应用霍尔集成传感器测量转速电路设计黄河科技学院课程设计1

下载原文可修改文字和底色颜色查看原文应用霍尔集成传感器测量转速电路设计摘要本文是基于51单片机的转速测量系统，其测量方法较多，随着单片机对脉冲信号的处理能力越来越强大，使得全数字量系统越来越普及，并且使转速测量系统也可以用全数字化处理。本设计利用霍尔效应对旋转物体进行检测的转速测量系统。该系统采用UGN3144霍尔传感器把转速信息转换为电压输出，输出电压经整形电路送入AT89C51单片机进行数据处理并用四位7段LED显示器显示测量结果。文中首先阐述了构成该系统的原理、硬件的实现方法，在该系统中对信号频率进行测量是首要任务，通过各种测量方法的对比下，该系统应采用测频法测量。其次，在软件设计部分，此系统包含系统初始化程序的设计、数据接收和处理程序的设计、显示程序的设计三个模块。最终，给出各部分的原理框图、电路图及转速测量的程序流程图，并编出其具体的程序。总之，本课题完成了硬件和软件系统的设计，实现了转速测量系统的测量，转速计算、显示功能，同时实现键盘的开始/停止功能，完成了设计的要求。关键词:单片机,转速测量,霍尔传感器目录TOC\o"1-3"\h\u75391绪论 1270771.1课题研究的目的和意义 1289151.2转速测量在国内外的研究 1273712转速测量系统的总体方案 247782.1转速测量的一般方法 2199462.2硬件设计总体方案 4272332.3软件设计思路 5146623系统硬件设计 5294163.1转速测量原理 6229163.1.1测频法“M法 661013.1.2测周期法“T法” 7164833.1.3测频测周法“M/T法” 7118853.1.4转速测量系统中应用的方法 8139873.2霍尔传感器的简介 9191213.2.1霍尔效应 9239093.2.2霍尔元件 12311983.2.3UGN3144霍尔开关元件 1389993.3单片机及其接口的设计 15301773.3.1AT89C51单片机的简介 15291513.3.2复位电路 18167913.3.3时钟电路 19263153.3.4显示电路 20234973.3.5HD7279接口 22107373.3.6键盘电路 25264344系统软件设计 26272344.1单片机转速程序设计思路及过程 26226514.1.1单片机程序设计思路 27280844.2子程序设计 27321684.2.1单片机转速计算程序 27216004.2.2二-十进制转换程序 2872144.2.3显示程序 294725转速测量系统的转速分析 31304085.1测速范围 31201235.2测量误差 3227116结论 347052致谢 3530758参考文献 3622867附录1 3711914附录2 381绪论1.1课题研究的目的和意义随着超大规模集成电路技术提高，尤其是单片机应用技术以其功能强大，价格低廉的显著特点，使全数字化测量转速系统得以广泛应用。由于单片机在测量转速方面具有体积小、性能强、成本低的特点，越来越受到企业用户的青睐。转速是工程中应用非常广泛的一个参数，其测量方法较多，而模拟量的采集和模拟处理一直是转速测量的主要方法，这种测量方技术已不能适应现代科技发展的要求，在测量范围和测量精度上，已不能满足大多数系统的使用。随着大规模及超大规模集成电路技术的发展，数字系统测量得到普遍应用，特别是单片机对脉冲数字信号的强大处理能力，使得全数字量系统越来越普及，其转速测量系统也可以用全数字化处理。在测量范围和测量精度方面都有极大的提高。本课题以单片机为核心，设计的全数字化测量转速系统，在工业控制和民用电器中都有较高使用价值。一方面它可以应用于工业控制中的某一部分，如数控车床的电机转速检测和控制、水泵流量控制以及需要利用转速检测来进行控制的许多场合，如车辆的里程表、车速表等。另一方面由于该转速测量系统采用全数字结构，因而可以很方便的和工业控制机进行连接，实行远程管理和控制，进一步提高现代化水平。并且，几乎不需做很大改变就能直接作为单独的产品使用。总之，转速测量系统的研究是一件非常有意义的课题。1.2转速测量在国内外的研究转速是能源设备与动力机械性能测试中的一个重要的特性参量，因为动力机械的许多特性参数是根据它们与转速的函数关系来确定的，例如压缩机的排气量、轴功率、内燃机的输出功率等等，而且动力机械的振动、管道气流脉动、各种工作零件的磨损状态等都与转速密切相关。转速测量的方法很多，测量仪表的型式也多种多样，其使用条件和测量精度也各不相同。根据转速测量的工作方式可分为两大类：接触式转速测量仪表与非接触式转速测量仪表。前者在使用时必须与被测转轴直接接触，如离心式转速表、磁性转速表与测速发电机等；后者在使用时不需要与被测转轴接触,如光电式转速表、电子数字式转速表、闪光测速仪等。测量发动机转速的传统方法是使用光电式转速表测量。用这种方法测量时,既要在发动机转动轴上粘贴光标纸，又要求测量人员把转速表与光标纸的距离控制在很近的范围,测量十分不方便。随着科学技术的迅速发展,转速测量仪表已步入现代化、电子化的行列。过去曾经使用过的接触式测量仪表,如离心式转速表、磁性转速表、微型发电机转速表及钟表是定时转速表，均已先后受到冷落；而利用已知频率的闪光与被测轴转速同步的方法来测速的闪光测速仪，虽属非接触式仪表，目前仍有应用,但也退居次要地位。代之而起的是非接触式的电子与数字化的测速仪表。这类转速仪表大多具有体积小、重量轻、读数准确、使用方便等优点，容易实现电脑荧屏显示和打印输出，能够连续的反映转速变化，既能测定发动机稳定情况下的平均转速,也能够用来在足够小的时间间隔这一特定条件下测定发动机的瞬时转速。2转速测量系统的总体方案2.1转速测量的一般方法一般转速测量系统有以下几个部分构成，转速测量框图如图2.1所示。转速转速信号拾取整形倍频单片机显示接口芯片显示键盘驱动电路图2.1转速测量框图1．转速信号拾取转速信号拾取是整个系统的前端通道，目的是将外界的非电参量，通过一定方式转换成电量，这一环节可以通过敏感元件、传感器或测量仪表等来实现。方法如下：(1)通过敏感元件拾取被测信号敏感元件体积小，可以根据用户及环境要求做成各矛头形状的探头，它能将被测的物理量变换成电流、电压，只要选择合适的元件参数。如R、L、C设计相应的电路，便能完成这种对应关系。这种方法设计难度大，信号稳定度差，在模拟处理系统中不宜采用。(2)通过传感器拾取信号由专业人员将敏感元件和相应的测量电路、传递机构以适当的形式制成不同类型、不同用处的传感器，根据原理输出电量。该电量可以是模拟量或数字量，现代传感器还可以输出开关量，用于数字逻辑电路。(3)通过测量仪表拾取被测信号目前有许多测量仪表用于各种测量中，有大信号输出、有BCD码输出等，但价格昂贵，专业性强，一般不适合通用系统。通用的转速测量系统大都采用一种俗称“码盘”的传感装置，将圆形的码盘固定在转轴上，码盘上有若干规则排列的小孔，用光电偶来输出电信号，以反映转速对应关系，即是将转轴的速度以脉冲形式反映出来，通常有两种形式：(1)模拟量量化后经A/D转换，由数字量反映角度，供单片机计算处理，得出转速。(2)直接由脉冲来反应转轴的角度，用每转产生的脉冲经单片机处理得出转速。2．整形和倍频前向通道中，从传感器输出的信号必须转换成单片机输入要求的信号，由于信号调节电路与传感器的选择，现场干扰程度等，都会影响信号的质量。而脉冲信号的上升沿和下降沿对数字电路的触发尤为重要，若要将转速脉冲信号直接加到计数器或外部中断的输入端，并利用其上升沿来触发进行计数，则必须要求输入的信号有陡峭的上升沿或下降沿。处理方法上可以用触发器电路来整形；而倍频电路主要用于解决低转速时测量精度问题及码盘的刻度误差而造成的精度下降问题。方法是在每转中增加脉冲的个数(码盘的线程数)来提高精度。但在高转速时，由于脉冲个数的增加，限制了最高转速测量量程，这个问题可用单片机控制来动态处理解决，兼顾高低转速的测量精度。3．单片机单片机[1]是整个测量系统的主要部分，担负对前端脉冲信号的处理、计算、以及信号的同步，计时等任务，其次，将测量的数据经计算后，将得到的转速值传送到显示接口中，用数码管显示数值。在本系统中考虑到计数的范围、使用的定时，计数器的个数及I/O口线，预选用89C51单片机。具体工作情况在后讨论。4．驱动和显示由于LED数码管具有亮度高、可靠性好等特点，工业测控系统中常用LED数码管作为显示输出。本系统也采用数码管作显示。LED显示器是用发光二极管显示字段的，通常使用七段构成“日”字型和一只发光二极管作为小数点，称八段数码显示器。其有两种驱动方式，共阴驱动和共阳驱动，共阴驱动是各段发光二极管的阴极连在一起，并将公共端接地，在共阳结构中，将各段发光二极管阳极连在一起，并将公共端接上+5V电源，显示字符对应字型代码发光。2.2硬件设计总体方案硬件设计的任务是根据总体设计要求，在系统工作原理的基础上，具体确定系统中所要使用的元器件，设计出系统的原理框图、电路原理图。转速是工程中应用非常广泛的一个参数，早期模拟量的模拟处理一直是作为转速测量的主要方法，这种测量方法在测量范围和测量精度上，已不能适应现代科技发展的要求。而随着大规模及超大规模集成电路技术的发展，数字测量系统得到普遍应用，利用单片机对脉冲数字信号的强大处理能力，应用全数字化的结构，使数字测量系统的越来越普及,在测量范围和测量精度方面都有极大的提高。在本转速测量系统由霍尔传感器、单片机和显示器、键盘电路等组成。传感器部分采用UGN3144霍尔传感器，负责将被测量量的转速转化为脉冲信号[2]。因为采用的是集成霍尔开关元件，输出的是数字信号，可以直接把脉冲信号送入单片机进行处理。单片机采用AT89C51，显示器采用4个7段LED数码管动态显示，其系统框图如2.2所示。其中整个系统的电源采用双电源供电，将继电器驱动电源与单片机及其周边电路电源完全隔离，利用光电耦合器传输信号。这样做法虽然不如单电源方便灵活，但可将继电器工作所造成的干扰完全消除，进一步提高系统稳定性。传感器电路传感器电路显示驱动电路AT89C51单片机时钟电路键盘电路复位电路图2.2转速测量系统的总体框图2.3软件设计思路软件需要解决的是定时器0的记数和外部中断0的设定、由于测量的转速范围大，所以低速和高速都要考虑在内，关键在于一个四字节除三字节程序的实现。显示部分、需要有一个二进制到十进制的转化程序，以及转换成非压缩BCD的程序后、才能进行调用查表程序送到显示。软件工作流程：霍尔传感器利用磁电效应产生一周期脉冲向单片机的外部中断0（P3.2）口发送一个中断信号，定时器工作在内部定时，TH0、TL0设定初值为0，作为除数的低两字节，利用软件记数器、定时器0中断的次数作为除数高字节。中断完毕读取内部记数值作为除数，调用除法程序计算转速，再对二进制数进行一系列变换后调用查表显示程序，显示在LED上。转速部分软件设计思路：AT89C51单片机的P3.2口接收传感器的信号。主要编写一个外部中断服务程序INT0，读取记数值的三个字节，并再次清0记数初值以便下次的记数和计算。调用两字节二进制-三字节十进制（BCD）转换子程序BCD，再调用十进制转换成非压缩BCD程序、最后调用查表程序送显示。软件的具体设计我们将在下面的章节中作详细介绍。3系统硬件设计3.1转速测量原理3.1.1测频法“M法在一定测量时间T内，测量脉冲发生器（替代输入脉冲）产生的脉冲数m1来测量转速，如图3.1“M”法测量转速脉冲[3]所示，设在时间T内，转轴转过的弧度数为Xτ，则转速n可由下式表示：n=(3-1)转轴转过的弧度数Xτ可用下式所示m1X(3-2)图3.1“M”法测量转速脉冲将（3-2）式代入（3-1）式得转速n的表达式为：n=（3-3）P-为转轴转一周脉冲发生器产生的脉冲数；n-转速单位：（转/分）；T-定时时间单位：（秒）。在该方法中，测量精度是由于定时时间T和脉冲不能保证严格同步，以及在T内能否正好测量外部脉冲的完整的周期，可能产生的1个脉冲的量化误差。因此，为了提高测量精度，T要有足够长的时间。定时时间可根据测量对象情况预先设置。设置的时间过长，可以提高精度，但在转速较快的情况下，所计的脉冲数增大（码盘孔数已定情况下），限制了转速测量的量程。而设置的时间过短，测量精度会受到一定的影响。3.1.2测周期法“T法”转速可以用两脉冲产生的间隔宽度TP来决定。用以采集数据的码盘，可以是单孔或多孔，对于单孔码盘测量两次脉冲间的时间，就可测出转述数据，TP也可以用时钟脉冲数来表示。对于多孔码盘，其测量的时间只是每转的1/N，N为码盘孔数。如图3.2“T”法脉宽测量所示。TP通过定时器测得。定时器对时基脉冲(频率为fc)进行计数定时，在TP内计数值若为m2，则计算公式为：n=（3-4）即：（3-5）fc-为硬件产生的基准时钟脉冲频率：单位（Hz）；n-转速单位：（转/分）；m2-时基脉冲。图3.2“T”法脉宽测量由“T”法脉宽测量可知“T”法测量精度的误差主要有两个方面，一是两脉冲的上升沿触发时间不一致而产生的；二是计数和定时起始和关闭不一致而产生的。因此要求脉冲的上升沿（或下降沿）陡峭和计数和定时严格同步。测周法在低转速时精度较高，但随着转速的增加，精度变差，有小于一个脉冲的误差存在。3.1.3测频测周法“M/T法”所谓测频测周法，即是综合了“T”法和“M”法分别对高、低转速具有的不同精度，利用各自的优点而产生的方法，精度位于两者之间，如图3.3“M/T”法定时/计数测量所示。“M/T”法采用三个定时/计数器，同时对输入脉冲、高频脉冲（由振荡器产生）、及预设的定时时间进行定时和计数，m1反映转角，m2反映测速的准确时间，通过计算可得转速值n。该法在高速及低速时都具有相对较高的精度。测速时间Td由脉冲发生器脉冲来同步，即Td等于m1个脉冲周期。由图可见，从a点开始，计数器对m1和m2计数，到达b点，预定的测速时间时，单片机发出停止计数的指令，因为Tc不一定正好等于整数个脉冲发生器脉冲周期，所以，计数器仍对高频脉冲继续计数，到达c点时，脉冲发生器脉冲的上升沿使计数器停止，这样，m2就代表了m1个脉冲周期的时间。“M/T”法综合了“T”和“M”两种方法，转速计算如下：设高频脉冲的频率为fc，脉冲发生器每转发出P个脉冲，由式（3-2）和（3-5）可得M/T法转速计算公式为：(3-6)n-转速值。单位：（转/分）；fc-晶体震荡频率：单位（Hz）；m1-输入脉冲数，反映转角；m2-时基脉冲数。图3.3“M/T”法定时/计数测量3.1.4转速测量系统中应用的方法通过上面的分析可知，M法适合于高速测量，当转速越低，产生的误差会越大。T法适合于低速测量，转速增高，误差增大。M/T这种转速测量方法的相对误差与转速n无关，只与晶体振荡产生的脉冲有关，故可适合各种转速下的测量。保证其测量精度的途径是增大定时时间T，或提高时基脉冲的频率fc。因此，在实际操作时往往采用一种称变M/T的测量方法，即所谓变M/T法，在M/T法的基础上，让测量时间Tc始终等于转速输入脉冲信号的周期之和。并根据第一次的所测转速及时调整预测时间Tc，兼顾高低转速时的测量精度。基于M法测量速度，电路和程序均较为简单，且可以在一定的条件下满足精度的要求，所以本设计中采用M法进行测量。3.2霍尔传感器的简介3.2.1霍尔效应1.简介霍尔效应是磁电效应的一种，这一现象是霍尔（A.H.Hall，1855-1938）于1879年在研究金属的导电机构时发现的。后来发现半导体、导电流体等也有这种效应，而半导体的霍尔效应比金属强得多，利用这现象制成的各种霍尔元件，广泛地应用于工业自动化技术、检测技术及信息处理等方面。霍尔效应是研究半导体材料性能的基本方法。通过霍尔效应实验测定的霍尔系数，能够判断半导体材料的导电类型、载流子浓度及载流子迁移率等重要参数。流体中的霍尔效应是研究“磁流体发电”的理论基础。2．霍尔效应将一块半导体或导体材料，沿Z方向加以磁场B，沿X方向通以工作电流I，则在Y方向产生出电动势VH，如图3.4所示，这现象称为霍尔效应。VH称为霍尔电压。(a)(b)图3.4霍尔效应原理图实验表明，在磁场不太强时，电位差VH与电流强度I和磁感应强度B成正比，与板的厚度d成反比，即(3-7)或(3-8)式（3-7）中RH称为霍尔系数，式（3-8）中KH称为霍尔元件的灵敏度，单位为mv/(mA·T)。产生霍尔效应的原因是形成电流的作定向运动的带电粒子即载流子（N型半导体中的载流子是带负电荷的电子，P型半导体中的载流子是带正电荷的空穴）在磁场中所受到的洛仑兹力作用而产生的。如图3.4（a）所示，一块长为l、宽为b、厚为d的N型单晶薄片，置于沿Z轴方向的磁B中，在X轴方向通以电流I，则其中的载流子——电子所受到的洛仑兹力为(3-9)式中为电子的漂移运动速度，其方向沿X轴的负方向。e为电子的电荷量。指向Y轴的负方向。自由电子受力偏转的结果，向A侧面积聚，同时在B侧面上出现同数量的正电荷，在两侧面间形成一个沿Y轴负方向上的横向电场（即霍尔电场），使运动电子受到一个沿Y轴正方向的电场力，A、B面之间的电位差为（即霍尔电压），则(3-10)将阻碍电荷的积聚，最后达稳定状态时有即得(3-11)此时B端电位高于A端电位。若N型单晶中的电子浓度为n，则流过样片横截面的电流I=nebdV得(3-12)将(3.12)式代入(3.11)式得(3-13)式中称为霍尔系数，它表示材料产生霍尔效应的本领大小；称为霍尔元件的灵敏度，一般地说，KH愈大愈好，以便获得较大的霍尔电压VH。因KH和载流子浓度n成反比，而半导体的载流子浓度远比金属的载流子浓度小，所以采用半导体材料作霍尔元件灵敏度较高。又因KH和样品厚度d成反比，所以霍尔片都切得很薄，一般d≈0.2mm。上面讨论的是N型半导体样品产生的霍尔效应，B侧面电位比A侧面高；对于P型半导体样品，由于形成电流的载流子是带正电荷的空穴，与N型半导体的情况相反，A侧面积累正电荷，B侧面积累负电荷，如图3-4（b）所示，此时，A侧面电位比B侧面高。由此可知，根据A、B两端电位的高低，就可以判断半导体材料的导电类型是P型还是N型。由（3-13）式可知，如果霍尔元件的灵敏度RH已知，测得了控制电流I和产生的霍尔电压VH，则可测定霍尔元件所在处的磁感应强度为：高斯计就是利用霍尔效应来测定磁感应强度B值的仪器。它是选定霍尔元件，即KH已确定，保持控制电流I不变，则霍尔电压VH与被测磁感应强度B成正比。如按照霍尔电压的大小，预先在仪器面板上标定出高斯刻度，则使用时由指针示值就可直接读出磁感应强度B值。由（3-13）式知因此将待测的厚度为d的半导体样品，放在均匀磁场中，通以控制电流I，测出霍尔电压VH，再用高斯计测出磁感应强度B值，就可测定样品的霍尔系数RH。又因（或），故可以通过测定霍尔系数来确定半导体材料的载流子浓度n（或p）（n和p分别为电子浓度和空穴浓度）。严格地说，在半导体中载流子的漂移运动速度并不完全相同，考虑到载流子速度的统计分布，并认为多数载流子的浓度与迁移率之积远大于少数载流子的浓度与迁移率之积，可得半导体霍尔系数的公式中还应引入一个霍尔因子rH，即普通物理实验中常用N型Si、N型Ge、InSb和InAs等半导体材料的霍尔元件在室温下测量，霍尔因子，所以：式中，库仑3.2.2霍尔元件霍尔元件是一种基于霍尔效应[4]的磁传感器，已发展成一个品种多样的磁传感器产品族，并已得到广泛应用。霍尔元件是一种磁传感器。要他们可以检测磁场及其变化，可以在各种与磁场有关的场合中。霍尔器件以霍尔效应为其工作基础。霍尔器件具有许多优点，他们的结构牢固，体积小，重量轻，寿命长，安装方便，功耗小，频率高（可达1MHZ），耐震动，不怕灰尘、水汽及烟雾等污染或腐蚀。霍尔线性器件的精度高、线性度好；霍尔开关器件无触点、无磨损、输出波形清晰、无抖动、无回调、位置重复精度高（可达um级）。采用了各种补偿措施的霍尔器件的工作温度范围广，可达55-150度。按照霍尔器件的功能可将他们分为：霍尔线性器件和霍尔开关器件。前者输出模拟量，后者输出数字量。按被检测的对象的性质可将它们分为：直接应用和间接应用。前者是直接检测出被测对象本身的磁场或磁特性，后者是检测被检测对象上人为设置的磁场，用这个磁场作为被检测信息的载体，通过它，将许多非电、非磁的物理量例如力、力矩、压力、应力、位置、位移、加速度、角度、角速度、转速、转数以及工作状态发生变化的时间等，转换成电量来进行检测和控制。集成霍尔传感器是利用硅集成电路工艺将霍尔元件和测量线路集成在一起的一种传感器。它取消了传感器和测量电路之间的界限，实现了材料、元件、电路三位一体。集成霍尔传感器与分立相比，由于减少了焊点，因此显著地提高了可靠性。此外，它具有体积小、重量轻、功耗低等优点，正越来越爱到众的重视。集成霍尔传感器的输出是经过处理的霍尔输出信号。按照输出信号的形式，可以分为开关型集成霍尔传感器和线性集成霍尔传感器两种类型。开关型集成霍尔传感器是把霍尔元件的输出经过处理后输出一个高电平或低电平的数字信号。霍尔开关电路又称霍尔数字电路，由稳压器、霍尔片、差分放大器，施密特触发器和输出级组成。3.2.3UGN3144霍尔开关元件1．UGN3144霍尔开关元件的工作原理UGN3144霍尔开关元件属于开关型霍尔传感器（集成霍尔开关），它是把霍尔片产生的霍尔电压VH放大后驱动触发电路，输出电压是能反映B的变化的方脉冲。集成霍尔开关由稳压器、霍尔电势发生器（即硅霍尔片）、差分放大器、施密特触发器和OC门输出五个基本部分组成。在输入端（1、2之间）输入电压Vcc，经稳压器稳压后加在霍尔发生器的两电流端。根据霍尔效应原理，当霍尔片处于磁场中时，霍尔发生器的两电压端将会有一个霍尔电势差VH输出。VH经放大器放大以后送至施密特触发器整形，使其成为方波输送到OC门输出。图3.5开关型霍尔传感器的原理当外磁场B达到“工作点”Bop时，触发器输出高电平（相对于地电位），三极管导通，此时，OC门输出端输出低电平，通常称这种状态为“开”；当外磁场B达到“释放点”Brp时，触发器输出低电平，三极管截止，OC门输出高电平，这时称其为“关”状态。Bop与Brp是有一定差值的，此差值BH=Bop-Brp称为霍尔开关的磁滞。B的变化不超过BH，霍尔开关不翻转，这就使得开关输出稳定可靠。集成霍尔开关传感器的输出特性如图(3.6)。图3.6开关型霍尔传感器的输出特性2.UGN3144主要技术性能与特点AllegroMicroSystems公司生产的UGN3144器件是双极性磁场即N,S交变场磁启动的霍尔开关电路，它的主要性能特点如下：（1）电源电压为4.5—24V；（2）连续输出电流为25MA;（3）磁通密度不受限制，输出关断电压为25V；（4）具有反向电压保护（反向电压为35V）和极好的温度稳定性；（5）工作温度为-20到85摄氏度或者是-40到25℃。3.UGN3144霍尔开关元件的引脚功能和封装形式UGN3144采用SOT89或者TO-243封装。其中，引脚端1为电源正端，引脚端2为接地，引脚端3为输出（OC形式）。图3.7UGN3144的封装结构4．UGN3144霍尔开关元件在测量系统中的设计UGN3144霍尔开关元件芯片内部包含有稳压电路，霍尔效应电压产生电路，信号放大器，施密特触发器和一个集电极开路输出电路。集电极开路输出电路可连续输出25MA电流，可直接控制继电器，双向可控硅，可控硅，LED和灯负载。其具有输出自举电路，也可直接与双极型和MOS逻辑电路连接。转速测量是开关型霍尔元件的典型应用，UGN3144霍尔开关元件感应被测量量的转速，当被测量量每转动一周，霍尔传感器便输出一个脉冲，因为该器件为集电极开路输出，故输出端加接一上拉电阻，其电压电压范围宽达4.5V到24V，对磁感应强度B要求不严，其输出电压经9012后可提高其负载能力。其具体电路图如3.8所示：图3.8UGN3144霍尔开关元件与单片机的连接电路3.3单片机及其接口的设计3.3.1AT89C51单片机的简介单片机我们采用AT89C51(其引脚图如图3-9)，相较于INTEL公司的8051它本身带有一定的优点。AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存贮器（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。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，AT89C单片机为很多嵌入式控制系统[5]提供了一种灵活性高且价廉的方案。图3-9AT89C51引脚图主要特性：·与MCS-51兼容·4K字节可编程闪烁存储器寿命：1000写/擦循环·数据保留时间：10年·全静态工作：0Hz-24Hz·三级程序存储器锁定·128*8位内部RAM·32可编程I/O线·两个16位定时器/计数器·5个中断源·可编程串行通道·低功耗的闲置和掉电模式·片内振荡器和时钟电路管脚说明：1.VCC：供电电压；2.GND：接地；3.P0口：P0口为一个8位漏极开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时，P0口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。4.P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。5.P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。6.P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下表3.1所示：7.RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。8.ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。表3.1P3口的第二功能引脚第二功能信号名称P3.0RXD串行数据接收P3.1TXD串行数据发送P3.2INT0外部中断0请求P3.4INT1外部中断1请求P3.4T0定时器/计数器0输入P3.5T1定时器/计数器1输入P3.6WR外部RAM写选通P3.7RD外部RAM读选通P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。此时，ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。/PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。

10./EA/VPP：当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。11.XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。

12.XTAL2：来自反向振荡器的输出。3.3.2复位电路计算机在启动运行时都需要复位，使中央处理器CPU和系统中的其它部件都处于一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作。MCS-51单片机有一个复位引脚RST，它是史密特触发输入(对于CHMOS单片机，RST引脚的内部有一个拉低电阻)，当振荡器起振后该引脚上出现2个机器周期(即24个时钟周期)以上的高电平，使器件复位，只要RST保持高电平，MCS-51保持复位状态。此时ALE、PSEN、P0、P1、P2、P3口都输出高电平。RST变为低电平后，退出复位，CPU从初始状态开始工作。单片机采用的复位方式是采用芯片TCM812进行复位。

TCM812是高性价比的系统监控电路，用于对数字系统的电源电压VDD进行监控，并在必要时向主处理器提供复位信号。提供的手动复位输入可以替代复位监控器，适合使用按键来复位。无需外部元件。该器件由SOT-143方式封装，工作温度范围为-40℃至+85℃。其引脚如下：图3.10TCM812芯片的引脚图TCM812芯片的引脚功能：（1）GND地（2）RESET当VDD低于复位电压门限值和VDD恢复上升到高于复位电压门限值之后的140ms（最小值）内，RESET推挽输出保持高电平。

（3）MR手动复位输入，当MR低于VIL时产生复位。

（4）VDD电源电压由于TCM812芯片的特点，本设计中采用该芯片进行复位，其电路图如下：图3.11复位电路3.3.3时钟电路时钟电路是计算机的心脏，它控制着计算机的工作节奏。MCS-51单片机允许的时钟频率是因型号而异的典型值为12MHZ。MCS-51内部都有一个反相放大器，XTAL1、XTAL2分别为反相放大器输入和输出端，外接定时反馈元件以后就组成振荡器，产生时钟送至单片机内部的各个部件。电路中的电容C1和C2典型值通常选择为30pf左右。对外接电容的值虽然没有严格的要求，但电容的大小会影响振荡器的频率的高低，振荡器的稳定性和起振的快速性。晶振的振荡频率的范围通常是在1.2MHZ-12MHZ之间。晶振的频率越高，则系统的时钟频率也就越高，单片机的运行速度也就越快。但反过来运行速度快对存储器的速度要求就高，对印制电路板的工艺要求也高，即要求线简的寄生电容要小；晶振和电容应尽可能安装得与单片机芯片靠近，以减少寄生电容，更好地保证振荡器稳定，可靠地工作。综合考虑，本设计采用30pf的电容，因为晶振的频率无法精确达到12MHZ，所以一般情况采用11.0592MHZ,其电路图如下所示：图3.12AT89C51的时钟电路3.3.4显示电路显示电路采用LED数码管显示，LED（Light-EmittingDiode）是一种外加电压从而渡过电流并发出可见光的器件。LED是属于电流控制器件，使用时必须加限流电阻。LED有单个LED和八段LED之分，也有共阴和共阳两种。1．LED显示器的结构及其工作原理常用的七段显示器的结构如图3.13所示。发光二极管的阳极连在一起的称为共阳极显示器,阴极连在一起的称为共阴极显示器。1位显示器由八个发光二极管组成，其中七个发光二极管a~g控制七个笔画（段）的亮或暗，另一个控制一个小数点的亮和暗，这种笔画式的七段显示器能显示的字符较少，字符的开头有些失真，但控制简单，使用方便。如图3.13所示，为七段数码管的管脚图。图3.13七段发光显示器的结构LED数码管通过点亮特定的字段来显示数字或符号。共阴与共阳七段LED数码管的显示字符与对应的显示段码如下表所示，共阳七段数码管的段码刚好是共阴七段数码管段码的反码。表3.2共阴极七段LED数码管和共阳极七段LED数码管的显示段码表显示字符012345678共阴极字符3FH06H5BH4FH66H6DH7DH07H7FH共阳极字符C0HF9HA4HB0H99H92H82HF8H80H显示字符9AbCdEFHP共阴极字符6FH77H7CH39H5EH79H71H76H73H共阳极字符90H88H83HC6HA1H86H8EH89H8CHLED数码管要正常显示，就要用驱动电路来驱动数码管的各个段码，从而显示出我们要的数位，因此根据LED数码管的驱动方式的不同，可以分为静态式和动态式两类。A．静态显示驱动静态驱动也称直流驱动。静态驱动是指每个数码管的每一个段码都由一个单片机的I/O口进行驱动，或者使用如BCD码二-十进位器进行驱动。静态驱动的优点是编程简单，显示亮度高，缺点是占用I/O埠多，如驱动5个数码管静态显示则需要5×8＝40根I/O口来驱动，要知道一个89C51单片机可用的I/O口才32个呢。故实际应用时必须增加驱动器进行驱动，增加了硬体电路的复杂性。B．动态显示驱动

数码管动态显示介面是单片机中应用最为广泛的一种显示方式之一，动态驱动是将所有数码管的8个显示笔划"a,b,c,d,e,f,g,."的同名端连在一起，另外为每个数码管的公共极COM增加位元选通控制电路，位元选通由各自独立的I/O线控制，当单片机输出字形码时，所有数码管都接收到相同的字形码，但究竟是那个数码管会显示出字形，取决于单片机对位元选通COM端电路的控制，所以我们只要将需要显示的数码管的选通控制打开，该位就显示出字形，没有选通的数码管就不会亮。2．LED显示器接口电路的具体设计单片机的LED显示接口设计可采用多种方案。按照显示方式分为静态显示接口电路和动态显示接口电路。从与单片机的接口方式来分可分为并行接口方式和串行接口方式。在设计LED显示接口电路时，既可采用通用集成芯片，也可采用专用的集成显示接口芯片。在本设计考虑了综合因素，一般采用动态显示方式，采用了HD7279驱动器驱动LED数码管，在接下来的小节中将具体介绍其功能。因为

HD7279A是一款具有简单SPI串行接口的器件，可直接驱动8位共阴式数码管，所以我们采用了共阴极数码管。为了使LED数码管的正常工作，都采用一定的驱动电压，所以在显示电路设计过程中，还应该加上限流电阻，具体的电路图将在下节一起介绍。3.3.5HD7279接口1．引脚介绍

HD7279A是一款具有简单SPI串行接口[6]的器件，可直接驱动8位共阴式数码管(或64个独立的LED)，管理多达64键键盘，单片即可完成LED显示和键盘接口的全部功能，大大简化电路设计，占用单片机资源极少(最少2线)，完全免调试，外围电路更简单。HD7279A内部含有译码器可直接接收BCD码或16进制码，也可不译码，并同时具有两种译码方式。此外，该器件还具有多种控制指令，诸如消隐，闪烁，左移，右移和段寻址等，显示控制方式灵活，其段寻址能力可用于独立的LED显示或信息指示灯控制。图3.14为HD729A的引脚配置，其各引脚功能描述如表3-3所列。HD7279A具有片选信号，可方便实现高于8位的显示或高于64键的键盘接口，采用多片级联，对片选信号进行译码即可实现。当应用系统中只有一片HD7279A时，片选端CS可直接接地。图3.14HD7279引脚配置表3.3HD7279引脚功能介绍引脚名称功能描述1,2VDD正电源3,5NC无连接，必须悬空4VSS接地6片选输入端，此引脚为低电平，可向器件发送指令及读取键盘数据7CLK同步时钟输入端，向器件发送数据及读取键盘数据时，此引脚电平上升沿表示数据有效8DATA串行数据输入/输出端，当器件接收指令时，此引脚为输入端；当读取键盘数据时，此引脚在‘读’指令最后一个时钟的下降沿变为输出端9按键有效输出端，平时为高电平，当检测到有效按键时，此引脚为低电平10~16SG~SA段g~段a驱动输出17DP小数点驱动输出18~25DIG0-DIG7数字0~数字7驱动输出26CLKORC振荡器连接端27RC复位端28复位端2．HD7279A的工作原理

HD7279A最显著的优点是与单片机的接口简单，最多只需5条连接线，分别是复位端RESET，片选输入端CS，同步时钟输入端CLK，数据输入输出端DATA和按键有效输出端KEY。在一般应用系统中，RESET可直接接电源，当应用系统中只有一片HD7279A器件时，CS也可以直接接地，此时只需占用3条单片机的I／O端口线，如果应用系统中没有键盘，仅具有显示功能，或者即使有键盘，但单片机软件任务不复杂，均可不接KEY线，使用定时读取键盘键值代码的方法，则此时只需占用2条单片机的I/0端口线。3．HD7279A接口的具体设计根据HD7279A的特点与优点，我们选择该器件来驱动数码管，实现数码显示，其具体电路如下图所示：图3.15HD7279驱动显示器的具体电路3.3.6键盘电路本设计使用的键盘主要为完成一个功能—转速测量的启动/停止；我们将开关直接与AT89C51单片机的P1.1接口相连，通过读I/O口，判定各I/O线的电平状态，即可识别出按下的按键。操作员通过键盘可以输入数据或指令，实现简单的人机通信。我们采用了独立式键盘电路，按键均采用了上拉电阻，这是为了保证在按键断开时，个I/O口有确定的高电平，同时，还备用两个按键方便扩展，其具体电路如下所示：图3-16键盘电路4系统软件设计4.1单片机转速程序设计思路及过程单片机测量转速可以分为若干模块，然后在主程序中调用各个模块，流程图如下图所示。初始化初始化BCD码转换计算程序非压缩BCD码转换显示程序返回开始图4.1主程序流程图4.1.1单片机程序设计思路计算转速公式：n=60/NTc(r/min)其中，N是内部定时器的计数值，为三字节，分别由TH0，TL0，VTT构成；Tc为时基，由于采用11.0592M的晶振，所以Tc不在是1um，而是12M/11.0592M约为1.08um,带入上面公式,即可得到转速的精确计算公式：N=60*11059200/12N=55296000/N再将55296000化为二进制存入单片机的内存单元。下面我们将介绍除数是如何获得的：单片机的转速测量完成，定时器T0作为内部定时器[7]，外部中断来的时候读取TH0，TL0，并同时清零TH0、TL0，使定时器再次循环计内部脉冲。此外，对于低速情况下，我们还要设定一个软件计数器VTT，当外部中断还没来而内部定时器已经溢出，产生定时器0中断时，增加VTT，作为三字节中的高字节。三字节组成除数，上面的常数为四字节，所以计算程序实际上就是调用一个四字节除三字节商为两字节的程序。为数码管能够显示出来，需将二进制转换为十进制，在将十进制转换为非压缩BCD码后，才能调用查表程序，最后送显示。4.2子程序设计4.2.1单片机转速计算程序由于本次设计的系统要实现的功能是将霍尔传感器的信号送到单片机的外部中断口，再对周期方波进行内部计数，调用计算程序把转速测出来。可以说是核心部分，流程图如图所示：开始开始返回被除数初始化调用除法程序读取定时值图4.2计算程序流程图4.2.2二-十进制转换程序计算程序计算出来的数据为二进制，存到50H、51H单元中以便发送程序中调用传送数据到计算机，计算机可识别二进制，然而，我们需要在LED上显示，查表程序需要拆分的BCD码，所以二进制必须先转换成BCD后才能拆分。这里介绍将（R2R3）中的16位二进制数转换为压缩BCD码十进制整数送R4、R5、R6。除法除法移位次数→计数器上商1，减去除数被除数左移一位上商0计数器减1计数器=0？被除数>除数YNNY返回图4.3除法程序流程图4.2.3显示程序单片机显示部分可以用来显示计算出来的数据的。在程序设计中，在AT89C51RAM存贮器中的四个显示缓冲器单元30H－34H，分别存放着由计算出来的转速的BCD码进行拆分后的非压缩BCD码数据，AT89C51的P1口扫描输出总是只有一位为低电平、其它位为高电平，AT89C51的P0口相应位的显示数据的段数据，使该位显示出一个字符，其它们为暗，依次地改变P1口输出为低高的位，P0口输出对应的段数据，4位LED显示器就显示出由缓冲器中显示数据所确定的字符。显示部分程序分为两部分：十进制BCD转换成非压缩BCD码；查表程序显示数据。双字节整数拆分程序流程图如图4.4所示。开始开始返回高字节R4送30HR5与0F0H相与交换后送31HR6与0F0H相与交换后送33HR5与0FH相与后送32HR6与0FH相与后送34H图4.4双字节整数拆分程序流程图显示程序流程图如图4.5所示：结束结束开始INCR0，A=（R1）（R1）=P1，（R1）=A，RLAA+DPTR赋值给P0（R0）赋值给A30H→R0，表首地址→DPTR，（R1）=0FEH（R1）=0DFH？NY图4.5显示程序流程图5转速测量系统的转速分析5.1测速范围软件设计中，采用的闸门时间是1s，T0的最大计数值是65536，因此，最大的计数量应该是在ls内不超过65535，这样，即可算出最高计数频率L。设计数频率为f，其周期为l/f，计到65535个数据时，所用时间为：T=65535*1/f(1)按上述要求：当T=1s时，为极大值即L=65535*l/f所以f=65535(HZ)(2)本设计在实现时，设采用了12点的码盘，即轴每转一周，产生l2个脉冲，因此，轴实际输出频率为：f=65535/12=5460(Hz)，折算到转速：n=f*60=327600(r/min)(3)用这种方法可以测量的转速是很高的。如果这样的转速仍不能满足要求，那么还可以采用软件计数器的方法，进一步扩大其上限，这样，其上限仅取决于定时/计数器的最大允许输入频率，而采用11.0592MHZ的晶振[8]，定时/计数器的最大允许频率约可达到500KHZ，考虑到测量的对象的特性，因此，可以认为，采用M法进行测量，其上限足够使用。这种测速方式的下限理论上也可以很低，但是当转速低到一定程度时，其误差已较大，因此，其测速下限与允许的测量误差有关。5.2测量误差由转速公式：n=给出因m1的量化误差是一个脉冲，故转速变化：n′==n+n（5-1）其相对误差为：（5-2）（5-3）（5-4）-相对误差n′-加入一个脉冲后的转速值n-转速误差由式5-4可知:这里T=1s，P=12，如果我们设定：=0.1％，那么可以计算出，n=60/0.012=5000时，可以满足此要求，当n小于5000时，误差将超出允许范围之外。实际测量工作中，如果测量范围超过这个范围，可以加一个软件计数器，编写T0的中断程序，在中断程序中对软件计数器加1，这样，可以把计数范围扩大256倍。除了被测量量的一些系数（如：码点数）会对系统的测量产生影响外，闸门时间也是一个重要的因素，本程序中仅提供了一个ls固定的闸门时间，实际工程中，可根据需要，灵活地选择闸门时间，兼顾动态、性能等各方面的要求，以取得最好的效果。从以上的分析可以看到，使用M法测量速度，电路和程序均较为简单，且可以在一定的条件下满足精度的要求。当然，如果要制作全量程专用测