基于51單片機(jī)和霍爾開關(guān)傳感器的轉(zhuǎn)速測(cè)量?jī)x.doc

課程設(shè)計(jì)報(bào)告書基于單片機(jī)和霍爾傳感器的轉(zhuǎn)速測(cè)量?jī)x摘要系統(tǒng)由傳感器、信號(hào)處理、系統(tǒng)軟件等部分組成。傳感器采用霍爾開關(guān)傳感器（），負(fù)責(zé)將轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)化為脈沖信號(hào)；信號(hào)處理電路（反相器）包含待測(cè)信號(hào)整形反相等部分，波形變換和波形整形電路實(shí)現(xiàn)把正負(fù)交變的信號(hào)波形變換成可被單片機(jī)接受的TTL/CMOS兼容信號(hào)。 處理器采用單片機(jī)，顯示器采用單片機(jī)開發(fā)板自帶的8位LED數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示。課題背景在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和工程實(shí)踐中，經(jīng)常會(huì)遇到各種需要測(cè)量轉(zhuǎn)速的場(chǎng)合，測(cè)量轉(zhuǎn)速的方法分為模擬式和數(shù)字式兩種。模擬式采用測(cè)速發(fā)電機(jī)為檢測(cè)元件，得到的信號(hào)是模擬量，控制系統(tǒng)的硬件部分非常復(fù)雜，功能單一，而且系統(tǒng)非常不靈活、調(diào)試?yán)щy。數(shù)字式通常采用光電編碼器、圓光柵、霍爾元件等為檢測(cè)元件，得到的信號(hào)是脈沖信號(hào)。單片機(jī)技術(shù)的日新月異，特別是高性能價(jià)格比的單片機(jī)的出現(xiàn)，轉(zhuǎn)速測(cè)量普遍采用以單片機(jī)為核心的數(shù)字式測(cè)量方法，使得許多控制功能及算法可以采用軟件技術(shù)來完成。采用單片機(jī)構(gòu)成控制系統(tǒng)，可以節(jié)約人力資源和降低系統(tǒng)成本，從而有效的提高工作效率。 本課題，是要利用霍爾傳感器來測(cè)量轉(zhuǎn)速。由磁場(chǎng)的變化來使霍爾傳感器產(chǎn)生脈沖，由單片機(jī)計(jì)數(shù)，經(jīng)過數(shù)據(jù)計(jì)算轉(zhuǎn)化成所測(cè)轉(zhuǎn)速，再由數(shù)碼管顯示出來。1.硬件部分概述. 系統(tǒng)組成框圖蜂鳴器超速報(bào)警單片機(jī)機(jī)控制三位數(shù)碼管顯示轉(zhuǎn)速霍爾傳感器采集轉(zhuǎn)速脈沖信號(hào)反相器信號(hào)處理圖-系統(tǒng)框圖系統(tǒng)框圖原理如圖所示，系統(tǒng)由傳感器、信號(hào)處理、數(shù)碼管顯示、蜂鳴器超速報(bào)警和系統(tǒng)軟件等部分組成。傳感器采用霍爾開關(guān)傳感器（），負(fù)責(zé)將轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)化為脈沖信號(hào)。信號(hào)處理電路反相器）包含待測(cè)信號(hào)波形變換、波形整形等部分，波形變換和波形整形電路實(shí)現(xiàn)把正負(fù)交變的信號(hào)波形變換成可被單片機(jī)接受的TTL/CMOS兼容信號(hào)。 處理器采用單片機(jī)，顯示器采用8位LED數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示。.霍爾傳感器測(cè)轉(zhuǎn)速原理及特性霍爾傳感器是對(duì)磁敏感的傳感元件，由磁鋼、霍耳元件等組成。測(cè)量系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速傳感器選用SiKO 的 的霍爾傳感器，其響應(yīng)頻率為100KHz，額定電壓為5-30（V）、檢測(cè)距離為10（mm）。其在大電流磁場(chǎng)或磁鋼磁場(chǎng)的作用下，能測(cè)量高頻、工頻、直流等各種波形電流。該傳感器具有測(cè)量精度高、電壓范寬、功耗小、輸出功率大等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用在高速計(jì)數(shù)、測(cè)頻率、測(cè)轉(zhuǎn)速等領(lǐng)域。輸出電壓425V，直流電源要有足夠的濾波電容，測(cè)量極性為N極。安裝時(shí)將一非磁性圓盤固定在電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)軸上，將磁鋼粘貼在圓盤邊緣，磁鋼采用永久磁鐵，其磁力較強(qiáng)，霍爾元件固定在距圓盤1-10mm處。當(dāng)磁鋼與霍爾元件相對(duì)位置發(fā)生變化時(shí)，通過霍爾元件感磁面的磁場(chǎng)強(qiáng)度就會(huì)發(fā)生變化。圓盤轉(zhuǎn)動(dòng)，磁鋼靠近霍爾元件，穿過霍爾元件的磁場(chǎng)較強(qiáng)，霍爾元件輸出低電平；當(dāng)磁場(chǎng)減弱時(shí)，輸出高電平，從而使得在圓盤轉(zhuǎn)動(dòng)過程中，霍爾元件輸出連續(xù)脈沖信號(hào)。這種傳感器不怕灰塵、油污，在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用廣泛。.轉(zhuǎn)速測(cè)量原理霍爾器件是由半導(dǎo)體材料制成的一種薄片，器件的長(zhǎng)、寬、高分別為 l、b、d。若在垂直于薄片平面（沿厚度 d）方向施加外磁場(chǎng)B，在沿l方向的兩個(gè)端面加一外電場(chǎng)，則有一定的電流流過。由于電子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)，所以將受到一個(gè)洛侖磁力，其大小為：式中：f洛侖磁力， q載流子電荷， V載流子運(yùn)動(dòng)速度， B磁感應(yīng)強(qiáng)度。這樣使電子的運(yùn)動(dòng)軌跡發(fā)生偏移，在霍爾元器件薄片的兩個(gè)側(cè)面分別產(chǎn)生電子積聚或電荷過剩，形成霍爾電場(chǎng)，霍爾元器件兩個(gè)側(cè)面間的電位差稱為霍爾電壓?；魻栯妷捍笮椋?(mV) 式中：霍爾常數(shù)， d元件厚度，B磁感應(yīng)強(qiáng)度， I控制電流設(shè) , 則=(mV)圖 霍爾元件的原理結(jié)構(gòu)圖為霍爾器件的靈敏系數(shù)(mV/mA/T)，它表示該霍爾元件在單位磁感應(yīng)強(qiáng)度和單位控制電流下輸出霍爾電動(dòng)勢(shì)的大小。應(yīng)注意，當(dāng)電磁感應(yīng)強(qiáng)度B反向時(shí)，霍爾電動(dòng)勢(shì)也反向。圖2為霍耳元件的原理結(jié)構(gòu)圖。 1.4反相器74LS14介紹74LS14是六反相施密特觸發(fā)器。不存在放大的功能。是施密特觸發(fā)電路功能。當(dāng)輸入電壓由低向高變化時(shí)，若電壓超過正向閾值電壓Vt+，輸出為低電平。當(dāng)輸入電壓由高向低變化時(shí)，輸入電壓要低于另一個(gè)閾值電壓Vt-時(shí)，輸出為高電平。管腳定義如下：A端為輸入端，Y端為輸出端，一片芯片一共6路，即 1，3，5，9，11，13 為輸入端， 2，4，6，8，10，12 為輸出端，輸出結(jié)果與輸入結(jié)果反向。 74LS14管腳圖即如果輸入端為高電平， 那么輸出為低電平。 如果輸入低電平，輸出為高電平。2.軟件部分概述2.1軟件基本功能介紹設(shè)計(jì)軟件主要為主程序、數(shù)據(jù)處理顯示程序、定時(shí)器中斷服務(wù)程序和蜂鳴器報(bào)警四個(gè)部分。（1）主程序主要完成初始化功能，包括LED顯示的初始化，中斷的初始化，定時(shí)器的初始化，寄存器、標(biāo)志位的初始化等。主程序流程圖如圖5所示。（2）數(shù)據(jù)處理顯示模塊程序。此模塊中單片機(jī)對(duì)在10秒內(nèi)的計(jì)數(shù)值進(jìn)行處理，轉(zhuǎn)換成r/min送顯示緩存以便顯示。具體算法如下:設(shè)單片機(jī)每秒計(jì)數(shù)到n個(gè)值，即n (r/s)(圓盤貼兩個(gè)磁鋼)。則n (r/s)=6n(r/min)。即只要將計(jì)數(shù)值乘以6便可得到每分鐘電機(jī)的轉(zhuǎn)速。程序流程圖如下圖所示。開始LED顯示緩存初始化調(diào)用顯示子程序調(diào)用數(shù)據(jù)處理程序LED顯示初始化定時(shí)器中斷初始化時(shí)鐘寄存器初始化轉(zhuǎn)速超過一定值蜂鳴器報(bào)警結(jié)束（3）定時(shí)器1中斷服務(wù)程序設(shè)計(jì)。定時(shí)器1完成計(jì)時(shí)功能，定時(shí)50ms，進(jìn)行定時(shí)中斷計(jì)數(shù)并每隔10s更新一次顯示數(shù)據(jù)。流程圖如下圖所示。重置定時(shí)初值返回出?；謴?fù)讀取INT0計(jì)數(shù)值50ms計(jì)數(shù)標(biāo)志num加1入棧保護(hù)num=200？YN3.制作調(diào)試3.1硬件調(diào)試霍爾傳感器探頭要對(duì)準(zhǔn)轉(zhuǎn)盤上的磁鋼位置，安裝距離要在10mm以內(nèi)才可靈敏的感應(yīng)磁場(chǎng)變化。在磁場(chǎng)增強(qiáng)時(shí)霍爾傳感器輸出低電平，指示燈亮；磁場(chǎng)減弱時(shí)輸出高電平，指示燈熄滅。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，感應(yīng)電壓指示燈高頻閃爍，所以視覺上指示燈不會(huì)有多大的閃爍感。當(dāng)給JK 8002c型霍爾傳感器施加5V電壓時(shí)其輸出端可以輸出3V的感應(yīng)電壓。輸出幅值為3V的矩形脈沖信號(hào)。3.2軟件調(diào)試測(cè)量系統(tǒng)與PC機(jī)連接時(shí)一定要先連接串行通信電纜，然后再將其電源線插入U(xiǎn)SB接口；拆除時(shí)先斷開其電源，再斷開串行通信電纜，否則極易損壞PC機(jī)的串口。采用AT單片機(jī)下載相應(yīng)的軟件，將其下載到實(shí)驗(yàn)板的單片機(jī)中。下載軟件的最后一步：點(diǎn)擊軟件界面中的下載按鈕，在點(diǎn)擊前一定要保持實(shí)驗(yàn)板的串行通信線及電源線與PC機(jī)連接良好，并且實(shí)驗(yàn)板的電源開關(guān)處于關(guān)閉狀態(tài)，然后點(diǎn)擊下載按鈕，再打開實(shí)驗(yàn)板電源開關(guān)，此時(shí)軟件將自動(dòng)完成程序下載。最后將硬件和軟件結(jié)合起來整體調(diào)試實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的測(cè)速功能。 4.測(cè)試結(jié)果分析設(shè)計(jì)基本完成題目中的各項(xiàng)要求，其中轉(zhuǎn)速的測(cè)量比較精確，與實(shí)際轉(zhuǎn)速相差10 轉(zhuǎn)/分左右，精度在全量程范圍內(nèi)優(yōu)于10轉(zhuǎn)/分，存在一定的誤差，經(jīng)分析主要是由以下原因造成：1)由于轉(zhuǎn)盤是直接采用磁鐵旋轉(zhuǎn)而成，手動(dòng)旋轉(zhuǎn)時(shí)容易打飄不穩(wěn)，導(dǎo)致獲得的脈沖信號(hào)頻率與實(shí)際轉(zhuǎn)速有一定的誤差。2) 中斷處理的進(jìn)入和中斷處理程序都會(huì)有一定時(shí)間的誤差，從而導(dǎo)致定時(shí)時(shí)間的誤差，這也是造成測(cè)量誤差的一個(gè)因素。3)在固定裝置時(shí)，由于是手動(dòng)操作，從而導(dǎo)致初始獲得信號(hào)有一定的時(shí)差。5.結(jié)論霍爾傳感器具有不怕灰塵、油污，安裝簡(jiǎn)易，不易損壞等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)得到了廣泛應(yīng)用。利用霍爾傳感器設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)以單片機(jī)AT89C51為數(shù)據(jù)處理核心，采用定時(shí)器定時(shí)中斷的方法實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)，對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算得到轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)，并將結(jié)果送數(shù)碼管顯示。整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)硬件電路簡(jiǎn)單，容易調(diào)試，軟件部分編程采用C51，有較高的編程效率。測(cè)試結(jié)果表明對(duì)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的測(cè)量精度較高，基本能夠滿足實(shí)際的測(cè)試需要，有一定的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。6.心得體會(huì)本此設(shè)計(jì)，主要進(jìn)行了以下幾方面的工作：首先，復(fù)習(xí)了上學(xué)期所學(xué)的傳感器，在其中著重學(xué)習(xí)并理解霍爾傳感器的工作原理；其次，根據(jù)老師所提供的傳感器，查找搜集其特性，制作設(shè)計(jì)方案；然后，完成測(cè)轉(zhuǎn)速系統(tǒng)的硬件選型和電路設(shè)計(jì)；最后，完成系統(tǒng)的軟件流程圖設(shè)計(jì)。根據(jù)我們所選的題目，編出了實(shí)驗(yàn)的程序?？傮w來講，此次設(shè)計(jì)的題目比較簡(jiǎn)單。通過這次的設(shè)計(jì)，又查閱了相關(guān)資料，與老師所講的結(jié)合，基本上掌握了數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示的原理。在單片機(jī)上演示成功后，結(jié)合所發(fā)的板子修改了程序，但是在將程序考到開發(fā)板上之后偶遇到了一些問題。顯示的結(jié)果與與預(yù)想的不同，經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)最終搞清楚的其中的原理。對(duì)于定時(shí)器、計(jì)數(shù)器的中斷，有了深入認(rèn)識(shí)。怎么算初值，怎么申請(qǐng)中斷，怎么響應(yīng)，返回到什么位置等更深層次的應(yīng)用并學(xué)為己有。并且學(xué)會(huì)了有多個(gè)等待多個(gè)中斷返回時(shí)，怎么進(jìn)行合理利用，使他們每個(gè)都能返回到該返回的位置，不出現(xiàn)錯(cuò)誤。這一點(diǎn)我覺得很有用。這次設(shè)計(jì)，有程序，有硬件，有理論，有實(shí)踐，通過它們的結(jié)合，我所學(xué)到的知識(shí)形成了一個(gè)系統(tǒng)，不再是孤立的，而是硬件與軟件的結(jié)合，提高了自己的程序運(yùn)用能力，對(duì)于編程的思路有了更進(jìn)一步的悟性。不再是一個(gè)機(jī)械的運(yùn)用，而是根據(jù)具體情況來編寫自己的程序，有了一定的靈活運(yùn)用能力。以前實(shí)驗(yàn)是只有單片機(jī)的程序，這次與傳感相結(jié)合，不僅使我又一次的加深了對(duì)軟件編程的理解，還從實(shí)際出發(fā)，有了一個(gè)更整體的認(rèn)識(shí)。對(duì)于霍爾傳感器的基本原理更有了進(jìn)一步的理解?；魻杺鞲衅骶哂胁慌禄覊m、油污，安裝簡(jiǎn)易，不易損壞等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)得到了廣泛應(yīng)用。測(cè)試結(jié)果表明對(duì)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的測(cè)量精度較高，基本能夠滿足實(shí)際的測(cè)試需要，有一定的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。就本課題而言，并末實(shí)現(xiàn)真正工業(yè)意義上的測(cè)轉(zhuǎn)速控制，今后還應(yīng)在控制的實(shí)現(xiàn)上進(jìn)一步深入的探討，這類研究將對(duì)工業(yè)測(cè)轉(zhuǎn)速有著深遠(yuǎn)的影響，是一個(gè)值得深入的方向。在此期間，本組每位同學(xué)都在盡自己最大的努力來完成設(shè)計(jì)任務(wù)，都認(rèn)識(shí)到了設(shè)計(jì)的意義與目的。指導(dǎo)老師也很辛苦的了，在這里，深表對(duì)老師和各組員的感謝！。 最終完成圖：附錄程序：#include#define uchar unsigned char unsigned long num,speed,count;uchar j,k;sbit dula=P26;sbit wela=P27;sbit beep=P23;unsigned char code table=0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d, 0x07,0x7f,0x6f,0x77,0x7c,0x39,0x5e,0x79,0x71,0x00;void init(void) /定義名為init的初始化子函數(shù) /init子函數(shù)開始，分別賦值 TMOD=0X51; TH1=0; /計(jì)數(shù)器初始值 TL1=0; TH0=(65536-45872)/256; TL0=(65536-45872)%256; /定時(shí)器T0 定時(shí)50ms EA=1; EX0=1; IT0=1; ET0=1; TR1=1; TR0=1; ET1=1;void delay(uchar i)for(j=i;j0;j-)for(k=110;k0;k-);void display(uchar bai,uchar shi,uchar ge)/顯示函數(shù)，數(shù)碼管前三位顯示轉(zhuǎn)速 wela=1; P0=0xfe; wela=0; P0=0xff;/消影 dula=1; P0=tablebai; dula=0; delay(5);wela=1; P0=0xfd; wela=0; P0=0xff;/消影 dula=1; P0=tableshi; dula=0; delay(5); wela=1; P0=0xfb; wela=0; P0=0xff;/消影 dula=1; P0=tablege; dula=0; delay(5);void time()interrupt 1 /T0定時(shí) TH0=(65536-45872)/256;/定時(shí)50ms TL0=(65536-45872)%256; num+; if(num=200)/到了200則10秒時(shí)間到 num=0; speed=count; count=0; voi