《微控制器技术与应用》学习情景七 两种经典传感器测速系统的设计

学习情景七两种经典传感器测速系统的设计7.1任务1光电开关转速测量系统7.2任务2霍尔元件测速系统7.3情景评价7.4情景总结返回7.1任务1光电开关转速测量系统7.1.1任务内容本任务针对风扇的转速进行测量，以微控制器为核心对光电开关产生的数字信号进行运算，从而测得风扇的转速，然后用数码管把风扇的转速显示出来。即通过光电开关将风扇的转数转换成0,1的数字量，只要风扇每旋转一周，产生一个或固定的多个脉冲，并将脉冲送入微控制器中进行计数和计算，就可获得转速的信息。7.1.2任务实施1.硬件电路设计根据任务要求，首先要按照如图7.1所示硬件信号处理电路，在微控制器最小系统基础上焊接传感器控制电路。下一页返回7.1任务1光电开关转速测量系统

2.软件设计(1)知识巩固与提高—测速信号采集及其处理本任务中使用的光电开关是根据光敏二极管工作原理制造的一种感应接收光强度变化的器件，当它发出的光被目标反射或阻断时，则接收器感应出相应的电信号。它包含调制光源，由光敏元件等组成的光学系统、放大器、开关或模拟量输出装置。光电式传感器由独立且相对放置的光发射器和收光器组成，当目标通过光发射器和收光器之间并阻断光线时，传感器输出信号。它是效率最高、最可靠的检测装置。槽形(U形)光电开关是对射式的变形，其优点是无须调整光轴。上一页下一页返回7.1任务1光电开关转速测量系统①光电开关的分类。漫反射式光电开关:它是一种集发射器和接收器于一体的传感器，当有被检测物体经过时，物体将光电开关发射器发射的足够量的光线反射到接收器，于是光电开关就产生了开关信号。当被检测物体的表面光亮或其反光率极高时，漫反射式的光电开关是首选的检测模式。镜反射式光电开关:它亦集发射器与接收器于一体，光电开关发射器发出的光线经过反射镜反射回接收器，当被检测物体经过且完全阻断光线时，光电开关就产生了检测开关信号。对射式光电开关:它包含了在结构上相互分离且光轴相对放置的发射器和接收器，发射器发出的光线直接进入接收器，当被检测物体经过发射器和接收器之间且阻断光线时，光电开关就产生了开关信号。当检测物体为不透明时，对射式光电开关是最合适的检测装置。上一页下一页返回7.1任务1光电开关转速测量系统槽式光电开关:它通常采用标准的U字型结构，其发射器和接收器分别位于U型槽的两边，并形成一光轴，当被检测物体经过U型槽且阻断光轴时，光电开关就产生了开关量信号。槽式光电开关比较适合检测高速运动的物体，并且它能分辨透明与半透明物体，使用安全可靠。光纤式光电开关:它采用塑料或玻璃光纤传感器来引导光线，可以对距离远的被检测物体进行检测。通常光纤传感器分为对射式和漫反射式。测量风扇的转速，如果扇叶是非透明的，因此采用对射式光电开关最合适。采用对射式光电传感器测量风扇转速，当不透光的物体挡住发射与接收之间的间隙时，开关管关断，反之打开。当风扇转动时，光电开关产生脉冲信号。因为风扇叶片数一般为三片以上，旋转一周可以获得多个脉冲信号。传感器的外观如图7.2所示:上一页下一页返回7.1任务1光电开关转速测量系统②速测量原理。在此采用频率测量法，其测量原理为:在固定的测量时间内，计取转速传感器发生的脉冲个数(即频率)，从而算出实际转速。设固定的测量时间T(min，计数器计取的脉冲个数m，假定脉冲发生器每转输出P个脉冲，对应被测转速为N(r/min)，就可算出实际转速值N=60m/pT。本检测装置中对射式光电传感器安装在风扇两侧，工作时传感器输出信号经整形后可得到相应的方波脉冲信号，根据上述转速计算公式求出转速。被测物理量经过传感器变换后，变为电阻、电流、电压、电感等某种电参数的变化值。为了进行信号的分析、处理、显示和记录，须对信号作放大、运算、分析等处理，这就引入了中间变化电路。根据系统需要设计了如图7.2所示的中间变换电路。其中，R1,R4起限流作用，R2起分流作用，R3为输出电阻。当光电传感器之间没有被阻挡时，输出低电平;当通光孔被扇叶遮住时，输出高电平。上一页下一页返回7.1任务1光电开关转速测量系统③微控制器处理电路设计。如图7.3所示，X1为12MHz的晶振，9口为复位接口，通过开关控制。用于测量转速的脉冲通过P3.5/T1输入微控制器，用89C51的定时计数器T1对脉冲信号进行计数，用定时计数器TO进行定时，每10ms产生一个中断对数码管进行刷新，产生500个中断后(即Ss)，进行一次转速处理，再通过微控制器对T1的脉冲数进行运算转换后，用四连数码管显示风扇的转速。上一页下一页返回7.1任务1光电开关转速测量系统(2)显示分析和程序源代码

LED静态显示的亮度高，占用CPU的时间短，但它的成本高。为了简化硬件电路，降低成本，在微控制器应用系统中常采用动态扫描的方法，解决多位LED显示的问题。动态扫描显示的硬件接口简单，只需一个公共的七段码输出口(字形口)，即所有显示位的段选线并联在一起，由一个8位I/0口控制。一个选择显示为的数位选择口(字位口)，由其他的I/0口控制。显示时，从左到右轮流点亮每位显示器，由于视觉的暂留，只要保证扫描周期不超过一定的限度(一般在20ms以下)，即每一时刻位选只选通一个显示位。同时段选控制口输出显示字符对应的段选码，使该位显示的字符;一定时间后，再选其他显示位，如此循环，使每个显示器件显示该位相应的字符。则可达到“同时”显示各位不同的数字或字符的目的。上一页下一页返回7.1任务1光电开关转速测量系统

3.调试与仿真①运行KeilNVersion2软件，新建工程文件“rw71.Nv2"②对基本的工作参数进行设置。③在该工程文件下，新建C源程序文件“rw71.c"④输入编制好的程序，并进行编译、调试，注意使用复位、全速运行、停止、单步运行等工具。⑤处理和解决调试过程中出现的问题。⑥最后通过编译并生成“rw71.hex”文件。⑦运行Proteus软件进行仿真并观察仿真结果，必要时要对程序进行修改。上一页下一页返回7.1任务1光电开关转速测量系统

4.结果测试如图7.5所示，图中用方波发生器模拟光电开关产生脉冲(频率为1kHz，约1ms产生一个脉冲)，由P3.5输入，由微控制器控制T1进行计数，同时定时器TO每10ms产生中断对数码管进行刷新。当中断500次(即5s)后，对计数脉冲进行计算处理，得出转速，并用数码管显示。由图可知仿真结果为1356r/min，符合设计要求，可按此仿真电路指导实际硬件电路的搭建。上一页下一页返回7.1任务1光电开关转速测量系统7.1.3任务扩展①系统选择位数最多的定时/计数器工作方式1(为16位)，但仍有其局限性。此计数器的最大计数脉冲数为65536(2'6)，若每秒钟计算一次，则当1秒内外部脉冲的输入数超过_____个时，计数器会溢出，从而产生中断，使得测出的转速值小于实际的转速值。根据转速计算方法(若某风扇的扇叶有3片)，Vmax=______/min，所以本系统测量范围不能超过此值。②通过T1计数时，微控制器每读取一个脉冲至少需要3个机器周期的时间来完成。本系统采用的晶振为12MHz，所以一个机器周期Tcy=______μs。若要使微控制器准确读取外部脉冲，则脉冲的输入周期不能超过3μs。如此可计算，系统能测量的转速需低于:Vmax=______r/min上一页下一页返回7.1任务1光电开关转速测量系统③此外，光电开关的反应速度也会对转速测量值的大小产生影响。若转速过快，会有什么样的系统反应?上一页返回7.2任务2霍尔元件测速系统7.2.1任务内容将霍尔传感器产生的脉冲信号输入到微控制器的外部中断0口，微控制器工作在内部定时器工作方式0，对周期信号进行内部记数，调用计算公式算出转速，调用显示程序显示在LCD上，同时通过串口向上位机发送转速数据。主要内容:测量转速的霍尔传感器和机轴同轴连接，机轴每转一周，产生一定量的脉冲个数，由霍尔器件电路部分输出。经光电藕合后，成为转速计数器的计数脉冲。同时传感器电路输出幅度为12V的脉冲经光电藕合后降为SV，保持同89C51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机轴的转速值。CPU将该值数据处理后，在LCD上显示出来。一旦超速，CPU通过喇叭发出报警信号。下一页返回7.2任务2霍尔元件测速系统7.2.2任务实施1.硬件电路设计硬件设计的任务是根据总体设计要求，在选择的机型的基础上，具体确定系统中所要使用的元器件，设计出系统的原理框图、电路原理图。89C51微控制器通过INTO输入传感器的脉冲信号，PO口、P2口接LED动态显示。另由于PC系列微机串行口为RS232C标准接口，与输入、输出均为TTL电平的89C51微控制器在接口规范上不一致，因此TTL电平到RS232接口电平的转换采用HIN232CP接口芯片，该芯片可以用单电压(+5V)实现RS232接口逻辑“1"(-15~-3V)和逻辑“0"(+3~+15V)的电平转换。转速测量部分的硬件设计思路:本次设计微控制器部分的硬件框图如图7.6所示。电路图如图7.7所示。上一页下一页返回7.2任务2霍尔元件测速系统

2.软件设计(1)知识巩固与提高—霍尔传感器的应用霍尔元件是一种基于霍尔效应的磁传感器，已发展成一个品种多样的磁传感器产品族，并已得到广泛应用。用它们可以检测磁场及其变化，可以用在各种与磁场有关的场合中。霍尔器件以霍尔效应为其工作基础。霍尔器件具有许多优点，它们的结构牢固，体积小，质量轻，寿命长，安装方便，功耗小，频率高(可达1MHz)，耐震动，不怕灰尘、水汽及烟雾等污染或腐蚀。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、无抖动、无回调、输出波形清晰、位置重复精度高(可达μm级)。采用了各种补偿措施的霍尔器件的工作温度范围广，可在55℃~150℃范围内工作。上一页下一页返回7.2任务2霍尔元件测速系统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分为:直接应用和间接应用。前者是直接检测出被测对象本身的磁场或磁特性，后者是检测被检测对象上人为设置的磁场，用这个磁场作为被检测信息的载体。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、加速度、角度、角速度、转速、转数以及工作状态发生变化的时间等转换成电量来进行检测和控制。集成霍尔传感器是利用硅集成电路工艺将霍尔元件和测量线路集成在一起的一种传感器。它取消了传感器和测量电路之间的界限，实现了材料、元件、电路三位一体。集成霍尔传感器与分立传感器相比，由于减少了焊点，因此显著地提高了可靠性。此外，它具有体积小、质量轻、功耗低等优点，越来越受到大众的重视。上一页下一页返回7.2任务2霍尔元件测速系统集成霍尔传感器的输出是经过处理的霍尔输出信号。按照输出信号的形式，可以分为开关型集成霍尔传感器和线性集成霍尔传感器两种类型。开关型集成霍尔传感器是把霍尔元件的输出经过处理后输出一个高电平或低电平的数字信号。霍尔开关电路又称霍尔数字电路，由稳压器、霍尔片、差分放大器、施密特触发器和输出级组成。使用霍尔器件检测磁场的方法极为简单，将霍尔器件做成各种形式的探头，放在被测磁场中，因霍尔器件只对垂直于霍尔片表面的磁感应强度敏感，因而必须令磁力线和器件表面垂直，通电后即可由输出电压得到被测磁场的磁感应强度。若不垂直，则应求出其垂直分量来计算被测磁场的磁感应强度值。而且，因霍尔元件的尺寸极小，可以进行多点检测，由计算机进行数据处理，可以得到场的分布状态，并可对狭缝、小孔中的磁场进行检测。上一页下一页返回7.2任务2霍尔元件测速系统用磁场作为被传感物体的运动和位置信息载体时，一般采用永久磁钢来产生工作磁场。例如，用一个5x4x2.5(mm3)的钦铁硼n号磁钢，就可在它的磁极表面上得到约2300高斯的磁感应强度。在空气隙中，磁感应强度会随距离增加而迅速下降。为保证霍尔器件，尤其是霍尔开关器件的可靠工作，在应用中要考虑有效工作气隙的长度。在计算总有效工作气隙时，应从霍尔片表面算起。在封装好的霍尔电路中，霍尔片的深度在产品手册中会给出。因为霍尔器件需要工作电源，在作运动或位置传感时，一般令磁体随被检测物体运动，将霍尔器件固定在工作系统的适当位置，用它去检测工作磁场，再从检测结果中提取被检信息。上一页下一页返回7.2任务2霍尔元件测速系统霍尔传感器A3144是AllegroMicrosystems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℃~1500C。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。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"。

A3144E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信号。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。可应用于汽车工业和军事工程中。霍尔开关元件的电路图如图7.8所示。上一页下一页返回7.2任务2霍尔元件测速系统(2)流程图和参考程序程序流程图如图7.9所示。

3.调试与仿真①运行KeilNVersion2软件，新建工程文件“rw74.μv2"②对该项目工程文件的基本工作参数进行设置。③在该工程文件下，新建C源程序文件“rw74.c"④输入编制好的程序，并进行编译、调试，注意使用复位、全速运行、停止、单步运行等工具。上一页下一页返回7.2任务2霍尔元件测速系统⑤处理和解决调试过程中出现的问题。⑥最后通过编译并生成“rw74.hex”文件。⑦运行Proteus软件进行仿真并观察仿真结果，必要时要对程序进行修改。4.结果测试在正确实现其功能的前提下，测试霍尔元件测速系统显示的数值是否稳定，图像是否清晰，看是否准确并思考如何调整。注意选用的工具和测量方法。上一页下一页返回7.2任务2霍尔元件测速系统7.2.3任务扩展①根据霍尔效应原理，将一块永久磁钢固定在电机转轴上的转盘边沿，转盘