基于單片機(jī)AT89C51的霍爾傳感器的直流電機(jī)轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)硬件設(shè)計（可編輯）

1、基于單片機(jī)at89c51的霍爾傳感器的直流電機(jī)轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)-硬件設(shè)計 基于霍爾傳感器的 電機(jī)轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)設(shè)計?硬件設(shè)計摘要 電動機(jī)作為機(jī)械化、電氣化和自動化的原動機(jī),廣泛應(yīng)用于國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)、國防建設(shè)、科學(xué)技術(shù)研究和人民物質(zhì)文明生活的各個領(lǐng)域。電機(jī)是生產(chǎn)過程中應(yīng)用十分廣泛的裝置,對其轉(zhuǎn)速進(jìn)行準(zhǔn)確測量就顯得十分必要。 本文介紹了霍爾傳感器測速的原理,設(shè)計了基于單片機(jī)at89c51的直流電機(jī)轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)。完成了電機(jī)轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計、霍爾傳感器測量電路的設(shè)計、顯示電路的設(shè)計。測量轉(zhuǎn)速的霍爾傳感器和機(jī)軸同軸連接,機(jī)軸每轉(zhuǎn)一周,產(chǎn)生一定量的脈沖個數(shù),由霍爾器件電路部分輸出幅度為12v的脈沖。經(jīng)光

2、電隔離器后成為輸出幅度為5v轉(zhuǎn)數(shù)計數(shù)器的計數(shù)脈沖。控制定時器計數(shù)時間,即可實現(xiàn)對電機(jī)轉(zhuǎn)速的測量。在顯示電路設(shè)計中,通過1602實現(xiàn)在lcd上直觀地顯示電機(jī)的轉(zhuǎn)速值。并對電機(jī)轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)的硬件電路、顯示電路進(jìn)行了調(diào)試。與軟件配合,實現(xiàn)了顯示、報警功能。仿真實驗表明所設(shè)計的硬件電路及軟件程序是正確的,滿足設(shè)計要求。關(guān)鍵詞:電機(jī)轉(zhuǎn)速測量;霍爾傳感器;單片機(jī);89c51;lcd design of motor speed measurementsystem based on hall sensor ?hardware designabstract motors, as the original mac

3、hine of mechanization, electrification and automation are widely and common used in the various areas of construction of national economy, national defense, science and technology research and materiality civilization. and it is very important in manufacturing, measuring its rotational speed becomes

4、 very essential and necessarythe principles of motor speed measurements with hall sensor was described in this article and dc motor speed measurement system which is based on at89c51 was designed, and the corresponding hardware circuit designs was also completed accordingly. the hall sensor is conne

5、cted with crankshaft by coaxial junction. every revolution of the crankshaft will generate a certain amount of pulses whose amplitude is 12v. the opto-coupler turns these certain amount of pulses into 5-amplitude count impulse. the motor speed can be measured by controlling the time. in the design o

6、f display circuit, the number of motor speed is displayed in lcd directly through 1602. the motor speed measurement system and the hardware circuits, display circuit function are debugged to cooperate with the software to display and alarm users. the simulation results have proved that the hardware

7、circuits design and software program is correct, and the system can meet the designing requirement completely.key words: motor speed measurement; hall sensor; microcomputer; 89c51;lcd目 錄1 緒 論11.1 設(shè)計任務(wù)11.1.1 題目來源11.1.2 設(shè)計內(nèi)容11.1.3 相關(guān)背景21.2 方案分析論證21.2.1 霍爾測速模塊論證與選擇21.2.2 單片機(jī)模塊論證與選擇21.2.3 顯示模塊論證與選擇31.2.

8、4 報警模塊論證與選擇31.2.5 電源模塊論證與選擇32 基于霍爾傳感器的電機(jī)轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)硬件設(shè)計42.1 電機(jī)轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計42.1.1 總體硬件設(shè)計42.1.2 系統(tǒng)電路設(shè)計52.2 霍爾傳感器測量電路設(shè)計62.2.1 霍爾元件62.2.2 霍爾傳感器測量原理72.2.3 轉(zhuǎn)速測量方法82.2.4 反相器74ls1482.2.5 光電耦合器92.2.6 蜂鳴器102.3 單片機(jī)at89c51112.3.1 at89c51芯片112.3.2 定時器122.3.3 外部中斷132.4 顯示電路設(shè)計142.4.1 1602字符型lcd簡介142.4.2 1602lcd的基本參數(shù)及引

9、腳功能142.4.3 顯示模式172.5 系統(tǒng)軟件設(shè)計172.5.1 設(shè)計思想172.5.2 總體軟件流程173 系統(tǒng)仿真和調(diào)試193.1 proteus軟件193.1.1 proteus簡介193.1.2 用proteus繪制原理圖步驟193.2 硬件調(diào)試213.2.1 硬件靜態(tài)調(diào)試213.2.2 虛擬仿真調(diào)試223.3 軟件調(diào)試233.4 軟硬件聯(lián)調(diào)234 結(jié) 論25附錄 硬件實物圖26參考文獻(xiàn)27致謝281 緒 論1.1 設(shè)計任務(wù) 1.1.1 題目來源 在工程實踐中,經(jīng)常會遇到各種需要測量轉(zhuǎn)速的場合,例如在發(fā)電機(jī)、電動機(jī)、卷揚機(jī)、機(jī)床主軸等旋轉(zhuǎn)設(shè)備的試驗、運轉(zhuǎn)和控制中,常需要分時或者連續(xù)

10、測量和顯示其轉(zhuǎn)速及瞬時轉(zhuǎn)速。為了能精確地測量轉(zhuǎn)速外,還要保證測量的實時性,要求能測得瞬時轉(zhuǎn)速。轉(zhuǎn)速測量方法分為模擬式和數(shù)字式兩種,模擬式采用測速發(fā)電機(jī)為檢測元件,得到的信號是電壓量,而數(shù)字式通常采用光電編碼器、圓光柵、霍爾元件等為檢測元件,得到的信號是脈沖信號。隨著微型計算機(jī)的廣泛應(yīng)用,特別是高性能價格比的單片機(jī)的涌現(xiàn),轉(zhuǎn)速測量普遍采用了以單片機(jī)為核心的數(shù)字法,智能化微電腦式代替了一般的機(jī)械式或模擬量結(jié)構(gòu)1。 根據(jù)學(xué)校畢業(yè)設(shè)計的要求,設(shè)計一個功能滿足設(shè)計要求、工作穩(wěn)定、以單片機(jī)為核心的基于霍爾傳感器的電機(jī)轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)。本設(shè)計要求做一個單片機(jī)最小系統(tǒng),并使用合適的霍爾傳感器,使之具備測轉(zhuǎn)速的功能

11、,能夠?qū)崿F(xiàn)在電機(jī)工作時轉(zhuǎn)速的測量,同時選用合適的顯示器件,使系統(tǒng)具備實時顯示功能,并在發(fā)生故障時能及時的發(fā)出報警信號。根據(jù)題目的要求,設(shè)計了以下方案并對各方案進(jìn)行了論證與分析。本設(shè)計包括完整的硬件設(shè)計和相應(yīng)的軟件設(shè)計。 1.1.2 設(shè)計內(nèi)容 1.選定傳感器。霍爾傳感器具有靈敏、可靠、體積小巧、無觸點、無磨損、使用壽命長、功耗低等優(yōu)點,綜合了電機(jī)轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)的要求。 2.設(shè)計一個單片機(jī)最小系統(tǒng),掌握單片機(jī)接口電路的設(shè)計技巧,學(xué)會利用單片機(jī)的定時器和中斷系統(tǒng)對脈沖信號進(jìn)行測量或計數(shù)。 3.實時測量顯示并有報警功能,實時測量根據(jù)脈沖計數(shù)來實現(xiàn)轉(zhuǎn)速測量的方法。要求霍爾傳感器轉(zhuǎn)速為05000r/min。

12、 1.1.3 相關(guān)背景 在直流電機(jī)的多年實際運行的過程中,機(jī)械測速電機(jī)不足之處日益明顯,其主要表現(xiàn)為直流測速電機(jī)dg中的炭刷磨損及交流測速發(fā)電機(jī)tg中的軸承磨損,增加了設(shè)備的維護(hù)工作量,也隨著增加了發(fā)生故障的可能性;同時機(jī)械測速電機(jī)在更換炭刷及軸承的檢修作業(yè)過程中,需要將直流電動機(jī)停運,安裝過程中需要調(diào)整機(jī)械測速電機(jī)軸與主電機(jī)軸的同軸度,延長了檢修時間,影響了設(shè)備的長期平穩(wěn)運行。 隨著電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展,一些新穎器件的不斷涌現(xiàn),原有器件的性能也隨著逐漸改進(jìn),采用電力電子器件構(gòu)成的各種電力電子電路的應(yīng)用范圍與日俱增。因此采用電子脈沖測速取代原直流電動機(jī)械測速電機(jī)已具備理論基礎(chǔ),如可采用磁阻式

13、、霍爾效應(yīng)式、光電式等方式檢測電機(jī)轉(zhuǎn)速。 經(jīng)過比較分析后,決定采用測速齒輪和霍爾元件代替原來的機(jī)械測速電機(jī)。霍爾傳感器作為測速器件得到廣泛應(yīng)用?；魻杺鞲衅魇抢没魻栃?yīng)實現(xiàn)磁電轉(zhuǎn)換的一種傳感器。霍爾效應(yīng)這種物理現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn),雖然已有一百多年的歷史,但是直到20世紀(jì)40年代后期,由于半導(dǎo)體工藝的不斷改進(jìn),才被人們所重視和應(yīng)用。我國從70年代開始研究霍爾器件,經(jīng)過20余年的研究和開發(fā),目前已經(jīng)能生產(chǎn)各種性能的霍爾元件,霍爾傳感器具有靈敏度高、線性度好、穩(wěn)定性高、體積小和耐高溫等特點2。1.2 方案分析論證 1.2.1 霍爾測速模塊論證與選擇 方案一:采用型號為a3144的霍爾片作為霍爾測速模塊的核心

14、,該霍爾片體積小,安裝靈活,價格合理,可用于測速,可與普通的磁鋼片配合工作。 方案二:采用型號為chv-20l的霍爾元器件作為霍爾測速模塊的核心,該霍爾器件額定電流為100ma,輸出電壓為5v,電源為1215v。體積較大,價格昂貴。 因此選擇方案一。 1.2.2 單片機(jī)模塊論證與選擇 方案一:采用型號為at89c51的單片機(jī)作為主控制器,使用霍爾傳感器進(jìn)行測量的直流電機(jī)轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)。at89c51是帶4k字節(jié)閃爍可編程擦除只讀存儲器的低電壓、高性能cmos8位微處理器。它將多功能8位cpu和閃爍存儲器組合在單個芯片中,為許多控制提供了靈活性高且價格低廉的方案3。 方案二:采用單片機(jī)c8051f

15、060作為主控制器,使用霍爾傳感器進(jìn)行測量的直流電機(jī)轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)。c8051f060系列單片機(jī)是美國cygnal公司推出的一種與51系列單片機(jī)內(nèi)核兼容的單片機(jī)4。c8051f060作為新一代8051單片機(jī),具有功能強(qiáng)大、體積小、工作穩(wěn)定等特點,適用于復(fù)雜控制系統(tǒng)。 因此選擇方案一。 1.2.3 顯示模塊論證與選擇 方案一:采用led數(shù)碼管動態(tài)掃描,led數(shù)碼管價格適中,亮度高,顯示數(shù)字合適,但是連接復(fù)雜,耗電流大,驅(qū)動電路復(fù)雜。 方案二:采用點陣式數(shù)碼管顯示,點陣式數(shù)碼管是由八行八列的發(fā)光二極管組成,對于顯示簡單文字比較適合,如果顯示數(shù)字則浪費資源,而且價格也相對較高。 方案三:采用lcd液晶

16、顯示屏,液晶顯示屏的顯示功能強(qiáng)大,可顯示大量文字,圖形,顯示多樣,清晰可見,并且連接很方便 ,所以在此設(shè)計中采用了lcd液晶顯示屏。 因此選擇方案三。 1.2.4 報警模塊論證與選擇 方案一:采用蜂鳴器與發(fā)光二極管作為聲光報警主要器件。該方案不論在硬件焊接方面還是在編寫軟件方面都簡單方便,而且成本低廉。 方案二:采用語音播報系統(tǒng)作為聲光報警的核心。該方案更具人性化、智能化,但是就該設(shè)計要求而言,方案過于復(fù)雜,相對成本過高,工作量偏大。 因此選擇方案一。 1.2.5 電源模塊論證與選擇 方案一:采用交流220v/50hz電源轉(zhuǎn)換為直流5v電源作為電源模塊。該方案實施簡單,電路搭建方便,可作為單片

17、機(jī)開發(fā)常備電源使用。 方案二:采用干電池串并聯(lián)達(dá)到5v作為電源模塊。該方案實施簡單,無需搭建電路,但相對該方案不夠穩(wěn)定,電池耗電快,帶負(fù)載后壓降過高,可能無法使系統(tǒng)穩(wěn)定持續(xù)運行。 方案三:采用可充電鋰電池結(jié)合穩(wěn)壓模塊作為電源模塊。該方案簡單易行,而且相對穩(wěn)定、誤差小,但該方案相對價格過高,針對該設(shè)計要求性價比低。 因此選擇方案一。 2 基于霍爾傳感器的電機(jī)轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)硬件設(shè)計2.1 電機(jī)轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計 2.1.1 總體硬件設(shè)計 使用單片機(jī)測量電機(jī)轉(zhuǎn)速的基本結(jié)構(gòu)如圖2-1所示。該系統(tǒng)包括霍爾傳感器、隔離整形電路、主cpu、顯示電路、報警電路及電源等部分。 圖2-1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖 其

18、測量過程是測量轉(zhuǎn)速的霍爾傳感器和電機(jī)機(jī)軸同軸連接,機(jī)軸每轉(zhuǎn)一周,產(chǎn)生一定量的脈沖個數(shù),由霍爾器件電路輸出。經(jīng)過電耦合器后,即經(jīng)過隔離整形電路后,成為轉(zhuǎn)數(shù)計數(shù)器的計數(shù)脈沖。同時霍爾傳感器電路輸出幅度為12v的脈沖經(jīng)光電耦合后降為5v,保持同單片機(jī)at89c51邏輯電平相一致,控制計數(shù)時間,即可實現(xiàn)計數(shù)器的計數(shù)值對應(yīng)機(jī)軸的轉(zhuǎn)速值。主cpu將該值數(shù)據(jù)處理后,在lcd液晶顯示器上顯示出來。一旦超速,cpu通過喇叭和轉(zhuǎn)燈發(fā)出聲、光報警信號。 1.傳感器部分 主要分為兩個部分。第一部分是利用霍爾器件將電機(jī)的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)化為脈沖信號。霍爾測速模塊由鐵質(zhì)的測速齒輪和帶有霍爾元件的支架構(gòu)成。測速齒輪如圖2-2所示,齒

19、輪厚度大約2mm,將其固定在待測電機(jī)的轉(zhuǎn)軸上。將霍爾元件固定在距齒輪外圓1mm的探頭上,霍爾元件的對面粘貼小磁鋼,當(dāng)測速齒輪的每個齒經(jīng)過探頭正前方時,改變了磁通密度,霍爾元件就輸出一個脈沖信號。第二部分是使用六反相器和光耦,將傳感器輸出的信號進(jìn)行整形隔離,減少計數(shù)的干擾。 測速齒輪 霍爾元件 圖2-2 轉(zhuǎn)速變換裝置 2.處理器 采用at89c51單片機(jī)作為系統(tǒng)的處理器。 3.顯示部分 該部分有兩個功能,在正常情況下,通過lcd液晶顯示器顯示當(dāng)前的頻率數(shù)值,當(dāng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速超出一定的范圍后,通過蜂鳴器進(jìn)行報警。蜂鳴器是一種一體化結(jié)構(gòu)的電子訊響器,采用直流電壓供電,廣泛應(yīng)用于計算機(jī)、打印機(jī)、復(fù)印機(jī)、報

20、警器、電子玩具、汽車電子設(shè)備、電話機(jī)、定時器等電子產(chǎn)品中作發(fā)聲器件。 2.1.2 系統(tǒng)電路設(shè)計 實際測量時,要把霍爾傳感器固定在直流測速電機(jī)的底板上,與霍爾探頭相對的電機(jī)的軸上固定著一片磁鋼塊,電機(jī)每轉(zhuǎn)一周,霍爾傳感器便發(fā)出一個脈沖信號,將此脈沖信號接到開發(fā)的多功能實驗板上的p3.2上,設(shè)定t0定時,每分鐘所計的進(jìn)入p3.2的脈沖個數(shù)即為直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速。 由于在虛擬仿真電路圖中,沒有電機(jī)及傳感器,所以就直接用一個脈沖信號代替,電路圖如圖2-3所示。圖2-3 總體硬件電路圖2.2 霍爾傳感器測量電路設(shè)計 2.2.1 霍爾元件 根據(jù)霍爾效應(yīng),人們用半導(dǎo)體材料制成的元件叫霍爾元件。它具有對磁場敏感、

21、結(jié)構(gòu)簡單、體積小、頻率響應(yīng)寬、輸出電壓變化大和使用壽命長等優(yōu)點,因此,在測量、自動化、計算機(jī)和信息技術(shù)等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。 霍爾傳感器a3144是allegro microsystems公司生產(chǎn)的寬溫、開關(guān)型霍爾效應(yīng)傳感器,其工作溫度范圍可達(dá)-40150。它由電壓調(diào)整電路、反相電源保護(hù)電路、霍爾元件、溫度補(bǔ)償電路、微信號放大器、施密特觸發(fā)器和oc門輸出極構(gòu)成,通過使用上拉電阻可以將其輸出接入cmos邏輯電路。該芯片具有尺寸小、穩(wěn)定性好、靈敏度高等特點,有兩種封裝形式,一種是3腳貼片微小型封裝,后綴為“l(fā)h”;另一種是3腳直插式封裝,后綴為“ua”5。 a3144e系列單極高溫霍爾效應(yīng)集成傳感

22、器是由穩(wěn)壓電源,霍爾電壓發(fā)生器,差分放大器,施密特觸發(fā)器和輸出放大器組成的磁敏傳感電路,其輸入為磁感應(yīng)強(qiáng)度,輸出是一個數(shù)字電壓訊號。它是一種單磁極工作的磁敏電路,適用于矩形或者柱形磁體下工作?？蓱?yīng)用于汽車工業(yè)和軍事工程中。 霍爾傳感器的外形圖和與磁場的作用關(guān)系如圖2-4所示。磁場由磁鋼提供,所以霍爾傳感器和磁鋼需要配對使用。 霍爾元件和磁鋼 管腳圖 圖2-4 霍爾傳感器的外形圖 該霍爾傳感器的接線圖如圖2-5所示。 圖2-5 霍爾傳感器的接線圖 2.2.2 霍爾傳感器測量原理 測量電機(jī)轉(zhuǎn)速的第一步就是要將電機(jī)的轉(zhuǎn)速表示為單片機(jī)可以識別的脈沖信號,從而進(jìn)行脈沖計數(shù)。霍爾器件作為一種轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)的

23、傳感器,它有結(jié)構(gòu)牢固、體積小、重量輕、壽命長、安裝方便等優(yōu)點,因此選用霍爾傳感器檢測脈沖信號,其基本的測量原理如圖2-6所示,當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動時,帶動傳感器運動,產(chǎn)生對應(yīng)頻率的脈沖信號,經(jīng)過信號處理后輸出到計數(shù)器或其他的脈沖計數(shù)裝置,進(jìn)行轉(zhuǎn)速的測量6。 圖2-6 霍爾器件測速原理 2.2.3 轉(zhuǎn)速測量方法 轉(zhuǎn)速的測量方法很多,根據(jù)脈沖計數(shù)來實現(xiàn)轉(zhuǎn)速測量的方法主要有m法測頻法、t法測周期法和mpt法頻率周期法,該系統(tǒng)采用了m法測頻法。由于轉(zhuǎn)速是以單位時間內(nèi)轉(zhuǎn)數(shù)來衡量,在變換過程中多數(shù)是有規(guī)律的重復(fù)運動。根據(jù)霍爾效應(yīng)原理,將一塊永久磁鋼固定在電機(jī)轉(zhuǎn)軸上的轉(zhuǎn)盤邊沿,轉(zhuǎn)盤隨側(cè)軸旋轉(zhuǎn),磁鋼也將跟著同步旋轉(zhuǎn),在

24、轉(zhuǎn)盤下方安裝一個霍爾器件,轉(zhuǎn)盤隨軸旋轉(zhuǎn)時,受磁鋼所產(chǎn)生的磁場的影響,霍爾器件輸出脈沖信號,其頻率和轉(zhuǎn)速成正比。脈沖信號的周期與電機(jī)的轉(zhuǎn)速有以下關(guān)系: n 2-1式中:n為電機(jī)轉(zhuǎn)速;p為電機(jī)轉(zhuǎn)一圈的脈沖數(shù);t為輸出方波信號周期。根據(jù)式2-1即可計算出直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速7。 霍爾器件是由半導(dǎo)體材料制成的一種薄片,在垂直于平面方向上施加外磁場b,在沿平面方向兩端加外電場,則使電子在磁場中運動,結(jié)果在器件的兩個側(cè)面之間產(chǎn)生霍爾電勢。其大小和外磁場及電流大小成比例。霍爾開關(guān)傳感器由于其體積小,無觸點,動態(tài)特性好,使用壽命長等特點,故在測量轉(zhuǎn)動物體旋轉(zhuǎn)速度領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用8。 2.2.4 反相器74ls14

25、 74ls14是一個6反相器,引腳定義如圖2-7所示: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)果反相。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。 圖2-7 反相器引腳圖 2.2.5 光電耦合器 光電耦合器,是近幾年發(fā)展起來的一種半導(dǎo)體光電器件,由于它具有體積小、壽命長、抗干擾能力強(qiáng)、工作溫度寬及無觸點輸入與輸出在電氣上完全隔離等特點,被廣泛地應(yīng)用在電子技術(shù)領(lǐng)域及工業(yè)自動控制領(lǐng)域中,它可以代替繼電器、變壓器、斬波器等,而用于隔離電路、開關(guān)電路、數(shù)模轉(zhuǎn)換、邏輯電路、過流保護(hù)、

26、長線傳輸、高壓控制及電平匹配等。 光電耦合器是以光為媒介傳輸電信號的一種電?光?電轉(zhuǎn)換器件。它由發(fā)光源和受光器兩部分組成。把發(fā)光源和受光器組裝在同一密閉的殼體內(nèi),彼此間用透明絕緣體隔離。發(fā)光源的引腳為輸入端,受光器的引腳為輸出端,常見的發(fā)光源為發(fā)光二極管,受光器為光敏二極管、光敏三極管等。光電耦合器的種類較多,常見有光電二極管型、光電三極管型、光敏電阻型、光控晶閘管型、光電達(dá)林頓型、集成電路型等。 光電耦合器件(簡稱光耦)是把發(fā)光器件(如發(fā)光二極管)和光敏器件(如光敏三極管)組裝在一起,通過光線實現(xiàn)耦合構(gòu)成電?光和光?電的轉(zhuǎn)換器件。在光電耦合器輸入端加電信號使發(fā)光源發(fā)光,光的強(qiáng)度取決于激勵電流

27、的大小,此光照射到封裝在一起的受光器上后,因光電效應(yīng)而產(chǎn)生了光電流,由受光器輸出端引出,這樣就實現(xiàn)了電一光一電的轉(zhuǎn)換9。 光電耦合器分為很多種類,圖2-8所示為常用的三極管型光電耦合器原理圖。 當(dāng)電信號送入光電耦合器的輸入端時,發(fā)光二極管通過電流而發(fā)光,光敏元件受到光照后產(chǎn)生電流,ce導(dǎo)通;當(dāng)輸入端無信號,發(fā)光二極管不亮,光敏三極管截止,ce不通。對于數(shù)位量,當(dāng)輸入為低電平“0”時,光敏三極管截止,輸出為高電平“1”;當(dāng)輸入為高電平“1”時,光敏三極管飽和導(dǎo)通,輸出為低電平“0”。若基極有引出線則可滿足溫度補(bǔ)償、檢測調(diào)制要求。這種光耦合器性能較好,價格便宜,因而應(yīng)用廣泛。 圖2-8 最常用的光

28、電耦合器內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 光電耦合器的接線原理如圖2-9所示。 圖2-9 光電耦合器接線原理 2.2.6 蜂鳴器 蜂鳴器是一種一體化結(jié)構(gòu)的電子訊響器,采用直流電壓供電,廣泛應(yīng)用于計算機(jī)、打印機(jī)、復(fù)印機(jī)、報警器、電子玩具、汽車電子設(shè)備、電話機(jī)、定時器等電子產(chǎn)品中作發(fā)聲器件。 報警器的種類很多,比如:揚聲器、蜂鳴器等,本設(shè)計中選用電磁式蜂鳴器作為報警器。電磁式蜂鳴器由振蕩器、電磁線圈、磁鐵、振動膜片及外殼等組成。接通電源后,振蕩器產(chǎn)生的音頻信號電流通過電磁線圈,使電磁線圈產(chǎn)生磁場。振動膜片在電磁線圈和磁鐵的相互作用下,周期性地振動發(fā)聲10。 圖2-10 電磁式蜂鳴器2.3 單片機(jī)at89c51 單片機(jī)s

29、ingle-chip-microcomputer又稱為單片微控制器,其基本結(jié)構(gòu)是將微型計算機(jī)的基本功能部件:中央處理器(cpu)、存儲器、輸入口、輸出口、定時器/計數(shù)器、中斷系統(tǒng)等全部集中在一個半導(dǎo)體芯片上。 單片機(jī)結(jié)構(gòu)上的設(shè)計,在硬件、指令系統(tǒng)及i/o能力等方面都有獨到之處,具有較強(qiáng)而有效的控制功能。雖然單片機(jī)只是一個芯片,但無論從組成還是從其邏輯功能上來看,都具有微機(jī)系統(tǒng)的含義。另一方面,單片機(jī)畢竟是一個芯片,只有外加所需的輸入、輸出設(shè)備,才可以構(gòu)成實用的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)11。 2.3.1 at89c51芯片 at89c51是一種帶4k字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器(fperom?falsh

30、 programmable and erasable read only memory)的低電壓,高性能cmos8位微處理器,俗稱單片機(jī)。該器件采用atmel高密度非易失存儲器制造技術(shù)制造,與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的mcs-51指令集和輸出管腳相兼容12。由于將多功能8位cpu和閃爍存儲器組合在單個芯片中,atmel的at89c51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格低廉的方案。其引腳圖如圖2-11所示。 圖2-11 at89c51引腳圖 2.3.2 定時器 8051單片機(jī)內(nèi)部有兩個16位可編程定時器/計數(shù)器,記為t0和t1。它的工作方式可以通過指令對相應(yīng)的特殊功能寄存器編程來設(shè)

31、定,或作定時器用,或作外部事件計時器用。定時器/計數(shù)器在硬件上由雙字節(jié)加法計數(shù)器th和tl組成。作定時器使用時,計數(shù)脈沖由單片機(jī)內(nèi)部振蕩器提供,計數(shù)頻率為f/12,每個機(jī)器周期加113。 8051單片機(jī)定時器/計數(shù)器的工作方式由特殊功能寄存器tmod編程決定,定時器/計數(shù)器的啟動運行由特殊功能寄存器tcon編程控制。不論用作定時器還是計數(shù)器,每當(dāng)產(chǎn)生溢出時,都會向cpu發(fā)出中斷請求。單片機(jī)的定時器的工作原理是利用了寄存器的溢出來觸發(fā)中斷的,所以在寫定時器的時候就要去算計數(shù)的增量,再根據(jù)單片機(jī)的晶振的頻率就可以算出確定的時間了。定時器主要用到了2個寄存器,一個為tcon,另一個為tmod。tco

32、n是用來控制定時器的啟動與停止的。tmod是用來設(shè)置定時器的模式的。 8051單片機(jī)的定時器/計數(shù)器是可編程的,在進(jìn)行定時或計數(shù)操作之前要進(jìn)行初始化編程。通常8051單片機(jī)定時器/計數(shù)器的初始化編程包括如下幾個步驟:1.確定工作方式,即給方式控制寄存器tmod寫入控制字。2.計算定時器/計數(shù)器初值,并將初值寫入th和tl。3.根據(jù)需要對中斷控制寄存器ie置初值,決定是否開放定時器中斷。4.使運行控制寄存器tcon中的tr0或tr1置“1”,啟動定時器/計數(shù)器。 在初始化過程中,要設(shè)置定時或計數(shù)的初始值,這時需要進(jìn)行一點運算。由于計數(shù)器是加法計數(shù),并在溢出時產(chǎn)生中斷,因此初始值不能是所需要的計數(shù)

33、模值,而是要從最大計數(shù)值減去計數(shù)模值所得才是應(yīng)當(dāng)設(shè)置的計數(shù)初始值。假設(shè)計數(shù)器的最大計數(shù)值為m(根據(jù)不同工作方式,m可以是2、2或2),則計算初值x的公式如下: 計數(shù)方式:xm-要求的計數(shù)值(2-2) 定時方式:xm- (2-3) 2.3.3 外部中斷 外部中斷:對某個中央處理機(jī)而言,它的外部非通道式裝置所引起的中斷稱為外部中斷。 51單片機(jī)的外部中斷有兩種觸發(fā)方式可選:電平觸發(fā)和邊沿觸發(fā)。選擇電平觸發(fā)時,單片機(jī)在每個機(jī)器周期檢查中斷源口線,檢測到低電平,即置位中斷請求標(biāo)志,向cpu請求中斷。選擇邊沿觸發(fā)方式時,單片機(jī)在上一個機(jī)器周期檢測到中斷源口線為高電平,下一個機(jī)器周期檢測到低電平,即置位中

34、斷標(biāo)志,請求中斷。 應(yīng)用時需要特別注意的幾點: 1.電平觸發(fā)方式時,中斷標(biāo)志寄存器不鎖存中斷請求信號。要使電平觸發(fā)的中斷被cpu響應(yīng)并執(zhí)行,必須保證外部中斷源口線的低電平維持到中斷被執(zhí)行為止。因此當(dāng)cpu正在執(zhí)行同級中斷或更高級中斷期間,產(chǎn)生的外部中斷源(產(chǎn)生低電平)如果在該中斷執(zhí)行完畢之前撤銷(變?yōu)楦唠娖?了,那么將得不到響應(yīng),就如同沒發(fā)生一樣。同樣,當(dāng)cpu在執(zhí)行不可被中斷的指令(如reti)時,產(chǎn)生的電平觸發(fā)中斷如果時間太短,也得不到執(zhí)行。 2.邊沿觸發(fā)方式時,中斷標(biāo)志寄存器鎖存了中斷請求。中斷口線上一個從高到低的跳變將記錄在標(biāo)志寄存器中,直到cpu響應(yīng)并轉(zhuǎn)向該中斷服務(wù)程序時,由硬件自動

35、清除。因此當(dāng)cpu正在執(zhí)行同級中斷(甚至是外部中斷本身)或高級中斷時,產(chǎn)生的外部中斷(負(fù)跳變)同樣將被記錄在中斷標(biāo)志寄存器中。在該中斷退出后,將被響應(yīng)執(zhí)行。如果不希望這樣,必須在中斷退出之前,手工清除外部中斷標(biāo)志。 3.中斷標(biāo)志可以手工清除。一個中斷如果在沒有得到響應(yīng)之前就已經(jīng)被手工清除,則該中斷將被cpu忽略。就如同沒有發(fā)生一樣。2.4 顯示電路設(shè)計 2.4.1 1602字符型lcd簡介 1?字符型液晶顯示模塊是一種專門用于顯示字母、數(shù)字、符號等點陣式lcd,目前常用16*1,16*2,20*2和40*2行等的模塊。下面以長沙太陽人電子有限公司的1602字符型液晶顯示器為例,介紹其用法。字符

36、型lcd1602通常有14條引腳線或16條引腳線的lcd,多出來的2條線是背光電源線vcc15腳和地線gnd16腳,其控制原理與14腳的lcd完全一樣14。一般1602字符型液晶顯示器實物如圖2-12所示。 圖2-12 1602實物圖 2.4.2 1602lcd的基本參數(shù)及引腳功能 1.1602lcd類型 1602lcd分為帶背光和不帶背光兩種,基控制器大部分為hd44780,帶背光的比不帶背光的厚,是否帶背光在應(yīng)用中并無差別,兩者尺寸差別如圖2-13所示。 圖2-13 1602帶背光與不帶背光差別圖 2.lcd1602主要技術(shù)參數(shù)顯示容量:162個字符芯片工作電壓:4.5?5.5v工作電流:

37、2.0ma5.0v模塊最佳工作電壓:5.0v字符尺寸:2.954.35whmm 3.1602lcd引腳 1602lcd采用標(biāo)準(zhǔn)的14腳(無背光)或16腳(帶背光)接口,各引腳接口說明如表2-1。表2-1 引腳接口說明表編號符號引腳說明編號符號引腳說明1vss電源地9d2數(shù)據(jù)2vdd電源正極10d3數(shù)據(jù)3vl液晶顯示偏壓11d4數(shù)據(jù)4rs數(shù)據(jù)/命令選擇12d5數(shù)據(jù)5r/w讀/寫選擇13d6數(shù)據(jù)6e使能信號14d7數(shù)據(jù)7d0數(shù)據(jù)15bla背光源正極8d1數(shù)據(jù)16blk背光源負(fù)極第1腳:vss為地電源。第2腳:vdd接5v正電源。第3腳:vl為液晶顯示器對比度調(diào)整端,接正電源時對比度最弱,接地時對比

38、度最高,對比度過高時會產(chǎn)生“鬼影”,使用時可以通過一個10k的電位器調(diào)整對比度。第4腳:rs為寄存器選擇,高電平時選擇數(shù)據(jù)寄存器、低電平時選擇指令寄存器。第5腳:r/w為讀寫信號線,高電平時進(jìn)行讀操作,低電平時進(jìn)行寫操作。當(dāng)rs和r/w共同為低電平時可以寫入指令或者顯示地址,當(dāng)rs為低電平r/w為高電平時可以讀忙信號,當(dāng)rs為高電平r/w為低電平時可以寫入數(shù)據(jù)。第6腳:e端為使能端,當(dāng)e端由高電平跳變成低電平時,液晶模塊執(zhí)行命令。第714腳:d0d7為8位雙向數(shù)據(jù)線。第15腳:背光源正極。第16腳:背光源負(fù)極。 4.其與單片機(jī)的連接如圖2-14所示。 圖2-14 1602與單片機(jī)接線圖 2.4

39、.3 顯示模式 lcd1602是常見的162行,68字符點陣液晶模塊,廣泛應(yīng)用于智能儀表、通信、辦公自動化設(shè)備中,其字符發(fā)生器rom中自帶數(shù)字和英文字母及一些特殊符號的字符庫,沒有漢字。本設(shè)計中l(wèi)cd1602顯示了英文字母和數(shù)字。由于proteus庫中沒有16引腳,因此選用lcd1602的14引腳方式,即不帶背光源部分。如圖2-15所示。 圖2-15 lcd顯示圖2.5 系統(tǒng)軟件設(shè)計 2.5.1 設(shè)計思想 本系統(tǒng)采用89c51中的中斷對轉(zhuǎn)速脈沖計數(shù)。定時器t0工作于定時方式,工作于方式1。每到1s讀一次外部中斷計數(shù)值,此值即為脈沖信號的頻率,代表的即是電機(jī)的轉(zhuǎn)速。 2.5.2 總體軟件流程 先

40、進(jìn)行初始化設(shè)置各定時器初值,然后判斷是否啟動系統(tǒng)進(jìn)行測量。如果是,就啟動系統(tǒng)運行。如果不是就等待啟動。啟動系統(tǒng)后,霍爾傳感器檢測脈沖到來后,啟動外部中斷,每來一個脈沖中斷一次,記錄脈沖個數(shù)。同時啟動t0定時器工作,每1秒定時中斷一次,讀取記錄的脈沖個數(shù),即電機(jī)轉(zhuǎn)速。連續(xù)采樣三次,取平均值記為一次轉(zhuǎn)速值。再進(jìn)行數(shù)值的判斷,若數(shù)值高于5000r/min則報警并返回初始化階段,否則就進(jìn)行正常速度液晶顯示。如圖2-16所示。 圖2-16 主流程圖3 系統(tǒng)仿真和調(diào)試3.1 proteus軟件 3.1.1 proteus簡介 proteus是基于spice3f5仿真引擎的混合電路仿真軟件,不僅能夠仿真模擬

41、、數(shù)字電路以及模數(shù)混合電路,更具特色的是它能夠仿真基于單片機(jī)的電子系統(tǒng)。proteus不但完全支持mcs-51及其派生系列單片機(jī)的設(shè)計系統(tǒng),另外也能仿真基于avr和pic系列的單片機(jī)系統(tǒng)。proteus的仿真資源proteus軟件可提供的模擬、數(shù)字、交直流等元器件達(dá)30多個元件庫,共計數(shù)千種。此外,對于元件庫中沒有的器件,使用者也可依照需要自己創(chuàng)建。軟件調(diào)試方面,其自身只帶匯編編譯器,不支持c語言。但可以將它與keilc51集成開發(fā)環(huán)境連接,將用匯編和c語言編寫的程序編譯好之后,可以立即進(jìn)行軟、硬件結(jié)合的系統(tǒng)仿真,像使用仿真器一樣來調(diào)試程序15。 當(dāng)然,軟件仿真精度有限,而且不可能所有的器件都

42、找得到相應(yīng)的仿真模型,用開發(fā)板和仿真器當(dāng)然是最好選擇,可是對于單片機(jī)愛好者,或者簡單的開發(fā)應(yīng)該是比較好的選擇。proteus與其它單片機(jī)仿真軟件不同的是,它不僅能仿真單片機(jī)cpu的工作情況,也能仿真單片機(jī)外圍電路或沒有單片機(jī)參與的其它電路的工作情況。因此在仿真和程序調(diào)試時,關(guān)心的不再是某些語句執(zhí)行時單片機(jī)寄存器和存儲器內(nèi)容的改變,而是從工程的角度直接看程序運行和電路工作的過程和結(jié)果。對于這樣的仿真實驗,從某種意義上講,是彌補(bǔ)了實驗和工程應(yīng)用間脫節(jié)的矛盾和現(xiàn)象。 3.1.2 用proteus繪制原理圖步驟 原理圖是在原理圖編輯窗口中的藍(lán)色方框內(nèi)繪制完成的,通過文件中的“新建設(shè)計”選項,可以調(diào)整原

43、理圖設(shè)計頁面大小。繪制原理圖時首先應(yīng)根據(jù)需要選取元器件,proteus庫中提供了大量元器件原理圖符號,利用proteus的搜索功能能很方便地查找需要的元器件。 首先根據(jù)需要選擇器件。單擊元器件列表窗口上邊的按鈕“p”,彈出如圖3-1所示元器件選擇窗口。在該窗口左上方的“關(guān)鍵字”欄內(nèi)鍵入“at89c51”,窗口中間的“結(jié)果”欄將顯示出元器件庫中所有at89c51單片機(jī)芯片,選擇其中的“at89c51”,窗口右上方將顯示出at89c51圖形符號,同時顯示該器件的虛擬仿真模型,單擊“確定”按鈕后,at89c51將出現(xiàn)在器件列表窗口。照此方法選擇所有需要的元器件。圖3-1 器件選擇窗口 器件選擇完畢后

44、,就可以開始繪制原理圖了。先用鼠標(biāo)從器件選擇窗口選中需要的器件,預(yù)覽窗口將出現(xiàn)該器件的圖標(biāo)。再將鼠標(biāo)指向編輯窗口并單擊左鍵,將選中的器件放置到原理圖中。 放置電源和地線端時,要從“終端”按鈕欄中選取。 在兩個元器件之間進(jìn)行連線的方式很簡單,先將鼠標(biāo)指向第一個器件的連接點并單擊左鍵,再將鼠標(biāo)移到另一個器件的連接點并單擊左鍵,這兩個點就連接到一起了。對于相隔較遠(yuǎn),直接連線不方便的器件,可以用標(biāo)號的方式進(jìn)行連接。 連接后的部分硬件電路如圖3-2所示。圖3-2 硬件電路圖3.2 硬件調(diào)試 按電路圖買好元件后首先檢查買回元件的好壞,按各元件的檢測方法分別進(jìn)行檢測,一定要仔細(xì)認(rèn)真。按電路圖的位置將各元件安

45、置好,首先放置核心元件,然后再放其他元件,特別注意順序不能顛倒。在保證電路元器件完好及各元器件放置無誤合理的情況下,開始對電路連接布線,由于本設(shè)計用面包板搭件,所以布線要無跨線并且工整。當(dāng)硬件設(shè)計從布線到焊接安裝完成之后,就開始進(jìn)入硬件調(diào)試階段。 3.2.1 硬件靜態(tài)調(diào)試 1.排除邏輯故障 顯示器部分調(diào)試為了使調(diào)試順利進(jìn)行,首先將89c51與lcd顯示分離,這樣就可以用靜態(tài)方法先測試lcd顯示,用規(guī)定的電平加至位顯示的引腳,看顯示是否與理論上一致。不一致,一般為lcd顯示器接觸不良所致,必須找出故障,檢測89c51電路工作是否正常。對89c51進(jìn)行編程調(diào)試時,分為兩個步驟:第一,對其進(jìn)行初始化

46、。第二,將89c51與lcd結(jié)合起來,借助開發(fā)機(jī),通過編制程序進(jìn)行調(diào)試。若調(diào)試通過后,就可以編制應(yīng)用程序了16。 對于一些邏輯故障來說,這類故障往往是由于設(shè)計和焊接過程中的失誤所造成的。主要包括錯線、開路、短路。排除的方法是首先將焊接好的電路板認(rèn)真對照原理圖,看兩者是否一致。應(yīng)特別注意電源系統(tǒng)檢查,以防止電源短路和極性錯誤,并重點檢查系統(tǒng)總線是否存在相互之間短路或與其它信號線路短路。必要時利用數(shù)字萬用表的短路測試功能,可以縮短排錯時間。 2.排除元器件失效 造成這類錯誤的原因有兩個:一個是元器件買來時就已壞了另一個是由于安裝錯誤,造成器件燒壞。可以采取檢查元器件與設(shè)計要求的型號、規(guī)格和安裝是否

47、一致。在保證安裝無誤后,用替換方法排除錯誤。 3.排除電源故障 在通電前,一定要檢查電源電壓的幅值和極性,否則很容易造成集成塊損壞。加電后檢查各插件上引腳的電位,一般先檢查vcc與gnd之間電位,若在5v4.8v之間屬正常。若有高壓,聯(lián)機(jī)仿真器調(diào)試時,將會損壞仿真器等,有時會使應(yīng)用系統(tǒng)中的集成塊發(fā)熱損壞。 3.2.2 虛擬仿真調(diào)試 原理圖繪制完成之后,給單片機(jī)添加應(yīng)用程序,就可以進(jìn)行虛擬仿真調(diào)試。先用鼠標(biāo)右鍵選中at89c51單片機(jī),再單擊左鍵,彈出如圖3-3所示器件編輯窗口。 圖3-3 器件編輯窗口在器件編輯窗口中“program file”欄單擊文件夾瀏覽按鈕,找到需要仿真的hex文件,單

48、擊“確定”按鈕完成添加文件,在“clock frequency”文本框中把頻率改為12mhz,單擊“確定”按鈕退出。這時單擊仿真工具欄中全速運行按鈕即可開始進(jìn)行虛擬仿真17。3.3 軟件調(diào)試 軟件調(diào)試是通過對用戶程序的匯編、連接、執(zhí)行來發(fā)現(xiàn)程序中存在的語法錯誤與邏輯錯誤并加以排除糾正的過程。程序運行后編輯,查看程序是否有邏輯的錯誤。本系統(tǒng)的軟件程序完全由c51編寫,c語言效率高,但同時也存在一些缺點,比如嚴(yán)格定時比較困難。在調(diào)試過程中采取的是自上至下的調(diào)試方法,單獨調(diào)試好每一個模塊,然后再連接成一個完整的系統(tǒng)調(diào)試。3.4 軟硬件聯(lián)調(diào) 使用keil、proteus軟件進(jìn)行單步調(diào)試仿真模擬,直到滿足技術(shù)指標(biāo)后,將程序燒到89c51片中進(jìn)行軟硬件聯(lián)調(diào)。調(diào)試的過程及步驟如下: 1.檢測5v電源是否正常,并且是否加到單片機(jī)的電源引腳端。2.檢測單片機(jī)的晶振電路是否正常工作,用萬用表檢測89c51片的18、19腳的電壓分別為3v、1.5v左右。3.檢測復(fù)位信號輸入端rst,高電平有效。在單片機(jī)正常工作時,此腳應(yīng)為0.5v低電平。4.測試外部脈沖計數(shù)電路 通過給cpu 施加固定脈沖,測試外