應(yīng)用霍爾集成傳感器測量轉(zhuǎn)速電路設(shè)計黃河科技學院課程設(shè)計1

下載原文可修改文字和底色顏色查看原文應(yīng)用霍爾集成傳感器測量轉(zhuǎn)速電路設(shè)計摘要本文是基于51單片機的轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)，其測量方法較多，隨著單片機對脈沖信號的處理能力越來越強大，使得全數(shù)字量系統(tǒng)越來越普及，并且使轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)也可以用全數(shù)字化處理。本設(shè)計利用霍爾效應(yīng)對旋轉(zhuǎn)物體進行檢測的轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用UGN3144霍爾傳感器把轉(zhuǎn)速信息轉(zhuǎn)換為電壓輸出，輸出電壓經(jīng)整形電路送入AT89C51單片機進行數(shù)據(jù)處理并用四位7段LED顯示器顯示測量結(jié)果。文中首先闡述了構(gòu)成該系統(tǒng)的原理、硬件的實現(xiàn)方法，在該系統(tǒng)中對信號頻率進行測量是首要任務(wù)，通過各種測量方法的對比下，該系統(tǒng)應(yīng)采用測頻法測量。其次，在軟件設(shè)計部分，此系統(tǒng)包含系統(tǒng)初始化程序的設(shè)計、數(shù)據(jù)接收和處理程序的設(shè)計、顯示程序的設(shè)計三個模塊。最終，給出各部分的原理框圖、電路圖及轉(zhuǎn)速測量的程序流程圖，并編出其具體的程序?？傊菊n題完成了硬件和軟件系統(tǒng)的設(shè)計，實現(xiàn)了轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)的測量，轉(zhuǎn)速計算、顯示功能，同時實現(xiàn)鍵盤的開始/停止功能，完成了設(shè)計的要求。關(guān)鍵詞:單片機,轉(zhuǎn)速測量,霍爾傳感器目錄TOC\o"1-3"\h\u75391緒論 1270771.1課題研究的目的和意義 1289151.2轉(zhuǎn)速測量在國內(nèi)外的研究 1273712轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)的總體方案 247782.1轉(zhuǎn)速測量的一般方法 2199462.2硬件設(shè)計總體方案 4272332.3軟件設(shè)計思路 5146623系統(tǒng)硬件設(shè)計 5294163.1轉(zhuǎn)速測量原理 6229163.1.1測頻法“M法 661013.1.2測周期法“T法” 7164833.1.3測頻測周法“M/T法” 7118853.1.4轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)中應(yīng)用的方法 8139873.2霍爾傳感器的簡介 9191213.2.1霍爾效應(yīng) 9239093.2.2霍爾元件 12311983.2.3UGN3144霍爾開關(guān)元件 1389993.3單片機及其接口的設(shè)計 15301773.3.1AT89C51單片機的簡介 15291513.3.2復(fù)位電路 18167913.3.3時鐘電路 19263153.3.4顯示電路 20234973.3.5HD7279接口 22107373.3.6鍵盤電路 25264344系統(tǒng)軟件設(shè)計 26272344.1單片機轉(zhuǎn)速程序設(shè)計思路及過程 26226514.1.1單片機程序設(shè)計思路 27280844.2子程序設(shè)計 27321684.2.1單片機轉(zhuǎn)速計算程序 27216004.2.2二-十進制轉(zhuǎn)換程序 2872144.2.3顯示程序 294725轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速分析 31304085.1測速范圍 31201235.2測量誤差 3227116結(jié)論 347052致謝 3530758參考文獻 3622867附錄1 3711914附錄2 381緒論1.1課題研究的目的和意義隨著超大規(guī)模集成電路技術(shù)提高，尤其是單片機應(yīng)用技術(shù)以其功能強大，價格低廉的顯著特點，使全數(shù)字化測量轉(zhuǎn)速系統(tǒng)得以廣泛應(yīng)用。由于單片機在測量轉(zhuǎn)速方面具有體積小、性能強、成本低的特點，越來越受到企業(yè)用戶的青睞。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，這種測量方技術(shù)已不能適應(yīng)現(xiàn)代科技發(fā)展的要求，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。本課題以單片機為核心，設(shè)計的全數(shù)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。一方面它可以應(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。另一方面由于該轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)采用全數(shù)字結(jié)構(gòu)，因而可以很方便的和工業(yè)控制機進行連接，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就能直接作為單獨的產(chǎn)品使用。總之，轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)的研究是一件非常有意義的課題。1.2轉(zhuǎn)速測量在國內(nèi)外的研究轉(zhuǎn)速是能源設(shè)備與動力機械性能測試中的一個重要的特性參量，因為動力機械的許多特性參數(shù)是根據(jù)它們與轉(zhuǎn)速的函數(shù)關(guān)系來確定的，例如壓縮機的排氣量、軸功率、內(nèi)燃機的輸出功率等等，而且動力機械的振動、管道氣流脈動、各種工作零件的磨損狀態(tài)等都與轉(zhuǎn)速密切相關(guān)。轉(zhuǎn)速測量的方法很多，測量儀表的型式也多種多樣，其使用條件和測量精度也各不相同。根據(jù)轉(zhuǎn)速測量的工作方式可分為兩大類：接觸式轉(zhuǎn)速測量儀表與非接觸式轉(zhuǎn)速測量儀表。前者在使用時必須與被測轉(zhuǎn)軸直接接觸，如離心式轉(zhuǎn)速表、磁性轉(zhuǎn)速表與測速發(fā)電機等；后者在使用時不需要與被測轉(zhuǎn)軸接觸,如光電式轉(zhuǎn)速表、電子數(shù)字式轉(zhuǎn)速表、閃光測速儀等。測量發(fā)動機轉(zhuǎn)速的傳統(tǒng)方法是使用光電式轉(zhuǎn)速表測量。用這種方法測量時,既要在發(fā)動機轉(zhuǎn)動軸上粘貼光標紙，又要求測量人員把轉(zhuǎn)速表與光標紙的距離控制在很近的范圍,測量十分不方便。隨著科學技術(shù)的迅速發(fā)展,轉(zhuǎn)速測量儀表已步入現(xiàn)代化、電子化的行列。過去曾經(jīng)使用過的接觸式測量儀表,如離心式轉(zhuǎn)速表、磁性轉(zhuǎn)速表、微型發(fā)電機轉(zhuǎn)速表及鐘表是定時轉(zhuǎn)速表，均已先后受到冷落；而利用已知頻率的閃光與被測軸轉(zhuǎn)速同步的方法來測速的閃光測速儀，雖屬非接觸式儀表，目前仍有應(yīng)用,但也退居次要地位。代之而起的是非接觸式的電子與數(shù)字化的測速儀表。這類轉(zhuǎn)速儀表大多具有體積小、重量輕、讀數(shù)準確、使用方便等優(yōu)點，容易實現(xiàn)電腦熒屏顯示和打印輸出，能夠連續(xù)的反映轉(zhuǎn)速變化，既能測定發(fā)動機穩(wěn)定情況下的平均轉(zhuǎn)速,也能夠用來在足夠小的時間間隔這一特定條件下測定發(fā)動機的瞬時轉(zhuǎn)速。2轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)的總體方案2.1轉(zhuǎn)速測量的一般方法一般轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)有以下幾個部分構(gòu)成，轉(zhuǎn)速測量框圖如圖2.1所示。轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)速信號拾取整形倍頻單片機顯示接口芯片顯示鍵盤驅(qū)動電路圖2.1轉(zhuǎn)速測量框圖1．轉(zhuǎn)速信號拾取轉(zhuǎn)速信號拾取是整個系統(tǒng)的前端通道，目的是將外界的非電參量，通過一定方式轉(zhuǎn)換成電量，這一環(huán)節(jié)可以通過敏感元件、傳感器或測量儀表等來實現(xiàn)。方法如下：(1)通過敏感元件拾取被測信號敏感元件體積小，可以根據(jù)用戶及環(huán)境要求做成各矛頭形狀的探頭，它能將被測的物理量變換成電流、電壓，只要選擇合適的元件參數(shù)。如R、L、C設(shè)計相應(yīng)的電路，便能完成這種對應(yīng)關(guān)系。這種方法設(shè)計難度大，信號穩(wěn)定度差，在模擬處理系統(tǒng)中不宜采用。(2)通過傳感器拾取信號由專業(yè)人員將敏感元件和相應(yīng)的測量電路、傳遞機構(gòu)以適當?shù)男问街瞥刹煌愋汀⒉煌锰幍膫鞲衅鳎鶕?jù)原理輸出電量。該電量可以是模擬量或數(shù)字量，現(xiàn)代傳感器還可以輸出開關(guān)量，用于數(shù)字邏輯電路。(3)通過測量儀表拾取被測信號目前有許多測量儀表用于各種測量中，有大信號輸出、有BCD碼輸出等，但價格昂貴，專業(yè)性強，一般不適合通用系統(tǒng)。通用的轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)大都采用一種俗稱“碼盤”的傳感裝置，將圓形的碼盤固定在轉(zhuǎn)軸上，碼盤上有若干規(guī)則排列的小孔，用光電偶來輸出電信號，以反映轉(zhuǎn)速對應(yīng)關(guān)系，即是將轉(zhuǎn)軸的速度以脈沖形式反映出來，通常有兩種形式：(1)模擬量量化后經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換，由數(shù)字量反映角度，供單片機計算處理，得出轉(zhuǎn)速。(2)直接由脈沖來反應(yīng)轉(zhuǎn)軸的角度，用每轉(zhuǎn)產(chǎn)生的脈沖經(jīng)單片機處理得出轉(zhuǎn)速。2．整形和倍頻前向通道中，從傳感器輸出的信號必須轉(zhuǎn)換成單片機輸入要求的信號，由于信號調(diào)節(jié)電路與傳感器的選擇，現(xiàn)場干擾程度等，都會影響信號的質(zhì)量。而脈沖信號的上升沿和下降沿對數(shù)字電路的觸發(fā)尤為重要，若要將轉(zhuǎn)速脈沖信號直接加到計數(shù)器或外部中斷的輸入端，并利用其上升沿來觸發(fā)進行計數(shù)，則必須要求輸入的信號有陡峭的上升沿或下降沿。處理方法上可以用觸發(fā)器電路來整形；而倍頻電路主要用于解決低轉(zhuǎn)速時測量精度問題及碼盤的刻度誤差而造成的精度下降問題。方法是在每轉(zhuǎn)中增加脈沖的個數(shù)(碼盤的線程數(shù))來提高精度。但在高轉(zhuǎn)速時，由于脈沖個數(shù)的增加，限制了最高轉(zhuǎn)速測量量程，這個問題可用單片機控制來動態(tài)處理解決，兼顧高低轉(zhuǎn)速的測量精度。3．單片機單片機[1]是整個測量系統(tǒng)的主要部分，擔負對前端脈沖信號的處理、計算、以及信號的同步，計時等任務(wù)，其次，將測量的數(shù)據(jù)經(jīng)計算后，將得到的轉(zhuǎn)速值傳送到顯示接口中，用數(shù)碼管顯示數(shù)值。在本系統(tǒng)中考慮到計數(shù)的范圍、使用的定時，計數(shù)器的個數(shù)及I/O口線，預(yù)選用89C51單片機。具體工作情況在后討論。4．驅(qū)動和顯示由于LED數(shù)碼管具有亮度高、可靠性好等特點，工業(yè)測控系統(tǒng)中常用LED數(shù)碼管作為顯示輸出。本系統(tǒng)也采用數(shù)碼管作顯示。LED顯示器是用發(fā)光二極管顯示字段的，通常使用七段構(gòu)成“日”字型和一只發(fā)光二極管作為小數(shù)點，稱八段數(shù)碼顯示器。其有兩種驅(qū)動方式，共陰驅(qū)動和共陽驅(qū)動，共陰驅(qū)動是各段發(fā)光二極管的陰極連在一起，并將公共端接地，在共陽結(jié)構(gòu)中，將各段發(fā)光二極管陽極連在一起，并將公共端接上+5V電源，顯示字符對應(yīng)字型代碼發(fā)光。2.2硬件設(shè)計總體方案硬件設(shè)計的任務(wù)是根據(jù)總體設(shè)計要求，在系統(tǒng)工作原理的基礎(chǔ)上，具體確定系統(tǒng)中所要使用的元器件，設(shè)計出系統(tǒng)的原理框圖、電路原理圖。轉(zhuǎn)速是工程中應(yīng)用非常廣泛的一個參數(shù)，早期模擬量的模擬處理一直是作為轉(zhuǎn)速測量的主要方法，這種測量方法在測量范圍和測量精度上，已不能適應(yīng)現(xiàn)代科技發(fā)展的要求。而隨著大規(guī)模及超大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字測量系統(tǒng)得到普遍應(yīng)用，利用單片機對脈沖數(shù)字信號的強大處理能力，應(yīng)用全數(shù)字化的結(jié)構(gòu)，使數(shù)字測量系統(tǒng)的越來越普及,在測量范圍和測量精度方面都有極大的提高。在本轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)由霍爾傳感器、單片機和顯示器、鍵盤電路等組成。傳感器部分采用UGN3144霍爾傳感器，負責將被測量量的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)化為脈沖信號[2]。因為采用的是集成霍爾開關(guān)元件，輸出的是數(shù)字信號，可以直接把脈沖信號送入單片機進行處理。單片機采用AT89C51，顯示器采用4個7段LED數(shù)碼管動態(tài)顯示，其系統(tǒng)框圖如2.2所示。其中整個系統(tǒng)的電源采用雙電源供電，將繼電器驅(qū)動電源與單片機及其周邊電路電源完全隔離，利用光電耦合器傳輸信號。這樣做法雖然不如單電源方便靈活，但可將繼電器工作所造成的干擾完全消除，進一步提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。傳感器電路傳感器電路顯示驅(qū)動電路AT89C51單片機時鐘電路鍵盤電路復(fù)位電路圖2.2轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)的總體框圖2.3軟件設(shè)計思路軟件需要解決的是定時器0的記數(shù)和外部中斷0的設(shè)定、由于測量的轉(zhuǎn)速范圍大，所以低速和高速都要考慮在內(nèi)，關(guān)鍵在于一個四字節(jié)除三字節(jié)程序的實現(xiàn)。顯示部分、需要有一個二進制到十進制的轉(zhuǎn)化程序，以及轉(zhuǎn)換成非壓縮BCD的程序后、才能進行調(diào)用查表程序送到顯示。軟件工作流程：霍爾傳感器利用磁電效應(yīng)產(chǎn)生一周期脈沖向單片機的外部中斷0（P3.2）口發(fā)送一個中斷信號，定時器工作在內(nèi)部定時，TH0、TL0設(shè)定初值為0，作為除數(shù)的低兩字節(jié)，利用軟件記數(shù)器、定時器0中斷的次數(shù)作為除數(shù)高字節(jié)。中斷完畢讀取內(nèi)部記數(shù)值作為除數(shù)，調(diào)用除法程序計算轉(zhuǎn)速，再對二進制數(shù)進行一系列變換后調(diào)用查表顯示程序，顯示在LED上。轉(zhuǎn)速部分軟件設(shè)計思路：AT89C51單片機的P3.2口接收傳感器的信號。主要編寫一個外部中斷服務(wù)程序INT0，讀取記數(shù)值的三個字節(jié)，并再次清0記數(shù)初值以便下次的記數(shù)和計算。調(diào)用兩字節(jié)二進制-三字節(jié)十進制（BCD）轉(zhuǎn)換子程序BCD，再調(diào)用十進制轉(zhuǎn)換成非壓縮BCD程序、最后調(diào)用查表程序送顯示。軟件的具體設(shè)計我們將在下面的章節(jié)中作詳細介紹。3系統(tǒng)硬件設(shè)計3.1轉(zhuǎn)速測量原理3.1.1測頻法“M法在一定測量時間T內(nèi)，測量脈沖發(fā)生器（替代輸入脈沖）產(chǎn)生的脈沖數(shù)m1來測量轉(zhuǎn)速，如圖3.1“M”法測量轉(zhuǎn)速脈沖[3]所示，設(shè)在時間T內(nèi)，轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)過的弧度數(shù)為Xτ，則轉(zhuǎn)速n可由下式表示：n=(3-1)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)過的弧度數(shù)Xτ可用下式所示m1X(3-2)圖3.1“M”法測量轉(zhuǎn)速脈沖將（3-2）式代入（3-1）式得轉(zhuǎn)速n的表達式為：n=（3-3）P-為轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)一周脈沖發(fā)生器產(chǎn)生的脈沖數(shù)；n-轉(zhuǎn)速單位：（轉(zhuǎn)/分）；T-定時時間單位：（秒）。在該方法中，測量精度是由于定時時間T和脈沖不能保證嚴格同步，以及在T內(nèi)能否正好測量外部脈沖的完整的周期，可能產(chǎn)生的1個脈沖的量化誤差。因此，為了提高測量精度，T要有足夠長的時間。定時時間可根據(jù)測量對象情況預(yù)先設(shè)置。設(shè)置的時間過長，可以提高精度，但在轉(zhuǎn)速較快的情況下，所計的脈沖數(shù)增大（碼盤孔數(shù)已定情況下），限制了轉(zhuǎn)速測量的量程。而設(shè)置的時間過短，測量精度會受到一定的影響。3.1.2測周期法“T法”轉(zhuǎn)速可以用兩脈沖產(chǎn)生的間隔寬度TP來決定。用以采集數(shù)據(jù)的碼盤，可以是單孔或多孔，對于單孔碼盤測量兩次脈沖間的時間，就可測出轉(zhuǎn)述數(shù)據(jù)，TP也可以用時鐘脈沖數(shù)來表示。對于多孔碼盤，其測量的時間只是每轉(zhuǎn)的1/N，N為碼盤孔數(shù)。如圖3.2“T”法脈寬測量所示。TP通過定時器測得。定時器對時基脈沖(頻率為fc)進行計數(shù)定時，在TP內(nèi)計數(shù)值若為m2，則計算公式為：n=（3-4）即：（3-5）fc-為硬件產(chǎn)生的基準時鐘脈沖頻率：單位（Hz）；n-轉(zhuǎn)速單位：（轉(zhuǎn)/分）；m2-時基脈沖。圖3.2“T”法脈寬測量由“T”法脈寬測量可知“T”法測量精度的誤差主要有兩個方面，一是兩脈沖的上升沿觸發(fā)時間不一致而產(chǎn)生的；二是計數(shù)和定時起始和關(guān)閉不一致而產(chǎn)生的。因此要求脈沖的上升沿（或下降沿）陡峭和計數(shù)和定時嚴格同步。測周法在低轉(zhuǎn)速時精度較高，但隨著轉(zhuǎn)速的增加，精度變差，有小于一個脈沖的誤差存在。3.1.3測頻測周法“M/T法”所謂測頻測周法，即是綜合了“T”法和“M”法分別對高、低轉(zhuǎn)速具有的不同精度，利用各自的優(yōu)點而產(chǎn)生的方法，精度位于兩者之間，如圖3.3“M/T”法定時/計數(shù)測量所示?！癕/T”法采用三個定時/計數(shù)器，同時對輸入脈沖、高頻脈沖（由振蕩器產(chǎn)生）、及預(yù)設(shè)的定時時間進行定時和計數(shù)，m1反映轉(zhuǎn)角，m2反映測速的準確時間，通過計算可得轉(zhuǎn)速值n。該法在高速及低速時都具有相對較高的精度。測速時間Td由脈沖發(fā)生器脈沖來同步，即Td等于m1個脈沖周期。由圖可見，從a點開始，計數(shù)器對m1和m2計數(shù)，到達b點，預(yù)定的測速時間時，單片機發(fā)出停止計數(shù)的指令，因為Tc不一定正好等于整數(shù)個脈沖發(fā)生器脈沖周期，所以，計數(shù)器仍對高頻脈沖繼續(xù)計數(shù)，到達c點時，脈沖發(fā)生器脈沖的上升沿使計數(shù)器停止，這樣，m2就代表了m1個脈沖周期的時間。“M/T”法綜合了“T”和“M”兩種方法，轉(zhuǎn)速計算如下：設(shè)高頻脈沖的頻率為fc，脈沖發(fā)生器每轉(zhuǎn)發(fā)出P個脈沖，由式（3-2）和（3-5）可得M/T法轉(zhuǎn)速計算公式為：(3-6)n-轉(zhuǎn)速值。單位：（轉(zhuǎn)/分）；fc-晶體震蕩頻率：單位（Hz）；m1-輸入脈沖數(shù)，反映轉(zhuǎn)角；m2-時基脈沖數(shù)。圖3.3“M/T”法定時/計數(shù)測量3.1.4轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)中應(yīng)用的方法通過上面的分析可知，M法適合于高速測量，當轉(zhuǎn)速越低，產(chǎn)生的誤差會越大。T法適合于低速測量，轉(zhuǎn)速增高，誤差增大。M/T這種轉(zhuǎn)速測量方法的相對誤差與轉(zhuǎn)速n無關(guān)，只與晶體振蕩產(chǎn)生的脈沖有關(guān)，故可適合各種轉(zhuǎn)速下的測量。保證其測量精度的途徑是增大定時時間T，或提高時基脈沖的頻率fc。因此，在實際操作時往往采用一種稱變M/T的測量方法，即所謂變M/T法，在M/T法的基礎(chǔ)上，讓測量時間Tc始終等于轉(zhuǎn)速輸入脈沖信號的周期之和。并根據(jù)第一次的所測轉(zhuǎn)速及時調(diào)整預(yù)測時間Tc，兼顧高低轉(zhuǎn)速時的測量精度。基于M法測量速度，電路和程序均較為簡單，且可以在一定的條件下滿足精度的要求，所以本設(shè)計中采用M法進行測量。3.2霍爾傳感器的簡介3.2.1霍爾效應(yīng)1.簡介霍爾效應(yīng)是磁電效應(yīng)的一種，這一現(xiàn)象是霍爾（A.H.Hall，1855-1938）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，利用這現(xiàn)象制成的各種霍爾元件，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?；魻栃?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)。流體中的霍爾效應(yīng)是研究“磁流體發(fā)電”的理論基礎(chǔ)。2．霍爾效應(yīng)將一塊半導(dǎo)體或?qū)w材料，沿Z方向加以磁場B，沿X方向通以工作電流I，則在Y方向產(chǎn)生出電動勢VH，如圖3.4所示，這現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)。VH稱為霍爾電壓。(a)(b)圖3.4霍爾效應(yīng)原理圖實驗表明，在磁場不太強時，電位差VH與電流強度I和磁感應(yīng)強度B成正比，與板的厚度d成反比，即(3-7)或(3-8)式（3-7）中RH稱為霍爾系數(shù)，式（3-8）中KH稱為霍爾元件的靈敏度，單位為mv/(mA·T)。產(chǎn)生霍爾效應(yīng)的原因是形成電流的作定向運動的帶電粒子即載流子（N型半導(dǎo)體中的載流子是帶負電荷的電子，P型半導(dǎo)體中的載流子是帶正電荷的空穴）在磁場中所受到的洛侖茲力作用而產(chǎn)生的。如圖3.4（a）所示，一塊長為l、寬為b、厚為d的N型單晶薄片，置于沿Z軸方向的磁B中，在X軸方向通以電流I，則其中的載流子——電子所受到的洛侖茲力為(3-9)式中為電子的漂移運動速度，其方向沿X軸的負方向。e為電子的電荷量。指向Y軸的負方向。自由電子受力偏轉(zhuǎn)的結(jié)果，向A側(cè)面積聚，同時在B側(cè)面上出現(xiàn)同數(shù)量的正電荷，在兩側(cè)面間形成一個沿Y軸負方向上的橫向電場（即霍爾電場），使運動電子受到一個沿Y軸正方向的電場力，A、B面之間的電位差為（即霍爾電壓），則(3-10)將阻礙電荷的積聚，最后達穩(wěn)定狀態(tài)時有即得(3-11)此時B端電位高于A端電位。若N型單晶中的電子濃度為n，則流過樣片橫截面的電流I=nebdV得(3-12)將(3.12)式代入(3.11)式得(3-13)式中稱為霍爾系數(shù)，它表示材料產(chǎn)生霍爾效應(yīng)的本領(lǐng)大小；稱為霍爾元件的靈敏度，一般地說，KH愈大愈好，以便獲得較大的霍爾電壓VH。因KH和載流子濃度n成反比，而半導(dǎo)體的載流子濃度遠比金屬的載流子濃度小，所以采用半導(dǎo)體材料作霍爾元件靈敏度較高。又因KH和樣品厚度d成反比，所以霍爾片都切得很薄，一般d≈0.2mm。上面討論的是N型半導(dǎo)體樣品產(chǎn)生的霍爾效應(yīng)，B側(cè)面電位比A側(cè)面高；對于P型半導(dǎo)體樣品，由于形成電流的載流子是帶正電荷的空穴，與N型半導(dǎo)體的情況相反，A側(cè)面積累正電荷，B側(cè)面積累負電荷，如圖3-4（b）所示，此時，A側(cè)面電位比B側(cè)面高。由此可知，根據(jù)A、B兩端電位的高低，就可以判斷半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電類型是P型還是N型。由（3-13）式可知，如果霍爾元件的靈敏度RH已知，測得了控制電流I和產(chǎn)生的霍爾電壓VH，則可測定霍爾元件所在處的磁感應(yīng)強度為：高斯計就是利用霍爾效應(yīng)來測定磁感應(yīng)強度B值的儀器。它是選定霍爾元件，即KH已確定，保持控制電流I不變，則霍爾電壓VH與被測磁感應(yīng)強度B成正比。如按照霍爾電壓的大小，預(yù)先在儀器面板上標定出高斯刻度，則使用時由指針示值就可直接讀出磁感應(yīng)強度B值。由（3-13）式知因此將待測的厚度為d的半導(dǎo)體樣品，放在均勻磁場中，通以控制電流I，測出霍爾電壓VH，再用高斯計測出磁感應(yīng)強度B值，就可測定樣品的霍爾系數(shù)RH。又因（或），故可以通過測定霍爾系數(shù)來確定半導(dǎo)體材料的載流子濃度n（或p）（n和p分別為電子濃度和空穴濃度）。嚴格地說，在半導(dǎo)體中載流子的漂移運動速度并不完全相同，考慮到載流子速度的統(tǒng)計分布，并認為多數(shù)載流子的濃度與遷移率之積遠大于少數(shù)載流子的濃度與遷移率之積，可得半導(dǎo)體霍爾系數(shù)的公式中還應(yīng)引入一個霍爾因子rH，即普通物理實驗中常用N型Si、N型Ge、InSb和InAs等半導(dǎo)體材料的霍爾元件在室溫下測量，霍爾因子，所以：式中，庫侖3.2.2霍爾元件霍爾元件是一種基于霍爾效應(yīng)[4]的磁傳感器，已發(fā)展成一個品種多樣的磁傳感器產(chǎn)品族，并已得到廣泛應(yīng)用?；魻栐且环N磁傳感器。要他們可以檢測磁場及其變化，可以在各種與磁場有關(guān)的場合中?；魻柶骷曰魻栃?yīng)為其工作基礎(chǔ)。霍爾器件具有許多優(yōu)點，他們的結(jié)構(gòu)牢固，體積小，重量輕，壽命長，安裝方便，功耗小，頻率高（可達1MHZ），耐震動，不怕灰塵、水汽及煙霧等污染或腐蝕?；魻柧€性器件的精度高、線性度好；霍爾開關(guān)器件無觸點、無磨損、輸出波形清晰、無抖動、無回調(diào)、位置重復(fù)精度高（可達um級）。采用了各種補償措施的霍爾器件的工作溫度范圍廣，可達55-150度。按照霍爾器件的功能可將他們分為：霍爾線性器件和霍爾開關(guān)器件。前者輸出模擬量，后者輸出數(shù)字量。按被檢測的對象的性質(zhì)可將它們分為：直接應(yīng)用和間接應(yīng)用。前者是直接檢測出被測對象本身的磁場或磁特性，后者是檢測被檢測對象上人為設(shè)置的磁場，用這個磁場作為被檢測信息的載體，通過它，將許多非電、非磁的物理量例如力、力矩、壓力、應(yīng)力、位置、位移、加速度、角度、角速度、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)數(shù)以及工作狀態(tài)發(fā)生變化的時間等，轉(zhuǎn)換成電量來進行檢測和控制。集成霍爾傳感器是利用硅集成電路工藝將霍爾元件和測量線路集成在一起的一種傳感器。它取消了傳感器和測量電路之間的界限，實現(xiàn)了材料、元件、電路三位一體。集成霍爾傳感器與分立相比，由于減少了焊點，因此顯著地提高了可靠性。此外，它具有體積小、重量輕、功耗低等優(yōu)點，正越來越愛到眾的重視。集成霍爾傳感器的輸出是經(jīng)過處理的霍爾輸出信號。按照輸出信號的形式，可以分為開關(guān)型集成霍爾傳感器和線性集成霍爾傳感器兩種類型。開關(guān)型集成霍爾傳感器是把霍爾元件的輸出經(jīng)過處理后輸出一個高電平或低電平的數(shù)字信號?；魻栭_關(guān)電路又稱霍爾數(shù)字電路，由穩(wěn)壓器、霍爾片、差分放大器，施密特觸發(fā)器和輸出級組成。3.2.3UGN3144霍爾開關(guān)元件1．UGN3144霍爾開關(guān)元件的工作原理UGN3144霍爾開關(guān)元件屬于開關(guān)型霍爾傳感器（集成霍爾開關(guān)），它是把霍爾片產(chǎn)生的霍爾電壓VH放大后驅(qū)動觸發(fā)電路，輸出電壓是能反映B的變化的方脈沖。集成霍爾開關(guān)由穩(wěn)壓器、霍爾電勢發(fā)生器（即硅霍爾片）、差分放大器、施密特觸發(fā)器和OC門輸出五個基本部分組成。在輸入端（1、2之間）輸入電壓Vcc，經(jīng)穩(wěn)壓器穩(wěn)壓后加在霍爾發(fā)生器的兩電流端。根據(jù)霍爾效應(yīng)原理，當霍爾片處于磁場中時，霍爾發(fā)生器的兩電壓端將會有一個霍爾電勢差VH輸出。VH經(jīng)放大器放大以后送至施密特觸發(fā)器整形，使其成為方波輸送到OC門輸出。圖3.5開關(guān)型霍爾傳感器的原理當外磁場B達到“工作點”Bop時，觸發(fā)器輸出高電平（相對于地電位），三極管導(dǎo)通，此時，OC門輸出端輸出低電平，通常稱這種狀態(tài)為“開”；當外磁場B達到“釋放點”Brp時，觸發(fā)器輸出低電平，三極管截止，OC門輸出高電平，這時稱其為“關(guān)”狀態(tài)。Bop與Brp是有一定差值的，此差值BH=Bop-Brp稱為霍爾開關(guān)的磁滯。B的變化不超過BH，霍爾開關(guān)不翻轉(zhuǎn)，這就使得開關(guān)輸出穩(wěn)定可靠。集成霍爾開關(guān)傳感器的輸出特性如圖(3.6)。圖3.6開關(guān)型霍爾傳感器的輸出特性2.UGN3144主要技術(shù)性能與特點AllegroMicroSystems公司生產(chǎn)的UGN3144器件是雙極性磁場即N,S交變場磁啟動的霍爾開關(guān)電路，它的主要性能特點如下：（1）電源電壓為4.5—24V；（2）連續(xù)輸出電流為25MA;（3）磁通密度不受限制，輸出關(guān)斷電壓為25V；（4）具有反向電壓保護（反向電壓為35V）和極好的溫度穩(wěn)定性；（5）工作溫度為-20到85攝氏度或者是-40到25℃。3.UGN3144霍爾開關(guān)元件的引腳功能和封裝形式UGN3144采用SOT89或者TO-243封裝。其中，引腳端1為電源正端，引腳端2為接地，引腳端3為輸出（OC形式）。圖3.7UGN3144的封裝結(jié)構(gòu)4．UGN3144霍爾開關(guān)元件在測量系統(tǒng)中的設(shè)計UGN3144霍爾開關(guān)元件芯片內(nèi)部包含有穩(wěn)壓電路，霍爾效應(yīng)電壓產(chǎn)生電路，信號放大器，施密特觸發(fā)器和一個集電極開路輸出電路。集電極開路輸出電路可連續(xù)輸出25MA電流，可直接控制繼電器，雙向可控硅，可控硅，LED和燈負載。其具有輸出自舉電路，也可直接與雙極型和MOS邏輯電路連接。轉(zhuǎn)速測量是開關(guān)型霍爾元件的典型應(yīng)用，UGN3144霍爾開關(guān)元件感應(yīng)被測量量的轉(zhuǎn)速，當被測量量每轉(zhuǎn)動一周，霍爾傳感器便輸出一個脈沖，因為該器件為集電極開路輸出，故輸出端加接一上拉電阻，其電壓電壓范圍寬達4.5V到24V，對磁感應(yīng)強度B要求不嚴，其輸出電壓經(jīng)9012后可提高其負載能力。其具體電路圖如3.8所示：圖3.8UGN3144霍爾開關(guān)元件與單片機的連接電路3.3單片機及其接口的設(shè)計3.3.1AT89C51單片機的簡介單片機我們采用AT89C51(其引腳圖如圖3-9)，相較于INTEL公司的8051它本身帶有一定的優(yōu)點。AT89C51是一種帶4K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存貯器（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(shù)制造，與工業(yè)標準的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。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，AT89C單片機為很多嵌入式控制系統(tǒng)[5]提供了一種靈活性高且價廉的方案。圖3-9AT89C51引腳圖主要特性：·與MCS-51兼容·4K字節(jié)可編程閃爍存儲器壽命：1000寫/擦循環(huán)·數(shù)據(jù)保留時間：10年·全靜態(tài)工作：0Hz-24Hz·三級程序存儲器鎖定·128*8位內(nèi)部RAM·32可編程I/O線·兩個16位定時器/計數(shù)器·5個中斷源·可編程串行通道·低功耗的閑置和掉電模式·片內(nèi)振蕩器和時鐘電路管腳說明：1.VCC：供電電壓；2.GND：接地；3.P0口：P0口為一個8位漏極開路雙向I/O口，每腳可吸收8TTL門電流。當P1口的管腳第一次寫1時，被定義為高阻輸入。P0能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲器，它可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的第八位。在FIASH編程時，P0口作為原碼輸入口，當FIASH進行校驗時，P0輸出原碼，此時P0外部必須被拉高。4.P1口：P1口是一個內(nèi)部提供上拉電阻的8位雙向I/O口，P1口緩沖器能接收輸出4TTL門電流。P1口管腳寫入1后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入，P1口被外部下拉為低電平時，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在FLASH編程和校驗時，P1口作為第八位地址接收。5.P2口：P2口為一個內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2口緩沖器可接收，輸出4個TTL門電流，當P2口被寫“1”時，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時，P2口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。P2口當用于外部程序存儲器或16位地址外部數(shù)據(jù)存儲器進行存取時，P2口輸出地址的高八位。在給出地址“1”時，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢，當對外部八位地址數(shù)據(jù)存儲器進行讀寫時，P2口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。P2口在FLASH編程和校驗時接收高八位地址信號和控制信號。6.P3口：P3口管腳是8個帶內(nèi)部上拉電阻的雙向I/O口，可接收輸出4個TTL門電流。當P3口寫入“1”后，它們被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平，P3口將輸出電流（ILL）這是由于上拉的緣故。P3口也可作為AT89C51的一些特殊功能口，如下表3.1所示：7.RST：復(fù)位輸入。當振蕩器復(fù)位器件時，要保持RST腳兩個機器周期的高電平時間。8.ALE/PROG：當訪問外部存儲器時，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)。在FLASH編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時，ALE端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此它可用作對外部輸出的脈沖或用于定時目的。然而要注意的是：每當用作外部數(shù)據(jù)存儲器時，將跳過一個ALE脈沖。如想禁止ALE的輸出可在SFR8EH地址上置0。表3.1P3口的第二功能引腳第二功能信號名稱P3.0RXD串行數(shù)據(jù)接收P3.1TXD串行數(shù)據(jù)發(fā)送P3.2INT0外部中斷0請求P3.4INT1外部中斷1請求P3.4T0定時器/計數(shù)器0輸入P3.5T1定時器/計數(shù)器1輸入P3.6WR外部RAM寫選通P3.7RD外部RAM讀選通P3口同時為閃爍編程和編程校驗接收一些控制信號。此時，ALE只有在執(zhí)行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，該引腳被略微拉高。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài)ALE禁止，置位無效。/PSEN：外部程序存儲器的選通信號。在由外部程序存儲器取指期間，每個機器周期兩次/PSEN有效。但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，這兩次有效的/PSEN信號將不出現(xiàn)。

10./EA/VPP：當/EA保持低電平時，則在此期間外部程序存儲器（0000H-FFFFH），不管是否有內(nèi)部程序存儲器。注意加密方式1時，/EA將內(nèi)部鎖定為RESET；當/EA端保持高電平時，此間內(nèi)部程序存儲器。在FLASH編程期間，此引腳也用于施加12V編程電源（VPP）。11.XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時鐘工作電路的輸入。

12.XTAL2：來自反向振蕩器的輸出。3.3.2復(fù)位電路計算機在啟動運行時都需要復(fù)位，使中央處理器CPU和系統(tǒng)中的其它部件都處于一個確定的初始狀態(tài)，并從這個狀態(tài)開始工作。MCS-51單片機有一個復(fù)位引腳RST，它是史密特觸發(fā)輸入(對于CHMOS單片機，RST引腳的內(nèi)部有一個拉低電阻)，當振蕩器起振后該引腳上出現(xiàn)2個機器周期(即24個時鐘周期)以上的高電平，使器件復(fù)位，只要RST保持高電平，MCS-51保持復(fù)位狀態(tài)。此時ALE、PSEN、P0、P1、P2、P3口都輸出高電平。RST變?yōu)榈碗娖胶螅顺鰪?fù)位，CPU從初始狀態(tài)開始工作。單片機采用的復(fù)位方式是采用芯片TCM812進行復(fù)位。

TCM812是高性價比的系統(tǒng)監(jiān)控電路，用于對數(shù)字系統(tǒng)的電源電壓VDD進行監(jiān)控，并在必要時向主處理器提供復(fù)位信號。提供的手動復(fù)位輸入可以替代復(fù)位監(jiān)控器，適合使用按鍵來復(fù)位。無需外部元件。該器件由SOT-143方式封裝，工作溫度范圍為-40℃至+85℃。其引腳如下：圖3.10TCM812芯片的引腳圖TCM812芯片的引腳功能：（1）GND地（2）RESET當VDD低于復(fù)位電壓門限值和VDD恢復(fù)上升到高于復(fù)位電壓門限值之后的140ms（最小值）內(nèi)，RESET推挽輸出保持高電平。

（3）MR手動復(fù)位輸入，當MR低于VIL時產(chǎn)生復(fù)位。

（4）VDD電源電壓由于TCM812芯片的特點，本設(shè)計中采用該芯片進行復(fù)位，其電路圖如下：圖3.11復(fù)位電路3.3.3時鐘電路時鐘電路是計算機的心臟，它控制著計算機的工作節(jié)奏。MCS-51單片機允許的時鐘頻率是因型號而異的典型值為12MHZ。MCS-51內(nèi)部都有一個反相放大器，XTAL1、XTAL2分別為反相放大器輸入和輸出端，外接定時反饋元件以后就組成振蕩器，產(chǎn)生時鐘送至單片機內(nèi)部的各個部件。電路中的電容C1和C2典型值通常選擇為30pf左右。對外接電容的值雖然沒有嚴格的要求，但電容的大小會影響振蕩器的頻率的高低，振蕩器的穩(wěn)定性和起振的快速性。晶振的振蕩頻率的范圍通常是在1.2MHZ-12MHZ之間。晶振的頻率越高，則系統(tǒng)的時鐘頻率也就越高，單片機的運行速度也就越快。但反過來運行速度快對存儲器的速度要求就高，對印制電路板的工藝要求也高，即要求線簡的寄生電容要??；晶振和電容應(yīng)盡可能安裝得與單片機芯片靠近，以減少寄生電容，更好地保證振蕩器穩(wěn)定，可靠地工作。綜合考慮，本設(shè)計采用30pf的電容，因為晶振的頻率無法精確達到12MHZ，所以一般情況采用11.0592MHZ,其電路圖如下所示：圖3.12AT89C51的時鐘電路3.3.4顯示電路顯示電路采用LED數(shù)碼管顯示，LED（Light-EmittingDiode）是一種外加電壓從而渡過電流并發(fā)出可見光的器件。LED是屬于電流控制器件，使用時必須加限流電阻。LED有單個LED和八段LED之分，也有共陰和共陽兩種。1．LED顯示器的結(jié)構(gòu)及其工作原理常用的七段顯示器的結(jié)構(gòu)如圖3.13所示。發(fā)光二極管的陽極連在一起的稱為共陽極顯示器,陰極連在一起的稱為共陰極顯示器。1位顯示器由八個發(fā)光二極管組成，其中七個發(fā)光二極管a~g控制七個筆畫（段）的亮或暗，另一個控制一個小數(shù)點的亮和暗，這種筆畫式的七段顯示器能顯示的字符較少，字符的開頭有些失真，但控制簡單，使用方便。如圖3.13所示，為七段數(shù)碼管的管腳圖。圖3.13七段發(fā)光顯示器的結(jié)構(gòu)LED數(shù)碼管通過點亮特定的字段來顯示數(shù)字或符號。共陰與共陽七段LED數(shù)碼管的顯示字符與對應(yīng)的顯示段碼如下表所示，共陽七段數(shù)碼管的段碼剛好是共陰七段數(shù)碼管段碼的反碼。表3.2共陰極七段LED數(shù)碼管和共陽極七段LED數(shù)碼管的顯示段碼表顯示字符012345678共陰極字符3FH06H5BH4FH66H6DH7DH07H7FH共陽極字符C0HF9HA4HB0H99H92H82HF8H80H顯示字符9AbCdEFHP共陰極字符6FH77H7CH39H5EH79H71H76H73H共陽極字符90H88H83HC6HA1H86H8EH89H8CHLED數(shù)碼管要正常顯示，就要用驅(qū)動電路來驅(qū)動數(shù)碼管的各個段碼，從而顯示出我們要的數(shù)位，因此根據(jù)LED數(shù)碼管的驅(qū)動方式的不同，可以分為靜態(tài)式和動態(tài)式兩類。A．靜態(tài)顯示驅(qū)動靜態(tài)驅(qū)動也稱直流驅(qū)動。靜態(tài)驅(qū)動是指每個數(shù)碼管的每一個段碼都由一個單片機的I/O口進行驅(qū)動，或者使用如BCD碼二-十進位器進行驅(qū)動。靜態(tài)驅(qū)動的優(yōu)點是編程簡單，顯示亮度高，缺點是占用I/O埠多，如驅(qū)動5個數(shù)碼管靜態(tài)顯示則需要5×8＝40根I/O口來驅(qū)動，要知道一個89C51單片機可用的I/O口才32個呢。故實際應(yīng)用時必須增加驅(qū)動器進行驅(qū)動，增加了硬體電路的復(fù)雜性。B．動態(tài)顯示驅(qū)動

數(shù)碼管動態(tài)顯示介面是單片機中應(yīng)用最為廣泛的一種顯示方式之一，動態(tài)驅(qū)動是將所有數(shù)碼管的8個顯示筆劃"a,b,c,d,e,f,g,."的同名端連在一起，另外為每個數(shù)碼管的公共極COM增加位元選通控制電路，位元選通由各自獨立的I/O線控制，當單片機輸出字形碼時，所有數(shù)碼管都接收到相同的字形碼，但究竟是那個數(shù)碼管會顯示出字形，取決于單片機對位元選通COM端電路的控制，所以我們只要將需要顯示的數(shù)碼管的選通控制打開，該位就顯示出字形，沒有選通的數(shù)碼管就不會亮。2．LED顯示器接口電路的具體設(shè)計單片機的LED顯示接口設(shè)計可采用多種方案。按照顯示方式分為靜態(tài)顯示接口電路和動態(tài)顯示接口電路。從與單片機的接口方式來分可分為并行接口方式和串行接口方式。在設(shè)計LED顯示接口電路時，既可采用通用集成芯片，也可采用專用的集成顯示接口芯片。在本設(shè)計考慮了綜合因素，一般采用動態(tài)顯示方式，采用了HD7279驅(qū)動器驅(qū)動LED數(shù)碼管，在接下來的小節(jié)中將具體介紹其功能。因為

HD7279A是一款具有簡單SPI串行接口的器件，可直接驅(qū)動8位共陰式數(shù)碼管，所以我們采用了共陰極數(shù)碼管。為了使LED數(shù)碼管的正常工作，都采用一定的驅(qū)動電壓，所以在顯示電路設(shè)計過程中，還應(yīng)該加上限流電阻，具體的電路圖將在下節(jié)一起介紹。3.3.5HD7279接口1．引腳介紹

HD7279A是一款具有簡單SPI串行接口[6]的器件，可直接驅(qū)動8位共陰式數(shù)碼管(或64個獨立的LED)，管理多達64鍵鍵盤，單片即可完成LED顯示和鍵盤接口的全部功能，大大簡化電路設(shè)計，占用單片機資源極少(最少2線)，完全免調(diào)試，外圍電路更簡單。HD7279A內(nèi)部含有譯碼器可直接接收BCD碼或16進制碼，也可不譯碼，并同時具有兩種譯碼方式。此外，該器件還具有多種控制指令，諸如消隱，閃爍，左移，右移和段尋址等，顯示控制方式靈活，其段尋址能力可用于獨立的LED顯示或信息指示燈控制。圖3.14為HD729A的引腳配置，其各引腳功能描述如表3-3所列。HD7279A具有片選信號，可方便實現(xiàn)高于8位的顯示或高于64鍵的鍵盤接口，采用多片級聯(lián)，對片選信號進行譯碼即可實現(xiàn)。當應(yīng)用系統(tǒng)中只有一片HD7279A時，片選端CS可直接接地。圖3.14HD7279引腳配置表3.3HD7279引腳功能介紹引腳名稱功能描述1,2VDD正電源3,5NC無連接，必須懸空4VSS接地6片選輸入端，此引腳為低電平，可向器件發(fā)送指令及讀取鍵盤數(shù)據(jù)7CLK同步時鐘輸入端，向器件發(fā)送數(shù)據(jù)及讀取鍵盤數(shù)據(jù)時，此引腳電平上升沿表示數(shù)據(jù)有效8DATA串行數(shù)據(jù)輸入/輸出端，當器件接收指令時，此引腳為輸入端；當讀取鍵盤數(shù)據(jù)時，此引腳在‘讀’指令最后一個時鐘的下降沿變?yōu)檩敵龆?按鍵有效輸出端，平時為高電平，當檢測到有效按鍵時，此引腳為低電平10~16SG~SA段g~段a驅(qū)動輸出17DP小數(shù)點驅(qū)動輸出18~25DIG0-DIG7數(shù)字0~數(shù)字7驅(qū)動輸出26CLKORC振蕩器連接端27RC復(fù)位端28復(fù)位端2．HD7279A的工作原理

HD7279A最顯著的優(yōu)點是與單片機的接口簡單，最多只需5條連接線，分別是復(fù)位端RESET，片選輸入端CS，同步時鐘輸入端CLK，數(shù)據(jù)輸入輸出端DATA和按鍵有效輸出端KEY。在一般應(yīng)用系統(tǒng)中，RESET可直接接電源，當應(yīng)用系統(tǒng)中只有一片HD7279A器件時，CS也可以直接接地，此時只需占用3條單片機的I／O端口線，如果應(yīng)用系統(tǒng)中沒有鍵盤，僅具有顯示功能，或者即使有鍵盤，但單片機軟件任務(wù)不復(fù)雜，均可不接KEY線，使用定時讀取鍵盤鍵值代碼的方法，則此時只需占用2條單片機的I/0端口線。3．HD7279A接口的具體設(shè)計根據(jù)HD7279A的特點與優(yōu)點，我們選擇該器件來驅(qū)動數(shù)碼管，實現(xiàn)數(shù)碼顯示，其具體電路如下圖所示：圖3.15HD7279驅(qū)動顯示器的具體電路3.3.6鍵盤電路本設(shè)計使用的鍵盤主要為完成一個功能—轉(zhuǎn)速測量的啟動/停止；我們將開關(guān)直接與AT89C51單片機的P1.1接口相連，通過讀I/O口，判定各I/O線的電平狀態(tài)，即可識別出按下的按鍵。操作員通過鍵盤可以輸入數(shù)據(jù)或指令，實現(xiàn)簡單的人機通信。我們采用了獨立式鍵盤電路，按鍵均采用了上拉電阻，這是為了保證在按鍵斷開時，個I/O口有確定的高電平，同時，還備用兩個按鍵方便擴展，其具體電路如下所示：圖3-16鍵盤電路4系統(tǒng)軟件設(shè)計4.1單片機轉(zhuǎn)速程序設(shè)計思路及過程單片機測量轉(zhuǎn)速可以分為若干模塊，然后在主程序中調(diào)用各個模塊，流程圖如下圖所示。初始化初始化BCD碼轉(zhuǎn)換計算程序非壓縮BCD碼轉(zhuǎn)換顯示程序返回開始圖4.1主程序流程圖4.1.1單片機程序設(shè)計思路計算轉(zhuǎn)速公式：n=60/NTc(r/min)其中，N是內(nèi)部定時器的計數(shù)值，為三字節(jié)，分別由TH0，TL0，VTT構(gòu)成；Tc為時基，由于采用11.0592M的晶振，所以Tc不在是1um，而是12M/11.0592M約為1.08um,帶入上面公式,即可得到轉(zhuǎn)速的精確計算公式：N=60*11059200/12N=55296000/N再將55296000化為二進制存入單片機的內(nèi)存單元。下面我們將介紹除數(shù)是如何獲得的：單片機的轉(zhuǎn)速測量完成，定時器T0作為內(nèi)部定時器[7]，外部中斷來的時候讀取TH0，TL0，并同時清零TH0、TL0，使定時器再次循環(huán)計內(nèi)部脈沖。此外，對于低速情況下，我們還要設(shè)定一個軟件計數(shù)器VTT，當外部中斷還沒來而內(nèi)部定時器已經(jīng)溢出，產(chǎn)生定時器0中斷時，增加VTT，作為三字節(jié)中的高字節(jié)。三字節(jié)組成除數(shù)，上面的常數(shù)為四字節(jié)，所以計算程序?qū)嶋H上就是調(diào)用一個四字節(jié)除三字節(jié)商為兩字節(jié)的程序。為數(shù)碼管能夠顯示出來，需將二進制轉(zhuǎn)換為十進制，在將十進制轉(zhuǎn)換為非壓縮BCD碼后，才能調(diào)用查表程序，最后送顯示。4.2子程序設(shè)計4.2.1單片機轉(zhuǎn)速計算程序由于本次設(shè)計的系統(tǒng)要實現(xiàn)的功能是將霍爾傳感器的信號送到單片機的外部中斷口，再對周期方波進行內(nèi)部計數(shù)，調(diào)用計算程序把轉(zhuǎn)速測出來。可以說是核心部分，流程圖如圖所示：開始開始返回被除數(shù)初始化調(diào)用除法程序讀取定時值圖4.2計算程序流程圖4.2.2二-十進制轉(zhuǎn)換程序計算程序計算出來的數(shù)據(jù)為二進制，存到50H、51H單元中以便發(fā)送程序中調(diào)用傳送數(shù)據(jù)到計算機，計算機可識別二進制，然而，我們需要在LED上顯示，查表程序需要拆分的BCD碼，所以二進制必須先轉(zhuǎn)換成BCD后才能拆分。這里介紹將（R2R3）中的16位二進制數(shù)轉(zhuǎn)換為壓縮BCD碼十進制整數(shù)送R4、R5、R6。除法除法移位次數(shù)→計數(shù)器上商1，減去除數(shù)被除數(shù)左移一位上商0計數(shù)器減1計數(shù)器=0？被除數(shù)>除數(shù)YNNY返回圖4.3除法程序流程圖4.2.3顯示程序單片機顯示部分可以用來顯示計算出來的數(shù)據(jù)的。在程序設(shè)計中，在AT89C51RAM存貯器中的四個顯示緩沖器單元30H－34H，分別存放著由計算出來的轉(zhuǎn)速的BCD碼進行拆分后的非壓縮BCD碼數(shù)據(jù)，AT89C51的P1口掃描輸出總是只有一位為低電平、其它位為高電平，AT89C51的P0口相應(yīng)位的顯示數(shù)據(jù)的段數(shù)據(jù)，使該位顯示出一個字符，其它們?yōu)榘担来蔚馗淖働1口輸出為低高的位，P0口輸出對應(yīng)的段數(shù)據(jù)，4位LED顯示器就顯示出由緩沖器中顯示數(shù)據(jù)所確定的字符。顯示部分程序分為兩部分：十進制BCD轉(zhuǎn)換成非壓縮BCD碼；查表程序顯示數(shù)據(jù)。雙字節(jié)整數(shù)拆分程序流程圖如圖4.4所示。開始開始返回高字節(jié)R4送30HR5與0F0H相與交換后送31HR6與0F0H相與交換后送33HR5與0FH相與后送32HR6與0FH相與后送34H圖4.4雙字節(jié)整數(shù)拆分程序流程圖顯示程序流程圖如圖4.5所示：結(jié)束結(jié)束開始INCR0，A=（R1）（R1）=P1，（R1）=A，RLAA+DPTR賦值給P0（R0）賦值給A30H→R0，表首地址→DPTR，（R1）=0FEH（R1）=0DFH？NY圖4.5顯示程序流程圖5轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速分析5.1測速范圍軟件設(shè)計中，采用的閘門時間是1s，T0的最大計數(shù)值是65536，因此，最大的計數(shù)量應(yīng)該是在ls內(nèi)不超過65535，這樣，即可算出最高計數(shù)頻率L。設(shè)計數(shù)頻率為f，其周期為l/f，計到65535個數(shù)據(jù)時，所用時間為：T=65535*1/f(1)按上述要求：當T=1s時，為極大值即L=65535*l/f所以f=65535(HZ)(2)本設(shè)計在實現(xiàn)時，設(shè)采用了12點的碼盤，即軸每轉(zhuǎn)一周，產(chǎn)生l2個脈沖，因此，軸實際輸出頻率為：f=65535/12=5460(Hz)，折算到轉(zhuǎn)速：n=f*60=327600(r/min)(3)用這種方法可以測量的轉(zhuǎn)速是很高的。如果這樣的轉(zhuǎn)速仍不能滿足要求，那么還可以采用軟件計數(shù)器的方法，進一步擴大其上限，這樣，其上限僅取決于定時/計數(shù)器的最大允許輸入頻率，而采用11.0592MHZ的晶振[8]，定時/計數(shù)器的最大允許頻率約可達到500KHZ，考慮到測量的對象的特性，因此，可以認為，采用M法進行測量，其上限足夠使用。這種測速方式的下限理論上也可以很低，但是當轉(zhuǎn)速低到一定程度時，其誤差已較大，因此，其測速下限與允許的測量誤差有關(guān)。5.2測量誤差由轉(zhuǎn)速公式：n=給出因m1的量化誤差是一個脈沖，故轉(zhuǎn)速變化：n′==n+n（5-1）其相對誤差為：（5-2）（5-3）（5-4）-相對誤差n′-加入一個脈沖后的轉(zhuǎn)速值n-轉(zhuǎn)速誤差由式5-4可知:這里T=1s，P=12，如果我們設(shè)定：=0.1％，那么可以計算出，n=60/0.012=5000時，可以滿足此要求，當n小于5000時，誤差將超出允許范圍之外。實際測量工作中，如果測量范圍超過這個范圍，可以加一個軟件計數(shù)器，編寫T0的中斷程序，在中斷程序中對軟件計數(shù)器加1，這樣，可以把計數(shù)范圍擴大256倍。除了被測量量的一些系數(shù)（如：碼點數(shù)）會對系統(tǒng)的測量產(chǎn)生影響外，閘門時間也是一個重要的因素，本程序中僅提供了一個ls固定的閘門時間，實際工程中，可根據(jù)需要，靈活地選擇閘門時間，兼顧動態(tài)、性能等各方面的要求，以取得最好的效果。從以上的分析可以看到，使用M法測量速度，電路和程序均較為簡單，且可以在一定的條件下滿足精度的要求。當然，如果要制作全量程專用測