-霍尔传感器测速课程设计

#光敏二极管、光敏三极管等。光电耦合器的种类较多，常见有光电二极管型、光电三极管型、光敏电阻型、光控晶闸管型、光电达林顿型、集成电路型等。光电耦合器件（简称光耦）是把发光器件（如发光二极管）和光敏器件（如光敏三极管）组装在一起，通过光线实现耦合构成电—光和光—电的转换器件。在光电耦合器输入端加电信号使发光源发光，光的强度取决于激励电流的大小，此光照射到封装在一起的受光器上后，因光电效应而产生了光电流，由受光器输出端引出，这样就实现了电一光一电的转换。光电耦合器分为很多种类，图2-8所示为常用的三极管型光电耦合器原理图。当电信号送入光电耦合器的输入端时，发光二极管通过电流而发光，光敏元件受到光照后产生电流，CE导通；当输入端无信号，发光二极管不亮，光敏三极管截止，CE不通。对于数位量，当输入为低电平“0”时，光敏三极管截止，输出为高电平“1”；当输入为高电平“1”时，光敏三极管饱和导通，输出为低电平“0”。若基极有引出线则可满足温度补偿、检测调制要求。这种光耦合器性能较好，价格便宜，因而应用广泛。图2-8最常用的光电耦合器内部结构图光电耦合器的接线原理如图2-9所示。图2-9光电耦合器接线原理蜂鸣器蜂鸣器是一种一体化结构的电子讯响器，采用直流电压供电，广泛应用于计算机、打印机、复印机、报警器、电子玩具、汽车电子设备、电话机、定时器等电子产品中作发声器件。报警器的种类很多，比如：扬声器、蜂鸣器等，本设计中选用电磁式蜂鸣器作为报警器。电磁式蜂鸣器由振荡器、电磁线圈、磁铁、振动膜片及外壳等组成。接通电源后，振荡器产生的音频信号电流通过电磁线圈，使电磁线圈产生磁场。振动膜片在电磁线圈和磁铁的相互作用下，周期性地振动发声。

图2-10电磁式蜂鸣器单片机AT89C51单片机(Single-Chip-Microcomputer)又称为单片微控制器，其基本结构是将微型计算机的基本功能部件：中央处理器(CPU)、存储器、输入口、输出口、定时器/计数器、中断系统等全部集中在一个半导体芯片上。单片机结构上的设计，在硬件、指令系统及I/O能力等方面都有独到之处，具有较强而有效的控制功能。虽然单片机只是一个芯片，但无论从组成还是从其逻辑功能上来看，都具有微机系统的含义。另一方面，单片机毕竟是一个芯片，只有外加所需的输入、输出设备，才可以构成实用的单片机应用系统［11］。AT89C51芯片AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器(FPEROM—FalshProgrammableandErasableReadOnlyMemory)的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容［12］。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中,ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价格低廉的方案。其引脚图如图2-11所示。2P1.0140YCCjLt1239P0,O/ADQFK2338FQ…--ADIPl.3137PO.S/AD2P.45阴PO.3/AD3Fl.563&PO.4/AD4H：飞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.图2-11AT89C51引脚图定时器8051单片机内部有两个16位可编程定时器/计数器，记为TO和T1。它的工作方式可以通过指令对相应的特殊功能寄存器编程来设定，或作定时器用，或作外部事件计时器用。定时器/计数器在硬件上由双字节加法计数器TH和TL组成。作定时器使用时，计数脉冲由单片机内部振荡器提供，计数频率为fosC/12，每个机器周期加1[13]8051单片机定时器/计数器的工作方式由特殊功能寄存器TMOD编程决定，定时器/计数器的启动运行由特殊功能寄存器TCON编程控制。不论用作定时器还是计数器，每当产生溢出时，都会向CPU发出中断请求。单片机的定时器的工作原理是利用了寄存器的溢出来触发中断的，所以在写定时器的时候就要去算计数的增量，再根据单片机的晶振的频率就可以算出确定的时间了。定时器主要用到了2个寄存器,一个为TCON,另一个为TMOD。TCON是用来控制定时器的启动与停止的。TMOD是用来设置定时器的模式的。8051单片机的定时器/计数器是可编程的，在进行定时或计数操作之前要进行初始化编程。通常8051单片机定时器/计数器的初始化编程包括如下几个步骤:1.确定工作方式，即给方式控制寄存器TMOD写入控制字。2.计算定时器/计数器初值,并将初值写入TH和TL。3•根据需要对中断控制寄存器IE置初值，决定是否开放定时器中断。4•使运行控制寄存器TCON中的TRO或TR1置“1”，启动定时器/计数器。在初始化过程中，要设置定时或计数的初始值，这时需要进行一点运算。由于计数器是加法计数，并在溢出时产生中断，因此初始值不能是所需要的计数模值，而是要从最大计数值减去计数模值所得才是应当设置的计数初始值。假设计数器的最大计数值为M（根据不同工作方式，M可以是213、216或28），则计算初值X的公式如下：计数方式：X=M-要求的计数值（2-2）定时方式：X=M-要求的计数值（2-3）12/fOsC2.3.3外部中断外部中断：对某个中央处理机而言，它的外部非通道式装置所引起的中断称为外部中断。51单片机的外部中断有两种触发方式可选：电平触发和边沿触发。选择电平触发时，单片机在每个机器周期检查中断源口线，检测到低电平，即置位中断请求标志，向CPU请求中断。选择边沿触发方式时，单片机在上一个机器周期检测到中断源口线为高电平，下一个机器周期检测到低电平，即置位中断标志，请求中断。应用时需要特别注意的几点：1．电平触发方式时，中断标志寄存器不锁存中断请求信号。要使电平触发的中断被CPU响应并执行，必须保证外部中断源口线的低电平维持到中断被执行为止。因此当CPU正在执行同级中断或更高级中断期间，产生的外部中断源（产生低电平）如果在该中断执行完毕之前撤销（变为高电平）了，那么将得不到响应，就如同没发生一样。同样，当CPU在执行不可被中断的指令（如RETI）时，产生的电平触发中断如果时间太短，也得不到执行。2．边沿触发方式时，中断标志寄存器锁存了中断请求。中断口线上一个从高到低的跳变将记录在标志寄存器中，直到CPU响应并转向该中断服务程序时，由硬件自动清除。因此当CPU正在执行同级中断（甚至是外部中断本身）或高级中断时，产生的外部中断（负跳变）同样将被记录在中断标志寄存器中。在该中断退出后，将被响应执行。如果不希望这样，必须在中断退出之前，手工清除外部中断标志。3．中断标志可以手工清除。一个中断如果在没有得到响应之前就已经被手工清除，则该中断将被CPU忽略。就如同没有发生一样。2.4显示电路设计1602字符型LCD简介字符型液晶显示模块是一种专门用于显示字母、数字、符号等点阵式LCD,目前常用16*1，16*2，20*2和40*2行等的模块。下面以长沙太阳人电子有限公司的1602字符型液晶显示器为例，介绍其用法。字符型LCD1602通常有14条引脚线或16条引脚线的LCD，多出来的2条线是背光电源线VCC（15脚）和地线GND（16脚），其控制原理与14脚的LCD完全一样。1602LCD的基本参数及引脚功能1.1602LCD类型1602LCD分为带背光和不带背光两种，基控制器大部分为HD44780，带背光的比不带背光的厚，是否带背光在应用中并无差别，两者尺寸差别如图2-12所示。图2-121602带背光与不带背光差别图LCD1602主要技术参数显示容量：16X2个字符芯片工作电压：4.5—5.5V工作电流:2.0mA（5.0V）模块最佳工作电压：5.0V字符尺寸：2.95X4.35（WXH）mm3.1602LCD引脚1602LCD采用标准的14脚（无背光）或16脚（带背光）接口，各引脚接口说明如表2-1。表2-1引脚接口说明表编号符号引脚说明编号符号引脚说明1VSS电源地9D2数据2VDD电源正极10D3数据3VL液晶显示偏压11D4数据4RS数据/命令选择12D5数据5R/W读/写选择13D6数据6E使能信号14D7数据7D0数据15BLA背光源正极8D1数据16BLK背光源负极第1脚：VSS为地电源。第2脚：VDD接5V正电源。第3脚：VL为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地时对比度最高，对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度。第4脚：RS为寄存器选择，高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器。第5脚：R/W为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。当RS和R/W共同为低电平时可以写入指令或者显示地址，当RS为低电平R/W为高电平时可以读忙信号,当RS为高电平R/W为低电平时可以写入数据。第6脚：E端为使能端，当E端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令。第7〜14脚：D0〜D7为8位双向数据线。第15脚：背光源正极。第16脚：背光源负极。4.其与单片机的连接如图2-13所示。图2-131602与单片机接线图图2-131602与单片机接线图显示模式LCD1602是常见的16X2行，6X8字符点阵液晶模块，广泛应用于智能仪表、通信、办公自动化设备中，其字符发生器ROM中自带数字和英文字母及一些特殊符号的字符库没有汉字。本设计中LCD1602显示了英文字母和数字。由于Proteus库中没有16引脚，因此选用LCD1602的14引脚方式，即不带背光源部分。如图2-14所示。JJCD1602JJCD1602speed=1099/se图2-14LCD图2-14LCD显示图三、霍尔传感器测量车速系统软件设计设计思想本系统采用89C51中的INTO中断对转速脉冲计数。定时器TO工作于定时方式，工作于方式1。每到1s读一次外部中断INTO计数值，此值即为脉冲信号的频率，代表的即是小车的转速。总体软件流程先进行初始化设置各定时器初值，然后判断是否启动系统进行测量。如果是，就启动系统运行。如果不是就等待启动。启动系统后，霍尔传感器检测脉冲到来后，启动外部中断，每来一个脉冲中断一次，记录脉冲个数。同时启动T0定时器工作，每1秒定时中断一次，读取记录的脉冲个数，即小车转速。连续采样三次，取平均值记为一次转速值。再进行数值的判断，若数值高于5000r/min则报警并返回初始化阶段，否则就进行正常速度液晶显示。如图3-1所示。开始开始图3-1主流程图四、设计中的问题及解决办法出现的问题1、逻辑故障2、元器件失效3、电源故障解决方法1．排除逻辑故障显示器部分调试为了使调试顺利进行,首先将89C51与LCD显示分离,这样就可以用静态方法先测试LCD显示，用规定的电平加至位显示的引脚，看显示是否与理论上一致。不一致,一般为LCD显示器接触不良所致,必须找出故障,检测89C51电路工作是否正常。对89C51进行编程调试时,分为两个步骤：第一，对其进行初始化。第二，将89C51与LCD结合起来,借助开发机,通过编制程序进行调试。若调试通过后,就可以编制应用程序了。对于一些逻辑故障来说，这类故障往往是由于设计和焊接过程中的失误所造成的。主要包括错线、开路、短路。排除的方法是首先将焊接好的电路板认真对照原理图,看两者是否一致。应特别注意电源系统检查,以防止电源短路和极性错误,并重点检查系统总线是否存在相互之间短路或与其它信号线路短路。必要时利用数字万用表的短路测试功能,可以缩短排错时间。2．排除元器件失效造成这类错误的原因有两个：一个是元器件买来时就已坏了另一个是由于安装错误,造成器件烧坏。可以采取检查元器件与设计要求的型号、规格和安装是否一致。在保证安装无误后,用替换方法排除错误。3．排除电源故障在通电前,一定要检查电源电压的幅值和极性,否则很容易造成集成块损坏。加电后检查各插件上引脚的电位，一般先检查VCC与GND之间电位，若在5V〜4.8V之间属正常。若有高压,联机仿真器调试时,将会损坏仿真器等,有时会使应用系统中的集成块发热损坏。五、总结经过两周的辛勤努力，学习了霍尔传感器测速原理及相关器件的性能特点与用法等知识，查阅了关于传感器、单片机的各方面的资料，实现了“霍尔传感器测量车速系统设计”的基本要求。所设计的系统具有以下功能：1.设计采用89C51单片机作为测量转速的主CPU芯片，系统硬件设备结构简单合理，成本低，实时性好。2.测速系统采用霍尔传感器作为敏感速率信号，具有频率响应快，抗干扰能力强等特点。霍尔传感器的输出信号经信号调理后，通过单片机对连续脉冲计数来实现转速测量，充分利用了单片机的内部资源，有很高的性价比。采用1602LCD显示测速值，直观、稳定，易于实现，该显示方式可以推广到其他工程应用领域。测速系统的功能还有待进一步扩充，如判别转速方向的能力，电路布局和抗干扰方面还有很大的提升空间。在本次设计的过程中，我们发现很多的问题，虽然以前没有做过这样的设计但通过这次设计我学会了很多东西，霍尔传感器设计重点就在于硬件结构的设计，需要有很巧妙的电路结构，虽然以前做过单片机及微机原理的设计，但我们觉的要做好一个需要结合传感器和单片机知识的设计并不是一件简单的事，比如做之前认为霍尔传感器测速的原理很简单，但到设计的时候才发现一些细微的知识或低级错误经常犯做不到最后常常失败，所以有些东西只有学精弄懂并且要细心才行，只学习理论有些东西是很难理解的，更谈不上掌握。从这次的课程设计中，我们真真正正的意识到，在以后的学习中，要理论联系实际，把我们所学的理论知识用到实际当中，学习传感器与检测技术更是如此，电路设计只有在经常的练习的过程中才能提高，我想这就是我在这次课程设计中的最大收获。附录：完整电路图LWUlDiSL5Peed=2501^e□!j询匚・wag>>ekuizagma:iC2□12UHZ—^CRTSTAL齐TKt1IF话^-awU121J1J151JEUR25IHU<iar=-L3■sTBE11omhimi凹皿mwnwFi'/yP23M1raannpwrasrnismPW

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