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1、基于单片机计速器的设计 摘 要：随着信息技术的不断发展，单片机在测量系统中得到了广泛的应用。速度是一个系统经常需要测量、控制和保持的量。速度的测量方法有许多种，但在不同的应用环境下，相应的测量方法有它自己的特点和误差。因此对单片机速度测量系统的研究有着重要的目的和意义。本设计采用AT89S51单片机作为主要控制核心，应用霍尔传感器采集信号，经过单片机定时计数并运用一个算法测量出汽水行驶速度，最终用4位LED数码管显示其测量结果,具有较高的实用价值。本文的优点是充分发挥了单片机的性能，硬件电路简单，软件功能完善，测量速度快、精度高，成本低等特点。关键词：单片机；速度测量；霍尔传感器；LED目 录
2、1总体设计11.1系统设计方案论证11.2本系统设计的主要内容12单片机速度测量系统22.1单片机速度测量原理22.2单片机速度测量系统结构框图23系统硬件设计23.1传感器概述23.1.1霍尔传感器的基本工作原理33.1.2 CS3020霍尔传感器43.1.3霍尔传感器的硬件连接63.2 MCU控制系统的设计63.2.1 CPU的选用63.2.2 AT89S51主要特性和引脚说明73.2.3 单片机最小系统93.3 LED数码管显示器103.4单片机测速系统总原理图114系统软件设计124.1程序流程图124.2 程序功能134.3 程序调试14参考文献15附 录151总体设计1.1系统设计
3、方案论证现在测量速度的方法有很多，可以采用不同的器件做出多种测速器。在这里讨论了两种方案。方案一：光电式脉冲发生器。主要由光源、光敏器件和遮光盘组成。水轮旋转带动遮光盘旋转，当遮光盘没有遮住光源时，光源的光射到光敏器件上，光敏器件中有电流流过，于是在输出端产生电压输出。其脉冲频率与水速成正比，经过单片机处理后，即可得出水的速度。这种光脉冲发生装置，在转换速度较高的情况下，由于水流动中的振动引起的光脉冲干扰等问题不好解决，现在采用的不多。方案二：磁电式脉冲发生器。将导磁材料的齿轮固定在转轴上，对着齿轮端面固定一块磁钢，霍尔元件贴在磁钢的一个端面上，随着齿轮转动，元件的输出呈周期性变化，经整形和放
4、大后输出方波脉冲。霍尔传感器输出频率与转速成正比，此信号经单片机处理后，即可得出水流的速度。本设计测量要求稳定性好，灵敏度高和精度高，而且对水流速度的测量要求传感器能够适应各种各样的环境。所以这里选择方案二。其原因还有三点：其一是霍尔传感器输出信号电压幅值不受转速的影响；其二是频率响应高，其响应频率高达20kHz，相当于水速为1000km/h时所检测的信号频率；其三是抗电磁波干扰能力强。根据脉冲计数来实现转速测量的方法主要有M法(测频法)、T法(测周期法)和M/T法(频率周期法)。测频法一般用于高速测量，在转速较低时，测量误差较大；而测周期法一般用于低速测量，速度越低测量精度越高，但在测量高转
5、速时，误差较大；频率周期法结合了上面两种方法的优点，但是此种方法要求单片机有3个定时/计数器。考虑上面三种因素，该系统选择测频法。1.2本系统设计的主要内容根据上面选择的方案，本设计主要内容由以下三大部分组成：一、信号的采集。这部分主要是用霍尔转速传感器采集水轮转速的信号，并将采集的信号传给单片机。二、单片机数据处理。这部分主要是使用51系列单片机采用适当的算法来编程快速准确地对采集的数据进行相关运算并得出结果。此部分是本设计的重点和难点。三、LED数字显示。这部分主要是对测得的结果通过4位LED数码管显示给用户。用单片机AT89S51作为控制核心，通过霍尔传感器来检测汽水的运转情况进而实现水
6、速度的测量，最后用4位LED数码管直观的将速度显示给用户，保留一位小数位。该测量方法是数字式测量方法，代替了传统的机械式或模拟式结构，测量精度有了很大的提高，具有很大的实用价值。2单片机速度测量系统2.1单片机速度测量原理根据霍尔效应原理，将一块永久磁钢固定在水轮转轴上的转盘边沿（如果要提高测量精度，可以在转盘边沿多固定2到3个磁钢），转盘随着轴旋转，磁钢也将跟着同步旋转。在转盘附近安装一个霍尔器件，转盘随轴旋转一周时，受磁钢所产生的磁场的影响，霍尔器件输出一个脉冲信号，转盘转了多少转霍尔器件就输出多少个脉冲信号，将输出的脉冲信号送到单片机的计数口，利用单片机的定时/计数器进行定时和计数，测出
7、脉冲的周期或频率即可计算出水轮转速。通过单片机软件设计，把转速转换成线速度。转速即是角速度，线速度=角速度*周长。2.2单片机速度测量系统结构框图根据霍尔转速测量原理，可以画出单片机速度测量系统的结构框图。结构框图如图3-1所示。 霍尔传感器单 片 机LED显示图3-1 单片机速度测量系统结构框图由霍尔传感器采集水轮转速的信号，并将采集的信号传给单片机，利用单片机的定时计数器功能和编写的程序将采集的信号转换成数据，通过数码管将数据显示出来。3系统硬件设计整个系统主要包括霍尔转速传感器、单片机和LED显示模块三大部分组成。各个硬件部分将在后面详细阐述。 3.1.1霍尔传感器的基本工作原理霍尔传感
8、器是利用霍尔效应原理，通过磁场、电流对被测量的控制，使包含有被测量变化信息的霍尔电压发生变化，在利用后继的信号检索和信号放大电路，就可以得到被测量的信息。正因为霍尔传感器的基本原理霍尔效应只包含了磁场、电流、电压三个常用物理量，使得采用霍尔传感器对被测量的测量简单易行，而磁场强度、电流、电压是磁场、电场的基本物理量，所以霍尔传感器可以进行精确的非接触测量。 1霍尔效应 在一块半导体薄片上，当它被置于磁感应强度为B的磁场中，如果在它相对的两边通以控制电流I，且磁场方向与电流方向正交，则在半导体另外两边将产生一个大小与控制电流I和磁感应强度B乘积成正比的电势UH，即UH=KhIB，其中Kh为霍尔元
9、件的灵敏度，Kh值越大，灵敏度就越高，该电势称为霍尔电势。在片子上作四个电极，其中C1、C2间通以工作电流I，C1、C2称为电流电极，C3、C4间取出霍尔电压UH，C3、C4称为敏感电极。将各个电极焊上引线，并将片子用塑料封装起来，就形成了一个完整的霍尔元件。 图4-2霍尔效应2工作原理 霍尔开关集成电路由稳压器、霍尔元件、差分放大器、斯密特触发器和输出级组成。在外磁场的作用下，当磁感应强度超过导通阈值BOP时，霍尔电路输出管导通，输出低电平。之后，磁感应强度再增加，仍保持导通态。若外加磁场的磁感应强度值降低到BRP时，输出管截止，输出高电平。通常称BOP为工作点，BRP为释放点，BOPBRP
10、=BH称为回差。回差的存在使开关电路的抗干扰能力增强。集成电路中的信号放大器将霍尔元件产生的幅值随磁场强度变化的霍尔电压UH放大后再经过斯密特触发器进行整形、放大后输出脉冲方波信号。霍尔传感器内部结构如图4-3所示。稳 压 器传感器放大器施密特触发 器Vcc集电极开路输出GND图4-3 霍尔传感器内部结构方框图3.1.2 CS3020霍尔传感器霍尔传感器是对磁敏感的传感元件，常用于开关信号采集的有CS3020、CS3040等，这种传感器是一个3端器件，外形与三极管相似，只要接上电源、地，即可工作，输出通常是集电极开路门输出，工作电压范围宽，使用非常方便。考虑到用于汽水速度测量这种特殊环境下，在
11、本设计中选择了CS3020霍尔传感器，该系列霍尔开关电路传感器广泛用于汽水工业和军事工程中。如图4-4所示是CS3020的外形图。将有字面对准自己，三根引脚从左向右分别是Vcc，地，输出。 图4-4 CS3020的外形图 CS3020是由电压调整器，霍尔电压发生器，差分放大器，史密特触发器和集电极开路的输出级组成的磁敏传感电路，它是一种单磁极工作的磁敏电路，适合于矩形或者柱形磁体下工作。当磁钢随水轮轴旋转时，霍尔传感器受磁场的影响，霍尔器件输出一个脉冲信号。感受到磁场的时候输出一个低电平，没感受到磁场的时候输出高电平。工作特点如下：l 电源电压范围宽l 开关速度快，无瞬间抖动l 工作频率宽l
12、寿命长、体积小、安装方便l 能直接和晶体管及TTL、MOS等逻辑电路接口极限参数见下表4-1参数符号量值单位电源电压VCC25V磁感应强度B不限mT输出电流IOL 25mA工作环境温度TA-40125贮存温度TS-55150电特性见下表4-2（TA=25）参 数符号测 试 条 件CS3020单 位最小典型最大电源电压VCCVcc=4.5244.5 24V输出低电平电压VOLVcc=4.5V,Vo=Vccmax,B=50mT, Io=25mA200400mV输出漏电流IOHVo=Vccmax, VCC开路0.0510A电源电流ICCVo=Vccmax, VCC开路812mA输出上升时间trVcc
13、=12V,RL=480CL=20pF0.121.2S输出下降时间tf0.141.4S 磁特性见表4-3（VCC=4.524V）参 数符 号CS3020单位最小典型最大工作点BOP735mT释放点BRP533mT回差BH2mT3.1.3霍尔传感器的硬件连接霍尔传感器的标志面对着自己，从左至有右分别是接5V电压，接地，脉冲输出。如图4-5所示是霍尔传感器的硬件连接图。图中R1是限流电阻，C1、R2起滤高频的作用。当霍尔元件感受到磁场的时候引脚3输出低电平，三极管导通，单片机P3 .5口接收到高电平脉冲；当霍尔元件没有感受到磁场的时候引脚3输出高电平，三极管截止，单片机P3 .5口接收到低电平脉冲。
14、图4-5 霍尔传感器的硬件连接图3.2 MCU控制系统设计3.2.1 CPU的选用AT89S51是一个低功耗，高性能CMOS8位单片机，片内含4k Bytes的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISP Flash存储单元，功能强大的微型计算机的AT89S51可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。AT89S51具有如下特点：40个引脚，4k Bytes Flash片内程序存储器，128 bytes的随机存取数据存储器（RAM），32个外部双向输入/输出（I/O）口，5个中断优先级2层中断嵌套中断，2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，看门狗电路，片内时钟振荡器。此外，AT89S51设计和配置了振荡频率可为0Hz并可通过软件设置省电模式。空闲模式下，CPU暂停工作，而RAM定时计数器，串行口，外中断系统可继续工作，掉电模式冻结振荡器而保存RAM的数据，停止芯片其它功能直至外中断激活或硬件复位。
