-霍爾傳感器測速課程設計

#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，通過光線實現(xiàn)耦合構成電—光和光—電的轉換器件。在光電耦合器輸入端加電信號使發(fā)光源發(fā)光，光的強度取決于激勵電流的大小，此光照射到封裝在一起的受光器上后，因光電效應而產生了光電流，由受光器輸出端引出，這樣就實現(xiàn)了電一光一電的轉換。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。當電信號送入光電耦合器的輸入端時，發(fā)光二極管通過電流而發(fā)光，光敏元件受到光照后產生電流，CE導通；當輸入端無信號，發(fā)光二極管不亮，光敏三極管截止，CE不通。對于數(shù)位量，當輸入為低電平“0”時，光敏三極管截止，輸出為高電平“1”；當輸入為高電平“1”時，光敏三極管飽和導通，輸出為低電平“0”。若基極有引出線則可滿足溫度補償、檢測調制要求。這種光耦合器性能較好，價格便宜，因而應用廣泛。圖2-8最常用的光電耦合器內部結構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蜂鳴器是一種一體化結構的電子訊響器，采用直流電壓供電，廣泛應用于計算機、打印機、復印機、報警器、電子玩具、汽車電子設備、電話機、定時器等電子產品中作發(fā)聲器件。報警器的種類很多，比如：揚聲器、蜂鳴器等，本設計中選用電磁式蜂鳴器作為報警器。電磁式蜂鳴器由振蕩器、電磁線圈、磁鐵、振動膜片及外殼等組成。接通電源后，振蕩器產生的音頻信號電流通過電磁線圈，使電磁線圈產生磁場。振動膜片在電磁線圈和磁鐵的相互作用下，周期性地振動發(fā)聲。

圖2-10電磁式蜂鳴器單片機AT89C51單片機(Single-Chip-Microcomputer)又稱為單片微控制器，其基本結構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體芯片上。單片機結構上的設計，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、輸出設備，才可以構成實用的單片機應用系統(tǒng)［11］。AT89C51芯片AT89C51是一種帶4K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器(FPEROM—FalshProgrammableandErasableReadOnlyMemory)的低電壓，高性能CMOS8位微處理器，俗稱單片機。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲器制造技術制造，與工業(yè)標準的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容［12］。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲器組合在單個芯片中,ATMEL的AT89C51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格低廉的方案。其引腳圖如圖2-11所示。2P1.0140YCCjLt1239P0,O/ADQFK2338FQ…--ADIPl.3137PO.S/AD2P.45陰PO.3/AD3Fl.563&PO.4/AD4H：飛3dPO”Hl.7833PO”6/AD6?3T932PQ.7''AD7RXD八匚01031EATXD/P3.11130ALE/FROGIWT0/P3,239PSENINTlJF3x31J-23F￡7/A1jT0/F3.41J27PZ.6/'AlIT-.Ej1526P2.3/A136162&P2.4/A12RD.F3.71724P2.3/A11XTAL223PS.2/A105(TALI1922P2-1/A9GND202172.圖2-11AT89C51引腳圖定時器8051單片機內部有兩個16位可編程定時器/計數(shù)器，記為TO和T1。它的工作方式可以通過指令對相應的特殊功能寄存器編程來設定，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，計數(shù)脈沖由單片機內部振蕩器提供，計數(shù)頻率為fosC/12，每個機器周期加1[13]8051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是用來設置定時器的模式的。8051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TRO或TR1置“1”，啟動定時器/計數(shù)器。在初始化過程中，要設置定時或計數(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)，并在溢出時產生中斷，因此初始值不能是所需要的計數(shù)模值，而是要從最大計數(shù)值減去計數(shù)模值所得才是應當設置的計數(shù)初始值。假設計數(shù)器的最大計數(shù)值為M（根據(jù)不同工作方式，M可以是213、216或28），則計算初值X的公式如下：計數(shù)方式：X=M-要求的計數(shù)值（2-2）定時方式：X=M-要求的計數(shù)值（2-3）12/fOsC2.3.3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。51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，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，產生的外部中斷源（產生低電平）如果在該中斷執(zhí)行完畢之前撤銷（變?yōu)楦唠娖剑┝?，那么將得不到響應，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，產生的電平觸發(fā)中斷如果時間太短，也得不到執(zhí)行。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響應并轉向該中斷服務程序時，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之前就已經被手工清除，則該中斷將被CPU忽略。就如同沒有發(fā)生一樣。2.4顯示電路設計1602字符型LCD簡介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。1602LCD的基本參數(shù)及引腳功能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，帶背光的比不帶背光的厚，是否帶背光在應用中并無差別，兩者尺寸差別如圖2-12所示。圖2-121602帶背光與不帶背光差別圖LCD1602主要技術參數(shù)顯示容量：16X2個字符芯片工作電壓：4.5—5.5V工作電流:2.0mA（5.0V）模塊最佳工作電壓：5.0V字符尺寸：2.95X4.35（WXH）mm3.1602LCD引腳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整端，接正電源時對比度最弱，接地時對比度最高，對比度過高時會產生“鬼影”，使用時可以通過一個10K的電位器調整對比度。第4腳：RS為寄存器選擇，高電平時選擇數(shù)據(jù)寄存器、低電平時選擇指令寄存器。第5腳：R/W為讀寫信號線，高電平時進行讀操作，低電平時進行寫操作。當RS和R/W共同為低電平時可以寫入指令或者顯示地址，當RS為低電平R/W為高電平時可以讀忙信號,當RS為高電平R/W為低電平時可以寫入數(shù)據(jù)。第6腳：E端為使能端，當E端由高電平跳變成低電平時，液晶模塊執(zhí)行命令。第7?14腳：D0?D7為8位雙向數(shù)據(jù)線。第15腳：背光源正極。第16腳：背光源負極。4.其與單片機的連接如圖2-13所示。圖2-131602與單片機接線圖圖2-131602與單片機接線圖顯示模式LCD1602是常見的16X2行，6X8字符點陣液晶模塊，廣泛應用于智能儀表、通信、辦公自動化設備中，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。本設計中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14引腳方式，即不帶背光源部分。如圖2-14所示。JJCD1602JJCD1602speed=1099/se圖2-14LCD圖2-14LCD顯示圖三、霍爾傳感器測量車速系統(tǒng)軟件設計設計思想本系統(tǒng)采用89C51中的INTO中斷對轉速脈沖計數(shù)。定時器TO工作于定時方式，工作于方式1。每到1s讀一次外部中斷INTO計數(shù)值，此值即為脈沖信號的頻率，代表的即是小車的轉速。總體軟件流程先進行初始化設置各定時器初值，然后判斷是否啟動系統(tǒng)進行測量。如果是，就啟動系統(tǒng)運行。如果不是就等待啟動。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，記錄脈沖個數(shù)。同時啟動T0定時器工作，每1秒定時中斷一次，讀取記錄的脈沖個數(shù)，即小車轉速。連續(xù)采樣三次，取平均值記為一次轉速值。再進行數(shù)值的判斷，若數(shù)值高于5000r/min則報警并返回初始化階段，否則就進行正常速度液晶顯示。如圖3-1所示。開始開始圖3-1主流程圖四、設計中的問題及解決辦法出現(xiàn)的問題1、邏輯故障2、元器件失效3、電源故障解決方法1．排除邏輯故障顯示器部分調試為了使調試順利進行,首先將89C51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89C51電路工作是否正常。對89C51進行編程調試時,分為兩個步驟：第一，對其進行初始化。第二，將89C51與LCD結合起來,借助開發(fā)機,通過編制程序進行調試。若調試通過后,就可以編制應用程序了。對于一些邏輯故障來說，這類故障往往是由于設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,造成器件燒壞?？梢圆扇z查元器件與設計要求的型號、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5V?4.8V之間屬正常。若有高壓,聯(lián)機仿真器調試時,將會損壞仿真器等,有時會使應用系統(tǒng)中的集成塊發(fā)熱損壞。五、總結經過兩周的辛勤努力，學習了霍爾傳感器測速原理及相關器件的性能特點與用法等知識，查閱了關于傳感器、單片機的各方面的資料，實現(xiàn)了“霍爾傳感器測量車速系統(tǒng)設計”的基本要求。所設計的系統(tǒng)具有以下功能：1.設計采用89C51單片機作為測量轉速的主CPU芯片，系統(tǒng)硬件設備結構簡單合理，成本低，實時性好。2.測速系統(tǒng)采用霍爾傳感器作為敏感速率信號，具有頻率響應快，抗干擾能力強等特點。霍爾傳感器的輸出信號經信號調理后，通過單片機對連續(xù)脈沖計數(shù)來實現(xiàn)轉速測量，充分利用了單片機的內部資源，有很高的性價比。采用1602LCD顯示測速值，直觀、穩(wěn)定，易于實現(xiàn)，該顯示方式可以推廣到其他工程應用領域。測速系統(tǒng)的功能還有待進一步擴充，如判別轉速方向的能力，電路布局和抗干擾方面還有很大的提升空間。在本次設計的過程中，我們發(fā)現(xiàn)很多的問題，雖然以前沒有做過這樣的設計但通過這次設計我學會了很多東西，霍爾傳感器設計重點就在于硬件結構的設計，需要有很巧妙的電路結構，雖然以前做過單片機及微機原理的設計，但我們覺的要做好一個需要結合傳感器和單片機知識的設計并不是一件簡單的事，比如做之前認為霍爾傳感器測速的原理很簡單，但到設計的時候才發(fā)現(xiàn)一些細微的知識或低級錯誤經常犯做不到最后常常失敗，所以有些東西只有學精弄懂并且要細心才行，只學習理論有些東西是很難理解的，更談不上掌握。從這次的課程設計中，我們真真正正的意識到，在以后的學習中，要理論聯(lián)系實際，把我們所學的理論知識用到實際當中，學習傳感器與檢測技術更是如此，電路設計只有在經常的練習的過程中才能提高，我想這就是我在這次課程設計中的最大收獲。附錄：完整電路圖LWUlDiSL5Peed=2501^e□!j詢匚?wag>>ekuizagma:iC2□12UHZ—^CRTSTAL齊TKt1IF話^-awU121J1J151JEUR25IHU<iar=-L3■sTBE11omhimi凹皿mwnwFi'/yP23M1raannpwrasrnismPW

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