基于单片机的电机转速测量系统设计(答辩版)完整毕业设计论文附图及源程序

河南理工大学毕业设计（论文）说明书 1 摘 要 在工程实践中，经常会遇到各种需要测量转速的场合，测量转速的方法分为模拟式和数字式两种。模拟式采用测速发电机为检测元件，得到的信号是模拟量。数字式通常采用光电编码器，霍尔元件等为检测元件，得到的信号是脉冲信号。随着微型计算机的广泛应用，特别是高性能价格比的单片机的出现，转速测量普遍采用以单片机为核心的数字式测量方法 。 本文便是 运 用 AT89C51单片机控制的 智能化转速测量仪。电机在运行过程中，需要对其进行监控，转速是一个必不可少的一个参数。本系统就是对电机转速进行测量，并可以和 PC机 进行 通信，显示电 机的转速，并观察电机运行的 基本 状况。 本设计主要用 AT89C51作为控制核心， 由霍尔传感器、 LED数码显 像管 、 HIN232CPE 电平转换 、 及 RS232 构成。 详细介绍了 单片机的测量转速系统及 PC 机与单片机之间的串行通讯。 充分发挥了单片机的性能。 本文重点是测量速度并显示在 5位 LED数码管上。 其优点硬件 是 电路简单，软件功能完善， 测量速度快、精度高、 控制系统可靠，性价比较高等特点 。 关键字 ： MSC-51（单片机）； 转速； 传感器 河南理工大学毕业设计（论文）说明书 2 Abstract In the project practice, we will meet each kind to need frequently to survey the rotational speed the situation, the survey rotational speed method divides into the simulation type and the digital two kinds. The simulation type uses measured that the fast generator is the detecting element, obtains the signal simulates the quantity. Digital usually uses the electro-optical encoder, the Hall part and so on is the detecting element, obtains the signal is the signal impulse. Along with microcomputers widespread application, specially high performance price compared to monolithic integrated circuits appearance, the tachometric survey uses generally take the monolithic integrated circuit as the core digital measuring technique I graduated from the Design of the issue is control of the intelligent use of SCM speed measuring instrument. The system is the motor speed measurement, and PC and can communicate that the motor speed, and to observe the motor running the basic situation. The main design AT89C51 control as the core, by the Hall sensor, LED digital CRT, HIN232CPE-level conversion, and a RS232. Detailed measurements of the speed of the SCM system and PC and the serial communication between the microcontroller. Give full play to the performance of the SCM. This paper is to measure the speed and displayed in five LED digital pipe. The advantage of a simple hardware and software capabilities improve, measuring speed, high precision and control system reliable, cost-effective and so on. Keyword： MSC-51(One-chip computer)； sensor； Tachometer 河南理工大学毕业设计（论文）说明书 3 目 录 摘 要 . 1 Abstract . 2 1 序 言 . 1 2 系统功能分析 . 2 2.1 系统功能概述 . 2 2.2 系统要求及主要内容 . 3 3 系统总体设计 . 4 3.1 硬件电路设计思路 . 4 3.2 软件设计思路 . 4 4 硬件电路设计 . 6 4.1 单片机模块 . 6 4.1.1 处理执行元件 . 6 4.1.2 时钟电路 . 10 4.1.3 复位电路 . 11 4.1.4 显示电路 . 12 4.2 霍尔传感器简介 . 15 4.2.1 霍尔器件概述 . 15 4.2.2 霍尔传感器的应用 . 16 4.2.3 AH41 霍尔开关 . 17 4.3 发送模块 . 18 5 软件设计 . 22 5.1 单片机转速程序设计思路及过程 . 22 5.1.1 单片机程序设计思路 . 22 5.1.2 单片机转速计算程序 . 23 5.1.3 二 -十进制转换程序 . 24 5.2 程序设计 . 27 6 系统调试 . 29 6.1 硬件调试 . 29 6.2 软件调试 . 30 6.3 综合调试 . 32 河南理工大学毕业设计（论文）说明书 4 6.4 故障分析与解决方案 . 33 6.5 结论与经验 . 34 参考文献 . 36 致 谢 . 37 附 录 . 38 附录 1 电路原理图 . 38 附录 2 元器件清单 . 39 河南理工大学毕业设计（论文）说明书 1 1 序 言 智能化转速测量可以对电机的转速进行测量，电机在运行的过程中，需要对其平稳性进行监测，适时对转速的测量有效地可以反映电机的状况。 本系统主要由传感器，单片机 AT89C51构成。可以对大范围转速进行测量，测 量的转速精度高，还可以和 PC机时时通信，实现对电机转速的测量。 单片机的英文名称是 Micro Controller unit,缩写为 MCU，又称为微控制器，它是一种面向控制的大规模集成电路芯片。它具有功能强、体积小、可靠性高、应用简单灵活，因而使用非常广泛，有力地推动各行业的技术发展和更新换代。 本文首先在第二 章绪论介绍了此系统的功能、技术指标以及主要内容等 ；在第三 章论述了总体设计过程 ,确定了技术指标及器件的选择；第四章着重描述了系统硬件电路设计、硬件设计框图及所使用的各种芯片功能与特性 ； 在第五 章 中重 点剖析了软件设计的过程；最后在第六 章中具体论述单片机、电平转换电路、通信的处理及调试。 由于本人水平有限，加之时间仓促，论文中难免会有错误和不足之外，不够理想、许多方面还需要继续完善和改进。在这里恳请指导老师和各位专家老师批评指正。在此特别感谢我的指导老师郭顺京老师的大力指导。 河南理工大学毕业设计（论文）说明书 2 2 系统功能分析 2.1 系统功能概述 功能： 系统主要实现功能是 :AT89C51 单片机接收霍尔 传感器传来的脉冲信号 ,单片机根据外部中断 ,以及内部定时器进行记数计算出电机转速送到LED 显示，同时数据传给 PC 机 ,并在 PC 机屏幕上显示出来。记录各时段的转速，画出 V-T坐标图。 组成及框图 ： 本系统通信部分是单片机经电平转换电路 HIN232CP 之后，通过串口RS-232 发送数据，由 PC 微机接收，微机部分用 Visual Basic 软件编写的界面作为 PC机部分与单片机进行串口之间通信 。 传感器电路、转速测量、 LED 显示、电平转换电路设计等将在以下章节作详细地设计。 图 2-1 系统硬件电路 应用 ： 从实用的角度看，评价一个系统实用价值的重要标准，就是这个系统对社会生活和科技观念有多大的贡献。转速测量系统具有大范围、高精度等优点、测量速度快，这种系统将会有良好的应用。 传感器 单 片 机 AT89C51 电 平 转 换 电 路 LED 显示 驱动电路 送 PC 机界面 河南理工大学毕业设计（论文）说明书 3 2.2 系统要求及主要内容 将霍尔传感器产生的脉冲信号输出入到单片机的外部中断 0口，单片机工作在内部定时器工作方式 0，对周期信号进行内部记数，调用计算公式算出转速，调用显示程序显示在 LED上，同时通过串口向 上位机发送转速数据。 主要内容： （ 1） 单片机部分主要完成电机转速的测量 （ 2） LED部分主要是把转速显示出来，显示范围 60-36000r/min （ 3） 发送部分主要是完成电平转换，送 RS232 向 PC发送数据。 （ 4） PC机部分主要完成将数据显示在界面并描绘出 V-T图 2.3 系统技术指标 系统主要完成以下功能： 测量系统： 1.设计并制作单片机的转速测量的硬件系统； 2.用汇编语言完成转速测量的软件系统； 3.要求把转速显示在 5位 LED上，精度为 0.1%； 4.能向上位机发送数据； 5.用 9 针 RS-232即可； 通信部分 ： 1.在微机部分采用 Visual Basic 编制 RS 232 通信软件； 2.通信软件具有数据接受编辑框； 3.通信软件要适时对数据的记录，用时间曲线表示； 根据系统要实现的功能以及要求，要实现单片机的转速测量主要是各个模块的设计，定时器记数功能、以及 LED驱动、电平转换及 PC机之间的通信。 单片机可通过编程控制外围部件，能实现较高的自动化程度。以它为系统核心的控制模块可实现主从控制，完成预定的任务。 河南理工大学毕业设计（论文）说明书 4 3 系统总体设计 3.1 硬件电路设计思路 硬件设计的任务是根据总体设计要求，在选择的机型的基础上，具体确定系统中所要使用的元器件，设计出系统的原理框图、电路原理图。 89C51单片机通过 INT0输入传感器的脉冲信号， P0口 P2口接 LED动态显示。另由于 PC系列微机串行口为 RS232C标准接口，与输入、输出均为 TTL电平的 89C51单片机在接口规范上不一致，因此 TTL 电平到 RS 232接口电平的转换采用 HIN232CP接口芯片，该芯片可以用单电压 （ +5V） 实现 RS232接口逻辑 “1” （ -3V -15V） 和逻辑 “0” （ +3V +15V） 的电平转换。 转速测量部分 的 硬件设计思路：本次设计单片机部分的硬件框图如 图 2 1所示。 图 3-1 单片机部分硬件框图 具体详细的叙述将在下面的章节中逐一介绍。 3.2 软件设计思路 软件需要解决的是 定时器 0的记数和外部中断 0的 设定 、由于测量的转速范围大，所以低速和高速都要考虑在内，关键在于一个四字节除三字节程序的实现。显示部分、需要有一个二进制到十进制的转化 程序，以及复位电路 CPU 执行单元 显示电路 时钟电路 发送电路 河南理工大学毕业设计（论文）说明书 5 转换成非压缩 BCD 的程序后、才能进行调用查表程序送到显示。 PC机 串口 和单片机串行口 的工作方式，包括串 行 口的通讯速率、奇偶校验位、停止位等 均由通信部分的软件部分实现 。 软件工作流程： 霍尔传感器利用磁电效应产生一周期脉冲向单片机的外部中断 0（ P3.2） 口 发送一个 中断 信号， 定时器工作在内部定时， TH0、TL0设定初值为 0，作为除数的低两字节，利用软件记数器、定时器 0 中断的次数作为除数高字节。中断完毕读取内部记数值作为除数，调用除法程序计算转速，再对二进制数进行一系列变换后调用查表显示程序，显示在 LED上。（同时调用传送程序向上位机送数据，这里不是本文重点） 转速部分软件设计思路： AT89C51单片机的 P3.2口接收传感器的信号。主要编写一个外部中断服务程 序 INT_0，读取记数值的三个字节，并再次清 0记数初值以便下次的记数和计算。调用两字节二进制 -三字节十进制 （ BCD） 转换子程序 BCD，再调用十进制转换成非压缩 BCD程序 CBCD、 最后调用查表程序送显示。为了和 PC通信，系统要求单片机晶振 11.0592MHZ。软件的具体设计我们将在下面的章节中作详细介绍。 河南理工大学毕业设计（论文）说明书 6 4 硬件电路设计 硬 件的功能由总体设计所规定，硬件设计的任务是根据总体设计要求，在选择的机型的基础上，具体确定系统中所要使用的元器件，设计出系统的电路原理图，必要时做一些部件实验，以确定电路图的正确性，以及工艺结构的设计加工、印制板的制作、样机的组装等。 整个单片机测量转速系统为单片机控制模块、霍尔传感器模块、发送模块，各个模块都承担着各自的任务。 设计单片机模块，考虑到 单片机本身 的外围电路较多，所以在单片机模块方面需要极为小心。在整个电路设计时要考虑电平转换电路，具体每一部分的设计将在以下章节中详细分析。 4.1 单片机模块 根据系统功能要求以及单片机硬件电路设计思路（如图 3 1）对单片机模块进行设计，要使单片机准确的测量电机转速，并且使测出的数据能显示出来，所以整个单片机部分分为传感器电路、时钟电路、复位电路、执行元件以及显示电路五个部分。 4.1.1 处理 执行 元件 单片机 我们采用 AT89C51(其引脚图如图 4 1)，相较于 INTEL公司的8051它本身带有一定的优点。 AT89C51是一种带 4K 字节 闪烁 可编程可擦除只读存贮器 （ FPEROM Falsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压，高性能 CMOS 8 位微处理器，俗称单片机。该器件采用 ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的 MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能 8位 CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中， ATMEL 的 AT89C51是一种高效微控制器， AT89C 单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。 河南理工大学毕业设计（论文）说明书 7 图 4-1 AT89C51引脚图 主要特性： 与 MCS-51 兼容 4K字节可编程闪烁存储器 寿命： 1000写 /擦循环 数据保留时间： 10年 全静态工作： 0Hz-24Hz 三级程序存储器锁定 128*8位内部 RAM 32可编程 I/O线 两个 16位定时器 /计数器 5个中断源 可编程串行通道 低功耗的闲置和掉电模式 片内振荡器和时钟电路 管脚说明： 1.VCC：供电电压 ； 2.GND：接地 ； 3.P0 口： P0 口为一个 8 位漏 极 开路双向 I/O 口，每脚可吸收 8TTL门电流。当 P1口的管脚第一次写 1时，被定义为高阻输入。 P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据 /地址的第八位。在 FIASH 编河南理工大学毕业设计（论文）说明书 8 程时， P0 口作为原码输入口，当 FIASH进行校验时， P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。 4.P1口： P1口是一个内部提供上拉电阻的 8位双向 I/O口， P1口缓冲器能接收输出 4TTL门电流。 P1口管脚写入 1后，被内部上拉为高，可用作输入， P1 口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在 FLASH编程和校验时， P1口作为第八位地址接收。 5.P2口： P2口为一个内部上拉电阻的 8位双向 I/O口， P2口缓冲器可接收，输出 4个 TTL 门电流，当 P2口被写 “1” 时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时， P2 口的管脚被外部拉低，将输出电流。 这是由于内部上拉的缘故。 P2 口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时， P2口输出地址的高八位。在给出地址 “1” 时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时， P2 口输出其特殊功能寄存器的内容。 P2口在 FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。 6.P3口： P3口管脚是 8个带内部上拉电阻的双向 I/O口，可接收输出 4个 TTL 门电流。当 P3口写入 “1” 后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平， P3 口将输出电流（ ILL）这是由于上拉的缘故。 P3口也可作为 AT89C51的一些特殊功能口，如下表 4 1所示： 7.RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持 RST脚两个机器周期的高电平时间。 8.ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在 FLASH 编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时， ALE 端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个 ALE脉冲。如想禁止 ALE的输出可在 SFR8EH 地址上置 0。 河南理工大学毕业设计（论文）说明书 9 表 4-1 P3口的第二功能 Tab.4-1 The second feature I P3 引 脚 第二功能 信 号 名 称 P3.0 P3.1 P3.2 P3.3 P3.4 P3.5 P3.6 P3.7 RXD TXD INT0 INT1 T0 T1 WR RD 串行数据接收 串行数据发送 外部中断 0请求 外部中断 1请求 定时器 /计数器 0计数输入 定时器 /计数器 1计数输入 外部 RAM写选通 外部 RAM读选通 P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。 此时， ALE只有在执行 MOVX， MOVC指令是 ALE 才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态 ALE 禁止，置位无效。 9./PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次 /PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的 /PSEN 信号将不出现。 10./EA/VPP：当 /EA 保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（ 0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式 1时， /EA将内部锁定为 RESET；当 /EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加 12V编程电源（ VPP）。 11.XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。 12.XTAL2：来自反向振荡器的输出。 振 荡器特性： XTAL1 和 XTAL2分别 为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以配置为片内振荡器。石 英 振荡和陶瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱动器件， XTAL2 应不接。有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发河南理工大学毕业设计（论文）说明书 10 器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。 芯片擦除： 整个 PEROM 阵列和三个锁 定位的电擦除可通过正确的控制信号组合，并保持 ALE 管脚处于低电平 10ms 来完成。在芯片擦操作中，代码阵列全被写 “1” 且在任何非空存储字节被重复编程以前，该操作必须被执行。 此外， AT89C51设有稳态逻辑，可以在低到零频率的条件下静态逻辑，支持两种软件可选的掉电模式。在闲置模式下， CPU 停止工作。但 RAM，定时器，计数器，串口和中断系统仍在工作。在掉电模式下，保存 RAM的内容并且冻结振荡器，禁止所用其他芯片功能，直到下一个硬件复位为止。 4.1.2 时钟电路 时钟电路是计算机的心脏，它控制着计算机的工作节 奏。 MCS-51单片机允许的时钟频率是因型号而异的典型值为 12MHZ MCS-51内部都有一个反相放大器， XTAL1、 XTAL2分别为反相放大器输入和输出端，外接定时反馈元件以后就组成振荡器，产生时钟送至单片机内部的各个部件。 AT89C51是属于 CMOS8位微处理器，它的时钟电路在结构上有别于 NMOS型的单片机。 CMOS型单片机内部（如 AT89C51）有一个可控的负反馈反相放大器，外接晶振（或陶瓷谐振器）和电容组成振荡器，图 4 2为 CMOS型单片机时钟电路框图。振荡器工作受 /PD端控制，由软件置“ 1” PD（即特殊功能寄存器 PCON.1）使 /PD 0，振荡器停止工作，整个单片机也就停止工作，以达到节电目的。清“ 0” PD，使振荡器工作产生时钟，单片机便正常运行。图中 SYS为晶振或陶瓷谐振器，振荡器产生的时钟频率主要由 SYS参数确定（晶振上标明的频率）。电容 C1和 C2的作用有两个：其一是使振荡器起振，其二是对振荡器的频率 f起微调作用（ C1、 C2大， f变小），其典型值为 30pF。 河南理工大学毕业设计（论文）说明书 11 图 4-2 CMOS 型单片机时钟电路框图 4.1.3 复位电路 计算机在启动运行时都需要复位，使中 央处理器 CPU和系统中的其它部件都处于一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作。 MCS-51单片机有一个复位引脚 RST，它是史密特触发输入 (对于 CHMOS单片机， RST引脚的内部有一个拉低电阻 )，当振荡器起振后 该引脚上出现2个机器周期 (即 24个时钟周期 )以上的高电平，使器件复位，只要 RST保持高电平， MCS-51保持复位状态。此时 ALE、 PSEN、 P0、 P1、 P2、 P3口都 输出高电平。 RST变为低电平后，退出复位， CPU从初始状态开始工作。 单片机 采用的复位方式是自动复位方式。对于 MOS(AT89C51)单片机只要接一个电容至 VCC即可 (见图 4 3)。在加电瞬间，电容通过电阻充电，就在 RST端出现一定时间的高电平，只要高电平时间足够长，就可以使 MCS-51有效的复位。 RST端在加电时应保持的高电平时间包括 VCC的上升时间和振荡器起振的时间， Vss上升时间若为 10ms，振荡器起振的时间和频率有关。10MHZ时约为 1ms， 1MHZ时约为 10ms，所以一般为了可靠的复位， RST在上电 应保持 20ms以上的高电平。 RC时间常数越大，上电 RST端保持高电平的时间越长。 若复位电路失效，加电后 CPU从一个随机的状态开始 工作，系统就不能正常运转。 河南理工大学毕业设计（论文）说明书 12 图 4-3 上电复位电路 4.1.4 显示电路 显示电路采用 LED数码管动态显示， LED（ Light-Emitting Diode）是一种外加电压从而渡过电流并发出可见光的器件。 LED是属于电流控制器件，使用时必须加限流电阻。 LED有单个 LED和八段 LED之分，也有共阴和共阳两种。 显示器结构 ： 常用的七段显示器的结构如图 4 4所示。发光二极管的阳极连在一起的称为共阳极显示器 ,阴极连在一起的称为共阴极显示器。 1 位显示器由八个发光二极管组成，其 中七个发光二极管 ag 控制七个笔画（段）的亮或暗，另一个控制一个小数点的亮和暗，这种笔画式的七段显示器能显示的字符较少，字符的开头有些失真，但控制简单，使用方便。 此外，要画出电路图，首先还要搞清楚他的引脚图的分布，在了解了正确的引脚图后才能进行正确的字型段码编码。才能显示出正确的数字来，如图 4-5所示，为七 段数码管的管脚图。 图 4-4 七段发光显示器的结构 河南理工大学毕业设计（论文）说明书 13 图 4-5 七段发光显示器管脚 的结构 驱动方式 ： 采用的数码管驱动为 7407，它的全名为 7407 TTL 集电极开路六正相高压驱动器，其结构简单，使用方便，图 4-6为 7407的图以及各个引脚的分布功能介绍。 图 4-6 7407管脚的结构 河南理工大学毕业设计（论文）说明书 14 显示方式 ： 为了节省 I/O口线，我们采用的动态显示方式。 所谓动态显示，就一位一位地轮流点亮各位显示器（扫描），对于每一位显示器来说，每隔一段时间点亮一次。显示器的亮度既与导通电流有关，也与点亮时间和间隔时间的比例有关。调整电流和时间参数，可实现亮度较高较稳定的显示。若显示器的位数不大于 8 位，则控制 显示器公共极电位只需 8位口（称为扫描口），控制各位显示器所显示的字形也需一个 8 位口（称为段数据口）。本次设计 要求 的转速测量范围60r/min-36000r/min，所以只需要 5位数码管即可 。 5位共阴极显示器和AT89C51的接口逻辑如图 4-7所示。 AT89C51的 P0 口作为段数据口，接上拉电阻到显示器的各个段； P2 口作为扫描口，经同相驱动器 7407接显示器公共极。 对于图 4-7中的 5位显示器，在 AT89C51RAM存贮器中设置五个显示缓冲器单元 30H 35H，分别存放 5 位显示器的显示数据， AT89C51 的 P2口扫描输出总是只在一位为低电平，即 5位显示器中仅有一位公共阴极为低电平，其它位为高电平， AT89C51 的 P0 口相应位（阴极为低）的显示数据的段数据，使该位显示出一个字符，其它们为暗，依次地改变 P2 口输出为高的位， P0口输出对应的段数据， 5位显示器就显示出由缓冲器中显示数据所确定的字符。 河南理工大学毕业设计（论文）说明书 15 图 4-7 五位动态显示电路 4.2 霍尔传感器简介 4.2.1 霍尔器件概述 霍尔元件是一种基于霍尔效应的磁传感器，已发展成一个品种多样的磁传感器产品族，并已得到广泛应用。霍尔元件是一种磁传感器。要他们可以检测磁场及其 变化，可以在各种与磁场有关的场合中。霍尔器件以霍尔效应为其工作基础。 霍尔期间具有许多优点，他们的结构牢固，体积小，重量轻，寿命长，安装方便，功耗小，频率高（可达 1MHZ），耐震动，不怕灰尘、水汽及 烟雾等污染或腐蚀。 霍尔线性器件的精度高、线性度好；霍尔开关器件无触点、无磨损、输出波形清晰、无抖动、无回调、位置重复精度高（可达 um级）。采用了各种补偿措施的霍尔器件的工作温度范围广，可达 55-150度。 按照霍尔器件的功能可将他们分为：霍尔线性器件和霍尔开关器件。河南理工大学毕业设计（论文）说明书 16 前者输出模拟量，后者输出数字量。 按被检测的对象的性质可将它们分为：直接应用和间接应用。前者是直接检测出被测对象本身的磁场或磁特性，后者是检测被检测对象上人为设置的磁场，用这个磁场作为被检测信息的载体，通过它，将许多非电、非磁的物理量例如力、力矩、压力、应力、位置、位移、加速度、角度、角速度、转速、转数以及工作状态发生变化的时间等，转换成电量来进行检测和控制。 集成霍尔传感器是利用硅集成电路工艺将霍尔元件和测量线路集成在一起的一种传感器。它取消了传感器和测量电路之间的界限，实现了材料、元件、电路三位一体。集成霍尔传感器与分立相比，由于减少了 焊点，因此显著地提高了可靠性。此外，它具有体积小、重量轻、功耗低等优点，正越来越爱到众的重视。 集成霍尔传感器的输出是经过处理的霍尔输出信号。按照输出信号的形式，可以分为开关型集成霍尔传感器和线性集成霍尔传感器两种类型。 开关型集成霍尔传感器是把霍尔元件的输出经过处理后输出一个高电平或低电平的数字信号。 霍尔开关电路又称霍尔数字电路，由稳压器、霍尔片、差分放大器，斯密特触发器和输出级组成 。 4.2.2 霍尔传感器的应用 使用霍尔器件检测磁场的方法极为简单，将霍尔器件做成各种形式的探头，放在被测磁场中，因霍 尔器件只对垂直于霍尔片表面的磁感应强度敏感，因而必须令磁力线和器件表面垂直，通电后即可由输出电压得到被测磁场的磁感应强度。若不垂直，则应求出其垂直分量来计算被测磁场的磁感应强度值。而且，因霍尔元件的尺寸极小，可以进行多点检测，由计算机进行数据处理，可以得到场的分布状态，并可对狭缝，小孔中的磁场进行检测用磁场作为被传感物体的运动和位置信息载体时，一般采用永久磁钢来产生工作磁场。例如，用一个 5 4 2.5（ mm3）的钕铁硼号磁钢，就可在它的磁极表面上得到约 2300高斯的磁感应强度。在空气隙中，河南理工大学毕业设计（论文）说明书 17 磁感应强度会随距 离增加而迅速下降。为保证霍尔器件，尤其是霍尔开关器件的可靠工作，在应用中要考虑有效工作气隙的长度。在计算总有效工作气隙时，应从霍尔片表面算起。在封装好的霍尔电路中，霍尔片的深度在产品手册中会给出。 因为霍尔器件需要工作电源，在作运动或位置传感时，一般令磁体随被检测物体运动，将霍尔器件固定在工作系统的适当位置，用它去检测工作磁场，再从检测结果中提取被检信息。 4.2.3 AH41 霍尔开关 AH41 霍尔开关电路最适于响应变化斜率陡峭的磁场并在磁通密度较弱的场合使用，适用于单极或多对磁环工作，它由反向电 压保护器、电压调整器、霍尔电压发生器、信号放大器、史密特触发器和集电极开路的输出级组成。工作温度范围为 -40 150（存储温度为 150），可适用于各种机及机电一体化领域。 电参数： 参数 符号 测试条件 量值 单位 最小 典型 最大 电源电压 VCC 4.5-24V 输出低电平电压 Vout Iout=20mA BBOP -200-400mV 输出高电平电流 IOFF Vout=24V B 电源电流 ICC VCC=24V 输出端开路 10 mA 输出上升时间 tr Vcc=12V RL=1.1K CL=20Pf-0.12 S 输出下降时间 tf Vcc=12V RL=1.1K CL=20Pf-0.18 S 产品特点 : . 电源电压范围宽 . 可用市售的小磁环来驱动 . 无可动部件、可靠性高 . 尺寸小 . 抗环境应力 . 可直接同双极和 MOS逻辑电路接口 应用 : 河南理工大学毕业设计（论文）说明书 18 . 高灵敏的无触点开关 . 直流无刷电机 . 直流无刷风机 . 霍尔开关元件的电路图： 图 4-8 霍尔传感器的电路图 4.3 发送模块 根据系统功能要求，要使单片机测量的转速能够向上位机发 送数据，硬件电路中必须要考虑到单片机的发送部分，由于单片机通过串口发送出来的是 TTL 逻辑电平（ 0V和 5V），而计算机 RS-232 总线上输入、输出数据和控制信号为 +12V左右的电压，单片机要和 PC的上位机通信就必须是电平一致，所以发送部分关键的部分是电平转换和串口发送，电平转换可以用模拟器件进行转换，但是为了方便起见，本次设计采用的是集成芯片，一个芯片加上它的外围电路即可完成电平的转换的工作。结构简单、方便容易，精确度高。本次所采用的是 HIN232CP，我们要对其外围电路进行设计，下面我们将详细的叙述。 数据 的传输 ： 当电路工作于发送数据状态时， PC 机的 RTS 端输出高电平，经 IC1电平转换打开 IC3（ 74LS08）的与门 B1，使 PC机 TXD端输出的数据经红外发射电路发射出去； RTS信号 IC1反相后作为 CTS 信号送入计算机，同时还关闭与门 B2；使计算机不接收其它数据信号。 河南理工大学毕业设计（论文）说明书 19 该必发器的数据传输速率最好设在 9600b/s为宜，以确保数据传输的可靠性 。 器件的介绍 ： 1、 RS-232C RS-232C 是美国电气工业协会推广使用的一种串行 通信总路线标准，是 DCE(数据通信设备，如微机 )和 DTE(数据终端设备，如 CRT)间 传输串行数据的接口总线。 RS-232C 最大传输距离为 15m，最高传输速率约 20kbps，信号的逻辑0电平为 +3V +15V。逻辑 1电平为 -3V -15V。 电气特性： EIA-RS-232C对电器特性、逻辑电平和各种信号线功能都作了规定； 在 TxD 和 RxD上：逻辑 1(MARK) =-3V -15V 逻辑 0(SPACE)=+3 15V 在 RTS、 CTS、 DSR、 DTR和 DCD等控制线上： 信号有效（接通， ON状态，正电压） +3V +15V 信号无效（断开， OFF状态，负电压） -3V -15V 2、 RS-232连接器 DB-9 DB-9是 RS-232信号线的连接器，其连接器的机械特性见图 (4 9)，表 4-1所示 RS-232信号线名称、符号以及对应在 DB-9上的针脚号。 图 4-9 连接器的机械特性 河南理工大学毕业设计（论文）说明书 20 表 4-1 RS-232信号线和 DB-9引脚关系 Tab.4-1 RS-232 signal lines and DB-9-pin relations 符 号 名 称 引 脚 DCD RXD TXD DTR GND DSR RTS CTS RI 接收信号载波检测 数据接收线 数据发送线 DTE装置数据就绪 公共地 DCE装置就绪 请求发送 清除发送 振铃指示 1 2 3 4 5 6 7 8 9 图 4 10 电平转换 电路原理图 3、电平转换器 HIN232CPE 由于 RS-232C总线上传输的信号逻辑电平与 TTL 逻辑电平差异很大，河南理工大学毕业设计（论文）说明书 21 所以就存在这两种电平的转换问题，下面就介绍一下电平转换器HIN232CPE。 HIN232CPE 能将 RS-232C电平转换成 TTL电平，也能将 TTL电平转换成 RS-232C 电平，只需单 +5V供电，由内部升高电路产生 10V +12V。内部有两个发送器 (TTL电平转换为 RS-232C电平 )和两个接收器 (RS-232 电平转换为 TTL 电平 )。 HIN232CPE 芯片引脚排列和外部元件连接线路如图 4 11所示。 图 4 11 HIN232CPE 电平转换器及外接元件图 河南理工大学毕业设计（论文）说明书 22 5 软件设计 本章重点阐述测量转速的汇编语言。以及软件设计的过程。 软件需要解决的是 单片机中断服务程序的设计、计算程序的设计、显示部分的程序设计以及在我们这里 非重点介绍的通信程序设计。 5.1 单片机转速程序设计思路及过程 单片机测量转速可以分为若干模块，然后在主程序中调用各个模块， 流程图如下图所示。 图 5 1 主程序流程图 5.1.1 单片机程序设计思路 计算转速公式： n=60/NTc (r/min) 开始 初 始 化 计算程序 BCD 码转换 非压缩 BCD 转换 显 示 程 序 返 回 河南理工大学毕业设计（论文）说明书 23 其中， N是内部定时器的计数值，为三字节，分别由 TH0， TL0， VTT构成； Tc为时基，由于采用 11.0592M的晶振，所以 Tc不在是 1um，而是 12M/11.0592M 约为 1.08um，带入上面公式，即可 得到转速的精确计算公式： N=60*11059200/12N=55296000/N 再将 55296000 化为二进制存入单片机的内存单元。 下面我们将介绍除数是如何获得的： 单片机的转速测量完成，定时器 T0作为内部定时器，外部中断来的时候读取 TH0， TL0，并同时清零 TH0、 TL0，使定时器再次循环计内部脉冲。此外，对于低速情况下，我们还要设定一个软件计数器 VTT，当外部中断还没来而内部定时器已经溢出，产生定时器 0 中断时，增加 VTT，作为三字节中的高字节。三字节组成除数，上面的常数为四字节，所以计算程序实 际上就是调用一个四字节除三字节商为两字节（最高转速36000r/min 足够）的程序。 为数码管能够显示出来，需将二进制转换为十进制，在将十进制转换为非压缩 BCD 码后，才能调用查表程序，最后送显示。 5.1.2 单片机转速计算程序 由于本次设计的系统要实现的功能是将霍尔传感器的信号送到单片机的外部中断口，再对周期方波进行内部计数，调用计算程 序把转速测出来。可以说是核心部分，流程图如图所示： 河南理工大学毕业设计（论文）说明书 24 图 5 2 计算程序流程图 计算程序中又再次调用了除法程序 ，这里的除法为四字节除三字节商为两字节，除法的程序的编程思想可以和手工计算的除法相似，比较减法的思想，流程图如图 5-3所示 具体程序见附录。 5.1.3 二 -十进制转换程序 计算程序计算出来的数据为二进制，存到 50H、 51H单元中以便发送程序中调用传送数据到计算机，计算机可识别二进制，然而，我们需要在LED上显示，查表程序需要拆分的 BCD码，所以二进制必须先转换成 BCD后才能拆分。这里介绍将（ R2R3）中的 16位二进制数转换为压缩 BCD 码十进制整数送 R4、 R5、 R6。 被除数初始化 读取定时值 调用除法程序 返 回 开 始 河南理工大学毕业设计（论文）说明书 25 Y N 图 5 3 除法程序流程图 除 法 移位次数 计数器 被除数左移 1 位 被除数 除数 上商 1，减去除数 上商 0 计数器减 1 计数器 =0？ 返回 河南理工大学毕业设计（论文）说明书 26 按照数制转换方法可以画出流程图。 图 5 4 双字节整数二翻十程序流程图 单片机显示部分可以用来显示计算出来的数据的。在程序设计中，在AT89C51RAM 存贮器中的四个显示缓冲器单元 30H 34H，分别存放着由计算出来的转速的 BCD码进行拆分后的非压缩 BCD码数据， AT89C51的 P1口扫描输出总是只有一位为低电平、其它位为高电平， AT89C51的 P0口相应位的显示数据的段数据，使该位显示出一个字符，其它们为暗，依次地改变 P1 口输出为低高的位， P0口输出对应的段数据， 5位 LED显示器就显示出由缓冲器中显示数据所确定的字符。 显示部分程序分为两部分：十进制 BCD转换成非压缩 BCD码；查表程开始 0-R4、 R5、 R6 16-R7 C（ R2R3）左移 1 位（移出位 bi 在 C 中） 2*（ R4R5R6） +C - R4R5R6（十进制运算） （ R7） -1 R7=0？ 返 回 河南理工大学毕业设计（论文）说明书 27 序显示数据。 双字节整数拆分程序流程图如图 5-5 图 5 5 双字节整数拆分程序流程图 显示程序流程图如图 5-6所示： 5.2 程序设计 根据以上设计思路和各个模块的流程图即可编写出本次毕业设计的程序，注意其中各个模块间的参数传递以及堆栈指针等问题，程序设计的任务即可完成，写出初始的程序，再进行上机调试，这些我们将具体在下章中加以详细叙述。 开 始 高字节 R4 送 30H R5 与 0F0H 相与交换后送 31H R5 与 0FH 相与后送 32H R6 与 0F0H 相与交换后送 33H R6 与 0FH 相与后送 34H 返 回 河南理工大学毕业设计（论文）说明书 28 N 图 5 6 显示程序流程图 开始 30H-R0，表首地址 -DPTR，（ R1） =0FEH （ R0）赋值给 A A+DPTR 赋值给 P0 （ R1） =P1，（ R1） =A， RL A INC R0 ， A=（ R1） （ R1） =0DFH？ 结束 河南理工大学毕业设计（论文）说明书 29 6 系统调试 电路调试是整个系统功能否实现的关键步骤，我们将整个调试过程分为三大部分：硬件调试、软件调试和综合调试。 6.1 硬件调试 硬件 调试主要是针对我的转速测量系统的单片机硬件电路分别进行调试。这一部分硬件调试主要分成两大块：上电前的调试和上电后的调试。 上电前的调试 在上电前，我们必须确保电路中不存在断路或短路情况，这一工作是整个调试工作的第一步，也是非常重要的一个步骤。在这部分调试中主要使用的工具是万用表，用来完成检测电路中是否存在断路或者短路情况等。 特别是数码管的连接部分，有 PROTEL制作的 PCB确保要和原理图上的图一致，有些在电路板上没法连接的线路，要用短接线把接好，对照着原理图部分，一部分一部分地用万用表测量，注意焊点之间， 确保焊点没有短接在一起，同时注意焊点的美观，确保没有开路以及短路的现象出现。 上电后的调试 在确保硬件电路正常，无异常情况 (断路或短路 )方可上电调试，上电调试的目的是检验电路是否接错，同时还要检验原理是否正确，在本次课程设计中，上电调试主要只转速测量系统的单片机控制部分、数码管点亮部分、和上位机通信是的电平转换和串口通信部分的硬件调试。 1、单片机控制部分硬件调试：这一部分调试主要是检查时钟电路、复位电路是否接对，单片机的电源以及地是否接好，以及其他的一些管脚的接法。看单片机通电后能否可以正常工作等这一系列 问题。 2、数码管 LED电路调试：由于数码管采用的是动态扫描的方式点亮的。数码管的公共端（ COM）接在 7407驱动再接到单片机的 P2口作为位选信号，字型是接在 P0口。电路上电检查 7407是否接上电源和地让其正常工作。在河南理工大学毕业设计（论文）说明书 30 这一前提下，查看数码管能否点亮。只需要接仿真机上编写一个小程序让5位 LED全亮，或者让它们其中的某位点亮，也可以显示不同的数字，根据要求给 P0口， P2口分别赋值。即可检查数码管的硬件电路是否正确，即可判断显示驱动电路整个完整，首先排除这里的故障。 3、发送部分硬件电路调试：这一部分电路硬件调试 主要完成任务是使得通过 HIN232CPE电平转换器转换前后的电平关系。可以用示波器和万用表检查电平转换前后的关系，这里不在赘述。 6.2 软件调试 单片机程序调试思路 ： 单片机部分调试工作的完成主要应用 LCA51软件来完成，这一部分工作首先将转速测量系统中的各个模块 计算程序中的除法程序、双字节的二 -十进制数制转换程序，压缩 BCD码十进制数转换为非压缩 BCD码的程序以及显示部分程序调试好，不断调试，不断修改直到正确为止。 LCA51软件是 一种非常实用的 多窗口编辑、调试软件。 LCA51 软件全面支持汇编语言 ， C51语言， PL/M51 语言的编译 /连接、调试。软件支持单文件方式和工程化管理两种模式。用户可自定义各种语言的关键词 .软件完全支持源语句级在线调试。高级语言还支持源文件调试和汇编语言指令行对照调试。用户可同时打开多个窗体编辑、调试、变量观察 .用户可在线对原文件直接编辑、编译、连接、加载和调试，软件支持编译错误源文件定位。调试时用户可动态观察、修改设定变量（包括CPU片内寄存器、特殊寄存器及外部寄存器、内存）的值。 调试主要方法和技巧： 通常一个调试程序应该具备至少四种性能：跟踪、断点、查看变量、更 改数值。 1.跟踪调试 调试应用程序所提供的重要性能也许就是跟踪应用程序。跟踪应用程序使用户能够在运行应用程序时，看到 PC指针在应用源代码程序中的确河南理工大学毕业设计（论文）说明书 31 切位置， LCA51 提供以下方法对程序的执行进行跟踪。 跟踪型单步执行一条源语句程序。但是，如果调用一函数，则进入函数中，再执行函数的第一条源语句行前停止。 通过型单步仅执行下一条源语句程序，然后又停止。如果是调用一函数，运行完整个函数并停止在函数返回处。 2.断点调试 如果已知程序中某块代码实际运行正常的情况下，仍用跟踪调试方法， 将大大浪费时间，而且很枯燥，因此调试中第二个重要工具是在源代码中预定处设置断点，大多数调试程序通过使用断点中止程序执行。 注意：如果用户调试高级语言，因为系统要占用 2个断点，所以可设置的断点数为最大断点个数减 2。 LCA51 调试软件还提供一次性断点：执行到光标所在行。如果用户按热键 F4，调试程序继续执行程序代码，直到它到达光标行处或调试程序遇到另一个断点。 3.查看变量 显然，通过一系列指令查看应用程序，了解导致某一错误的执行也是一种非常有效的方法。 LCA51软件提供了以下几种方法对变量进行 查看。 通过添加观察项菜单可以将用户希望观察的变量添加到观察窗口中，长期进行观察。用户程序在单步或断点停下时，将更新变量的取值。 用户可以直接移动鼠标到相应的变量名上，点击鼠标左键，将出现一个提示窗口，显示这个变量的当前值。 用户还可以打开程序空间窗口、内部数据窗口、外部数据窗口进行数据块观察。 4.更改数值 如果用户在调试过程中了解到变量的内容（超值、未定义等）会对程序性能产生影响或引起异常时，立即更改变量的内容是很有效的方法，以确保该值在正确范围内不会产生错误。 LCA51软件提供一系列更改变量数值的方法，以便用户能检查程序对整个变量值范围的反应，而无需为设置河南理工大学毕业设计（论文）说明书 32 每个值而重新加载调试。在更改对话框中用户输入要更改的取值，点击确定按钮。用户可以在输入框中输入十六进制或十进制数据。 程序调试过程 ： 整个程序是一个主程序调用各个子程序实现功能的过程，要使主程序和整个程序都能平稳运行，各个模块的子程序的正确与平稳运行必不可少，所以在软件调试的最初阶段就是把各个子程序模块进行分别调试。 首先要对计算程序进行调试，其中关键就是那个四字节除三字节的程序显得尤为重要，在整个程序中，四字节的被除 数是确定的常数，而除数是测量记数的值，当各个模块调试时，我们可以先对除数先赋不同的值，利用查看内部数据的数据窗口观察出计算出来的结果和用计算器算得的结果是否一致，可以举例多次数据，确保程序正确，才能得到想得到的数据。 其次、二进制到十进制的转换，我们依然可以利用上述列举的方法，多次给出数据，然后运行程序，可以设置观察变量，观察出程序转换的结果。 最后、拆分压缩 BCD码十进制以及最后的显示程序，可以利用上述提到的各种方法，观察 30-34H内部的数据，缓冲数据的观察检查完毕后，调用显示程序，观察数码管上显示的数 据是否是内存缓冲中需要显示的数据。 6.3 综合调试 在硬件和软件单独调试成功后进行软硬件综合调试，它可以分成以下几个步骤： 1.使霍尔传感器有方波信号输出； 2.使单片机获得中断信号，计算出转速值并存储； 3.通过 LED数码管把测量的数据显示出来。 4.通过通信使得 PC机与单片机之间的通信成功。 河南理工大学毕业设计（论文）说明书 33 6.4 故障分析与解决方案 故障出现情况 ： 1、霍尔传感器不能产生有效的 TTL电平，产生波形不稳 2、 单片机 的中断服务程序不能执行 ， 不管是定时中断还是外部中断 ； 3、中断执行低速情况也就是软件记数功能不对 ； 4、测得的转速不准确 ， 而且在波形频率变化下显示转速却不变 5、 单片机显示部分无法工作，显示不稳定； 6、信号发生器模拟转速测量正确，接电机不稳定 7、 通信时单片机接收显示数据不正常， PC机接收乱码； 解决方案（针对上述故障一一对应的解决方案） ： （ 1）硬件电路中 霍尔传感器应工作在 5V电压，中间引脚接地，数据线接单片机的外部中断 0。在电机的转轴上还要贴上一粒磁钢，利用霍尔效应产生方波。利用万用表检查时发现接 5V和地的 PCB上的线都坏了，重新用线接在电路板上。当波形出来后，显示的波形不稳，而且不够理想，后来在信号 线与地之间接了 472的瓷片电容滤波。波形得到了大大改善 ； （ 2） 首先检查程序中的开头，中断入口地址，发现中断定时 0的地址写成中断定时 1的入口地址了。外部中断没有执行跟没有中断信号加入有关系。在前面还没有解决的时候，我们暂时用信号发生器来代替外部中断9的输入，由于中断执行与否我们没法看到，可以用设置中断点的方法或者利用示波器，在中断服务程序中重新编写一些程序观察单片机的某一输出口的波形变换或者中断程序中让数码管点亮等直观可以看到的方法来检查中断的执行情况； （ 3） 中断服务程序中程序设计有问题，要先读去反映转速 的 TH0， TL0，再去清 0，软件记数的高字节 VTT应该在定时中断 0中的服务程序中自增的同时清 TH0， TL0，在外部中断程序中要读取三字节的记数值后同时清三个记数器，再从中断返回 ； （ 4） 在确定转速计算程序的正确性的 条件下出现了转速不准确，就河南理工大学毕业设计（论文）说明书 34 是在调用转换程序时出现了问题，观察程序时发现调用子程序是传送的参数不对，在用寄存器 R的时候出现了重复现象，导致转换过程中出现了混乱。在波形频率改变而转速不改变由于在调用显示程序时候在调用之后在显示这里死循环，不能适时进行计算了。 （ 5） 由于显示部分的程序是动态显示，是一 位一位的显示，在位选信号这里出现了问题，在左移的时候出现问题，以及显示完一个字型后调用的延时时间不合理导致显示不稳定，出现闪烁现象，改变时间到 1毫秒左右就差不多对了。 （ 6） 后来在接信号发生器时候要是接正弦波时候一样发生不稳定跳转的现象，由此可以推测，在传感器输入的信号不是理想的方波，而且电平值不够大，所以在霍尔传感器信号输出端接滤波电容以及一个 10K的上拉电阻就可以解决问题了。 （ 7）由于单片机与 PC机之间的设置 以及电平转换 不一致 具体参见通信部分的毕业设计。 6.5 结论与经验 结论 ： 通过各方面努力，本 次毕业设计任务完成，系统各部分功能均已实现，单片机 能够测量出电机的转速并能显示在 LED数码管上，并能向上位机 发送 数据 ； 测量范围也是比较宽的 60r/min-36000r/min，精度也在 0.1%，都达到了比较理想的状态。 经验 ： 1、由于本系统采用 5V直流电源供电， 霍尔传感器要选用工作电压的范围包含 5V 电压的可以省去再用一个电源的麻烦，单片机等都是工作在TTL电平的，霍尔传感器输出的波形应为 TTL电平，以便单片机能够识别。 2、 数码管要采用共阴数码管，因为数码管的灌电流可以大些达到几十毫安，但