【正文】 輸出低電平電壓 Vout Iout=20mA BBOP 200400mV 輸出高電平電流 IOFF Vout=24V B 電源電流 ICC VCC=24V 基于單片機(jī) 的電機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì) 18 輸出端開路 10 mA 輸出上升時(shí)間 tr Vcc=12V RL= CL= μ S 輸出下降時(shí)間 tf Vcc=12V RL= CL= μ S 產(chǎn)品特點(diǎn) : . 電源電壓范圍寬 . 可用市售的小磁環(huán)來(lái)驅(qū)動(dòng) . 無(wú)可動(dòng)部件、可靠性高 . 尺寸小 . 抗環(huán)境應(yīng)力 . 可直接同雙極和 MOS 邏輯電路接口 應(yīng)用 : . 高靈敏的無(wú)觸點(diǎn)開關(guān) . 直流無(wú)刷電機(jī) . 直流無(wú)刷風(fēng)機(jī) . 霍爾開關(guān)元件的電路圖： 圖 48 霍爾傳感器的電路圖 發(fā)送模塊 根據(jù)系統(tǒng)功能要求，要使單片機(jī)測(cè)量的轉(zhuǎn)速能夠向上位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)，硬件電路中必須要考慮到單片機(jī)的發(fā)送部分，由于單片機(jī)通過(guò)串口發(fā)送出基于單片機(jī) 的電機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì) 19 來(lái)的是 TTL 邏輯電平（ 0V 和 5V），而計(jì)算機(jī) RS232 總線上輸入、輸出數(shù)據(jù)和控制信號(hào)為 +12V 左右的電壓，單片機(jī)要和 PC 的上位機(jī)通信就必須是電平一致，所以發(fā)送部分關(guān)鍵的部分是電平轉(zhuǎn)換和串口發(fā)送，電平轉(zhuǎn)換可以用模擬器件進(jìn)行轉(zhuǎn)換，但是為了方便起見，本次設(shè)計(jì)采用的是集成芯片，一個(gè)芯片加上它的外圍電路即可完成電平的轉(zhuǎn) 換的工作。 AH41 霍爾開關(guān) AH41 霍爾開關(guān)電路最適于響應(yīng)變化斜率陡峭的磁場(chǎng)并在磁通密度較弱的場(chǎng)合使用，適用于單極或多對(duì)磁環(huán)工作，它由反向電壓保護(hù)器、電壓調(diào)整器、霍爾電壓發(fā)生器、信號(hào)放大器、史密特觸發(fā)器和集電極開路的輸出級(jí)組成。在封裝好的霍爾電路中，霍爾片的深度在產(chǎn)品手冊(cè)中會(huì)給出。為保證霍爾器件，尤其是霍爾開關(guān)器件的可靠工作，在應(yīng)用中要考慮有效工作氣隙的長(zhǎng)度。例如， 用一個(gè) 5 4 （ mm3）的釹鐵硼Ⅱ號(hào)磁鋼，就可在它的磁極表面上得到約 2300 高斯的磁感應(yīng)強(qiáng)度。若不垂直，則應(yīng)求出其垂直分量來(lái)計(jì)算被測(cè)磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度值。 霍爾開關(guān)電路又稱霍爾數(shù)字電路，由穩(wěn)壓器、霍爾片、差分放大器，斯密特觸發(fā)器和輸 出級(jí)組成 。按照輸出信號(hào)的形式，可以分為開關(guān)型集成霍爾傳感器和線性集成霍爾傳感器兩種類型。此外，它具有體積小、重量輕、功耗低等優(yōu)點(diǎn)，正越來(lái)越愛到眾的重視。它取消了傳感器和測(cè)量電路之間的界限，實(shí)現(xiàn)了材料、元件、電路三位一體。前者是直接檢測(cè)出被測(cè)對(duì)象本身的磁場(chǎng)或磁特性，后者是檢測(cè)被檢測(cè)對(duì)象上人為設(shè)置的磁場(chǎng)，用這個(gè)磁場(chǎng)作為被檢測(cè)信息的載體，通過(guò)它，將許多非電、非磁的物理量例如力、力矩、壓力、應(yīng)力、位置、位移、加速度、角度、角速度、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)數(shù)以及工作狀態(tài)發(fā)生變化的時(shí)間等，轉(zhuǎn)換成電量來(lái)進(jìn)行檢測(cè)和控制。前者輸出模擬量，后者輸出數(shù)字量。采用了各種補(bǔ)償措施的霍爾器件的工作 溫度范圍廣，可達(dá) 55150 度。 霍爾期間具有許多優(yōu)點(diǎn)，他們的結(jié)構(gòu)牢固，體積小，重量輕，壽命長(zhǎng)，安裝方便，功耗小，頻率高（可達(dá) 1MHZ），耐震動(dòng)，不怕灰塵、水汽及 煙霧等污染或腐蝕。要他們可以檢測(cè)磁場(chǎng)及其變化，可以在各種與磁場(chǎng)有關(guān)的場(chǎng)合中。 圖 47 五位動(dòng)態(tài)顯示電路 霍爾傳感器簡(jiǎn)介 霍爾器件概述 霍爾元件是一種基于霍爾效應(yīng)的磁傳感器，已發(fā)展成一個(gè)品種多樣的基于單片機(jī) 的電機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì) 16 磁傳感器產(chǎn)品族，并已得到廣泛應(yīng)用。 AT89C51 的 P0 口作為段數(shù)據(jù)口，接上拉電阻到顯示器的各個(gè)段； P2 口作為掃描口，經(jīng)同相驅(qū)動(dòng)器 7407 接顯示器公共極。本 次 設(shè)計(jì) 要求 的轉(zhuǎn) 速測(cè) 量范 圍60r/min36000r/min，所以只需要 5 位數(shù)碼管即可 。調(diào)整電流和時(shí)間參數(shù)，可實(shí)現(xiàn)亮度較高較穩(wěn)定的顯示。 所謂動(dòng)態(tài)顯示，就一位一位地輪流點(diǎn)亮各位顯示器（掃描），對(duì)于每一位顯示器來(lái)說(shuō)，每隔一段時(shí)間點(diǎn)亮一次。 圖 44 七段發(fā)光顯示器的結(jié)構(gòu) 圖 45 七段發(fā)光顯示器管腳的結(jié)構(gòu) 驅(qū)動(dòng)方式 ： 采用的數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)為 7407，它的全名為 7407 TTL 集電極開路六正相高壓驅(qū)動(dòng)器，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便，圖 46為 7407的圖以及各個(gè)引腳的分布功能介紹。 基于單片機(jī) 的電機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì) 13 此外，要畫出電路圖，首先還要搞清楚他的引腳圖的分布，在了解了正確的引腳圖后才能進(jìn)行正確的字型段碼編碼。發(fā)光二極管的陽(yáng)極連在一起的稱為共陽(yáng)極顯示器 ,陰極連在一起的稱為共陰極顯示器。 LED有單個(gè) LED和八段 LED之分，也有共陰和共陽(yáng)兩種。 圖 43 上電復(fù)位電路 顯示電路 顯示電路采用 LED數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示， LED（ LightEmitting Diode）是一種外加電壓從而渡過(guò)電流并發(fā)出可見光的器件。 RC時(shí)間常數(shù)越大，上電 RST端保持高電平的時(shí)間越長(zhǎng)。 RST端在加電時(shí)應(yīng)保持的高電平時(shí)間包括 VCC的上升時(shí)間和振蕩器起振的時(shí)間， Vss上升時(shí)間若為 10ms，振蕩器起振的時(shí)間和頻率有關(guān)。對(duì)于 MOS(AT89C51)單片機(jī)只基于單片機(jī) 的電機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì) 12 要接一個(gè)電容至 VCC即可 (見圖 4－ 3)。 RST變?yōu)榈碗娖胶螅顺鰪?fù)位， CPU從初始狀態(tài)開始工作。 MCS51單片機(jī)有一個(gè)復(fù)位引腳 RST，它是史密特觸發(fā)輸入 (對(duì)于 CHMOS單片機(jī)， RST引腳的內(nèi)部有一個(gè)拉低電阻 )，當(dāng)振蕩器起振后 該引腳上出現(xiàn)2個(gè)機(jī)器周期 (即 24個(gè)時(shí)鐘周期 )以上的高電平，使器件復(fù)位，只要 RST保持高電平， MCS51保持復(fù)位狀態(tài)。電容 C1和 C2的作用有兩個(gè)：其一是使振蕩器起振，其二是對(duì)振蕩器的頻率 f起微調(diào)作用（ C C2大， f變?。?，其典型值為 30pF。清“ 0” PD，使振蕩器工作產(chǎn)生時(shí)鐘，單片機(jī)便正常運(yùn)行。 基于單片機(jī) 的電機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì) 11 CMOS型單片機(jī)內(nèi)部（如 AT89C51）有一個(gè)可控的負(fù)反饋反相放大器，外接晶振（或陶瓷諧振器）和電容組成振蕩器，圖 4－ 2為 CMOS型單片機(jī)時(shí)鐘電路框圖。 MCS51單片機(jī)允許的時(shí)鐘頻率是因型號(hào)而異的典型值為 12MHZ MCS51內(nèi)部都有一個(gè)反相放大器， XTAL XTAL2分別為反相放大器輸入和輸出端，外接定時(shí)反饋元件以后就組成振蕩器，產(chǎn)生時(shí)鐘送至單片機(jī)內(nèi)部的各個(gè)部件。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。在閑置模式下， CPU 停止工作。在芯片擦操作中，代碼陣列全被寫 “1” 且在任何非空存儲(chǔ)字節(jié)被重復(fù)編程以前，該操作必須被執(zhí)行。有余輸入至內(nèi)部時(shí)鐘信號(hào)要通過(guò)一個(gè)二分頻觸發(fā)器，因此對(duì)外部時(shí)鐘信號(hào)的脈寬無(wú)任何要求，但必須保證脈沖的高低電平要求的寬度。石 英 振蕩和陶瓷振蕩均可采用。 振 蕩器特性： XTAL1 和 XTAL2 分別 為反向放大器的輸入和輸出。 ：反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時(shí)鐘工作電路的輸入。注意加密方式 1 時(shí)， /EA基于單片機(jī) 的電機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì) 10 將內(nèi)部鎖定為 RESET；當(dāng) /EA 端保持高電平時(shí)，此間內(nèi)部 程序存儲(chǔ)器。但在訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，這兩次有效的 /PSEN 信號(hào)將不出現(xiàn)。 9./PSEN：外部程序存儲(chǔ)器的選通信號(hào)。另外，該引腳被略微拉高。 表 41 P3 口的第二功能 The second feature I P3 引 腳 第二功能 信 號(hào) 名 稱 RXD TXD INT0 INT1 T0 T1 WR RD 串行數(shù)據(jù)接收 串行數(shù)據(jù)發(fā)送 外部中斷 0請(qǐng)求 外部中斷 1請(qǐng)求 定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 0計(jì)數(shù)輸入 定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 1計(jì)數(shù)輸入 外部 RAM 寫選通 外部 RAM 讀選通 P3 口同時(shí)為閃爍編程和編程校驗(yàn)接收一些控制信號(hào)。然而要注意的是：每當(dāng)用作外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，將跳過(guò)一個(gè) ALE 脈沖。在平時(shí)， ALE 端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號(hào)，此頻率為振蕩器頻率的1/6。 基于單片機(jī) 的電機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì) 9 ：當(dāng)訪問(wèn)外部存儲(chǔ)器時(shí)，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)。 P3 口也可作為 AT89C51 的一些特殊功能口，如下表 4－ 1所示： ：復(fù)位輸入。當(dāng) P3 口寫入 “1” 后，它們被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入。 P2 口在 FLASH 編程和校驗(yàn)時(shí)接收高八位地址信號(hào)和控制信號(hào)。 P2 口當(dāng)用于外部程序存儲(chǔ)器或16 位地址外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行存取時(shí)， P2 口輸出地址的高八位。并因此作為輸入時(shí)， P2 口的管腳被外 部拉低，將輸出電流。在 FLASH 編程和校驗(yàn)時(shí)， P1 口作為第八位地址接收。 口： P1 口是一個(gè)內(nèi)部提供上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， P1 口緩沖器能接收輸出 4TTL 門電流。 P0 能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，它可以被定義為數(shù)據(jù) /地址的第八位。 片內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘電路 基于單片機(jī) 的電機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì) 8 管腳說(shuō)明： ：供電電壓 ； ：接地 ； 口： P0 口為一個(gè) 8 位漏 極 開路雙向 I/O 口，每腳可吸收 8TTL門電流。 可編程串行通道 兩個(gè) 16位定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 128*8位內(nèi)部 RAM 全靜態(tài)工作： 0Hz24Hz 4K字節(jié)可編程閃爍存儲(chǔ)器 壽命： 1000寫 /擦循環(huán) 圖 41 AT89C51 引腳圖 主要特性： 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。 處理 執(zhí)行 元件 單片機(jī) 我們采用 AT89C51(其引腳圖如圖 4－ 1)，相較于 INTEL 公司的8051 它本身帶有一定的優(yōu)點(diǎn)。在整個(gè)電路設(shè)計(jì)時(shí)要考慮電平轉(zhuǎn)換電路，具體每一部分的設(shè)計(jì)將在以下章節(jié)中詳細(xì)分析。 整個(gè)單片機(jī)測(cè)量轉(zhuǎn)速系統(tǒng)為單片機(jī)控制模塊、霍爾傳感器模塊、發(fā)送模塊，各個(gè)模塊都承擔(dān)著各自的任務(wù)。軟件的具體設(shè)計(jì)我們將在下面的章節(jié)中作詳細(xì)介紹。調(diào)用兩字節(jié)二進(jìn)制 三字節(jié)十進(jìn)制 （ BCD） 轉(zhuǎn)換子程序 BCD，再調(diào)用十進(jìn)制轉(zhuǎn)換成非壓縮 BCD程序 CBCD、 最后調(diào)用查表程序送顯示。（同時(shí)調(diào)用傳送程序向上位機(jī)送數(shù)據(jù)，這里不是本文重點(diǎn)） 轉(zhuǎn)速部分軟件設(shè)計(jì)思路： AT89C51單片機(jī)的 號(hào)。 軟件工作流程： 霍爾傳感器利用磁電效應(yīng)產(chǎn)生一周期脈沖向單片機(jī)的外部中斷 0（ ） 口 發(fā)送一個(gè) 中斷 信號(hào)， 定時(shí)器工作在內(nèi)部定時(shí)， TH0、TL0 設(shè)定初值為 0，作為除數(shù)的低兩字節(jié)，利用軟件記數(shù)器、定時(shí)器 0 中斷的次數(shù)作為除數(shù)高字節(jié)。顯示部分、需要有一個(gè) 二進(jìn)制到十進(jìn)制的轉(zhuǎn)化程序，以及轉(zhuǎn)換成非壓縮 BCD 的程序后、才能進(jìn)行調(diào)用查表程序送到顯示。 圖 31 單片機(jī)部分硬件框圖 具體詳細(xì)的敘述將在下面的章節(jié)中逐一介紹。另由于 PC系列微機(jī)串行口為 RS232C標(biāo)準(zhǔn)接口，與輸入、輸出均為 TTL電平的 89C51單片機(jī)在接口規(guī)范上不一致，因此 TTL 電平到 RS－ 232接口電平的轉(zhuǎn)換采用 HIN232CP接口芯片，該芯片可以用單電壓 （ +5V） 實(shí)現(xiàn) RS232接口邏輯 “1” （ 3V～ 15V） 和邏輯 “0” （ +3V～ +15V） 的電平轉(zhuǎn)換。 3 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 硬件電路設(shè)計(jì)思路 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)的原理框圖、電路原理圖。 單片機(jī)可通過(guò)編程控制外圍部件，能實(shí)現(xiàn)較高的自動(dòng)化程度。 主要內(nèi)容： （ 1） 單片機(jī)部分主要完成電機(jī)轉(zhuǎn)速的測(cè)量 （ 2） LED 部分主要是把轉(zhuǎn)速顯示出來(lái)，顯示范圍 6036000r/min （ 3） 發(fā)送部分主要是完成電平轉(zhuǎn)換，送 RS232 向 PC 發(fā)送數(shù)據(jù)。轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)具有大范圍、高精度 傳感器 單 片 機(jī) AT89C51 電 平 轉(zhuǎn) 換 電 路 LED 顯示 驅(qū)動(dòng)電路 基于單片機(jī) 的電機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì) 3 等優(yōu)點(diǎn)、測(cè)量速度快，這種系統(tǒng)將會(huì)有良好的應(yīng)用。 傳感器電路、轉(zhuǎn)速測(cè)量、 LED 顯示、電平轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)等將在以下章節(jié)作詳細(xì)地設(shè)計(jì)。記錄各時(shí)段的轉(zhuǎn)速，畫出 VT 坐標(biāo)圖。在此特別感謝我的指導(dǎo)老師郭順京老師的大力指導(dǎo)。 由于本人水平有限，加之時(shí)間倉(cāng)促，論文中難免會(huì)有錯(cuò)誤和不足之外，不夠理想、許多方面還需要繼續(xù)完善和改進(jìn)。它具有功能強(qiáng)、體積小、可靠性高、應(yīng)用簡(jiǎn)單靈活，因而使用非常廣泛，有力地推動(dòng)各行業(yè)的技術(shù)發(fā)展和更新?lián)Q代?？梢詫?duì)大 范圍轉(zhuǎn)速進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量的轉(zhuǎn)速精度高，還可以和 PC 機(jī)時(shí)時(shí)通信，