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1、传感器与测控电路课程设计报告 学生： 禹 振 榜 指导老师：书仪 余以道 专业班级：12级测控二班 所在学院：机电工程学院 学 号 1203030214 课 题 基于单片机的霍尔测速报警系统 基于单片机的霍尔测速报警系统的设计 摘 要在生产中，电机应用十分广泛，比如汽车速度显示，设备工作时的档位，都需要我们了解电机或者机器的转速。转速作为工程中应用的一个非常广泛的参数，它的测量方法有很多，特别是单片机对脉冲数字信号的强大处理能力，使得全数字测量系统越来越普及，越来越方便。本设计属于码盘转速测量系统，实现转速的实时测量和显示。本系统以STC90C51单片机为核心，旋转编码器通过用传感器测量非电量
2、，转变成模拟电量，再通过一系列测控电路。获得数字信号，实现实时轴转速测量，同时用四位段码式LED数码管显示模块显示电机转速，并且加入了报警模块。详细阐述了转速测量系统的工作过程，以及硬件电路的设计、显示效果。本文吸收了硬件软件化的思想，实现了题目要求的功能。关键词：转速测量,，单片机, LED显示模块，霍尔传感器。 目 录第一部分 绪 论1.1 设计的任务与要求 1第二部分 功能分析与设计要求2.1 测控系统功能的概述 12.2系统模块的确定 22.3各模块的选择 2 2.1.1传感器模块的论证与选择 2 2.1.2报警模块的论证与选择 3 2.1.3显示模块的论证与选择 3 2.1.2单片机
3、模块的论证与选择 32.4 小结 3第三部分 测控系统的总体设计3.1 测控系统的总体设计 4 3.1.1 硬件原理图 4 3.1.2 硬件电路设计总图 53.2 测控系统子模块简介 5 3.2.1传感器原理及分电路析 5 3.2.2 报警模块 7 3.2.3 LED数码管 8 3.2.4 STC90C51单片机10第四部分 软件设计 4.1 程序设计步骤 124.2 程序流程图 13 4.2.1 主程序设计 14 4.2.2 中断服务程序设计 15第五部分 软件调试与仿真5.1 KEIL软件进行程序调试 155.2 PROTEUS软件仿真 165.3 硬件软件联合调试 17 5.3.1 硬件
4、电路的焊接与搭建 18 5.3.2搭接检查步骤 19第六部分 结论参考文献 20附录 第一部分 绪 论1.1 设计的任务与要求 本课题的任务是：设计一套测量转速的仪器，转速在数码管上显示，且具有超速报警功能，精度到达转速个位，高低速实现报警。要求会选用传感器并搭建测控电路，实现课题所要求的功能 本设计需要对各种测量转速的基本方法予以分析，针对不同的应用环境，利用单片机设计一种全数字化测速系统，从提高测量精度的角度出发，分析讨论其产生误差的可能原因，为今后的实际使用提供借鉴。并从实际硬件电路出发，分析电路工作原理和软件流程。熟悉传感器的选择，及外围电路的设计，了解测控系统设计的基本流程 第二部分
5、 功能分析与设计要求2.1 测控系统功能的概述 在电机或转轴上放置一个或多个磁钢，将霍尔传感器有规律的放置在电机或者转轴附近，当有磁场通过时，在传感器上就可以产生电信号，通过测控电路对电信号的处理得到有用信号送单片机部，根据信号测出电机转速，并在数码管上显示，且有报警功能。2.2系统模块的确定通过对功能的分析可知，系统模块分为以下几类：1. 传感器模块，以将非电信号信号转化为电信号。2. 报警模块，当速度过低或过高时，启动此模块。3. 显示模块，通过单片机处理得出转速，送显示模块显示。4. 单片机模块，用以对脉冲计数，对外部信号进行处理。5. 电源模块，这里使用现有电源，初步确定为5v直流电源
6、，故不再设计。 此外由于单片机有计数功能，计数模块在单片机模块中讨论 2.3各模块的选择 2.1.1传感器模块的论证与选择霍尔传感器是根据霍尔效应制作的一种磁场传感器。霍尔效应是磁电效应的一种，霍尔传感器具有许多优点，体积小，重量轻，寿命长，安装方便，功耗小，频率高（可达1MHZ），耐震动，不怕灰尘、油污、水汽及盐雾等的污染或腐蚀。广泛用于各类工程实际应用中，出于成本的考虑，在这里我们选用直插式霍尔片传感器A3144，与普通磁钢配套使用，体积小，灵敏度高，价格在12元左右，基本可以满足本课题的要求 2.1.2报警模块的论证与选择方案一：采用蜂鸣器与LED发光二极管为主要报警系统，该系统成本低，
7、电路容易实现，编程容易。方案二：采用音乐语言报警，更人性化，但设计难度大，成本高。基于现有设备器件，选用方案一。 2.1.3显示模块的论证与选择这里课题已要求使用数码管显示，由于测量转速适中，我们采用四位位选数码管完全能满足要求。基于现有器件选用共阴极接法，但由于数码管功耗较高，故需要加入驱动芯片，在这里我们使用51单片机开发板上现有的锁存芯片74573 2.1.2单片机模块的论证与选择此系统十分简单，数据处理不大，采用8位单片机完全能满足需要，基于国8位单片机领导厂商宏晶公司生产的系列单片机的低价格，高性能的优势，我选用了系类9051八位单片机，编程和使用与一般80c51单片机一样。2.4
8、小结通过本小计，对本设计的基本模块进行了选择，确定了显示，报警，计数，传感器，单片机选择的可行性。并在实现仪器功能的基础上充分考虑了成本问题。 第三部分 测控系统的总体设计3.1 测控系统的总体设计 3.1.1 硬件原理图模拟量转换为数字量电压比较器霍尔传感器单片机数码管显示电机驱动电路计数脉冲输入非电量转换为模拟电量声光报警系统原理图如下： 3.1.2 硬件电路设计总图系统硬件电路图如下：3.2 测控系统子模块简介 3.2.1传感器原理及转换电路分析由霍尔效应知，霍尔电势的大小取决于：Rh为霍尔常数，它与半导体材质有关；I为霍尔元件的偏置电流；B为磁场强度；d为半导体材料的厚度。对于一个给定
9、的霍尔器件，当偏置电流I固定时，UH将完全取决于被测的磁场强度B。一个霍尔元件一般有四个引出端子，其中两根是霍尔元件的偏置电流I的输入端，另两根是霍尔电压的输出端。如果两输出端构成外回路，就会产生霍尔电流。在半导体薄片两端通以控制电流I，并在薄片的垂直方向施加磁感应强度为B的匀强磁场，则在垂直于电流和磁场的方向上，将产生电势差为UH的霍尔电压。 霍尔效应原理图 以上为alldatasheet关于3144的数据 外部接口 本系统采用开关型霍尔传感器A3144以及磁钢，由它们来检测电机的转速。工作方式为：将磁钢安装在电机的转轴上，而霍尔传感器则放在转轴的旁边，霍尔传感器连接在电路中，当磁钢随转轴经
10、过霍尔传感器时，霍尔传感器的工作原理知，此时将输出一个低电平信号；而当磁钢离开霍尔传感器后，又将输出一个高电平。这样通过高低电平的转换，将其送入单片机后就可以测量它的转速。 由于由霍尔传感器输出的电平未经特殊处理，且存在干扰，故不是完整的脉冲电平，在后续电路中进行改进，这里我们用到电压比较电路，选用常用的LM393双电压比较集成芯片，下图是ALLDATASHEET数据，电路中只用到4、8、1、2、3脚。电路图也在此给出： 3.2.2 报警模块报警模块可选用无源蜂鸣器或者有源蜂鸣器，有源蜂鸣器由于部有震荡元件，故通电后就可以报警，由于硬件设备的限制，我们选用无源蜂鸣器，但编程上需要花点心思。 3
11、.2.3 LED数码管显示电路采用LED数码管动态显示，LED（Light-Emitting Diode）是一种外加电压从而渡过电流并发出可见光的器件。LED是属于电流控制器件，使用时必须加限流电阻。LED有单个LED和八段LED之分，也有共阴和共阳两种。七段发光数码管结构共阴极数码管的发光二极管阴极必须接低电平,当某发光二极管的阳极为高电平时(一般为+5V)时,此二极管点亮;共阳极数码管的发光二极管是阳极接到高电平,对于需要点亮的发光二极管使其阴极接低电平(一般为地)即可。根据LED显示器可知，如果希望显示“8”字，那么除了“dp”管不要点亮以外，其余管全部点亮。同理如果要显示“1”，只需b
12、c两个发光二极管点亮，其余均布点亮。通常将控制发光二极管的8位数据称为段选码，共阴极和共阳极的段选码互为补码。LED显示器的段选码如下表所示： LED数码管段选码 显示部分电路图如下，这里出于成本简便考虑，用到的是现有的单片机开发板，实际试验中只需用到四位数码管，且未加入单个发光二极管。 值得注意的是由于数码管功耗比较高，故在前面加入了74HC573锁存器芯片用做驱动数码管，但这里用到的并不是锁存功能。 3.2.4 STC90C51单片机90单片机是国八位高性能单片机，选用的单片机带16K字节闪烁可编程可擦除只读存贮器，STC的90C51是一种高效微控制器，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案.P0口：P0口是一组8位漏极开路型双向I0口，也即地址数据总线复用口。作为输出口用时，每位能驱动8个TTL逻辑门电路。P1口：Pl是一个带部上拉电阻的8位双向IO口，Pl的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。对端口写“l”，通过部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口。作输入口使用时，因为部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流.P2口：P2是一个带有部上拉电阻的8位双向IO口，P2的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。对端口写“
