基于开关霍尔健身器测距系统设计

中北大学 2013 届毕业设计说明书第 I 页 共 II 页基于开关霍尔健身器测距系统设计摘要：本文介绍了利用霍尔传感器实现位移的测量。目前，测 量位移的传感器很多，有电涡流式 ，电容式；电涡流式和电容 式传感器的特点是电路处理比较复杂，并且操作比较麻烦，随着现在测量量程的增加，传感器的体积相应的增大，上述两种传感器的灵敏度会下降很多。为此，本文提出了基于霍尔效应测量位移的霍尔传感器。霍尔传感器具有良好的可靠性，灵敏度和温度稳定性，因而在汽车、工业控制和安全系统的位置、速度、电流等检测中得到广泛应用。本文将对（基于开关）霍尔传感器在测距领域的智能化测量应用进行研究，并设计出基于开关霍尔测距硬件电路系统。该测量技术将被设计成健身器材。关键词：传感器； 位移； 检测 中北大学 2013 届毕业设计说明书第 I 页 共 II 页Design of switching Holzer fitness ranging system based onABSTRACT ：This paper describes the use of Hall sensors to achieve displacement measurements. Currently, the measurement of displacement sensors are many, eddy current, capacitive; eddy current and capacitive sensors are characterized by processing circuit is more complex, and the operation is too much trouble, as now the measurement range increases, the corresponding increase in the size of the sensor large, the two sensor sensitivity will drop a lot. To this end, we propose a measure based on Hall effect displacement of the Hall sensor. Hall sensor with a good reliability, sensitivity and temperature stability, and thus in the automotive, industrial control and safety systems position, speed, current, etc. are widely used in testing. This paper will (based on switch) Hall sensor in the field of intelligent measurement applications ranging study and design the hardware circuit based switching Hall Ranging System. This measurement technique will be designed fitness equipment.KEY WORDS: Sensors ；detect ；displacement中北大学 2013 届毕业设计说明书第 I 页 共 II 页目 录1 综述41.1 课题背景与意义.41.2 课题的主要任务及内容.41.3 霍尔传感器的发展现状.51.4 位移传感器发展趋势.62 总体思路.72.1 设计任务与思路.72.2 设计方案.83 硬件设计.93.1 传感器选择.93.1.1 霍尔传感器的优点.93.1.2 霍尔选择.103.1.3 霍尔传感器测量原理.113.2 单片机的选择123.2.1 选择依据与原则.133.2.2 单片机内部简介.143.2.3 89C51 的选择143.2.4 管脚说明.153.3 显示数码管选择.173.3.1 数码管简介.173.3.2 驱动方式.183.3.3 LED 一些特性193.4 报警电路.203.4.1 蜂鸣器介绍20中北大学 2013 届毕业设计说明书第 II 页 共 II 页3.4.2 蜂鸣器驱动介绍.213.5 系统整体电路214 软件设计224.1 开发环境.224.2 Proteus 软件.234.3 程序流程.245 电路仿真与测试295.1 电路仿真.295.2 测试结果.29参考文献.31致谢32中北大学 2013 届毕业设计说明书第 1 页 共 32 页1 综述1.1 课题背景与意义霍尔传感器的高可靠性，高灵敏度和好的温度稳定性使它得到广泛的应用。汽车，工业控制和安全系统需要感受位置、速度、电流时，霍尔元件比其它传感器具有更好的性能。例如：用霍尔元件代替光电元件或机械开关，将使系统更加可靠；霍尔元件不受灰尘的影响，不会有触点抖动，自身固有滞环；发光二极管性能随时间和温度改变，但霍尔元件和伴随的磁铁不会。此外，霍尔元件可工作在40 +150的温度下；工作电压从 4.5v 到 24v。它可做成线形元件和数字元件，数字元件的开关次数不受限制，且性能不降低。霍尔元件和电子控制线路的接口可以是一个上拉电阻 。最后霍尔元件可封装在牢固的外壳内，从而可在恶劣的特殊环境中工作。在本次设计中，涉及到传感器技术，电子测量技术，c 语言程序编写技术，以及数字信号处理等的多种学科知识的综合运用。通过本设计，能提高本专业各个学科综合知识的实际运用能力，提高实际动手能力，提高自身的科学性、系统性、及全面性的综合设计素质。1.2 课题的主要任务及内容霍尔传感器有着广泛的用途，本文主要研究开关型霍尔传感器测距的应用。我们将对气缸中磁环活塞的运动进行实时监测，当磁环活塞运动的位移达到系统要求的位移时，系统能自动报警提示并退出。本文首先扼要对该课题的任务进行方案论证，包括硬件方案和软件方案的设计；继而介绍基于开关霍尔健身器测距系统硬件设计，包括传感器选择，单片机选择，显示电路设计，89c51 的硬件及外围电路；然后阐述了开关霍尔测距的软件设计，包括数据处理子程序，报警处理程序；最后针对仿真过程中遇到的问题进行具体说明与分析，对本次设计进行系统的总结。具体硬件电路包括 89C51 的硬件及外围电路及 LED 显示电路等。软件设计包括芯片的初始化程序，定时报警子程序和显示子程序。软件采用 C 语言编程软件设计的思想主要是自顶向下，模块化设计，各个子模块逐一设计。中北大学 2013 届毕业设计说明书第 2 页 共 32 页1.3 霍尔传感器的发展现状 100 多年来,霍尔效应的应用经历了三个阶段：第一阶段是从霍尔效应的发现到20 世纪 40 年代前期。最初,由于金属材料中的电子浓度很大,而霍尔效应十分微弱,所以没有引起人们的重视。这段时期也有人利用霍尔效应制成磁场传感器,但实用价值不大,到了 1910 年有人用金属铋制成霍尔元件,作为磁场传感器。但是,由于当时未找到更合适的材料,研究处于停顿状态。第二阶段是从 20 世纪 40 年代中期半导体技术出现之后,随着半导体材料、制造工艺和技术的应用,出现了各种半导体霍尔元件,特别是锗的采用推动了霍尔元件的发展,相继出现了采用分立霍尔元件制造的各种磁场传感器、磁罗盘、磁头、电流传感器、非接触开关、接近开关、位置、角度、速度、加速度传感器、压力变送器、无刷直流电机以及各种函数发生器、运算器等,应用十分广泛。第三阶段是自 20 世纪 60 年代开始,随着集成电路技术的发展,出现了将霍尔半导体元件和相关的信号调节电路集成在一起的霍尔传感器 1。进入 20 世纪 80 年代,随着大规模超大规模集成电路和微机械加工技术的进展,霍尔元件从平面向三维方向发展,出现了三端口或四端口固态霍尔传感器,实现了产品的系列化、加工的批量化、体积的微型化。此外,20 世纪 70 年代末,美国科学家发现了量子霍尔效应并因此获得了 1985 年的诺贝尔物理学奖。最近,韩国科学家报告了等离子霍尔传感器。最近，F. Le Bihan 等人研制了一种可测量大位移量的多晶硅薄膜场效应( TFT)霍尔传感器,它包括 2 个对称放置的 TFT 霍尔探头和 2 个源极、漏极。该传感器系采用 LPCVD 工艺,形成非掺杂和轻掺杂两种多晶硅薄膜作为激励区;采用重掺杂多晶硅工艺,形成源极和漏极;采用 APCVD 工艺形成隔离门。为了减少电极间的相互干扰,它的激励区较大为 200 m 200 m。霍尔电极放在宽 15m 的沟道中间。该传感器的主要特点是,它的灵敏度和功耗与薄膜场效应管的门和漏极电压相关,灵敏度为 200mV/ T,功耗小于 2mW。将霍尔发生器形成在大面积玻璃芯片上,可用于大量程位置传感器。它的检测原理是,当霍尔元件随被测物体运动时,依次通过每个小磁钢 ,产生相应的电压脉冲信号,利用记录仪可将脉冲数转换为被测位移。也可将霍尔传感器固定,磁钢随被测对象移动;如果将多个磁钢等间距沿圆周排列,还可以测量转速或角位移。Florin Rusu 等人在研究 Ni SiO2 纳米晶薄膜的特性时,发现该薄膜的电阻率和霍尔效应随 Ni 的浓度变化,在其接近渗透阈值时,变化显著,因此特别适用于磁电原理的薄膜传感器。1.4 位移传感器发展趋势 中北大学 2013 届毕业设计说明书第 3 页 共 32 页在位移的检测过程中，从古至今、从落后到进步、从粗劣到精密，我们已经经历了很多过程。在接触式位移检测中，我们采用很多量具为工具，为了减少在检测过程中人为的和工具的引入带来的误差，我们人为的规定了很多种极限偏差族，用来补偿测量过程中偏差对实际位移的影响。虽然这种接触式测量方式在应用过程中比较繁琐，且工作效率很低，但其测量方法简单方便，测量工具低廉且易操作，因此在实际使用中被广泛的接受。但是在很多特殊的场合，由于场地、测量物质、环境、条件等的不利因素，我们无法完成接触式位移检测。所以，又出现了非接触式位移检测，在非接触式位移检测中我们发明了很多高、精、艰的精密的仪器仪表。例如，光电指示仪、霍尔传感器、激光测位计等。这些仪器仪表的发明使我们避免了在接触式测量中人为误差及工具误差的引入带来的烦恼。这些仪器仪表多半是用驱动或激励光源发射光线，发出的光线在被测物体上留下光点标记，再通过光的反射或折射将被测物体上的光点标记提取到，再将提取到的光点标记由仪器仪表的接收光线部分去接收。经过这样的操作，彻底的避免了测量中的接触。在一些高精密、高精确的场合往往就要采用这种非接触式位移检测。而霍尔元件正是基于这种非接触式检测基础上生产出来的一种高科技产品 2。 位移检测的用途很广，它可以间接作为速度、角速度测量。速度、角速度测量是驱动器反馈控制中必不可少的环节，有时也利用测位移传感器测量速度及检测单位采样时间位移量，然后用 FV 转换器变成模拟电压。再通过相应的变换得到速度、角速度的值。 而位移检测在动态振动位移的检测中也得到了广泛的应用。动态振动位移的检测，它本身可代替无接触位移传感器，测量范围无限制，大的我们检测过铁路桥梁的振动，北京电视塔的晃动，小的检测过细胞的运动曲线，测量精度达到被测最大范围的千分之二。由于它在代替位移传感器有许多优点，因此得到广泛应用。但它也是基于位移检测为基础而发展起来的另一门高深的学科。 本次设计为霍尔原件位移检 测。设计主要采用霍尔传感器为主导，置于磁场中的静止载流体若电流方向与磁场方向垂直,则在载流体的平行于电流与磁场方向所组成的两个侧面产生电势: U H = K hI B (1) 式中 UH 霍尔电势 , K H 霍尔片的灵敏度 ,I 流过载流体的电流 , B 磁场的磁感应强度 , 中北大学 2013 届毕业设计说明书第 4 页 共 32 页如果保持控制电流 I 不变,使霍尔元件在一个均匀梯度的磁场中移动,则输出霍尔电压UH 取决于它在磁场中的位移量 x。磁场梯度越大,灵敏度越高,梯度变化越均匀,霍尔电压与位移之间的线性度越高,这就是霍尔式位移传感器的原理。当霍尔元件处于单块永磁体形成的磁场中,任一工作点都有霍尔电势输出,这使得传感器没有零点,对测量来讲是很不方便的。采用两块永磁体同极性放置构成的磁系统既解决了零点问题又改善了传感器的线性度。霍尔元件感受轴向的磁场变化,沿轴向运动,这样可使传感器获得较高的灵敏度。这种霍尔式位移传感器的突出优点是输出变化量大、灵敏度高、分辨力高、质量轻、惯性小、反应速度快;霍尔元件的频响范围宽,适合作动态位移测试。虽然霍尔式位移传感器的原理成熟,但是国内市场上成形的产品和生产厂家较少。2 总体思路2.1 设计任务与思路本计的任务是：以 89c51 为处理核心，用传感器将位移转换成电势信号，进行处理后传入单片机，进行报警退出。中北大学 2013 届毕业设计说明书第 5 页 共 32 页本系统总体思路如下：假定一个位移零点，然后以此为起点平衡一排霍尔传感器并进行编号，两边的磁铁作为移动点，磁铁移动到每一个传感器时，开关霍尔传感器采集到一个脉冲信号，计数器计算每个传感器距零点的距离，LED 显示当前传感器编号及距零点的距离。当达到系统要求的位移时系统发出报警信号，指示灯闪烁，并退出系统。要求达到各项指标与实现方法如下：1 利用霍尔传感器产生当前编号的脉冲信号；2 对脉冲信号进行反馈；3 对数据进行处理，要求 LED 能够显示传感器编码和位移；4 达到系统要求位移，报警并退出归零。2.2 设计方案最终实现目标：对气缸中磁环活塞实时监控，LED 显示位移，系统能够自动报警并退出。硬件电路设计是基础部分，它包括信号的捕获，放大，整形，单片机的计算处理，数码管的实时显示和单片机外围基本电路的设计，两大主要器件是单片机和传感器。系统结构图如图 2.2.1 所示。霍尔传感器单片机显示报警信号采集模块2.2.1 系统结构图传感器，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。其中最具有代表性的磁传感器就是霍尔传感器，在自动检测系统中利用霍尔传感器测位移是一种最基本的测量工作。中北大学 2013 届毕业设计说明书第 6 页 共 32 页单片机是本次设计的核心部位，他是信号从采集到输出的桥梁，而且包括计算、定时、信息处理等功能 3。因为气缸活塞是直线运动的，所以将霍尔元件直接固定安装在气缸外侧即可。将永磁铁安装在气缸活塞上，活塞动作时安装在气缸外侧的传感器能准确的感知磁铁的位置，因此在固定霍尔传感器时只要将小磁铁任意一面固定在气缸活塞上，位于气缸外侧的霍尔电路板便能检测到磁铁的运动位置。图 2.2.1 系统总框图电路安装如图：2.2.2图 2.2.2 霍尔元件安装示意图3 硬件设计3.1 传感器选择中北大学 2013 届毕业设计说明书第 7 页 共 32 页3.1.1 霍尔传感器的优点本次设计信号的捕获采用的是霍尔传感器。霍尔器件通过检测磁场变化，转变为电信号输出，可用于监视和测量汽车各部件运行参数的变化。例如位置、位移、角度、角速度、转速等等，并可将这些变量进行二次变换；可测量压力、质量、液位、流速、流量等。霍尔器件输出量直接与电控单元接口，可实现自动检测。霍尔器件都可承受一定的振动，可在零下 40到零上 150范围内工作，全部密封不受水油污染，完全能够适应汽车的恶劣工作环境。霍尔器件具有很多优点，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）、耐振动、不怕灰尘、油污、水汽及烟雾等的污染或腐蚀。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、无回跳、位置重复精度高。取用了各种补偿和保护措施的霍尔器件的工作温度范围宽，可达55150。按照霍尔器件的功能可将它们分为: 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的应用分为:直接应用和间接应用。前者是直接检测出受检测对象本身的磁场或磁特性，后者是检测受检对象上人为设置的磁场，用这个磁场来作被检测的信息的载体，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、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，转变成电量来进行检测和控制 4。3.1.2 霍尔选择线性型： 输出电压与外加磁场强度呈线性关系，如图 3.1.2 所示，可见，在 B1B2 的磁感应强度范围内有较好的线性度，磁感应强度超出此范围时则呈现饱和状态。 3.1.2 线性型关系开关型：中北大学 2013 届毕业设计说明书第 8 页 共 32 页如图 3.1.2 所示，其中 BOP 为工作点“开”的磁感应强度，BRP 为释放点“关”的磁感应强度。当外加的磁感应强度超过动作点 Bop 时，传感器输出低电平，当磁感应强度降到动作点 Bop 以下时，传感器输出电平不变，一直要降到释放点 BRP 时，传感器才由低电平跃变为高电平。Bop 与 BRP 之间的滞后使开关动作更为可靠 53.1.2 霍尔开关工作特性3.1.3 霍尔传感器测量原理它将独立的霍尔传感器和输出驱动器集成在同一芯片上。无论是 N 极还是 S 极的磁场都能输出方波信号。为了提高稳定性，它包括温度补偿电压调节器、一个差分放大器、一个滞环控制器和一个集电极开路输出驱动器，可吸收高达 20mA 的电流负载。霍尔电势的大小取决于：Rh 为霍尔常数，它与半导体材质有关；IC 为霍尔元件的偏置电流；B 为磁场强度；d 为半导体材料的厚度。对于一个给定的霍尔器件，Vh 将完全取决于被测的磁场强度 B。一个霍尔元件一般有四个引出端子，其中两根是霍尔元件的偏置电流 IC 的输入端，另两根是霍尔电压的输出端。如果两输出端构成外回路，就会产生霍尔电流。一般地说，偏置电流的设定通常由外部的基准电压源给出；若精度要求高，则基准电压源均用恒流源取代。为了达到高的灵敏度，有的霍尔元件的传感面上装有高导磁系数的坡莫合中北大学 2013 届毕业设计说明书第 9 页 共 32 页金；这类传感器的霍尔电势较大，但在 0.05T 左右出现饱和，仅适用在低量限、小量程下使用 6。霍尔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。在外磁场的作用下，当磁感应强度超过导通阈值 BOP 时，霍尔电路输出管导通，输出低电平。若加磁场的 B 值降低到 BRP 时，输出管截止，输出高电平。我们称 BOP 为工作点， BOPBRP=BH 称为回差。回差的存在使开关电路的抗干扰能力增强。霍尔开关电路的功能框见图 1 电极开路(OC)输出，(b)表示双输出。它们的输出特性见图 2 图 2 示普通霍尔开关，(b)表示锁定型霍尔开关的输出特性。霍尔开关电路的功能框图 1电路输出特性 2中北大学 2013 届毕业设计说明书第 10 页 共 32 页集成霍尔开关接线图 33.2 单片机的选择3.2.1 选择依据与原则单片机是指集成在一个芯片上的微型计算机，也就是把组成微型计算机的各种功能部件，包括 CPU、随机存储器 RAM、只读存储器 ROM、基本输出/输入接口电路。定时器/计数器等部件都制作在一块集成芯片上，构成一个完整的微型计算机从而实现微型计算机的基本功能。单片机根据 CPU 位数的不同分为 4 位单片机、8 位单片机、16 位单片机、32 位单片机。8 位单片机是目前单片机的主流，广泛的应用与工业控制、智能仪表、家电和玩具等领域。由于微电子技术的不断发展，32 位单片机的价格在不断的下降，其运算速度和处理能力非常强大，在高端领域有着广泛的应用 7。单片机内部结构示意图，如图。选择单片机型号的出发点有以下几个方面：1、应根据系统的功能要求和各种单片机的性能，选择最容易实现系统技术指标的型号，而且能达到较高的性能价格比。单片机性能包括片内硬件资源、运行速度、可中北大学 2013 届毕业设计说明书第 11 页 共 32 页靠性、指令系统功能、体积和封装形式等方面。影响性能价格比的因素除单片机的性能价格外，还包括硬件和软件设计的容易程度、相应的工作量大小，以及开发工具的性能价格比。2、在研制任务重、时间紧的情况下，还要考虑所选的单片机型号是否熟悉，是否能马上着手进行系统的设计。与研制周期有关的另一个重要因素是开发工具，性能优良的开发工具能加快系统地研制进程。89C51 单片机具有丰富的硬件资源，特别是其内部增加的闪速可电改写的存储器FlashROM 给单片机的开发及应用带来了很大的方便，且芯片价格非常便宜，再结合自身所学，最终决定采用 89C51 单片机 8。3.2.2 单片机内部简介1 中央处理器 CPU中央处理器简称 CPU，由运算器和控制器两部分组成。(1)控制器接受来自程序存储器的指令,并对指令进行译码,发出指令功能所需的各种控制命令,控制各部分协调工作。控制器包括:程序计数器 PC(Program ounter)、指令寄存器、指令译码器、定制控制电路等PC:存放下一条要执行的指令的地址。指令执行过程：CPU 执行指令时,由程序存储器中读取指令代码送入指令寄存器,经译码器译码后由定时和控制电路发出相应的控制信号,完成指定的操作。 （2） 运算器1）算术逻辑单元 ALU(Arithmatic Logic Unit)ALU 在控制器指令发出的内部信号控制下，对 8 位二进制数进行加、减、乘、除算术运算及与、或、非、异或、清零等逻辑运算。2）累加器 ACC(Accumulator)通常用 A 表示。是 CPU 中使用最频繁的寄存器,在算术逻辑运算中存放一个操作数. 所有的运算类指令都离不开它,可实现移位取反等操作。 3）寄存器 B：一个寄存器。在做乘、除法时放乘数或除数，不做乘除法时，可作通用寄存器用。4）程序状态字 PSW(Programe State Word):中北大学 2013 届毕业设计说明书第 12 页 共 32 页PSW 里面放了 CPU 工作时的很多状态，借此，我们可以了解 CPU 的当前状态，并作出相应的处理 9。3.2.3 89C51 的选择89C51 是一种带 4K 字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROMFalsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压、高性能 CMOS8 位微处理器，俗称单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除 100 次。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 89C51 是一种高效微控制器，89C2051 是它的一种精简版本。89C 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。其主要特点：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-24MHz；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 13。3.2.4 管脚说明VCC：供电电压。中北大学 2013 届毕业设计说明书第 13 页 共 32 页GND：接地。P0 口：P0 口为一个 8 位漏级开路双向 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/地址的低八位。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。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。中北大学 2013 届毕业设计说明书第 14 页 共 32 页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。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，如下表所示： P3 口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。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。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。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 19。中北大学 2013 届毕业设计说明书第 15 页 共 32 页/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。/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）。XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。XTAL2：来自反向振荡器的输出。3.3 显示数码管选择3.3.1 数码管简介数码管也称 LED 数码管，晶美、光电、不同行业人士对数码管的称呼不一样，其实都是同样的产品。数码管按段数可分为七段数码管和八段数码管，八段数码管比七段数码管多一个发光二极管单元（多一个小数点显示）；按能显示多少个“8”可分为 1 位、2 位、3位、4 位、5 位、6 位、7 位等数码管；按发光二极管单元连接方式可分为共阳极数码管和共阴极数码管。共阳数码管是指将所有发光二极管的阳极接到一起形成公共阳极(COM)的数码管，共阳数码管在应用时应将公共极 COM 接到+5V，当某一字段发光二极管的阴极为低电平时，相应字段就点亮，当某一字段的阴极为高电平时，相应字段就不亮。共阴数码管是指将所有发光二极管的阴极接到一起形成公共阴极(COM)的数码管，共阴数码管在应用时应将公共极 COM 接到地线 GND 上，当某一字段发光二极管的阳极为高电平时，相应字段就点亮，当某一字段的阳极为低电平时，相应字段就不亮。led 数码管（LED Segment Displays）是由多个发光二极管封装在一起组成“8”字型的器件，引线已在内部连接完成，只需引出它们的各个笔划，公共电极。led 数码管常用段数一般为 7 段有的另加一个小数点，还有一种是类似于 3 位“+1”型。位数有半位，1，2，3，4，5，6，8，10 位等等，led 数码管根据 LED 的接法不同分为共阴和共阳两类，了解 LED 的这些特性，对编程是很重要的，因为不同类型的数码管，除了它们的硬件电路有差异外，编程方法也是不同的。图 2 是共阴和共阳极数码管的内部电路，它们的发光原理是一样的，只是它们的电源极性不同而已。颜色有红，绿，中北大学 2013 届毕业设计说明书第 16 页 共 32 页蓝，黄等几种。led 数码管广泛用于仪表，时钟，车站，家电等场合。选用时要注意产品尺寸颜色，功耗，亮度，波长等。3.3.2 数码管驱动方式数码管要正常显示，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字，因此根据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 端口进行驱动，或者使用如 BCD 码二-十进制译码器译码进行驱动。静态驱动的优点是编程简单，显示亮度高，缺点是占用 I/O 端口多，如驱动 5 个数码管静态显示则需要 58=40 根 I/O 端口来驱动，要知道一个 89S51 单片机可用的 I/O 端口才 32 个呢：），实际应用时必须增加译码驱动器进行驱动，增加了硬件电路的复杂性。b 动态显示驱动数码管动态显示接口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,dp的同名端连在一起，另外为每个数码管的公共极 COM 增加位选通控制电路，位选通由各自独立的 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，但究竟是哪个数码管会显示出字形，取决于单片机对位选通 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。通过分时轮流控制各个数码管的的 COM 端，就使各个数码管轮流受控显示，这就是动态驱动。在轮流显示过程中，每位数码管的点亮时间为 12ms，由于人的视觉暂留现象及发光二极管的中北大学 2013 届毕业设计说明书第 17 页 共 32 页余辉效应，尽管实际上各位数码管并非同时点亮，但只要扫描的速度足够快，给人的印象就是一组稳定的显示数据，不会有闪烁感，动态显示的效果和静态显示是一样的，能够节省大量的 I/O 端口，而且功耗更低。3.3.3 LED 一些特性A 主要参数：8 字高度：8 字上沿与下沿的距离。比外型高度小。通常用英寸来表示。范围一般为0.25-20 英寸。长*宽*高：长数码管正放时，水平方向的长度；宽数码管正放时，垂直方向上的长度；高数码管的厚度。时钟点：四位数码管中，第二位 8 与第三位 8 字中间的二个点。一般用于显示时钟中的秒。B 电流与电压：电流：静态时，推荐使用 10-15mA；动态时，16/1 动态扫描时，平均电流为 4-5mA，峰值电流 50-60mA。电压：查引脚排布图，看一下每段的芯片数量是多少？当红色与黄绿色时，使用 1.9V乘以每段的芯片串联的个数；当绿色/蓝色时，使用 3.1V 乘以每段的芯片串联的个数。C 一些问题：恒流驱动与非恒流驱动对数码管的影响主要有：显示效果：由于发光二极管基本上属于电流敏感器件，其正向压降的分散性很大，并且还与温度有关，为了保证数码管具有良好的亮度均匀度，就需要使其具有恒定的工作电流，且不能受温度及其它因素的影响。另外，当温度变化时驱动芯片还要能够自动调节输出电流 的大小以实现色差平衡温度补偿。安全性：即使是短时间的电流过载也可能对发光管造成永久性的损坏，采用恒流驱动电路后可防止 由于电流故障所引起的数码管的大面积损坏。另外，我们所采用的超大规模集成电路还具有级联延时开关特性，可防止反向尖峰电压对发光二极管的损害。超大规模集成电路还具有热保护功能，当任何一片的温度超过一定值时可自动关断，并且可在控制室内看到故障显示。3.4 报警电路中北大学 2013 届毕业设计说明书第 18 页 共 32 页3.4.1 蜂鸣器介绍1压电式蜂鸣器 压电式蜂鸣器主要由多谐振荡器、压电蜂鸣片、阻抗匹配器及共鸣箱、外壳等组成。有的压电式蜂鸣器外壳上还装有发光二极管。多谐振荡器由晶体管或集成电路构成。当接通电源后（1.5-15V 直流工作电压）,多谐振荡器起振,输出1.5-2.5kHZ 的音频信号，阻抗匹配器推动压电蜂鸣片发声。压电蜂鸣片由锆钛酸铅或铌镁酸铅压电陶瓷材料制成。在陶瓷片的两面镀上银电极，经极化和老化处理后，再与黄铜片或不锈钢片粘在一起。2电磁式蜂鸣器 电磁式蜂鸣器由振荡器、电磁线圈、磁铁、振动膜片及外壳等组成。接通电源后，振荡器产生的音频信号电流通过电磁线圈，使电磁线圈产生磁场。振动膜片在电磁线圈和磁铁的相互作用下，周期性地振动发声。图 3.4.1 蜂鸣器现在市场上出售的一种小型蜂鸣器因其体积小(直径只有 llmm)、重量轻、价格低、结构牢靠，而广泛地应用在各种需要发声的电器设备、电子制作和单片机等电路中。有源蜂鸣器和无源蜂鸣器。从外观上看，两种蜂鸣器好像一样，但仔细看，两者的高度略有区别，有源蜂鸣器，高度为 9mm，而无源蜂鸣器的高度为 8mm。如将两种蜂鸣器的引脚都朝上放置时，可以看出有绿色电路板的一种是无源蜂鸣器，没有电路板而用黑胶封闭的一种是有源蜂鸣器。迸一步判断有源蜂鸣器和无源蜂鸣器，还可以用万用表电阻档 Rxl 档测试:用黑表笔接蜂鸣器 +引脚，红表笔在另一引脚上来回碰触，如果触发出咔、咔声的且电阻只有 8(或 16)的是无源蜂鸣器;如果能发出持续声音的，且电阻在几百欧以上的，是有源蜂鸣器。有源蜂鸣器直接接上额定电源(新的蜂鸣器在中北大学 2013 届毕业设计说明书第 19 页 共 32 页标签上都有注明)就可连续发声;而无源蜂鸣器则和电磁扬声器一样，需要接在音频输出电路中才能发声。3.4.2 蜂鸣器驱动介绍在单片机应用的设计上，很多方案都会用到蜂鸣器，大部分都是使用蜂鸣器来做提示或报警，比如按键按下、开始工作、工作结束或是故障等等。这里对单片机在蜂鸣器驱动上的应用作一下描述。由于蜂鸣器的工作电流一般比较大，以致于单片机的 I/O 口是无法直接驱动的，所以要利用放大电路来驱动，一般使用三极管来放大电流就可以了。图 3.4.2 蜂鸣器驱动电路3.5 系统整体电路图霍尔开关模块电路的输出端接至移位寄存器的并行输入端，再加上单片机最小系统电路、单片机与移位寄存器的连接、单片机与蜂鸣器的连接和单片机与 LCD 液晶显示的连接，即可作出它的整体电路图，如图 3.5 所示。中北大学 2013 届毕业设计说明书第 20 页 共 32 页图 3.5 整体电路图中北大学 2013 届毕业设计说明书第 21 页 共 32 页4 软件设计4.1 开发环境选用的开发平台为 Keil 单片机集成开发环境，只需在 PC 机上安装 Keil 软件，然后在 Keil 软件代码编辑器编辑程序代码，经汇编，修改，产生代码，形成输入输出口实验十六进制.HEX 文件。打开 XST，在菜单 options 选项中选择 select device，在弹出的窗口中选择器件STC89C52，并选 Byte Mode 点击 OK。初始化器件后， 将经过编译生成的二进制文件下载到单片机18。对于 STC 系列单片机，现有四种语言支持，即汇编、PL/M、C 和 BASIC。本设计软件编程选用 C 语言来写程序代码。和汇编语言相比，用 C 语言这样的高级语言有很多优势，比如，对单片机的基本结构无须过多了解，对处理器的指令集则不必了解，寄存器的分配以及各种变量和数据的寻址都由编译器去完成。程序拥有了正式的结构（由 C 语言带来的），并且能被分成多个单独的子函数。这使整个应用系统的结构变得清晰，同时让源代码变得可重复使用。选择特定的操作符来操作变量的能力提高了源代码的可读性。可以运用与人的思维很接近的词汇和算法表达式。在很大程度上缩短了编写程序和调试程序的时间。由于程序的模块结构技术，使得现有的程序段可以很容易地包含到新的程序中去。ANSI 标准的 C 语言是一种非常方便并获得广泛应用，在绝大部分系统中都能够很容易得到语言。如果需要，现有的程序还可以很快地移植到其他处理器上，大大地节省了投资。4.2 Proteus 软件Proteus 软件是英国 Labcenter electronics 公司出版的 EDA 工具软件。它不仅具有其它 EDA 工具软件的仿真功能，还能仿真单片机及外围器件。它是目前最好的仿真单片机及外围器件的工具。虽然目前国内推广刚起步，但已受到单片机爱好者、从事单片机教学的教师、致力于单片机开发应用的科技工作者的青睐。Proteus 是世界上著名的 EDA 工具(仿真软件)，从原理图布图、代码调试到单片机与外围电路协同仿真，一键切换到 PCB 设计，真正实现了从概念到产品的完整设计。是目前世界上唯一将电路仿真软件、PCB 设计软件和虚拟模型仿真软件三合一的设计平台，其处理器模型支持中北大学 2013 届毕业设计说明书第 22 页 共 32 页8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、AVR、ARM、8086 和 MSP430 等，2010年又增加了 Cortex 和 DSP 系列处理器，并持续增加其他系列处理器模型。在编译方面，它也支持 IAR、Keil 和 MPLAB 等多种编译器。Proteus 软件不仅具有其它 EDA 工具软件的功能，如原理布图、PCB 自动或人工布线、SPICE 电路仿真。而且它更具有一些革命性的特点 1互动的电路仿真：用户甚至可以实时采用诸如 RAM，ROM，键盘，马达，LED，LCD，AD/DA，部分 SPI 器件，部分 IIC 器件。 2仿真处理器及其外围电路：可以仿真 51 系列、AVR、PIC、ARM、等常用主流单片机。还可以直接在基于原理图的虚拟原型上编程，再配合显示及输出，能看到运行后输入输出的效果。配合系统配置的虚拟逻辑分析仪、示波器等，Proteus 建立了完备的电子设计开发环境。Protues 提供了丰富的资源:（1）Proteus 可提供的仿真元器件资源：仿真数字和模拟、交流和直流等数千种元器件，有 30 多个元件库。（2）Proteus 可提供的仿真仪表资源 ：示波器、逻辑分析仪、虚拟终端、SPI 调试器、I2C 调试器、信号发生器、模式发生器、交直流电压表、交直流电流表。理论上同一种仪器可以在一个电路中随意的调用。（3）除了现实存在的仪器外，Proteus 还提供了一个图形显示功能，可以将线路上变化的信号，以图形的方式实时地显示出来，其作用与示波器相似，但功能更多。这些虚拟仪器仪表具有理想的参数指标，例如极高的输入阻抗、极低的输出阻抗。这些都尽可能减少了仪器对测量结果的影响。（4）Proteus 可提供的调试手段 Proteus 提供了比较丰富的测试信号用于电路的测试。这些测试信号包括