【正文】 二 章 基于單片機(jī)的轉(zhuǎn)速測量原理 轉(zhuǎn)速的測量原理 轉(zhuǎn)速是工程中應(yīng)用非常廣泛的一個參數(shù)，而隨著大規(guī)模及超大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字測量系統(tǒng)得到普遍應(yīng)用，利用單片機(jī)對脈沖數(shù)字信號的強(qiáng)大處理能力，應(yīng)用全數(shù)字化的結(jié)構(gòu)，使數(shù)字測量系統(tǒng)的越來越普及。轉(zhuǎn)速的測量方法有很多，由于轉(zhuǎn)速是 以單位時間內(nèi)的轉(zhuǎn)速來衡量的，所以本文采用霍爾元器件測量轉(zhuǎn)速。若在垂直于薄片方向（即沿厚度 d 的方向）施加外磁場，在沿長為 l 的方向的兩端面加外電場，則其內(nèi)部會有一定的電流通過。 由于受洛倫茲力，電子的運(yùn)動方向軌跡將發(fā)生偏移，在霍爾元器件薄片的兩個側(cè)面分別產(chǎn)生 電茲積聚或電荷過剩，形成霍爾電場。設(shè) K=R/d,它稱為霍爾器件的靈敏系統(tǒng)，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勢的大小。根據(jù)這一原理，可將一塊永久磁鋼固定在電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上轉(zhuǎn)盤的邊沿，轉(zhuǎn)盤隨被轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，磁鋼也將跟著同步旋轉(zhuǎn)，在轉(zhuǎn)盤附近安裝一個霍爾元件，電機(jī)旋轉(zhuǎn)時，霍爾元件受到磁鋼所產(chǎn)生的 磁場影響，故可輸出脈沖信號，其頻率和轉(zhuǎn)速成正比，測出霍爾元器件輸出的脈沖周期或頻率即可計(jì)算出轉(zhuǎn)速。如圖21 所示： Tm1 21“ M”法測量轉(zhuǎn)速脈沖 南京大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 設(shè)在時間 T 內(nèi)，轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)過的弧度數(shù)為 X? ，則的轉(zhuǎn)速 n 可由下式表示。如圖 22 所示 ： m2T p輸入脈沖時基脈沖 圖 22 “ T” 法脈寬測量 Tp 通過定時器測得。 cf 為硬件產(chǎn)生的基準(zhǔn)時鐘脈沖頻率單位 Hz。 2m 時基脈沖。如圖 23 所示 。單位：（轉(zhuǎn) /分）。單位 Hz。dpabcdefgdp dpgfedcba＋ 5V（ a） （ b）輸入脈沖數(shù)，反映轉(zhuǎn)角。 誤差和精度分析 “ M 法”測量誤差分析 由轉(zhuǎn)速公式： pTmn 160? 給出 因定時時間和輸入脈沖不能保證嚴(yán)格同步，以及在 T 內(nèi)能否正好測量外部脈沖的完整周期個數(shù)，所以 m1 可能產(chǎn)生一個脈沖的量化誤差，故轉(zhuǎn)速變化： 南京大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 pTpTmpTmn 6060)1(60 11 ????? （ 27） nn ??? 其相對誤差為： 11mnn ???? （ 28） 601 npTm ? （ 29） npT 160 ??? (210) ε 相對誤差。 n? 誤差。 “ T 法”測量誤差分析 因 m1 的量化誤差也是 1 個脈沖，故引起的轉(zhuǎn)速變化也可以由下式給出： nnmpmfpmfmpfn ccc????????? )1(6060)1(602222 （ 211） 其相對誤差為： 11601112 ???????npfmnnc? （ 212） 所以由（ 212）式可知，ε隨轉(zhuǎn)速減小而減小。 “ M/T 法”測量誤差分析 由其測量原理可知。保證其測量精度的途徑是增大定時時間 T，或提高時基脈沖的頻率 fc。并根據(jù)第一次的所測轉(zhuǎn)速及時調(diào)整預(yù)測時間 Tc，兼顧高低轉(zhuǎn)速時的測量精度。 C（商業(yè)級），工作頻率可高達(dá) 30MHz，芯片的外形和引腳見下圖（ 2） 圖 31 STC89C51 引腳圖 STC89C51 是一種低功耗、高性能 CMOS8 位微控制器，具有 8K 在系統(tǒng)可編程 Flash 存儲器。片上 Flash 允許程序存儲器在系統(tǒng)可編程，亦適于常規(guī) 編程器。 STC89C51 具有以下標(biāo)準(zhǔn)功能： 8k 字節(jié) Flash， 256 字節(jié) RAM， 32 位 I/O 口線，看門狗定時器，2 個數(shù)據(jù)指針，三個 16 位 定時器 /計(jì)數(shù)器，一個 6 向量 2 級中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口，片內(nèi)晶振及時鐘電路。空閑模式下， CPU 停止工作，允許 RAM、定時器/計(jì)數(shù)器、串口、中斷繼續(xù) 工作。 8 位微控制器 8K字節(jié)在系統(tǒng)可編程 Flash。 其基本結(jié)構(gòu)框圖如圖 ，包括： 4KB ROM； 第三章 霍爾傳感器測轉(zhuǎn)速系統(tǒng)的單元電路的介紹 9 26 個特殊功能寄存器 SFR； 一個可編程全雙工串行口； 兩個 16 位定時器 /計(jì)數(shù)器； STC89C51 單片機(jī) 40 條引腳說明如下 : （ 1）電源引腳。 P P （ P0 口）， P P （ P1 口）， P P （ P2口）， P P （ P3 口）為輸入 /輸出引線。 XTAL1：片內(nèi)震蕩器反相放大器的輸入端。 （ 4）控制總線。 值得強(qiáng)調(diào)的是， P3 口的每一條引腳均可獨(dú)立定義為第一功能的輸入輸出或第二功能 。 表 P3 口線的第二功能定義 ： STC89C51 單片機(jī)的片外總線結(jié)構(gòu) ： ① 地址總線（ AB）：地址總線寬為 16 位，因此，其外部存儲器直接尋址為 64K字節(jié)， 16 位地址總線由 P0 口經(jīng)地址鎖存器提供 8 位地址（ A0 至 A7）； P2 口直接提供 8 位地址（ A8 至 A15）。 ③ 控制總線（ CB）：由 P3 口的第二功能狀態(tài)和 4 根獨(dú)立控制線 RESET、 EA、 ALE、PSEN 組成?；魻柊l(fā)現(xiàn)至今已有 100 多年的歷史，但直到 20 世紀(jì) 50 年代，由于微電子學(xué)的發(fā)展，才被重視和開發(fā)，現(xiàn)在，已發(fā)展成一個品牌多樣的傳感器產(chǎn)品族，并得到廣泛的應(yīng)用。測量系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速傳感器選用 OH137 的霍爾傳感器。電路內(nèi)部 由反向電壓保護(hù)器、電壓調(diào)整器，霍爾電壓發(fā)生器，差分放大器，史密特觸 發(fā)器和集電極開路輸出級組成，能將變化的磁場訊號轉(zhuǎn)換成數(shù)字電壓輸出。 輸出負(fù)載電流 IO40～ 85℃ 貯存溫度范圍 TS 55～ 150℃ 電特性 ： TA=25℃ 參 數(shù) 符號 測試條件 量 值 單位 最小 典型 最大 電源電壓 VCC 24 V 輸出低電平電壓 VOL Vcc=, RL=2KΩ，B≥BOP 200 400 mV 輸出 漏 電流 IOH Vout=Vccmax，B≤BRP 0.1 10 μA 電源電流 ICC VCC=Vccmax OC 開路 3 5 mA 第三章 霍爾傳感器測轉(zhuǎn)速系統(tǒng)的單元電路的介紹 11 輸出上升時間 tr Vcc=12V, RL=820Ω, CL=20pF 0.12 1.20 μS 輸出下降時間 tf Vcc=12V, RL=820Ω, CL=20pF 0.14 1.40 μS 磁特性 ： (VCC=～ 24V) 1mT=10GS 參 數(shù) 符號 量 值 單 位 最小 典型 最大 工作點(diǎn) BOP 18 mT 釋放點(diǎn) BRP 2 mT 回 差 BH 6 8 mT 表 產(chǎn)品性能 分析 圖 32 測試電路： ： Vout Vcc=5V RL RL=820Ω CL=20 pF CL 管腿說明： 2. 地 3.輸出 使用 注意： 1） 安裝時要盡量減小施加到電路外殼或引線上的機(jī)械應(yīng)力。 3）電路為 OC 輸出，需要在 3 腿（電源與輸出）之間加一上拉電阻。 南京大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 圖 33 磁電轉(zhuǎn)換特性 系統(tǒng)顯示電路介紹 74HC595 的介紹 74HC595 是硅結(jié)構(gòu)的 CMOS 器件， 兼容低電壓 TTL 電路，遵守 JEDEC標(biāo)準(zhǔn)。 移位寄存器和存儲器是分別的時鐘。如果兩個時鐘連在一起，則移位寄存器總是比存儲寄存器早一個 脈沖。 8 位串行輸入 /輸出或者并行輸出移位寄存器，具有高阻關(guān)斷狀態(tài)。 BH BRP BOP B VOH VOL 0 圖 34 功能方框圖： REG m AMP 第三章 霍爾傳感器測轉(zhuǎn)速系統(tǒng)的單元電路的介紹 13 圖 35 管腳分布和管腳功能 圖 36 74HC595 工作時序 數(shù)碼管介紹 數(shù)碼管 按發(fā)光二極管單元連接方式分為共陽極數(shù)碼管和共陰極數(shù)碼管。共陽數(shù)碼管在應(yīng)用時應(yīng)將公共極 COM 接到 +5V，當(dāng)某一字段發(fā)光二極管的陰極為低電平時，相應(yīng)字段就點(diǎn)亮。共陰數(shù)碼管是指將所有發(fā)光二極管的陰極接到一起形成公共陰極 (COM)的數(shù)碼管。當(dāng)某一字段的陽極為低電平時，相應(yīng)字段就不亮。 南京大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 圖 37 數(shù)碼管 a bcdegGNDfdpGNDabcefgd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。 處理器采用 STC89C51 單片機(jī)，顯示器采用 8 位 LED 數(shù)碼管動態(tài)顯示。系統(tǒng)軟件框圖如圖 所示 。 STC89C51 包含 2 個 16位定時 /計(jì)數(shù)器、 4K 8 位片內(nèi) FLASH 程序存儲器、 4 個 8 位并行 I/O 口。 8 位并行口 P0、 P2 用于把測量結(jié)果送到顯示電路。 STC89C51與具有更大程序存儲器的芯片管腳兼容 ,如 :89C52(8K 8 位 )或 89C55(32K 8 位 ),為系統(tǒng)軟件升級打下堅(jiān)實(shí)的物質(zhì)基礎(chǔ)。 STC89C51 單片機(jī)是在一塊芯片中集成了 CPU、 RAM、 ROM、定時器 /計(jì)數(shù)器和多功能 I/O 口等一臺計(jì)算機(jī)所需要的基本功能部件。一個 8 位 CPU； 128 字節(jié) RAM 數(shù)據(jù)存儲器； 4 個 8 位并行 I/O 口，其中 P0、 P2 為地址 /數(shù)據(jù)線，可尋址 64KB ROM 或64KB