轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)畢業(yè)論文-在線瀏覽
2025-08-09 08:04本頁(yè)面
【正文】 霍爾傳感器測(cè)速裝置、小型直流電動(dòng)機(jī)、反相器74LS、LCD1602液晶顯示電路構(gòu)等。在編程時(shí)應(yīng)該對(duì)主要的程序模塊進(jìn)行注釋加以說明，這樣方便以后的修改和閱讀。2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 硬件電路的總體設(shè)計(jì) 參考前人曾經(jīng)設(shè)計(jì)出的的經(jīng)典電路，并選出適合本系統(tǒng)相關(guān)的電路模塊。利用ProtelDXP軟件設(shè)計(jì)出系統(tǒng)的電路原理圖并生成PCB圖紙?；魻杺鞲衅鳈z測(cè)和轉(zhuǎn)換電路電路、LCD1602液晶顯示電路、單片機(jī)復(fù)位電路、時(shí)鐘電路、隔離電路等設(shè)計(jì)模塊將會(huì)在下面的章節(jié)中有更詳盡的介紹。單片機(jī)復(fù)位電路AT89S52邏輯運(yùn)算單元LCD液晶顯示電路單片機(jī)時(shí)鐘電路霍爾傳感器檢測(cè)和轉(zhuǎn)換電路電路圖21 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)框圖 軟件的總體設(shè)計(jì) 本系統(tǒng)軟件部分的設(shè)計(jì)主要是對(duì)定時(shí)器T0和AT89S52的外部中斷INT0的設(shè)定。調(diào)用數(shù)據(jù)處理子程序并計(jì)算出電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，再調(diào)用液晶LCD1602的顯示子程序，在液晶LCD1602上實(shí)時(shí)的顯示電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。首先應(yīng)設(shè)計(jì)出系統(tǒng)的主函數(shù)模塊的工作流程圖，并依次設(shè)計(jì)出外部中斷INT0（）的服務(wù)程序子程序，對(duì)其脈沖數(shù)進(jìn)行記數(shù)和計(jì)算。本系統(tǒng)使用的AT89S52型單片機(jī)需要的晶振頻率為12MHZ。3 硬件設(shè)計(jì) 1879年，美國(guó)物理學(xué)家霍爾（EHall，1855~1938）經(jīng)過大量的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：如果讓一恒定的電流通過一金屬片，并將薄片至于強(qiáng)磁場(chǎng)中，在金屬片的另外兩側(cè)將產(chǎn)生于磁場(chǎng)強(qiáng)度成正比的電動(dòng)勢(shì)。但是霍爾效應(yīng)在金屬物體內(nèi)部通常是非常微弱的，故在當(dāng)時(shí)人們并沒有對(duì)這種現(xiàn)象加以重視。由于大規(guī)模集成電路的制造工藝有了很大的提升，半導(dǎo)體的制造工藝也得到了迅猛發(fā)展，與此同時(shí)霍爾效應(yīng)比金屬物體十分明顯的半導(dǎo)體材料也被人們大量發(fā)現(xiàn)。本次論文正式基于霍爾傳感器的霍爾效應(yīng)，把電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)化成對(duì)應(yīng)比例的脈沖電壓，利用AT89S52型單片機(jī)對(duì)電動(dòng)機(jī)脈沖進(jìn)行技術(shù)處里，并在LCD1602液晶顯示器上實(shí)時(shí)地顯示電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。圖31 系統(tǒng)電路原理圖 傳感器電路 霍爾傳感器工作原理 當(dāng)金屬或半導(dǎo)體的薄片器件放置在一定的磁感應(yīng)強(qiáng)度的磁場(chǎng)中，并保證金屬或半導(dǎo)體薄片垂直于磁場(chǎng)方向放置，當(dāng)電流大小為I的電流源通過金屬或半導(dǎo)體薄片時(shí)，在垂直于電流和磁場(chǎng)的方向上將產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)E，這種現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)（Hall Effect），該電動(dòng)勢(shì)成為霍爾電動(dòng)勢(shì)（Hall EMF），上述半導(dǎo)體薄片稱為霍爾元件（Hall Element）。圖32 霍爾效應(yīng)原理圖 在參雜濃度很低、電阻率很大的N型襯底上用雜質(zhì)擴(kuò)散法制作出N+導(dǎo)電區(qū)，它的厚度非常薄，電阻值約幾百歐姆。其中一對(duì)成為激勵(lì)電流端，另一對(duì)成為霍爾電動(dòng)勢(shì)輸出端。將電流I通入霍爾元件的電流輸入端，將霍爾元件垂直放入磁場(chǎng)中，設(shè)此時(shí)磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度為B。這樣流過霍爾元件的電子同時(shí)受到羅倫磁力FL和電場(chǎng)力FE的作用，而且這兩個(gè)力的方向相反。最后|FL=FE|時(shí)，電子的積累達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。通過大量的實(shí)驗(yàn)得知，通過半導(dǎo)體薄片的電流越大加在其上的磁場(chǎng)強(qiáng)度B越強(qiáng)，在半導(dǎo)體薄片的對(duì)應(yīng)面之間形成電動(dòng)勢(shì)EH就越高。當(dāng)霍爾元件與磁場(chǎng)方向不垂直時(shí)，磁感應(yīng)強(qiáng)度B的方向與霍爾元件將有一個(gè)角度設(shè)為θ，則實(shí)際上加在霍爾傳感器上的有效作用將會(huì)下降。由此得知霍爾電動(dòng)勢(shì)的方向?qū)㈦S磁感應(yīng)強(qiáng)度B方向的改變而改變。鑒于霍爾傳感器的以上特性，應(yīng)保持磁感應(yīng)強(qiáng)度B垂直于霍爾元件。它有很多的優(yōu)點(diǎn)，比如體積比較小、重量也比較輕、功耗較低、耐震動(dòng)性好、不怕灰塵、水汽及煙霧等，鑒于這么多的優(yōu)點(diǎn)集成霍爾傳感器得到了大規(guī)模的使用。則用單片機(jī)處理開關(guān)型集成霍爾傳感器的輸出信號(hào)顯得十分方便。也可以將霍爾傳感器做成帶螺紋的探頭，這樣的設(shè)計(jì)方便安裝使用。極小的尺寸外形，使得霍爾傳感器能夠進(jìn)行多點(diǎn)的檢查，這樣可以提高檢測(cè)的精確度，可方便微型計(jì)算機(jī)對(duì)霍爾傳感器的輸出端進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。 本次系統(tǒng)設(shè)計(jì)所采用的霍爾傳感器A3144是Allegro MicroSystems公司生產(chǎn)的寬溫、開關(guān)型霍爾效應(yīng)傳感器，霍爾傳感器A3144的工作溫度為40℃～150℃。本次設(shè)計(jì)采用的是3腳直插式封裝器件，器件后綴為“UA”。它能在矩形或者柱形永久性磁鐵所產(chǎn)生的單磁極磁感應(yīng)強(qiáng)度下工作。需要注意的是霍爾傳感器的輸出端應(yīng)接10K的上拉電阻。并選用銅制的柱形支架把圓柱形永久性磁鐵固定在待測(cè)電機(jī)的軸上，為防止電動(dòng)機(jī)在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)小磁鐵被甩出，需要用膠帶再次固定小磁鐵。安裝時(shí)應(yīng)保證圓柱形永久性磁鐵的磁極與霍爾傳感器的表面相垂直，用扎帶將小直流電動(dòng)機(jī)固定好。測(cè)速裝置的安裝如圖35。光電耦合器的工作原理如圖37，當(dāng)電流從光電耦合器的輸入端進(jìn)入后，發(fā)光二極管開始正向?qū)úl(fā)光。對(duì)于脈沖電信號(hào)，當(dāng)輸入端為低電平0時(shí)，光敏三極管截止，輸出為高電平1；當(dāng)輸入為段為高電平1時(shí)，光敏三極管飽和導(dǎo)通，輸出為低電平0。本次設(shè)計(jì)采用的光電耦合器性能較好且價(jià)格便宜，試驗(yàn)表明能夠很不錯(cuò)的實(shí)現(xiàn)輸入輸出間的互相隔離，提高了本系統(tǒng)測(cè)量的精確度。圖36 光電耦合器圖37 光電耦合器電路原理圖在光電耦合器的輸出端還可以接74LS04反向器，反向器的加入再次增強(qiáng)了本系統(tǒng)的抗干擾性。本系統(tǒng)只使用74LS04反向器內(nèi)部的兩組反向器，讓引腳2和引腳3短接在一起，引腳1接光電耦合器的輸出端，引腳4接單片機(jī)的外部中斷0端口。74LS04反向器的使用可以參照?qǐng)D38?？梢园堰壿嬁刂茊卧ˋT89S52單片機(jī)）部分分為時(shí)鐘電路、處理執(zhí)行電路和復(fù)位電路三個(gè)部分。ATMEL公司的AT89S52單片機(jī)是一種高效微控制器而且價(jià)格便宜、容易操作。AT89S52型單片機(jī)的使用可以參照?qǐng)D39。 ：接地。P0口由輸出鎖存器、兩個(gè)三態(tài)輸入緩沖器和輸出驅(qū)動(dòng)及控制電路組成。本系統(tǒng)只用到P0的普通I/O口。 ：P2口是一個(gè)內(nèi)部有上拉電阻的8位雙向I/O口，P2口緩沖器可接收，輸出4個(gè)TTL門電流。 ：P3口管腳是8個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的雙向I/O口，可接收輸出4個(gè)TTL門電流。 ：?jiǎn)纹瑱C(jī)的復(fù)位輸入端。具體的復(fù)位電路在下面的章節(jié)中會(huì)有詳細(xì)的介紹。當(dāng)PC的值超過內(nèi)部程序儲(chǔ)存器的范圍時(shí)，自動(dòng)轉(zhuǎn)向外部程序儲(chǔ)存器。當(dāng)EA為低電平時(shí)，只執(zhí)行外部程序儲(chǔ)存器，因此本次的畢業(yè)設(shè)計(jì)中應(yīng)注意EA不能接地也不能懸空。 ：來(lái)自反向振蕩器的輸出。最后用專用的軟件將在Keil uVision4軟件中生成的Hex文件寫錄到單片機(jī)內(nèi)。本次系統(tǒng)設(shè)計(jì)中AT89S52單片機(jī)的時(shí)鐘頻率采用12MHZ，且單片機(jī)的時(shí)鐘電路采用內(nèi)部振蕩方式。在單片機(jī)的XTALXTAL2引腳上按照單片時(shí)鐘電路圖連接，就構(gòu)成了單片機(jī)的內(nèi)部振蕩方式。 本系統(tǒng)晶振電路所采用的電容C1和C2的值為30PF。單存的追求速度是不行的，單片機(jī)的執(zhí)行速度越快對(duì)存儲(chǔ)器的速度、對(duì)印制電路板的工藝的要求也就會(huì)越來(lái)越高，整個(gè)系統(tǒng)的成本就會(huì)迅速上升。圖310 單片機(jī)時(shí)鐘電路框圖 復(fù)位電路 AT89S52單片機(jī)每次啟動(dòng)運(yùn)行時(shí)都需要上電復(fù)位，這樣使得中央處理器CPU和系統(tǒng)中的其它部件設(shè)定在已經(jīng)設(shè)定的初始狀態(tài)，并由這個(gè)設(shè)定的初始狀態(tài)開始執(zhí)行程序。此時(shí)ALE、PSEN、P0、PPP3口都輸出高電平。 一旦復(fù)位電路失效，AT89S52單片機(jī)將會(huì)從一個(gè)隨機(jī)的狀態(tài)開始工作，單片機(jī)內(nèi)部的程序就不能按已設(shè)定的模式執(zhí)行，也就是說程序出現(xiàn)跑飛。復(fù)位后，P0~P3口輸出高電平；SP寄存器為07H；其他寄存器全部清0；不引響RAM狀態(tài)。上電自動(dòng)復(fù)
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