637机械工程测试技术

1、637 机械工程测试技术自行车车速 / 里程测量仪设计姓名：王新波学院：机电工程学院机械工程测试技术课程设计专业：机械设计制造及其自动化班级：2018 级本科 3 班学号：201805130637完成日 期：2018 年 12 月 28 日摘要本文介绍了霍尔传感器测速的原理， 设计了基于单片机 AT 89C51的测量车速系统。 完 成了车速测量系统的硬件电路设计、霍尔传感器测量电路的设计、显示电路的设计。测量 转速的霍尔传感器和车轴同轴连接，车轴每转一周，产生一定量的脉冲个数，由霍尔器件 电路部分输出幅度为 12V 的脉冲。经光电隔离器后成为输出幅度为 5V转数计数器的计数脉冲。控制定时器计数

2、时间，即可实现对车速的测量。在显示电路设计中，通过 1602 实 现在 LCD 上直观地显示车轮的转速值。与软件配合，实现了显示、报警功能关键词 ：车速测量；霍尔传感器；单片机； 89C51； LCD1 / 21目录、绪论 11.1设计内容 21.2设计要求 2、霍尔传感器测量车速系统硬件设计 32.1车速测量系统的硬件电路设计 32.1.1总体硬件设计 32.1.2系统电路设计 4142 / 212.2霍尔传感器测量电路设计 52.2.1霍尔元件 52.2.2霍尔传感器测量原理 62.2.3转速测量方法 62.2.4反相器 74LS1472.2.5光电耦合器 72.2.6蜂鸣器 92.3 单

3、片机 AT89C5192.3.1AT89C51 芯片 102.3.2定时器 102.3.3外部中断 112.4 显示电路设计 112.4.11602 字符型 LCD简介 112.4.21602LCD 的基本参数及引脚功能 11 三、霍尔传感器测量车速系统软件设计 1133.1设计思想 1133.2总体软件流程 113四、设计中的问题及解决方法 144.1出现的问题 144.2解决方法 .附录完整电路图 15参考文献 163 / 21、绪论1.1 设计内容霍尔传感器一般由霍尔元件和磁钢组成，当霍尔元件和磁钢相对运动时，就 会产生脉冲信号，根据磁钢和脉冲数量就可以计算转速，进而求出车速。现要求设计

4、一个测量系统，在小车的适当位置安装霍尔元件及磁钢，使之具 有以下功能：1）LED 数码管显示小车的行驶距离 单位： cm）。2）具有小车前进和后退检测功能，并用指示灯显示。3）记录小车的行驶时间，并实时计算小车的行驶速度。4）距离测量误差 2cm。5）其它。1.2 设计要求1）掌握传感器的工作原理及相应的辅助电路设计方法。2）独立设计原理图及相应的硬件电路。3）设计说明书格式规范，层次合理，重点突出。并附上详细的原理图、霍尔传感器测量车速系统硬件设计2.1测量车速系统的硬件电路设计2.1.1总体硬件设计 使用单片机测量车速的基本结构如图 2-1 所示。该系统包括霍尔传感器、 隔离整形电路、主

5、CPU 、显示电路、报警电路及电源等部分。图 2-1 系统总体结构图其测量过程是测量转速的霍尔传感器和小车车轴同轴连接，车轴每转一周， 产生一定量的脉冲个数，由霍尔器件电路输出。经过电耦合器后，即经过隔离 整形电路后， 成为转数计数器的计数脉冲。 同时霍尔传感器电路输出幅度为 12V 的脉冲经光电耦合后降为 5V，保持同单片机 AT89C51 逻辑电平相一致，控制 计数时间，即可实现计数器的计数值对应车轴的转速值。主 CPU 将该值数据处 理后，在 LCD 液晶显示器上显示出来。 一旦转动方向改变， CPU 通过喇叭和转 灯发出声、光报警信号。1.传感器部分主要分为两个部分。第一部分是利用霍尔

6、器件将小车的转速转化为脉冲信 号。霍尔测速模块由铁质的测速齿轮和带有霍尔元件的支架构成。测速齿轮如 图 2-2 所示，齿轮厚度大约 2mm，将其固定在待测车轮的转轴上。将霍尔元件固 定在距齿轮外圆 1mm的探头上，霍尔元件的对面粘贴小磁钢，当测速齿轮的每 个齿经过探头正前方时，改变了磁通密度，霍尔元件就输出一个脉冲信号。第 二部分是使用六反相器和光耦，将传感器输出的信号进行整形隔离，减少计数 的干扰。3 / 21图 2-2 转速变换装置2.处理器采用 AT89C 51 单片机作为系统的处理器。3.显示部分该部分有两个功能，在正常情况下，通过 LCD 液晶显示器显示当前的频率 数值，当小车的转动

7、方向改变后，通过蜂鸣器进行报警。蜂鸣器是一种一体化 结构的电子讯响器，采用直流电压供电，广泛应用于计算机、打印机、复印机、 报警器、电子玩具、汽车电子设备、电话机、定时器等电子产品中作发声器件。2.1.2系统电路设计 实际测量时，要把霍尔传感器固定在测速小车的车轮上，与霍尔探头相对 的小车的轴上固定着一片磁钢块，车轮每转一周，霍尔传感器便发出一个脉冲 信号，将此脉冲信号接到开发的多功能实验板上的 P3.2 上，设定 0 定时，每分钟所计的进入 P3.2 的脉冲个数即为车轮的转速。由于在虚拟仿真电路图中，没有车轮及传感器，所以就直接用一个脉冲信 号代替，电路图如图 2-3 所示。测速齿轮霍尔元件

8、4 / 21图 2-3 总体硬件电路图2.2 霍尔传感器测量电路设计2.2.1霍尔元件根据霍尔效应，人们用半导体材料制成的元件叫霍尔元件。它具有对磁场 敏感、结构简单、体积小、频率响应宽、输出电压变化大和使用寿命长等优点， 因此，在测量、自动化、计算机和信息技术等领域得到广泛的应用。霍尔传感器 A3144 是 Allegro MicroSystems 公司生产的宽温、 开关型 霍尔效应传感器，其工作温度范围可达 -40 150 。它由电压调整电路、 反相电源保护电路、霍尔元件、温度补偿电路、微信号放大器、施密特触发器 和 OC 门输出极构成，通过使用上拉电阻可以将其输出接入 CMOS 逻辑电路

9、。 该芯片具有尺寸小、稳定性好、灵敏度高等特点，有两种封装形式，一种是 3 脚贴片微小型封装， 后缀为“LH ”；另一种是 3脚直插式封装， 后缀为“UA”。5 / 21A3144E 系列单极高温霍尔效应集成传感器是由稳压电源， 霍尔电压发生 器，差分放大器，施密特触发器和输出放大器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讯号。它是一种单磁极工作的磁敏电路，适 用于矩形或者柱形磁体下工作。该霍尔传感器的接线图如图 2-4 所示。图 2-4 霍尔传感器的接线图2.2.2霍尔传感器测量原理 测量车速的第一步就是要将车轮的转速表示为单片机可以识别的脉冲信 号，从而进行脉冲计数。霍

10、尔器件作为一种转速测量系统的传感器，它有结构 牢固、体积小、重量轻、寿命长、安装方便等优点，因此选用霍尔传感器检测 脉冲信号，当车轮转动时，带动传感器运动，产生对应频率的脉冲信号，经过 信号处理后输出到计数器或其他的脉冲计数装置，进行转速的测量。2.2.3转速测量方法 转速的测量方法很多，根据脉冲计数来实现转速测量的方法主要有 M 法（测 频法、T法（测周期法和MPT 法（频率周期法，该系统采用了 M法（测频法。 由于转速是以单位时间内转数来衡量，在变换过程中多数是有规律的重复运动。 根据霍尔效应原理，将一块永久磁钢固定在车轮转轴上的转盘边沿，转盘随侧 轴旋转，磁钢也将跟着同步旋转，在转盘下方

11、安装一个霍尔器件，转盘随轴旋 转时，受磁钢所产生的磁场的影响，霍尔器件输出脉冲信号，其频率和转速成 正比。脉冲信号的周期与车轮的转速有以下关系：n= （2-16 / 21 式中： n为车轮转速； P为车轮转一圈的脉冲数； T为输出方波信号周期。根据 式（2-1 即可计算出小车的转速。霍尔器件是由半导体材料制成的一种薄片，在 垂直于平面方向上施加外磁场 B，在沿平面方向两端加外电场， 则使电子在磁场 中运动，结果在器件的两个侧面之间产生霍尔电势。其大小和外磁场及电流大 小成比例。霍尔开关传感器由于其体积小，无触点，动态特性好，使用寿命长 等特点，故在测量转动物体旋转速度领域得到了广泛应用。2.2

12、.4反相器 74LS1474LS14是一个 6 反相器，引脚定义如图 2-5 所示： A端为输入端， Y 端为输 出端，一片芯片一共 6 路，即 1，3，5，9，11，13 为输入端， 2，4，6，8， 10， 12 为输出端，输出结果与输入结果反相。即如果输入端为高电平，那么输出为 低电平。如果输入低电平，输出为高电平。图 2-5 反相器引脚图2.2.5光电耦合器光电耦合器，是近几年发展起来的一种半导体光电器件，由于它具有体积 小、寿命长、抗干扰能力强、工作温度宽及无触点输入与输出在电气上完全隔 离等特点，被广泛地应用在电子技术领域及工业自动控制领域中，它可以代替7 / 21 继电器、变压器

13、、斩波器等，而用于隔离电路、开关电路、数模转换、逻辑电 路、过流保护、长线传输、高压控制及电平匹配等。光电耦合器是以光为媒介传输电信号的一种电光电转换器件。它由发 光源和受光器两部分组成。把发光源和受光器组装在同一密闭的壳体内，彼此 间用透明绝缘体隔离。发光源的引脚为输入端，受光器的引脚为输出端，常见 的发光源为发光二极管，受光器为光敏二极管、光敏三极管等。光电耦合器的 种类较多，常见有光电二极管型、光电三极管型、光敏电阻型、光控晶闸管型、 光电达林顿型、集成电路型等。光电耦合器件 简称光耦）是把发光器件 如发光二极管）和光敏器件 如光 敏三极管）组装在一起，通过光线实现耦合构成电光和光电的转

14、换器件。 在光电耦合器输入端加电信号使发光源发光，光的强度取决于激励电流的大小， 此光照射到封装在一起的受光器上后，因光电效应而产生了光电流，由受光器 输出端引出，这样就实现了电一光一电的转换。光电耦合器分为很多种类，图 2-6 所示为常用的三极管型光电耦合器原理 图。当电信号送入光电耦合器的输入端时，发光二极管通过电流而发光，光敏 元件受到光照后产生电流， CE 导通；当输入端无信号，发光二极管不亮，光敏 三极管截止， CE不通。对于数位量，当输入为低电平“ 0”时，光敏三极管截止， 输出为高电平“ 1”；当输入为高电平“ 1”时，光敏三极管饱和导通，输出为 低电平“ 0”。若基极有引出线则

15、可满足温度补偿、检测调制要求。这种光耦合 器性能较好，价格便宜，因而应用广泛。图 2-6 最常用的光电耦合器内部结构图光电耦合器的接线原理如图 2-7 所示。8 / 21图 2-7 光电耦合器接线原理2.2.6蜂鸣器 蜂鸣器是一种一体化结构的电子讯响器，采用直流电压供电，广泛应用于 计算机、打印机、复印机、报警器、电子玩具、汽车电子设备、电话机、定时 器等电子产品中作发声器件。报警器的种类很多，比如：扬声器、蜂鸣器等，本设计中选用电磁式蜂鸣 器作为报警器。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

16、片在电磁线圈和磁铁的相互作用下，周期性地振动发声。图 2-8 电磁式蜂鸣器9 / 212.3 单片机 AT89C51单片机 （ Single-Chip-Microcomputer 又称为单片微控制器，其基本结构是 将微型计算机的基本功能部件：中央处理器 CPU ）、存储器、输入口、输出口、 定时器/ 计数器、中断系统等全部集中在一个半导体芯片上。单片机结构上的设计， 在硬件、指令系统及 I/O 能力等方面都有独到之处， 具有 较强而有效的控制功能。虽然单片机只是一个芯片，但无论从组成还是从其逻 辑功能上来看，都具有微机系统的含义。另一方面，单片机毕竟是一个芯片， 只有外加所需的输入、输出设备，

17、才可以构成实用的单片机应用系统11 。2.3.1AT89C51 芯片AT89C51 是 一 种 带 4K 字 节 闪 烁 可 编 程 可 擦 除 只 读 存 储 器 模块最佳工作电压 :5.0V字符尺寸 :2.95 4.35（WHmm3.1602 LCD 引脚1602LCD 采用标准的 14脚无背光）或 16脚 带背光）接口，各引脚接口说 明如表 2-1。表2-1 引脚接口说明表编号符号引脚说明编号符号引脚说明1VSS电源地9D2数据2VDD电源正极10D3数据3VL液晶显示偏压11D4数据4RS数据 /命令选择12D5数据5R/W读/写选择13D6数据6E使能信号14D7数据7D0数据15B

18、LA背光源正极第1脚： VSS为地电源。 第2脚：VDD接5V正电源。 第3脚：VL为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地时对比度 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。第4脚：RS为寄存器选择， 高电平时选择数据寄存器、 低电平时选择指令寄存器。12 / 21第5脚： R/W为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。当RS和 R/W共同为低电平时可以写入指令或者显示地址，当 RS 为低电平 R/W 为高电 平时可以读忙信号，当 RS为高电平 R/W为低电平时可以写入数据。第6脚： E端为使能端，当 E 端由高电平跳变成低

19、电平时，液晶模块执行命令。 第7 14脚： D0D7为8位双向数据线。第15脚：背光源正极。第16脚：背光源负极。三、霍尔传感器测量车速系统软件设计3.1设计思想本系统采用 89C51中的中断对转速脉冲计数。定时器 T0 工作于定时方式，工作于方式 1。每到 1s 读一次外部中断 计数值，此值即为脉冲信号的频率，代表的即是小车的转速。3.2总体软件流程先进行初始化设置各定时器初值，然后判断是否启动系统进行测量。如果 是，就启动系统运行。如果不是就等待启动。启动系统后，霍尔传感器检测脉 冲到来后，启动外部中断，每来一个脉冲中断一次，记录脉冲个数。同时启动 T0定时器工作，每 1 秒定时中断一次，

20、读取记录的脉冲个数，即小车转速。连 续采样三次，取平均值记为一次转速值。再进行数值的判断，若数值高于 5000r/min 则报警并返回初始化阶段，否则就进行正常速度液晶显示。13 / 21四、设计中的问题及解决办法4.1 出现的问题1、逻辑故障2、元器件失效3、电源故障4.2 解决方法1排除逻辑故障14 / 21显示器部分调试为了使调试顺利进行 ,首先将 89C51与LCD 显示分离, 这样 就可以用静态方法先测试 LCD 显示, 用规定的电平加至位显示的引脚 ,看显示是 否与理论上一致。不一致 ,一般为 LCD 显示器接触不良所致 ,必须找出故障 , 检 测 89C51 电路工作是否正常。对 89C51 进行编程调试时 , 分为两个步骤：第一 , 对其进行初始化。第二 ,将89C51与LCD 结合起来,借助开发机,通过编制程序 进行调试。若调试通过后 , 就可以编制应用程序了。对于一些逻辑故障来说，这类故障往往是由于设计和焊接过程中的失误所 造成的。主要包括错线、开路、短路。排除的方法是首先将焊接好的电路板认 真对照原理图 , 看两者是否一致。应特别注意电源系统检查 , 以防止电源短路和 极性错误 , 并重点检查系统总线是否存在相互之间短路或与其它信号线路短路。 必要时利用数字万用表的短路测试功能 , 可以缩短排错时间。2