霍爾傳感器課程設(shè)計(jì)

1、吉林建筑工程學(xué)院電氣與電子信息工程學(xué)院傳感器及檢測技術(shù)課程設(shè)計(jì)報(bào)告設(shè)計(jì)題目: 霍爾元件小車測速系統(tǒng)設(shè)計(jì)專業(yè)班級: 電子信息科學(xué)與技術(shù)081班學(xué)生姓名: 趙越學(xué) 號: 10308105指導(dǎo)教師: 王 超 吳鶴君目 錄教師評語:成績 評閱教師 日期1 緒論 (11.1設(shè)計(jì)任務(wù) (11.2方案分析論證 (12 基于霍爾傳感器的電機(jī)轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) (22.1電機(jī)轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì) (22.2霍爾傳感器測量電路設(shè)計(jì) (42.3單片機(jī)AT89C51 (82.4顯示電路設(shè)計(jì) (112.5系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) (143 系統(tǒng)仿真和調(diào)試 (163.1Proteus軟件 (163.2硬件調(diào)試 (173.3軟

2、件調(diào)試 (193.4軟硬件聯(lián)調(diào) (194 結(jié)論 (21參考文獻(xiàn) (22附錄硬件實(shí)物圖 (231 緒論1.1 設(shè)計(jì)任務(wù)通過傳感器及檢測技術(shù)課程設(shè)計(jì),掌握傳感器及檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)的方法和設(shè)計(jì)原則及相應(yīng)的硬件調(diào)試的方法。進(jìn)一步理解傳感器及檢測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用?；魻栐≤嚋y速系統(tǒng)設(shè)計(jì)1、霍爾元件測速系統(tǒng)設(shè)計(jì)霍爾傳感器一般由霍爾元件和磁鋼組成,當(dāng)霍爾元件和磁鋼相對運(yùn)動(dòng)時(shí),就會(huì)產(chǎn)生脈沖信號,根據(jù)磁鋼和脈沖數(shù)量就可以計(jì)算轉(zhuǎn)速,進(jìn)而求出車速?，F(xiàn)要求設(shè)計(jì)一個(gè)測量系統(tǒng),在小車的適當(dāng)位置安裝霍爾元件及磁鋼,使之具有以下功能:1LED數(shù)碼管顯示小車的行駛距離(單位:cm。2具有小車前進(jìn)和后退檢測功能,并用指示燈顯示。3

3、記錄小車的行駛時(shí)間,并實(shí)時(shí)計(jì)算小車的行駛速度。4距離測量誤差<2cm。5其它。1.2 方案分析論證方案一: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(jià)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(jià)格昂貴。因此選擇方案一。方案一:采用型號為AT89C51的單片機(jī)作為主控制器,使用霍爾傳感器進(jìn)行測量的直流電機(jī)轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)。AT89C51是帶4K字節(jié)閃爍可編程擦除只讀存儲(chǔ)器的低電壓、高性能CMOS8位微處理器。它將

4、多功能8位CPU和閃爍存儲(chǔ)器組合在單個(gè)芯片中,為許多控制提供了靈活性高且價(jià)格低廉的方案3。方案二:采用單片機(jī)C8051F060作為主控制器,使用霍爾傳感器進(jìn)行測量的直流電機(jī)轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)。C8051F060系列單片機(jī)是美國CYGNAL公司推出的一種與51系列單片機(jī)內(nèi)核兼容的單片機(jī)4。C8051F060作為新一代8051單片機(jī),具有功能強(qiáng)大、體積小、工作穩(wěn)定等特點(diǎn),適用于復(fù)雜控制系統(tǒng)。因此選擇方案一。方案一:采用LED數(shù)碼管動(dòng)態(tài)掃描,LED數(shù)碼管價(jià)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(dòng)電路復(fù)雜。方案二:采用點(diǎn)陣式數(shù)碼管顯示,點(diǎn)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

5、文字比較適合,如果顯示數(shù)字則浪費(fèi)資源,而且價(jià)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(qiáng)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(jì)中采用了LCD液晶顯示屏。因此選擇方案三。方案一:采用蜂鳴器與發(fā)光二極管作為聲光報(bào)警主要器件。該方案不論在硬件焊接方面還是在編寫軟件方面都簡單方便,而且成本低廉。方案二:采用語音播報(bào)系統(tǒng)作為聲光報(bào)警的核心。該方案更具人性化、智能化,但是就該設(shè)計(jì)要求而言,方案過于復(fù)雜,相對成本過高,工作量偏大。因此選擇方案一。方案一:采用交流220V/50Hz電源轉(zhuǎn)換為直流5V電源作為電源模塊。該方案實(shí)施簡單,電路搭建方便,可作

6、為單片機(jī)開發(fā)常備電源使用。方案二:采用干電池串并聯(lián)達(dá)到5V作為電源模塊。該方案實(shí)施簡單,無需搭建電路,但相對該方案不夠穩(wěn)定,電池耗電快,帶負(fù)載后壓降過高,可能無法使系統(tǒng)穩(wěn)定持續(xù)運(yùn)行。方案三:采用可充電鋰電池結(jié)合穩(wěn)壓模塊作為電源模塊。該方案簡單易行,而且相對穩(wěn)定、誤差小,但該方案相對價(jià)格過高,針對該設(shè)計(jì)要求性價(jià)比低。因此選擇方案一。2 基于霍爾傳感器的電機(jī)轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)2.1 電機(jī)轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)使用單片機(jī)測量電機(jī)轉(zhuǎn)速的基本結(jié)構(gòu)如圖2-1所示。該系統(tǒng)包括霍爾傳感器、隔離整形電路、主CPU、顯示電路、報(bào)警電路及電源等部分。 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

7、電機(jī)機(jī)軸同軸連接,機(jī)軸每轉(zhuǎn)一周,產(chǎn)生一定量的脈沖個(gè)數(shù),由霍爾器件電路輸出。經(jīng)過電耦合器后,即經(jīng)過隔離整形電路后,成為轉(zhuǎn)數(shù)計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)脈沖。同時(shí)霍爾傳感器電路輸出幅度為12V的脈沖經(jīng)光電耦合后降為5V,保持同單片機(jī)AT89C51邏輯電平相一致,控制計(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。主CPU將該值數(shù)據(jù)處理后,在LCD液晶顯示器上顯示出來。一旦超速,CPU 通過喇叭和轉(zhuǎn)燈發(fā)出聲、光報(bào)警信號。1.傳感器部分主要分為兩個(gè)部分。第一部分是利用霍爾器件將電機(jī)的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)化為脈沖信號。霍爾測速模塊由鐵質(zhì)的測速齒輪和帶有霍爾元件的支架構(gòu)成。測速齒輪如圖2-2所示,齒輪厚度大約2mm,將其固定在待測電

8、機(jī)的轉(zhuǎn)軸上。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(dāng)測速齒輪的每個(gè)齒經(jīng)過探頭正前方時(shí),改變了磁通密度,霍爾元件就輸出一個(gè)脈沖信號。第二部分是使用六反相器和光耦,將傳感器輸出的信號進(jìn)行整形隔離,減少計(jì)數(shù)的干擾。 測速齒輪霍爾元件圖2-2 轉(zhuǎn)速變換裝置2.處理器采用AT89C51單片機(jī)作為系統(tǒng)的處理器。3.顯示部分該部分有兩個(gè)功能,在正常情況下,通過LCD液晶顯示器顯示當(dāng)前的頻率數(shù)值,當(dāng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速超出一定的范圍后,通過蜂鳴器進(jìn)行報(bào)警。蜂鳴器是一種一體化結(jié)構(gòu)的電子訊響器,采用直流電壓供電,廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)、打印機(jī)、復(fù)印機(jī)、報(bào)警器、電子玩具、汽車電子設(shè)備、電話機(jī)、定時(shí)器等

9、電子產(chǎn)品中作發(fā)聲器件。實(shí)際測量時(shí),要把霍爾傳感器固定在直流測速電機(jī)的底板上,與霍爾探頭相對的電機(jī)的軸上固定著一片磁鋼塊,電機(jī)每轉(zhuǎn)一周,霍爾傳感器便發(fā)出一個(gè)脈沖信號,將此脈沖信號接到開發(fā)的多功能實(shí)驗(yàn)板上的P3.20INT上,設(shè)定T0定時(shí),每分鐘所計(jì)的進(jìn)入P3.2的脈沖個(gè)數(shù)即為直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速。由于在虛擬仿真電路圖中,沒有電機(jī)及傳感器,所以就直接用一個(gè)脈沖信號代替。2.2 霍爾傳感器測量電路設(shè)計(jì)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(diǎn),因此,在測量、自動(dòng)化、計(jì)算機(jī)和信息技術(shù)等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用?；魻杺鞲衅鰽3

10、144是Allegro MicroS ystems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(dá)-40150。它由電壓調(diào)整電路、反相電源保護(hù)電路、霍爾元件、溫度補(bǔ)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(diǎn),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”5。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(qiáng)度,輸出是一個(gè)數(shù)字電壓訊號。它是一種

11、單磁極工作的磁敏電路,適用于矩形或者柱形磁體下工作?？蓱?yīng)用于汽車工業(yè)和軍事工程中?；魻杺鞲衅鞯耐庑螆D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測量電機(jī)轉(zhuǎn)速的第一步就是要將電機(jī)的轉(zhuǎn)速表示為單片機(jī)可以識(shí)別的脈沖信號,從而進(jìn)行脈沖計(jì)數(shù)。霍爾器件作為一種轉(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(diǎn),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(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),帶動(dòng)傳感器運(yùn)動(dòng),產(chǎn)生對應(yīng)頻率的脈沖信號,經(jīng)

12、過信號處理后輸出到計(jì)數(shù)器或其他的脈沖計(jì)數(shù)裝置,進(jìn)行轉(zhuǎn)速的測量6。 圖2-6 霍爾器件測速原理轉(zhuǎn)速的測量方法很多,根據(jù)脈沖計(jì)數(shù)來實(shí)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M 法(測頻法。由于轉(zhuǎn)速是以單位時(shí)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(yùn)動(dòng)。根據(jù)霍爾效應(yīng)原理,將一塊永久磁鋼固定在電機(jī)轉(zhuǎn)軸上的轉(zhuǎn)盤邊沿,轉(zhuǎn)盤隨側(cè)軸旋轉(zhuǎn),磁鋼也將跟著同步旋轉(zhuǎn),在轉(zhuǎn)盤下方安裝一個(gè)霍爾器件,轉(zhuǎn)盤隨軸旋轉(zhuǎn)時(shí),受磁鋼所產(chǎn)生的磁場的影響,霍爾器件輸出脈沖信號,其頻率和轉(zhuǎn)速成正比。脈沖信號的周期與電機(jī)的轉(zhuǎn)速有以下關(guān)系: n=PT60 (2-1 式中:n 為電機(jī)轉(zhuǎn)速

13、;P 為電機(jī)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(jì)算出直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速7?；魻柶骷怯砂雽?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(yùn)動(dòng),結(jié)果在器件的兩個(gè)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。霍爾開關(guān)傳感器由于其體積小,無觸點(diǎn),動(dòng)態(tài)特性好,使用壽命長等特點(diǎn),故在測量轉(zhuǎn)動(dòng)物體旋轉(zhuǎn)速度領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用8。74LS14是一個(gè)6反相器,引腳定義如圖2-7所示:A 端為輸入端,Y 端為輸出端,一片芯片一共6路,即1,3,5,9,11,13為輸入端,2,4,6,8,10,12為輸出端,輸出結(jié)果與輸入結(jié)果反相。即如

14、果輸入端為高電平,那么輸出為低電平。如果輸入低電平,輸出為高電平。 圖2-7 反相器引腳圖光電耦合器,是近幾年發(fā)展起來的一種半導(dǎo)體光電器件,由于它具有體積小、壽命長、抗干擾能力強(qiáng)、工作溫度寬及無觸點(diǎn)輸入與輸出在電氣上完全隔離等特點(diǎn),被廣泛地應(yīng)用在電子技術(shù)領(lǐng)域及工業(yè)自動(dòng)控制領(lǐng)域中,它可以代替繼電器、變壓器、斬波器等,而用于隔離電路、開關(guān)電路、數(shù)模轉(zhuǎn)換、邏輯電路、過流保護(hù)、長線傳輸、高壓控制及電平匹配等。光電耦合器是以光為媒介傳輸電信號的一種電光電轉(zhuǎn)換器件。它由發(fā)光源和受光器兩部分組成。把發(fā)光源和受光器組裝在同一密閉的殼體內(nèi),彼此間用透明絕緣體隔離。發(fā)光源的引腳為輸入端,受光器的引腳為輸出端,常見

15、的發(fā)光源為發(fā)光二極管,受光器為光敏二極管、光敏三極管等。光電耦合器的種類較多,常見有光電二極管型、光電三極管型、光敏電阻型、光控晶閘管型、光電達(dá)林頓型、集成電路型等。光電耦合器件(簡稱光耦是把發(fā)光器件(如發(fā)光二極管和光敏器件(如光敏三極管組裝在一起,通過光線實(shí)現(xiàn)耦合構(gòu)成電光和光電的轉(zhuǎn)換器件。在光電耦合器輸入端加電信號使發(fā)光源發(fā)光,光的強(qiáng)度取決于激勵(lì)電流的大小,此光照射到封裝在一起的受光器上后,因光電效應(yīng)而產(chǎn)生了光電流,由受光器輸出端引出,這樣就實(shí)現(xiàn)了電一光一電的轉(zhuǎn)換9。光電耦合器分為很多種類,圖2-8所示為常用的三極管型光電耦合器原理圖。當(dāng)電信號送入光電耦合器的輸入端時(shí),發(fā)光二極管通過電流而發(fā)

16、光,光敏元件受到光照后產(chǎn)生電流,CE導(dǎo)通;當(dāng)輸入端無信號,發(fā)光二極管不亮,光敏三極管截止,CE不通。對于數(shù)位量,當(dāng)輸入為低電平“0”時(shí),光敏三極管截止,輸出為高電平“1”;當(dāng)輸入為高電平“1”時(shí),光敏三極管飽和導(dǎo)通,輸出為低電平“0”。若基極有引出線則可滿足溫度補(bǔ)償、檢測調(diào)制要求。這種光耦合器性能較好,價(jià)格便宜,因而應(yīng)用廣泛。 圖2-8 最常用的光電耦合器內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖光電耦合器的接線原理如圖2-9所示。 圖2-9 光電耦合器接線原理蜂鳴器是一種一體化結(jié)構(gòu)的電子訊響器,采用直流電壓供電,廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)、打印機(jī)、復(fù)印機(jī)、報(bào)警器、電子玩具、汽車電子設(shè)備、電話機(jī)、定時(shí)器等電子產(chǎn)品中作發(fā)聲器件。報(bào)警器的

17、種類很多,比如:揚(yáng)聲器、蜂鳴器等,本設(shè)計(jì)中選用電磁式蜂鳴器作為報(bào)警器。電磁式蜂鳴器由振蕩器、電磁線圈、磁鐵、振動(dòng)膜片及外殼等組成。接通電源后,振蕩器產(chǎn)生的音頻信號電流通過電磁線圈,使電磁線圈產(chǎn)生磁場。振動(dòng)膜片在電磁線圈和磁鐵的相互作用下,周期性地振動(dòng)發(fā)聲10。 圖2-10 電磁式蜂鳴器2.3 單片機(jī)AT89C51單片機(jī)(Single-Chip-Microcomputer又稱為單片微控制器,其基本結(jié)構(gòu)是將微型計(jì)算機(jī)的基本功能部件:中央處理器(CPU、存儲(chǔ)器、輸入口、輸出口、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、中斷系統(tǒng)等全部集中在一個(gè)半導(dǎo)體芯片上。單片機(jī)結(jié)構(gòu)上的設(shè)計(jì),在硬件、指令系統(tǒng)及I/O能力等方面都有獨(dú)到之處,具

18、有較強(qiáng)而有效的控制功能。雖然單片機(jī)只是一個(gè)芯片,但無論從組成還是從其邏輯功能上來看,都具有微機(jī)系統(tǒng)的含義。另一方面,單片機(jī)畢竟是一個(gè)芯片,只有外加所需的輸入、輸出設(shè)備,才可以構(gòu)成實(shí)用的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)11。AT89C51是一種帶4K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲(chǔ)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(jī)。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲(chǔ)器制造技術(shù)制造,與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容12。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲(chǔ)器組合在單個(gè)芯片中,ATMEL 的AT89C

19、51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(jià)格低廉的方案。其引腳圖如圖2-11所示。 圖2-11 AT89C51引腳圖8051單片機(jī)內(nèi)部有兩個(gè)16位可編程定時(shí)器/計(jì)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(shí)器用,或作外部事件計(jì)時(shí)器用。定時(shí)器/計(jì)數(shù)器在硬件上由雙字節(jié)加法計(jì)數(shù)器TH和TL組成。作定時(shí)器使用時(shí),計(jì)數(shù)脈沖/12,每個(gè)機(jī)器周期加113。由單片機(jī)內(nèi)部振蕩器提供,計(jì)數(shù)頻率為fOSC8051單片機(jī)定時(shí)器/計(jì)數(shù)器的工作方式由特殊功能寄存器TMOD 編程決定,定時(shí)器/計(jì)數(shù)器的啟動(dòng)運(yùn)行由特殊功能寄存器TCON 編程控制。不論用作定時(shí)

20、器還是計(jì)數(shù)器,每當(dāng)產(chǎn)生溢出時(shí),都會(huì)向CPU 發(fā)出中斷請求。單片機(jī)的定時(shí)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(shí)器的時(shí)候就要去算計(jì)數(shù)的增量,再根據(jù)單片機(jī)的晶振的頻率就可以算出確定的時(shí)間了。定時(shí)器主要用到了2個(gè)寄存器,一個(gè)為TCON ,另一個(gè)為TMOD 。TCON 是用來控制定時(shí)器的啟動(dòng)與停止的。TMOD 是用來設(shè)置定時(shí)器的模式的。8051單片機(jī)的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器是可編程的,在進(jìn)行定時(shí)或計(jì)數(shù)操作之前要進(jìn)行初始化編程。通常8051單片機(jī)定時(shí)器/計(jì)數(shù)器的初始化編程包括如下幾個(gè)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(jì)算定時(shí)器/計(jì)數(shù)器初值,并將初值寫入TH 和

21、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(shí)器中斷。4.使運(yùn)行控制寄存器TCON 中的TR0或TR1置“1”,啟動(dòng)定時(shí)器/計(jì)數(shù)器。在初始化過程中,要設(shè)置定時(shí)或計(jì)數(shù)的初始值,這時(shí)需要進(jìn)行一點(diǎn)運(yùn)算。由于計(jì)數(shù)器是加法計(jì)數(shù),并在溢出時(shí)產(chǎn)生中斷,因此初始值不能是所需要的計(jì)數(shù)模值,而是要從最大計(jì)數(shù)值減去計(jì)數(shù)模值所得才是應(yīng)當(dāng)設(shè)置的計(jì)數(shù)初始值。假設(shè)計(jì)數(shù)器的最大計(jì)數(shù)值為M (根據(jù)不同工作方式,M 可以是213、216或28,則計(jì)算初值X 的公式如下:計(jì)數(shù)方式:X=M-要求的計(jì)數(shù)值 (2-2 定時(shí)方式:X=M-OSCf /12要求的計(jì)數(shù)值(2-3外部中斷:對某個(gè)中央處理機(jī)而言,它的外部非通道

22、式裝置所引起的中斷稱為外部中斷。51單片機(jī)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(shí),單片機(jī)在每個(gè)機(jī)器周期檢查中斷源口線,檢測到低電平,即置位中斷請求標(biāo)志,向CPU 請求中斷。選擇邊沿觸發(fā)方式時(shí),單片機(jī)在上一個(gè)機(jī)器周期檢測到中斷源口線為高電平,下一個(gè)機(jī)器周期檢測到低電平,即置位中斷標(biāo)志,請求中斷。應(yīng)用時(shí)需要特別注意的幾點(diǎn):1.電平觸發(fā)方式時(shí),中斷標(biāo)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(dāng)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

23、為高電平了,那么將得不到響應(yīng),就如同沒發(fā)生一樣。同樣,當(dāng)CPU 在執(zhí)行不可被中斷的指令(如RETI 時(shí),產(chǎn)生的電平觸發(fā)中斷如果時(shí)間太短,也得不到執(zhí)行。2.邊沿觸發(fā)方式時(shí),中斷標(biāo)志寄存器鎖存了中斷請求。中斷口線上一個(gè)從高到低的跳變將記錄在標(biāo)志寄存器中,直到CPU 響應(yīng)并轉(zhuǎn)向該中斷服務(wù)程序時(shí),由硬件自動(dòng)清除。因此當(dāng)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(shí),產(chǎn)生的外部中斷(負(fù)跳變同樣將被記錄在中斷標(biāo)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(biāo)志。3.中斷標(biāo)志可以手工清除。一個(gè)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CP

24、U忽略。就如同沒有發(fā)生一樣。2.4 顯示電路設(shè)計(jì)1·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(diǎn)陣式LCD,目前常用16*1,16*2,20*2和40*2行等的模塊。下面以長沙太陽人電子有限公司的1602字符型液晶顯示器為例,介紹其用法。字符型LCD1602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14。一般1602字符型液晶顯示器實(shí)物如圖2-12所示。 圖2-12 1602實(shí)物圖1.1602LCD類型1602LCD分為帶背光和不帶背光兩種,基控制器大部分為HD44780,帶

25、背光的比不帶背光的厚,是否帶背光在應(yīng)用中并無差別,兩者尺寸差別如圖2-13所示。 圖2-13 1602帶背光與不帶背光差別圖2.LCD1602主要技術(shù)參數(shù)顯示容量:16×2個(gè)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:5.0V字符尺寸:2.95×4.35(W×Hmm3.1602LCD引腳1602LCD采用標(biāo)準(zhǔn)的14腳(無背光或16腳(帶背光接口,各引腳接口說明如表2-1。表2-1 引腳接口說明表編號符號引腳說明編號符號引腳說明1 VSS 電源地9 D2 數(shù)據(jù)2 VDD 電源正極10 D3 數(shù)據(jù)3 VL 液晶顯示偏壓11 D4 數(shù)

26、據(jù)4 RS 數(shù)據(jù)/命令選擇12 D5 數(shù)據(jù)5 R/W 讀/寫選擇13 D6 數(shù)據(jù)6 E 使能信號14 D7 數(shù)據(jù)7 D0 數(shù)據(jù)15 BLA 背光源正極8 D1 數(shù)據(jù)16 BLK 背光源負(fù)極第1腳:VSS為地電源。第2腳:VDD接5V正電源。第3腳:VL為液晶顯示器對比度調(diào)整端,接正電源時(shí)對比度最弱,接地時(shí)對比度最高,對比度過高時(shí)會(huì)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。第4腳:RS為寄存器選擇,高電平時(shí)選擇數(shù)據(jù)寄存器、低電平時(shí)選擇指令寄存器。第5腳:R/W為讀寫信號線,高電平時(shí)進(jìn)行讀操作,低電平時(shí)進(jìn)行寫操作。當(dāng)RS和R/W共同為低電平時(shí)可以寫入指令或者顯示地址,當(dāng)RS為低電平

27、R/W為高電平時(shí)可以讀忙信號,當(dāng)RS為高電平R/W為低電平時(shí)可以寫入數(shù)據(jù)。第6腳:E端為使能端,當(dāng)E端由高電平跳變成低電平時(shí),液晶模塊執(zhí)行命令。第714腳:D0D7為8位雙向數(shù)據(jù)線。第15腳:背光源正極。第16腳:背光源負(fù)極。4.其與單片機(jī)的連接如圖2-14所示。 圖2-14 1602與單片機(jī)接線圖LCD1602是常見的16×2行,6×8字符點(diǎn)陣液晶模塊,廣泛應(yīng)用于智能儀表、通信、辦公自動(dòng)化設(shè)備中,其字符發(fā)生器ROM中自帶數(shù)字和英文字母及一些特殊符號的字符庫,沒有漢字。本設(shè)計(jì)中LCD1602顯示了英文字母和數(shù)字。由于Proteus庫中沒有16引腳,因此選用LCD1602的1

28、4引腳方式,即不帶背光源部分。如圖2-15所示。 圖2-15 LCD顯示圖2.5 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)INT中斷對轉(zhuǎn)速脈沖計(jì)數(shù)。定時(shí)器T0工作于定時(shí)方式,工作本系統(tǒng)采用89C51中的0INT計(jì)數(shù)值,此值即為脈沖信號的頻率,代表的即是于方式1。每到1s讀一次外部中斷0電機(jī)的轉(zhuǎn)速。先進(jìn)行初始化設(shè)置各定時(shí)器初值,然后判斷是否啟動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行測量。如果是,就啟動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)行。如果不是就等待啟動(dòng)。啟動(dòng)系統(tǒng)后,霍爾傳感器檢測脈沖到來后,啟動(dòng)外部中斷,每來一個(gè)脈沖中斷一次,記錄脈沖個(gè)數(shù)。同時(shí)啟動(dòng)T0定時(shí)器工作,每1秒定時(shí)中斷一次,讀取記錄的脈沖個(gè)數(shù),即電機(jī)轉(zhuǎn)速。連續(xù)采樣三次,取平均值記為一次轉(zhuǎn)速值。再進(jìn)行數(shù)值的判斷,若數(shù)值

29、高于5000r/min則報(bào)警并返回初始化階段,否則就進(jìn)行正常速度液晶顯示。如圖2-16所示。初始化是否啟動(dòng)?等待中斷3次中斷完畢?數(shù)據(jù)濾波處理是否達(dá)到報(bào)警器的值?顯示處理NY N Y NY開始圖2-16 主流程圖3 系統(tǒng)仿真和調(diào)試3.1 Proteus軟件Proteu s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(jī)的電子系統(tǒng)。Proteus不但完全支持MCS-51及其派生系列單片機(jī)的設(shè)計(jì)系統(tǒng),另外也能仿真基于AVR和PIC系列的單片機(jī)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

30、器件達(dá)30多個(gè)元件庫,共計(jì)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(jìn)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(dāng)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(dāng)然是最好選擇,可是對于單片機(jī)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(jī)仿真軟件不同的是,它不僅能仿真單片機(jī)CPU的工作情況,也能仿真單片機(jī)外圍電路或沒有單片機(jī)參與的其它電路的工作情況。因此在仿真和

31、程序調(diào)試時(shí),關(guān)心的不再是某些語句執(zhí)行時(shí)單片機(jī)寄存器和存儲(chǔ)器內(nèi)容的改變,而是從工程的角度直接看程序運(yùn)行和電路工作的過程和結(jié)果。對于這樣的仿真實(shí)驗(yàn),從某種意義上講,是彌補(bǔ)了實(shí)驗(yàn)和工程應(yīng)用間脫節(jié)的矛盾和現(xiàn)象。原理圖是在原理圖編輯窗口中的藍(lán)色方框內(nèi)繪制完成的,通過文件中的“新建設(shè)計(jì)”選項(xiàng),可以調(diào)整原理圖設(shè)計(jì)頁面大小。繪制原理圖時(shí)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”欄內(nèi)鍵入“AT89C51”,窗

32、口中間的“結(jié)果”欄將顯示出元器件庫中所有AT89C51單片機(jī)芯片,選擇其中的“AT89C51”,窗口右上方將顯示出AT89C51圖形符號,同時(shí)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(biāo)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(biāo)。再將鼠標(biāo)指向編輯窗口并單擊左鍵,將選中的器件放置到原理圖中。放置電源和地線端時(shí),要從“終端”按鈕欄中選取。在兩個(gè)元器件之間進(jìn)行連線的方式很簡單,先將鼠標(biāo)指向第一個(gè)器件的連接點(diǎn)并單擊左鍵,再將鼠標(biāo)移到另一個(gè)器件的連接點(diǎn)

33、并單擊左鍵,這兩個(gè)點(diǎn)就連接到一起了。對于相隔較遠(yuǎn),直接連線不方便的器件,可以用標(biāo)號的方式進(jìn)行連接。連接后的部分硬件電路如圖3-2所示。3.2 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(jìn)行檢測,一定要仔細(xì)認(rèn)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。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(jì)用面包板搭件,所以布線要無跨線并且工整。當(dāng)硬件設(shè)計(jì)從布線到焊接安裝完成之后,就開始進(jìn)入硬件調(diào)試階段。1.排除邏輯故障顯示器部分調(diào)試為了使調(diào)試順利進(jìn)行,首先將89C51與LCD顯示分離,這樣就

34、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89C51電路工作是否正常。對89C51進(jìn)行編程調(diào)試時(shí),分為兩個(gè)步驟:第一,對其進(jìn)行初始化。第二,將89C51與LCD 結(jié)合起來,借助開發(fā)機(jī),通過編制程序進(jìn)行調(diào)試。若調(diào)試通過后,就可以編制應(yīng)用程序了16。對于一些邏輯故障來說,這類故障往往是由于設(shè)計(jì)和焊接過程中的失誤所造成的。主要包括錯(cuò)線、開路、短路。排除的方法是首先將焊接好的電路板認(rèn)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(cuò)誤,并重點(diǎn)檢查系統(tǒng)總線是否存在相互之間短路或

35、與其它信號線路短路。必要時(shí)利用數(shù)字萬用表的短路測試功能,可以縮短排錯(cuò)時(shí)間。2.排除元器件失效造成這類錯(cuò)誤的原因有兩個(gè):一個(gè)是元器件買來時(shí)就已壞了另一個(gè)是由于安裝錯(cuò)誤,造成器件燒壞。可以采取檢查元器件與設(shè)計(jì)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(cuò)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5V4.8V之間屬正常。若有高壓,聯(lián)機(jī)仿真器調(diào)試時(shí),將會(huì)損壞仿真器等,有時(shí)會(huì)使應(yīng)用系統(tǒng)中的集成塊發(fā)熱損壞。原理圖繪制完成之后,給單片機(jī)添加應(yīng)用程序,就可以進(jìn)行虛擬仿真調(diào)試。先

36、用鼠標(biāo)右鍵選中AT89C51單片機(jī),再單擊左鍵,彈出如圖3-3所示器件編輯窗口。 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(shí)單擊仿真工具欄中全速運(yùn)行按鈕即可開始進(jìn)行虛擬仿真17。3.3 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(cuò)誤與邏輯錯(cuò)誤并加以排除糾正的過程。程序運(yùn)行后編輯,查看程序是否有邏輯的錯(cuò)誤。本系統(tǒng)的軟件程序完全由C51編寫,C語言效率高,但同時(shí)也存在一些缺點(diǎn),

37、比如嚴(yán)格定時(shí)比較困難。在調(diào)試過程中采取的是自上至下的調(diào)試方法,單獨(dú)調(diào)試好每一個(gè)模塊,然后再連接成一個(gè)完整的系統(tǒng)調(diào)試。3.4 軟硬件聯(lián)調(diào)使用Keil、Proteus軟件進(jìn)行單步調(diào)試仿真模擬,直到滿足技術(shù)指標(biāo)后,將程序燒到89C51片中進(jìn)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(jī)的電源引腳端。2.檢測單片機(jī)的晶振電路是否正常工作,用萬用表檢測89C51片的18、19腳的電壓分別為3v、1.5v左右。3.檢測復(fù)位信號輸入端RST,高電平有效。在單片機(jī)正常工作時(shí),此腳應(yīng)為0.5V低電平。4.測試外部脈沖計(jì)數(shù)電路INT施加固定脈沖,測試外部計(jì)數(shù)軟件的正確與否。通過給CPU