基于8951单片机和霍尔传感模块的汽车摩托车转轴转速测速器.doc

摘 要 本文介绍了一种以成品51单片机实验板和成品霍尔传感器模块为平台，对旋转部件实施转速测量的方法。主要讨论其测量原理、硬件系统，包括脉冲信号产生、脉冲计数等。表明该方法具有简单、精度高、稳定性好的优点。介绍了该测速法的基本原理、实现步骤和软硬件设计关键词：测速；单片机；传感器 Abstract This paper introduces a kind of finished product to 51 SCM experiment board and finished product hall sensor module as a platform, for rotating component implementation speed measurement method. Mainly discuss its measuring principle, hardware system, including pulse signal generation, pulse counting, etc. Show that the method is simple, high precision, stability good advantages. Introduces the method of velocity of the basic principle, implementation steps and software and hardware designKeywords: speed；SCM；sensor目 录第一章 概述11.1 本设计课题的目的和意义11.2 数字式转速测量系统的发展背景1第二章 器件介绍22.1 单片机AT89C51及单片机模块介绍22.2 霍尔传感器模块介绍：5第三章 系统方案提出和论证（传感器的选择）73.1 方案一：霍尔传感器测量方案73.2 方案二： 光电传感器测量方案8第四章 系统硬件设计10第五章 系统软件设计115.1 主程序初始化115.2主程序流程图程序流程图12总结14致谢15参考文献16第一章 概述1.1 本设计课题的目的和意义 随着汽车工业的不断进步,行驶在道路上的车辆越来越多,交通事故发生的频率也不断增加。众所周知，交通事故的发生大部分是由驾驶员的超速驾驶造成的。为提高汽车运行的安全性，减少交通事故的发生，本文讲述了一个由单片机控制的车速报警系统。 本文从驾驶员的角度出发，设计了一个检测车辆超速的报警系统。此设计利用8051单片机对机动车超速行驶情况进行蜂鸣报警和灯光报警的。本系统由于全部采用成品的模块，所以系统除能准确地测速报警外, 还有组成简易可靠、模块化、易开发、通用性强、便于分工开发、有替换件和低开发难度等优点。可广泛应用于摩托车、汽车等机动车辆。该设计详细介绍了系统的总体设计方案，给出了界面模块与8051接口电路，系统硬件电路及外围设计电路，最后介绍了软件设计方法的程序流程图 1.2 数字式转速测量系统的发展背景 目前国内外测量转速的方法很多，按照不同的理论方法，先后产生过模拟测速法(如离心式转速表、用电机转矩或者电机电枢电动势计算所得)、同步测速法(如机械式或闪光式频闪测速仪)以及计数测速法。计数测速法又可分为机械式定时计数法和电子式定时计数法。传统的电机转速检测多采用测速发电机或光电数字脉冲编码器，也有采用电磁式(利用电磁感应原理或可变磁阻的霍尔元件等)、电容式(对高频振荡进行幅值调制或频率调制)等，还有一些特殊的测速器是利用置于旋转体内的放射性材料来发生脉冲信号。而霍尔传感器具有非接触、长寿命、低噪音、高精度、不受震动和灰尘影响等优点，特别适合于测量汽车转动部件的转速。第二章 器件介绍2.1 单片机AT89C51及单片机模块介绍 在本例中，我们把测量转速之后的下一道处理模块称为单片机模块，它包含（图2-1 89C51外形） 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。 它有40个管脚，分成两排，每一排各有20个脚，其中左下角标有箭头的为（图2-2 AT89C51管脚分布） 在40个管脚中，其中有32个脚可用于各种控制，比如控制小灯的亮与灭、控制电机的正转与反转、控制电梯的升与降等，这32个脚叫做单片机的“端口”，在单片机技术中，每个端口都有一个特定的名字，比如第一脚的那个端口叫做“P1.0”。l VCC：供电电压，l GND：接地。 l 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。l 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。 l 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。 l 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。 l P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口。l P3口管脚备选功能：l P3.0 RXD（串行输入口）l P3.1 TXD（串行输出口）l P3.2 /INT0（外部中断0）l P3.3 /INT1（外部中断1）l P3.4 T0（记时器0外部输入）l P3.5 T1（记时器1外部输入）l P3.6 /WR（外部数据存储器写选通）l P3.7 /RD（外部数据存储器读选通）l P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。l 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。l 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。l 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。l 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）。l XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。l XTAL2：来自反向振荡器的输出。 我们采用了学林电子公司出产的51单片机实验板作为单片机平台，以减少非必要的开发难度。该实验板自带单片机各引脚接头、USB接头、数码管、LCD显示屏、LED灯阵列、报警发声装置、键盘等，集成化程度高，功能一应俱全，工作稳定，十分适合本系统的开发。产品如图2-3。（图2-3 实验板外形）2.2 霍尔传感器模块介绍：3144系列霍尔开关集成电路应用霍尔效应原理，采用半导体集成技术制造的磁敏电路，它是由电压调整器、霍尔电压发生器、差分放大器、史密特触发器，温度补偿电路和集电极开路的输出级组成的磁敏传感电路，其输入为磁感应强度，输出是一个数字电压信号。模块有2个输出：l AO，霍尔实时输出（引脚未引出）l DO，霍尔信号经过比较器调整之后输出模块特点：l 采用3144霍尔开关集成电路，LM358D运算放大器l 尺寸小，36mm X 16mml 有3mm的安装螺丝孔l 可以使用3-5.5v直流电源供电l 有霍尔实时输出信号l 有通过比较器整理之后更加稳定的输出信号l 比较器输出能力16mAl 有电源指示灯l 比较器输出有指示灯磁场N极（或S极）靠近霍尔元件，模块DO输出高电平，反之离开DO输出低电平。AO与DO电平相反。霍尔传感器外形如图2-4。（图2-4 霍尔传感器外形）(图2-5 3144霍尔开关集成电路功能方框)（图2-6 霍尔传感器模块板原理）第三章 系统方案提出和论证（传感器的选择） 转速测量的方案选择,一般要考虑传感器的结构、安装以及测速范围与环境条件等方面的适用性;再就是二次仪表的要求,除了显示以外还有控制、通讯方面的要求。本说明书中给出两种转速测量方案，经过我和伙伴查资料、构思和自己的设计，总体电路我们有两套设计方案，部分重要模块也考虑了其它设计方法，经过分析，从实现难度、熟悉程度、器件用量等方面综合考虑，我们才最终选择了一个方案。下面就看一下我们对两套设计方案的简要说明。两套方案的对测量结果的运算方法相同，具体如下： 车轮（或其他旋转部件）每转一圈，上面的磁钢（或反光面）就触发传感器一个脉冲设两次触发之间的时间为周期T（单位：s），转速为n（单位：r/s）则 n=1/T 3.1 方案一：霍尔传感器测量方案 霍尔传感器是利用霍尔效应进行工作的，其核心元件是根据霍尔效应原理制成的霍尔元件。此处介绍一种成品霍尔传感器配合磁钢测量。 磁钢安装在旋转部件上，随部件的旋转而移动位置。霍尔传感器模块平时输出高电平；当磁钢接近霍尔开关管时，霍尔传感器模块输出一个低电平信号给单片机89C51的相应管脚上，通过89C51内部定时/计时器T0、T1及相应的程序设计，组成一个数字式转速测量系统。；当磁钢远离霍尔开关管时，霍尔传感器模块板恢复高电平信号。通过调整灵敏度调节旋钮，可控制具体脉冲信号的占空比，由旋转部件的大小和磁钢安装位置决定调整量。霍尔传感器测量转速原理如图3-1。（图3-1 霍尔传感器测量转速原理）优点：简易可行，霍尔传感器工作稳定，检测过程不受光线、震动、灰尘等影响，特别适合于车轮的转速的检测。缺点：使用时间长了，磁钢会出现磁性变小，可能影响脉冲的采样精度。3.2 方案二： 光电传感器测量方案 整个测量系统的组成框图如图3-2所示。从图中可见,转子由一直流调速电机驱动,可实现大转速范围内的无级调速。转速信号由光电传感器拾取,使用时应先在转子上做好光电标记,具体办法可以是:将转子表面擦干净后用黑漆(或黑色胶布) 全部涂黑,再将一块反光材料贴在其上作为光电标记,然后将光电传感器(光电头) 固定在正对光电标记的某一适当距离处。光电头采用LED ,光源为可见红光。光电头包含有前置电路，输出05V的脉冲信号。接到单片机89C51的相应管脚上，通过89C51内部定时/计时器T0、T1及相应的程序设计，组成一个数字式转速测量系统。（图3-2 测量系统的组成框图）优点：这种方案使用光电转速传感器具有采样精确，采样速度快，范围广的特点。缺点：光电传感器靠光线穿过车轮缝隙时的通断情况来判断车轮转速，震动、灰尘均能影响光线的传播，容易产生误判断。不适合用于车轮这种恶劣的工作环境上。综合考虑，使用方案一霍尔传感器来作为本设计的最佳选择方案。第四章 系统硬件设计 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及功能强大，价格低廉的显著特点，是全数字化测量转度系统得一广泛应用。出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。对测量转速系统的硬件和编程进行研究，设计出一种以单片机为主的转速测量系统，保证了测量精度。 由于本系统已模块化，故系统硬件的设计可以大大简化。仅两个模块-传感器模块和单片机模块。连接如图。两者间采用标准的TTL数字电平直接通信,下降沿触发，输出05V的脉冲信号。接到单片机89C51的相应管脚上，通过89C51内部定时/计时器T0、T1及相应的程序设计，组成一个数字式转速测量系统。第五章 系统软件设计 硬件电路完成以后，进行系统软件设计。首先要分析系统对软件的要求，然后进行软件的总体的设计，包括程序的总体设计和对程序的模块化设计。按整体功能分为多个不同的模块，单独设计、编程、调试，然后将各个模块装配联调，组成完整的软件。 根据设计的要求，单片机的任务是：内部进行计数，在计算出速度后显示。软件编程用C语言完成的，需要能掌握C语言，还要熟练AT89C51单片机。从程序流程图、编写程序、编译，到最后的调试，是很复杂的。下面作简单介绍：系统软件主程序的功能是完成系统的初始化、显示程序。5.1 主程序初始化（1）.定时器的初始化 AT89C51有两个定时器/计数器T0和T1，每个定时器/计数器均可设置成为16位，也可以设置成为13位进行定时或计数。计数器的功能是对T0或T1外来脉冲的进行计数，外部输入脉冲负跳变时，计数器进行加1。 定时功能是通过计数器的计数来实现的，每个机器周期产生1个计数脉冲，即每个机器周期计数器加1，因此定时时间等于计数个数乘以机器周期。定时器工作时，每接收到1个计数脉冲（或机器周期）则在设定的初值基础上自动加1，当所有位都位1时，再加1就会产生溢出，将向CPU提出定时器溢出中断身请。当定时器采用不同的工作方式和设置不同的初值时，产生溢出中断的定时值和计数值将不同，从而可以适应不同的定时或计数控制。 定时器有4种工作方式：方式0、方式2、方式2和方式3，在此对工作方式不做具体介绍。工作方式寄存器TMOD的设定：GATEC/TM1-M0GATEC/TM1M0TMOD各位的含义如下：GATE：门控位，用于控制定时/计数器的启动是否受外部中断请求信号的影响。C/T：定时或计数方式选择位，当C/T=1时工作于计数方式；当C/T=0时工作于定时方式。 M1、M0为工作方式选择位 ，用于对T0的四种工作方式，T1的三种工作方式进行选择，选择情况如下表5-1所示：M1M0=00为方式0;M1M0=01为方式1； MOM1工作方式方式说明00110101012313位定时/计数器16位定时/计数器8位自动重置定时/计数器两个8位定时/计数器（只有T0有）（表5-1 M1、M0为工作方式选择位）（2）中断允许控制 MCS-51单片机中没有专门的开中断和关中断指令，对各个中断源的允许和屏蔽是由内部的中断允许寄存器IE的各位来控制的。中断允许寄存器IE的字节地址为A8H，可以进行位寻址。如表5-2所示。IED7D6D5D4D3D2D1D0（A8H）EAET2ESET1EX1ET0EX0(表5-2 中断位寻址表)EA：中断允许总控位。EA=0，屏蔽所有的中断请求；EA=1，开放中断。 ET2：定时器/计数器T2的溢出中断允许位 ES：串行口中断允许位。 ET1：定时器/计数器T1的溢出中断允许位。 EX1：外部中断 INT1的中断允许位。ET0：定时器/计数器T0的溢出中断允许位。 EX0：外部中断 INT0的中断允许位。 5.2主程序流程图程序流程图定时计数子程序流程如图5-1。显