基于單片機(jī)的霍爾測(cè)速報(bào)警系統(tǒng)方案

1、 . 26/32傳感器與測(cè)控電路課程設(shè)計(jì)報(bào)告學(xué)生： 禹 振 榜 指導(dǎo)教師：書儀 余以道 專業(yè)班級(jí)：12級(jí)測(cè)控二班 所在學(xué)院：機(jī)電工程學(xué)院 學(xué) 號(hào) 1203030214 課 題基于單片機(jī)的霍爾測(cè)速報(bào)警系統(tǒng)基于單片機(jī)的霍爾測(cè)速報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)摘要在生產(chǎn)中，電機(jī)應(yīng)用十分廣泛，比方汽車速度顯示，設(shè)備工作時(shí)的檔位，都需要我們了解電機(jī)或者機(jī)器的轉(zhuǎn)速。轉(zhuǎn)速作為工程中應(yīng)用的一個(gè)非常廣泛的參數(shù)，它的測(cè)量方法有很多，特別是單片機(jī)對(duì)脈沖數(shù)字信號(hào)的強(qiáng)大處理能力，使得全數(shù)字測(cè)量系統(tǒng)越來越普與，越來越方便。本設(shè)計(jì)屬于碼盤轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速的實(shí)時(shí)測(cè)量和顯示。本系統(tǒng)以STC90C51單片機(jī)為核心，旋轉(zhuǎn)編碼器通過用傳感器測(cè)量

2、非電量，轉(zhuǎn)變成模擬電量，再通過一系列測(cè)控電路。獲得數(shù)字信號(hào)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)軸轉(zhuǎn)速測(cè)量，同時(shí)用四位段碼式LED數(shù)碼管顯示模塊顯示電機(jī)轉(zhuǎn)速，并且參加了報(bào)警模塊。詳細(xì)闡述了轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)的工作過程，以與硬件電路的設(shè)計(jì)、顯示效果。本文吸收了硬件軟件化的思想，實(shí)現(xiàn)了題目要求的功能。關(guān)鍵詞：轉(zhuǎn)速測(cè)量,，單片機(jī), LED顯示模塊，霍爾傳感器。 目 錄第一局部 緒 論1.1 設(shè)計(jì)的任務(wù)與要求 1第二局部 功能分析與設(shè)計(jì)要求2.1 測(cè)控系統(tǒng)功能的概述 12.2系統(tǒng)模塊確實(shí)定 22.3各模塊的選擇 2 2 3 3 32.4 小結(jié) 3第三局部 測(cè)控系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)3.1 測(cè)控系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì) 4 4 53.2 測(cè)控系統(tǒng)子模塊簡

3、介 5 5 7 810第四局部 軟件設(shè)計(jì)4.1 程序設(shè)計(jì)步驟 124.2 程序流程圖 13 14 15第五局部 軟件調(diào)試與仿真5.1 KEIL軟件進(jìn)展程序調(diào)試 155.2 PROTEUS軟件仿真 165.3 硬件軟件聯(lián)合調(diào)試 17 18 19第六局部 結(jié)論參考文獻(xiàn) 20附錄 第一局部 緒 論1.1 設(shè)計(jì)的任務(wù)與要求本課題的任務(wù)是：設(shè)計(jì)一套測(cè)量轉(zhuǎn)速的儀器，轉(zhuǎn)速在數(shù)碼管上顯示，且具有超速報(bào)警功能，精度到達(dá)轉(zhuǎn)速個(gè)位，上下速實(shí)現(xiàn)報(bào)警。要求會(huì)選用傳感器并搭建測(cè)控電路，實(shí)現(xiàn)課題所要求的功能 本設(shè)計(jì)需要對(duì)各種測(cè)量轉(zhuǎn)速的根本方法予以分析，針對(duì)不同的應(yīng)用環(huán)境，利用單片機(jī)設(shè)計(jì)一種全數(shù)字化測(cè)速系統(tǒng)，從提高測(cè)量精度的

4、角度出發(fā)，分析討論其產(chǎn)生誤差的可能原因，為今后的實(shí)際使用提供借鑒。并從實(shí)際硬件電路出發(fā)，分析電路工作原理和軟件流程。熟悉傳感器的選擇，與外圍電路的設(shè)計(jì)，了解測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)的根本流程 第二局部 功能分析與設(shè)計(jì)要求2.1 測(cè)控系統(tǒng)功能的概述 在電機(jī)或轉(zhuǎn)軸上放置一個(gè)或多個(gè)磁鋼，將霍爾傳感器有規(guī)律的放置在電機(jī)或者轉(zhuǎn)軸附近，當(dāng)有磁場(chǎng)通過時(shí)，在傳感器上就可以產(chǎn)生電信號(hào)，通過測(cè)控電路對(duì)電信號(hào)的處理得到有用信號(hào)送單片機(jī)部，根據(jù)信號(hào)測(cè)出電機(jī)轉(zhuǎn)速，并在數(shù)碼管上顯示，且有報(bào)警功能。2.2系統(tǒng)模塊確實(shí)定通過對(duì)功能的分析可知，系統(tǒng)模塊分為以下幾類：傳感器模塊，以將非電信號(hào)信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。報(bào)警模塊，當(dāng)速度過低或過高時(shí)，啟

5、動(dòng)此模塊。顯示模塊，通過單片機(jī)處理得出轉(zhuǎn)速，送顯示模塊顯示。單片機(jī)模塊，用以對(duì)脈沖計(jì)數(shù)，對(duì)外部信號(hào)進(jìn)展處理。電源模塊，這里使用現(xiàn)有電源，初步確定為5v直流電源，故不再設(shè)計(jì)。 此外由于單片機(jī)有計(jì)數(shù)功能，計(jì)數(shù)模塊在單片機(jī)模塊中討論2.3各模塊的選擇霍爾傳感器是根據(jù)霍爾效應(yīng)制作的一種磁場(chǎng)傳感器?；魻栃?yīng)是磁電效應(yīng)的一種，霍爾傳感器具有許多優(yōu)點(diǎn)，體積小，重量輕，壽命長，安裝方便，功耗小，頻率高可達(dá)1MHZ，耐震動(dòng)，不怕灰塵、油污、水汽與鹽霧等的污染或腐蝕。廣泛用于各類工程實(shí)際應(yīng)用中，出于本錢的考慮，在這里我們選用直插式霍爾片傳感器A3144，與普通磁鋼配套使用，體積小，靈敏度高，價(jià)格在12元左右，根本

6、可以滿足本課題的要求方案一：采用蜂鳴器與LED發(fā)光二極管為主要報(bào)警系統(tǒng)，該系統(tǒng)本錢低，電路容易實(shí)現(xiàn)，編程容易。方案二：采用音樂語言報(bào)警，更人性化，但設(shè)計(jì)難度大，本錢高?；诂F(xiàn)有設(shè)備器件，選用方案一。這里課題已要求使用數(shù)碼管顯示，由于測(cè)量轉(zhuǎn)速適中，我們采用四位位選數(shù)碼管完全能滿足要求?；诂F(xiàn)有器件選用共陰極接法，但由于數(shù)碼管功耗較高，故需要參加驅(qū)動(dòng)芯片，在這里我們使用51單片機(jī)開發(fā)板上現(xiàn)有的鎖存芯片74573此系統(tǒng)十分簡單，數(shù)據(jù)處理不大，采用8位單片機(jī)完全能滿足需要，基于國8位單片機(jī)領(lǐng)導(dǎo)廠商宏晶公司生產(chǎn)的系列單片機(jī)的低價(jià)格，高性能的優(yōu)勢(shì)，我選用了系類9051八位單片機(jī)，編程和使用與一般80c51

7、單片機(jī)一樣。2.4 小結(jié)通過本小計(jì)，對(duì)本設(shè)計(jì)的根本模塊進(jìn)展了選擇，確定了顯示，報(bào)警，計(jì)數(shù)，傳感器，單片機(jī)選擇的可行性。并在實(shí)現(xiàn)儀器功能的根底上充分考慮了本錢問題。 第三局部 測(cè)控系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)3.1 測(cè)控系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量電壓比擬器霍爾傳感器單片機(jī)數(shù)碼管顯示電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路計(jì)數(shù)脈沖輸入非電量轉(zhuǎn)換為模擬電量聲光報(bào)警系統(tǒng)原理圖如下：系統(tǒng)硬件電路圖如下：3.2 測(cè)控系統(tǒng)子模塊簡介由霍爾效應(yīng)知，霍爾電勢(shì)的大小取決于：Rh為霍爾常數(shù)，它與半導(dǎo)體材質(zhì)有關(guān)；I為霍爾元件的偏置電流；B為磁場(chǎng)強(qiáng)度；d為半導(dǎo)體材料的厚度。對(duì)于一個(gè)給定的霍爾器件，當(dāng)偏置電流I固定時(shí)，UH將完全取決于被測(cè)的磁場(chǎng)強(qiáng)度B。一個(gè)

8、霍爾元件一般有四個(gè)引出端子，其中兩根是霍爾元件的偏置電流I的輸入端，另兩根是霍爾電壓的輸出端。如果兩輸出端構(gòu)成外回路，就會(huì)產(chǎn)生霍爾電流。在半導(dǎo)體薄片兩端通以控制電流I，并在薄片的垂直方向施加磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場(chǎng)，那么在垂直于電流和磁場(chǎng)的方向上，將產(chǎn)生電勢(shì)差為UH的霍爾電壓。 霍爾效應(yīng)原理圖 以上為alldatasheet關(guān)于3144的數(shù)據(jù)外部接口本系統(tǒng)采用開關(guān)型霍爾傳感器A3144以與磁鋼，由它們來檢測(cè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。工作方式為：將磁鋼安裝在電機(jī)的轉(zhuǎn)軸上，而霍爾傳感器那么放在轉(zhuǎn)軸的旁邊，霍爾傳感器連接在電路中，當(dāng)磁鋼隨轉(zhuǎn)軸經(jīng)過霍爾傳感器時(shí)，霍爾傳感器的工作原理知，此時(shí)將輸出一個(gè)低電平信號(hào)；而當(dāng)

9、磁鋼離開霍爾傳感器后，又將輸出一個(gè)高電平。這樣通過上下電平的轉(zhuǎn)換，將其送入單片機(jī)后就可以測(cè)量它的轉(zhuǎn)速。由于由霍爾傳感器輸出的電平未經(jīng)特殊處理，且存在干擾，故不是完整的脈沖電平，在后續(xù)電路中進(jìn)展改良，這里我們用到電壓比擬電路，選用常用的LM393雙電壓比擬集成芯片，下列圖是ALLDATASHEET數(shù)據(jù)，電路中只用到4、8、1、2、3腳。電路圖也在此給出：報(bào)警模塊可選用無源蜂鳴器或者有源蜂鳴器，有源蜂鳴器由于部有震蕩元件，故通電后就可以報(bào)警，由于硬件設(shè)備的限制，我們選用無源蜂鳴器，但編程上需要花點(diǎn)心思。顯示電路采用LED數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示，LEDLight-Emitting Diode是一種外加電壓從

10、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(shí)必須加限流電阻。LED有單個(gè)LED和八段LED之分，也有共陰和共陽兩種。七段發(fā)光數(shù)碼管結(jié)構(gòu)共陰極數(shù)碼管的發(fā)光二極管陰極必須接低電平,當(dāng)某發(fā)光二極管的陽極為高電平時(shí)(一般為+5V)時(shí),此二極管點(diǎn)亮;共陽極數(shù)碼管的發(fā)光二極管是陽極接到高電平,對(duì)于需要點(diǎn)亮的發(fā)光二極管使其陰極接低電平(一般為地)即可。根據(jù)LED顯示器可知，如果希望顯示“8字，那么除了“dp管不要點(diǎn)亮以外，其余管全部點(diǎn)亮。同理如果要顯示“1，只需bc兩個(gè)發(fā)光二極管點(diǎn)亮，其余均布點(diǎn)亮。通常將控制發(fā)光二極管的8位數(shù)據(jù)稱為段選碼，共陰極和共陽極的段選碼互為補(bǔ)碼。LED顯示器的段選

11、碼如下表所示： LED數(shù)碼管段選碼顯示局部電路圖如下，這里出于本錢簡便考慮，用到的是現(xiàn)有的單片機(jī)開發(fā)板，實(shí)際試驗(yàn)中只需用到四位數(shù)碼管，且未參加單個(gè)發(fā)光二極管。 值得注意的是由于數(shù)碼管功耗比擬高，故在前面參加了74HC573鎖存器芯片用做驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管，但這里用到的并不是鎖存功能。90單片機(jī)是國八位高性能單片機(jī)，選用的單片機(jī)帶16K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存貯器，STC的90C51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)廉的方案.P0口：P0口是一組8位漏極開路型雙向I0口，也即地址數(shù)據(jù)總線復(fù)用口。作為輸出口用時(shí)，每位能驅(qū)動(dòng)8個(gè)TTL邏輯門電路。P1口：Pl是一個(gè)帶部上拉電阻的

12、8位雙向IO口，Pl的輸出緩沖級(jí)可驅(qū)動(dòng)吸收或輸出電流4個(gè)TTL邏輯門電路。對(duì)端口寫“l(fā)，通過部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時(shí)可作輸入口。作輸入口使用時(shí)，因?yàn)椴看嬖谏侠娮?，某個(gè)引腳被外部信號(hào)拉低時(shí)會(huì)輸出一個(gè)電流.P2口：P2是一個(gè)帶有部上拉電阻的8位雙向IO口，P2的輸出緩沖級(jí)可驅(qū)動(dòng)吸收或輸出電流4個(gè)TTL邏輯門電路。對(duì)端口寫“1，通過部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時(shí)可作輸入口，作輸入口使用時(shí)，因?yàn)椴看嬖谏侠娮?，某個(gè)引腳被外部信號(hào)拉低時(shí)會(huì)輸出一個(gè)電流P3口：P3口是一組帶有部上拉電阻的8位雙向I0口。P3口輸出緩沖級(jí)可驅(qū)動(dòng)吸收或輸出電流4個(gè)TTL邏輯門電路。對(duì)P3口寫入“l(fā)時(shí)，它們被部上

13、拉電阻拉高并可作為輸入端口。作輸入端時(shí)，被外部拉低的P3口將用上拉電阻輸出電流IIL.P3口除了作為一般的I0口線外，更重要的用途是它的第二功能，上面表已給出。RST復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器工作時(shí)，RST引腳出現(xiàn)兩個(gè)機(jī)器周期以上高電平將使單片機(jī)復(fù)位。WDT溢出將使該引腳輸出高電平，設(shè)置SFR AUXR的DISRT0位地址8EH可翻開或關(guān)閉該功能。DISRT0位缺省為RESET輸出高電平翻開狀態(tài)。PSEN：程序儲(chǔ)存允許PSEN輸出是外部程序存儲(chǔ)器的讀選通信號(hào)，當(dāng)AT89C51由外部程序存儲(chǔ)器取指令或數(shù)據(jù)時(shí)，每個(gè)機(jī)器周期兩次PSEN有效，即輸出兩個(gè)脈沖。當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，沒有兩次有效PSEN信號(hào)。X

14、TALl：振蕩器反相放大器與部時(shí)鐘發(fā)生器的輸入端。XTAL2：振蕩器反相放大器的輸出 第四局部 軟件設(shè)計(jì)4.1 程序設(shè)計(jì)步驟第一步分析問題，明確任務(wù)要求，還要將解決的問題抽象成數(shù)學(xué)化。第二部確定算法，根據(jù)實(shí)際問題和指令系統(tǒng)的特點(diǎn)確定完成這一任務(wù)必須經(jīng)歷的步驟。第三部選擇所選擇的算法，確定存單元的分配：確定解決問題的步驟和順序，畫出程序的流程圖。第四部根據(jù)流程圖，編寫源程序。第五部上機(jī)對(duì)源程序進(jìn)展編譯、調(diào)試。4.2 程序流程圖測(cè)量過程是測(cè)量轉(zhuǎn)速的傳感器和電機(jī)同軸連接。電機(jī)每轉(zhuǎn)過一圈產(chǎn)生一個(gè)脈沖。經(jīng)電壓比擬器整形后成為單片機(jī)計(jì)數(shù)器的輸入脈沖，控制計(jì)數(shù)的時(shí)間就可以得到相應(yīng)的轉(zhuǎn)速，然后確定是否在所需量

15、程以，在那么送數(shù)碼管顯示，不在那么啟動(dòng)報(bào)警器。電機(jī)計(jì)算轉(zhuǎn)速的公式為：n=60*m/(N1*T*N) (r/min其中：n為電機(jī)轉(zhuǎn)速，N為柵格數(shù)，即磁鋼的個(gè)數(shù)。N1為中斷次數(shù)，m為在規(guī)定時(shí)間測(cè)得的脈沖數(shù)，T為T0的溢出時(shí)間。 外部脈沖通過單片機(jī)定時(shí)/計(jì)數(shù)器T1進(jìn)展計(jì)數(shù)，部采用定時(shí)，定時(shí)為10MS，即溢出100次那么記滿1秒，在本例磁鋼數(shù)為1 ，N1*T設(shè)定為一秒，故轉(zhuǎn)速即為n=60m (r/min) 開 始初始化定時(shí)計(jì)數(shù)器定時(shí)刷新數(shù)碼管顯示否計(jì)數(shù)器是否循環(huán)100次是計(jì)算轉(zhuǎn)速是否超速是 報(bào) 警否 返 回?cái)?shù)碼管顯示開T0中段是否中斷 100次否中斷返回記電機(jī)轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)存至緩存區(qū)是T0中斷入口置初始值開T

16、0中段是否中斷 100次否是中斷返回記電機(jī)轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)存至緩存區(qū)是第五局部 軟件調(diào)試與仿真5.1 KEIL軟件進(jìn)展程序調(diào)試1首先創(chuàng)立項(xiàng)目。保存創(chuàng)立c文件，保存，參加到項(xiàng)目中，這里為了便于編程，采用c語言。無錯(cuò)誤，生成hex文件。5.2 PROTEUS軟件仿真首先根據(jù)原理圖，畫出仿真圖，這里單片機(jī)默認(rèn)為12MHZ .由于這里沒有霍爾元件，以此用555電路與脈沖產(chǎn)生器組合使用，產(chǎn)生脈沖 。參加hex文件，啟動(dòng)仿真。不同時(shí)刻，顯示效果如下列圖：設(shè)置脈沖頻率為20HZ。那么轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)速為1200r/min由于我們?cè)O(shè)定高于6000低于400轉(zhuǎn)那么報(bào)警，上圖可以看出，當(dāng)轉(zhuǎn)速為60時(shí)，P3.7口位低電平，驅(qū)動(dòng)有源蜂鳴

17、器報(bào)警。5.3 硬件軟件聯(lián)合調(diào)試需要物品 電阻 有源蜂鳴器 單片機(jī)開發(fā)板 發(fā)光二極管 洞洞板1.翻開單片機(jī)電源，接上通訊線2. 確認(rèn)無誤燒錄程序 第六局部 結(jié) 論通過本次課程設(shè)計(jì)，深刻體會(huì)到，傳感器在工業(yè)控制，檢測(cè)方面發(fā)揮著巨大的作用，傳感器可以將各種非電量裝換為電量，但這并不能用來檢測(cè)，控制，還需要通過一系列的測(cè)控電路，將信號(hào)進(jìn)一步放大，濾波，整形等操作，以得到有用的信號(hào)，再對(duì)對(duì)相應(yīng)的信號(hào)做出處理。此外在電路搭建過程中，發(fā)現(xiàn)，好的軟件設(shè)計(jì)能使電路大大簡化，所以在以后進(jìn)展測(cè)控電路設(shè)計(jì)，一定要有軟硬件兼顧的思想。參考文獻(xiàn) 1 清明. C語言程序設(shè)計(jì). 中國礦業(yè)大學(xué), 2011 5 唐文彥.傳感器

18、，機(jī)械工業(yè),2015附錄 程序代碼#include #define uchar unsigned char #define uint unsigned int #define ulong unsigned long#define LED_DAT P1sbit LED_SEG0 = P23;sbit LED_SEG1 = P22;sbit LED_SEG2 = P21;sbit LED_SEG3 = P20;sbit Beep = P37;#define K 1 /校準(zhǔn)系數(shù)unsigned char code table=0 x3f,0 x06,0 x5b,0 x4f,0 x66,0 x6d,0

19、 x7d,0 x07,0 x7f,0 x6f;uchar data len4;/ 顯示緩沖區(qū) uint Tcounter = 0; /時(shí)間計(jì)數(shù)器bit Flag_Fresh = 0; / 刷新標(biāo)志 bit Flag_clac = 0; /計(jì)算轉(zhuǎn)速標(biāo)志 void beep();void DisplayFresh(); /顯示函數(shù)void count(); /計(jì)算轉(zhuǎn)速函數(shù)void init_timer0();/初始化定時(shí)器T0void init_timer1();/初始化定時(shí)器T1void Delay(uint ms);/延時(shí)函數(shù)void it_timer0() interrupt 1 TF0 =

20、 0; /d定時(shí)器 T0用于數(shù)碼管的動(dòng)態(tài)刷新 TH0 = 0 xD8; TL0 = 0 xF0; Flag_Fresh = 1; Tcounter+; if(Tcounter100)/12M晶振，定時(shí)器10ms 中斷一次 我們1秒計(jì)算一次轉(zhuǎn)速 / 1000ms/10ms = 100 Flag_clac = 1;/周期到，該重新計(jì)算轉(zhuǎn)速了 void init_timer1() /初始化定時(shí)器T1TMOD &= 0 x0F; TMOD |= 0 x50; TH1 = 0 x00; /設(shè)置初值。TL1 = 0 x00; ET1=1; EA=1; TR1=1; void main(void)len0

21、= 8; /開機(jī)時(shí)，初始化為8888len1 = 8; len2 = 8;len3 = 8;init_timer0();init_timer1();while(1) if(Flag_Fresh) Flag_Fresh = 0; DisplayFresh(); / 定時(shí)刷新數(shù)碼管顯示 if(Flag_clac) Flag_clac = 0; count(); /計(jì)算轉(zhuǎn)速，并把結(jié)果放入數(shù)碼管緩沖區(qū) Tcounter = 0;/周期定時(shí) 清零 TH1=TL1 = 0 x00;/脈沖計(jì)數(shù)清零 /可以加報(bào)警程序 void DisplayFresh() /顯示函數(shù)P2 |= 0 x0F;LED_SEG0 = 0; /數(shù)碼管位選千位LED_DAT = tablelen0; /顯示千