课程设计（论文）-应用霍尔集成传感器测量转速电路设计3.doc

课程设计说明书 第 i页 应用霍尔集成传感器测量转速电路设计 摘要 本文是基于 51 单片机的转速测量系统，其测量方法较多，随着单片机对脉冲信号 的处理能力越来越强大，使得全数字量系统越来越普及，并且使转速测量系统也可以 用全数字化处理。 本设计利用霍尔效应对旋转物体进行检测的转速测量系统。该系统采用 ugn3144 霍尔传感器把转速信息转换为电压输出，输出电压经整形电路送入 at89c51 单片机进 行数据处理并用四位 7 段 led 显示器显示测量结果。文中首先阐述了构成该系统的原 理、硬件的实现方法，在该系统中对信号频率进行测量是首要任务，通过各种测量方 法的对比下，该系统应采用测频法测量。其次，在软件设计部分，此系统包含系统初 始化程序的设计、数据接收和处理程序的设计、显示程序的设计三个模块。最终，给 出各部分的原理框图、电路图及转速测量的程序流程图，并编出其具体的程序。 总之，本课题完成了硬件和软件系统的设计，实现了转速测量系统的测量，转速计算、 显示功能，同时实现键盘的开始/停止功能，完成了设计的要求。 关键词: 单片机, 转速测量, 霍尔传感器 课程设计说明书 第 ii页 目录 1 绪论.1 1.1 课题研究的目的和意义.1 1.2 转速测量在国内外的研究.1 2 转速测量系统的总体方案.2 2.1 转速测量的一般方法.2 2.2 硬件设计总体方案.4 2.3 软件设计思路.5 3 系统硬件设计.5 3.1 转速测量原理.6 3.1.1 测频法“m 法.6 3.1.2 测周期法“t 法”.7 3.1.3 测频测周法“m/t 法”7 3.1.4 转速测量系统中应用的方法8 3.2 霍尔传感器的简介.9 3.2.1 霍尔效应9 3.2.2 霍尔元件12 3.2.3 ugn3144 霍尔开关元件.13 3.3 单片机及其接口的设计.15 3.3.1 at89c51 单片机的简介15 3.3.2 复位电路18 3.3.3 时钟电路19 3.3.4 显示电路20 3.3.5 hd7279 接口22 3.3.6 键盘电路25 4 系统软件设计.26 课程设计说明书 第 iii页 4.1 单片机转速程序设计思路及过程.26 4.1.1 单片机程序设计思路27 4.2 子程序设计 27 4.2.1 单片机转速计算程序27 4.2.2 二-十进制转换程序 28 4.2.3 显示程序29 5 转速测量系统的转速分析.31 5.1 测速范围 31 5.2 测量误差 32 结论.34 致谢.35 参考文献.36 附录 137 附录 238 课程设计说明书 第1页 1 绪论 1.1 课题研究的目的和意义 随着超大规模集成电路技术提高，尤其是单片机应用技术以其功能强大，价格低 廉的显著特点，使全数字化测量转速系统得以广泛应用。由于单片机在测量转速方面 具有体积小、性能强、成本低的特点，越来越受到企业用户的青睐。转速是工程中应 用非常广泛的一个参数，其测量方法较多，而模拟量的采集和模拟处理一直是转速测 量的主要方法，这种测量方技术已不能适应现代科技发展的要求，在测量范围和测量 精度上，已不能满足大多数系统的使用。随着大规模及超大规模集成电路技术的发展， 数字系统测量得到普遍应用，特别是单片机对脉冲数字信号的强大处理能力，使得全 数字量系统越来越普及，其转速测量系统也可以用全数字化处理。在测量范围和测量 精度方面都有极大的提高。 本课题以单片机为核心，设计的全数字化测量转速系统，在工业控制和民用电器 中都有较高使用价值。一方面它可以应用于工业控制中的某一部分，如数控车床的电 机转速检测和控制、水泵流量控制以及需要利用转速检测来进行控制的许多场合，如 车辆的里程表、车速表等。另一方面由于该转速测量系统采用全数字结构，因而可以 很方便的和工业控制机进行连接，实行远程管理和控制，进一步提高现代化水平。并 且，几乎不需做很大改变就能直接作为单独的产品使用。总之，转速测量系统的研究 是一件非常有意义的课题。 1.2 转速测量在国内外的研究 转速是能源设备与动力机械性能测试中的一个重要的特性参量，因为动力机械的 许多特性参数是根据它们与转速的函数关系来确定的，例如压缩机的排气量、轴功率、 内燃机的输出功率等等，而且动力机械的振动、管道气流脉动、各种工作零件的磨损 状态等都与转速密切相关。 转速测量的方法很多，测量仪表的型式也多种多样，其使用条件和测量精度也各 不相同。根据转速测量的工作方式可分为两大类：接触式转速测量仪表与非接触式转 速测量仪表。前者在使用时必须与被测转轴直接接触，如离心式转速表、磁性转速表 与测速发电机等；后者在使用时不需要与被测转轴接触,如光电式转速表、电子数字式 课程设计说明书 第2页 转速表、闪光测速仪等。测量发动机转速的传统方法是使用光 电式转速表测量。用这种方法测量时,既要在发动机转动轴上粘贴光标纸，又要求测量 人员把转速表与光标纸的距离控制在很近的范围,测量十分不方便。随着科学技术的迅 速发展,转速测量仪表已步入现代化、电子化的行列。过去曾经使用过的接触式测量仪 表, 如离心式转速表、磁性转速表、微型发电机转速表及钟表是定时转速表，均已先后 受到冷落；而利用已知频率的闪光与被测轴转速同步的方法来测速的闪光测速仪，虽 属非接触式仪表，目前仍有应用,但也退居次要地位。代之而起的是非接触式的电子与 数字化的测速仪表。这类转速仪表大多具有体积小、重量轻、读数准确、使用方便等 优点，容易实现电脑荧屏显示和打印输出，能够连续的反映转速变化，既能测定发动 机稳定情况下的平均转速,也能够用来在足够小的时间间隔这一特定条件下测定发动机 的瞬时转速。 2 转速测量系统的总体方案 2.1转速测量的一般方法 一般转速测量系统有以下几个部分构成，转速测量框图如图 2.1 所示。 转 速 信 号 拾 取 整 形 倍 频 单 片 机 显 示 接 口 芯 片 显示 键盘 驱 动 电 路 图 2.1 转速测量框图 1转速信号拾取 转速信号拾取是整个系统的前端通道，目的是将外界的非电参量，通过一定方式 转换成电量，这一环节可以通过敏感元件、传感器或测量仪表等来实现。 课程设计说明书 第3页 方法如下： (1) 通过敏感元件拾取被测信号 敏感元件体积小，可以根据用户及环境要求做成各矛头形状的探头，它能将被测 的物理量变换成电流、电压，只要选择合适的元件参数。如 r、l、c 设计相应的电路， 便能完成这种对应关系。这种方法设计难度大，信号稳定度差，在模拟处理系统中不 宜采用。 (2) 通过传感器拾取信号 由专业人员将敏感元件和相应的测量电路、传递机构以适当的形式制成不同类型、 不同用处的传感器，根据原理输出电量。该电量可以是模拟量或数字量，现代传感器 还可以输出开关量，用于数字逻辑电路。 (3) 通过测量仪表拾取被测信号 目前有许多测量仪表用于各种测量中，有大信号输出、有 bcd 码输出等，但价格昂贵， 专业性强，一般不适合通用系统。通用的转速测量系统大都采用一种俗称“码盘”的传 感装置，将圆形的码盘固定在转轴上，码盘上有若干规则排列的小孔，用光电偶来输 出电信号，以反映转速对应关系，即是将转轴的速度以脉冲形式反映出来，通常有两 种形式： (1) 模拟量量化后经 a/d 转换，由数字量反映角度，供单片机计算处理，得出转速。 (2) 直接由脉冲来反应转轴的角度，用每转产生的脉冲经单片机处理得出转速。 2整形和倍频 前向通道中，从传感器输出的信号必须转换成单片机输入要求的信号，由于信号 调节电路与传感器的选择，现场干扰程度等，都会影响信号的质量。而脉冲信号的上 升沿和下降沿对数字电路的触发尤为重要，若要将转速脉冲信号直接加到计数器或外 部中断的输入端，并利用其上升沿来触发进行计数，则必须要求输入的信号有陡峭的 上升沿或下降沿。处理方法上可以用触发器电路来整形；而倍频电路主要用于解决低 转速时测量精度问题及码盘的刻度误差而造成的精度下降问题。方法是在每转中增加 脉冲的个数(码盘的线程数)来提高精度。但在高转速时，由于脉冲个数的增加，限制了 最高转速测量量程，这个问题可用单片机控制来动态处理解决，兼顾高低转速的测量 精度。 3单片机 课程设计说明书 第4页 单片机1是整个测量系统的主要部分，担负对前端脉冲信号的处理、计算、以及信 号的同步，计时等任务，其次，将测量的数据经计算后，将得到的转速值传送到显示 接口中，用数码管显示数值。在本系统中考虑到计数的范围、使用的定时，计数器的 个数及 i/o 口线，预选用 89c51 单片机。具体工作情况在后讨论。 4驱动和显示 由于 led 数码管具有亮度高、可靠性好等特点，工业测控系统中常用 led 数码 管作为显示输出。本系统也采用数码管作显示。 led 显示器是用发光二极管显示字段的，通常使用七段构成“日”字型和一只发光 二极管作为小数点，称八段数码显示器。其有两种驱动方式，共阴驱动和共阳驱动， 共阴驱动是各段发光二极管的阴极连在一起，并将公共端接地，在共阳结构中，将各 段发光二极管阳极连在一起，并将公共端接上+5v 电源，显示字符对应字型代码发光。 2.2 硬件设计总体方案 硬件设计的任务是根据总体设计要求，在系统工作原理的基础上，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。 转速是工程中应用非常广泛的一个参数，早期模拟量的模拟处理一直是作为转速 测量的主要方法，这种测量方法在测量范围和测量精度上，已不能适应现代科技发展 的要求。而随着大规模及超大规模集成电路技术的发展，数字测量系统得到普遍应用， 利用单片机对脉冲数字信号的强大处理能力，应用全数字化的结构，使数字测量系统 的越来越普及,在测量范围和测量精度方面都有极大的提高。 在本转速测量系统由霍尔传感器、单片机和显示器、键盘电路等组成。传感器部 分采用 ugn3144 霍尔传感器，负责将被测量量的转速转化为脉冲信号2。 因为采用 的是集成霍尔开关元件，输出的是数字信号，可以直接把脉冲信号送入单片机进行处 理。单片机采用 at89c51，显示器采用 4 个 7 段 led 数码管动态显示，其系统框图如 2.2 所示。其中整个系统的电源采用双电源供电，将继电器驱动电源与单片机及其周边 电路电源完全隔离，利用光电耦合器传输信号。这样做法虽然不如单电源方便灵活， 但可将继电器工作所造成的干扰完全消除，进一步提高系统稳定性。 课程设计说明书 第5页 传感器电路 显示驱动电路 at89c51 单片机 时钟电路键盘电路 复位电路 图 2.2 转速测量系统的总体框图 2.3 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。 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。 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 int0，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、最后调用查表程序送显示。软件的具体设计我们将在下 面的章节中作详细介绍。 3 系统硬件设计 课程设计说明书 第6页 3.1 转速测量原理 3.1.1 测频法“m 法 在一定测量时间 t 内，测量脉冲发生器（替代输入脉冲）产生的脉冲数 m1来测量 转速，如图 3.1“m”法测量转速脉冲3所示，设在时间 t 内，转轴转过的弧度数为 x， 则转速 n 可由下式表示： n= (3-1) t x 2 60 转轴转过的弧度数 x可用下式所示 m1 x (3-2) p m12 图 3.1 “m”法测量转速脉冲 将（3-2）式代入（3-1）式得 转速 n 的表达式为： n= （3-3） tp m160 p-为转轴转一周脉冲发生器产生的脉冲数； n-转速单位：（转/分）； t-定时时间单位：（秒）。 在该方法中，测量精度是由于定时时间 t 和脉冲不能保证严格同步，以及在 t 内能否 正好测量外部脉冲的完整的周期，可能产生的 1 个脉冲的量化误差。因此，为了提高 测量精度，t 要有足够长的时间。定时时间可根据测量对象情况预先设置。设置的时 课程设计说明书 第7页 间过长，可以提高精度，但在转速较快的情况下，所计的脉冲数增大（码盘孔数已定 情况下），限制了转速测量的量程。而设置的时间过短，测量精度会受到一定的影响。 3.1.2 测周期法“t 法” 转速可以用两脉冲产生的间隔宽度 tp来决定。用以采集数据的码盘，可以是单孔 或多孔，对于单孔码盘测量两次脉冲间的时间，就可测出转述数据，tp也可以用时钟 脉冲数来表示。对于多孔码盘，其测量的时间只是每转的 1/n，n 为码盘孔数。如图 3.2“t”法脉宽测量所示。tp通过定时器测得。定时器对时基脉冲(频率为 fc)进行计数定 时，在 tp内计数值若为 m2，则计算公式为： n= （3-4） p pt 60 即： （3-5） 2 60 pm f n c fc-为硬件产生的基准时钟脉冲频率：单位（hz）； n-转速单位：（转/分）； m2-时基脉冲。 图 3.2 “t”法脉宽测量 由 “t”法脉宽测量可知“t”法测量精度的误差主要有两个方面，一是两脉冲的上升 沿触发时间不一致而产生的；二是计数和定时起始和关闭不一致而产生的。因此要求 脉冲的上升沿（或下降沿）陡峭和计数和定时严格同步。测周法在低转速时精度较高， 但随着转速的增加，精度变差，有小于一个脉冲的误差存在。 3.1.3 测频测周法“m/t 法” 所谓测频测周法，即是综合了“t”法和“m”法分别对高、低转速具有的不同精度， 课程设计说明书 第8页 利用各自的优点而产生的方法，精度位于两者之间，如图 3.3“m/t”法定时/计数测量所 示。 “m/t”法采用三个定时/计数器，同时对输入脉冲、高频脉冲（由振荡器产生）、 及预设的定时时间进行定时和计数，m1反映转角，m2反映测速的准确时间，通过计算 可得转速值 n。该法在高速及低速时都具有相对较高的精度。测速时间 td由脉冲发生 器脉冲来同步，即 td等于 m1个脉冲周期。由图可见，从 a 点开始，计数器对 m1和 m2计数，到达 b 点，预定的测速时间时，单片机发出停止计数的指令，因为 tc不一定 正好等于整数个脉冲发生器脉冲周期，所以，计数器仍对高频脉冲继续计数，到达 c 点时，脉冲发生器脉冲的上升沿使计数器停止，这样，m2就代表了 m1个脉冲周期的 时间。 “m/t”法综合了“t”和“m”两种方法，转速计算如下： 设高频脉冲的频率为 fc，脉冲发生器每转发出 p 个脉冲，由式（3-2）和（3-5）可 得 m/t 法转速计算公式为： (3-6) 2 1 60 pm mf n c n-转速值。单位：（转/分）； fc-晶体震荡频率：单位（hz）； m1-输入脉冲数，反映转角； m2-时基脉冲数。 图 3.3 “m/t”法定时/计数测量 课程设计说明书 第9页 3.1.4 转速测量系统中应用的方法 通过上面的分析可知，m 法适合于高速测量，当转速越低，产生的误差会越大。t 法 适合于低速测量，转速增高，误差增大。m/t 这种转速测量方法的相对误差与转速 n 无关，只与晶体振荡产生的脉冲有关，故可适合各种转速下的测量。保证其测量精度 的途径是增大定时时间 t，或提高时基脉冲的频率 fc。因此，在实际操作时往往采用一 种称变 m/t 的测量方法，即所谓变 m/t 法，在 m/t 法的基础上，让测量时间 tc始终 等于转速输入脉冲信号的周期之和。并根据第一次的所测转速及时调整预测时间 tc， 兼顾高低转速时的测量精度。基于 m 法测量速度，电路和程序均较为简单，且可以在 一定的条件下满足精度的要求，所以本设计中采用 m 法进行测量。 3.2 霍尔传感器的简介 3.2.1 霍尔效应 1. 简介 霍尔效应是磁电效应的一种，这一现象是霍尔（a.h.hall，1855-1938）于 1879 年 在研究金属的导电机构时发现的。后来发现半导体、导电流体等也有这种效应，而半 导体的霍尔效应比金属强得多，利用这现象制成的各种霍尔元件，广泛地应用于工业 自动化技术、检测技术及信息处理等方面。霍尔效应是研究半导体材料性能的基本方 法。通过霍尔效应实验测定的霍尔系数，能够判断半导体材料的导电类型、载流子浓 度及载流子迁移率等重要参数。流体中的霍尔效应是研究“磁流体发电”的理论基础。 2霍尔效应 将一块半导体或导体材料，沿 z 方向加以磁场 b，沿 x 方向通以工作电流 i， 则在 y 方向产生出电动势 vh，如图 3.4 所示，这现象称为霍尔效应。vh称为霍尔电压。 课程设计说明书 第10页 + - vh eh e f mf b i d b a b z x y + - vh eh fm fe b b i da b (a) (b) 图 3.4 霍尔效应原理图 实验表明，在磁场不太强时，电位差 vh与电流强度 i 和磁感应强度 b 成正比，与 板的厚度 d 成反比，即 (3-7) d ib rv hh 或 (3-8)ibkv hh 式（3-7）中 rh称为霍尔系数，式（3-8）中 kh称为霍尔元件的灵敏度，单位为 mv / (mat)。产生霍尔效应的原因是形成电流的作定向运动的带电粒子即载流子（n 型半 导体中的载流子是带负电荷的电子，p 型半导体中的载流子是带正电荷的空穴）在磁 场中所受到的洛仑兹力作用而产生的。 如图 3.4（a）所示，一块长为 l、宽为 b、厚为 d 的 n 型单晶薄片，置于沿 z 轴方 向的磁 b 中，在 x 轴方向通以电流 i，则其中的载流子电子所受到的洛仑兹力为 jevbbvebvqfm (3-9) 式中v 为电子的漂移运动速度，其方向沿 x 轴的负方向。e 为电子的电荷量。 m f 指向 y 轴的负方向。自由电子受力偏转的结果，向 a 侧面积聚，同时在 b 侧面上 出现同数量的正电荷，在两侧面间形成一个沿 y 轴负方向上的横向电场h e （即霍尔电 场），使运动电子受到一个沿 y 轴正方向的电场力 e f ，a、b 面之间的电位差为 h v （即霍尔电压），则 j b v ejeeeeeqf h hhhe (3-10) 课程设计说明书 第11页 将阻碍电荷的积聚，最后达稳定状态时有 0 em ff 0j b v ejevb h 即 b v eevb h 得 vbbvh (3-11) 此时 b 端电位高于 a 端电位。 若 n 型单晶中的电子浓度为 n，则流过样片横截面的电流 i=nebdv 得 nebd i v (3-12) 将(3.12)式代入(3.11)式得 ibk d ib rib ned v hhh 1 (3-13) 式中ne rh 1 称为霍尔系数，它表示材料产生霍尔效应的本领大小；ned kh 1 称为霍 尔元件的灵敏度，一般地说，kh愈大愈好，以便获得较大的霍尔电压 vh。因 kh和载 流子浓度 n 成反比，而半导体的载流子浓度远比金属的载流子浓度小，所以采用半导 体材料作霍尔元件灵敏度较高。又因 kh和样品厚度 d 成反比，所以霍尔片都切得很薄， 一般 d0.2mm。 上面讨论的是 n 型半导体样品产生的霍尔效应，b 侧面电位比 a 侧面高；对于 p 型半导体样品，由于形成电流的载流子是带正电荷的空穴，与 n 型半导体的情况相反， a 侧面积累正电荷，b 侧面积累负电荷，如图 3-4（b）所示，此时，a 侧面电位比 b 侧面高。由此可知，根据 a、b 两端电位的高低，就可以判断半导体材料的导电类型 是 p 型还是 n 型。 由（3-13）式可知，如果霍尔元件的灵敏度 rh已知，测得了控制电流 i 和产生的 霍尔电压 vh，则可测定霍尔元件所在处的磁感应强度为： 课程设计说明书 第12页 h h ik v b 高斯计就是利用霍尔效应来测定磁感应强度 b 值的仪器。它是选定霍尔元件，即 kh已确定，保持控制电流 i 不变，则霍尔电压 vh与被测磁感应强度 b 成正比。如按 照霍尔电压的大小，预先在仪器面板上标定出高斯刻度，则使用时 由指针示值就 可直接读出磁感应强度 b 值。 由（3-13）式知 ib dv r h h 因此将待测的厚度为 d 的半导体样品，放在均匀磁场中，通以控制电流 i，测出霍 尔电压 vh，再用高斯计测出磁感应强度 b 值，就可测定样品的霍尔系数 rh。又因 ne rh 1 （或 pe 1 ），故可以通过测定霍尔系数来确定半导体材料的载流子浓度 n（或 p）（n 和 p 分别为电子浓度和空穴浓度）。 严格地说，在半导体中载流子的漂移运动速度并不完全相同，考虑到载流子速度 的统计分布，并认为多数载流子的浓度与迁移率之积远大于少数载流子的浓度与迁移 率之积，可得半导体霍尔系数的公式中还应引入一个霍尔因子rh，即 )( pe r ne r r hh h 或 普通物理实验中常用 n 型 si、n 型 ge、insb 和 inas 等半导体材料的霍尔元件在 室温下测量，霍尔因子 18 . 1 8 3 h r ，所以： ne rh 1 8 3 式中， 19 10602 . 1 e 库仑 3.2.2 霍尔元件 霍尔元件是一种基于霍尔效应4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， 课程设计说明书 第13页 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。 霍尔器件具有许多优点，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。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，施密特 触发器和输出级组成。 3.2.3 ugn3144 霍尔开关元件 1ugn3144 霍尔开关元件的工作原理 ugn3144 霍尔开关元件属于开关型霍尔传感器（集成霍尔开关），它是把霍尔片 产生的霍尔电压 vh放大后驱动触发电路，输出电压是能反映 b 的变化的方脉冲。集成 霍尔开关由稳压器、霍尔电势发生器（即硅霍尔片）、差分放大器、施密特触发器和 oc 门输出五个基本部分组成。在输入端（1、2 之间）输入电压 vcc，经稳压器稳压后 课程设计说明书 第14页 加在霍尔发生器的两电流端。根据霍尔效应原理，当霍尔片处于磁场中时，霍尔发生 器的两电压端将会有一个霍尔电势差 vh 输出。vh 经放大器放大以后送至施密特触发 器整形，使其成为方波输送到 oc 门输出。 关关 关 关 关 关关关关关关 + - 关关 1 2 3 2 vcc 关关关关关 图3.5 开关型霍尔传感器的原理 当外磁场 b 达到“工作点”bop 时，触发器输出高电平（相对于地电位），三极管 导通，此时，oc 门输出端输出低电平，通常称这种状态为“开”；当外磁场 b 达到“释 放点”brp 时，触发器输出低电平，三极管截止，oc 门输出高电平，这时称其为“关”状 态。bop 与 brp 是有一定差值的，此差值 bh=bop-brp 称为霍尔开关的磁滞。b 的变化 不超过 bh，霍尔开关不翻转，这就使得开关输出稳定可靠。集成霍尔开关传感器的输 出特性如图 (3.6)。 v0/v 12 9 6 3 b/mt 0 5 10 15 20 释放点 (off) 工作点 (on) 图 3.6 开关型霍尔传感器的输出特性 2. ugn3144 主要技术性能与特点 allegro microsystems 公司生产的 ugn 3144 器件是双极性磁场即 n,s 交变场磁启 动的霍尔开关电路，它的主要性能特点如下： 课程设计说明书 第15页 （1）电源电压为 4.524v； （2）连续输出电流为 25ma; （3）磁通密度不受限制，输出关断电压为 25v； （4）具有反向电压保护（反向电压为 35v）和极好的温度稳定性； （5）工作温度为-20 到 85 摄氏度或者是-40 到 25。 3. ugn3144 霍尔开关元件的引脚功能和封装形式 ugn3144 采用 sot89 或者 to-243 封装。其中，引脚端 1 为电源正端，引脚端 2 为接地，引脚端 3 为输出（oc 形式）。 gndoutvcc 图 3.7 ugn3144的封装结构 4ugn3144 霍尔开关元件在测量系统中的设计 ugn3144 霍尔开关元件芯片内部包含有稳压电路，霍尔效应电压产生电路，信号 放大器，施密特触发器和一个集电极开路输出电路。集电极开路输出电路可连续输出 25ma 电流，可直接控制继电器，双向可控硅，可控硅，led 和灯负载。其具有输出 自举电路，也可直接与双极型和 mos 逻辑电路连接。 转速测量是开关型霍尔元件的典型应用，ugn3144 霍尔开关元件感应被测量量的 转速，当被测量量每转动一周，霍尔传感器便输出一个脉冲，因为该器件为集电极开 路输出，故输出端加接一上拉电阻，其电压电压范围宽达 4.5 v 到 24 v，对磁感应强 度 b 要求不严，其输出电压经 9012 后可提高其负载能力。其具体电路图如 3.8 所示： 课程设计说明书 第16页 ugn3144关关关关 12 3 2.2k r1 2.2k r2 10k r3t1 9012 +5v gnd vcc out关 关 关 p3.2 图 3.8 ugn3144 霍尔开关元件与单片机的连接电路 3.3 单片机及其接口的设计 3.3.1 at89c51 单片机的简介 单片机我们采用 at89c51(其引脚图如图 3-9)，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 （fperomfalsh 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5提供了一种灵活性高且价廉的方案。 p1.0 1 p1.1 2 p1.2 3 p1.3 4 p1.4 5 p1.5 6 p1.6 7 p1.7 8 rst 9 p3.0 10 p3.1 11 p3.2 12 p3.3 13 p3.4 14 p3.5 15 p3.6 16 p3.7 17 xtal1 18 xtal2 19 vss 20 p2.0 21 p2.1 22 p2.2 23 p2.3 24 p2.4 25 p2.5 26 p2.6 27 p2.7 28 psen 29 ale 30 ea 31 p0.7 32 p0.6 33 p0.5 34 p0.4 35 p0.3 36 p0.2 37 p0.1 38 p0.0 39 vcc 40 图 3-9 at89c51 引脚图 课程设计说明书 第17页 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 课程设计说明书 第18页 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 3.1 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。 表 3.1 p3 口的第二功能 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 引 脚第 二 功 能信 号 名 称 p3.0rxd串行数据接收 p3.1txd串行数据发送 p3.2int0外部中断 0 请求 p3.4int1外部中断 1 请求 p3.4t0定时器/计数器 0 输入 p3.5t1定时器/计数器 1 输入 p3.6wr外部 ram 写选通 p3.7rd外部 ram 读选通 课程设计说明书 第19页 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。 3.3.2 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采用芯片 tcm812 进行复 位。 tcm812 是高性价比的系统监控电路，用于对数字系统的电源电压 vdd 进行监 控，并在必要时向主处理器提供复位信号。提供的手动复位输入可以替代复位监控器， 适合使用按键来复位。无需外部元件。该器件由 sot-143 方式 封装，工作温度范围为 -40 至+85。其引脚如下： gnd 1 mr 3 reset 2 vdd 4 图 3.10 tcm812 芯片的引脚图 tcm812 芯片的引脚功能： （1）gnd 地 （2）reset 当 vdd 低于复位电压门限值和 vdd 恢复上升到高于复位电压门限 课程设计说明书 第20页 值之后的 140 ms（最小值）内，reset 推挽输出保持高电平。 （3）mr 手动复位输入，当 mr 低于 vil 时产生复位。 （4）vdd 电源电压 由于 tcm812 芯片的特点，本设计中采用该芯片进行复位，其电路图如下： gnd 1 mr 3 reset 2 vdd 4 tcm812 s4 +5v rst 图 3.11 复位电路 3.3.3 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。电路中的电容c1和c2典型值通常选择为 30pf左右。对外接电容的值虽然没有严格的要求，但电容的大小会影响振荡器的频率 的高低，振荡器的稳定性和起振的快速性。晶振的振荡频率的范围通常是在1.2mhz- 12mhz之间。晶振的频率越高，则系统的时钟频率也就越高，单片机的运行速度也就 越快。但反过来运行速度快对存储器的速度要求就高，对印制电路板的工艺要求也高， 即要求线简的寄生电容要小；晶振和电容应 尽可能安装得与单片机芯片靠近，以减少 寄生电容，更好地保证振荡器稳定，可靠地工作。综合考虑，本设计采用30pf的电容， 因为晶振的频率无法精确达到12mhz，所以一般情况采用11.0592mhz,其电路图如下 所示： 课程设计说明书 第21页 12 y1 11.0592mhz 30pf c7 30pf c8 xtal1 xtal2 图 3.12 at89c51 的时钟电路 3.3.4 显示电路 显示电路采用led数码管显示，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。 1 led显示器的结构及其工作原理 常用的七段显示器的结构如图 3.13 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。如图 3.13 所示，为七段数码管的管脚图。 图 3.13 七段发光显示器的结构 led数码管通过点亮特定的字段来显示数字或符号。共阴与共阳七段led数码管 的显示字符与对应的显示段码如下表所示，共阳七段数码管的段码刚好是共阴七段数 码管段码的反码。 表3.2 共阴极七段led数码管和共阳极七段led数码管的显示段码表 课程设计说明书 第22页 led 数码管要正常显示，就要用驱动电路来驱动数码管的各个段码，从而显示出 我们要的数位，因此根据 led 数码管的驱动方式的不同，可以分为静态式和动态式两 类。 a静态显示驱动 静态驱动也称直流驱动。静态驱动是指每个数码管的每一个段码都由一个单片机 的 i/o 口进行驱动，或者使用如 bcd 码二-十进位器进行驱动。静态驱动的优点是编程 简单，显示亮度高，缺点是占用 i/o 埠多，如驱动 5 个数码管静态显示则需要 5840 根 i/o 口来驱动，要知道一个 89c51 单片机可用的 i/o 口才 32 个呢。故实际应用时必 须增加驱动器进行驱动，增加了硬体电路的复杂性。 b动态显示驱动 数码管动态显示介面是单片机中应用最为广泛的一种显示方式之一，动态驱动是 将所有数码管的 8 个显示笔划“a,b,c,d,e,f,g,. “的同名端连在一起，另外为每个数码管的 公共极 com 增加位元选通控制电路，位元选通由各自独立的 i/o 线控制，当单片机输 出字形码时，所有数码管都接收到相同的字形码，但究竟是那个数码管会显示出字形， 取决于单片机对位元选通 com 端电路的控制，所以我们只要将需要显示的数码管的选 通控制打开，该位就显示出字形，没有选通的数码管就不会亮。 2led 显示器接口电路的具体设计 单片机的 led 显示接口设计可采用多种方案。按照显示方式分为静态显示接口电 路和动态显示接口电路。从与单片机的接口方式来分可分为并行接口方式和串行接口 方式。在设计 led 显示接口电路时，既可采用通用集成芯片，也可采用专用的集成显 显示字符012345678 共阴极字符3fh06h5bh4fh66h6dh7dh07h7fh 共阳极字符c0hf9ha4hb0h99h92h82hf8h80h 显示字符9abcdefhp 共阴极字符6fh77h7ch39h5eh79h71h76h73h 共阳极字符90h88h83hc6ha1h86h8eh89h8ch 课程设计说明书 第23页 示接口芯片。在本设计考虑了综合因素，一般采用动态显示方式，采用了 hd7279 驱 动器驱动 led 数码管，在接下来的小节中将具体介绍其功能。因为 hd7279a 是一款 具有简单 spi 串行接口的器件，可直接驱动 8 位共阴式数码管，所以我们采用了共阴 极数码管。为了使 led 数码管的正常工作，都采用一定的驱动电压，所以在显示电路 设计过程中，还应该加上限流电阻，具体的电路图将在下节一起介绍。 3.3.5 hd7279 接口 1引脚介绍 hd7279a 是一款具有简单 spi 串行接口6的器件，可直接驱动 8 位共阴式数码管 (或 64 个独立的 led)，管理多达 64 键键盘，单片即可完成 led 显示和键盘接口的全 部功能，大大简化电路设计，占用单片机资源极少(最少 2 线)，完全免调试，外围电路 更简单。hd7279a 内部含有译码器可直接接收 bcd 码或 16 进制码，也可不译码，并 同时具有两种译码方式。此外，该器件还具有多种控制指令，诸如消隐