速度轉(zhuǎn)速數(shù)字測量系統(tǒng)設(shè)計(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,at89c51,cad,電路圖,說明書,仿單 畢 業(yè) 設(shè) 計（論 文） 設(shè)計(論文)題目： 速度轉(zhuǎn)速數(shù)字測量系統(tǒng)設(shè)計 學(xué)生姓名： 二級學(xué)院： 班　　級： 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......................................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............................................12 3.3.1 AT89C51主控電路..............................12 3.3.2 驅(qū)動器.......................................13 3.3.3 顯示電路.....................................14 3.3.4 復(fù)位電路.....................................16 3.3.5 時鐘電路.....................................17 3.3.6 鍵盤電路.....................................18 第4章 軟件系統(tǒng)設(shè)計.....................................19 4.1軟件設(shè)計的總體思路.................................19 4.2 子程序設(shè)計........................................20 4.2.1 轉(zhuǎn)速計算程序.................................20 4.2.2 二-十進制轉(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.................................................25 III 摘要 速度轉(zhuǎn)速數(shù)字測量系統(tǒng)設(shè)計 摘 要 本次設(shè)計順應(yīng)了數(shù)字化的趨勢，使用數(shù)字式測量方法，以便進一步地提高測量的精確度，而且以單片機為核心的系統(tǒng)測試速度更快，適用范圍更廣。 本次設(shè)計我使用測頻法設(shè)計硬件電路，霍爾傳感器為UGN3144，傳感器測量到的信號經(jīng)過穩(wěn)定、放大、整形輸入到單片機中。單片機為AT89C51，包含了主控電路、驅(qū)動電路、顯示電路、復(fù)位電路、時鐘電路和鍵盤電路，集成化程度高。軟件部分可以使用Keil進行編程。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)計要求。 關(guān)鍵詞：轉(zhuǎn)速測量；霍爾傳感器；單片機 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)和工程實踐中，我們經(jīng)常能遇到需要轉(zhuǎn)速的時候，如發(fā)動機，電動機和車床主軸等。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，慢的如減速機只有0～500r/min，快的如氣動馬達可達到150000r/min。測量轉(zhuǎn)速可以運用到的原理有很多，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，整個測量系統(tǒng)負載太大。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，計算機處理器處理數(shù)據(jù)的速度越來越快，存儲能里也越來越高，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。尤其是集成電路的出現(xiàn)和發(fā)展，單片機上可以連接各種電路（如顯示驅(qū)動電路，鍵盤電路），兼容性非常大。單片機出現(xiàn)在1970年代，經(jīng)歷了如下三個階段： （1） SCM：單片微型計算機階段 （2） MCU：微控制器階段 （3） SoC：信號操作控制器階段 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，有人就制造了霍爾傳感器，但當時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)計有以下幾個內(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)計的理論基礎(chǔ)；介紹并選擇一款霍爾傳感器 （2） 選擇單片機的型號，分析集成電路中的各個組成部分，繪制電氣原理圖： （3） 根據(jù)選擇的單片機編寫測速的相應(yīng)程序，寫出具體程序 （4） 分析本次設(shè)計的轉(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物理量，我們需要把它轉(zhuǎn)化成電的信號，以便之后的器件接收、檢測。要實現(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。 （3） 磁電式 這種傳感器帶有計數(shù)器，直接對旋轉(zhuǎn)時的轉(zhuǎn)角位移計數(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電容器，兩塊金屬板固定，還有一個安裝在轉(zhuǎn)軸上的可移動金屬板。通入直流電或交流電后，轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)時帶動可移動金屬板，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 我們在轉(zhuǎn)速中通常需要矩形脈沖，傳感器測量到的轉(zhuǎn)速信號被轉(zhuǎn)變成了脈沖信號，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大脈沖信號，這樣便可以更清楚的讀取數(shù)據(jù)。 圖2-2 （a）信號處理前的波形 （b）信號處理后的波形 2.1.3 單片機 我們通過傳感器獲取了轉(zhuǎn)速的信息，但這個信息是電路形式，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。和傳感器一樣是整個系統(tǒng)中的重要組成部分。單片機屬于小型計算機系統(tǒng)，具有結(jié)合了中央處理器（CPU）、隨機存儲器（RAM）、只讀存儲器（ROM）、各種I/O口、中斷系統(tǒng)，同時還需要帶有定時器/計數(shù)器。 2.1.4 顯示 最后，單片機的結(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） 測頻法通過在一個確定的時間內(nèi)計算傳感器產(chǎn)生的脈沖數(shù)量來計算轉(zhuǎn)速。一個轉(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)一圈的時間知道后，就可以結(jié)合脈沖數(shù)和時間計算轉(zhuǎn)速。其公式為： （2-1） 其中： T：測量的時間 ：測量時間內(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 因為在測量起始T=0時傳感器不一定正好要發(fā)出的一個新的脈沖，結(jié)束時也不一定正好發(fā)完一個完整的脈沖，所以這種測量方法存在誤差，其誤差范圍在0～1個脈沖。要想減小這種誤差，設(shè)置的測量時間就要足夠長，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） 我們先給出一個固定頻率的已知脈沖，在測量時該頻率和傳感器接收被測轉(zhuǎn)軸的脈沖信號對比，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，我們無法確保兩個脈沖同時出現(xiàn)，所以也有0～1個脈沖誤差。如果我們在轉(zhuǎn)軸已經(jīng)開始旋轉(zhuǎn)后才加入對比的脈沖，這種誤差會更加大，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，擁有三個參量：轉(zhuǎn)軸一圈后的脈沖數(shù)；給定時間內(nèi)的脈沖數(shù)；我們自己給定的一個脈沖。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間內(nèi)產(chǎn)生的脈沖數(shù) 第三章 硬件系統(tǒng)設(shè)計 第三章 硬件系統(tǒng)設(shè)計 3.1 測量原理選擇 測周期法和測頻測周期法中存在一個需要我們自己定義的脈沖，需要另外增加一個脈沖發(fā)生器，本次設(shè)計比較簡單，平時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。 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)強度 I：電路中的電流強度 ：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動軌跡發(fā)生改變，即存在一個磁場產(chǎn)生的力影響了電子運動，我們把這個力稱為洛倫磁力。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軸負方向 ：電子的速度，方向為X軸正方向 ：電子的電荷量 霍爾電場： 如圖3-1（b），帶負電荷的載流子（該半導(dǎo)體是N型半導(dǎo)體）向半導(dǎo)體材料的A面遠動，由此半導(dǎo)體B面出現(xiàn)了一樣電荷數(shù)的正電荷，在正負電荷的影響下AB面之間出現(xiàn)了一個單場，，方向為Y軸負方向： 該電場中的電場力為： （3-4） 其中： ：方向為Y軸正方向 當該電場穩(wěn)定后： （3-5） （3-6） 即： （3-7） 得： （3-8） 此時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n比較小時，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)軸上有一個齒輪，當齒輪轉(zhuǎn)動時，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，有外殼包裹后防水防塵防腐蝕。整個傳感器能承受-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)速信號需要通過單片機的計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)動產(chǎn)生的磁場變化的信號，該信號以電壓的形式表現(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)動時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波形存在問題，需要我們在倍頻后進行整形 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進行處理（為了提高負載，圖3-5中添加了晶體管9012） 圖3-5 UGN3144霍爾信號采集電路 （2） UGN3144封裝形式 UGN3144使用SOT89封裝。SOT89有三個管腳： 圖3-6 SOT89圖示 其中： 1腳：接電源正 2腳：接地 3腳：信號輸出（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）：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)軸上有一個齒輪轉(zhuǎn)動，齒輪以工作狀態(tài)轉(zhuǎn)動時，磁場強度變大，當?shù)揭欢ǔ潭葧r，霍爾電勢發(fā)生器的電勢高于OC門的輸出電勢，這時候，整個傳感器工作，輸出脈沖信號；如果齒輪只是輕微震動，磁場強度很弱，當?shù)陀谝欢〝?shù)值時，發(fā)生器的電勢比CO門輸出電勢低，這時候，傳感器并不會工作。這是開關(guān)型霍爾元件的一大特點，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使傳感器啟動，記錄不正確的信號，即磁場發(fā)生變化并不一定代表轉(zhuǎn)軸在轉(zhuǎn)動，但傳感器并不知道，所以要我們設(shè)定一個約束條件。如圖3-7所示，磁場強度B在大到一定程度時，傳感器中的電勢差才會使這個系統(tǒng)工作。有如下公式： （3-12） 其中： ：磁場強度B的變化程度要大于該值傳感器才能正常運作 ：磁場強度B大于該值，傳感器工作 ：磁場強度低于該值時，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 本次設(shè)計我使用AT89C51單片機 3.3.1 AT89C51主控電路 （1） AT89C51主要參數(shù) 該單片機有如下參數(shù)： l 兼容：MCS-51? l 4K字節(jié)可編程閃爍存儲器，壽命：1000寫/擦循環(huán) l 數(shù)據(jù)保留時限：10年? l 全靜態(tài)工作：0Hz-24Hz? l 鎖定三級程序存儲器? l 128*8位內(nèi)部RAM? l 32可編程I/O線? l 16位定時器/計數(shù)器：2個? l 中斷源：5個?? l 可編程串行通道? l 閑置時低功耗和掉電模式? l 片內(nèi)振蕩器和時鐘電路 （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 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） l /PSEN：外部程序存儲器的選通信號 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)部時鐘工作電路。????? l XTAL2：輸出反向振蕩器。 3.3.2 驅(qū)動器 單片機輸出的信號需要經(jīng)過驅(qū)動器才能顯示在顯示器上，我選擇了CD4511作為驅(qū)動器。 （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 3.3.3 顯示電路 本次設(shè)計顯示屏我使用了LED數(shù)碼管。LED數(shù)碼管在如今的生活中十分常見，因為要顯示0～9這10個數(shù)字，且是在一小塊屏幕上能同時顯示，所以數(shù)碼管被設(shè)計成了“日”字形，一共有7個數(shù)碼管，當你需要哪個數(shù)字，就把該數(shù)字樣式所處的數(shù)碼管點亮，如果需要小數(shù)點，就添加一個數(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)動器相連。 （2） 驅(qū)動顯示 圖3-11 CD4511驅(qū)動LED數(shù)碼管圖 我們需要什么數(shù)字就點亮什么數(shù)碼管（發(fā)光二極管），這項工作交給了CD4511而不是單片機。本次設(shè)計中我設(shè)定一共需要3個數(shù)碼管（即轉(zhuǎn)速設(shè)定為0～999r/min），便需要3個CD4511驅(qū)動器。圖（3-11）為具體圖示，兩者之間有一限流電阻。 顯示一個數(shù)字需要幾根不同的發(fā)光二級管，在編寫程序時，驅(qū)動器不是直接向該數(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 在整個系統(tǒng)完成一次測量后，如果要測量其他轉(zhuǎn)速時，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，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。 在我選擇的單片機中，按下復(fù)位按鈕一段時間，該電路上產(chǎn)生了一個高電勢，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，一個是速度，另一個就是時間，霍爾傳感器接收的脈沖信號需要記錄時間，才能知道轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)這些圈數(shù)需要花多久。而整個系統(tǒng)的其他部分（單片機等）運轉(zhuǎn)時也都以時間為基準，按這個順序執(zhí)行指令。時鐘電路依靠震蕩來表現(xiàn)時間這一概念，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，像時間一樣精確。整個單片機跟著這個節(jié)奏來運作，這個固定的頻率越高，系統(tǒng)運轉(zhuǎn)地越快。 圖3-13 時鐘電路圖 3.3.6 鍵盤電路 整個系統(tǒng)不是獨立的存在，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，我們在單片機上加入了這一電路。 圖3-14 鍵盤電路 其中： S1：開始測量 S2：停止測量 S3：確認鍵 第四章 軟件系統(tǒng)設(shè)計 第四章 軟件系統(tǒng)設(shè)計 4.1軟件設(shè)計的總體思路 在程序設(shè)計中，完整的轉(zhuǎn)速測量一般需要以下幾個步驟： （1） 霍爾元件檢測到信號，開始中斷程序 （2） 定時器、計數(shù)器等初始化 （3） 對脈沖信號計數(shù)、定時 （4） 將獲取的信息進行計算 （5） 得出計算結(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： 當我們在做一件事情甲時，突然需要停下來先去把事情乙完成，這就是一個中斷。在測速系統(tǒng)中，霍爾元件接受的信號使單片機執(zhí)行中斷程序，而單片機用定時器把一個一個數(shù)下來，在定時器規(guī)定的時間內(nèi)，總共有多少個中斷數(shù)量都很明確?；魻栐斎氲絾纹瑱C中的脈沖信號會改變單片機兩端的電勢差，當電平從高到低或從低到高時，又或者說是檢測到高電平或低電平時，定時器便記一個中斷（只需要記錄變化的一種，比如說定時器就記錄電平從高到低的變化，這樣一個中斷就代表了一整個脈沖，即脈沖數(shù)等于計數(shù)）。 轉(zhuǎn)速計算公式如下： (4-1) 其中： N：定時器計數(shù)值，由TH0、TL0/VTT組成 ：時基 單片機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器記錄的中斷數(shù)，而55296000是一個固定值，所以可以直接存儲在單片機的內(nèi)存中。 4.2 子程序設(shè)計 4.2.1 轉(zhuǎn)速計算程序 該計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)，我們只要把這個除法運算寫入程序中。 圖4-2 轉(zhuǎn)速計算程序流程圖 圖4-3 除法程序流程圖 4.2.2 二-十進制轉(zhuǎn)換程序 所有數(shù)值在單片機中都是二進制，但我們平時所用的是十進制，顯示在數(shù)碼管上的是0～9這10個十進制數(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行，稱為BCD碼。十進制數(shù)字9對應(yīng)的二進制為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)的二進制碼。 圖4-4 二-十進制轉(zhuǎn)換程序流程圖 4.2.3 顯示程序 經(jīng)過二-十進制轉(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)計選用的單片機的定時器能在1s內(nèi)計數(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，計數(shù)65536次要花時間： （5-1） 如果需要在1s內(nèi)完成計數(shù)，則： （5-2） （5-3） 本次設(shè)計使用12點碼盤，轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)一圈計數(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個脈沖的誤差，由式2-3可知，轉(zhuǎn)速有如下誤差： （5-6） 其相對誤差為： (5-7) （5-8） （5-9） 由式5-9可知，已知，，假設(shè)我們允許的誤差，則： （5-10） （5-11） 綜上，時，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)計我完成了對霍爾效應(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。在此之前，我學(xué)的課程是PLC，經(jīng)過本次設(shè)計的學(xué)習(xí)，我對PLC與單片機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發(fā)展，你需要什么東西，PLC都已經(jīng)準備好了，你只需要把程序編出來；單片機就不同了，比如這次的設(shè)計，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，單片機的適用范圍廣。對于我來說，我覺得學(xué)習(xí)單片機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；軟件的編寫，首先要了解它的原理，然后考慮如何設(shè)計才更有效率。這次的設(shè)計，我只能說我對于電氣知識的了解還很淺，不能詳盡地描述所有的內(nèi)容。但作為自動化方向的學(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，因為我覺得我設(shè)計的轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)主要測量的是平時比較常見的事物，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 參考文獻 [1]王朕，劉學(xué)鋒，劉陵順.基于AT89C51的電機轉(zhuǎn)速測量儀的設(shè)計與實現(xiàn).《四川兵工學(xué)報》，2009,30（5）:19-21? [2]蘭羽，張順星.基于霍爾傳感器的轉(zhuǎn)速系統(tǒng)設(shè)計.《電子測量技術(shù)》，2013,36（12）:84-86 [3]謝麗君.基于AT89C51的電機轉(zhuǎn)速測量.《輕工科技》，2012 [4]岳晗，裴東興，張瑜.便攜式轉(zhuǎn)速測量及顯示系統(tǒng)設(shè)計.《電子測試》，2012（12） [5]何超英.電子數(shù)字式轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)的測試分析.《蘇州絲綢工學(xué)院學(xué)報》，1998（2）:44-48 [6]周正干，李然，李和平.高精度數(shù)字式轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)的研究.《測控技術(shù)》，2002 [7]宋國梅.基于89C51的轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)設(shè)計.《濰坊學(xué)院學(xué)報》.2008，11 [8]宋躍輝，宋楊，周毅，王蕊.基于單片機的齒輪轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng).《信息技術(shù)》，2007（11） [9]李力，曾德學(xué)，余新亮.基于單片機的低速旋轉(zhuǎn)機械轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng).《三峽大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版）》，2012,12 [10]王文成，李健.基于單片機的電機轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)的設(shè)計.《儀表技術(shù)與傳感器》，2011（8） [11]祖一康，徐妙婧.基于單片機的直流電機轉(zhuǎn)速測量與控制系統(tǒng)設(shè)計.《黃岡師范學(xué)院學(xué)報》，2014,6 [12]牛潔，周靜，茍娜.基于霍爾傳感器的直流電機轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)設(shè)計.《電子測試》，2008,5 [13]李金波，劉明黎.基于霍爾傳感器的轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)的設(shè)計.《河南科技學(xué)院學(xué)報》，2009,9 [14]谷金花.基于霍爾傳感器的轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)設(shè)計.《大眾科技》，2007,11