1、 成績評定： 傳感器技術 課程設計 題 目 基于霍爾傳感器的轉速測量 摘 要轉速是發動機重要的工作參數之一,也是其它參數計算的重要依據。針對工業上常見的發動機設計了以單片機stc89c51為控制核心的轉速測量系統。系統利用霍爾傳感器作為轉速檢測元件，并利用設計的調理電路對霍爾轉速傳感器輸出的信號進行濾波和整形,將得到的標準方波信號送給單片機進行處理。實際測試表明,該系統能滿足發動機轉速測量要求。關鍵詞：轉速測量，霍爾傳感器，信號處理，數據處理 目 錄一 、設計目的1二、設計任務與要求12.1設計任務12.2設計要求1三、設計步驟及原理分析13.1設計方法23.2設計步驟23.3設計原理分析16

2、四、課程設計小結與體會16五、參考文獻16 一 、設計目的1. 學習基本理論在實踐中綜合運用的初步禁言，掌握模擬電路的設計的基本方法，設計步驟，培養綜合設計與實物調試能力。2. 學會霍爾傳感器的設計方法和性能指標測試。3. 進一步了解霍爾傳感器的組成框圖和各個單元的工作原理以及相互之間的聯系。4. 培養實踐技能，提高分析和解決問題的能力。5. 提高自己對文獻資料的搜索和信息處理能力。二、設計任務與要求2.1設計任務1、 查閱傳感器有關方面的相關資料，了解此方面的發展狀況。 2、掌握所用器件的特性。 3、采用合理的設計方案。 4、設計、實現該系統。 5、撰寫設計報告。2.2設計要求1.掌握霍爾傳

3、感器的使用方法2.熟悉使用單片機測量轉速三、設計步驟及原理分析3.1設計方法系統由傳感器、信號預處理電路、處理器、顯示器和系統軟件等部分組成。傳感器部分采用霍爾傳感器，負責將電機的轉速轉化為脈沖信號。信號預處理電路包含待測信號放大、波形變換、波形整形電路等部分，其中放大器實現對待測信號的放大,降低對待測信號的幅度要求，實現對小信號的測量；波形變換和波形整形電路實現把正負交變的信號波形變換成可被單片機接受的ttl/cmos兼容信號。 處理器采用stc89c51單片機，顯示器采用8位led數碼管動態顯示。系統原理框圖如圖1所示： 圖1系統軟件主要包括測量初始化模塊、信號頻率測量模塊、浮點數算術運算

4、模塊、浮點數到bcd碼轉換模塊、顯示模塊、按鍵功能模塊、定時器中斷服務模塊。系統軟件框圖如圖2所示。 圖23.2設計步驟1 單片機主控電路設計系統選用 stc89c51 作為轉速信號的處理核心。stc89c51 包含 2 個16位定時/計數器、4k8 位片內 flash 程序存儲器、4個8位并行i/o口。16 位定時/計數器用于實現待測信號的頻率測量。8位并行口p0、p2用于把測量結果送到顯示電路。4k8 位片內flash程序存儲器用于放置系統軟件。stc89c51與具有更大程序存儲器的芯片管腳兼容,如:89c52(8k8 位)或 89c55(32k8 位),為系統軟件升級打下堅實的物質基礎。

5、stc89c51最大的優點是：可直接通過計算機串口線下載程序,而無需專用下載線和編程器。stc89c51單片機是在一塊芯片中集成了cpu、ram、rom、定時器/計數器和多功能i/o口等一臺計算機所需要的基本功能部件。其基本結構框圖如圖3.1，包括：一個8位cpu；4kb rom；128字節ram數據存儲器；21個特殊功能寄存器sfr； 4個8位并行i/o口，其中p0、p2為地址/數據線，可尋址64kb rom或64kb ram；一個可編程全雙工串行口；具有5個中斷源，兩個優先級，嵌套中斷結構；兩個16位定時器/計數器； 一個片內震蕩器及時鐘電路；計數脈沖輸入 t0 t1特殊功能寄存器sfr

6、128字節ram定時/計數器 t0、t1時鐘源4k rom（eprom）（8031無）中斷系統串行接口并行i/o接口cpu p0 p1 p2 p3 txd rxd 中斷輸入圖3 stc89c51單片機結構框圖stc89c51系列單片機中hmos工藝制造的芯片采用雙列直插(dip)方式封裝,有40個引腳。stc89c51單片機40條引腳說明如下: (1)電源引腳。v正常運行和編程校驗(8051/8751)時為5v電源,v為接地端。（2）i/o總線。p- p（p0口），p- p（p1口），p- p（p2口），p- p（p3口）為輸入/輸出引線。（3）時鐘。xtal1：片內震蕩器反相放大器的輸入端。

7、xtal2：片內震蕩器反相放器的輸出端，也是內部時鐘發生器的輸入端。（4）控制總線。 由p3口的第二功能狀態和4根獨立控制線reset、ea、ale、psen組成。值得強調的是，p3口的每一條引腳均可獨立定義為第一功能的輸入輸出或第二功能。如表4所示。p3口引腳及線號引腳第二功能p3.0 (10)rxd串行輸入口p3.1 (11)txd串行輸出口p3.2 (12)int0外部中斷0p3.3 (13)int1外部中斷1p3.4 (14)t0定時器0外部輸入p3.5 (15)t1定時器1外部輸入p3.6 (16)wr外部數據存儲器寫脈沖p3.7 (17)rd外部數據存儲器讀脈沖 圖4單片機的片外總

8、線結構：地址總線（ab）：地址總線寬為16位，因此，其外部存儲器直接尋址為64k字節，16位地址總線由p0口經地址鎖存器提供8位地址（a0至a7）；p2口直接提供8位地址（a8至a15）。數據總線（db）：數據總線寬度為8位，由p0提供。控制總線（cb）：由p3口的第二功能狀態和4根獨立控制線reset、ea、ale、psen組成。2 脈沖產生電路設計lm358內部包括有兩個獨立的、高增益、內部頻率補償的雙運算放大器，適合于電源電壓范圍很寬的單電源使用，也適用于雙電源工作模式，在推薦的工作條件下，電源電流與電源電壓無關。它的使用范圍包括傳感放大器、直流增益模塊和其他所有可用單電源供電的使用運算

9、放大器的場合。lm358的封裝形式有塑封8引線雙列直插式和貼片式。特性: 內部頻率補償 直流電壓增益高(約100db) 單位增益頻帶寬(約1mhz) 電源電壓范圍寬：單電源(330v) 雙電源(1.5一15v) 低功耗電流，適合于電池供電 低輸入偏流 低輸入失調電壓和失調電流 共模輸入電壓范圍寬，包括接地 差模輸入電壓范圍寬，等于電源電壓范圍 輸出電壓擺幅大(0至vcc-1.5v)如圖5所示，信號預處理電路為系統的前級電路，其中霍爾傳感元件b,d為兩電源端，d接正極，b接負極；a,c兩端為輸出端，安裝時霍爾傳感器對準轉盤上的磁鋼,當轉盤旋轉時，從霍爾傳感器的輸出端獲得與轉速率成正比的脈沖信號，

10、傳感器內置電路對該信號進行放大、整形，輸出良好的矩形脈沖信號，圖中lm358部分為過零整形電路使輸入的交變信號更精確的變換成規則穩定的矩形脈沖，便于單片機對其進行計數。圖5 信號預處理電路3.3 按鍵電路設計通過軟件設置按鍵開關功能： 按 k0清零、復位按k1顯示計時時間按k2顯示計數脈沖數此按鍵電路為低電平有效，當無按鍵按下時，單片機輸入引腳p1.0、p1.1、p1.2、p1.3端口均為高電平。當其中任一按鍵按下時，其對應的p1端口變為低電平，在軟件中利用這個低電平設計其功能。軟件中還設置了按鍵防抖動誤觸發功能，軟件中設置定時器1 50ms中斷一次，每次中斷都對按鍵進行掃描，如果掃描到有按鍵

11、按下，則延遲10ms，再次進行鍵掃描，若仍有按鍵按下，則按鍵為真，并從p1口讀取數據，低電平對應的即為有效按鍵，如圖6所示。 圖63.4 數據顯示電路設計3.4.1 數碼管結構和顯示原理圖8為數碼管的引腳接線圖，實驗板上以p0口作輸出口，經74ls244驅動，接8只共陽數碼管s0-s7。表7為驅動led數碼管的段代碼表為低電平有效，1-代表對應的筆段不亮，0-代表對應的筆段亮。若需要在最右邊（s0）顯示“5”，只要將從表中查得的段代碼64h寫入p0口，再將p2.0置高，p2.1-p2.7置低即可。設計中采用動態顯示，所以其亮度只有一個led數碼管靜態顯示亮度的八分之一。表3.2 驅動led數碼

12、管的段代碼數字dpecgbfa十六進制p0.7p0.6p0.5p0.4p0.3p0.2 p0.1p0.0共陰共陽010110111b74810001010014eb210101101ad523100111019d624000111101e64610111011bb4470001010115ea810111111bf409100111119f60 表7 圖8數碼管的引腳接線這里設計的系統先用 6 位led數碼管動態顯示小型直流電機的轉速。當轉速高于六位所能顯示的值（999999）時就會自動向上進位顯示。3.4.2 緩沖器74ls244系統總線中的地址總線和控制總線是單向

13、的,因此驅動器可以選用單向的,如74ls244。74ls244還帶有三態控制，能實現總線緩沖和隔離,74ls244是一種三態輸出的八緩沖器和線驅動器，該芯片的邏輯電路圖和引腳圖如圖3.5所示。從圖可見，該緩沖器有8個輸入端，分為兩路1a11a4，2a12a4。同時8個輸出端也分為兩路1y11y4，2y12y4，分別由2個門控信號1g和2g控制，/1g, /2g三態允許端(低電平有效)。當1g為低電平時，1y11y4的電平與1a11a4的電平相同，即輸出反映輸入電平的高低；同樣，當2g為低電平時，2y12y4的電平與2a12a4的電平相同。而當1g（或2g）為高電平時，輸出1y11y4（或2y1

14、2y4）為高阻態。經74ls244緩沖后，輸入信號被驅動，輸出信號的驅動能力加大了。74ls244緩沖器主要用于三態輸出的存儲地址驅動器、時鐘驅動器和總線定向接收器和定向發送器等。常用的緩沖器還有74ls240，241等。 圖9 74ls244邏輯電路圖74ls244的極限參數如下:電源電壓 7v 輸入電壓5.5v 輸出高阻態時高電平電壓5.5v利用上述器件設計的顯示電路如圖3.6所示。8個共陽的led數碼管（s0-s7）同名的引腳連接在一起，由單片機p0口通過74ls244驅動（段控制），r12-r19 為限流電阻。單片機p2口的8個引腳分別通過三極管q0-q7控制8個led數碼管的公共端（

15、位控制）。單片機的主時鐘為12mhz。 p0口 和 p2口都是準雙向口，輸出時需要接上拉電阻。p0內部沒有上拉電阻，p2口內部有弱上拉。所以p0口外圍電路設計為低電平有效，高電平無效。要使數碼管s0-s7的其中一個亮，其對應的p2端口要置高，p2的其余端口置低。如要讓s0數碼管亮，則要將p2.0置高，p2.1-p2.7置低即可。系統將定時把顯示緩沖區的數據送出，在數碼管led上顯示。 3.5 穩壓電源設計如圖3.7所示為5-12v連續可調穩壓電源，采用l4960芯片制作的輸出電流可達10a，輸出電壓在512v間連續可調，是一個實用的開關型穩壓電源。其工作原理為：220v交流電源經變壓器t1降壓

16、，橋堆vd1整流，c1、c2濾波后得到一直流電壓。ic第、腳為直流電壓輸入端，其最高輸入電壓為+40v。該直流電壓經ic內部的振蕩器調制為200khz左右的高頻開關電壓，振蕩器的開關頻率由外接振蕩電容器c4決定。當c4的值取為3300pf時，電源的開關頻率約為200khz；r3、c6為環路調節放大器的頻率補償網絡，由第7腳輸入。ic第腳為抑制輸入端，其閉鎖電壓的閾值為0.7v，輸出電壓經取樣電阻r2反饋至第腳后與r1比較，當閾值電壓大于0.7v時，輸出關閉，起到短路過流保護作用。第6腳為輸出電壓調節控制端，由電位器rp1及電阻r4將輸出電壓分壓后得到調節電壓檢測值，調節電位器rp1可控制輸出電

17、壓的大小，輸出電壓值可由公式：vo=vref進行估算。其中，vref為基準電壓，為2.1v。ic為專用開關型穩壓集成電路l4960，其外殼接地并接散熱器。ic外圍電路中，除振蕩電容c4選擇高頻電容器外，電阻r1、r2應選擇允許偏差1的高精度金屬膜電阻外，其余元件無特殊要求，按圖中參數選取小型器件即可。由于輸出電壓為高頻開關式，因此ic和功率三極管vt所需的散熱器僅為普通穩壓電源的三分之一，且性能遠遠高于普通的穩壓電源。 圖10 5-12v連續可調穩壓電源電路3.6 串行通信模塊設計stc89c51單片機有一個全雙工的串行通信口，以便于單片機和電腦之間進行串口通信。為了與計算機進行通訊，設計了r

18、s232串行通信接口，將該接口與pc機的串口連接，可以實現單片機與pc機的串行通信，進行雙向數據傳輸。進行串行通信要滿足一定的條件，比如電腦的串口是rs232電平（-5至-15v為1，+5至+15v為0），而單片機的串口是ttl電平（大于+2.4v為1，小于+0.7v為0），兩者之間必有一個電平轉換電路，圖11用max232集成電路實現rs232電平與ttl電平的相互轉換。此串行通信功能模塊完成源程序代碼下載到stc89c51芯片中，它需要和微機上的isp下載器軟件配合使用來完成這樣的功能。系統總電路為以上硬件各功能模塊的有機結合，如圖12所示。圖11.max232串行通信圖12. 系統總電路

19、3.7系統軟件設計本設計軟件主要為主程序、數據處理顯示程序、按鍵程序設計、定時器中斷服務程序四個部分。（1）主程序主要完成初始化功能，包括led顯示的初始化，中斷的初始化，定時器的初始化，寄存器、標志位的初始化等。主程序流程圖如圖12所示。（2）數據處理顯示模塊程序。此模塊中單片機對在1秒內的計數值進行處理，轉換成r/min送顯示緩存以便顯示。具體算法如下:設單片機每秒計數到n個值，即n/2 (r/s)(圓盤貼兩個磁鋼)。則n/2 (r/s)=30n(r/min)。即只要將計數值乘以30便可得到每分鐘電機的轉速。數據處理顯示模塊流程圖如圖13所示。 圖12 主程序流程圖 圖13 數據處理顯示模

20、塊流程圖 圖14.定時器1中斷服務程序流程圖（3）按鍵程序設計。按鍵程序包括按鍵防抖動處理、判鍵及修改項目等程序。按鍵流程圖如圖14所示。 （4）定時器1中斷服務程序設計。定時器1完成計時功能，定時50ms，進行定時中斷計數并每隔1s更新一次顯示數據。流程圖如圖15所示。 圖15 （3）按鍵程序設計。按鍵程序包括按鍵防抖動處理、判鍵及修改項目等程序。按鍵流程圖如圖4.3所示。 （4）定時器1中斷服務程序設計。定時器1完成計時功能，定時50ms，進行定時中斷計數并每隔1s更新一次顯示數據。流程圖如圖15所示。3.8制作調試3.8.1 硬件調試 硬件調試時先分步調試硬件中各個功能模塊，調試成功后再

21、進行統調。安裝固定電機和霍爾傳感器時，粘貼磁鋼需注意，霍爾傳感器對磁場方向敏感，粘貼之前可以先手動接近一下傳感器，如果沒有信號輸出，可以換一個方向再試。霍爾傳感器探頭要對準轉盤上的磁鋼位置，安裝距離要在10mm以內才可靈敏的感應磁場變化。在磁場增強時霍爾傳感器輸出低電平，指示燈亮；磁場減弱時輸出高電平，指示燈熄滅。當電機轉動時，感應電壓指示燈高頻閃爍，所以視覺上指示燈不會有多大的閃爍感。當給njk 8002d 型霍爾傳感器施加15v電壓時其輸出端可以輸出4v的感應電壓。輸出幅值為4v的矩形脈沖信號。lm358整形電路調試：在焊接硬件電路時需細心排除元器件和焊接等方面可能出現的故障，元器件的安裝

22、位置出錯或引腳插錯都可能導致電路短路或實現不了電路應有的功能，甚至燒壞元器件。為方便調試，用信號發生器產生的1khz的正弦信號送給lm358整形電路，調試直到可以輸出矩形脈沖信號為止，該整形電路調試即可完成。然后以此信號為測試信號送給單片機系統，進行測量、顯示等其他功能的調試。3.8.2 軟件調試 測量系統與pc機連接時一定要先連接串行通信電纜，然后再將其電源線插入usb接口；拆除時先斷開其電源，再斷開串行通信電纜，否則極易損壞pc機的串口。在進行軟件編程調試時需要用到單片機的集成開發環境medwin v2.39 軟件，編程時極易出現誤輸入或其他的一些語法錯誤，最重要的還有一些模塊無語法錯誤卻

23、達不到預期的功能，都要經過調試才能排除。medwin v2.39 軟件具有很強大的編程調試功能，能夠模擬仿真實際單片機的端口和內部功能部件的狀態值。該軟件中有硬件調試和軟件調試功能，可以觀察單片機內存單元對應的運行值，可以顯示單片機端口、中斷、定時器1、定時器2還有串口對應的運行值。可以單步調試也可以模塊調試，最好的是可以對你所懷疑的語句模塊設置斷點。medwin v2.39 具有的強大的編譯調試功極大地方便了對軟件部分的調試。在具體調試過程中，系統將各功能模塊如數據處理程序、按鍵程序設計、中斷服務子程序、led顯示程序分別分開進行調試，最后進行主程序的整體調試。編譯無誤后生成目標代碼bin文

24、件采用stc 單片機下載軟件stc-isp將其下載到實驗板的單片機中。下載軟件的最后一步：點擊軟件stc-isp界面中的下載按鈕，在點擊前一定要保持實驗板的串行通信線及電源線與pc機連接良好，并且實驗板的電源開關處于關閉狀態，然后點擊下載按鈕，再打開實驗板電源開關，此時軟件將自動完成程序下載。最后將硬件和軟件結合起來整體調試實現系統的測速功能。3.9設計原理分析轉速是工程上一個常用的參數，旋轉體的轉速常以每分鐘的轉數來表示。其單位為 rmin。由霍爾元件及外圍器件組成的測速電路將電動機轉速轉換成脈沖信號，送至單片機stc89c51的計數器 t0進行計數，用t1定時測出電動機的實際轉速。此系統使

25、用單片機進行測速，采用脈沖計數法，使用霍爾傳感器獲得脈沖信號。其機械結構也可以做得較為簡單，只要在轉軸的圓盤上粘上兩粒磁鋼，讓霍爾傳感器靠近磁鋼，機軸每轉一周，產生兩個脈沖，機軸旋轉時，就會產生連續的脈沖信號輸出。由霍爾器件電路部分輸出，成為轉速計數器的計數脈沖。控制計數時間，即可實現計數器的計數值對應機軸的轉速值。單片機cpu將該數據處理后，通過led顯示出來。四、課程設計小結與體會霍爾傳感器具有不怕灰塵、油污，安裝簡易，不易損壞等優點，在工業現場得到了廣泛應用。利用霍爾傳感器設計的轉速測量系統以單片機stc89c51為數據處理核心，采用定時器定時中斷的方法實現計數，對測量數據進行計算得到轉

26、速數據，并將結果送數碼管顯示。整個測量系統硬件電路簡單，容易調試，軟件部分編程采用c51，有較高的編程效率。測試結果表明對電動機轉速的測量精度較高，基本能夠滿足實際的測試需要，有一定的實際應用價值。五、參考文獻1何希才,薛永毅.傳感器及其應用實例m.北京：機械工業出版社，2004.12譚浩強.c程序設計（第二版）m.北京：清華大學出版社，19993謝嘉奎,宣月清,馮軍 . 電子線路m.北京：高等教育出版社，20044康華光 .電子技術基礎m.北京：高等教育出版社，20045胡斌 . 圖表細說電子元器件m.北京：電子工業出版社，2004.56德克勞斯貝伊特.電子元件m. 北京：科學出版社，199

27、9.87余錫存,曹國華.單片機原理與接口技術m .西安：西安電子科技大學出版社,2000.7附錄a部分程序清單:/=源代碼_hytc=#include #include -#include #define uchar unsigned char#define uint unsigned int/#include /const uchar code tab1=0x48,0xeb,0x52,0x62,0xe1,0x64,0x44,0xea,0x40,0x60;/const uchar code tab2=0x80,0x40,0x20,0x10,0x08,0x04,0x02,0x01;/uchar

28、buf8=0,0,0,0,0,0,0,0;/unsigned char code dispbit=0xfe,0xfd,0xfb,0xf7,0xef,0xdf,0xbf,0x7f;unsigned char code dispbit=0x01,0x02,0x04,0x08,0x10,0x20,0x40,0x80;/unsigned char code dispcode=0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f,0x00,0x40;unsigned char codedispcode=0x48,0xeb,0x52,0x62,0xe1,0x64,0x44,0xea,0x40,0x60,0xff,0xbf;uchar dispbuf8=0,0,0,0,0,0,10,10;uchar temp8;uchar dispcount;uchar t0count;uchar timecount