【正文】 開(kāi)關(guān)型霍爾集成傳感器 (以下簡(jiǎn)稱(chēng)開(kāi)關(guān)型霍爾傳感器 )主要被應(yīng)用于周期和頻率的測(cè)量、轉(zhuǎn)速的測(cè)量、液位控制等方面。 常用的開(kāi)關(guān)型霍爾傳感器有美國(guó) sPRAG1公司的UGN3000系列如 UGN30 UGN3O3O等。它沒(méi)有輸入端，因磁場(chǎng)是由空間輸入的。 規(guī)定用磁鐵的 S極接近開(kāi)關(guān)型霍爾傳感器正面時(shí)形成的 B為正值，從圖 ：當(dāng) B =0時(shí)， V0為高； B=Bop時(shí)， V0立即變低，這點(diǎn)稱(chēng)為“工作點(diǎn)”。繼續(xù)升高 B， V0不變。降低 B到 Brp時(shí)， V0又回升。這點(diǎn)稱(chēng)為“釋放點(diǎn)”。 如圖 ， Brp 一 Bop稱(chēng)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(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì) 不變，因而輸出穩(wěn)定可靠。 圖 開(kāi)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(jì) 系統(tǒng)硬件電路總體設(shè)計(jì) 圖 電路總體設(shè)計(jì) 速度檢測(cè)部分 速度檢測(cè)部分是由開(kāi)關(guān)型霍爾傳感器和磁鋼組成。其電路圖如圖 所示。 測(cè)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(shí)別的脈沖信號(hào)，從而進(jìn)行脈沖計(jì)數(shù)?；魻柶骷鳛橐环N轉(zhuǎn)速測(cè)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(pán)電路 復(fù)位電路 電源及時(shí)鐘電路 數(shù)碼顯示 狀態(tài)顯示電路路 ULN2021A 驅(qū)動(dòng)電路 步進(jìn) 電機(jī) 轉(zhuǎn)速測(cè)量電路 超速報(bào)警裝置 基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)速度測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì) 重量輕、壽命長(zhǎng)、安裝方便等優(yōu)點(diǎn)，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，帶動(dòng)安裝在電機(jī)上的磁鐵，產(chǎn)生對(duì)應(yīng)頻率的脈沖信號(hào)，經(jīng)過(guò)信號(hào)處理后輸出到計(jì)數(shù)器或其他的脈沖計(jì)數(shù)裝置，進(jìn)行轉(zhuǎn)速的測(cè)量。在實(shí)際的使用中，一般需要兩個(gè)磁鋼，將之固定在 待測(cè)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(cè)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(guò)霍爾傳感器時(shí)，由開(kāi)關(guān)型霍爾傳感器的工作原理知，此時(shí)將輸出一個(gè)低電平信號(hào)；而當(dāng)磁鋼離開(kāi)霍爾傳感器后，又將輸出一個(gè)高電平。這樣通過(guò)高低電平的轉(zhuǎn)換，將其送入單片機(jī)后就可以測(cè)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(jì) :本設(shè)計(jì)單片機(jī)最小系統(tǒng)如圖 所示，由主控器 STC89C5時(shí)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(gè)系統(tǒng)的工作，而時(shí)鐘電路負(fù)責(zé)產(chǎn)生單片機(jī)工作所必需的時(shí)鐘信號(hào)，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(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì) 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(cè)量電機(jī)的轉(zhuǎn)速，最終在 LED上顯示測(cè)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(chēng)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(chǔ)器 RAM、程序存儲(chǔ)器 ROM、定時(shí)器 /計(jì)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(gè)完整的微型計(jì)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(jì)的，特別適用于工業(yè)控制及其數(shù)據(jù)處理場(chǎng)合。 STC89C52 是擁有 256 字節(jié)的 RAM， 8K 的片內(nèi) ROM， 3個(gè) 16位定時(shí)器， 6個(gè)中斷源的微處理器 ,也就是俗稱(chēng)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(chǔ)器（ STC89C52 有 8k）。因此在系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)過(guò)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(kāi)發(fā)周期。同時(shí)，在系統(tǒng)工作過(guò)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(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì) （ 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(shí)，可以直接進(jìn)行代換。 （ 3）靜態(tài)時(shí)鐘方式。 89系列單片機(jī)采用靜態(tài)時(shí)鐘方式，可以節(jié)省電能，這對(duì)于降低便攜式產(chǎn)品的功耗十分有用。 （ 4）錯(cuò)誤編程亦無(wú)廢品產(chǎn)生。因?yàn)?89系列單片機(jī)內(nèi)部采用了 Flash 存儲(chǔ)器，所以，錯(cuò)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(yàn)。用 89系列單片機(jī)設(shè)計(jì)的系統(tǒng)，可以反復(fù)進(jìn)行系統(tǒng)試驗(yàn)，每次試驗(yàn)可以編入不同的程序，這樣可以保證用戶(hù)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)達(dá)到最優(yōu)。而且隨著用戶(hù)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(hù)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(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì) 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(jì)數(shù)脈沖 T0 T1； 16~17: WR 寫(xiě)控制 RD 讀控制輸出端 18~19: 晶振諧振器 20： 地線(xiàn) 21~28： P2 接口 高 8 位地址總線(xiàn) 29:PSEN 片外 ROM 選通端 。 單片機(jī)對(duì)片外 ROM 操作時(shí) 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(hào)的排列順序相反 ) 40:電源 +5V 時(shí)鐘電路 STC89C52 單片機(jī)芯片內(nèi)部設(shè)有一個(gè)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(shí)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(shí)元器件，內(nèi)部振蕩電路就會(huì)產(chǎn)生自激振蕩。本系統(tǒng)采用的定時(shí)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(shí)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(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì) 復(fù)位電路 STC89C52的復(fù)位是由外部的復(fù)位電路來(lái)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(jì)采用的是最簡(jiǎn)單的上電自動(dòng)復(fù)位電路 ,其電路圖如圖 。上電自動(dòng)復(fù)位是通過(guò)外部復(fù)位電路的電容充電實(shí)現(xiàn)的，當(dāng)電源接通時(shí)只要 VCC 的上升時(shí)間不超過(guò) 1毫秒 ,就可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)上電復(fù)位。本設(shè)計(jì)時(shí)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(lèi)繁多，但在單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(jiǎn)單，價(jià)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(jì)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(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì) dpgfedcbadpgfedcbaR x 8 R x 8 圖 LED顯示部分 LED 結(jié)構(gòu)與原理 LED 又稱(chēng)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(guò) a～ g 為 7 個(gè)發(fā)光段 的不同組合，可以顯示0～ 9和 A～ F 共 16 個(gè)數(shù)字和字母。 LED 可以分為共陰極和共陽(yáng)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(gè)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(chēng)字形碼，又稱(chēng)段選碼。 數(shù)碼管管腳分配圖 a共陰極 b共陽(yáng)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(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì) 表 41 7段 LED的段選碼表 顯示字符 共陰極段碼 共陽(yáng)極段碼 顯示字符 共陰極段碼 共陽(yáng)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(gè)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(gè)顯示段發(fā)光 （即這 3 個(gè)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(jiàn)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(dòng)態(tài)顯示。 所謂靜態(tài)顯示，就是當(dāng)顯示器顯示某一個(gè)字符時(shí)，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(xiàn)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(xiàn)， 因而，在數(shù)據(jù)較多時(shí)不采用此中設(shè)計(jì)，而是采用動(dòng)態(tài)顯示方式。本設(shè)計(jì)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(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì) 圖 (a)靜態(tài)顯示電路 所謂動(dòng)態(tài)顯示，就是將要顯示的多位 LED 顯示器采用一個(gè) 8 位的段選端口，然后采用動(dòng)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(dòng)態(tài)顯示電路。 圖 (b)4位動(dòng)態(tài) LED顯示器電路 光報(bào)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(jì)采用二極管作為超速的報(bào)警裝置，當(dāng)其轉(zhuǎn)速超過(guò)設(shè)定上限時(shí)，二極管發(fā)光提醒步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速已超過(guò)設(shè)定上限。本設(shè)計(jì)的報(bào)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(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì) 圖 光報(bào)警原理圖 下載部分 單片機(jī)的串行口是非常有用的，通過(guò)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(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)而進(jìn)行相應(yīng)的動(dòng)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(gè)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(jì)，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(guò)串行端口發(fā)送出去時(shí)，字 節(jié)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為串行的位。在接收數(shù)據(jù)時(shí)，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(qǐng)要求（打開(kāi)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(jì)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(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì) 圖 串行通信接口電路 5 軟件設(shè)計(jì) 單片機(jī)程序設(shè)計(jì)的特點(diǎn) 采用單片機(jī) C語(yǔ)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(wú)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(zhuān)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(jiān)固性，數(shù)據(jù)被破壞是程序運(yùn)行異常的重要因素， C語(yǔ)言對(duì)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(yǔ)言提供復(fù)雜的數(shù)據(jù)類(lèi)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(chǔ)類(lèi)型和專(zhuān)門(mén)針對(duì)8051的 data、 idata、 pdata、 xdata、 code等存儲(chǔ)類(lèi)型，自動(dòng)為變量合理分配地 址，提供 small， lar