí)鐘源4K ROM（EPROM）（8031無

22、）中斷系統(tǒng)串行接口并行I/O接口CPU P0 P1 P2 P3 TXD RXD 中斷輸入圖3.1 STC89C52單片機(jī)結(jié)構(gòu)框圖STC89C52系列單片機(jī)中HMOS工藝制造的芯片采用雙列直插(DIP)方式封裝,有40個(gè)引腳。STC89C52單片機(jī)40條引腳說明如下:（1）電源引腳。V正常運(yùn)行和編程校驗(yàn)(8051/8751)時(shí)為5V電源,V為接地（2）I/O總線。P- P（P0口），P- P（P1口），P- P（P2口），P- P（P3口）為輸入/輸出引線。（3）時(shí)鐘。XTAL1：片內(nèi)震蕩器反相放大器的輸入端。XTAL2：片內(nèi)震蕩器反相放器的輸出端，也是內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器的輸入端。（4）控制總線。由

23、P3口的第二功能狀態(tài)和4根獨(dú)立控制線RESET、EA、ALE、PSEN組成。值得強(qiáng)調(diào)的是，P3口的每一條引腳均可獨(dú)立定義為第一功能的輸入輸出或第二功能。如表3.1所示。P3口引腳及線號引腳第二功能P3.0 (10)RXD串行輸入口P3.1 (11)TXD串行輸出口P3.2 (12)INT0外部中斷0P3.3 (13)INT1外部中斷1P3.4  (14)T0定時(shí)器0外部輸入P3.5 (15)T1定時(shí)器1外部輸入P3.6 (16)WR外部數(shù)據(jù)存儲器寫脈沖P3.7 (17)RD外部數(shù)據(jù)存儲器讀脈沖表3.1 P3口線的第二功能定義：STC89C52單片機(jī)的片外總線結(jié)構(gòu)： 地址總線

24、（AB）：地址總線寬為16位，因此，其外部存儲器直接尋址為64K字節(jié)，16位地址總線由P0口經(jīng)地址鎖存器提供8位地址（A0至A7）；P2口直接提供8位地址（A8至A15）。 數(shù)據(jù)總線（DB）：數(shù)據(jù)總線寬度為8位，由P0提供。 控制總線（CB）：由P3口的第二功能狀態(tài)和4根獨(dú)立控制線RESET、EA、ALE、PSEN組成。3.2 脈沖產(chǎn)生電路設(shè)計(jì)LM358內(nèi)部包括有兩個(gè)獨(dú)立的、高增益、內(nèi)部頻率補(bǔ)償?shù)碾p運(yùn)算放大器，適合于電源電壓范圍很寬的單電源使用，也適用于雙電源工作模式，在推薦的工作條件下，電源電流與電源電壓無關(guān)。它的使用范圍包括傳感放大器、直流增益模塊和其他所有可用單電源供

25、電的使用運(yùn)算放大器的場合。    LM358的封裝形式有塑封8引線雙列直插式和貼片式。特性:· 內(nèi)部頻率補(bǔ)償 · 直流電壓增益高(約100dB) · 單位增益頻帶寬(約1MHz) · 電源電壓范圍寬：單電源(330V)· 雙電源(±1.5一±15V) · 低功耗電流，適合于電池供電 · 低輸入偏流 · 低輸入失調(diào)電壓和失調(diào)電流 · 共模輸入電壓范圍寬，包括接地 · 差模輸入電壓范圍寬，等于電源電壓范圍 · 輸出電壓擺幅大(0至

26、Vcc-1.5V)如圖3.2所示，信號預(yù)處理電路為系統(tǒng)的前級電路，其中霍爾傳感元件b,d為兩電源端，d接正極，b接負(fù)極；a,c兩端為輸出端，安裝時(shí)霍爾傳感器對準(zhǔn)轉(zhuǎn)盤上的磁鋼,當(dāng)轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)時(shí)，從霍爾傳感器的輸出端獲得與轉(zhuǎn)速率成正比的脈沖信號，傳感器內(nèi)置電路對該信號進(jìn)行放大、整形，輸出良好的矩形脈沖信號，圖中LM358部分為過零整形電路使輸入的交變信號更精確的變換成規(guī)則穩(wěn)定的矩形脈沖，便于單片機(jī)對其進(jìn)行計(jì)數(shù)。 b cHda圖3.2 信號預(yù)處理電路3.3 霍爾傳感器選型霍爾效應(yīng)自1879年被美國物理學(xué)家愛德文·霍爾發(fā)現(xiàn)至今已有100多年的歷史，但直到20世紀(jì)50年代，由于微電子學(xué)的發(fā)展，才被

27、重視和開發(fā)，現(xiàn)在，已發(fā)展成一個(gè)品牌多樣的傳感器產(chǎn)品族，并得到廣泛的應(yīng)用?；魻杺鞲衅魇菍Υ琶舾械膫鞲性纱配?、霍耳元件等組成。測量系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速傳感器選用OH137的霍爾傳感器。 3.4 開關(guān)霍爾傳感器的性能分析OH137霍爾開關(guān)電路是為了適用客戶低成本高性能要求開發(fā)生產(chǎn)的系列產(chǎn)品，其應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，性能可靠穩(wěn)定。電路內(nèi)部由反向電壓保護(hù)器、電壓調(diào)整器，霍爾電壓發(fā)生器，差分放大器，史密特觸發(fā)器和集電極開路輸出級組成，能將變化的磁場訊號轉(zhuǎn)換成數(shù)字電壓輸出。產(chǎn)品特點(diǎn)：產(chǎn)品一致性好、靈敏度可按照客戶要求定制、電路可和各種邏輯電路直接接口可實(shí)現(xiàn)功能：無觸點(diǎn)開關(guān)、位置檢測、速度檢測、流量檢測典型應(yīng)用領(lǐng)域：直流

28、無刷電機(jī)、家用電器、縫紉設(shè)備、紡織機(jī)械、編碼器、安全報(bào)警裝置等自動(dòng)化控制領(lǐng)域極限參數(shù)：（TA=25）電源電壓VCC···························4.5-24V 輸出負(fù)載電流IO···········

29、;········25mA工作溫度范圍TA ···············-4085 貯存溫度范圍TS ················-55150電特性：TA=25參 數(shù)符號測試條件量 值單位最小典型最大電源

30、電壓VCC4.5-24V輸出低電平電壓VOLVcc=4.5V, RL=2K，BBOP-200400mV輸出漏電流IOHVout=Vccmax，BBRP-0.110A電源電流ICCVCC=Vccmax OC開路-35mA輸出上升時(shí)間trVcc=12V, RL=820, CL=20pF-0.121.20S輸出下降時(shí)間tfVcc=12V, RL=820, CL=20pF-0.141.40S磁特性： (VCC=4.524V) 1mT=10GS參 數(shù)符號量 值單 位最小典型最大工作點(diǎn)BOP-18mT釋放點(diǎn)BRP2-mT回 差BH6-8mT管腿說明：1.電源 2. 地 3.輸出使用注意：1）安裝時(shí)要盡量減

31、小施加到電路外殼或引線上的機(jī)械應(yīng)力。2）焊接溫度要低于260，時(shí)間小于3秒。3）電路為OC輸出，需要在1、3腿（電源與輸出）之間加一上拉電阻。上拉電阻的阻值與工作電壓、通過電路的電流有關(guān)。測試電路：VoutVcc=5VRLRL=820CL=20 pFCL功能方框圖：REGmAMPPin1.VCCPin3.VoutPin2.GNDBHBRPBOPBVOHVOL0磁電轉(zhuǎn)換特性：外型尺寸圖：3.5 系統(tǒng)顯示電路介紹晶顯示部分：顯示部分有兩個(gè)功能，在正常情況下，通過液晶顯示當(dāng)前轉(zhuǎn)速值，當(dāng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速超過設(shè)定值通過蜂鳴器進(jìn)行報(bào)警。其硬件和連線顯示圖如下圖：處理器部分 處理器采用的是單片機(jī)，對霍爾傳感器的脈

32、沖進(jìn)行處理，并將結(jié)果送給顯示器。其程序如附錄。報(bào)警部分 報(bào)警部分采用蜂鳴器，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速超過設(shè)定值時(shí)，處理器就會將蜂鳴器驅(qū)動(dòng)發(fā)出警報(bào)。3.5.2 LCD顯示電路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x-2所示：圖x-2 1602LCD尺寸圖顯示電路選擇液晶顯示屏LCD6102，1602字符型LCD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)，其控制原理與14腳的LCD完全一樣。（1）1602LCD主要技術(shù)參數(shù)顯示容量為16

33、5;2個(gè)字符；芯片工作電壓為4.55.5V；工作電流為2.0mA（5.0V）；模塊最佳工作電壓為5.0V；字符尺寸為2.95×4.35（W×H）mm。其引腳說明如表3.10，寄存器選擇與控制編碼如表3.11 表3.10 1602字符型LCD顯示器管腳功能引腳符號功能說明1VSS一般接地2VDD接電源（+5V）3V0液晶顯示器對比度調(diào)整端，接正電源時(shí)對比度最弱，接地電源時(shí)對比度最高（對比度過高時(shí)會產(chǎn)生“鬼影”，使用時(shí)可以通過一個(gè)10K的電位器調(diào)整對比度）。4RSRS為寄存器選擇，高電平1時(shí)選擇數(shù)據(jù)寄存器、低電平0時(shí)選擇指令寄存器。5R/WR/W為讀寫信號線，高電平(1)時(shí)進(jìn)行

34、讀操作，低電平(0)時(shí)進(jìn)行寫操作。6EE(或EN)端為使能(enable)端，下降沿使能。7DB0底4位三態(tài)、 雙向數(shù)據(jù)總線 0位（最低位）8DB1底4位三態(tài)、 雙向數(shù)據(jù)總線 1位9DB2底4位三態(tài)、 雙向數(shù)據(jù)總線 2位10DB3底4位三態(tài)、 雙向數(shù)據(jù)總線 3位11DB4高4位三態(tài)、 雙向數(shù)據(jù)總線 4位12DB5高4位三態(tài)、 雙向數(shù)據(jù)總線 5位13DB6高4位三態(tài)、 雙向數(shù)據(jù)總線 6位14DB7高4位三態(tài)、 雙向數(shù)據(jù)總線 7位（最高位）（也是busy flag）15BLA背光電源正極16BLK背光 電源負(fù)極表3.11 寄存器選擇控制編碼 RSR/W操作說明00寫入指令寄存器（清除屏等）01讀b

35、usy flag（DB7），以及讀取位址計(jì)數(shù)器（DB0DB6）值10寫入數(shù)據(jù)寄存器（顯示各字型等）11從數(shù)據(jù)寄存器讀取數(shù)據(jù)1602液晶顯示模塊內(nèi)部的字符發(fā)生存儲器（CGROM)中已經(jīng)存儲了160個(gè)不同的點(diǎn)陣字符圖形，這些字符有：阿拉伯?dāng)?shù)字、英文字母的大小寫、常用的符號、和日文假名等，每一個(gè)字符都有一個(gè)固定的代碼，比如大寫的英文字母“A”的代碼是01000001B（41H），顯示時(shí)模塊把地址41H中的點(diǎn)陣字符圖形顯示出來，就可以在顯示屏上看到字母“A”。 1602識別的是ASCII碼，試驗(yàn)可以用ASCII碼直接賦值，在單片機(jī)編程中還可以用字符型常量或變量賦值，如'A。 （2）控制器接口說

36、明基本操作時(shí)序見表3.12 表3.12 基本操作時(shí)序讀狀態(tài)輸入RS=L，R/W=H，E=H輸出D0D7=狀態(tài)字寫指令輸入RS=L，R/W=L，D0D7=指令碼，E=高脈沖輸出無讀數(shù)據(jù)輸入RS=H，R/W=H，E=H輸出D0D7=數(shù)據(jù)寫數(shù)據(jù)輸入RS=H，R/W=L，D0D7=數(shù)據(jù)，E=高脈沖輸出無對此液晶操作主要有以下幾種方法：寫命令（包括但不限于初始化、調(diào)節(jié)顯示位置、清除顯示）寫數(shù)據(jù) (把一個(gè)字符的ASC 碼寫入液晶使其顯示)讀忙信號（液晶乃低速設(shè)備，每次操作前應(yīng)該測試忙信號，確定其不忙時(shí)再操作）（3）1602LCD的指令碼（命令碼）此液晶上電的時(shí)候需要初始化 典型的指令碼是38H，也就是上電

37、的時(shí)候需要調(diào)用函數(shù)void write_cmd(unsigned char command)寫指令碼，即write_cmd(0x38);執(zhí)行完這個(gè)函數(shù)可以把液晶初始化成16x2 顯示5x7 的點(diǎn)陣8 位總線接口。此液晶支持的指令碼如表3.13所示，控制液晶是否顯示，光標(biāo)是否顯示，光標(biāo)是否閃爍的指令如表3.14所示，控制寫字符，光標(biāo)或屏幕移動(dòng)方向的指令如表3.15所示，移動(dòng)光標(biāo)的指令如表3.16所示。 表3.13 指令碼說明 指令碼功能00001DCBD=1 開顯示；D=0 關(guān)顯示C=1 顯示光標(biāo)；C=0 不顯示光標(biāo)B=1 光標(biāo)閃爍；B=0 光標(biāo)不顯示000001NSN=1 當(dāng)讀或?qū)懸粋€(gè)字符后地

38、址指針加一，且光標(biāo)加一N=0 當(dāng)讀或?qū)懸粋€(gè)字符后地址指針減一，且光標(biāo)減一S=1 當(dāng)寫一個(gè)字符，整屏顯示左移（N=1） 或右移（N=0），以得到光標(biāo)不移動(dòng)而屏幕移動(dòng)的效果。S=1 當(dāng)寫一個(gè)字符，整屏顯示不移動(dòng)表3.14 控制液晶顯示指令碼0000100008H關(guān)液晶顯示 光標(biāo)不閃爍 不顯示光標(biāo)位置0000100109H關(guān)液晶顯示 光標(biāo)不閃爍 顯示光標(biāo)位置000010100AH關(guān)液晶顯示 光標(biāo)不閃爍 不顯示光標(biāo)位置000010110BH關(guān)液晶顯示 光標(biāo)不閃爍 顯示光標(biāo)位置000011000CH開液晶顯示 光標(biāo)不閃爍 不顯示光標(biāo)位置000011010DH開液晶顯示 光標(biāo)不閃爍 顯示光標(biāo)位置00001

39、1100EH開液晶顯示 光標(biāo)不閃爍 不顯示光標(biāo)位置000011110FH開液晶顯示 光標(biāo)不閃爍 顯示光標(biāo)位置表3.15 寫完字符、光標(biāo)或屏幕移動(dòng)方向指令碼指令碼功能80H+地址碼（0-27H，40H-67H）設(shè)置數(shù)據(jù)地址指針表3.16 移動(dòng)光標(biāo)指令碼這是虛擬的液晶顯示圖 表示2 行16 列顯示 方框中的數(shù)字表示當(dāng)前位置的指針80H81H82H83H84H85H86H87H88H89H8AH8BH8CH8DH8EH8FHC0HC1HC2HC3HC4HC5HC6HC7HC8HC9HCAHCBHCCHCDHCEHCFH指令碼功能01H顯示清屏：1.數(shù)據(jù)指針清零 2.所有顯示清零02H顯示回車：1數(shù)據(jù)

40、指針清零4.數(shù)碼管顯示和液晶顯示的利弊 液晶顯示材料具有明顯的優(yōu)點(diǎn)：驅(qū)動(dòng)電壓低、功耗微小、可靠性高、顯示信息量大、無閃爍、對人體無危害、生產(chǎn)過程自動(dòng)化、成本低廉、可以制成各種規(guī)格和類型的液晶顯示器，便于攜帶等。但是需要有背光照明，且可視角度有限制。 1602采用并口傳輸，速度快。數(shù)碼管，沒有驅(qū)動(dòng)要加CD4511等外加電路。1602內(nèi)部集成有顯示芯片，可以識別英文字母、阿拉伯?dāng)?shù)字，優(yōu)點(diǎn)：亮度高，顯示大。驅(qū)動(dòng)部份的軟件簡單。 發(fā)光二極管響應(yīng)速度可以達(dá)到納秒級，也可以用作顯示，比如點(diǎn)陣，但是分辨率稍低于液晶材料。因?yàn)槠涔β瘦^大，可以用于照明，大量發(fā)光二極管用作照明時(shí)，要做好散熱設(shè)計(jì)。 數(shù)碼管實(shí)際就是

41、做成了具體顯示形式的發(fā)光二極管，可以顯示某些預(yù)先設(shè)置的圖像，顯示成本低于發(fā)光二極管點(diǎn)陣，但是顯示內(nèi)容基本固定。數(shù)碼管顯示內(nèi)容單一，液晶則比較豐富；數(shù)碼管一般就是一個(gè)7段的8字，液晶可以顯示各種內(nèi)容。數(shù)碼管是自發(fā)光的，液晶是靠背光(環(huán)境)的。數(shù)碼管是LED發(fā)光的效果，液晶是分子偏轉(zhuǎn)引起的暗影效果。數(shù)碼管比液晶耗電。5 基于霍爾傳感器的硬件電路設(shè)計(jì)霍爾傳感器測速原理圖其測量過程大致是：測量轉(zhuǎn)速的霍爾傳感器和電機(jī)軸同軸相連，并在機(jī)軸上安裝一個(gè)小磁鐵，機(jī)軸每轉(zhuǎn)一圈，與霍爾傳感器就接觸一次，霍爾傳感器感應(yīng)磁場的變化通過上拉電阻在輸出口會產(chǎn)生一個(gè)低電平，并送給單片機(jī)，相應(yīng)的發(fā)光二極管就會發(fā)亮，單片機(jī)IO口

42、檢測到下降沿觸發(fā)中斷，通過控制計(jì)數(shù)的時(shí)間，即可實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值對應(yīng)機(jī)軸的轉(zhuǎn)速值。單片機(jī)將該值處理后，在液晶顯示器顯示出來。一旦超速，單片機(jī)就會同過蜂鳴器發(fā)出報(bào)警?？傮w硬件電路圖和PCB圖如下圖所示：5 基于霍爾傳感器測轉(zhuǎn)速系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)5.1 軟件流程圖本設(shè)計(jì)軟件主要為主程序、數(shù)據(jù)處理顯示程序、定時(shí)器中斷服務(wù)程序三個(gè)部分。（1）主程序主要完成初始化功能，包括LED顯示的初始化，中斷的初始化，定時(shí)器的初始化，寄存器、標(biāo)志位的初始化等。主程序流程圖如圖5所示。（2）數(shù)據(jù)處理顯示模塊程序。此模塊中單片機(jī)對在1秒內(nèi)的計(jì)數(shù)值進(jìn)行處理，轉(zhuǎn)換成r/min送顯示緩存以便顯示。具體算法如下:設(shè)單片機(jī)每秒計(jì)數(shù)到

43、n個(gè)值，即n/2 (r/s)(圓盤貼兩個(gè)磁鋼)。則n/2 (r/s)=30n(r/min)。即只要將計(jì)數(shù)值乘以30便可得到每分鐘電機(jī)的轉(zhuǎn)速。數(shù)據(jù)處理顯示模塊流程圖如圖6所示。開始LCD顯示緩存初始化調(diào)用顯示子程序調(diào)用數(shù)據(jù)處理程序LCD顯示初始化定時(shí)器中斷初始化時(shí)鐘寄存器初始化秒標(biāo)志位flag=1返回送顯示緩沖器轉(zhuǎn)速的16進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成10進(jìn)制BCD碼處理轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)換成r/min圖5-1 主程序流程圖 圖5.2 數(shù)據(jù)處理顯示模塊流程圖 （3）定時(shí)器1中斷服務(wù)程序設(shè)計(jì)。定時(shí)器1完成計(jì)時(shí)功能，定時(shí)50ms，進(jìn)行定時(shí)中斷計(jì)數(shù)并每隔1s更新一次顯示數(shù)據(jù)。流程圖如圖7所示。重置定時(shí)初值返回出?；謴?fù)讀取T1計(jì)數(shù)

44、值50ms計(jì)數(shù)標(biāo)志timecount加1入棧保護(hù)Timecount=120？YN圖5-4 定時(shí)器1中斷服務(wù)程序流程圖參考文獻(xiàn)1 何希才，傳感器及其應(yīng)用實(shí)例，機(jī)械工業(yè)出版社，2003.82 李華.MCS-51系列單片機(jī)實(shí)用接口技術(shù)M.北京：北京航空航天大學(xué)出版社,1993,29-33.3 康華光，電子技術(shù)基礎(chǔ)（模擬部分），高教出版社，20034 余錫存,曹國華.單片機(jī)原理與接口技術(shù)M .西安：西安電子科技大學(xué)出版社,2000.75 河道清，張禾，諶海云，傳感器與傳感器技術(shù).科學(xué)出版社.2008年6月6譚浩強(qiáng).C程序設(shè)計(jì)（第二版）M.北京：清華大學(xué)出版社，19997 河道清，張禾，諶海云，傳感器與

45、傳感器技術(shù).科學(xué)出版社.2008年6月8 何希才,薛永毅.傳感器及其應(yīng)用實(shí)例M. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.19 謝嘉奎,宣月清,馮軍 .電子線路M. 北京：高等教育出版社，200410 胡斌 .圖表細(xì)說電子元器件M. 北京：電子工業(yè)出版社，2004.511 德克勞斯·貝伊特.電子元件M. 北京：科學(xué)出版社，1999.8附錄:#include <reg51.h>#include <stdio.h>#include <intrins.h>#define uchar unsigned char#define uint unsigned intvoid delay(uint ms) uint i,j; /為延時(shí)引入i,j兩參數(shù) for (j=0;j<ms;j+) /延時(shí)第一循環(huán) for (i=0;i<120;i+) ; /延時(shí)第二循環(huán) /*-*/ /*-向LCD1602寫命令-*/ void write_command(uchar command) rs=0; /選擇寫命令 rw=0; P0