基于霍爾傳感器的單片機測速裝置設(shè)計

濱江學(xué)院畢業(yè)論文〔設(shè)計〕題目基于霍爾傳感器的單片機測速裝置設(shè)計院系電子工程系專業(yè)電子信息工程學(xué)生姓名學(xué)號20232305927指導(dǎo)教師李鵬職稱副教授二Ｏ一二年五月三十一日目錄1概述31.1課題背景31.2本設(shè)計課題的目的和意義41.3設(shè)計的要求42設(shè)計原理和方案42.1霍爾傳感器的介紹42.1.1霍爾效應(yīng)52.1.2霍爾器件52.1.3霍爾傳感器的分類62.1.4霍爾傳感器的特性72.2霍爾測速設(shè)計原理82.2.1轉(zhuǎn)速測量的方法82.2.2各種轉(zhuǎn)速測量的優(yōu)缺點82.2.3檢測局部92.2.4處理局部92.2.5顯示局部92.3系統(tǒng)總體設(shè)計方案103硬件設(shè)計103.1電源局部103.2霍爾測速裝置113.3轉(zhuǎn)速信號處理電路133.4單片機系統(tǒng)133.5ISP下載接口143.6LCD液晶顯示電路143.6.1LCD顯示的根本原理153.6.21602LCD的根本參數(shù)及引腳功能154軟件設(shè)計165設(shè)計仿真175.1Proteus簡介175.2Multisim軟件簡介195.3Keil軟件簡介216總結(jié)22致謝24附錄一26附錄二27基于霍爾傳感器的單片機測速裝置設(shè)計趙文婷南京信息工程大學(xué)濱江學(xué)院，南京210044摘要：本文設(shè)計了一個基于HZL201霍爾齒輪傳感器的單片機測速裝置，整個設(shè)計由一種測量轉(zhuǎn)速裝置，轉(zhuǎn)速信號處理電路，通過8050三極管對信號整形處理，將脈沖信號轉(zhuǎn)化為標準的TTL電平，便于AT89S52單片機的計數(shù)運算，并能夠?qū)⑥D(zhuǎn)速信號顯示在液晶顯示器上。運用Keil軟件進行單片機的C語言編程，并且通過Proteus軟件仿真單片機與顯示結(jié)果，驗證了本設(shè)計的可行性。該測速裝置具有線路簡單、實時性好、本錢低、安裝調(diào)試方便和節(jié)省空間等特點，尤其是在測量空間有限、軸偏心或傳感器不便安裝的條件下，該測量方法有明顯的優(yōu)勢。關(guān)鍵詞：霍爾傳感器；速度測量；單片機；系統(tǒng)設(shè)計1概述1.1課題背景在我們的日常生活中，霍爾傳感器被廣泛應(yīng)用。例如，在翻蓋或是滑蓋的中，用來檢測蓋翻開或是滑動的器件就是霍爾傳感器；再如，在電腦鍵盤上，實現(xiàn)光標移動的滾動鍵就是由霍爾傳感器組成的；還有，在汽車變速箱、電動門窗等需要電機的部件中也有霍爾傳感器的應(yīng)用。我們在每天的生活中都在與霍爾傳感器打交道。傳統(tǒng)式的轉(zhuǎn)速測量通常是采用測速發(fā)電機為檢測元件，這種方法是模擬式的，因此其得到的信號是電壓信號，其抗干擾能力差，靈活性差。隨著微型計算機的廣泛應(yīng)用，現(xiàn)在的轉(zhuǎn)速測量普遍采用了以單片機為核心的數(shù)字化測量，其通常采用光電編碼器，霍爾元件等為檢測元件。轉(zhuǎn)速是工程中應(yīng)用非常廣泛的一個參數(shù)，其測量方法較多，而模擬量的采集和模擬處理一直是轉(zhuǎn)速測量的主要方法，這種測量方法已不能適應(yīng)現(xiàn)代科技開展的要求，在測量范圍和測量精度上，已不能滿足大多數(shù)系統(tǒng)的使用。隨著大規(guī)模及超大規(guī)模集成電路技術(shù)的開展，數(shù)字系統(tǒng)測量得到普遍應(yīng)用，特別是單片機對脈沖數(shù)字信號的強大處理能力，使得全數(shù)字測量系統(tǒng)越來越普及，其轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)也可以用全數(shù)字化處理。在測量范圍和測量精度方面都有極大的提高。因此，本課題的目的是：對各種測量轉(zhuǎn)速的根本方法予以分析，針對不同的應(yīng)用環(huán)境，利用80C51系列單片機設(shè)計一種全數(shù)字化測速系統(tǒng)，從提高測量精度的角度出發(fā)，分析討論其產(chǎn)生誤差的可能原因，為今后的實際使用提供借鑒。并從實際硬件電路出發(fā)，分析電路工作原理和軟件流程，根據(jù)仿真情況提出修改方案和解決方法。本設(shè)計以單片機為中心，設(shè)計的全數(shù)字化測量轉(zhuǎn)速系統(tǒng)，在工業(yè)控制和民用電器中都有較高使用價值。其可以應(yīng)用于工業(yè)控制中的某一局部，如數(shù)控車床的電機轉(zhuǎn)速檢測和控制、水泵流量控制以及需要利用轉(zhuǎn)速檢測來進行控制的許多場合。如車輛的里程表、車速表等。其次該轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)由于采用全數(shù)字化結(jié)構(gòu)，因而可以很方便的和工業(yè)控制計算機進行連接，實行遠程管理和控制，進一步提高現(xiàn)代化水平。并且，幾乎不需做很大改變直接就能作為單獨的使用產(chǎn)品?？傊?，轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)的研究是一件非常有意義的課題。1.2本設(shè)計課題的目的和意義在工程實踐中，經(jīng)常會遇到各種需要測量轉(zhuǎn)速的場合。例如在發(fā)動機、電動機、卷揚機、機床主軸等旋轉(zhuǎn)設(shè)備的試驗、運轉(zhuǎn)和控制中，常需要分時或連續(xù)測量和顯示其轉(zhuǎn)速及瞬時轉(zhuǎn)速。要測速，首先要解決是采樣問題。在使用模技術(shù)制作測速表時，常用測速發(fā)電機的方法，即將測速發(fā)電機的轉(zhuǎn)軸與待測軸相連，測速發(fā)電機的電壓上下反映了轉(zhuǎn)速的上下。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)速方法。因此轉(zhuǎn)速的測試具有重要的意義。這次設(shè)計內(nèi)容包含知識全面，對傳感器測量發(fā)電機轉(zhuǎn)速的方法及原理設(shè)計有相關(guān)介紹，在測量系統(tǒng)中能學(xué)到關(guān)于測量轉(zhuǎn)速的傳感器進行信號轉(zhuǎn)換的問題，單片機局部的內(nèi)容，顯示局部等各個模塊的聯(lián)通與調(diào)試。全面了解單片機和信號放大的具體內(nèi)容。進一步鍛煉我們在信號采集，處理，顯示發(fā)面的實際工作能力。在眾多的數(shù)字式轉(zhuǎn)速傳感器中，因霍爾傳感器具有無觸點、長壽命、高可靠性、無火花、無自激振蕩、溫度性能好、抗污染能力強、構(gòu)造簡單、鞏固、體積小、耐沖擊等優(yōu)點，所以選用霍爾效應(yīng)接近式傳感器作為自動控制系統(tǒng)中電機的轉(zhuǎn)速傳感器。該傳感器是開關(guān)元件，直接輸出為脈沖頻率信號，但是由于存在電磁噪聲干擾，必須對信號進行處理，從而提高采集準確度和抗干擾能力。處理后的信號轉(zhuǎn)換成標準的方波信號，將該信號傳輸?shù)紸T89S52單片機上，再經(jīng)過相應(yīng)的軟件設(shè)計，就可以通過LCD顯示電路顯示出電機的轉(zhuǎn)速。1.3設(shè)計的要求〔1〕霍爾傳感器能夠接受到齒輪信號盤發(fā)出的轉(zhuǎn)動信號；〔2〕霍爾傳感器產(chǎn)生的信號通過信號處理電路能夠產(chǎn)生給單片機處理的TTL電平；〔3〕能夠精確的在液晶顯示屏上顯示齒輪的轉(zhuǎn)速。2設(shè)計原理和方案2.1霍爾傳感器的介紹霍爾傳感器是根據(jù)霍爾效應(yīng)制作的一種磁場傳感器。霍爾效應(yīng)是磁電效應(yīng)的一種，這一現(xiàn)象是霍爾〔EdwinH.Hall，1855—1938〕于1879年在研究金屬的導(dǎo)電機構(gòu)時發(fā)現(xiàn)的。后來發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)體、導(dǎo)電流體等也有這種效應(yīng)，而半導(dǎo)體的霍爾效應(yīng)比金屬強得多，利用這種現(xiàn)象制成的各種霍爾組件，廣泛地應(yīng)用于工業(yè)自動化技術(shù)、檢測技術(shù)及信息處理等方面?；魻栃?yīng)是研究半導(dǎo)體材料性能的根本方法。通過霍爾效應(yīng)實驗測定的霍爾系數(shù)，能夠判斷半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電類型、載流子濃度及載流子遷移率等重要參數(shù)。霍爾器件是一種采用半導(dǎo)體材料制成的磁電轉(zhuǎn)換器件。如果在輸入端通入控制電流IC，當(dāng)有一磁場B穿過該器件感磁面，那么在輸出端出現(xiàn)霍爾電勢UH。在磁場力作用下，在金屬或通電半導(dǎo)體中將產(chǎn)生霍爾效應(yīng)，其輸出電壓與磁場強度成正比?；诨魻栃?yīng)的霍耳傳感器常用于測量磁場強度，其測量范圍從10Oe到幾千奧斯特。盡管人們早在1879年就知道了霍爾效應(yīng)，但直到20世紀60年代末期，隨著固態(tài)電子技術(shù)的開展，霍爾效應(yīng)才開始被人們所應(yīng)用?；魻栃?yīng)在半導(dǎo)體薄片兩端通以控制電流Ｉ，并在薄片的垂直方向施加磁感應(yīng)強度為B的勻強磁場，那么在垂直于電流和磁場的方向上，將產(chǎn)生電勢差為UH的霍爾電壓。這一現(xiàn)象便是霍爾效應(yīng)，如圖2.1霍爾效應(yīng)原理圖所示。圖2.1霍爾效應(yīng)原理圖固體材料中的載流子在外加磁場中運動時，因為受到洛侖茲力的作用而使軌跡發(fā)生偏移，并在材料兩側(cè)產(chǎn)生電荷積累，形成垂直于電流方向的電場，最終使載流子受到的洛侖茲力與電場斥力相平衡，從而在兩側(cè)建立起一個穩(wěn)定的電勢差即霍爾電壓。正交電場和電流強度與磁場強度的乘積之比就是霍爾系數(shù)。平行電場和電流強度之比就是電阻率。大量的研究揭示：參加材料導(dǎo)電過程的不僅有帶負電的電子，還有帶正電的空穴。2.1.2霍爾器件霍爾器件分為：霍爾元件和霍爾集成電路兩大類。前者是一個簡單的霍爾片，使用時常常需要將獲得的霍爾電壓進行放大。后者將霍爾片和它的信號處理電路集成在同一個芯片上。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?；魻栐慕M成：由霍爾片、四根引線和殼體組成，如圖2.2霍爾元件的組成及型號命名方法所示。圖2.2霍爾元件的組成及型號命名它具有對磁場敏感、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、計算機和信息技術(shù)等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用?；魻栐奶匦杂谢魻栂禂?shù)〔又稱霍爾常數(shù)〕RH，霍爾靈敏度KH〔又稱霍爾乘積靈敏度〕，霍爾額定鼓勵電流，霍爾最大允許鼓勵電流，霍爾輸入、輸出電阻，霍爾元件的電阻溫度系數(shù)，霍爾不等位電勢〔又稱霍爾偏移零點〕，霍爾輸出電壓，霍爾電壓輸出比率，霍爾寄生直流電勢，霍爾電勢溫度系數(shù)等。由于霍爾元件產(chǎn)生的電勢差很小，故通常將霍爾元件與放大器電路、溫度補償電路及穩(wěn)壓電源電路等集成在一個芯片上，稱之為霍爾傳感器?；魻杺鞲衅鞯姆诸惏凑栈魻柶骷墓δ芸蓪⒒魻杺鞲衅鞣譃榫€性型霍爾傳感器和開關(guān)型霍爾傳感器兩種：1〕線性型霍爾傳感器線性型霍爾傳感器是由霍爾元件、線性放大器和射極跟隨器組成，它輸出模擬量。2〕開關(guān)型霍爾傳感器開關(guān)型霍爾傳感器是由穩(wěn)壓器、霍爾元件、差分放大器，斯密特觸發(fā)器和輸出級組成，它輸出數(shù)字量?；魻杺鞲衅魇歉鶕?jù)霍爾效應(yīng)原理而制成的電流和電壓傳感器。根據(jù)對霍爾電勢處理的方式不同，霍爾傳感器又可分為以下兩類：1〕第一類是直接將霍爾電勢做適當(dāng)放大處理以后提供應(yīng)檢測儀器或控制設(shè)備，就是所謂的直接檢測式霍爾電流傳感器。這種傳感器耐壓等級高，本錢低，性能穩(wěn)定，但精度受溫度變化影響大，動態(tài)響應(yīng)特性很不理想。我公司采用電路補償，圓滿解決以上問題。2〕第二類是磁場平衡式霍爾傳感器，它采用了單或雙霍爾元件，并工作在零磁通狀態(tài)，且有以下特點：〔1〕測量范圍寬，可測量各種電流，如直流、交流、脈沖電流等?！?〕電氣隔離性能好?！?〕測量精度高，線性度好。〔4〕抗外界電磁和溫度等因素的干擾能力強?！?〕電流上升率大，響應(yīng)速度快?！?〕過載能力強。〔7〕體積小，重量輕，安裝簡單、方便。目前的產(chǎn)品中以磁場平衡式霍爾傳感器為主?；魻杺鞲衅鞯奶匦浴?〕線性型霍爾傳感器的特性圖2.3線性型霍爾傳感器的特性輸出電壓與外加磁場強度呈線性關(guān)系，如圖2.3線性型霍爾傳感器的特性所示，可見，在B1～B2的磁感應(yīng)強度范圍內(nèi)有較好的線性度，磁感應(yīng)強度超出此范圍時那么呈現(xiàn)飽和狀態(tài)?！?〕開關(guān)型霍爾傳感器的特性如圖2.4開關(guān)型霍爾傳感器的特性所示，其中BOP為工作點“開〞的磁感應(yīng)強度，BRP為釋放點“關(guān)〞的磁感應(yīng)強度。圖2.4開關(guān)型霍爾傳感器的特性當(dāng)外加的磁感應(yīng)強度超過動作點Bop時，傳感器輸出低電平，當(dāng)磁感應(yīng)強度降到動作點Bop以下時，傳感器輸出電平不變，一直要降到釋放點Brp時，傳感器才由低電平躍變?yōu)楦唠娖?。Bop與Brp之間的滯后使開關(guān)動作更為可靠。另外還有一種“鎖鍵型〞(或稱“鎖存型〞〕開關(guān)型霍爾傳感器，其特性如圖3.5鎖鍵型霍爾傳感器特性所示。圖2.5鎖鍵型霍爾傳感器特性當(dāng)磁感應(yīng)強度超過動作點Bop時，傳感器輸出由高電平躍變?yōu)榈碗娖剑谕獯艌龀废?，其輸出狀態(tài)保持不變〔即鎖存狀態(tài)〕，必須施加反向磁感應(yīng)強度到達Brp時，才能使電平產(chǎn)生變化。2.2霍爾測速設(shè)計原理轉(zhuǎn)速測量的方法轉(zhuǎn)速測量的方法有以下幾種：〔1〕定時計數(shù)法〔測頻率法〕。其主要原理如下：在一定的時間間隔T1內(nèi)，計數(shù)被測信號的重復(fù)變化次數(shù)N，那么被測信號的頻率f可表示為：式〔2.2〔2〕定數(shù)計時法〔測周期法〕。其主要原理如下：在被測信號的一個周期內(nèi)，計數(shù)時鐘脈沖數(shù)為m，那么被測信號的頻率fx可以采用以下表達式計算：〔式中fc為時鐘頻率〕式〔2.2各種轉(zhuǎn)速測量的優(yōu)缺點〔1〕測頻率法測頻法在測量上有量化，低速時測量誤差較大，其誤差可采用以下表達式計算：式〔2.2顯然信號頻率較低時，即N較小，那么有較大的誤差。〔2〕測周期法測周期法在測量上也有時間單位誤差，高速測量有較大的誤差，其誤差可采用以下表達式計算：式〔2.2顯然當(dāng)被測信號頻率較高時，對于一定的時鐘頻率，那么m越小，顯然誤差較大。檢測局部轉(zhuǎn)速測量對于檢測局部要求較高，一般而言特別是數(shù)字化測量時，檢測局部可采用光電式傳感器〔一般是光柵傳感器〕，霍爾傳感器以及光電編碼器等，對于本次設(shè)計而言，采用霍爾傳感器，此霍爾傳感器HZL201的優(yōu)點是主要有三個：一是霍爾轉(zhuǎn)速傳感器的輸出信號不會受到轉(zhuǎn)速值的影響；二是霍爾轉(zhuǎn)速傳感器的頻率相應(yīng)高；三是霍爾轉(zhuǎn)速傳感器對電磁波的抗干擾能力強。因此霍爾轉(zhuǎn)速傳感器多應(yīng)用在控制系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速檢測中。同時，霍爾轉(zhuǎn)速傳感器的穩(wěn)定性好，抗外界干擾能力強，如抗錯誤的干擾信號等，因此不易因環(huán)境的因素而產(chǎn)生誤差。霍爾轉(zhuǎn)速傳感器的測量頻率范圍寬，遠遠高于電磁感應(yīng)式無源傳感器。另外，霍爾轉(zhuǎn)速傳感器在防護措施有效的情況下，可以不受電子、電氣環(huán)境影響?；魻栟D(zhuǎn)速傳感器的測量結(jié)果精確穩(wěn)定，輸出信號可靠，可以放油、防潮，并且能在溫度較高的環(huán)境中工作，普通霍爾轉(zhuǎn)速傳感器的工作溫度可以到達100℃?；魻栟D(zhuǎn)速傳感器的安裝簡單，使用方便，能實現(xiàn)遠距離傳輸。注意檢測局部主要除了霍爾傳感元件外，還應(yīng)包括測速齒輪，磁性轉(zhuǎn)盤等。處理局部主要是單片機處理器，考慮到在工業(yè)環(huán)境中存在許多干擾，因此對單片機的根本要求是抗干擾強。這里主要介紹一下軟件抗干擾技術(shù)。〔1〕軟件“看門狗〞的應(yīng)用選用某個定時器作“看門狗〞，“看門狗〞啟動后應(yīng)及時復(fù)位。〔2〕指令冗余技術(shù)可采用NOP指令，這會有效地降低程序計數(shù)器發(fā)生的錯誤〔3〕軟件陷阱技術(shù)采用以下軟件陷阱指令格式NOPNOPNOPLJMP0000H顯示局部主要采用LCD液晶顯示電路，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。1602LCD是指顯示的內(nèi)容為16*2，即可以顯示兩行，每行16個字符液晶模塊〔顯示字符和數(shù)字〕。2.3系統(tǒng)總體設(shè)計方案按照霍爾傳感器轉(zhuǎn)速裝置設(shè)計方案，總設(shè)計電路框圖如圖2.6所示。HZL201霍爾齒輪傳感器接受齒輪信號盤的轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)化為近似方波脈沖信號。由于要使用單片機進行轉(zhuǎn)速信號計數(shù)，霍爾傳感器輸出的方波脈沖信號必須轉(zhuǎn)化為標準TTL電平，所以在信號處理流程圖中參加了信號處理電路。通過這個電路就能將霍爾傳感器輸出的電壓信號變?yōu)闃藴实腡TL電平，之后要做的工作就是將該轉(zhuǎn)速信號顯示在LCD上，通過一系列的處理，就能實時地反響轉(zhuǎn)速信號的變化。圖2.6霍爾測速總設(shè)計電路框圖3硬件設(shè)計硬件電路主要分為電源局部、霍爾測速裝置〔轉(zhuǎn)速信號處理電路〕、單片機系統(tǒng)、ISP下載接口和LCD液晶顯示電路五局部。3.1電源局部本設(shè)計的電源局部分別有LM7805和LM7815兩局部組成。由于霍爾轉(zhuǎn)速傳感器所需電源電壓為5~20V，假設(shè)參加5V電源，其輸出高電平就大于等于4V，這樣提供單片機的電壓就缺乏5V，使其運作可能會產(chǎn)生不良的效果，所以本設(shè)計采用給霍爾傳感器和單片機分別供電的電源系統(tǒng)如圖3.1所示。圖3.1電源電路圖用LM78/LM79系列三端穩(wěn)壓IC來組成穩(wěn)壓電源所需的外圍元件極少，電路內(nèi)部還有過流、過熱及調(diào)整管的保護電路，使用起來可靠、方便，而且價格廉價。該系列集成穩(wěn)壓IC型號中的lm78或lm79后面的數(shù)字代表該三端集成穩(wěn)壓電路的輸出電壓，如lm7806表示輸出電壓為正6V，lm7909表示輸出電壓為負9V。因為三端固定集成穩(wěn)壓電路的使用方便，電子制作中經(jīng)常采用。最大輸出電流1.5A，LM78XX系列輸出電壓分別為5V；6V；8V；9V；10V；12V；15V；18V；24V。在實際應(yīng)用中，應(yīng)在三端集成穩(wěn)壓電路上安裝足夠大的散熱器〔當(dāng)然小功率的條件下不用〕。當(dāng)穩(wěn)壓管溫度過高時，穩(wěn)壓性能將變差，甚至損壞。當(dāng)制作中需要一個能輸出1.5A以上電流的穩(wěn)壓電源，通常采用幾塊三端穩(wěn)壓電路并聯(lián)起來，使其最大輸出電流為N個1.5A，但應(yīng)用時需注意：并聯(lián)使用的集成穩(wěn)壓電路應(yīng)采用同一廠家、同一批號的產(chǎn)品，以保證參數(shù)的一致。另外在輸出電流上留有一定的余量，以防止個別集成穩(wěn)壓電路失效時導(dǎo)致其他電路的連鎖燒毀。3.2霍爾測速裝置霍爾測速裝置主要包括測速齒輪以及轉(zhuǎn)速變換裝置，下面詳細介紹一下各個裝置的原理以及結(jié)構(gòu)圖?；魻栟D(zhuǎn)速傳感器的主要工作原理是霍爾效應(yīng)，也就是當(dāng)轉(zhuǎn)動的金屬部件通過霍爾傳感器的磁場時會引起電勢的變化，通過對電勢的測量就可以得到被測量對象的轉(zhuǎn)速值?；魻栟D(zhuǎn)速傳感器的主要組成局部是傳感頭和齒圈，而傳感頭又是由霍爾元件、永磁體和電子電路組成的。〔1〕齒輪信號盤和轉(zhuǎn)速測量裝置安裝圖。測速齒輪信號盤如圖3.2所示，信號盤可用一般的黑色鋼板制成。它就是轉(zhuǎn)速測量時所用的轉(zhuǎn)盤，盤上共有24個齒。中心孔用來在電機轉(zhuǎn)軸上定位，從而信號盤與電機的轉(zhuǎn)軸一起轉(zhuǎn)動，傳感器固定在支架上，垂直于信號盤。其安裝圖如圖3.3所示。當(dāng)信號盤隨電機轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)時，信號盤的每個齒經(jīng)過探頭正前方時產(chǎn)生感應(yīng)，探頭就輸出一個標準的脈沖信號。對該信號盤而言，每24個脈沖對應(yīng)電機的1個工作循環(huán)。因此，脈沖信號的頻率大小就反映了信號盤轉(zhuǎn)速的上下，可由單片機進行測量并換算為轉(zhuǎn)速。圖3.2測速齒輪信號盤圖圖3.3轉(zhuǎn)速變換裝置圖〔2〕霍爾傳感器的選擇文中選用的是國產(chǎn)的HZL201霍爾齒輪傳感器，如圖3.4所示。該霍爾傳感器是一種用于測量速度、角度、轉(zhuǎn)速、長度等的新型傳感器。由傳感黑色金屬齒輪或齒條的齒數(shù)轉(zhuǎn)換成電壓脈沖信號來測量物體的速度、轉(zhuǎn)速等參量。該傳感器紅色端接電源正極，黑色端接地，黃色端為輸出端。而它的特點在于傳感黑色金屬目標、輸出幅度與齒輪轉(zhuǎn)速無關(guān)，低速性能優(yōu)異，工作頻率高達20kHz，抗電磁干擾，經(jīng)過三防抗振處理，有電源極性反向保護，安裝維修方便。根本電參數(shù)如表3.1所示。圖3.4HZL201霍爾齒輪傳感器此霍爾齒輪傳感器應(yīng)用在汽車凸輪軸和曲軸速度/位置檢測，汽車和工業(yè)用速度表，汽車的抗滑/牽引控制，鏈條傳送帶速度和距離檢測，“運動停止〞檢測器，計數(shù)器中。其連接和調(diào)節(jié)方式有：①傳感器安裝時，齒輪轉(zhuǎn)動方向與畫線平行以便得到最正確敏度。適當(dāng)調(diào)節(jié)工作距離，可使傳感器可靠工作。②可無特殊說明，傳感器輸出均采用集電極開路輸出方式。紅線：電源正極黃線：輸出黑線：地③所測齒輪的齒間距應(yīng)大于3mm，如間距小于3mm可提供齒輪樣本定制。表3.1霍爾齒輪傳感器電參數(shù)型號HZL2系列參數(shù)符號HZL201HZL260HZL202HZL204HZL2**A型B型C型D型可定制電源電壓VC5~20V電源電流IC≦15mA輸出低電平VOL≦0.4V輸出高電平VOH≧〔VCC—1〕V工作距離d1~1.5mm工作頻率f0~20KHZ工作溫度TE：-40~+85℃L：-40~+〔3〕霍爾轉(zhuǎn)速傳感器的工作原理霍爾轉(zhuǎn)速傳感器在測量機械設(shè)備的轉(zhuǎn)速時，被測量機械的金屬齒輪、齒條等運動部件會經(jīng)過傳感器的前端，引起磁場的相應(yīng)變化，當(dāng)運動部件穿過霍爾元件產(chǎn)生磁力線較為分散的區(qū)域時，磁場相對較弱，而穿過產(chǎn)生磁力線較為幾種的區(qū)域時，磁場就相對較強?；魻栟D(zhuǎn)速傳感器就是通過磁力線密度的變化，在磁力線穿過傳感器上的感應(yīng)元件時，產(chǎn)生霍爾電勢?；魻栟D(zhuǎn)速傳感器的霍爾元件在產(chǎn)生霍爾電勢后，會將其轉(zhuǎn)換為交變電信號，最后傳感器的內(nèi)置電路會將信號調(diào)整和放大，輸出矩形脈沖信號。3.3轉(zhuǎn)速信號處理電路根據(jù)轉(zhuǎn)速信號處理電路以及總設(shè)計流程圖，首先設(shè)計了信號處理電路，傳感器輸出的轉(zhuǎn)速信號為方波脈沖信號，它的高電平低于15V高于14V，而低電平接近0?？梢娫撁}沖信號的電壓幅值與單片機接口不匹配，因此該電路又選用了一個由三極管〔8050〕組成的整形電路處理轉(zhuǎn)速信號使其滿足單片機的接收要求。當(dāng)輸出為高電平信號時，三極管Q1的基-射級處于正向偏置狀態(tài)，故集-射極處于正向通路狀態(tài)，其輸出電壓約為0；當(dāng)輸出為低電平信號時，三極管Q1的基-射級處于反向偏置狀態(tài)，故集-射極處于斷路狀態(tài)，其輸出電壓約為+5V。轉(zhuǎn)速信號處理電路如圖3.5所示，經(jīng)處理后的方波脈沖信號滿足單片機的接收要求。圖3.5轉(zhuǎn)速信號處理電路圖3.4單片機系統(tǒng)單片機采用AT89S52，采用12MHZ的晶振頻率。單片機的P3.5口接被處理后的被測信號，P2口接液晶顯示器的數(shù)據(jù)輸入端，P1.0，P1.1，P1.2通過外接控制電路接液晶顯示器的控制端。單片機系統(tǒng)的電路如圖3.6所示。圖3.6單片機系統(tǒng)電路圖3.5ISP下載接口ISP的接口連接如圖3.7所示。其中SCK、MISO、RST、MOSI分別接對應(yīng)于單片機P1.7、P1.6、RST、P1.5管腳。NC管腳可接地也可懸空。圖3.7ISP下載接口3.6LCD液晶顯示電路顯示電路由1602液晶組成，RS為數(shù)據(jù)或命令選擇端。RW為讀寫控制端，E為使能端。其電路如圖3.8所示。其中D0~D7分別對應(yīng)單片機的P2.0~P2.7引腳。RS命令選擇端接單片機P1.0引腳；RW讀寫控制端接單片機P1.1引腳；E使能端接單片機P1.2引腳。圖3.8LCD液晶顯示電路圖LCD顯示的根本原理液晶顯示器各種圖形的顯示原理如下：線段的顯示：點陣圖形式液晶由M×N個顯示單元組成，假設(shè)LCD顯示屏有64行，每行有128列，每8列對應(yīng)1字節(jié)的8位，即每行由16字節(jié)，共16×8=128個點組成，屏上64×16個顯示單元與顯示RAM區(qū)1024字節(jié)相對應(yīng)，每一字節(jié)的內(nèi)容和顯示屏上相應(yīng)位置的亮暗對應(yīng)。例如屏的第一行的亮暗由RAM區(qū)的000H——00FH的16字節(jié)的內(nèi)容決定，當(dāng)〔000H〕=FFH時，那么屏幕的左上角顯示一條短亮線，長度為8個點；當(dāng)〔3FFH〕=FFH時，那么屏幕的右下角顯示一條短亮線；當(dāng)〔000H〕=FFH，〔001H〕=00H，〔002H〕=00H，……〔00EH〕=00H，〔00FH〕=00H時，那么在屏幕的頂部顯示一條由8段亮線和8條暗線組成的虛線。字符的顯示：用LCD顯示一個字符時比擬復(fù)雜，因為一個字符由6×8或8×8點陣組成，既要找到和顯示屏幕上某幾個位置對應(yīng)的顯示RAM區(qū)的8字節(jié)，還要使每字節(jié)的不同位為“1〞，其它的為“0〞，為“1〞的點亮，為“0〞的不亮。這樣一來就組成某個字符。但由于內(nèi)帶字符發(fā)生器的控制器來說，顯示字符就比擬簡單了，可以讓控制器工作在文本方式，根據(jù)在LCD上開始顯示的行列號及每行的列數(shù)找出顯示RAM對應(yīng)的地址，設(shè)立光標，在此送上該字符對應(yīng)的代碼即可。漢字的顯示：一般采用圖形的方式，事先從微機中提取要顯示的漢字的點陣碼〔一般用字模提取軟件〕，每個漢字占32B，分左右兩半，各占16B，左邊為1、3、5……右邊為2、4、6……根據(jù)在LCD上開始顯示的行列號及每行的列數(shù)可找出顯示RAM對應(yīng)的地址，設(shè)立光標，送上要顯示的漢字的第一字節(jié)，光標位置加1，送第二個字節(jié)，換行按列對齊，送第三個字節(jié)……直到32B顯示完就可以LCD上得到一個完整漢字。1602LCD的根本參數(shù)及引腳功能1602LCD分為帶背光和不帶背光兩種，基控制器大局部為HD44780，帶背光的比不帶背光的厚，是否帶背光在應(yīng)用中并無差異，兩者尺寸差異如以下圖3.9所示。圖3.91602LCD尺寸差異圖〔1〕LCD主要技術(shù)參數(shù)顯示容量:16×2個字符；芯片工作電壓:4.5—5.5V；工作電流:2.0mA(5.0V)；模塊最正確工作電壓:5.0V；字符尺寸:2.95×4.35(W×H)mm?！?〕引腳功能說明1602LCD采用標準的14腳〔無背光〕或16腳〔帶背光〕接口，各引腳接口說明如表3.2所示。表3.21602LCD引腳接口說明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背光源負極4軟件設(shè)計霍爾測速的軟件設(shè)計主要由主程序、液晶顯示程序組成。主程序首先對系統(tǒng)環(huán)境初始化，設(shè)置T0，T1的工作方式，采用軟件啟動方式，當(dāng)TR0、TR1同時為1時啟動計時，計數(shù)方式為方式1〔16位〕，TH0=(65536-50000)/256；TL0=(65536-50000)%256；T0每次溢出中斷一次，計時50ms,所以總共溢出中斷20次，定時1s，T1此時計算所有脈沖的個數(shù)，這樣就可以準確的找出1s時間內(nèi)，所計數(shù)脈沖的總數(shù)n。由于經(jīng)過24個脈沖后是一個工作循環(huán)，所以n/24，其值就為轉(zhuǎn)速值。其示意圖如圖4.1所示，主程序流程圖如圖4.2所示。圖4.1計數(shù)工作示意圖圖4.2程序流程圖5設(shè)計仿真5.1Proteus簡介Proteus嵌入式系統(tǒng)仿真與開發(fā)平臺是英國Labcenter公司開發(fā)的，是目前世界上最先進、最完整的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計與仿真平臺。它是一種可視化的支持多種型號單片機〔如51、PIC、AVR、Motorolahcll等〕，并且支持與當(dāng)前流行的單片機開發(fā)環(huán)境〔Keil、MPLAB、IAR〕連接調(diào)試的軟硬件仿真系統(tǒng)。Proteus除了具有和其他EDA工具一樣的原理圖、PCB自動或人工布線及電路仿真功能外，針對微控制系統(tǒng)與外設(shè)的混合電路的電路仿真、軟件仿真、系統(tǒng)協(xié)同仿真也做到了一體化和互動效果，是目前電子設(shè)計愛好者廣泛使用的電子線路設(shè)計與仿真軟件Proteus和Multisim功能的聯(lián)合和進一步開展。Proteus軟件已有近20年的歷史，在全球擁有龐大的企業(yè)用戶群，是目前唯一能夠?qū)Ω鞣N處理器進行實時仿真、調(diào)試與測試的EDA工具，真正實現(xiàn)了在沒有目標原型時就可對系統(tǒng)進行設(shè)計、測試與驗證。由于Proteus軟件包括逼真的協(xié)同仿真功能，得到了包括劍橋大學(xué)在內(nèi)的眾多大學(xué)用戶作為電子學(xué)或嵌入式系統(tǒng)的課程教學(xué)、實驗和水平考試平臺。目前，Proteus在國內(nèi)單片機開發(fā)者及單片機愛好者之中已開始普及，有很多開發(fā)者已經(jīng)開始用此開發(fā)環(huán)境進行仿真。本設(shè)計中，通過信號處理后，能夠產(chǎn)生一定的頻率的波形。通過proteus軟件進行頻率的仿真。輸入7.97KHZ的信號如圖5.1所示。圖5.1輸入信號7.97K然后將程序輸入keil軟件中，生成.hex文件，加載到單片機上，進行仿真。按開始按鈕，然后連接在P1.3接口的按鍵，單片機就進行運作，LCD液晶顯示上就會顯示“zhuanshu〞“0000332r/s〞。通過程序中m=(t1count*65536+TH1*256+TL1)/24的計算，進一步確定仿真正確。單片機轉(zhuǎn)數(shù)仿真如圖5.2所示。圖5.2單片機轉(zhuǎn)數(shù)仿真圖5.2Multisim軟件簡介Multisim是美國國家儀器〔NI〕推出的以Windows為根底的仿真工具，適用于板級的模擬/數(shù)字電路板的設(shè)計工作。它包含了電路原理圖的圖形輸入、電路硬件描述語言輸入方式，具有豐富的仿真分析能力。工程師們可以使用Multisim交互式地搭建電路原理圖，并對電路進行仿真。Multisim提煉了SPICE仿真的復(fù)雜內(nèi)容，這樣工程師無需懂得深入的SPICE技術(shù)就可以很快地進行捕獲、仿真和分析新的設(shè)計，這也使其更適合電子學(xué)教育。通過Multisim和虛擬儀器技術(shù)，PCB設(shè)計工程師和電子學(xué)教育工作者可以完成從理論到原理圖捕獲與仿真再到原型設(shè)計和測試這樣一個完整的綜合設(shè)計流程。本設(shè)計中運用Multisim仿真了霍爾齒輪傳感器進行信號處理電路的仿真和電源局部的仿真?！?〕霍爾齒輪傳感器進行信號處理的電路仿真。如圖5.3所示，輸入信號為15v的矩形波。圖5.3輸入15V信號矩形波圖仿真結(jié)果，能夠產(chǎn)生TTL電平，高電平為5V，低電平為0V。如圖5.4所示。圖5.4產(chǎn)生TTL電平圖〔2〕電源局部的仿真。電源局部分別有LM7805和LM7815組成，分別為霍爾傳感器和單片機進行供電。如圖5.5所示為電源的設(shè)計圖的仿真。圖5.5電源局部的仿真圖本電路設(shè)計穩(wěn)定，輸出結(jié)果如圖5.6所示。圖5.6電源仿真結(jié)果圖5.3Keil軟件簡介KeilC51是美國KeilSoftware公司出品的51系列兼容單片機C語言軟件開發(fā)系統(tǒng)，與匯編相比，C語言在功能上、結(jié)構(gòu)性、可讀性、可維護性上有明顯的優(yōu)勢，因而易學(xué)易用。Keil提供了包括C編譯器、宏匯編、連接器、庫管理和一個功能強大的仿真調(diào)試器等在內(nèi)的完整開發(fā)方案，通過一個集成開發(fā)環(huán)境〔uVision〕將這些局部組合在一起。運行Keil軟件需要WIN98、NT、WIN2000、WINXP等操作系統(tǒng)。如果你使用C語言編程，那么Keil幾乎就是你的不二之選，即使不使用C語言而僅用匯編語言編程，其方便易用的集成環(huán)境、強大的軟件仿真調(diào)試工具也會令你事半功倍。本設(shè)計通過Keil軟件仿真的結(jié)果如圖5.7所示。圖5.7軟件仿真圖6總結(jié)此次畢業(yè)設(shè)計是我們從大學(xué)畢業(yè)生走向未來工程師重要的一步。從最初的選題，開題到研究、論證直到完成設(shè)計。其間，查找資料，老師指導(dǎo)，與同學(xué)交流，反復(fù)修改論文，每一個過程都是對自己能力的一次檢驗和充實。通過這次實踐，我了解了霍爾齒輪傳感器HZL201和單片機以及LCD液晶顯示器的用途及工作原理，熟悉了基于霍爾傳感器及單片機的測速設(shè)計步驟，鍛煉了工程設(shè)計實踐能力，培養(yǎng)了自己獨立設(shè)計能力。此次畢業(yè)設(shè)計是對我專業(yè)知識和專業(yè)根底知識一次實際檢驗和穩(wěn)固，同時也是走向工作崗位前的一次熱身。畢業(yè)設(shè)計收獲很多，比方學(xué)會了查找相關(guān)資料相關(guān)標準，分析數(shù)據(jù)，提高了自己的求證能力，比方說，運用Multism軟件進行霍爾傳感器的放大整形的仿真，能夠產(chǎn)生TTL電平。將Keil與Proteus結(jié)合，進行軟件的仿真與單片機的仿真，掌握了運用.hex文件進行單片機仿真的過程。懂得了許多經(jīng)驗公式的獲得是前人不懈努力的結(jié)果。同時，仍有很多課題需要后代去努力去完善。但是畢業(yè)設(shè)計也暴露出自己專業(yè)根底的很多缺乏之處。比方缺乏綜合應(yīng)用專業(yè)知識的能力，對材料的不了解，對模電的學(xué)習(xí)還不夠深入，只了解單片機的仿真，而疏忽了Multism軟件的仿真。通過向同學(xué)的請教與學(xué)習(xí)，才完成了信號處理這局部的仿真。這次實踐是對自己大學(xué)所學(xué)的知識的一次大檢閱，使我明白自己知識還很淺薄，雖然馬上要畢業(yè)了，但是自己的求學(xué)之路還很長，以后更應(yīng)該在工作中學(xué)習(xí)，努力使自己成為一個對社會有所奉獻的人。參考文獻[1]成輝．傳感器的理論與設(shè)計根底及其應(yīng)用[M]．北京：國防工業(yè)出版社，1999[2]百度百科．霍爾傳感器．2012年5月10日訪問[3]李澤勇，王文生．閉環(huán)霍爾電流傳感器在車用電源系統(tǒng)中的應(yīng)用[J]．電子技術(shù)應(yīng)用，2004[4]謝文和．傳感器及其應(yīng)用[M]．北京：高等教育出版社，2003[5]余成波．傳感器及自動檢測技術(shù)[M]．北京：高等教育出版社，2005[6]謝志萍．傳感器及測試技術(shù)[M]．北京：電子工業(yè)出版社，2004[7]李群芳，肖看編著．單片機原理、接口及應(yīng)用-嵌入式系統(tǒng)技術(shù)根底．北京：清華大出版社．2005[8]侯國章．測試與傳感技術(shù)[M]．哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2000[9]孟立凡，藍金輝．傳感器原理與應(yīng)用[M]．北京：電子工業(yè)出版社，2007[10]張洪潤．傳感器應(yīng)用技術(shù)300例．上冊[M]．北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2023[11]張洪潤．傳感器技術(shù)大全．下冊[M]．北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2007[12]馬全權(quán)，李慶輝，強盛．一種高精度實時電機轉(zhuǎn)速測量新方法．齊齊哈爾大學(xué)學(xué)報．2002[13]何立民．MCS-51系列單片機應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計．北京：北京航空航天大學(xué)出版社．1990[14]陳伯時．電力拖動自動控制系統(tǒng)[M].北京：機械工業(yè)出版社，2003：103-107.[15]宋躍輝，宋楊，周毅，等．基于單片機的齒輪轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)[J]．信息技術(shù)，2007(11)：110-112[16]Tierney,J.,Rader,C.M.,andGold,B.“ADigitalFrequencySynthesizer,〞IEEETransactionsonAudioandElectroacousticsAU-19:1,March1971[17]Goldberg,Bar-Giora,DigitalTechniquesinFrequencySynthesis,NewYork:McGraw-Hill,1996[18]QUJin-yu.MeasureofEngineSpeedBasedonC8051FChip,Tractor&FarmTransporter,2007年06期致謝本科兩年學(xué)習(xí)時光已經(jīng)接近尾聲，在此我想對我的母校，我的父母、親人們，我的老師和同學(xué)們表達我由衷的謝意。感謝我的家人對我本科兩年學(xué)習(xí)的默默支持；感謝我的母校南京信息工程大學(xué)濱江學(xué)院給了我在本科兩年深造的時機，讓我能繼續(xù)學(xué)習(xí)和提高；感謝南京信息工程大學(xué)濱江學(xué)院的老師和同學(xué)們兩年來的關(guān)心和鼓勵。老師們課堂上的激情洋溢，課堂下的諄諄教誨；同學(xué)們在學(xué)習(xí)中的認真熱情，生活上的熱心主動，所有這些都讓我的本科兩年充滿了感動。這次畢業(yè)論文設(shè)計我得到了李鵬老師和很多同學(xué)的幫助，其中我的論文指導(dǎo)老師李鵬老師對我的關(guān)心和支持尤為重要。這幾個月以來，李鵬老師不僅在學(xué)業(yè)上給我以精心指導(dǎo)，同時還在思想給我以無微不至的關(guān)心，在此謹向李鵬老師致以誠摯的謝意和崇高的敬意。同時，本篇畢業(yè)論文的寫作也得到了廖建輝、郭義芳等同學(xué)的熱情幫助。感謝在整個畢業(yè)設(shè)計期間和我密切合作的同學(xué)，和曾經(jīng)在各個方面給予過我?guī)椭幕锇閭?，在此，我再一次真誠地向幫助過我的老師和同學(xué)表示感謝！BasedontheHolzersensorchipspeedmeasuringdevicedesignZhaoWentingBinjiangCollegeofNanjingUniversityofInformationScienceandTechnology,ABSTRACTThispaperdescribesthedesignofaMCU(MicroControllerUnit)basedonHZL201Holzergearsensormeasuringdevice,thewholedesigniscomposedofarotatingspeedmeasuringdevice,arotatingspeedsignalprocessingcircuit,throughthe8050transistorsonplasticprocessingsignal,pulsesignalwillbeconvertedtostandardTTLlevel,forAT89S52single-chipcountingoperation,andwillbeabletospeedsignalisdisplayedintheliquidcrystaldisplay.UsingKeilsoftwarefortheMCUClanguageprogramming,andthroughtheProteussimulationsoftwareofMCUanddisplayresults,verifythefeasibilityofthisdesign.Thespeedmeasuringdevicehassimplecircuit,goodreal-timeperformance,lowcost,convenientinstallationandspacesavingcharacteristics,especiallyinthemeasurementspaceislimited,theshaft