霍尔传感器组成的转速测量仪的设计.doc

结课论文结课论文 题 目 基于霍尔传感器发动机转速测仪设计基于霍尔传感器发动机转速测仪设计 学生姓名 学生学号 系 别 机电工程系 专 业 机械化及其自动化 届 别 指导教师 时 间 1 目目 录录 1 摘要 2 2 系统概述 3 2 1 系统组成 3 2 2 霍尔传感器测转速原理及特性 5 2 3 光电式速度传感器概述 6 2 4 系统工作原理及处理方法 7 2 4 1 系统工作原理 7 2 4 2 处理方法 9 3 霍尔传感器测转速系统的单元电路介绍 10 3 1 单片机的简介 12 3 2 脉冲产生电路设计 13 3 霍尔传感器选型 14 3 4 开关霍尔传感器的性能分析 16 3 5 系统显示电路介绍 18 4 数码管显示和液晶显示的利弊 18 5 基于霍尔传感器测转速系统的软件设计 19 参考文献 22 附录 24 2 摘要摘要 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 STC89C51 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 STC89C51 作为控制核心 由霍尔传感器 LCD 显示器 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 LCD 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 STC89C51 单片机 转速 霍尔传感器 2 系统概述系统概述 3 2 12 1 系统组成系统组成 在测量电机转速时我们从采用了电磁感应式传感器 当电机转动时 带动传感器 这种传感器可以将转速信号转变成一个对应频率的脉冲信号输出 经过信号处理后输出 到计数器 脉冲信号的频率与电机的转速是一种线性的正比关系 因此对电机转速的测 量 实质上是对脉冲信号的频率的测量 本课题采是以 STC89C52 单片机为核心将处理好的信号经过数据处理转换成所测得的 实际十进制信号的系统 系统硬件原理框图如图 2 1 系统框图原理如图 2 1 所示 系统由传感器 信号处理 显示电路和系统软件等部 分组成 传感器采用霍尔传感器 负责将转速转化为脉冲信号 信号处理电路包含待测 信号放大 波形变换 波形整形电路等部分 其中放大器实现对待测信号的放大 降低对 待测信号的幅度要求 实现对小信号的测量 波形变换和波形整形电路实现把正负交变 的信号波形变换成可被单片机接受的 TTL CMOS 兼容信号 处理器采用 STC89C52 单片机 显示器采用 LCD1602 液晶显示器动态显示 2 22 2 霍尔传感器测转速原理及特性霍尔传感器测转速原理及特性 1 霍尔传感器测速原理 霍尔器件是由半导体材料制成的一种薄片 器件的长 宽 高分别为 l 若在垂直于薄片平面 沿厚度 方向施加外磁场 在沿 方向的两个端面加一外电 场 则有一定的电流流过 由于电子在磁场中运动 所以将受到一个洛仑磁力 其大小 为 qVBf 式中 f 洛仑磁力 载流子电荷 载流子运动速度 磁感应强度 发动机霍尔传感 器 单片 机 STC89C5 2 超速 报警 液晶 显示 转速 电源 4 这样使电子的运动轨迹发生偏移 在霍尔元器件薄片的两个侧面分别产生电子积聚 或电荷过剩 形成霍尔电场 霍尔元器件两个侧面间的电位差称为霍尔电压 霍尔 H U 电压大小为 mV H U H R dBI 式中 霍尔常数 元件厚度 磁感应强度 控制电流 H R 设 则 mV 为霍尔器件的灵敏系数 mV mA T 它表示该 H K H R d H U H KdBI 霍尔元件在单位磁感应强度和单位控制电流下输出霍尔电动势的大小 应注意 当电磁 感应强度 反向时 霍尔电动势也反向 若控制电流保持不变 则霍尔感应电压将随外界磁场强度而变化 根据这一原理 可以将两块永久磁钢固定在电动机转轴上转盘的边沿 转盘随被测轴旋转 磁钢也将跟 着同步旋转 在转盘附近安装一个霍尔元件 转盘随轴旋转时 霍尔元件受到磁钢所产 生的磁场影响 输出脉冲信号 传感器内置电路对该信号进行放大 整形 输出良好的 矩形脉冲信号 测量频率范围更宽 输出信号更精确稳定 已在工业 汽车 航空等测 速领域中得到广泛的应用 其频率和转速成正比 测出脉冲的周期或频率即可计算出转 速 2 霍尔传感器的特性 半导体磁敏传感器是利用半导体材料中的自由电子和空穴随磁场而改变其运动方向这一特性制 成的 按其结构可分为体型和结型两大类 体型的主要有霍尔传感器 材料主要是 InSb InAs Ge Si GaAs 和磁敏电阻 材料主要有 InSb InAs 结型的主要有磁敏二极管 材 料主要是 Ge Si 和磁敏三极管 材料主要是 Si 霍尔传感器是一种基于霍尔效应的磁传感器 霍尔效应自 1879 年被美国物理学家爱 德文 霍尔发现至今已有 100 多年的历史 但直到 20 世纪 50 年代 由于微电子学的发 展 才被重视和开发 现在 已发展成一个品牌多样的传感器产品族 并得到广泛的应 用 霍尔传感器可以检测磁场及其变化 可在各种与磁场相关的场合中应用 霍尔传感器具有许多优点 其结构牢固 体积小 质量轻 寿命长 安装方便 功 能消耗小 频率高 耐震动 不怕灰尘 油污 水汽及盐雾等的污染或腐蚀 霍尔传感器可直接用于检测磁场或磁特性 也可以通过在被检对象上人为设置的磁 场 来检测许多非电 非磁的物理量 例如力 力矩 压力 应力 位置 位移 速度 加速度 角度 角速度 转数 转速以及工作状态发生变化的时间等 还可转换成电量 来进行检测和控制 5 图 2 2 霍尔元件的原理结构图 2 32 3 光电式速度传感器概述光电式速度传感器概述 光电式速度传感器将速度的变化转变成光通量的变化 在通过光电转换元件将光 通量的变化转换成电量变化 光电转换元件的工作原理是光电效应 光电效应是指用光照 射某一物体 可以看作是一连串带有一定能量为的光子轰击在这个物体上 此时光子能量就传递给电 子 并且是一个光子的全部能量一次性地被一个电子所吸收 电子得到光子传递的能量后其状态就会 发生变化 从而使受光照射的物体产生相应的电效应可以分为三部分外光电效应 内光电效应 光生伏特效应 2 3 1速度检测的原理 它是由装在轴上的带孔或缝隙的旋转盘 光源 光接收器等组成 输入轴与被测 轴相连接 光源发出的光通过缝隙旋转盘照射到光敏器件上 使光敏器件感光并产生电 脉冲 转轴连续转动 光敏器件就输出一系列与转速及带缝隙旋转盘上缝隙数成正比的 电脉冲数 在指示缝隙数一定的情况下 该脉冲数和转速成正比 光电式速度传感器原理图 左图 光线被遮住 接收器无信号 右图 光线未被遮住 接收器有信号 当带缝隙的旋转盘随被测轴转动时 由于圆盘上的缝隙间距与指示缝隙的相同 因此带 缝隙旋转盘每转一周 光敏器件输出与之相等的电脉冲 根据测量时间内的脉冲数 N 就 可测出测速为 n 60N Zt 式中 Z 为带缝隙旋转盘上的缝隙数 n 为转速 2 3 2 脉冲信号调理电路 由光电传感器输出的电信号一般还要经过相应放大和整形调理电路处理以达到一般 数字电路能识别的矩形脉冲 采用施密特触发器在脉冲的产生和整形电路中应用很广 施密特触发器是一种能够把输入波形整形成为适合于数字电路需要的矩形脉冲的电路 6 同时该触发器具有脉冲幅度鉴别且具有很好的抗干扰性 下图为输入输出整形电路 整形输入输出电路 上图可知通过施密特触发器输出的波形具有很好的方波脉冲特性 所以经过放大整形电 路后信号再传给频率计或者单片机内部的计数器通过一系列的数据运算就可以求得速度 参数值了 2 3 3 光电式传感器速度检测的优越特性 光电速度传感器为非接触式转速表光电速度传感器采用光学原理制造 属于非接触 式速度测量仪表 它的测量距离一般可达 200mm 左右 光电转速传感器的测量无需与被 测量对象接触 不会对被测量轴形成额外的负载 因此光电速度传感器的测量误差更小 精度更高 光电速度传感器的结构紧凑光电速度传感器的结构紧凑 主要由投射光线部件 接 收光线部件也就是光敏元件和放大元件等组成 因此光电速度传感器的体积设计小巧 内部结构精致 非常便于使用者的携带 安装和使用 光电速度传感器的抗干扰性好光电速度传感器多采用 LED 作为光线投射部件 极少会 出现光线停顿的情况 也不会存在灯泡烧毁等故障危险 另外 光电速度传感器的光源 都是经过特殊方式调制的 有极强的抗干扰能力 不会受普通光线的干扰 光电速度传感器的测量能力好光电速度传感器的可采用光纤封装 可于测量微小的 物体 特别是微小旋转体的测量 特别适用于高精密 小元件的机械设备测量 光电速 度传感器的运行稳定 有良好的可靠性 测量的精度较高 能满足使用者的测量要求 2 3 4 光电式速度传感器应用及发展前景光电式速度传感器应用及发展前景 光电速度传感器由于非接触 性能高等优点 在测量速度时对被测物体损害小 所 以其在测量领域有着举足轻重的地位 比如现在很多电动车以及汽车都是采用光电来检 测当前的行驶速度 从而及时通过显示器很直观显示给用户 其实车速传感器种类很多 但是当车速高于 100km h 时 一般其他传感器测量的方法误差较大 需采用非接触式光 电速度传感器 测速范围 0 5 250km h 重复精度 0 1 距离测量误差优于 0 3 除 7 了汽车速度里程表会涉及到光电式速度传感器 汽车发动机也会用到传感器 近年来生 产的 DF4 型机车都采用光电式速度传感器代测速交流电机 轴光电式速度传感器产生信 号供列车监控记录装置 轴产生的速度信号供机车双针速度表 励磁调节器 轮缘涂 油器 这主要是因为光电式速度检测具有高精度 抗震动和检修方便等优点 现代工业 生产自动化设备越来越多 其中多电机的检测也十分普遍 其中用光电式传感器对电机 以及柴油机的转速检测也十分常见 现在很多电控柴油机的转速参数检测看重此传感器 的线性度好 分辨率高 噪音小等优点而被选用 同时光电速度传感器还和其他系统相 互组成发展新兴的产品设备 现在采用光电式速度传感器和数据预处理电路及微机多路 数据采集系统组成的车辆道路性能检测器 可以为交通部门提供方便 便捷 准确 高 效的车辆外场路面行驶性能检测和新型车辆性能测试 是一种先进的车辆性能虚拟测试 系统 它不仅能测量速度 也可以检测加速度 距离 车辆制动等多种性能 且这种仪 器经过使用 具有测量速度快 精确 功能扩展性好 性价比高 能够适用各种机动车 辆性能测量 同时 光电式非接触传感器还可以测量钢板 编织等连续运动目标的高精 度测速度和测长 在高速发展社会 人们对各类控制装置技术要求越来越高 由于现在自动化程度 光电技术以及传感器检测技术迅速发展 加上现在对速度检测也愈发重要 这就推动了 光电式速度检测的研究与发展了 目前光电式速度传感器除了传统意义上的速度检测还 主要朝着多用途 新型传感器材料 创新传感技术的开发 应对恶劣环境条件下工作如 高温 高压等 还有低成本传感器的开发以及传感器与其他微技术相结合应用的发展 所以 以后不管是速度检测还是其他物理量检测的光电式传感器以后发展前景非常好 应用将更加广泛 2 42 4 系统工作原理及处理方法系统工作原理及处理方法 2 4 1 系统工作原理 转速是工程上一个常用的参数 旋转体的转速常以每分钟的转数来表示 其单位为 r min 由霍尔元件及外围器件组成的测速电路将电动机转速转换成脉冲信号 送至单 片机 STC89C51 的计数器 T0 进行计数 用 T1 定时测出电动机的实际转速 此系统使用 单片机进行测速 采用脉冲计数法 使用霍尔传感器获得脉冲信号 其机械结构也可以 做得较为简单 只要在转轴的圆盘上粘上两粒磁钢 让霍尔传感器靠近磁钢 机轴每转 一周 产生两个脉冲 机轴旋转时 就会产生连续的脉冲信号输出 由霍尔器件电路部 分输出 成为转速计数器的计数脉冲 控制计数时间 即可实现计数器的计数值对应机 轴的转速值 单片机 CPU 将该数据处理后 通过 LCD 显示出来 传感器 发动机 单片机 8 信号盘 GND 转速测量系统安装图 2 4 2 处理方法 测速实际上就是测频 通常可以用计数法 测脉宽法和等精度法来进行测试 所谓 计数法 就是给定一个闸门时间 在闸门时间内计数输入的脉冲个数 测脉宽法是利用 待测信号的脉宽来控制计数门 对一个高精度的高频计数信号进行计数 由于闸门与被 测信号不能同步 因此 这两种方法都存在 1 误差的问题 第一种方法适用于信号频 率高时使用 第二种方法则在信号频率低时使用 等精度法则对高 低频信号都有很好 的适应性 此系统采用计数法测速 单片机 STC89C52 内部具有 2 个 16 位定时 计数器 定 时 计数器的工作可以由编程来实现定时 计数和产生计数溢出中断要求的功能 在构成 为定时器时 每个机器周期加 1 使用 12MHz 时钟时 每 1us 加 1 这样以机器周期为基 准可以用来测量时间间隔 在构成为计数器时 在相应的外部引脚发生从 1 到 0 的跳变 时计数器加 1 这样在计数闸门的控制下可以用来测量待测信号的频率 3 霍尔传感器测转速系统的单元电路介绍霍尔传感器测转速系统的单元电路介绍 3 13 1 单片机的介绍单片机的介绍 本设计采用 STC89C52 芯片 芯片采用 40 脚双列直插式封装 32 个 I O 口 芯片工 作电压 3 8 5 5V 工作温度 0 70 C 商业级 工作频率可高达 30MHz 芯片的外形 和引脚见下图 2 图 2 STC89C52 外形和引脚图 整形电路 9 STC89C52 是一种低功耗 高性能 CMOS8 位微控制器 具有 8K 在系统可编程 Flash 存储器 使用高密度非易失性存储器技术制造 与工业 80C51 产品指令和引脚完全兼容 片上 Flash 允许程序存储器在系统可编程 亦适于常规编程器 在单芯片上 拥有灵巧 的 8 位 CPU 和在线系统可编程 Flash 使得 STC89C52 为众多嵌入式控制应用系统提供 高灵活 超有效的解决方案 STC89C52 具有以下标准功能 8k 字节 Flash 256 字节 RAM 32 位 I O 口线 看门狗定时器 2 个数据指针 三个 16 位 定时器 计数器 一 个 6 向量 2 级中断结构 全双工串行口 片内晶振及时钟电路 另外 STC89C52 可降至 0Hz 静态逻辑操作 支持 2 种软件可选择节电模式 空闲模式下 CPU 停止工作 允许 RAM 定时器 计数器 串口 中断继续工作 掉电保护方式下 RAM 内容被保存 振荡 器被冻结 单片机一切工作停止 直到下一个中断或硬件复位为止 8 位微控制器 8K 字节在系统可编程 Flash P0 P3 口结构 第一功能 第二功能请参考数据手册 STC89C52 数据手册下载地址www mcu 其基本结构框图如图 3 1 包括 一个 8 位 CPU 4KB ROM 128 字节 RAM 数据存储器 26 个特殊功能寄存器 SFR 4 个 8 位并行 I O 口 其中 P0 P2 为地址 数据线 可寻址 64KB ROM 或 64KB RAM 一个可编程全双工串行口 具有 5 个中断源 两个优先级 嵌套中断结构 两个 16 位定时器 计数器 一个片内震荡器及时钟电路 计数脉冲输入 T0 T1 P0 P1 P2 P3 TXD RXD 0INT1INT 时钟源 CPU 串行接口并行 I O 接口中断系统 特殊功能寄 存器 SFR 128 字节 RAM 定时 计数 器 T0 T1 4K ROM EPROM 8031 无 10 中断输入 图 3 1 STC89C52 单片机结构框图 STC89C52 系列单片机中 HMOS 工艺制造的芯片采用双列直插 DIP 方式封装 有 40 个 引脚 STC89C52 单片机 40 条引脚说明如下 1 电源引脚 V正常运行和编程校验 8051 8751 时为 5V 电源 V为接地 CCSS 2 I O 总线 P P P0 口 P P P1 口 P P P2 口 0 07 00 17 10 27 2 P P P3 口 为输入 输出引线 0 37 3 3 时钟 XTAL1 片内震荡器反相放大器的输入端 XTAL2 片内震荡器反相放器的输出端 也是内部时钟发生器的输入端 4 控制总线 由 P3 口的第二功能状态和 4 根独立控制线 RESET EA ALE PSEN 组成 值得强调的是 P3 口的每一条引脚均可独立定义为第一功能的输入输出或第二功能 如表 3 1 所示 表 3 1 P3 口线的第二功能定义 STC89C52 单片机的片外总线结构 地址总线 AB 地址总线宽为 16 位 因此 其外部存储器直接寻址为 64K 字节 16 位地址总 线由 P0 口经地址锁存器提供 8 位地址 A0 至 A7 P2 口直接提供 8 位地址 A8 至 A15 数据总线 DB 数据总线宽度为 8 位 由 P0 提供 控制总线 CB 由 P3 口的第二功能状态和 4 根独立控制线 RESET EA ALE PSEN 组成 3 2 脉冲产生电路设计 LM358 内部包括有两个独立的 高增益 内部频率补偿的双运算放大器 适合于电 源电压范围很宽的单电源使用 也适用于双电源工作模式 在推荐的工作条件下 电源 电流与电源电压无关 它的使用范围包括传感放大器 直流增益模块和其他所有可用单 P3 口引脚及线号引脚第二功能 P3 0 10 RXD串行输入口 P3 1 11 TXD串行输出口 P3 2 12 INT0外部中断 0 P3 3 13 INT1外部中断 1 P3 4 14 T0定时器 0 外部输入 P3 5 15 T1定时器 1 外部输入 P3 6 16 WR外部数据存储器写脉冲 P3 7 17 RD外部数据存储器读脉冲 11 3 2 6 74 LM324 3 2 6 74 LM324 3 2 6 74 LM358 R1 1K R2 1K R3 10K R4 1K R6 10K R5 10K Rf 10K 15V 15V 15V 15V 15V 15V U0 15V Port 电源供电的使用运算放大器的场合 LM358 的封装形式有塑封 8 引线双列直插式和贴片式 特性 内部频率补偿 直流电压增益高 约 100dB 单位增益频带宽 约 1MHz 电源电压范围宽 单电源 3 30V 双电源 1 5 一 15V 低功耗电流 适合于电池供电 低输入偏流 低输入失调电压和失调电流 共模输入电压范围宽 包括接地 差模输入电压范围宽 等于电源电压范围 输出电压摆幅大 0 至 Vcc 1 5V 如图 3 2 所示 信号预处理电路为系统的前级电路 其中霍尔传感元件 b d 为两电 源端 d 接正极 b 接负极 a c 两端为输出端 安装时霍尔传感器对准转盘上的磁钢 当转盘旋转时 从霍尔传感器的输出端获得与转速率成正比的脉冲信号 传感器内置电 路对该信号进行放大 整形 输出良好的矩形脉冲信号 图中 LM358 部分为过零整形电 路使输入的交变信号更精确的变换成规则稳定的矩形脉冲 便于单片机对其进行计数 b cHd a 图 3 2 信号预处理电路 3 33 3 霍尔传感器选型霍尔传感器选型 12 霍尔效应自 1879 年被美国物理学家爱德文 霍尔发现至今已有 100 多年的历史 但 直到 20 世纪 50 年代 由于微电子学的发展 才被重视和开发 现在 已发展成一个品 牌多样的传感器产品族 并得到广泛的应用 霍尔传感器是对磁敏感的传感元件 由磁钢 霍耳元件等组成 测量系统的转速传感 器选用 OH137 的霍尔传感器 3 43 4 开关霍尔传感器的性能分析开关霍尔传感器的性能分析 OH137 霍尔开关电路是为了适用客户低成本高性能要求开发生产的系列产品 其应 用领域广泛 性能可靠稳定 电路内部由反向电压保护器 电压调整器 霍尔电压发生 器 差分放大器 史密特触发器和集电极开路输出级组成 能将变化的磁场讯号转换成 数字电压输出 产品特点 产品一致性好 灵敏度可按照客户要求定制 电路可和各种逻辑电路直接接 口 可实现功能 无触点开关 位置检测 速度检测 流量检测 典型应用领域 直流无刷电机 家用电器 缝纫设备 纺织机械 编码器 安全报警装 置等自动化控制领域 极限参数 TA 25 电源电压 VCC 4 5 24V 输出负载电流 IO 25mA 工作温度范围 TA 40 85 贮存温度范围 TS 55 150 电特性 TA 25 量 值 参 数 符 号 测试条件 最小典型最大 单 位 电源电压VCC4 5 24V 输出低电平 电压 VOL Vcc 4 5V RL 2K B BOP 200400mV 输出漏电流IOHVout Vccmax B BRP 0 110 A 电源电流ICCVCC Vccmax OC 开路 35mA 输出上升时 间 tr Vcc 12V RL 820 CL 20pF 0 121 20 S 输出下降时 间 tf Vcc 12V RL 820 CL 20pF 0 141 40 S 磁特性 VCC 4 5 24V 1mT 10GS 13 量 值 参 数符号 最小典型最大 单 位 工作点BOP 18mT 释放点BRP2 mT 回 差BH6 8mT 测试电路 磁电转换特性 外型尺寸图 管腿说明 1 电源 2 地 3 输出 使用注意 使用注意 1 安装时要尽量减小施加到电路外壳或引 线上的机械应力 2 焊接温度要低于 260 时间小于 3 秒 3 电路为 OC 输出 需要在 1 3 腿 电源 与输出 之间加一上拉电阻 上拉电阻的阻 值与工作电压 通过电路的电流有关 Vout Vcc 5V RL RL 820 CL 20 pF CL BH BRPBOPB VOH VOL 0 功能方框图 REG Pin1 VCC Pin3 Vout Pin2 GND 14 3 5 系统显示电路介绍系统显示电路介绍 3 5 1晶显示部分 晶显示部分 显示部分有两个功能 在正常情况下 通过液晶显示当前转速值 当电机的转速超过设定值通过 蜂鸣器进行报警 其硬件和连线显示图如下图 处理器部分 处理器采用的是单片机 对霍尔传感器的脉冲进行处理 并将结果送给显示器 其程序如附录 报警部分 报警部分采用蜂鸣器 当电机转速超过设定值时 处理器就会将蜂鸣器驱动发出警报 3 5 23 5 2 LCDLCD 显示电路显示电路 1602LCD 分为带背光和不带背光两种 基控制器大部分为 HD44780 带背光的比不带背光的厚 是否带背光在应用中并无差别 两者尺寸差别如下图 x 2 所示 图 x 2 1602LCD 尺寸图 显示电路选择液晶显示屏 LCD6102 1602 字符型 LCD 通常有 14 条引脚线或 16 条引脚线的 L CD 多出来的 2 条线是背光电源线 VCC 15 脚 和地线 GND 16 脚 其控制原理与 14 脚的 LC 15 D 完全一样 1 1602LCD 主要技术参数 显示容量为 16 2 个字符 芯片工作电压为 4 5 5 5V 工作电流为 2 0mA 5 0V 模块最佳工作电压为 5 0V 字符尺寸为 2 95 4 35 W H mm 其引脚说明如表 3 10 寄存器选择与控制编码如表3 11 表 3 10 1602 字符型 LCD 显示器管脚功能 引脚符号功能说明 1VSS 一般接地 2VDD 接电源 5V 3V0 液晶显示器对比度调整端 接正电源时对比度最弱 接地电源时对比度最 高 对比度过高时会产生 鬼影 使用时可以通过一个 10K 的电位器调 整对比度 4RS RS 为寄存器选择 高电平 1 时选择数据寄存器 低电平 0 时选择指令寄 存器 5R W R W 为读写信号线 高电平 1 时进行读操作 低电平 0 时进行写操作 6E E 或 EN 端为使能 enable 端 下降沿使能 7DB0 底 4 位三态 双向数据总线 0 位 最低位 8DB1 底 4 位三态 双向数据总线 1 位 9DB2 底 4 位三态 双向数据总线 2 位 10DB3 底 4 位三态 双向数据总线 3 位 11DB4 高 4 位三态 双向数据总线 4 位 12DB5 高 4 位三态 双向数据总线 5 位 16 13DB6 高 4 位三态 双向数据总线 6 位 14DB7 高 4 位三态 双向数据总线 7 位 最高位 也是 busy flag 15BLA 背光电源正极 16BLK 背光 电源负极 表 3 11 寄存器选择控制编码 RSR W 操作说明 00 写入指令寄存器 清除屏等 01 读 busy flag DB7 以及读取位址计数器 DB0 DB6 值 10 写入数据寄存器 显示各字型等 11 从数据寄存器读取数据 1602 液晶显示模块内部的字符发生存储器 CGROM 中已经存储了 160 个不同的点阵字符图 形 这些字符有 阿拉伯数字 英文字母的大小写 常用的符号 和日文假名等 每一个字符都 有一个固定的代码 比如大写的英文字母 A 的代码是 01000001B 41H 显示时模块把地 址 41H 中的点阵字符图形显示出来 就可以在显示屏上看到字母 A 1602 识别的是 ASCII 码 试验可以用 ASCII 码直接赋值 在单片机编程中还可以用字符型 常量或变量赋值 如 A 2 控制器接口说明 基本操作时序见表3 12 表3 12 基本操作时序 读状态输入RS L R W H E H输出D0 D7 状态字 写指令输入 RS L R W L D0 D7 指令码 E 高 脉冲 输出无 读数据输入 RS H R W H E H 输出D0 D7 数据 17 写数据输入 RS H R W L D0 D7 数据 E 高脉 冲 输出无 对此液晶操作主要有以下几种方法 写命令 包括但不限于初始化 调节显示位置 清除显示 写数据 把一个字符的ASC 码写入液晶使其显示 读忙信号 液晶乃低速设备 每次操作前应该测试忙信号 确定其不忙时再操作 3 1602LCD的指令码 命令码 此液晶上电的时候需要初始化 典型的指令码是38H 也就是上电的时候需要调用函数void write cmd unsigned char command 写指令码 即write cmd 0 x38 执行完这个函数可以把液晶初始 化成16x2 显示5x7 的点阵8 位总线接口 此液晶支持的指令码如表3 13所示 控制液晶是否显示 光标是否显示 光标是否闪烁的指令如表3 14所示 控制写字符 光标或屏幕移动方向的指令如表 3 15所示 移动光标的指令如表3 16所示 表3 13 指令码说明 指令码功能 00001DCB D 1 开显示 D 0 关显示 C 1 显示光标 C 0 不显示光标 B 1 光标闪烁 B 0 光标不显示 000001NS N 1 当读或写一个字符后地址指针加一 且光 标加一 N 0 当读或写一个字符后地址指针减一 且光 标减一 S 1 当写一个字符 整屏显示左移 N 1 或右移 N 0 以得到光标不移动而屏 幕移动的效果 S 1 当写一个字符 整屏显示不移动 表3 14 控制液晶显示指令码 0000100008H 关液晶显示 光标不闪烁 不显示光标位置 0000100109H 关液晶显示 光标不闪烁 显示光标位置 18 000010100AH 关液晶显示 光标不闪烁 不显示光标位置 000010110BH 关液晶显示 光标不闪烁 显示光标位置 000011000CH 开液晶显示 光标不闪烁 不显示光标位置 000011010DH 开液晶显示 光标不闪烁 显示光标位置 000011100EH 开液晶显示 光标不闪烁 不显示光标位置 000011110FH 开液晶显示 光标不闪烁 显示光标位置 表3 15 写完字符 光标或屏幕移动方向指令码 指令码功能 80H 地址码 0 27H 40H 67H 设置数据地址指针 表3 16 移动光标指令码 这是虚拟的液晶显示图 表示2 行16 列显示 方框中的数字表示当前位置的指针 80 H 81 H 82 H 83 H 84 H 85 H 86H87 H 88 H 89 H 8A H 8B H 8C H 8D H 8E H 8F H C0 H C1 H C2 H C3 H C4 H C5 H C6HC7 H C8 H C9 H CA H CB H CC H CD H CE H CF H 指令码功能 01H 显示清屏 1 数据指针清零 2 所有显示清零 02H 显示回车 1数据指针清零 19 4 4 数码管显示和液晶显示的利弊数码管显示和液晶显示的利弊 液晶显示材料具有明显的优点 驱动电压低 功耗微小 可靠性高 显示信息量大 无闪烁 对 人体无危害 生产过程自动化 成本低廉 可以制成各种规格和类型的液晶显示器 便于携带等 但 是需要有背光照明 且可视角度有限制 1602 采用并口传输 速度快 数码管 没有驱动要加 CD4511 等外加电路 1602 内部集成有显示芯 片 可以识别英文字母 阿拉伯数字 优点 亮度高 显示大 驱动部份的软件简单 发光二极管响应速度可以达到纳秒级 也可以用作显示 比如点阵 但是分辨率稍低于液晶材料 因为其功率较大 可以用于照明 大量发光二极管用作照明时 要做好散热设计 数码管实际就是做成了具体显示形式的发光二极管 可以显示某些预先设置的图像 显示成本低于 发光二极管点阵 但是显示内容基本固定 数码管显示内容单一 液晶则比较丰富 数码管一般就是 一个 7 段的 8 字 液晶可以显示各种内容 数码管是自发光的 液晶是靠背光 环境 的 数码管是 LED 发光的效果 液晶是分子偏转引起的暗影效果 数码管比液晶耗电 5 5 基于霍尔传感器的硬件电路设计基于霍尔传感器的硬件电路设计 霍尔传感器测速原理图霍尔传感器测速原理图 20 其测量过程大致是 测量转速的霍尔传感器和电机轴同轴相连 并在机轴上安装一 个小磁铁 机轴每转一圈 与霍尔传感器就接触一次 霍尔传感器感应磁场的变化通过 上拉电阻在输出口会产生一个低电平 并送给单片机 相应的发光二极管就会发亮 单 片机 IO 口检测到下降沿触发中断 通过控制计数的时间 即可实现计数器的计数值对 应机轴的转速值 单片机将该值处理后 在液晶显示器显示出来 一旦超速 单片机就 会同过蜂鸣器发出报警 总体硬件电路图和 PCB 图如下图所示 5 5 基于霍尔传感器测转速系统的软件设计基于霍尔传感器测转速系统的软件设计 5 15 1 软件流程图软件流程图 本设计软件主要为主程序 数据处理显示程序 定时器中断服务程序三个部分 1 主程序主要完成初始化功能 包括 LED 显示的初始化 中断的初始化 定时器的初 21 始化 寄存器 标志位的初始化等 主程序流程图如图 5 所示 2 数据处理显示模块程序 此模块中单片机对在 1 秒内的计数值进行处理 转换成 r min 送显示缓存以便显示 具体算法如下 设单片机每秒计数到 n 个值 即 n 2 r s 圆盘贴两个磁钢 则 n 2 r s 30n r min 即只要将计数值乘以 30 便可得到每分 钟电机的转速 数据处理显示模块流程图如图 6 所示 图 5 1 主程序流程图 图 5 2 数据处理显示模块流程图 3 定时器 1 中断服务程序设计 定时器 1 完成计时功能 定时 50ms 进行定时中断 计数并每隔 1s 更新一次显示数据 流