【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 研究 。 程序開發(fā)軟件 keil Keil C51 是 美國(guó) Keil Software 公司出品的 51 系列兼容單片機(jī) C 語(yǔ)言軟件開發(fā)系統(tǒng)，與匯編相比， C 語(yǔ)言在功能上、結(jié)構(gòu)性、可讀性、可維護(hù)性上有明顯的優(yōu)勢(shì)，因而易學(xué)易用。 Keil 提供了包括 C 編譯器、宏匯編、連接器、庫(kù)管理和一個(gè)功能強(qiáng)大的仿真調(diào)試器等在內(nèi)的完整開發(fā)方案，通過一個(gè)集成開發(fā)環(huán)境（ uVision）將這些部分組合在一起。 Keil C51 生成的目標(biāo)代碼效率非常 之高，多數(shù)語(yǔ)句生成的匯編代碼很緊湊，容易理解。在開發(fā)大型軟件時(shí)更能體現(xiàn)高級(jí)語(yǔ)言的優(yōu)勢(shì)。 KeilSoftware 公司推出的 uVision4 是一款可用于多種 8051MCU的集成開發(fā)環(huán)境 (IDE)，該 IDE 同時(shí)也是 PK51 及其它開發(fā)套件的一個(gè)重要組件。除增加了源代碼、功能導(dǎo)航器、模板編輯以及改進(jìn)的搜索功能外， uVision3 還提供了一個(gè)配置向?qū)Чδ?，加速了啟?dòng)代碼和配置文件的生成。此外其內(nèi)置的仿真器可模擬目標(biāo) MCU，包括指令集、片上外圍設(shè)備及外部信號(hào)等。 uVision3 提供邏輯分析器，可監(jiān)控基于 MCUI/O 引腳 和外設(shè)狀態(tài)變化下的程序變量。 uVision4 提供對(duì)多種最新的 8051 類微處理器的支持，包括 AnalogDevices 的ADuC83x 和 ADuC84x，以及 Infineon 的 XC866 等。 因此，此次設(shè)計(jì)采用 Keil 來完成軟件實(shí)現(xiàn)。 武漢理工大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 6 2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 硬件的功能由總體設(shè)計(jì)所規(guī)定，硬件設(shè)計(jì)的任務(wù)是根據(jù)總體設(shè)計(jì)要求，在選擇的機(jī)型的基礎(chǔ)上，具體確定系統(tǒng)中所要使用的元器件，設(shè)計(jì)出系統(tǒng)的電路原理圖，必要時(shí)做一些部件實(shí)驗(yàn)，以確定電路圖的正確性，以及工藝結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)加工、印制板的制作、樣機(jī)的組裝等。 整體框架設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì)主要用 AT89C51 作為控制核心， 由霍爾傳感器、 信號(hào)預(yù)處理電路、處理器、顯示器和系統(tǒng)軟件等部分組成。傳感器部分采用霍爾傳感器，負(fù)責(zé)將電機(jī)的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)化為脈沖信號(hào)。信號(hào)預(yù)處理電路包含待測(cè)信號(hào)放大、波形變換、波形整形電路等部分，其中放大器實(shí)現(xiàn)對(duì)待測(cè)信號(hào)的放大 ,降低對(duì)待測(cè)信號(hào)的幅度要求，實(shí)現(xiàn)對(duì)小信號(hào)的測(cè)量 ；波形變換和波形整形電路實(shí)現(xiàn)把正負(fù)交變的信號(hào)波形變換成可被單片機(jī)接受的 TTL/CMOS 兼容信號(hào)。 處理器采用 AT89C51 單片機(jī)，顯示器采用 8 位 LED 數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示。系統(tǒng)原理框圖如圖 1所示。 圖 1 轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)原理框圖 傳感器：用來對(duì)信號(hào)的采樣。放大、整形電路：對(duì)傳感器送過來的信號(hào)進(jìn)行放大和整形，在送入單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理轉(zhuǎn)換。單片機(jī)：對(duì)處理過的信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)速的實(shí)際值，送入 LED。 LED 顯示：用來對(duì)所測(cè)量到的轉(zhuǎn)速進(jìn)行顯示。 信號(hào)采集系統(tǒng) 設(shè)計(jì) 霍爾傳感器 首先，我們選用霍爾傳感器來將轉(zhuǎn)速信號(hào)轉(zhuǎn)化為變化的電信號(hào)。 霍爾傳感器是對(duì)磁敏感的傳感元件，由磁鋼、霍耳元件等組成。測(cè)量系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速傳感器選用 SiKO 的 NJK8002D 的霍爾傳感器，其響應(yīng)頻率為 100KHz，額定電壓為 530（ V）、檢測(cè)距離為 10mm。其在大電流磁場(chǎng)或磁鋼磁場(chǎng)的作用下，能測(cè)量高頻、工頻、直流等各種波形電流。該傳感器具有測(cè)量精度高、電壓范圍寬、功耗小、輸出功率大等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用在高速計(jì)數(shù)、測(cè)頻率、測(cè)轉(zhuǎn)速等領(lǐng)域。輸出電壓 4～ 25V，直流電源要有足夠的濾波電容，測(cè)量極性為 N 極。安裝時(shí)將一非磁性圓盤固定在電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)軸上，將磁鋼粘貼在圓盤邊緣，磁鋼采用永久磁鐵，其磁力較強(qiáng)，霍爾元件固定在距圓盤 110mm 處。當(dāng)磁鋼與霍傳感器 放大、整形電路 單片機(jī) LED 顯示 武漢理工大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7 爾元件相對(duì)位置發(fā)生變化時(shí)，通過霍爾元件感磁面的磁場(chǎng)強(qiáng)度就會(huì)發(fā)生變化。圓盤轉(zhuǎn)動(dòng)，磁鋼靠近霍爾元件，穿 過霍爾元件的磁場(chǎng)較強(qiáng)，霍爾元件輸出低電平；當(dāng)磁場(chǎng)減弱時(shí)，輸出高電平，從而使得在圓盤轉(zhuǎn)動(dòng)過程中，霍爾元件輸出連續(xù)脈沖信號(hào)。 這種傳感器不怕灰塵、油污，在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用廣泛。 霍爾器件是由半導(dǎo)體材料制成的一種薄片，器件的長(zhǎng)、寬、高分別 l、 b、 d。若在垂直于薄片平面（沿厚度 d）方向施加外磁場(chǎng) B，在沿 l 方向的兩個(gè)端面加一外電場(chǎng)，則有一定的電流流過。 由于電子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)，所以將受到一個(gè)洛侖磁力，其大小為： f qVB? 式中： f— 洛侖磁力， q— 載流子電荷， V— 載流子運(yùn)動(dòng)速度， B— 磁感應(yīng)強(qiáng)度。 這樣使電子的運(yùn)動(dòng)軌跡發(fā)生偏移，在霍爾元器件薄片的兩個(gè)側(cè)面分別產(chǎn)生電子積聚或電荷過剩，形成霍爾電場(chǎng)，霍爾元器件兩個(gè)側(cè)面間的電位差 HU 稱為霍爾電壓。 霍爾電壓大小為： / ( )HHU R I B d m V? ? ? 式中： HR — 霍爾常數(shù)， d— 元件厚度， B— 磁感應(yīng)強(qiáng)度， I— 控制電流。 設(shè) /HHK R d? , 則： ()HHU K I B mV? ? ? HK 為霍爾器件的靈敏系數(shù) (mV/mA/T)，它表示該霍爾元件在單位磁感應(yīng)強(qiáng)度和單位控制電流下輸出霍爾電動(dòng)勢(shì)的大小。應(yīng)注意，當(dāng)電磁感應(yīng)強(qiáng)度 B 反向時(shí)，霍爾電動(dòng)勢(shì)也反向。圖 2 為霍爾元件的原理結(jié)構(gòu)圖。 圖 2 霍爾元件原理結(jié)構(gòu)圖 若控制電流保持不變，則霍爾感應(yīng)電壓將隨外界磁場(chǎng)強(qiáng)度而變化，根據(jù)這一原理，可以將兩塊永久磁鋼固定在電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上轉(zhuǎn)盤的邊沿，轉(zhuǎn)盤隨被測(cè)軸旋轉(zhuǎn)，磁鋼也將跟著同步旋轉(zhuǎn)，在 轉(zhuǎn)盤附近安裝一個(gè)霍爾元件，轉(zhuǎn)盤隨軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，霍爾元件受到磁鋼所產(chǎn)生的磁場(chǎng)影響，輸出脈沖信號(hào)。 傳感器內(nèi)置電路對(duì)該信號(hào)進(jìn)行放大、整形，輸出良好的矩形脈沖信號(hào)，測(cè)量頻率范圍更寬，輸出信號(hào)更精確穩(wěn)定，已在工業(yè)，汽車，航空等測(cè)速領(lǐng)域中得到廣泛的應(yīng)用。 其頻率和轉(zhuǎn)速成正比，測(cè)出脈沖的周期或頻率即可計(jì)算出轉(zhuǎn)速 [1]。 武漢理工大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 8 放大電路 轉(zhuǎn)速信號(hào)處理電路包括信號(hào)放大電路、整形及三極管整形電路。我們采用三個(gè)運(yùn)算放大器對(duì)其進(jìn)行信號(hào)的放大。圖 3 為我所設(shè)計(jì)的信號(hào)放大的電路圖。 圖 3 信號(hào)放大電路 由于產(chǎn)生的電壓信號(hào)很小，所以要進(jìn)行放大處理，一般要放大至少 1000 倍（≥ 60dB） ，然后再進(jìn)行信號(hào)處理工作。信號(hào)放大裝置選用運(yùn)算放大器 TL084 作為放大電壓放大元件，采用三級(jí)放大電路，前兩級(jí)級(jí)都采用反響比例運(yùn)算電路，第三級(jí)采用回滯電壓電路，同時(shí)也是后續(xù)整形電路的一部分，如圖 3 所示。設(shè)計(jì)的電壓放大倍數(shù)為 3000 倍。其中第一級(jí)放大倍數(shù)為反向 30 倍，第二級(jí)放大倍數(shù)為反向 2 倍，第三級(jí)約為同向 50 倍。放大后電壓變化范圍為 0～ 。 TL084 采用 12V雙電源供電，由于電源的供電電壓在一定范圍內(nèi)有幅 值上的波動(dòng)，所以會(huì)形成干擾信號(hào)。為起到消除干擾，實(shí)現(xiàn)濾波作用，故供電電源兩端需接 10UF 的電容接地，電容選擇金屬化聚丙已烯膜電容。兩級(jí)運(yùn)放放大所采用的供電電源均采用此種接法。 第一級(jí)與第二級(jí)的電路原理比較簡(jiǎn)單，有放大器的虛短與虛斷，可得知其放大的倍數(shù)，不做過多分析。第三級(jí)為放大與整形的公共部分，其具體分析見下文。 武漢理工大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 整形電路 整形電路的主要作用是將正弦波信號(hào)轉(zhuǎn)化為方波脈沖信號(hào)，正弦波信號(hào)電壓的最大幅值約為 ，最小幅值為 0V。整形電路設(shè)計(jì)的是一種回滯電壓比較器，它具有慣性，起到抗干擾的作用。 從而向輸入端輸入的回滯比較器。在整形電路的輸入端接一個(gè)電容 C5（ 103），起到的作用是阻止其他信號(hào)的干擾，并且將放大的信號(hào)進(jìn)行濾波，解耦。 R9 和R11 是防止電路短路，起到保護(hù)電路的作用。圖 4 為我所設(shè)計(jì)的信號(hào)整形電路。 圖 4 信號(hào)整形電路 一次整形后的信號(hào)基本上為177。 ，在脈沖計(jì)數(shù)時(shí)，常用的是 +的脈沖信號(hào)。如果直接采用 ，會(huì)增加電路的復(fù)雜性，故一般不直接使用，而是先進(jìn)行二次整形。 第二次用三極管整形電路，當(dāng)輸出為 ，三極管 Q2（ 8050）的基 射極和電阻 R14 組成并 聯(lián)電路，電流經(jīng)過 R R14，三極管 Q2 處于反向偏置狀態(tài)，所以， Q2的集 射極未接通，故處于截止?fàn)顟B(tài)。電源回路由 R15，三極管 Q2 的集 射極組成，采用單電源 +4V 供電，由于集射極截止，處于斷路狀態(tài)，故輸出電壓 U0 為 +4V。當(dāng)?shù)谝淮握屋敵鰹?+，三極管 VT2 基 射極處于正向偏置狀態(tài)，有電流 I 通過，故此時(shí)三極管的集 射極處于通路狀態(tài)。電源電流流經(jīng)電阻 R15，三極管的集 射極到地端，由于集 武漢理工大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 10 射極導(dǎo)通時(shí)的電阻很小，可以忽略不計(jì)。電源電壓主要在 R19 上，其輸出電壓約為 0V。綜上所述，三極管整形的電路的 輸入關(guān)系是：信號(hào)為 ， U0=+4V；信號(hào)為 +，U0=0V。 單片機(jī)處理系統(tǒng) 設(shè)計(jì) 單片機(jī) AT89C51 單片機(jī)我們采用 AT89C51(其引腳圖如圖 5)，相較于 INTEL 公司的 8051 它本身帶有一定的優(yōu)點(diǎn)。 AT89C51 是一種帶 4K 字節(jié)閃爍 可編程可擦除只讀存貯器 （ FPEROM—Falsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓，高性能 CMOS 8 位微處理器，俗稱單片機(jī)。該器件采用 ATMEL 高密度非易失存儲(chǔ)器制造技 術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的MCS51 指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能 8 位 CPU和閃爍存儲(chǔ)器組合在單個(gè)芯片中， ATMEL 的 AT89C51 是一種高效微控制器， AT89C 單片機(jī)為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價(jià)廉的方案 [2]。 圖 5 所示為 AT89C51 的引腳圖。 圖 5 AT89C51 引腳圖 該型號(hào)單片機(jī)具有以下多個(gè)特點(diǎn)和功能。 與 MCS51 兼容 。 4K 字節(jié)可編程閃爍存儲(chǔ)器 壽命： 1000 寫 /擦循環(huán) 。 武漢理工大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 11 數(shù)據(jù)保留時(shí)間： 10 年 。 全靜態(tài)工作： 0Hz24Hz。 三級(jí)程序存儲(chǔ)器鎖定 。 128*8 位內(nèi)部 RAM。 32 可編程 I/O 線 。 兩個(gè) 16 位定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 。 5 個(gè)中斷源 。 片內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘電路 。 VCC：供電電壓 。 GND：接地 。 此外， AT89C51 設(shè)有穩(wěn)態(tài)邏輯，可以在低到零頻率的條件下靜態(tài)邏輯，支持兩種軟件可選的掉電模式。在閑置模式下， CPU 停止工作。但 RAM，定時(shí)器，計(jì)數(shù)器，串口和中斷系統(tǒng)仍在工作。在掉電模式下，保存 RAM 的內(nèi)容并且凍結(jié)振蕩器，禁止所用其他芯片功能，直到下一個(gè)硬件復(fù)位為止。 復(fù)位電路 MCS51 單片機(jī)復(fù)位電路 是指 單片機(jī)的初始化操作。單片機(jī)啟運(yùn)運(yùn)行時(shí)，都需要先復(fù)位，其作用是使 CPU和系統(tǒng)中其他部件處于一個(gè)確定的初始狀態(tài)，并從這個(gè)狀態(tài)開始工作。因而，復(fù)位是一個(gè)很重要的操作方式。但單片機(jī)本身是不能自動(dòng)進(jìn)行復(fù)位的，必須配合相應(yīng)的外部電路才能實(shí)現(xiàn)。 圖 6 RC 上電 復(fù)位電路 圖 7 RC 按鍵 復(fù)位電路 武漢理工大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 12 復(fù)位電路的基本功能是：系統(tǒng)上電時(shí)提供復(fù)位信號(hào)，直至系統(tǒng)電源穩(wěn)定后，撤銷復(fù)位信號(hào)。為可靠起見，電源穩(wěn)定后還要經(jīng)一定的延時(shí)才撤銷復(fù)位信號(hào)，以防電源開關(guān)或電源插頭分 合過程中引起的抖動(dòng)而影響復(fù)位。 RST：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器復(fù)位器件時(shí)，要保持 RST 腳兩個(gè)機(jī)器周期的高電平時(shí)間。 單片機(jī)的復(fù)位是由外部的復(fù)位電路來實(shí)現(xiàn)的。片內(nèi)復(fù)位電路是復(fù)位引腳 RST 通過一個(gè)斯密特觸發(fā)器與復(fù)位電路相連，斯密特觸發(fā)器用來抑制噪聲，它的輸出在每個(gè)機(jī)器周期的S5P2，由復(fù)位電路采樣一次。復(fù)位電路通常采用上電自動(dòng)復(fù)位（如圖 6）和按鈕復(fù)位 (如圖7)兩種方式 [3]。 而在單片機(jī)的實(shí)際應(yīng)用中，兩種復(fù)位電路都要有的，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)地附帶上電復(fù)位電路。圖 8 所示為我的設(shè)計(jì)中的按鍵復(fù)位電路。 圖 8 復(fù)位