基于霍尔传感器的转速测量).doc
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成绩评定： 传感器技术 课程设计 题 目 基于霍尔传感器的转速测量 摘 要转速是发动机重要的工作参数之一,也是其它参数计算的重要依据针对工业上常见的发动机设计了以单片机STC89C51为控制核心的转速测量系统系统利用霍尔传感器作为转速检测元件,并利用设计的调理电路对霍尔转速传感器输出的信号进行滤波和整形,将得到的标准方波信号送给单片机进行处理实际测试表明,该系统能满足发动机转速测量要求关键词：转速测量,霍尔传感器,信号处理,数据处理目 录一 、设计目的 1二、设计任务与要求 12.1设计任务 12.2设计要求 1三、设计步骤及原理分析 13.1设计方法 23.2设计步骤 23.3设计原理分析 16四、课程设计小结与体会 16五、参考文献 16..一 、设计目的1. 学习基本理论在实践中综合运用的初步禁言,掌握模拟电路的设计的基本方法,设计步骤,培养综合设计与实物调试能力2. 学会霍尔传感器的设计方法和性能指标测试3. 进一步了解霍尔传感器的组成框图和各个单元的工作原理以及相互之间的联系4. 培养实践技能,提高分析和解决问题的能力。
5. 提高自己对文献资料的搜索和信息处理能力二、设计任务与要求2.1设计任务1、 查阅传感器有关方面的相关资料,了解此方面的发展状况 2、掌握所用器件的特性 3、采用合理的设计方案 4、设计、实现该系统 5、撰写设计报告2.2设计要求1.掌握霍尔传感器的使用方法2.熟悉使用单片机测量转速三、设计步骤及原理分析3.1设计方法系统由传感器、信号预处理电路、处理器、显示器和系统软件等部分组成传感器部分采用霍尔传感器,负责将电机的转速转化为脉冲信号信号预处理电路包含待测信号放大、波形变换、波形整形电路等部分,其中放大器实现对待测信号的放大,降低对待测信号的幅度要求,实现对小信号的测量；波形变换和波形整形电路实现把正负交变的信号波形变换成可被单片机接受的TTL/CMOS兼容信号 处理器采用STC89C51单片机,显示器采用8位LED数码管动态显示系统原理框图如图1所示： 图1系统软件主要包括测量初始化模块、信号频率测量模块、浮点数算术运算模块、浮点数到BCD码转换模块、显示模块、按键功能模块、定时器中断服务模块系统软件框图如图2所示图23.2设计步骤1 单片机主控电路设计系统选用 STC89C51 作为转速信号的处理核心。
STC89C51 包含 2 个16位定时/计数器、4K×8 位片内 FLASH 程序存储器、4个8位并行I/O口16 位定时/计数器用于实现待测信号的频率测量8位并行口P0、P2用于把测量结果送到显示电路4K×8 位片内FLASH程序存储器用于放置系统软件STC89C51与具有更大程序存储器的芯片管脚兼容,如:89C52<8K×8 位>或 89C55<32K×8 位>,为系统软件升级打下坚实的物质基础STC89C51最大的优点是：可直接通过计算机串口线下载程序,而无需专用下载线和编程器STC89C51单片机是在一块芯片中集成了CPU、RAM、ROM、定时器/计数器和多功能I/O口等一台计算机所需要的基本功能部件其基本结构框图如图3.1,包括：·一个8位CPU；·4KB ROM；·128字节RAM数据存储器；·21个特殊功能寄存器SFR；· 4个8位并行I/O口,其中P0、P2为地址/数据线,可寻址64KB ROM或64KB RAM；·一个可编程全双工串行口；·具有5个中断源,两个优先级,嵌套中断结构；·两个16位定时器/计数器； ·一个片内震荡器及时钟电路；计数脉冲输入 T0 T1特殊功能寄存器SFR 128字节RAM定时/计数器 T0、T1时钟源4K ROM〔EPROM〔8031无中断系统串行接口并行I/O接口CPUP0 P1 P2 P3 TXD RXD 中断输入图3 STC89C51单片机结构框图STC89C51系列单片机中HMOS工艺制造的芯片采用双列直插
STC89C51单片机40条引脚说明如下:<1>电源引脚V正常运行和编程校验<8051/8751>时为5V电源,V为接地端〔2I/O总线P- P〔P0口,P- P〔P1口,P- P〔P2口,P- P〔P3口为输入/输出引线〔3时钟XTAL1：片内震荡器反相放大器的输入端XTAL2：片内震荡器反相放器的输出端,也是内部时钟发生器的输入端〔4控制总线由P3口的第二功能状态和4根独立控制线RESET、EA、ALE、PSEN组成值得强调的是,P3口的每一条引脚均可独立定义为第一功能的输入输出或第二功能如表4所示P3口引脚及线号引脚第二功能P3.0 <10>RXD串行输入口P3.1 <11>TXD串行输出口P3.2 <12>INT0外部中断0P3.3 <13>INT1外部中断1P3.4 <14>T0定时器0外部输入P3.5 <15>T1定时器1外部输入P3.6 <16>WR外部数据存储器写脉冲P3.7 <17>RD外部数据存储器读脉冲 图4单片机的片外总线结构： ①地址总线〔AB：地址总线宽为16位,因此,其外部存储器直接寻址为64K字节,16位地址总线由P0口经地址锁存器提供8位地址〔A0至A7；P2口直接提供8位地址〔A8至A15。
②数据总线〔DB：数据总线宽度为8位,由P0提供 ③控制总线〔CB：由P3口的第二功能状态和4根独立控制线RESET、EA、ALE、PSEN组成2 脉冲产生电路设计LM358内部包括有两个独立的、高增益、内部频率补偿的双运算放大器,适合于电源电压范围很宽的单电源使用,也适用于双电源工作模式,在推荐的工作条件下,电源电流与电源电压无关它的使用范围包括传感放大器、直流增益模块和其他所有可用单电源供电的使用运算放大器的场合 LM358的封装形式有塑封8引线双列直插式和贴片式特性:· 内部频率补偿 · 直流电压增益高<约100dB> · 单位增益频带宽<约1MHz> · 电源电压范围宽：单电源<3—30V>· 双电源<±1.5一±15V> · 低功耗电流,适合于电池供电 · 低输入偏流 · 低输入失调电压和失调电流 · 共模输入电压范围宽,包括接地 · 差模输入电压范围宽,等于电源电压范围 · 输出电压摆幅大<0至Vcc-1.5V>如图5所示,信号预处理电路为系统的前级电路,其中霍尔传感元件b,d为两电源端,d接正极,b接负极；a,c两端为输出端,安装时霍尔传感器对准转盘上的磁钢,当转盘旋转时,从霍尔传感器的输出端获得与转速率成正比的脉冲信号,传感器内置电路对该信号进行放大、整形,输出良好的矩形脉冲信号,图中LM358部分为过零整形电路使输入的交变信号更精确的变换成规则稳定的矩形脉冲,便于单片机对其进行计数。
图5 信号预处理电路3.3 按键电路设计通过软件设置按键开关功能： 按 K0清零、复位按K1显示计时时间按K2显示计数脉冲数此按键电路为低电平有效,当无按键按下时,单片机输入引脚P1.0、P1.1、P1.2、P1.3端口均为高电平当其中任一按键按下时,其对应的P1端口变为低电平,在软件中利用这个低电平设计其功能软件中还设置了按键防抖动误触发功能,软件中设置定时器1 50ms中断一次,每次中断都对按键进行扫描,如果扫描到有按键按下,则延迟10ms,再次进行键扫描,若仍有按键按下,则按键为真,并从P1口读取数据,低电平对应的即为有效按键,如图6所示图63.4 数据显示电路设计3.4.1 数码管结构和显示原理图8为数码管的引脚接线图,实验板上以P0口作输出口,经74LS244驱动,接8只共阳数码管S0-S7表7为驱动LED数码管的段代码表为低电平有效,1-代表对应的笔段不亮,0-代表对应的笔段亮若需要在最右边〔S0显示"5",只要将从表中查得的段代码64H写入P0口,再将P2.0置高,P2.1-P2.7置低即可设计中采用动态显示,所以其亮度只有一个LED数码管静态显示亮度的八分之一。
表3.2 驱动LED数码管的段代码数字dpecgbfa十六进制P0.7P0.6P0.5P0.4P0.3P0.2 P0.1P0.0共阴共阳010110111B74810001010014EB210101101AD523100111019D624000111101EE15100110119B64610111011BB4470001010115EA810111111BF409100111119F60 表7 图8数码管的引脚接线这里设计的系统先用 6 位LED数码管动态显示小型直流电机的转速当转速高于六位所能显示的值〔999999时就会自动向上进位显示3.4.2 缓冲器74LS244系统总线中的地址总线和控制总线是单向的,因此驱动器可以选用单向的,如74LS24474LS244还带有三态控制,能实现总线缓冲和隔离,74LS244是一种三态输出的八缓冲器和线驱动器,该芯片的逻辑电路图和引脚图如图3.5所示从图可见,该缓冲器有8个输入端,分为两路——1A1～1A4,2A1～2A4同时8个输出端也分为两路——1Y1～1Y4,2Y1～2Y4,分别由2个门控信号1G和2G控制,/1G, /2G三态允许端<低电平有效>。
当1G为低电平时,1Y1～1Y4的电平与1A1～1A4的电平相同,即输出反映输入电平的高低；同样,当2G为低电平时,2Y1～2Y4的电平与2A1～2A4的电平相同而当1G〔或2G为高电平时,输出1Y1～1Y4〔或2Y1～2Y4为高阻态经74LS244缓冲后,输入信号被驱动,输出信号的驱动能力加大了74LS244缓冲器主要用于三态输出的存储地址驱动器、时钟驱动器和总线定向接收器和定向发送器等常用的缓冲器还有74LS240,241等 图9 74LS244逻辑电路图74LS244的极限参数如下:电源电压 ………………………………………………7V 输入电压 ………………………………………………5.5V 输出高阻态时高电平电压 ……………………………5.5V利用上述器件设计的显示电路如图3.6所示8个共阳的LED数码管〔S0-S7同名的引脚连接在一起,由单片机P0口通过74。
