速度轉(zhuǎn)速數(shù)字測量系統(tǒng)設(shè)計(jì)(AT89C51含CAD電路圖、說明書)

速度轉(zhuǎn)速數(shù)字測量系統(tǒng)設(shè)計(jì)(AT89C51含CAD電路圖、說明書),速度,轉(zhuǎn)速,數(shù)字,測量,丈量,系統(tǒng),設(shè)計(jì),at89c51,cad,電路圖,說明書,仿單 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論 文） 設(shè)計(jì)(論文)題目： 速度轉(zhuǎn)速數(shù)字測量系統(tǒng)設(shè)計(jì) 學(xué)生姓名： 二級(jí)學(xué)院： 班　　級(jí)： 提交日期： 目錄 目 錄 摘要.....................................................Ⅳ 第一章?緒論..............................................1 第二章?轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)介紹..................................2 2.1?轉(zhuǎn)速測量一般步驟..................................2 2.2?轉(zhuǎn)速測量原理......................................4 2.2.1?測頻法“M法”................................4 2.2.2?測周期法“T法”..............................4 2.2.3?測頻測周法“M/T法”..........................5 第三章?系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)......................................6 3.1?轉(zhuǎn)速測量原理的選擇................................6 3.2 霍爾傳感器.........................................6 3.2.1 霍爾效應(yīng)......................................6 3.2.2 霍爾元件......................................8 3.2.3 UGN3144霍爾開關(guān)元件..........................9 3.3 單片機(jī)............................................12 3.3.1 AT89C51主控電路..............................12 3.3.2 驅(qū)動(dòng)器.......................................13 3.3.3 顯示電路.....................................14 3.3.4 復(fù)位電路.....................................16 3.3.5 時(shí)鐘電路.....................................17 3.3.6 鍵盤電路.....................................18 第4章 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì).....................................19 4.1軟件設(shè)計(jì)的總體思路.................................19 4.2 子程序設(shè)計(jì)........................................20 4.2.1 轉(zhuǎn)速計(jì)算程序.................................20 4.2.2 二-十進(jìn)制轉(zhuǎn)換程序............................21 4.2.3 顯示程序.....................................22 第五章 轉(zhuǎn)速分析.........................................23 5.1 速度范圍..........................................23 5.2 測量誤差..........................................23 總結(jié).....................................................24 參考文獻(xiàn).................................................25 III 摘要 速度轉(zhuǎn)速數(shù)字測量系統(tǒng)設(shè)計(jì) 摘 要 本次設(shè)計(jì)順應(yīng)了數(shù)字化的趨勢，使用數(shù)字式測量方法，以便進(jìn)一步地提高測量的精確度，而且以單片機(jī)為核心的系統(tǒng)測試速度更快，適用范圍更廣。 本次設(shè)計(jì)我使用測頻法設(shè)計(jì)硬件電路，霍爾傳感器為UGN3144，傳感器測量到的信號(hào)經(jīng)過穩(wěn)定、放大、整形輸入到單片機(jī)中。單片機(jī)為AT89C51，包含了主控電路、驅(qū)動(dòng)電路、顯示電路、復(fù)位電路、時(shí)鐘電路和鍵盤電路，集成化程度高。軟件部分可以使用Keil進(jìn)行編程。電氣原理圖可以使用Protel軟件連接所有電路元件來制作。最后進(jìn)行了基本的誤差分析，測試表明該系統(tǒng)測速精度高，滿足設(shè)計(jì)要求。 關(guān)鍵詞：轉(zhuǎn)速測量；霍爾傳感器；單片機(jī) IV Abstract Design of speed digital measuring system Abstract This design conforms to the digital trend, the use of digital measurement methods, in order to further improve the accuracy of the measurement, but also with the core of the system to test the system faster, more widely applicable. In this design, I use the frequency measurement method to design the hardware circuit, the ?monolithic?integrated?circuits sensor is UGN3144, the sensor measurement signal after stable, amplification, shaping input to the microcontroller. The MCU is AT89C51, including the main control circuit, driving circuit, display circuit, reset circuit, clock circuit and keyboard circuit. Software components can be programmed using Keil. Electrical schematic can be used Protel software to connect all the circuit components to produce. Finally, the basic error analysis is carried out. The test shows that the system has high precision and meets the design requirements. Keywords：?monolithic?integrated?circuits;?speeds?measure;?Hall?element? V 第一章 緒論 第一章 緒論 在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和工程實(shí)踐中，我們經(jīng)常能遇到需要轉(zhuǎn)速的時(shí)候，如發(fā)動(dòng)機(jī)，電動(dòng)機(jī)和車床主軸等。因此，轉(zhuǎn)速的測量和表現(xiàn)也成為必不可少的一部分。轉(zhuǎn)速有快有慢，慢的如減速機(jī)只有0～500r/min，快的如氣動(dòng)馬達(dá)可達(dá)到150000r/min。測量轉(zhuǎn)速可以運(yùn)用到的原理有很多，如激光反射原理、電磁感應(yīng)原理。由此對(duì)應(yīng)的傳感器也很多，如光電式傳感器、磁電式傳感器。以前基本上都使用模擬式測量轉(zhuǎn)速，即旋轉(zhuǎn)物體的旋轉(zhuǎn)軌跡全部被記錄下來，但現(xiàn)在有很多的地方用到的轉(zhuǎn)速都非常大，如果仍然使用模擬量，要記錄的信息非常龐大，整個(gè)測量系統(tǒng)負(fù)載太大。數(shù)字式不是直接測量旋轉(zhuǎn)物體的圈數(shù)，而是把這圈數(shù)由其他參量先表現(xiàn)出來，再通過程序把這些參量轉(zhuǎn)化成轉(zhuǎn)速。隨著科技的發(fā)展，計(jì)算機(jī)處理器處理數(shù)據(jù)的速度越來越快，存儲(chǔ)能里也越來越高，不論是測量范圍還是測量精確度，數(shù)字式都逐漸取代了模擬式。 單片機(jī)原本是核心為CPU的芯片。隨著數(shù)字化的發(fā)展，各式各樣的地方都用到了單片機(jī)。尤其是集成電路的出現(xiàn)和發(fā)展，單片機(jī)上可以連接各種電路（如顯示驅(qū)動(dòng)電路，鍵盤電路），兼容性非常大。單片機(jī)出現(xiàn)在1970年代，經(jīng)歷了如下三個(gè)階段： （1） SCM：單片微型計(jì)算機(jī)階段 （2） MCU：微控制器階段 （3） SoC：信號(hào)操作控制器階段 霍爾傳感器利用了霍爾效應(yīng)，在霍爾效應(yīng)被發(fā)現(xiàn)時(shí)，有人就制造了霍爾傳感器，但當(dāng)時(shí)使用的金屬材料并不適合測量，直到半導(dǎo)體材料的出現(xiàn)，才有了各種霍爾元件，隨著集成電路的發(fā)展，霍爾傳感器的種類更加豐富了。 本次轉(zhuǎn)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)有以下幾個(gè)內(nèi)容： （1） 分析轉(zhuǎn)速測量的三種原理：測頻法（M法）、測周期法（T法）和測頻測周法（M/T法）；并分析其精度和誤差，選擇一種作為本次設(shè)計(jì)的理論基礎(chǔ)；介紹并選擇一款霍爾傳感器 （2） 選擇單片機(jī)的型號(hào)，分析集成電路中的各個(gè)組成部分，繪制電氣原理圖： （3） 根據(jù)選擇的單片機(jī)編寫測速的相應(yīng)程序，寫出具體程序 （4） 分析本次設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)速是否滿足要求 29 第二章 轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)介紹 第二章 轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)介紹 2.1 轉(zhuǎn)速測量的一般步驟 下圖為轉(zhuǎn)速系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)： 圖2-1 轉(zhuǎn)速測量框圖 2.1.1轉(zhuǎn)速信號(hào)拾取 要測量轉(zhuǎn)速，第一步便是獲取轉(zhuǎn)速的信息。轉(zhuǎn)速是屬于速度的一個(gè)物理量，我們需要把它轉(zhuǎn)化成電的信號(hào)，以便之后的器件接收、檢測。要實(shí)現(xiàn)這一步驟就需要用到傳感器。傳感器可以利用不同的物理特性使轉(zhuǎn)速這一非電參量以電量的形式表示出來。 傳感器通常具有以下幾種分類： （1） 磁敏式 傳感器中有一個(gè)磁敏電阻，我們通常需要測量轉(zhuǎn)速的器械有一部分是齒輪，齒輪一周都有凸起部分，并且?guī)в写判?。在齒輪旋轉(zhuǎn)的時(shí)候，磁敏電阻感應(yīng)到磁場變化，傳感器便將感應(yīng)到的變化即旋轉(zhuǎn)速度以脈沖信號(hào)的形式輸出。 （2） 激光式 激光照射到被測器械后反射回傳感器，傳感器將激光的變化轉(zhuǎn)化成轉(zhuǎn)速信號(hào)。 （3） 磁電式 這種傳感器帶有計(jì)數(shù)器，直接對(duì)旋轉(zhuǎn)時(shí)的轉(zhuǎn)角位移計(jì)數(shù)，且不用和被測器械直接接觸。 （4） 電容式 這種傳感器帶有一個(gè)電容器，兩塊金屬板固定，還有一個(gè)安裝在轉(zhuǎn)軸上的可移動(dòng)金屬板。通入直流電或交流電后，轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)時(shí)帶動(dòng)可移動(dòng)金屬板，電容量由此發(fā)生周期性的變化，傳感器將這一變化輸出。 2.1.2 整形倍頻 我們?cè)谵D(zhuǎn)速中通常需要矩形脈沖，傳感器測量到的轉(zhuǎn)速信號(hào)被轉(zhuǎn)變成了脈沖信號(hào)，但輸出的脈沖不一定是矩形的，因此我們需要將該脈沖整形。一般情況下脈沖振蕩器可以直接輸出我們要的矩形脈沖，除此之外我們可以使用觸發(fā)器電路作為整形電路更改脈沖使之變成我們想要的形式。另外在低速的測量中，傳感器碼盤的刻度顯示太低，讀取的誤差較大，我們可以使用倍頻電路擴(kuò)大脈沖信號(hào)，這樣便可以更清楚的讀取數(shù)據(jù)。 圖2-2 （a）信號(hào)處理前的波形 （b）信號(hào)處理后的波形 2.1.3 單片機(jī) 我們通過傳感器獲取了轉(zhuǎn)速的信息，但這個(gè)信息是電路形式，我們不能直接看到，因此我們?nèi)匀恍枰D(zhuǎn)換，這就用到了單片機(jī)。和傳感器一樣是整個(gè)系統(tǒng)中的重要組成部分。單片機(jī)屬于小型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，具有結(jié)合了中央處理器（CPU）、隨機(jī)存儲(chǔ)器（RAM）、只讀存儲(chǔ)器（ROM）、各種I/O口、中斷系統(tǒng)，同時(shí)還需要帶有定時(shí)器/計(jì)數(shù)器。 2.1.4 顯示 最后，單片機(jī)的結(jié)果要顯示出來給我們看見。一般使用LED數(shù)碼管作為顯示器。具體內(nèi)容在之后的章節(jié)表述。 2.2 轉(zhuǎn)速測量原理 2.2.1 測頻法（M法） 測頻法通過在一個(gè)確定的時(shí)間內(nèi)計(jì)算傳感器產(chǎn)生的脈沖數(shù)量來計(jì)算轉(zhuǎn)速。一個(gè)轉(zhuǎn)軸在轉(zhuǎn)一圈的過程中產(chǎn)生固定數(shù)量的脈沖，而轉(zhuǎn)一圈的時(shí)間知道后，就可以結(jié)合脈沖數(shù)和時(shí)間計(jì)算轉(zhuǎn)速。其公式為： （2-1） 其中： T：測量的時(shí)間 ：測量時(shí)間內(nèi)傳感器產(chǎn)生的脈沖數(shù)量 而式（2-1）中，為： （2-2） 將式（2-2）代入（2-1）中： （2-3） 其中： P：傳感器測量轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)一圈產(chǎn)生的脈沖數(shù) 圖2-3 M法測量轉(zhuǎn)速圖 因?yàn)樵跍y量起始T=0時(shí)傳感器不一定正好要發(fā)出的一個(gè)新的脈沖，結(jié)束時(shí)也不一定正好發(fā)完一個(gè)完整的脈沖，所以這種測量方法存在誤差，其誤差范圍在0～1個(gè)脈沖。要想減小這種誤差，設(shè)置的測量時(shí)間就要足夠長，即轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)的圈數(shù)增加，測得的脈沖數(shù)也多。但如果轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)得太快，我們要測的脈沖數(shù)就非常多，傳感器的壓力增多。 2.2.2 測周期法（T法） 我們先給出一個(gè)固定頻率的已知脈沖，在測量時(shí)該頻率和傳感器接收被測轉(zhuǎn)軸的脈沖信號(hào)對(duì)比，可以得出轉(zhuǎn)速。其公式如下： （2-4） 或 （2-5） 其中： ：已知脈沖和傳感器的脈沖頻率之間存在的間隔 ：傳感器接收到的脈沖數(shù)量 ：我們提供的已知脈沖的頻率 圖2-4 T法測量轉(zhuǎn)速圖 T法存在的誤差和M法相似，我們無法確保兩個(gè)脈沖同時(shí)出現(xiàn)，所以也有0～1個(gè)脈沖誤差。如果我們?cè)谵D(zhuǎn)軸已經(jīng)開始旋轉(zhuǎn)后才加入對(duì)比的脈沖，這種誤差會(huì)更加大，所以該脈沖最好和轉(zhuǎn)軸系統(tǒng)同步開始。 2.2.3 測頻測周法（M/T法） 該法將兩種測量方式結(jié)合，擁有三個(gè)參量：轉(zhuǎn)軸一圈后的脈沖數(shù)；給定時(shí)間內(nèi)的脈沖數(shù)；我們自己給定的一個(gè)脈沖。其公式如下： （2-6） 其中： ：傳感器接收轉(zhuǎn)軸的脈沖的頻率 ：檢測出的脈沖 ：我們給定的脈沖在這段時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的脈沖數(shù) 第三章 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì) 第三章 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì) 3.1 測量原理選擇 測周期法和測頻測周期法中存在一個(gè)需要我們自己定義的脈沖，需要另外增加一個(gè)脈沖發(fā)生器，本次設(shè)計(jì)比較簡單，平時(shí)測量的器件不需要太高轉(zhuǎn)速，因此我采用測頻法，可利用霍爾傳感器直接獲取脈沖信號(hào)。 3.2 霍爾傳感器 3.2.1 霍爾效應(yīng) 1987年美國物理學(xué)家霍爾發(fā)現(xiàn)了霍爾效應(yīng)并以他的名字命名。之后人們便根據(jù)這一效應(yīng)廣泛使用半導(dǎo)體材料。 圖3-1 霍爾效應(yīng)原理圖 如圖3-1（a）所示，這是一個(gè)半導(dǎo)體材料。在X軸方向接入電路，該電路電流為I。在這半導(dǎo)體材料周圍存在一個(gè)磁場，方向指向Z軸正方向?；魻栃?yīng)中所說的附加電場的電勢差為。又稱為霍爾電壓。公式如下： （3-1） 或： （3-2） 其中： B：磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度 I：電路中的電流強(qiáng)度 ：霍爾系數(shù) ：霍爾元件靈敏度（mV/(mA*T)） 根據(jù)霍爾效應(yīng)所述，電流中的帶電粒子在磁場中遠(yuǎn)動(dòng)軌跡發(fā)生改變，即存在一個(gè)磁場產(chǎn)生的力影響了電子運(yùn)動(dòng)，我們把這個(gè)力稱為洛倫磁力。而該帶電粒子我們稱為載流子（半導(dǎo)體有N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體之分，在兩者中的載流子分別帶負(fù)電荷和正電荷）。圖3-1（b）中載流子就因洛倫磁力改便了方向，該洛倫磁力有如下公式： （3-3） 其中： ：洛倫磁力指向Y軸負(fù)方向 ：電子的速度，方向?yàn)閄軸正方向 ：電子的電荷量 霍爾電場： 如圖3-1（b），帶負(fù)電荷的載流子（該半導(dǎo)體是N型半導(dǎo)體）向半導(dǎo)體材料的A面遠(yuǎn)動(dòng)，由此半導(dǎo)體B面出現(xiàn)了一樣電荷數(shù)的正電荷，在正負(fù)電荷的影響下AB面之間出現(xiàn)了一個(gè)單場，，方向?yàn)閅軸負(fù)方向： 該電場中的電場力為： （3-4） 其中： ：方向?yàn)閅軸正方向 當(dāng)該電場穩(wěn)定后： （3-5） （3-6） 即： （3-7） 得： （3-8） 此時(shí)B面電位高。 該半導(dǎo)體中通過橫截面的電流為： （3-9） 其中： ：電子濃度 由式（3-9）得： （3-10） 將式（3-10）代入式（3-8）得： （3-11） 其中： ：，霍爾系數(shù) :，霍爾元件靈敏度 霍爾元件靈敏度越高，傳感器的精度就越高。由可知，當(dāng)n比較小時(shí)，霍爾元件才能展示出高性能。而半導(dǎo)體的電子濃度就比其他性質(zhì)的材料小的多，所以平時(shí)都使用半導(dǎo)體材料。厚度d和成反比，所以半導(dǎo)體材料都很薄，一般在0.2mm左右。 半導(dǎo)體N型和P型的區(qū)別：在霍爾效應(yīng)中，載流子在N型半導(dǎo)體中帶負(fù)電，經(jīng)過洛倫磁力轉(zhuǎn)移到A面，B面產(chǎn)生正電荷。在P型半導(dǎo)體中相反。兩者的電勢差相反。 3.2.2 霍爾元件 假設(shè)轉(zhuǎn)軸上有一個(gè)齒輪，當(dāng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，周圍的磁場發(fā)生變化，在一旁的磁敏電阻感受到該變化，并將這一變化記錄下來。 圖3-2 霍爾傳感器結(jié)構(gòu) 另外一種方式是，轉(zhuǎn)軸的一端鏈接在一個(gè)帶有磁體的轉(zhuǎn)盤上，該轉(zhuǎn)盤是傳感器的一部分，轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)，傳感器上的磁敏電阻感應(yīng)到磁場的變化產(chǎn)生脈沖。 圖3-3 幾種霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器的結(jié)構(gòu) 霍爾元件通常的制作材料：Ge、Si、InSb、GaAs、InAs、InAsP 現(xiàn)在的霍爾傳感器制造得都很輕巧、緊湊，直接接觸的類型也可以承受轉(zhuǎn)軸的輕微震動(dòng)，有外殼包裹后防水防塵防腐蝕。整個(gè)傳感器能承受-55～150℃的溫度。 圖3-4 某種霍爾元件 本次設(shè)計(jì)是數(shù)字測量，所以我選擇了開關(guān)型霍爾元件，輸出數(shù)字量。而傳感器測量出的轉(zhuǎn)速信號(hào)需要通過單片機(jī)的計(jì)算處理才能顯示出來，所以要有外接電路，因此我直接使用集成式的霍爾傳感器，方便簡單。 3.2.3 UGN3144霍爾開關(guān)元件 本次設(shè)計(jì)我使用了UGN3144霍爾開關(guān)元件。 （1）UGN3144工作原理 UGN3144霍爾開關(guān)元件的組成部分：霍爾電勢發(fā)生器、穩(wěn)壓器、差分放大器、施密特觸發(fā)器和OC門輸出（按先后順序） l 霍爾電勢發(fā)生器：半導(dǎo)體材料，用以接收轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的磁場變化的信號(hào)，該信號(hào)以電壓的形式表現(xiàn)出來 l 穩(wěn)壓器：穩(wěn)定霍爾電勢發(fā)生器產(chǎn)生的電壓 l 差分放大器：轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)周圍的磁場變化很微弱，霍爾元件轉(zhuǎn)化的電壓很低，需要放大該電路，即第二章介紹的倍頻 l 施密特觸發(fā)器：同第二章介紹，霍爾元件輸入的脈沖信號(hào)波形存在問題，需要我們?cè)诒额l后進(jìn)行整形 l OC門輸出：霍爾元件輸入的電壓經(jīng)過穩(wěn)壓、倍頻、整形后需要輸入單片機(jī)進(jìn)行處理（為了提高負(fù)載，圖3-5中添加了晶體管9012） 圖3-5 UGN3144霍爾信號(hào)采集電路 （2） UGN3144封裝形式 UGN3144使用SOT89封裝。SOT89有三個(gè)管腳： 圖3-6 SOT89圖示 其中： 1腳：接電源正 2腳：接地 3腳：信號(hào)輸出（OC門） （3） UGN3144主要參數(shù) 主要參數(shù)如下： l 電源電壓：4.5～24V l 連續(xù)輸出電流：25mA? l 輸出關(guān)斷電壓：25V? l 反向電壓（反向電壓保護(hù)）：35V l 工作溫度：-20～85℃或-40～25℃ （4） UGN3144輸出特性 轉(zhuǎn)軸所處的磁場B，假設(shè)該轉(zhuǎn)軸上有一個(gè)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，齒輪以工作狀態(tài)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，磁場強(qiáng)度變大，當(dāng)?shù)揭欢ǔ潭葧r(shí)，霍爾電勢發(fā)生器的電勢高于OC門的輸出電勢，這時(shí)候，整個(gè)傳感器工作，輸出脈沖信號(hào)；如果齒輪只是輕微震動(dòng)，磁場強(qiáng)度很弱，當(dāng)?shù)陀谝欢〝?shù)值時(shí)，發(fā)生器的電勢比CO門輸出電勢低，這時(shí)候，傳感器并不會(huì)工作。這是開關(guān)型霍爾元件的一大特點(diǎn)，借此可以防止在轉(zhuǎn)軸不是工作狀態(tài)下引起的如輕微震動(dòng)使傳感器啟動(dòng)，記錄不正確的信號(hào)，即磁場發(fā)生變化并不一定代表轉(zhuǎn)軸在轉(zhuǎn)動(dòng)，但傳感器并不知道，所以要我們?cè)O(shè)定一個(gè)約束條件。如圖3-7所示，磁場強(qiáng)度B在大到一定程度時(shí)，傳感器中的電勢差才會(huì)使這個(gè)系統(tǒng)工作。有如下公式： （3-12） 其中： ：磁場強(qiáng)度B的變化程度要大于該值傳感器才能正常運(yùn)作 ：磁場強(qiáng)度B大于該值，傳感器工作 ：磁場強(qiáng)度低于該值時(shí)，傳感器停止工作 圖3-7 開關(guān)型霍爾元件輸出特性 3.3 單片機(jī) 本次設(shè)計(jì)我使用AT89C51單片機(jī) 3.3.1 AT89C51主控電路 （1） AT89C51主要參數(shù) 該單片機(jī)有如下參數(shù)： l 兼容：MCS-51? l 4K字節(jié)可編程閃爍存儲(chǔ)器，壽命：1000寫/擦循環(huán) l 數(shù)據(jù)保留時(shí)限：10年? l 全靜態(tài)工作：0Hz-24Hz? l 鎖定三級(jí)程序存儲(chǔ)器? l 128*8位內(nèi)部RAM? l 32可編程I/O線? l 16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器：2個(gè)? l 中斷源：5個(gè)?? l 可編程串行通道? l 閑置時(shí)低功耗和掉電模式? l 片內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘電路 （2） AT89C51引腳 圖3-8 AT89C51主控電路圖 l P0口：拉高外部電阻 l P1口：接受第8位地址 l P2口：接受第8位地址并控制信號(hào) l P3口：特殊功能口 表3-1 P3口的特殊功能 l RST：復(fù)位輸入 l ALE/PROG：輸入編程脈沖（正脈沖信號(hào)） l /PSEN：外部程序存儲(chǔ)器的選通信號(hào) l /EA/VPP：附加12V編程電源（VPP） l XTAL1：輸入反向振蕩放大器和內(nèi)部時(shí)鐘工作電路。????? l XTAL2：輸出反向振蕩器。 3.3.2 驅(qū)動(dòng)器 單片機(jī)輸出的信號(hào)需要經(jīng)過驅(qū)動(dòng)器才能顯示在顯示器上，我選擇了CD4511作為驅(qū)動(dòng)器。 （1） CD4511主要參數(shù) l 電源電壓范圍：3V~18V l 輸入電壓范圍：0V~VDD l 工作溫度范圍：M類 -55℃~125℃或 E類 -40℃~85℃ （2） CD4511引腳 圖3-9 CD4511引腳圖 l A0~A3：二進(jìn)制數(shù)據(jù)輸入端 l /BI：輸出消隱控制端 l LE：數(shù)據(jù)鎖定控制端 l /LT：燈測試端 l Ya~Yg：數(shù)據(jù)輸出端 l VDD：電源正 l VSS：電源負(fù) 3.3.3 顯示電路 本次設(shè)計(jì)顯示屏我使用了LED數(shù)碼管。LED數(shù)碼管在如今的生活中十分常見，因?yàn)橐@示0～9這10個(gè)數(shù)字，且是在一小塊屏幕上能同時(shí)顯示，所以數(shù)碼管被設(shè)計(jì)成了“日”字形，一共有7個(gè)數(shù)碼管，當(dāng)你需要哪個(gè)數(shù)字，就把該數(shù)字樣式所處的數(shù)碼管點(diǎn)亮，如果需要小數(shù)點(diǎn)，就添加一個(gè)數(shù)碼管。 （1） LED數(shù)碼管引腳 下圖為7段數(shù)碼管的引腳圖： 圖3-10 7段數(shù)碼管引腳圖 這些引腳都與驅(qū)動(dòng)器相連。 （2） 驅(qū)動(dòng)顯示 圖3-11 CD4511驅(qū)動(dòng)LED數(shù)碼管圖 我們需要什么數(shù)字就點(diǎn)亮什么數(shù)碼管（發(fā)光二極管），這項(xiàng)工作交給了CD4511而不是單片機(jī)。本次設(shè)計(jì)中我設(shè)定一共需要3個(gè)數(shù)碼管（即轉(zhuǎn)速設(shè)定為0～999r/min），便需要3個(gè)CD4511驅(qū)動(dòng)器。圖（3-11）為具體圖示，兩者之間有一限流電阻。 顯示一個(gè)數(shù)字需要幾根不同的發(fā)光二級(jí)管，在編寫程序時(shí)，驅(qū)動(dòng)器不是直接向該數(shù)字所在的幾根發(fā)光二極管發(fā)出指令，而是把表示這一數(shù)字的所有發(fā)光二極管統(tǒng)一起來，便于表述，在程序中我們把這種統(tǒng)一的形式稱為段碼。由于引腳連接方式不同，有兩種段碼，如下表3-2： 表3-2 7段LED數(shù)碼管的顯示段碼表 3.3.4 復(fù)位電路 在整個(gè)系統(tǒng)完成一次測量后，如果要測量其他轉(zhuǎn)速時(shí)，之前的數(shù)據(jù)便沒有用了，因此不論是顯示器還是單片機(jī)，都要回到初始狀態(tài)，如顯示的LED數(shù)碼管上的數(shù)字應(yīng)都為0。 在我選擇的單片機(jī)中，按下復(fù)位按鈕一段時(shí)間，該電路上產(chǎn)生了一個(gè)高電勢，該電勢輸出到其他引腳上，使所有部位回到初始狀態(tài)。 圖3-12 復(fù)位電路 3.3.5 時(shí)鐘電路 該電路是測量系統(tǒng)中的重要組成部分，轉(zhuǎn)速由參量組成，一個(gè)是速度，另一個(gè)就是時(shí)間，霍爾傳感器接收的脈沖信號(hào)需要記錄時(shí)間，才能知道轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)這些圈數(shù)需要花多久。而整個(gè)系統(tǒng)的其他部分（單片機(jī)等）運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)也都以時(shí)間為基準(zhǔn)，按這個(gè)順序執(zhí)行指令。時(shí)鐘電路依靠震蕩來表現(xiàn)時(shí)間這一概念，具體表現(xiàn)為：該電路中的震蕩器有節(jié)奏地產(chǎn)生固定頻率的脈沖信號(hào)，像時(shí)間一樣精確。整個(gè)單片機(jī)跟著這個(gè)節(jié)奏來運(yùn)作，這個(gè)固定的頻率越高，系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)地越快。 圖3-13 時(shí)鐘電路圖 3.3.6 鍵盤電路 整個(gè)系統(tǒng)不是獨(dú)立的存在，我們需要操縱它開啟、關(guān)閉或其他行為，這就需要用到鍵盤，我們?cè)趩纹瑱C(jī)上加入了這一電路。 圖3-14 鍵盤電路 其中： S1：開始測量 S2：停止測量 S3：確認(rèn)鍵 第四章 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì) 第四章 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì) 4.1軟件設(shè)計(jì)的總體思路 在程序設(shè)計(jì)中，完整的轉(zhuǎn)速測量一般需要以下幾個(gè)步驟： （1） 霍爾元件檢測到信號(hào)，開始中斷程序 （2） 定時(shí)器、計(jì)數(shù)器等初始化 （3） 對(duì)脈沖信號(hào)計(jì)數(shù)、定時(shí) （4） 將獲取的信息進(jìn)行計(jì)算 （5） 得出計(jì)算結(jié)果，顯示 其具體流程如下： 圖4-1 測速主要流程圖 關(guān)于中斷的簡單介紹： 當(dāng)我們?cè)谧鲆患虑榧讜r(shí)，突然需要停下來先去把事情乙完成，這就是一個(gè)中斷。在測速系統(tǒng)中，霍爾元件接受的信號(hào)使單片機(jī)執(zhí)行中斷程序，而單片機(jī)用定時(shí)器把一個(gè)一個(gè)數(shù)下來，在定時(shí)器規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，總共有多少個(gè)中斷數(shù)量都很明確?；魻栐斎氲絾纹瑱C(jī)中的脈沖信號(hào)會(huì)改變單片機(jī)兩端的電勢差，當(dāng)電平從高到低或從低到高時(shí)，又或者說是檢測到高電平或低電平時(shí)，定時(shí)器便記一個(gè)中斷（只需要記錄變化的一種，比如說定時(shí)器就記錄電平從高到低的變化，這樣一個(gè)中斷就代表了一整個(gè)脈沖，即脈沖數(shù)等于計(jì)數(shù)）。 轉(zhuǎn)速計(jì)算公式如下： (4-1) 其中： N：定時(shí)器計(jì)數(shù)值，由TH0、TL0/VTT組成 ：時(shí)基 單片機(jī)AT89C51系統(tǒng)規(guī)定晶振頻率為11.0592MHz，因此： (4-2) 把式（4-2）帶入（4-1）得轉(zhuǎn)速計(jì)算的精確公式： (4-3) 由式4-3可知，要獲得轉(zhuǎn)速，需要知道上述所說定時(shí)器記錄的中斷數(shù)，而55296000是一個(gè)固定值，所以可以直接存儲(chǔ)在單片機(jī)的內(nèi)存中。 4.2 子程序設(shè)計(jì) 4.2.1 轉(zhuǎn)速計(jì)算程序 該計(jì)算程序的核心公式就是式（4-3），中斷數(shù)是我們所要知道的唯一變量，在公式中作為除數(shù)出現(xiàn)，我們只要把這個(gè)除法運(yùn)算寫入程序中。 圖4-2 轉(zhuǎn)速計(jì)算程序流程圖 圖4-3 除法程序流程圖 4.2.2 二-十進(jìn)制轉(zhuǎn)換程序 所有數(shù)值在單片機(jī)中都是二進(jìn)制，但我們平時(shí)所用的是十進(jìn)制，顯示在數(shù)碼管上的是0～9這10個(gè)十進(jìn)制數(shù)字，因此兩者要轉(zhuǎn)換。 兩者轉(zhuǎn)換可以用固定的編碼來進(jìn)行，稱為BCD碼。十進(jìn)制數(shù)字9對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制為1001，是0～9中最大的數(shù)值，有四位數(shù)，所以BCD碼為四位數(shù)的二進(jìn)制碼。 圖4-4 二-十進(jìn)制轉(zhuǎn)換程序流程圖 4.2.3 顯示程序 經(jīng)過二-十進(jìn)制轉(zhuǎn)換程序后我們就把數(shù)據(jù)放入緩存中顯示。 圖4-5 顯示程序流程圖 以上具體程序代碼在附件中展示。 第五章 轉(zhuǎn)速分析 第五章 轉(zhuǎn)速分析 5.1 速度范圍 本次設(shè)計(jì)選用的單片機(jī)的定時(shí)器能在1s內(nèi)計(jì)數(shù)最多65536次，由此假定測速在1s內(nèi)結(jié)束，頻率為，即周期為，計(jì)數(shù)65536次要花時(shí)間： （5-1） 如果需要在1s內(nèi)完成計(jì)數(shù)，則： （5-2） （5-3） 本次設(shè)計(jì)使用12點(diǎn)碼盤，轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)一圈計(jì)數(shù)為12.則： （5-4） 由式5-3可知，最大頻率轉(zhuǎn)變成最大轉(zhuǎn)速為： （5-5） ·因此，完全滿足我們需要測量的轉(zhuǎn)速。 5.2 測量誤差 在第二章中，我分析了傳感器測量的脈沖數(shù)存在1個(gè)脈沖的誤差，由式2-3可知，轉(zhuǎn)速有如下誤差： （5-6） 其相對(duì)誤差為： (5-7) （5-8） （5-9） 由式5-9可知，已知，，假設(shè)我們?cè)试S的誤差，則： （5-10） （5-11） 綜上，時(shí)，誤差在可接受范圍內(nèi)，滿足我們的條件。 總結(jié) 總 結(jié) 本次設(shè)計(jì)我完成了對(duì)霍爾效應(yīng)的利用的較為簡單的轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)。其中，我使用的是AT89C51單片機(jī)。在此之前，我學(xué)的課程是PLC，經(jīng)過本次設(shè)計(jì)的學(xué)習(xí)，我對(duì)PLC與單片機(jī)兩者之間也有了一些想法。我覺得PLC是集成化更高的一種單片機(jī)發(fā)展，你需要什么東西，PLC都已經(jīng)準(zhǔn)備好了，你只需要把程序編出來；單片機(jī)就不同了，比如這次的設(shè)計(jì)，測試轉(zhuǎn)速的方法有很多種，由此應(yīng)用到的原理不同，導(dǎo)致需要的傳感器也不一樣，因此單片機(jī)中的其他元件都由我來選擇?？梢哉f，使用PLC快捷方便，單片機(jī)的適用范圍廣。對(duì)于我來說，我覺得學(xué)習(xí)單片機(jī)是一件很重要的事情，也要學(xué)習(xí)很多的東西：硬件系統(tǒng)中的各種電路，每一種都包含有許多知識(shí)；軟件的編寫，首先要了解它的原理，然后考慮如何設(shè)計(jì)才更有效率。這次的設(shè)計(jì)，我只能說我對(duì)于電氣知識(shí)的了解還很淺，不能詳盡地描述所有的內(nèi)容。但作為自動(dòng)化方向的學(xué)生，在以后的工作學(xué)習(xí)中，還要多加努力。 本次設(shè)計(jì)中，傳感器的種類很多，其中，最常見的是霍爾傳感器和光電式傳感器，我之所以選擇的霍爾傳感器而非光電傳感器，因?yàn)槲矣X得我設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)主要測量的是平時(shí)比較常見的事物，比如車床主軸的轉(zhuǎn)速。光電傳感器的測量精度是比霍爾元件高，但它的成本也高，而且抗震性差，需要一個(gè)穩(wěn)定的測量環(huán)境，在普通的日常生活中適用性較差。 參考文獻(xiàn) 參考文獻(xiàn) [1]王朕，劉學(xué)鋒，劉陵順.基于AT89C51的電機(jī)轉(zhuǎn)速測量儀的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn).《四川兵工學(xué)報(bào)》，2009,30（5）:19-21? 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