利用霍尔传感器构建自动测速控制装置

利用霍尔传感器构建自动测速控制装置 摘 要：霍尔传感器是一种利用霍尔效应来实现磁-电转换的新型传感器，它具有较高的灵敏度、很好的线性度、高稳定性、体积很小、便于操作、寿命很长等优点。针对霍尔传感器的这些优点，分析它的构造，本文论述了利用霍尔传感器来进行测量，用霍尔传感器进行自动测速的设计，并绘出了电路框图，完成了元件参数设置和测量电路仿真。此系统是先把电信号先检测出来，然后再把此电信号转换成便于传输和处理的可用电信号，最后利用信号处理和显示电路测出数据，制作出高效率、高实用的自动测速电路。关键词：电机转速测量； 霍尔传感器； 单片机； 89C51； LCDAutomatic speed control device measuring circuit composed with hall sensorsAbstract: Hall sensor Hall effect achieved using magnetic - electric conversion of a sensor, it has many advantages, such as high sensitivity, good linearity, high stability, small size, easy to operate, life very long, etc, these advantages Hall sensor for analysis of its structure, the use of Hall sensors measuring principle, the proposed design method Hall sensor application circuit, draw the circuit diagram, complete the component parameters and measuring circuit simulation, this system is a first electrical signal first detected, then convert this electrical signal is then easy to transport and processing into usable electrical signals, and finally the use of signal processing and display, circuitry measured data to produce a high-efficiency, high-speed circuit practical automatic.Keywords: Motor Speed Measurement; Hall Sensor; SCM; 89C51; LCD 1目 录一、绪论11.1、课题背景及意义11.2、课题设计目的和要求1二、霍尔传感器自动测速系统硬件设计22.1、总体硬件设计思想22.2、系统电路设计22.3、霍尔元件22.4、霍尔传感器测量原理3三、霍尔传感器自动测速电路软件设计43.1、程序设计流程图43.2、应用程序设计5四、单片机54.1、单片机芯片的简介54.2、软件的编写与调试8五、显示电路设计135.1、显示模式13六、调试146.1、硬件静态调试146.2、硬件动态调试146.3、软件调试14七、霍尔传感器自动测速电路设计原理框图与PC15八、总结16九、参考文献17一、绪论1.1、课题背景及意义传感器是现代信息系统的感官，它可以采集和获取信息，在工业、农业、交通、通信等行业中传感技术已得到广泛的应用。霍尔传感器是传感器中最常用的一种，它可以感受变化的磁场，将输入的磁信号转换成电动势输出。霍尔传感器的优点是：构造简单、灵敏度高，体积小、寿命长，安装使用方便，在工业生产、交通运输、环境保护等领域有诸多应用实例，在实际生活中也有很多的应用。特别是霍尔传感器，它是传感器家族中的佼佼者，也是使用最多、知名度最高的一种传感器。在此次设计中，在利用霍尔传感器的基础上，还要与单片机配合使用。本文着眼霍尔传感器和单片机在自动测速方面的应用，结合所学知识完成本次毕业设计。1.2、课题设计目的和要求 课题设计目的如下： （1）掌握单片机的工作原理和运用方法，会利用霍尔传感器构造电路。 （2）能正确的选择电路中所需要的芯片，熟悉此芯片的工作原理、功能概况及使用方法。 （3）熟悉仿真软件的使用。 课题设计要求如下： （1）选定传感器。霍尔传感器有很多优点，如具有较高的灵敏度、很好的线性度、高稳定性、体积很小、便于操作、寿命很长等优点，基于霍尔传感器的这些优点，我们可以使它们在电机转速测量系统中得到得到充分的应用。 （2）系统的设计。本次设计采用单片机最小系统，完成数据的采集和运算任务。所以要熟悉单片机的有关知识，对单片机接口电路的设计方法要熟练掌握，能熟练使用单片机的定时器和中断进行对脉冲信号的计数。 （3）要对转速进行实时测量，通过对脉冲信号的测量来达到对转速测量的目的，。对于电机的转速情况，要制定一个报警系统。二、霍尔传感器自动测速系统硬件设计2.1、总体硬件设计思想 在测量电机转速时，霍尔传感器应和电机机轴连接在一起，电机机轴在转动过程中会产生磁脉冲信号，霍尔传感器将这些磁脉冲信号转换成电信号，再以电信号的形式输出，这些电信号经过光电耦合之后会转化成计数脉冲，霍尔传感器电路的幅值会随之降低，从原来的12V降低至5V，因为电路的幅值要和89C51的电平相一致，通过控制计数时间，可实现计数器的计数脉冲对应电机的转速值。CPU会对这些数据进行处理，处理之后的数据会在LCD液晶上显示出来，。一旦电机出现超速情况，CPU就会工作，发出超速报警信号，通过这些来达到自动测速的效果。2.2、系统电路设计（1） 霍尔测速模块的论证与选择设计方案：测速模块选择A3144霍尔传感器,该霍尔芯片具有尺寸小，安装方便，稳定性好，灵敏度高等优点，工作温度范围在-40150，主要用于测量电机的转速。 图1 系统的原理框图2.3、霍尔元件霍尔元件是利用半导体材料制作出来的元件。熟悉霍尔元件的工作原理和使用方法。霍尔元件具有很多切实可用的优点，比如灵敏大高、对磁场很敏感等等。目前霍尔元件在计算机领域中、工农业、军事上得到充分利用。A3144型霍尔传感器是一种开关型传感器，它由六个部分构成，分别是霍尔元件、温度补偿电路、电压调整电路、反相电源保护电路、微信号放大器、以及施密特触发器和OC门输出级。其工作温度范围可达-40150。 图2为霍尔元件和磁钢以及管脚的直观图。因为磁钢可以提供磁场，所以它会和霍尔元件结合运用。A3144的接线路由如图3所示。 图2 霍尔元件和磁钢管脚图 图3 霍尔传感器的接线图 2.4、霍尔传感器测量原理 在电机转速测量过程中， 霍尔传感器先将转速转换成脉冲信号，输入单片机进行信号识别，继而进行脉冲计数。其测量原理如图4所示，当电机转动时，带动霍尔传感器转动，将转速转换成脉冲信号输出。脉冲信号经过整形处理后，经计数器、显示器，最终直观显示出来。+V0脉冲信号转动方向计数器输出+V信号处理霍尔传感器图4霍尔器件测速原理三、霍尔传感器自动测速电路软件设计3.1、程序设计流程图 主程序工作过程如图5所示，由此图可以看出： 从流程图可以看出，第一步要先开始；第二步设置定时器初始化定值；第三步需要进行判断：是否启动系统进行测量，如果启动，系统就会启动，外部中断就会启动，霍尔传感器每检测到一个脉冲信号，就会中断一次，记录产生的脉冲数，再经过数据滤波处理，查看所得数据是否达到报警器的报警值，一般数值达到5000rpm(转每分钟)，系统就会发出报警信号，系统就会回到初始化，进行重新启动，筛选出合格的数据，数据的显示由LCD液晶显示出来，从而实现转速值的测量。 图5程序设计流程图3.2、应用程序设计主程序在对定时器、计数器、等初始化时会对标志位进行判断，如果得出的标志位为1时，则需要对其所得数据进行处理：为了不影响之后的判断，先将标志位进行清零，然后启动程序，进行数据处理，由于只有转/分这个单位能在计数器上显示出来，而此时闸门的单位是秒，所以单位要转换，转换方法是将计数器上显示的数据乘以60，而转轴上安装磁钢数是4个，转轴转动时会产生4个脉冲信号，所以要将所得数据除以4，综上所述，将测出来的数据乘以60再除以4，即1乘以60除以4等于15，得出每分钟的转速。 四、单片机4.1、单片机芯片的简介本次论文中采用的单片机芯片是AT89C51芯片，此芯片带有4k 字节，属于Flash存储器的CMOS 8位单片机，性能高、损耗小，可以反复擦除只读存储器1000次。 AT89C51芯片主要性能特点 （1）4k 字节Flash存储器； （2）低电压、低功耗、高性能； （3）32个外部双向输入/输出（I/O）口； （4）5个中断优先级、2层中断嵌套中断； （5）6个中断源； （6）2个16位可编程定时器/计数器； （7）2个全双工串行通信口； （8）片内振荡器和时钟电路； (9)与MCS-51兼容； (10)全静态工作：0Hz-33MHz； (11)三级程序存储器保密锁定； (12)可编程串行通道； (13)低功耗的闲置和掉电模式；AT89C51芯片管脚介绍, 内部管脚如图6所示图6 AT89C51芯片管脚图管脚介绍：VCC：电源电压输入端。 GND：电源接地。P0口：P0口是一个8位双向I / O端口，每个引脚可以驱动8个TTL输入，当写1到P0口引脚时，该引脚可作为高阻抗输入。 P0口也可以被配置为在外部程序和数据存储器的访问是复低位地址/数据总线。在此模式下P0口具有内部上拉电阻。P0口是FIASH编程接收的字节代码，程序校验时需外部上拉。 P1口：P1口是一个8位双向I / O口内部上拉，当1被写入P1口引脚时，它们是通过拉高内部上拉电阻。输出缓冲器可带载四个TTL 输入。作为输入，被外部拉低，因为内部上拉，将输出电流送至P1口引脚。 P1口也是FIASH编程和校验接收低位地址字节代码。 P2口：P2口、P3口与P1口功能基本相同。P2口也是FIASH编程和校验接收低位地址字节代码.P2口在访问外部程序存储器过程中使用16位地址代码。这个应用程序的外部数据存储器访问发出的高位地址字节，它使用强大的内部上拉。在访问使用8个外部数据存储器位地址时，P2口发出特殊功能寄存器的内容。 P2口也接收过程中闪存编程和校验高位地址位和一些控制信号。P3口也可以用各种特殊功能的AT89C51单片机的功能，如下所列： P3.0 RXD（串行输入口） P3.1 TXD（串行输出口） P3.2 INT0（外中断0） P3.3 INT1（外中断1） P3.4 T0（计数器0外部输入） P3.5 T1（定时器1外部输入） P3.6 WR（外部数据存储器写选通） P3.7 RD（外部数据存储器读选通） P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。 I/O口在输入的时候是有条件限制的，必须要置在高电平上才能输入，这是因为I/O口内部的场效应管需处于截止的状态下才能正确的读到输入的信号，所以需要先向锁存器写1。而当I/O口作为输入端口使用时，必须先置于高电平，因为单片机只能检测到从高到低变化的电平，I/O口是作为读引脚端口使用，检测不到从低到高变化的电平。如上所说，正是因为单片机只能读出由高向低变化的电平，读不出来由低向高变化的电平，所以AT89C51的P0口、P1口、P2口、P3口都有“准双向口”之称。除了P1口只有上文所列的功能外，P0口、P2口、P3口都还有一些其他方面的功能。 RST：复位输入。振荡器运行复位装置时，该引脚上出现两个机器周期。 ALE/PROG：地址锁存能输出脉冲过程中外部内存，访问锁存地址的低字节也是在FIASH编程的编程脉冲输入。 在正常操作中ALE以1/6的振荡频率为恒定的速率，并且可以用于外部定时或时钟作用，需要指出的是，一个ALE脉冲是在每次访问外部数据存储器时跳过。 PSEN：程序存储能使读选通信号输出到外部程序存储器。当AT89C51正在执行外部程序存储器代码时，在每个机器周期,PSEN会被激活两次，除了两个PSEN激活是在每次访问外部数据存储器时跳过。 EA/VPP：外部访问允许，EA使设备从外部程序存储器位置获取代码（0000H-FFFFH），需要指出的是，如果锁定位1编程，EA将在内部上电复位至GND。 EA应绑在 VCC内部程序执行。 XTAL1：输入到振荡器反相放大器和输入到内部时钟工作电路。XTAL2：输出形成反相振荡放大器。4.2、软件的编写与调试#include #include #include #define uchar unsigned char#define uint unsigned int#define DataPort P1sbit LATCH1=P20;/定义锁存使能端口 段锁存sbit LATCH2=P21;/ sbit PPP=P31;sbit zzz=P07;unsigned char code HEYAO_WeiMa=0xfe,0xfd,0xfb,0xf7,0xef,0xdf,0xbf,0x7f;unsigned char code TempData=0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f,0x00,0x40;uchar Temp8;uchar timecount;bit flag;unsigned long x;/void delay() ;void jing();void Display(unsigned char FirstBit,unsigned char Num) static unsigned char i=0;do DataPort=0xff; /清空数据，防止有交替重影 LATCH1=1; /段锁存 LATCH1=0; DataPort=HEYAO_WeiMai+FirstBit; /取位码 LATCH2=1; /位锁存 LATCH2=0; DataPort=Tempi; /取显示数据，段码 LATCH1=1; /段锁存 LATCH1=0; i+; delay(); if(i=Num) i=0; while(PPP=1);void main() PPP=1; TMOD=0x15;/TH1定时，模式1；TH0计数，模式1 TH0=0; TL0=0; TH1=(65536-50000)/256; TL1=(65536-50000)%256; ET0=1; ET1=1;/TH0,1溢出允许中断 EA=1;/允许中断 TR1=1; TR0=1;/开始计数 while(1) if(flag=1) flag=0; x=(TH0*256+TL0)*5; if(x6000) jing(); Temp3= TempDatax%10; Temp2= TempDatax/10%10; Temp1=TempDatax/100%10; Temp0=TempDatax/1000%10; Display(0,4); timecount=0; TH0=0; TL0=0; TH1=(65536-50000)/256; TL1=(65536-50000)%256; TR0=1; TR1=1; PPP=1; void t0(void) interrupt 1 using 0 int i; for(i=0;i500;i+) zzz=!zzz; delay(); zzz=1;void t1(void) interrupt 3 using 0 TH1=(65536-50000)/256; TL1=(65536-50000)%256; timecount+; if(timecount=120)/6s TR0=0; TR1=0; timecount=0; flag=1; void jing() int i; for(i=0;i500;i+) zzz=!zzz; delay(); zzz=1; void delay()int i;for (i=0;i255;i+) _nop_(); 五、显示电路设计 图7 液晶显示部分图 5.1、显示模式液晶显示如图7所示： 液晶显示部分采用字符型液晶1602，它总共有32个字符，即2列16行。1602液晶有16脚，每脚作用如下所列：第1脚：GND为电源地；第2脚:VCC接5V电源正极；第3脚:V0有很重要的作用，它可以调节液晶的对比度，当V0接地时，此时液晶的对比度达到最高，当V0接正向电源时，此时液晶对比度将至最低。第4脚：RS可以对寄存器进行选择，利用的是遥感技术，所谓的遥感技术就是不会跟所测物体有接触，可在很远的地方进行探测。在高电平时，它会选择数据寄存器，在低电平时，它会选择指令寄存器。第5脚：RW为读写信号线，即读操作和写操作，在高电平时，执行读操作，在低电平时，执行写操作。第6脚：E（或EN）端为使能端。第7-14脚：D0-D7为8位双向数据端。第15-16脚为空脚或背灯电源。15脚为背光正极，16脚为背光负极。六、调试6.1、硬件静态调试排除逻辑故障：先调显示显示器部分，为了使调试能够顺利进行，需要对LCD进行静态调试，因此要把AT89C51与LCD显示分离，用规定的电平加至位显示的引脚，看显示器是否正常工作。若检测结果不一致，要对AT89C51进行检测，查看它所控制的电路运行是否正常，如果不正常，就要分析电路，找出产生此种情况的原因并加以改进。6.2、硬件动态调试加输入信号至LCD位显示引脚，此时会产生输出信号，观测输出信号是否正常并符合要求，若不符合要求需故