【正文】 開關(guān)型霍爾集成傳感器 (以下簡稱開關(guān)型霍爾傳感器 )主要被應(yīng)用于周期和頻率的測量、轉(zhuǎn)速的測量、液位控制等方面。 常用的開關(guān)型霍爾傳感器有美國 sPRAG1公司的UGN3000系列如 UGN30 UGN3O3O等。它沒有輸入端，因磁場是由空間輸入的。 規(guī)定用磁鐵的 S極接近開關(guān)型霍爾傳感器正面時形成的 B為正值，從圖 ：當(dāng) B =0時， V0為高； B=Bop時， V0立即變低，這點(diǎn)稱為“工作點(diǎn)”。繼續(xù)升高 B， V0不變。降低 B到 Brp時， V0又回升。這點(diǎn)稱為“釋放點(diǎn)”。 如圖 ， Brp 一 Bop稱為磁滯。在此差值內(nèi)，輸出電位保持高電位或低電位基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)速度測量系統(tǒng)設(shè)計 不變，因而輸出穩(wěn)定可靠。 圖 開關(guān)型霍爾傳感器輸出電壓與外加磁感應(yīng)強(qiáng)度關(guān)系 4 單元模塊電路方案設(shè)計 系統(tǒng)硬件電路總體設(shè)計 圖 電路總體設(shè)計 速度檢測部分 速度檢測部分是由開關(guān)型霍爾傳感器和磁鋼組成。其電路圖如圖 所示。 測量電機(jī)轉(zhuǎn)速的第一步就是要將電機(jī)地轉(zhuǎn)速表示為單片機(jī)可以識別的脈沖信號，從而進(jìn)行脈沖計數(shù)。霍爾器件作為一種轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)的傳感器，具有結(jié)構(gòu)牢固、體積小、 STC89C52 單片機(jī) 鍵盤電路 復(fù)位電路 電源及時鐘電路 數(shù)碼顯示 狀態(tài)顯示電路路 ULN2021A 驅(qū)動電路 步進(jìn) 電機(jī) 轉(zhuǎn)速測量電路 超速報警裝置 基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)速度測量系統(tǒng)設(shè)計 重量輕、壽命長、安裝方便等優(yōu)點(diǎn)，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動時，帶動安裝在電機(jī)上的磁鐵，產(chǎn)生對應(yīng)頻率的脈沖信號，經(jīng)過信號處理后輸出到計數(shù)器或其他的脈沖計數(shù)裝置，進(jìn)行轉(zhuǎn)速的測量。在實(shí)際的使用中，一般需要兩個磁鋼，將之固定在 待測轉(zhuǎn)速的軸上 [6]。 所謂磁鋼，就是磁鋼就是一種有磁性的鋼鐵。 在傳感檢測電路中將磁鋼安裝在電機(jī)的轉(zhuǎn)軸上，而霍爾傳感器則放在轉(zhuǎn)軸的旁邊，霍爾傳感器連接在電路中，當(dāng)磁鋼隨轉(zhuǎn)軸經(jīng)過霍爾傳感器時，由開關(guān)型霍爾傳感器的工作原理知，此時將輸出一個低電平信號；而當(dāng)磁鋼離開霍爾傳感器后，又將輸出一個高電平。這樣通過高低電平的轉(zhuǎn)換，將其送入單片機(jī)后就可以測量它的轉(zhuǎn)速 [7]。其電路如下圖 +5V1J2CON21OUT2GND3VCCR17霍爾傳感器GNDA+MG1MOTOR SERVO圖 傳感器部分 單片機(jī)最小系統(tǒng) 單片機(jī)最小系統(tǒng)設(shè)計 :本設(shè)計單片機(jī)最小系統(tǒng)如圖 所示，由主控器 STC89C5時鐘電路和復(fù)位電路三部分組成。單片機(jī) STC89C52 作為核心控制器控制著整個系統(tǒng)的工作，而時鐘電路負(fù)責(zé)產(chǎn)生單片機(jī)工作所必需的時鐘信號，復(fù)位電路使得單片機(jī)能夠正常、有序、穩(wěn)定地工作 [8]。 基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)速度測量系統(tǒng)設(shè)計 圖 單片機(jī)最小系統(tǒng) 主控器 STC89C52 本系統(tǒng)采用單片機(jī) STC8952 作為主控制器，使用霍爾傳感器測量電機(jī)的轉(zhuǎn)速，最終在 LED上顯示測試結(jié)果。此外，還可以根據(jù)需要調(diào)整制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，硬件組成由圖 所示。 單片機(jī) (Micro Controller Unit)，又稱為微控制器 ,是指在一塊芯片上 集成了中央處理器 CPU、隨機(jī)存儲器 RAM、程序存儲器 ROM、定時器 /計數(shù)器、中斷控制器以及串行和并行 I/0 接口等部件，構(gòu)成一個完整的微型計算機(jī)。目前，新型單片機(jī)內(nèi)還有 A/D(D/A)轉(zhuǎn)換器、高速輸入輸出部件、 DMA 通道、浮點(diǎn)運(yùn)算等特殊功能部件。由于它的結(jié)構(gòu)和指令功能都是按工業(yè)控制要求設(shè)計的，特別適用于工業(yè)控制及其數(shù)據(jù)處理場合。 STC89C52 是擁有 256 字節(jié)的 RAM， 8K 的片內(nèi) ROM， 3個 16位定時器， 6個中斷源的微處理器 ,也就是俗稱的單片機(jī)。 89系列單片機(jī)的內(nèi)核是 8031，所以其指令與 Intel 8051 系列單片機(jī)完全兼容，并且具有以下優(yōu)點(diǎn)： （ 1）內(nèi)部含有 Flash 存儲器（ STC89C52 有 8k）。因此在系統(tǒng)的開發(fā)過程中可以十分容易進(jìn)行程序的修改，這就大大縮短了系統(tǒng)的開發(fā)周期。同時，在系統(tǒng)工作過程中，能有效地保存一些數(shù)據(jù)信息，即使外界電源損壞也不影響到信息的保存。 基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)速度測量系統(tǒng)設(shè)計 （ 2）插座與 80C51兼容。 89系列單片機(jī)的引腳和 80C51是一樣的，當(dāng)用 89系列單片機(jī)取代 80C51時，可以直接進(jìn)行代換。 （ 3）靜態(tài)時鐘方式。 89系列單片機(jī)采用靜態(tài)時鐘方式，可以節(jié)省電能，這對于降低便攜式產(chǎn)品的功耗十分有用。 （ 4）錯誤編程亦無廢品產(chǎn)生。因為 89系列單片機(jī)內(nèi)部采用了 Flash 存儲器，所以，錯誤編程之后仍可以重新編程，直到正確為止，故不存在廢品。 （ 5）可反復(fù)進(jìn)行系統(tǒng)試驗。用 89系列單片機(jī)設(shè)計的系統(tǒng)，可以反復(fù)進(jìn)行系統(tǒng)試驗，每次試驗可以編入不同的程序，這樣可以保證用戶的系統(tǒng)設(shè)計達(dá)到最優(yōu)。而且隨著用戶的需要和發(fā)展，還可以進(jìn)行修改，使系統(tǒng)不斷能追隨用戶的最新要求。 STC8952 引腳圖如圖 所示： 圖 STC89C52 單片機(jī)引腳圖 STC89C52 芯片 共 40 引腳 : 基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)速度測量系統(tǒng)設(shè)計 1~8 腳 : 通用 I/O 接口 ~ 9腳 : RET 復(fù)位鍵 10~11腳 :RXD 串口輸入 TXD 串口輸出 12~13腳 : INT0 中斷 0； INT1 中斷 1； 14~15 : 計數(shù)脈沖 T0 T1； 16~17: WR 寫控制 RD 讀控制輸出端 18~19: 晶振諧振器 20： 地線 21~28： P2 接口 高 8 位地址總線 29:PSEN 片外 ROM 選通端 。 單片機(jī)對片外 ROM 操作時 29 腳 (PSEN)輸出低電平 30:ALE/PROG 地址鎖存器 31:EA 取指令控制器 高電平片內(nèi)取 低電平片外取 32~39:~(注意此接口的順 序與其他 I/O 接口不同 與引腳號的排列順序相反 ) 40:電源 +5V 時鐘電路 STC89C52 單片機(jī)芯片內(nèi)部設(shè)有一個由反向放大器所構(gòu)成的振蕩器。 19 腳 (XTAL1)為振蕩器。 反相放大器和內(nèi)部時鐘發(fā)生電路的輸入端， 18 腳 (XTAL2)為振蕩器反相放大器的輸出端。在 XTAL1 和 XTAL2 引腳上外接定時元器件，內(nèi)部振蕩電路就會產(chǎn)生自激振蕩。本系統(tǒng)采用的定時元器件為石英晶體（晶振）和電容組成的并聯(lián)諧振回路。晶振頻率為12MHz，電容大小為 15~30pF，電容的大小可以起到頻率微調(diào)的作用，時鐘電路如 圖 所示。 圖 （晶振） 基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)速度測量系統(tǒng)設(shè)計 復(fù)位電路 STC89C52的復(fù)位是由外部的復(fù)位電路來實(shí)現(xiàn)的 ,復(fù)位電路通常采用上電復(fù)位和按鈕復(fù)位兩種方式 ,本設(shè)計采用的是最簡單的上電自動復(fù)位電路 ,其電路圖如圖 。上電自動復(fù)位是通過外部復(fù)位電路的電容充電實(shí)現(xiàn)的，當(dāng)電源接通時只要 VCC 的上升時間不超過 1毫秒 ,就可以實(shí)現(xiàn)自動上電復(fù)位。本設(shè)計時鐘頻率選用 12MHZ,電容取 22微法 ,電阻取 1千歐。 圖 復(fù)位電路 數(shù)碼顯示部分 顯示器是最常用的輸出設(shè)備，其種類繁多，但在單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計中常用的是發(fā)光二極管顯示器（ LED）和液晶顯示器（ LCD）兩種，由于這兩種顯示器結(jié)構(gòu)簡單，價格便宜，接口電路容易實(shí)現(xiàn)，因而得到廣泛應(yīng)用。本設(shè)計用到的是 LED 顯示器，電路如圖 所示。下面是發(fā)光二極管顯示器（ LED）的結(jié)構(gòu)、工作原理及接口電路。如圖 所示 基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)速度測量系統(tǒng)設(shè)計 dpgfedcbadpgfedcbaR x 8 R x 8 圖 LED顯示部分 LED 結(jié)構(gòu)與原理 LED 又稱為數(shù)碼管，它主要由 8段發(fā)光二極管組成的不同組合，可以顯示 a～ g 為數(shù)字和字符顯示段， dp段為小數(shù)點(diǎn)顯示，通過 a～ g 為 7 個發(fā)光段 的不同組合，可以顯示0～ 9和 A～ F 共 16 個數(shù)字和字母。 LED 可以分為共陰極和共陽極兩種結(jié)構(gòu)，如圖 (a)和圖 (b) 所示。共陰極結(jié)構(gòu)即把 8個發(fā)光二極管陰極連在一起。這種裝入數(shù)碼管中顯示字形的數(shù)據(jù)稱字形碼，又稱段選碼。 數(shù)碼管管腳分配圖 a共陰極 b共陽極 圖 7段 LED數(shù)碼管 g f bae d c dpgndgnd基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)速度測量系統(tǒng)設(shè)計 表 41 7段 LED的段選碼表 顯示字符 共陰極段碼 共陽極段碼 顯示字符 共陰極段碼 共陽極段碼 0 3fH C0H 8 7fH 80H 1 06H F9H 9 6fH 90H 2 5bH A4H A 77H 88H 3 4fH B0H B 7fH 83H 4 66H 99H C 39H C6H 5 6dH 92H D 3fH A1H 6 7dH 82H E 79H 86H 7 07H F8H F 71H 8EH 如下圖所示是一個共陰極數(shù)碼管經(jīng)反相器后接至單片機(jī)的電路，要想顯示數(shù)字“ 7”須 a、 b、 c 這 3個顯示段發(fā)光 （即這 3 個字段為底電平）只要在 P1接口輸入 11111000（ 07）即可。里 07即為數(shù)字 7 的段選碼。字形與段選碼的 關(guān)系見表 41 所示。 圖 顯示電路 LED 顯示器顯示方式 點(diǎn)亮 LED 顯示器有兩種方式：一是靜態(tài)顯示：二是動態(tài)顯示。 所謂靜態(tài)顯示，就是當(dāng)顯示器顯示某一個字符時，相應(yīng)的發(fā)光二極管恒定的導(dǎo)通或截止。如圖 (a)所示為 4位靜態(tài) LED 顯示電路。該電路每一位可單獨(dú)顯示。只要在要顯示的那位段選線上保持段選電平，該位就能保持顯示相應(yīng)的顯示字符。這種電路的優(yōu)點(diǎn)是：在同一瞬間可以顯示不同的字符；但缺點(diǎn)就是占用端口資源較多。從下圖可以看出，每位 LED 顯示器需要單獨(dú)占用 8根端口線， 因而，在數(shù)據(jù)較多時不采用此中設(shè)計，而是采用動態(tài)顯示方式。本設(shè)計采用靜態(tài)顯示。 1234567abcdefg8dp9GNDabfcgdedp鎖存器AT 89S51反相器基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)速度測量系統(tǒng)設(shè)計 圖 (a)靜態(tài)顯示電路 所謂動態(tài)顯示，就是將要顯示的多位 LED 顯示器采用一個 8 位的段選端口，然后采用動態(tài)掃描方式一位一位地輪流點(diǎn)亮各位顯示器。如下圖 (b)所示為 4位 LED 動態(tài)顯示電路。 圖 (b)4位動態(tài) LED顯示器電路 光報警裝置 為了保證步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速在安全范圍內(nèi)，本設(shè)計采用二極管作為超速的報警裝置，當(dāng)其轉(zhuǎn)速超過設(shè)定上限時，二極管發(fā)光提醒步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速已超過設(shè)定上限。本設(shè)計的報警電路如圖 所示： +5V AT89C51 基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)速度測量系統(tǒng)設(shè)計 圖 光報警原理圖 下載部分 單片機(jī)的串行口是非常有用的，通過他我們可以把單片機(jī)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳回電腦處理或者接受電腦傳過來的數(shù)據(jù)而進(jìn)行相應(yīng)的動作 。 微控制器有許多標(biāo)準(zhǔn)的通信方法 ,但在主 /從嵌入式系統(tǒng)中 ,最常用的是 RS232 串行接口、 SPI 和 I2C52單片機(jī)有一個全雙工的串行通信口，非常適合與電腦進(jìn)行通信 ， 本次課程設(shè)計，采用的是 RS232 出行接口方式。 RS232 接口與單片機(jī)串行通信 基本原理 串行端口的本質(zhì)功能是作為 CPU 和串行設(shè)備間的編碼轉(zhuǎn)換器。當(dāng)數(shù)據(jù)從 CPU 經(jīng)過串行端口發(fā)送出去時，字 節(jié)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為串行的位。在接收數(shù)據(jù)時，串行的位被轉(zhuǎn)換為字節(jié)數(shù)據(jù)。 在 Windows 環(huán)境（ Windows NT、 Win9 Windows2021）下，串口是系統(tǒng)資源的一部分。應(yīng)用程序要使用串口進(jìn)行通信，必須在使用之前向操作系統(tǒng)提出資源申請要求（打開串口），通信完成后必須釋放資源（關(guān)閉串口）。 RS232 串行通信 接口電路 本次課程設(shè)計串行通信接口電路如圖 所示 : 基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)速度測量系統(tǒng)設(shè)計 圖 串行通信接口電路 5 軟件設(shè)計 單片機(jī)程序設(shè)計的特點(diǎn) 采用單片機(jī) C語言編程具有很多的優(yōu)越性。就算不懂 得單片機(jī)的指令集，也能夠編出完美的單片機(jī)程序，無須懂得單片機(jī)的具體硬件，也能夠編出符合硬件實(shí)際的專業(yè)水平的程序，不同函數(shù)的數(shù)據(jù)實(shí)行覆蓋，有效利用單片機(jī)上有限的 RAM 空間，程序具有堅固性，數(shù)據(jù)被破壞是程序運(yùn)行異常的重要因素， C語言對數(shù)據(jù)進(jìn)行了許多工業(yè)性的處理，避免了運(yùn)行中間非異步的破壞， C語言提供復(fù)雜的數(shù)據(jù)類型 (數(shù)組，結(jié)構(gòu)體，聯(lián)合，枚舉，指針等 )，極大地增強(qiáng)了程序處理能力和靈活性，提供了多種數(shù)據(jù)存儲類型和專門針對8051的 data、 idata、 pdata、 xdata、 code等存儲類型，自動為變量合理分配地 址，提供 small， lar