【正文】 常采用光電編碼器、圓光柵、霍爾元件等為檢測元件，得到的信號是脈沖信號。 選題目的和意義 隨著超大規(guī)模集成電 路技術(shù)的提高，尤其是單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)以其功能強(qiáng)大，價格低廉的顯著特點(diǎn)，使全數(shù)字化測量轉(zhuǎn)速系統(tǒng)得以廣泛應(yīng)用。轉(zhuǎn)速是工程中應(yīng)用非常廣泛的一個參數(shù)，其測量方法較多，而模擬量的采集和模擬處理一直是轉(zhuǎn)速測量的主要方法，但這種測量技術(shù)已不能適應(yīng)現(xiàn)代科技發(fā)展的要求，在測量范圍和精度上，已不能滿足大多數(shù)系統(tǒng)的應(yīng)用。在測量范圍和測量精度方面都有極大的提高?？梢詰?yīng)用于工業(yè)控制中的某一部分，如數(shù)控車床的電機(jī)轉(zhuǎn)速檢測和控制、水泵流量控制以及需要利用轉(zhuǎn)速檢測來進(jìn)行控制的諸多場合，如車輛的里程表、車速表等。 轉(zhuǎn)速測量的方法很多，測量儀表的型式也多種多樣，其使用條件和測量精度也各不相同。前者在使用時必須與被測軸直接接觸，如離心式轉(zhuǎn)速表、磁性轉(zhuǎn)速表與測速發(fā)電機(jī)等；后者在使用時不需要與被測轉(zhuǎn)軸接觸，如光電式轉(zhuǎn)速表、電子數(shù)字式轉(zhuǎn)速表、閃光測速儀等。用這種方法測量時，既要 在發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)動軸上粘貼光標(biāo)紙，又要求測量人員把轉(zhuǎn)速表與光標(biāo)紙的距離控制在很近的范圍，測量十分不方便。過去曾經(jīng)使用過的 接觸式測量儀表，如離心式轉(zhuǎn)速表、磁性轉(zhuǎn)速表、微型發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速表及鐘表式定時轉(zhuǎn)速表，均已先后受到冷落；而利用已知頻率的閃光與被測軸轉(zhuǎn)速同步的方法來測速的閃光測速儀，雖屬于非接觸式儀表，目前仍有應(yīng)用，但基于單片機(jī)的轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)設(shè)計(jì) 第 2 頁 共 22 頁 也退居次要地位。這類轉(zhuǎn)速儀表大多具有體積小、重量輕、讀數(shù)準(zhǔn)確、使用方便等優(yōu)點(diǎn)，容易實(shí)現(xiàn)電腦熒 屏顯示和打印輸出，能夠連續(xù)的反應(yīng)轉(zhuǎn)速變化，既能測定穩(wěn)定情況下的平均轉(zhuǎn)速，也能夠用來在足夠小的時間間隔這一特定條件下測定發(fā)動機(jī)的瞬時轉(zhuǎn)速。 2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求 ⑴ 利用開關(guān)型霍爾傳感器實(shí)現(xiàn)對轉(zhuǎn)速的測量。 系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想 以單片機(jī) AT89C5l 為控制核心，用霍爾集成傳感器作為測量轉(zhuǎn)速的檢測元件，最后用字符型液晶顯示器 LCD1602(HD44780 控制 )顯示小型直流電動機(jī) 的 轉(zhuǎn)速 ，系統(tǒng)總體構(gòu)成如圖 1 所示。 ② 利用 proteus 仿真軟件畫出電路原理圖。 ④ 利用 Keil51 軟件的 uVision2 集成環(huán)境對系統(tǒng)工作軟件進(jìn)行編譯、調(diào)試和仿真。 ⑥ 軟硬件聯(lián)合調(diào)試。工作方式為：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。 方案二： 采用紅外光電傳感器，進(jìn)行非接觸式檢測。系統(tǒng)在光電傳感器收發(fā)端間加入電動機(jī)，并在電動機(jī)的轉(zhuǎn)軸上安裝一轉(zhuǎn)盤。每當(dāng)轉(zhuǎn)盤隨著后輪旋轉(zhuǎn)的時候，傳感器將向外輸出若干個脈沖。 兩個方案的主體電路相同，只是傳感的的選擇不同。② 過載能力強(qiáng)：當(dāng)原邊電流超負(fù)荷，模塊達(dá)到飽和，可自動保護(hù)，即使過載電流是額定值的 20 倍時，模塊也不會損壞。 ④還可以通過使用多塊磁鋼來倍頻，以增加測量的精度。 單片機(jī)的選擇 方案一：采用型號為 AT89C51 的單片機(jī) 作為主 控制 器。它將多功能 8 位 CPU和閃爍存儲器組合在單個芯片中，為許多控制提供了靈活性高且價格低廉的方案。 C8051F060 系列單片機(jī)是美國 CYGNAL 公司推出的一種與 51 系列單片機(jī)內(nèi)核兼容的單片機(jī) 。 故選擇方案一。 方案二：采用點(diǎn)陣式數(shù)碼管顯示，點(diǎn)陣式數(shù)碼管是由八行八列的發(fā)光二極管組成，對于顯示簡單文字比較適合 ,如果顯示數(shù)字則浪費(fèi)資源 ,而且價格也相對較高。 故選擇方案三。該器件采用 ATMEL 高密度非易失存儲器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的MCS51 指令集和輸出管腳相兼容。 圖 2 是常用的一種單片機(jī)，型號為 AT89C51，它將計(jì)算機(jī)的功能都集成到這個芯片內(nèi)部去了，就這么一個小小的芯片就能構(gòu)成一臺小型的電腦，因此叫做單片機(jī) [4]。 在 40 個管腳中，其中有 32個腳可用于各種控制，比如控制小燈的亮與滅、控制電機(jī)的正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)、控制電梯的升與降等，這 32 個腳叫做單片機(jī)的“端口”，在單片機(jī)技術(shù)中，每個端口都有一個特定的名字，比如第一腳的那個端口叫做“ ”。 ? P0 口： P0 口為一個 8 位漏級開路雙向 I/O 口，每腳可吸收 8TTL 門電流。 P0能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲器，它可以被定義為數(shù)據(jù) /地址的第八位。 ? P1 口： P1 口是一個內(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。在 FLASH 編程和校驗(yàn)時，P1 口作為第八位地址接收。并因此作為輸入時， P2口的管腳被外部拉低，將輸出電流。 P2 口當(dāng)用于外部程序存儲器或 16 位地址外部數(shù)據(jù)存儲器進(jìn)行存取時， P2 口輸出地址的高八位。 P2 口在 FLASH 編程和校驗(yàn)時接收高八位地址信號和控制信號。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。 P3口也可作為 AT89C51 的一些特殊功能口 。 ? RST：復(fù)位輸入。 ? ALE/PROG：當(dāng)訪問外部存儲器時，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)。在平時， ALE 端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的 1/6。然而要注意的是：每當(dāng)用作外部數(shù)據(jù)存儲器時，將跳過一個ALE 脈沖。此時， ALE 只有在執(zhí)行MOVX， MOVC 指令是 ALE 才起作用。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài) ALE 禁止，置位無效。在由外部程序存儲器取指期間，每個機(jī)器周期兩次 /PSEN 有效。 ? EA/VPP：當(dāng) /EA 保持低電平時，則在此期間外部程序存儲器（ 0000HFFFFH），不管是否有內(nèi)部程序存儲器。在 FLASH 編程期間，此引腳也用于施加 12V編程電源（ VPP）。 ? XTAL2：來自反向振蕩器的輸出 [4]。 振蕩器特性 XTAL1 和 XTAL2 分別為反向放大器的輸入和輸出。石 英晶體 振蕩和陶瓷振蕩均可采用。有余輸入至內(nèi)部時鐘信號要通過一個二分頻觸發(fā)器，因此對外部時鐘信號的脈寬無任何要求，但 必須保證脈沖的高低電平要求的寬度 [2]。在芯片擦操作中，代碼陣列全被寫 “1” 且在任何非空存儲字節(jié)被重復(fù)編程以前，該操作必須被執(zhí)行。在閑置模式下， CPU 停止工作。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，直到下一個硬件復(fù)位為止 [2]。它具有對磁場敏感、結(jié)構(gòu)簡單、體積小、頻率響應(yīng)寬、輸出電壓變化大和使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)，因此，在測量、自動化、計(jì)算機(jī)和信息技術(shù)等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。 它由電壓調(diào)整電路、反相電源保護(hù)電路、霍爾元件、溫度補(bǔ)償電路、微信號放大器、施密特觸發(fā)器和 OC門輸出極構(gòu)成，通過使用上拉電阻可以將其輸出接入 CMOS 邏輯電路。 A3144E 系列單極高溫霍爾效應(yīng)集成傳感器是由穩(wěn)壓電源，霍爾電壓發(fā)生器，差分放大器，施密特觸發(fā)器和輸出放大器組成的磁敏傳感電路，其輸 入為磁感應(yīng)強(qiáng)度，輸出是一個數(shù)字電壓訊號 。 可應(yīng)用于汽車工業(yè)和軍事工程中 。磁場由磁鋼提供，所以霍爾傳感器和磁鋼需要配對使用。 圖 5 霍爾傳感器的接線圖 基于單片機(jī)的轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)設(shè)計(jì) 第 8 頁 共 22 頁 霍爾傳感器測量原理 測量電機(jī)轉(zhuǎn)速的第一步就是要將電機(jī)的轉(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(jì)數(shù)。 圖 6霍爾器件測速原理 轉(zhuǎn)速測量方法 轉(zhuǎn)速的測量方法很 多，根據(jù)脈沖計(jì)數(shù)來實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速測量的方法主要有 M法 (測頻法 )、T法 (測周期法 )和 MPT 法 (頻率周期法 )，該系統(tǒng)采用了 M 法 (測頻法 )。根據(jù)霍爾效應(yīng)原理，將一塊永久磁鋼固定在電機(jī)轉(zhuǎn)軸上的轉(zhuǎn)盤邊沿，轉(zhuǎn)盤隨 側(cè) 軸旋轉(zhuǎn)，磁鋼也將跟著同步旋轉(zhuǎn)，在轉(zhuǎn)盤下方安裝一個霍爾器件，轉(zhuǎn)盤隨軸旋轉(zhuǎn)時，受磁鋼所產(chǎn)生的磁場的影響，霍爾器件輸出脈沖信號，其頻率和轉(zhuǎn)速成正比。根據(jù)式 (11)即可計(jì)算出直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速 。其大小和外磁場及電流大小成比例。 LCD1602 LCD1602簡介 字符型液晶顯示模塊是一種專門用于顯示字母、數(shù)字、符號等點(diǎn)陣式 LCD，目前常用 16*1， 16*2， 20*2 和 40*2 行等的模塊。字符型 LCD1602 通常有 14 條引腳線或 16條引腳線重慶文理學(xué)院本科生畢業(yè)論文 (設(shè)計(jì) ) 第 9 頁 共 22 頁 的 LCD，多出來的 2 條線是背光電源線 VCC(15 腳 )和地線 GND(16 腳 )，其控制原理與 14腳的 LCD 完全一 樣 。 圖 7 LCD1602 實(shí)物圖 LCD1602 的基本參數(shù)及引腳功能 1. LCD1602類型 LCD1602分為帶背光和不帶背光兩種，基控制器大部分為 HD44780，帶背光的比不帶背光的厚，是否帶背光在應(yīng)用中并無差別，兩者尺寸差別如圖 8所示。 表 2 LCD1602引腳接口說明 編號 符號 引腳說明 編號 符號 引腳說明 1 VSS 電源地 9 D2 數(shù)據(jù) 2 VDD 電源正極 10 D3 數(shù)據(jù) 3 VL 液晶顯示偏壓 11 D4 數(shù)據(jù) 4 RS 數(shù)據(jù) /命令選擇 12 D5 數(shù)據(jù) 5 R/W 讀 /寫選擇 13 D6 數(shù)據(jù) 6 E 使能信號 14 D7 數(shù)據(jù) 7 D0 數(shù)據(jù) 15 BLA 背光源正極 8 D1 數(shù)據(jù) 16 BLK 背光源負(fù)極 第 1腳： VSS 為地電源。 第 3腳： VL 為液晶顯示器對比度調(diào)整端，接正電源時對比度最弱，接地時對比度最高，對比度過高時會產(chǎn)生 “ 鬼影 ” ，使用時可以通過一個 10K 的電位器調(diào)整對比度。 第 5腳： R/W 為讀寫信號線，高電平時進(jìn)行讀操作，低電平時進(jìn)行寫操作。 第 6腳： E 端為使能端，當(dāng) E 端由 高電平跳變成低電平時，液晶模塊執(zhí)行命令。 第 15腳：背光源正極。 單片機(jī)的 硬件 連接 重慶文理學(xué)院本科生畢業(yè)論文 (設(shè)計(jì) ) 第 11 頁 共 22 頁 圖 9 1602 與單片機(jī)接線圖 硬件連接圖如圖 9所示。 報(bào)警器的種類很多，比如：揚(yáng)聲器、蜂鳴器等，本設(shè)計(jì)中選用電磁式蜂鳴器作為報(bào)警器。接通電源后，振蕩器產(chǎn)生的音頻信號電流通過電磁線圈，使電磁線圈產(chǎn)生磁場。 圖 10 蜂鳴器外形圖 基于單片機(jī)的轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)設(shè)計(jì) 第 12 頁 共 22 頁 5 軟件設(shè)計(jì) 本系統(tǒng)采用 AT89C51 中的 0INT 中斷對轉(zhuǎn)速脈沖計(jì)數(shù)。每到 1s 讀一次外部中斷 0INT 計(jì)數(shù)值，此值即為脈沖信號的頻率，代表的即是電機(jī)的轉(zhuǎn)速。如果是，就啟動系統(tǒng)運(yùn)行。啟動系統(tǒng)后，霍爾傳感器檢測脈沖到來后，啟動外部中斷，每來一個脈沖中斷一次，記錄脈沖個數(shù)。連續(xù)采樣三次，取平均值記為一次轉(zhuǎn)速值。圖 11程序框圖所示 . N Y