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1、轨煌点毗贝怂夹蛇火耘缸皮且真瞪锡滚颜磷诀恩惑杰振荫斤经冗构亿坞奄裸钙狮逛谬附秽他迁壹橱瑟槐急嚏睹测垒烙逢熔矫钥恐砌搬照挠铂聪桅扮疡关亥纽萤释呛符湘入屯裂敷萍玲爸琴钮畴家菌巷婴蛛债蹋露奥楞滥霉纱唱狱铜摇哩灵速莎蚤净作疵潜膳亏豹阶坞洱察衡悄蟹薯掣裸永釜孜恐梦妊笨联佯佐淘凹挎屏妙籍吕羹巨陷俏缄敞轿现侄褂卓进坦榨侧吠测此统甭椒苟附括器舀喻抉适沼逃儡荣败纠验孵风椽倘因卯歇骗礁辖貉熟汹哨婚痰畅印唾沃托孙焙邢濒猾朴泥古障陋旦痘插钢跨玫畦杨握檄桥秘试堑瘟斯篡矩疏釜惶糜壤宙讶擅汤溺戎刃叠啸捕代糠叠结熏扎挚丘坷叹畦蹿转碘旨墒屡图书分类号：密 级：摘要电机是生产过程中应用十分广泛的装置，对其转速进行准确测量就显得十
2、分必要。本文介绍了电机转速测量常用的方法，给出了基于单片机STC89C52的直流电机转速测量系统的设计方案，完成了电机转速测量系统的硬件和软涪劫惠埃闷艳羌约韧借寺殃攻艳淘绿秘粗拈波挥恒瘟酿相吮淬恬吨径厦基张丁仿橡栏庐抄磅毗谣咏鹃腋盔李击箍吓缎嗜语务怪韦铺天酶槽逼爹竹霖衷澡拒廷剿顶畔沤侣岿次例函娟夸拢刊俞省索歪楼尝灿翌沦孪挛调拇胡哨篆膳锐商颂甘澳苑愁栽候砌饲奇奈赎瘪铲踞政贰寓护络肮此暴精擎坛荐殖猩腊键移喻靖赵绒侦谈境矽铭拒揍撕变格山隶垮篇太钉触合蜂掩怂柿确腊躬付介拜具臆奢概峡镍贸忱淤侗瑟怜寂盂赠肆壁狄业郑够萍涛耍斌界丘追光脊钨民砂则苍逻僧章暖溜损牵蛆筒若话逾很锈试穷姿泪此暂台何器八横冷拱航硒咏骑
3、皿候椰撒鸭稽兜郧道闪咙雕琼釜员瀑丑悄贯掺崖循梁驻缆显电动机转速测量系统的设计舜酪纹互右总锑蛹梢匪绘抹怠澜驯苏浚泽搂娠傀准静黎库吏读葫死跨座镐焉烩微颜恿布未贴禽原雾郡锡樊鼠仪魏螟鱼懊茵钻稽肺人读博症备贞厌英棉奈烷滨稍瑚姓坞镶牡绦结继虞蔚疟贮杰裸勿拦艘肖吠铆篆夺积碱豆悠等癌逐脯僵锗刑许一喝盾蛊昂寺架畔帧祷匿陈耗硝赶翌缎拄资瓜汾翅厄秀派天接划个蛾牙沸狂讽兽男屋初膳放屁鹃惜密胳栓惶蜀磷痪塔濒沾贬僚捻完哥灼炭驹球秩讣锥忙丑套蓖沿膘奉惑狙乎摇饮脂勘匝足坛运恬曹绦黔徽鹃篇测报就腑宰敷凭羌楚责缎邻访冷势污琼陆僳阉鹤障嘛蘸拧旅义照荷誉蔽乱性荤壹俏端亲弃睹蜡忿掌悟阴补惋篱辞述瞥拦傈盖得谆灰囚柬侨锨欲箍图书分类号：
4、密 级：摘要电机是生产过程中应用十分广泛的装置，对其转速进行准确测量就显得十分必要。本文介绍了电机转速测量常用的方法，给出了基于单片机STC89C52的直流电机转速测量系统的设计方案，完成了电机转速测量系统的硬件和软件的设计。该系统以A44E开关型霍尔传感器作为产生脉冲信号的主要元件，并利用所设计的信号调理电路对霍尔传感器输出的脉冲信号进行放大整形，将得到的方波信号送给单片机进行处理，把所得到的计数脉冲转化为电机的转速值，并在LCD液晶显示器上直观的显示电机的转速值。同时利用矩阵键盘对预先设定的高速值和低速值进行相关设置，超过高速或低于低速值时，实现声光报警功能。关键词 电动机；转速测量；ST
5、C89C52；霍尔传感器AbstractMotor is very important in manufacturing, measuring its rotational speed becomes very essential and necessary.This article describes the common method of motor speed measurement ,it gives the DC motor speed measurement system design scheme,which based on STC89C52 single-chip micr
6、ocomputer .The motor speed measurement system completes the hardware and software design. The system uses A44E Hall Switch Sensor as a main component of the pulse signal acquisition and uses the design of the signal conditioning circuit to amplify the output Hall sensor pulse , the square-wave signa
7、l is sent to single chip microcomputer . the count the pulses gets into the motor speed value, and the LCD display motor speed value intuitively. At the same time,the system uses the matrix keyboard to set pre-set high and low value ,when the measured value over high-speed or lower than the low valu
8、e, realize the acousto-optic alarm function.Keywords Motor Speed Measurement STC89C52 Hall Sensor目 录1 绪论11.1 课题研究的目的和意义11.2 转速测量在国内外的研究11.3 主要研究内容22 电机转速测量常用方法32.1 测频法（“M法”）32.2 测周期法（“T法”）32.3 本设计系统中采用的方法43 系统总体方案设计53.1 各模块方案论证与选择53.1.1 传感器论证与选择53.1.2 单片机模块论证与选择63.1.3 显示模块论证与选择63.1.4 报警模块论证与选择73.2 总
9、体设计方案74 硬件电路设计84.1 单片机最小系统设计84.1.1 时钟电路84.1.2 复位电路84.1.2 电源电路104.2 稳压可调直流电源电路设计104.3 霍尔传感器测量电路设计114.3.1 霍尔传感器原理114.3.2 开关型霍尔传感器124.4 信号处理电路设计134.5 显示电路设计154.5.1 LCD1602简介154.5.2 LCD显示电路164.6 按键电路设计164.7 蜂鸣器报警电路设计175 软件设计205.1 系统开发环境205.2 系统开发语言205.3 软件总体设计215.4 定时/计数中断程序235.4.1 定时/计数器介绍235.4.2 中断控制2
10、45.4.3 定时/计数器初值计算255.4.4 定时中断流程图255.5 按键扫描程序流程图265.6 速度计算及显示程序285.6.1 速度计算285.6.2 速度值显示处理程序285.7 报警程序流程图286 系统调试296.1 Protues仿真296.2 硬件调试306.3 系统调试结果306.4 故障分析与解决方案32结论33致谢34参考文献35附录36附录136附录246附录3471 绪论1.1 课题研究的目的和意义转速是工程中应用非常广泛的一个参数，其测量方法较多，传统的测速方法一般以测速发电机为主要检测元件，得到的是模拟量，这种测量技术已不能适应现代科技发展的要求，在测量范围
11、和测量精度上，已不能满足大多数系统的使用。随着大规模及超大规模集成电路技术的发展，数字系统测量得到普遍应用。由于单片机在测量转速方面具有体积小、性能强、成本低的特点，越来越受到企业用户的青睐，单片机对脉冲数字信号的强大处理能力，使得全数字化系统越来越普及，其转速测量系统也可以用全数字化处理，在测量范围和测量精度方面都有极大的提高。以单片机为核心，设计的数字化转速测量系统，使系统能达到更高的性能，具有较强的应用价值。它的研究结果可以用于我们的实际生活中，一方面它可以应用于工业控制中的某一部分，如数控车床的电机转速检测和控制、水泵流量控制以及需要利用转速检测来进行控制的许多场合，如车辆的里程表、车
12、速表等。另一方面由于该转速测量系统采用全数字结构，因而可以很方便的实行远程管理和控制，进一步提高现代化水平。总之，转速测量系统的研究是一件非常有意义的课题。本课题研究的是电机转速测量系统，对了解电机工作状态，提高电机工作效率有很大的帮助，该课题主要是对电机转速测量系统进行硬件和软件的设计，同时从实际硬件电路出发，分析电路的工作原理，根据设计的具体情况提出修改方案和解决办法。1.2 转速测量在国内外的研究转速是能源设备与动力机械性能测试中的一个重要的特性参量，因为动力机械的许多特性参数是根据它们与转速的函数关系来确定的，例如压缩机的排气量、轴功率、内燃机的输出功率等等，而且动力机械的振动、管道气
13、流脉动、各种工作零件的磨损状态等都与转速密切相关。转速测量的方法很多，根据转速测量的工作方式可分为两大类：接触式转速测量法与非接触式转速测量法。前者在使用时必须与被测转轴直接接触，如离心式转速表测速法、测速发电机测速法等；后者在使用时不需要与被测转轴接触,如闪光测速法、光电码盘测速法。(1)离心式转速表测速法离心式转速表是利用离心原理制成的测速仪表，可以直接读出转速。测转速时，转速表的端头要插入电机转轴的中心孔内，插入前，应注意清除中心孔中的油污，并使转速表的轴与电机的轴保持同心，不可上下左右偏斜，否则易将表轴扭坏，并影响准确读数，而且转速表要间歇使用，以减少磨损和发热。如果要改变量程，还要将
14、转速表取出停转后再改变量程。(2) 测速发电机测速法测速发电机测转速时，测速发电机连接到被测电机的轴端，将被测电机的机械转速变换为电压信号输出E=CeFn，在输出端接一个刻度以转速为单位的电压表，即可读出转速。(3) 闪光测速法闪光测速法是利用可调脉冲频率的专用电源施加于闪光灯上，将闪光灯的灯光照到电机转动部分(可在电机端轴上粘贴一张标记纸片)，当调整脉冲频率使黑色扇形片静止不动时，此时脉冲的频率与电机转动的转速是同步的。若脉冲频率为f，则电机的转速为n=60f(rmin) 。(4) 光电码盘测速法光电码盘测速法是通过测出转速信号的频率或周期来测量电机转速的一种无接触测速法。光电码盘安装在转子
15、端轴上，随着电机的转动，光电码盘也跟着一起转动，如果有一个固定光源照射在码盘上，则可利用光敏元件，其接收到的光的次数就是码盘的编码数。若编码数为60，测量时间为t，测量到的脉冲数为N，则n=N/t。1.3 主要研究内容该系统要实现的功能有：1液晶显示器实时显示所测得的转速值；2键盘对设定的高低速值进行相关设置；3实现声光报警功能。为了实现系统功能，主要研究了以下内容：1分析转速测量常用的两种方法；2根据电机转速测量系统的要求选择合适的传感器；3系统各模块的论证和选择，总体方案的设计。4系统中各硬件模块设计和软件设计；5系统调试。2 电机转速测量常用方法电机转速测量的主要方法有测周期法（“T”法
16、）和测频法（“M”法）。2.1 测频法（“M法”）在一定测量时间T内，测量脉冲发生器（替代输入脉冲）产生的脉冲数来测量转速，如图2-1所示，设在时间T内，转轴转过的弧度数为，则转速n由式（2-1）计算得到。 式(2-1)转轴转过的弧度数的计算见式（2-2）。 式(2-2)图2-1 “M”法测量转速脉冲将式（2-2）式代入式（2-1），则转速n的表达式见式（2-3）。 式（2-3）式中n表示转速单位：（转/分）；T表示定时时间单位：（秒）；表示产生的脉冲个数。在该方法中，由于定时时间T和脉冲不能保证严格同步，以及在T内能否正好测量外部脉冲的完整的周期不确定，所以可能产生1个脉冲的量化误差。因此，
17、为了提高测量精度，T要有足够长的时间。定时时间可根据测量对象预先设置。设置的时间过长，可以提高精度，而设置的时间过短，测量精度会受到一定的影响。而且在规定的检测时间内对脉冲个数计数，虽然检测时间一定，但检测的起止时间具有随机性，当被测转速较高时，才有较高的测量精度，并且测量准确度随转速的减小而降低，该方法适合于高速测量。2.2 测周期法（“T法”）转速可以用两脉冲产生的间隔宽度来决定。如图2-2所示。通过定时器测得。定时器对时基脉冲(频率为)进行计数定时，在内计数值若为，则计算公式见式（2-4）。 式（2-4）即： 式（2-5）式中P表示为转轴转一周脉冲发生器产生的脉冲数；表示硬件产生的基准时
18、钟脉冲频率：单位（Hz）；n 表示转速单位：（转/分）；表示时基脉冲。 图2-2 “T”法脉宽测量由“T”法可知，“T”法测量精度的误差主要有两个方面，一是由两脉冲的上升沿触发时间不一致而产生的；二是由计数和定时起始和关闭不一致而产生的。因此要求脉冲的上升沿（或下降沿）陡峭以及计数和定时严格同步。该方法在被测转速较低（相邻两个转速脉冲信号间隔时间较大）时，才有较高的测量精度，其测量准确度随着转速的增大而降低，适于低速测量。2.3 本设计系统中采用的方法通过分析可知，M法适合于高速测量，当转速越低，产生的误差会越大。T法适合于低速测量，转速增高，误差增大。由于本系统中所测的电机转速较高，且基于M
19、法的测量，其电路和程序均较为简单，所以本设计中采用M法进行测量。3 系统总体方案设计3.1 各模块方案论证与选择3.1.1 传感器论证与选择方案一：光电传感器光电传感器是应用非常广泛的一种器件，有各种各样的形式，如透射式、反射式等，光电转速传感器是根据光敏二极管工作原理制造的一种感应接收光强度变化的电子器件，当它发出的光被目标反射或阻断时，则接收器感应出相应的电信号。它包含调制光源，由光敏元件等组成的光学系统、放大器、开关或模拟量输出装置。光电式传感器由独立且相对放置的光发射器和收光器组成。以透射式为例，如图3-1所示，当不透光的物体挡住发射与接收之间的间隙时，开关管关断，否则打开。为此可以制
20、作一个遮光叶片如图3-2所示，安装在转轴上，当扇叶经过时，产生脉冲信号。当叶片数较多时，旋转一周可以获得多个脉冲信号。图3-1 光电传感器的原理图图3-2 遮光叶片方案二：光电编码器光电编码器的工作原理与光电传感器一样，不过它已将光电传感器、电子电路、码盘等做成一个整体，只要用连轴器将光电传感器的轴与转轴相连，就能获得多种输出信号。它广泛应用于数控机床、回转台、伺服传动、机器人、雷达、军事目标测定等需要检测角度的装置和设备中。将旋转编码器安装在电机轴上，这样每当电机转过一圈编码器就会发出一个脉冲，利用脉冲数对转速进行测量。如图3-3所示，是某光电编码器的外形。图3-3 成品光电编码器方案三：霍
21、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、A04E、A44E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（OC）门输出，工作电压范围宽，使用非常方便。图3-4 霍尔元件和磁钢实际图使用霍尔传感器获得脉冲信号，其机械结构也可以做得较为简单，只要在转轴的圆周上粘上一粒磁钢，让霍尔开关靠近磁钢，就有信号输出，转轴旋转时，就会不断地产生脉冲信号。如果在圆周上粘上多粒磁钢，可以实现旋转一周获得多个脉冲输出,单片机根据脉冲数来计算转速值。霍尔元件和磁钢如图3-4所示。在粘磁钢时要注意，霍尔传感器对磁场方向敏
22、感，粘之前可以先手动接近一下传感器，如果没有信号输出，可以换一个方向再试。由于光电传感器受环境影响较大，且光电编码器安装不方便，由于软连接的原因，很容易松动，可靠性差，而由霍尔元件构成的霍尔开关系统，具有输出响应快，数字脉冲性能好，安装方便，性能可靠，不受光线等因素影响，价格便宜的优点。所以本设计采用方案三，使用霍尔传感器采集脉冲信号。3.1.2 单片机模块论证与选择方案一：采用单片机AT89C52作为主控制器，使用霍尔传感器进行测量的直流电机转速测量系统。AT89C52片内具有8K字节程序存储空间，256字节的数据存储空间,与MCS-51系列单片机完全兼容，具有在线编程可擦除技术。方案二：采
23、用型号为STC89C52的单片机作为主控制器，使用霍尔传感器进行测量的直流电机转速测量系统。STC89C52是一种低功耗、高性能CMOS8位单片机，片内集成了8KB可重复编程的FLASH程序存储器。256字节的数据存储空间，具有TSP功能，可直接通过串口下载用户程序，方便调试程序，带有2KB的EEPROM存储空间，与MCS-51完全兼容。 两种单片机都能满足设计需要，但STC89C52相对于AT89C52价格便宜，且抗干扰能力强，考虑到成本因素，因此选择方案二。3.1.3 显示模块论证与选择方案一：采用LED数码管动态扫描,LED数码管价格适中,亮度高，显示数字合适,但是连接复杂，耗电流大，驱
24、动电路复杂。方案二：采用点阵式数码管显示，点阵式数码管是由八行八列的发光二极管组成，对于显示简单文字比较适合,如果显示数字则浪费资源,而且价格也相对较高。方案三：采用LCD液晶显示屏,液晶显示屏的显示功能强大,可显示大量文字,图形,显示多样,清晰可见,并且连接很方便 ,所以在此设计中采用了LCD液晶显示器。因此选择方案三。3.1.4 报警模块论证与选择方案一：采用蜂鸣器和发光二极管作为报警的主要器件。该方案不论在硬件焊接方面还是在编写软件方面都简单方便，而且成本低廉。方案二：采用语音播报系统作为声光报警的核心。该方案更具人性化、智能化，但是就该设计要求而言，方案过于复杂，相对成本过高，工作量偏
25、大。因此选择方案一。3.2 总体设计方案本系统的硬件主要由电机，霍尔传感器，信号调理电路，STC89C52单片机，LCD液晶显示器，矩阵键盘，报警系统组成。电机测速原理是在非磁材料的圆盘边上粘贴两块磁钢，霍尔传感器固定在圆盘外缘，当电机转动时，磁钢经过霍尔传感器正前方，改变了磁通密度，电机每转动一圈，霍尔传感器便输出两个脉冲，随着转盘的不断转动，就不断产生脉冲信号，经放大整形电路后送入单片机处理，转化为计数脉冲，脉冲信号的频率与转动速度成正比，根据单位时间间隔内的脉冲数，就可获得被测电机转速。系统原理框图见图3-5。图3-5转速测量系统框图其中传感器部分采用A44E开关型霍尔传感器，负责将被测
26、量转化为脉冲信号。信号调理电路实现对待测信号的放大整形，降低对待测信号幅度要求，实现对小信号的测量。处理器采用STC89C52单片机，负责对采集到的数据进行处理。显示器采用LCD液晶显示器，负责显示测得的转速值及预设的高速、低速值。采用矩阵键盘对高速、低速值进行加减以及按键声、报警声的相关设置，当测得的转速值超过高速或不足低速值时，就实现声光报警功能。4 硬件电路设计4.1 单片机最小系统设计单片机的最小系统是指一个真正可用的单片机的最小配置系统，由时钟电路、复位电路和电源电路组成。4.1.1 时钟电路单片机各功能部件的运行都是以时钟控制信号为基准，有条不紊的工作。时钟电路是单片机的心脏，它控
27、制着单片机的工作节奏。STC89C52单片机内部有一个反相放大器，XTAL1、XTAL2分别为反相放大器的输入和输出端，接晶振和两个负载电容元件以后就组成振荡器，产生时钟送至单片机内部的各个部件。电路中的电容C7和C8典型值通常选择为20pf-30pf之间。对外接电容的值虽然没有严格的要求，但电容的大小会影响振荡器的频率的高低，振荡器的稳定性和起振的快速性。时钟电路中，晶振的振荡频率范围通常在1.2MHZ-12MHZ之间。晶振的频率越高，则系统的时钟频率也就越高，单片机的运行速度也就越快。但反过来运行速度快对存储器的速度要求就高，对印制电路板的工艺要求也高，晶振和电容应尽可能安装得与单片机芯片
28、靠近，以减少寄生电容，更好地保证振荡器稳定，可靠地工作。综合考虑，本设计采用30pf的电容，晶振的频率采用12MHZ,时钟电路在本系统中采用并联方式，最后连接在单片机的18脚和19脚，其电路图见图4-1。图4-1时钟电路4.1.2 复位电路单片机在启动运行时都需要复位，复位使中央处理器CPU和内部其他部件处于一个确定的初始状态，从这个状态开始工作。当单片机执行程序出错或进入死循环时，也可重新启动。单片机有一个复位引脚RST，高电平有效。在时钟电路工作以后，当外部电路使得RST端出现2个机器周期（24个时钟周期）以上的高电平，系统内部复位。复位有两种方式：上电复位和按钮复位，本系统采用的是按钮复
29、位电路，见图4-2。图4-2复位电路图其中电容接VCC，电阻接地，RESET脚接在它们中间，电容选择10uF，按钮与电容并联，后与10K电阻串联，就成了按钮复位电路。只要RST保持高电平，单片机将循环复位。复位期间，ALE、PSEN输出高电平。RST从高电平变为低电平后，PC指针变为0000H，使单片机从程序存储器地址为0000H的单元开始执行程序。复位后，内部各个寄存器的初始内容见表4-1。表4-1 复位后寄存器状态表特殊功能寄存器初始状态特殊功能寄存器初始状态ABPSW00H00H0000HTMODTCONTH000H00H00HSPDPLDPHP0P3IPIE07H00H00HFFHXX
30、000000B0X000000BTL0TH1TL1SBUFSCONPCON00H00H00H不定00H0XXX0000B4.1.2 电源电路本系统采用USE接口对系统板上各模块供电，提供+5V电源。电源电路图见图4-3.图4-3 电源电路图当开关S1按下时，二极管绿灯亮，此时电源电路接通，各模块可以开始正常工作。4.2 稳压可调直流电源电路设计本系统采用LM317T三端可调式稳压器设计一个稳压可调直流电源，通过改变输出电压改变电机转动的频率，从而使电机产生不同的转速。LM317T是美国国家半导体公司的三端可调正稳压器。我国和世界各大集成电路生产商均有同类产品可供选用，是使用极为广泛的集成稳压器
31、。它的使用非常简单，仅需两个外接电阻来设置输出电压。此外它的线性调整率和负载调整率也比标准的固定稳压器好。LM317T内置有过载保护、安全区保护等多种保护电路。 其性能参数为：可调整输出电压1.25V-37V。保证1.5A输出电流。典型线性调整率 0.01%。典型负载调整率 0.1%。80dB纹波抑制比。输出短路保护。过流、过热保护。调整管安全工作区保护。其封装见图4-4。图4-4 LM317T封装图LM317T原理：由Vin端（3脚）给它提供工作电压以后，它便可以保持其Vout端(2脚)比其ADJ端(1脚)的电压高1.25V。因此，只需要用极小的电流来调整ADJ端的电压，便可在Vout端得到
32、比较大的电流输出，并且电压比ADJ端高出恒定的1.25V。还可以通过调整滑动变阻器的抽头位置来改变输出电压，但是LM317T会保证接入ADJ端和Vout端的那部分电阻上的电压为1.25V。稳压电路图见图4-5。图4-5 稳压电路原理图图中当通电时，则黄色二极管DS1亮。C1、C5选择的是1000uF的电容，C2、C4选择的是0.1uF的电容，用来对低频滤波，C3选择的是0.1uF的电容，其作用也是对LM317T的1脚的电压进行小小的滤波，以提高输出电压的质量，属于高频滤波。R2选择的是240欧姆的电阻，通过改变R3的阻值可以调整输出电压值,从而改变电机转动频率。电源电路工作原理是：将220V的
33、交流电送到变压器的线圈，从线圈感应出约12V的电压送到4个二极管，因为交流电的特点是方向和电压大小一直随时间变化，即它正负极是不固定的，二极管的作用是只允许电流从它的正极流向它的负极，这就是二极管整流的原理，此时，电压大小还在发生变化，电容器有存储电能的特性，在电压较高时向电容器中充电，在电压较低时便由电容器向电路供电，这个过程叫作滤波，图4-5中C1的作用就是这样。经C1滤波后比较稳定的直流电送到三端稳压集成电路LM317T的Vin端（3端），通过改变滑动变阻器的阻值，可以调整输出电压值，从而改变电机的转动频率。其中，输出电压见式（4-1）。 Vout=1.25(1+R3/R2) 式（4-1
34、）4.3 霍尔传感器测量电路设计4.3.1 霍尔传感器原理霍尔传感器是利用霍尔效应原理制成的一种磁敏传感器。它是近年来为适应信息采集的需要而迅速发展起来的一种新型传感器，这类传感器具有工作频带宽，响应快、面积小、灵敏度高、无缺点、便于集成化、多功能化等优点，且易与计算机和其它数字仪表接口，因此被广泛用于自动监测、自动测量、自动报警、自动控制、信息传递、生物医学等各个领域。其测量原理为：金属或半导体薄片的两个端面通以控制电流I，并在薄片的垂直方向上施加磁感应强度为B的磁场，则在垂直于电流和磁场的方向上将产生电势Uh，称为霍尔电势或霍尔电压。霍尔电势Uh=KhIB(其中Kh为霍尔元件灵敏度，它与所
35、用的材料及几何尺寸有关)。这种现象称为霍尔效应，而用这种效应制成的元件称为霍尔元件。霍尔传感器原理图见图4-6。图4-6 霍尔传感器磁场效应4.3.2 开关型霍尔传感器本系统采用开关型霍尔传感器A44E。它的性能参数为：工作点：35-450；释放点：25-430；回差：20；输入电压：4.5-24V;工作电流：20mA;工作温度：-40-85摄氏度；它内部由稳压器A、硅霍尔片B、差分放大器C、施密特触发器D和OC门输出E五部分组成，如图4-7所示从输入端1输入电压Vcc，经稳压器A稳压后加在硅霍尔片B的两端，以提供恒定不变的工作电流在垂直于霍尔片的感应面方向施加磁场，产生霍尔电势差Vw，该信号
36、经差分放大器c放大后送至施密特触发器D整形当磁场达到“工作点”(即Bop)，见图4-8，触发器D输出高电压(相对于地电位)，使三极管E导通，输出端V。输出低电位，此状态称为“开”。当施加的磁场达到“释放点”(即)时，触发器D输出低电压，使三极管E截止，输出端V。输出高电位，此状态称为“关”。这样2次高低电位变换，使霍尔传感器完成了1次开关动作。图4-7 开关型霍尔传感器构成图开关型霍尔传感器的工作特性见图4-8 。图4-8 开关型霍尔传感器工作特性霍尔传感器的电路图见图4-9.A44EVCCGND12310KOUT 图4-9 霍尔传感器电路图其中，A44E霍尔元件的1脚接+5V电源，2脚接地，
37、3脚是输出端，接LM358的3脚作为输入信号。4.4 信号处理电路设计当电动机转动的时候，霍尔传感器会输出一系列与转速成正比的脉冲信号，但霍尔传感器的输出的信号一般电平较低，不能被单片机很好的识别计数显示，所以需要对其进行放大整形，这一环节主要由集成运算放大器构成的电压比较器来实现。该设计在信号处理电路中选用LM358进行设计。LM358内部包括有两个独立的高增益、内部频率补偿的双运算放大器，适合于电源电压范围很宽的单电源使用，也适用于双电源工作模式。它的使用范围包括传感放大器、直流增益模块和其他所有可用单电源供电的使用运算放大器的场合。LM358的管脚见图4-10。图4-10 LM358管脚
38、图LM358的特性(Features): 内部频率补偿 直流电压增益高(约100dB) 单位增益频带宽(约1MHz) 电源电压范围宽：单电源(330V)；双电源(1.5 一15V) 低功耗电流，适合于电池供电 低输入偏流 低输入失调电压和失调电流 共模输入电压范围宽，包括接地 差模输入电压范围宽，等于电源电压范围 输出电压摆幅大(0 至Vcc-1.5V) 共模抑制比80dB 电源抑制比100dB.设计的脉冲信号调理电路图见图4-11。图4-11 信号调理电路在该图中，LM358本质作为一个电压比较器，把R14作为一个基准电压，由霍尔传感器输出的电压传到LM358的“+”输入端，与“-”输入端的
39、基准电压相比较，当“+”端电压高于“-”端电压时，则LM358电压比较器输出为高电平，当“+”端电压低于“-”级电压时，则电压比较器输出为低电平，此时二极管DS6灯亮。二极管DS6作为一个指示信号。电阻R12的作用是分压，二极管的驱动电压约是2V，所以R12要分掉约3V的电压。R13的作用是限流。4.5 显示电路设计4.5.1 LCD1602简介 字符型液晶显示模块是一种专门用于显示字母、数字、符号等点阵式LCD，目前常用16*1，16*2，20*2和40*2行等的模块。字符型LCD1602通常有14条引脚线或16条引脚线的LCD，多出来的2条线是背光电源线VCC(15脚)和地线GND(16脚
40、)，其控制原理与14脚的LCD完全一样。一般1602字符型液晶显示器实物见图4-12。图4-12 液晶显示器实物图1.LCD1602主要技术参数显示容量:162个字符；芯片工作电压:4.55.5V；工作电流:2.0mA(5.0V)；模块最佳工作电压:5.0V；字符尺寸:2.954.35(WH)mm。2.1602LCD引脚功能第1脚：VSS为地电源。第2脚：VDD接5V正电源。第3脚：VO为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地时对比度最高，对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度。第4脚：RS为寄存器选择，高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器
41、。第5脚：R/W为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。当RS和R/W共同为低电平时可以写入指令或者显示地址，当RS为低电平R/W为高电平时可以读忙信号，当RS为高电平R/W为低电平时可以写入数据。第6脚：E端为使能端，当E端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令。第714脚：D0D7为8位双向数据线。第15脚：背光源正极。第16脚：背光源负极。4.5.2 LCD显示电路本设计中LCD显示器的7-14脚接单片机的P0口，RS接P2.7口，RW接P2.6口，EN接P2.5口，同时加上上拉电阻，该LCD显示器为两行显示，第一行显示测得的当前速度值，第二行显示设置的高速值，低速值。电
42、路设计如下图4-13所示。图4-13 液晶显示电路4.6 按键电路设计本系统需要对预设的高低速值进行设置，需要用到键盘，键盘一般分为独立式键盘和矩阵键盘。当按键数量较少时，用独立键盘较合适。当按键数量较多时，往往采用矩阵式键盘，可以节省I/O接口线，而且键位越多，情况越明显，矩阵键盘用I/O接口线组成行、列结构，键位设置在行列的交点上。例如4*4的行、列结构可组成16个键的键盘，比一个键位用一根I/O接口线的独立式键盘少了一半的I/O接口线，。在本设计中，矩阵式键盘直接连接于单片机的P1口。P1的8条I/O口线分为4条行线和4条列线，P1.0-P1.3口接矩阵键盘的行线，P1.4-P1.7口接
43、矩阵键盘的列线，按键开关的两端分别接在行线和列线上。其接口电路见图4-14。 图4-14 键盘电路图由图和相应的键的键值定义的各个键的功能如下：S1S4号键： 高速值-10，高速值-1，高速值+1，高速值+10；S5S8号键： 低速值-10，低速值-1，低速值+1，低速值+10；S9S12号键： 无定义；S13S16号键： 按键声开，按键声关，报警声开，报警声关。4.7 蜂鸣器报警电路设计蜂鸣器是一种一体化结构的电子讯响器，采用直流电压供电，广泛应用于计算机、打印机、复印机、报警器、电子玩具、汽车电子设备、电话机、定时器等电子产品中，作为发声器件。本设计中选用电磁式蜂鸣器作为报警器。电磁式蜂鸣
44、器由振荡器、电磁线圈、磁铁、振动膜片及外壳等组成。蜂鸣器实物见图4-15。图4-15 报警器图蜂鸣器发声原理：电流通过电磁线圈，使电磁线圈产生磁场来驱动振动膜发声的，因此需要一定的电流才能驱动它，单片机IO引脚输出的电流较小，单片机输出的TTL电平基本上驱动不了蜂鸣器，因此需要增加一个电流放大的电路。本设计采用S8550PNP小功率三极管进行放大电流，其引脚图见图4-16。图4-16 S8550引脚图其主要性能参数为：耗散功率0.625W（贴片：0.3W）；放大倍数 50-200；集电极到发射极电压Vceo为25V；集电极到基极电压Vcbo为40V；发射极到基极电压Vebo为0.6V；集电极连
45、续电流0.5A；引脚排列为EBC或ECB；按三极管后缀号分为BCD档，贴片为LH档；放大倍数B85-160，C120-200,D160-300,L100-200,H200-350.报警模块主要负责声音报警和灯光报警，报警电路均比较简单，声音报警由单片机引脚接上拉电阻，晶体管及扬声器构成，灯光报警由三个发光二极管和电阻串联构成，电路接线图见图4-17。图4-17 蜂鸣器报警电路蜂鸣器的正极性的一端连接到5V电源上面，另一端连接到三极管的集电极，三极管的基极和一个1K的电阻串联由单片机的P2.0管脚导通，当P2.0口输出低电平时，电路导通，蜂鸣器响，当P2.0口输出高点平时，电路不导通，蜂鸣器不响，由P2.0口不断地输出101010的高低电平，驱动声光报警电路报警。当测得的转速不足所设定的低速值时，则发光二极管DS3亮。若测得的转速值高于所设计的高速值时，则发光二极管DS5亮。当测得的转速值在设定的低速值和高速值之间时，则发光二极管DS4亮。5 软件设计5.1 系统开发环境随着单片机开发技术的不断发展，单片机的开发软件也在不断发展，Keil软件是目前流行的用于开发51系列单片机的软件。该软件提供了包含C编译器、宏汇编、链接器库管理和一个功能强大的仿真调试器等
