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1、摘 要 I 南京大学南京大学 毕毕业业论论文文 题 目基于霍尔传感器的转速测量设计 摘摘 要要 在工程实践中，经常碰到需要测量转速的场合，而单片机作为一 款性价比很高的微控制器在测速系统有着广泛的应用。首先，本文叙 述了单片机测量转速的系统构成及转速测量的几种常用方法。其次， 介绍了一种基于89C51 单片机的电动机测速系统，该系统利用霍尔 传感器产生脉冲信号，通过定时算法程序，将转速结果实时显示出来。 最后，对测量指标进行了分析、比较并提出改进方案。 关键词关键词：单片机；转速测量；霍尔传感器 Abstract III A Abstractbstract（外语专业的需要）（外语专业的需要）
2、In engineering practice, often need to measure the rotational speed, micro controller and microcontroller as a very high price is widely used in the velocity measurement system. Firstly, this paper describes several methods of measuring speed and speed measurement system. Secondly, introduces a kind
3、 of motor speed measurement system based on 89C51 MCU, the system by Holzer sensor generates a pulse signal, through the timing algorithm procedures, will speed results in real time display. Finally, analyzed the measurement indexes, and put forward the improvement scheme. Keywords: singlechip ; tac
4、hometric survey ； speed 目 录 目目 录录 摘摘 要要I ABSTRACT（外语专业的需要）（外语专业的需要）II 第一章第一章 绪论绪论.1 1.1 课题的背景1 1.2 课题的目的及意义1 1.3 设计思路与内容1 第二章第二章 基于单片机的转速测量原理基于单片机的转速测量原理.3 2.1 转速的测量原理3 2.2 转速的测量方法3 2.2.1 测频法“M 法”.3 2.2.2 测周期法“T 法”4 2.2.3 测频测周法 M/T 法5 2.3 误差和精度分析5 2.3.1“M 法”测量误差分析5 2.3.2“T 法”测量误差分析.6 2.3.3“M/T 法”测量误
5、差分析6 第三章第三章 霍尔传感器测转速系统的单元电路介绍霍尔传感器测转速系统的单元电路介绍.8 3.1 单片机的介绍8 3.2 霍尔传感器选型10 3.3 开关霍尔传感器的性能分析10 3.4 系统显示电路介绍12 3.4.1 74HC595 的介绍.12 3.4.2 数码管介绍13 第四章第四章 电路的硬件设计电路的硬件设计.15 4.1 设计的方框图15 4.2 程序流程图16 4.2 单元电路的设计17 4.2.1 单片机主控电路设计.17 4.2.2 脉冲产生电路设计.18 4.2.3 按键电路设计.19 4.2.4 数码管结构和显示原理.20 4.3 电路的整机原理图的设计（分析工
6、作原理）21 第五章第五章 软件设计软件设计.23 5.1 单片机转速程序设计思路及过程23 5.1.1 单片机程序设计思路.23 5.1.2 单片机转速计算程序.23 5.1.3 二-十进制转换程序24 目 录 V 5.2 程序设计26 第六章第六章 总结与展望总结与展望.27 致致 谢谢.28 参考文献参考文献.29 第一章 绪论 1 第一章第一章 绪论绪论 1.1 课题的背景课题的背景 在直流电机的多年实际运行的过程中，机械测速电机不足之处日益明显， 其主要表现为直流测速电机 DG 中的炭刷磨损及交流测速发电机 TG 中的轴承磨 损，增加了设备的维护工作量，也随着增加了发生故障的可能性；
7、同时机械测 速电机在更换炭刷及轴承的检修作业过程中，需要将直流电动机停运，安装过 程中需要调整机械测速电机轴与主电机轴的同轴度，延长了检修时间，影响了 设备的长期平稳运行。 随着电力电子技术的不断发展，一些新颖器件的不断涌现，原有器件的性 能也随着逐渐改进，采用电力电子器件构成的各种电力电子电路的应用范围与 日俱增。因此采用电子脉冲测速取代原直流电动机械测速电机已具备理论基础， 如可采用磁阻式、霍尔效应式、光电式等方式检测电机转速。 经过比较分析后，决定采用测速齿轮和霍尔元件代替原来的机械测速电机。 霍尔传感器作为测速器件得到广泛应用。霍尔传感器是利用霍尔效应实现磁电 转换的一种传感器。霍尔效
8、应这种物理现象的发现，虽然已有一百多年的历史， 但是直到 20 世纪 40 年代后期，由于半导体工艺的不断改进，才被人们所重视 和应用。我国从 70 年代开始研究霍尔器件,经过 20 余年的研究和开发,目前已经 能生产各种性能的霍尔元件,霍尔传感器具有灵敏度高、线性度好、稳定性高、 体积小和耐高温等特点。 1.2 课题的目的及意义课题的目的及意义 在实践中,经常会遇到各种需要测量转速的场合, 例如在发动机、电动机、 卷扬机、机床主轴等旋转设备的试验、运转和控制中,常需要分时或连续测量和 显示其转速及瞬时转速。要测速，首先要解决是采样问题。在使用模技术制作 测速表时，常用测速发电机的方法，即将测
9、速发电机的转轴与待测轴相连，测 速发电机的电压高低反映了转速的高低。为了能精确地测量转速外,还要保证测 量的实时性,要求能测得瞬时转速方法。因此转速的测试具有重要的意义。 这次设计内容包含知识全面，对传感器测量发电机转速的不同的方法及原理 设计有较多介绍，在测量系统中能学到关于测量转速的传感器采样问题，单片 机部分的内容，显示部分等各个模块的通信和联调。全面了解单片机和信号放 大的具体内容。进一步锻炼我们在信号采集，处理，显示发面的实际工作能力。 1.3 设计思路与内容设计思路与内容 计算转速公式： n=60/NTc (r/min) 其中，N 是内部定时器的计数值，为三字节，分别由 TH0，T
10、L0，VTT 构 成； 南京大学毕业设计论文 Tc 为时基，由于采用 11.0592M 的晶振，所以 Tc 不在是 1um，而是 12M/11.0592M 约为 1.08um，带入上面公式，即可得到转速的精确计算公式： N=60*11059200/12N=55296000/N 再将 55296000 化为二进制存入单片机的内存单元。 下面我们将介绍除数是如何获得的： 单片机的转速测量完成，定时器 T0 作为内部定时器，外部中断来的时候读 取 TH0，TL0，并同时清零 TH0、TL0，使定时器再次循环计内部脉冲。此外， 对于低速情况下，我们还要设定一个软件计数器 VTT，当外部中断还没来而内
11、部定时器已经溢出，产生定时器 0 中断时，增加 VTT，作为三字节中的高字节。 三字节组成除数，上面的常数为四字节，所以计算程序实际上就是调用一个四 字节除三字节商为两字节（最高转速 36000r/min 足够）的程序。 为数码管能够显示出来，需将二进制转换为十进制，在将十进制转换为非 压缩 BCD 码后，才能调用查表程序，最后送显示。 传感器的定子上有 2 个互相垂直的绕组 A 和 B, 在绕组的中心线上粘有霍 尔片 HA 和 HB ,转子为永久磁钢,霍尔元件 HA 和 HB 的激励电机分别与绕组 A 和 B 相连,它们的霍尔电极串联后作为传感器的输出。 图1.1霍尔转速传感器的结构原理图
12、图1.2霍尔转速传感器的结构原理图 第二章 基于霍尔单片机的转速测量原理 3 第二章第二章 基于单片机的转速测量原理基于单片机的转速测量原理 2.1 转速的测量原理转速的测量原理 转速是工程中应用非常广泛的一个参数，而随着大规模及超大规模集成电 路技术的发展，数字测量系统得到普遍应用，利用单片机对脉冲数字信号的强 大处理能力，应用全数字化的结构，使数字测量系统的越来越普及。在测量范 围和测量精度方面都有极大的提高。转速的测量方法有很多，由于转速是以单 位时间内的转速来衡量的，所以本文采用霍尔元器件测量转速。 霍尔器件是有半导体材料制成的一种薄片，其长为 l，宽为 b，厚度为 d。 若在垂直于薄
13、片方向（即沿厚度 d 的方向）施加外磁场，在沿长为 l 的方向的两 端面加外电场，则其内部会有一定的电流通过。由于电子在磁场中运动，所以 将受到一个洛仑兹力，其大小为： F=qVB, 式中：F 为洛伦兹力；q 为载流子电荷，V 为载流子运动速度，B 为磁感应 强度。 由于受洛伦兹力，电子的运动方向轨迹将发生偏移，在霍尔元器件薄片 的两个侧面分别产生电兹积聚或电荷过剩，形成霍尔电场。在霍尔器件两个侧 面间形成的电位差为霍尔电压，其大小为： U=RBI/d 式中：R 为霍尔常数，I 为控制电流。设 K=R/d,它称为霍尔器件的灵敏系统， 表示该霍尔元件在单位磁感应强度和单位控制电流下输出霍尔电动势
14、的大小。 若控制电流保持不变，则霍尔感应电压将随外界磁场强度而变化。根据这一原 理，可将一块永久磁钢固定在电动机转轴上转盘的边沿，转盘随被转轴旋转， 磁钢也将跟着同步旋转，在转盘附近安装一个霍尔元件，电机旋转时，霍尔元 件受到磁钢所产生的磁场影响，故可输出脉冲信号，其频率和转速成正比，测 出霍尔元器件输出的脉冲周期或频率即可计算出转速。 2.2 转速的测量方法转速的测量方法 2.2.12.2.1 测频法测频法“M M 法法” 在一定测量时间 T 内，测量脉冲发生器产生的脉冲数 m1 来测量转速。如图 2-1 所示： T m1 2-1“M”法测量转速脉冲 南京大学毕业设计论文 设在时间 T 内，
15、转轴转过的弧度数为 X，则的转速 n 可由下式表示。 (2-1) T X n 2 60 转轴转过的弧度数 X,可用下式所示 （2-2） p m X 1 2 将(2-1)式代入(2-2)式，得转速 n 的表达式为： （2-3） pT m n 1 60 -转速单位：（转/分） n -定时时间单位：（秒） T 2.2.22.2.2 测周期法测周期法“T“T 法法” 转速可以用两脉冲产生的间隔宽度 Tp 来决定。如图 2-2 所示： m2 Tp 输入脉冲 时基脉冲 图 2-2 “T”法脉宽测量 Tp 通过定时器测得。定时器对时基脉冲(频率为 fc)进行计数定时，在 TP 内 计数值若为 m2，则计算公
16、式为： （2-4） p pT n 60 即： （2-5） 2 60 pm f n c -为转轴转一周脉冲发生器产生的脉冲数。 p -为硬件产生的基准时钟脉冲频率单位 Hz。 c f 第二章 基于霍尔单片机的转速测量原理 5 -转速单位：（转/分）。 n -时基脉冲。 2 m 2.2.3 测频测周法测频测周法 M/T 法法 所谓测频测周法，即是综合了“T”法和 “M”法分别对高、低转 速具有的不同精度，利用各自的优点而产生的方法，精度位于两者之间。 如图 2-3 所示 。 Tc Td a b c m1 m2 图 2-3 “M/T”法定时/计数测量 转速计算如下：设高频脉冲的频率为fc，脉冲发生器
17、每转发出P 个脉冲，由式（ 2-2）和（ 2-5）可得 M/T 法转速计算公式为： 2 1 60 pm mf n c -转速值。单位：（转/分） 。 n -晶体震荡频率。单位Hz。 fc -输入脉冲数，反映转角。 1 m -时基脉冲数。 2 m 2.3 误差和精度分析误差和精度分析 2.3.1“M“M 法法”测量误差分析测量误差分析 由转速公式： 给出 pT m n 1 60 因定时时间和输入脉冲不能保证严格同步，以及在T 内能否正好 测量外部脉冲的完整周期个数，所以m1可能产生一个脉冲的量化误差， 故转速变化： 南京大学毕业设计论文 （2- pTpT m pT m n 6060) 1(60
18、11 7） nn 其相对误差为： （2-8） 1 1 mn n （2-9） 60 1 npT m (2-10) npT 160 -相对误差。 -加入一个脉冲后的转速值。 n -误差。 n 由（ 2-10）式可知， 随转速 n 增大而减小，因此，这种方法适合 于高速测量，当转速越低，产生的误差会越大。 2.3.2“T 法法”测量误差分析测量误差分析 因 m1的量化误差也是1 个脉冲，故引起的转速变化也可以由下式给 出： （2-11） nn mpm f pm f mp f n ccc ) 1( 6060 ) 1( 60 2222 其相对误差为： （2- 1 160 1 1 1 2 np f mn
19、n c 12） 所以由（ 2-12）式可知， 随转速减小而减小。因此，这种方法适 合于低速测量，转速增高，误差增大。 2.3.3“M/T 法法”测量误差分析测量误差分析 由其测量原理可知。输入计数脉冲和计数定时值在理论上是严格同步 的，因此，在理论上，m1（定时器的计数值）不考虑误差，由于实际启 动是由程序来控制的（系统应采取由输入计数脉冲来同步），故可能 会产生一个脉冲的量化误差，因而，转速变化为： 第二章 基于霍尔单片机的转速测量原理 7 其相对误差为： (2-13) 由上式可知： 这种转速测量方法的相对误差与转速n 无关，只与晶体振荡产生的 脉冲有关，故可适合各种转速下的测量。保证其测量
20、精度的途径是增大定 时时间 T，或提高时基脉冲的频率fc。因此，在实际操作时往往采用一 种称变 M/T 的测量方法，即所谓变M/T 法，在 M/T 法的基础上，让 测量时间 Tc 始终等于转速输入脉冲信号的周期之和。并根据第一次的所 测转速及时调整预测时间Tc，兼顾高低转速时的测量精度。 南京大学毕业设计论文 第三章第三章 霍尔传感器测转速系统的单元电路介绍霍尔传感器测转速系统的单元电路介绍 3.1 单片机的介绍单片机的介绍 本设计采用 STC89C51 芯片，芯片采用 40 脚双列直插式封装，32 个 I/O 口， 芯片工作电压 3.85.5V，工作温度 070C（商业级） ，工作频率可高达
21、 30MHz，芯片的外形和引脚见下图（2） 图 3-1 STC89C51 引脚图 STC89C51 是一种低功耗、高性能 CMOS8 位微控制器，具有 8K 在系统 可编程 Flash 存储器。使用高密度非易失性存储器技术制造，与工业 80C51 产 品指令和引脚完全兼容。片上 Flash 允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规 编程器。在单芯片上，拥有灵巧的 8 位 CPU 和在线系统可编程 Flash，使得 STC89C51 为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。 STC89C51 具有以下标准功能： 8k 字节 Flash，256 字节 RAM， 32 位 I/O 口 线
22、，看门狗定时器，2 个数据指针，三个 16 位 定时器/计数器，一个 6 向量 2 级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。另外，STC89C51 可降至 0Hz 静态逻辑操作，支持 2 种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU 停止工 作，允许 RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下， RAM 内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬 件复位为止。8 位微控制器 8K 字节在系统可编程 Flash。P0P3 口结构，第 一功能、第二功能请参考数据手册（STC89C51 数据手册下载地址 www.mcu- ） 。 其基本结构框图如图 3.1，包
23、括： 一个 8 位 CPU； 第三章 霍尔传感器测转速系统的单元电路的介绍 9 4KB ROM； 128 字节 RAM 数据存储器； 26 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； STC89C51 系列单片机中 HMOS 工艺制造的芯片采用双列直插(DIP)方式封 装,有 40 个引脚。STC89C51 单片机 40 条引脚说明如下: （1）电源引脚。V正常运
24、行和编程校验(8051/8751)时为 5V 电源,V为 CCSS 接地 （2）I/O 总线。P- P（P0 口） ，P- P（P1 口） ，P- 0 . 07 . 00 . 17 . 10 . 2 P（P2 口） ，P- P（P3 口）为输入/输出引线。 7 . 20 . 37 . 3 （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
25、二功能。如表 3.1 所示。 表 3.1 P3 口线的第二功能定义： STC89C51 单片机的片外总线结构： 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 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 0 P3.3 (13)INT1外部中断 1 P3.4 (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
26、冲 P3.7 (17)RD外部数据存储器读脉冲 南京大学毕业设计论文 接提供 8 位地址（A8 至 A15） 。 数据总线（DB）：数据总线宽度为 8 位，由 P0 提供。 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。 3.2 霍尔传感器选型霍尔传感器选型 霍尔效应自 1879 年被美国物理学家爱德文霍尔发现至今已有 100 多年的 历史，但直到 20 世纪 50 年代，由于微电子学的发展，才被重视和开发，现在， 已发展成一个品牌多样的传感器产品族，并得到广泛的应用。 霍尔传感器是对磁敏感的传感元件，由磁钢、霍耳元件等组成。测量系
27、统 的转速传感器选用 OH137 的霍尔传感器。 3.3 开关霍尔传感器的性能分析开关霍尔传感器的性能分析 OH137 霍尔开关电路是为了适用客户低成本高性能要求开发生产的系列产 品，其应用领域广泛，性能可靠稳定。电路内部由反向电压保护器、电压调整 器，霍尔电压发生器，差分放大器，史密特触发器和集电极开路输出级组成， 能将变化的磁场讯号转换成数字电压输出。 产品特点：产品一致性好、灵敏度可按照客户要求定制、电路可和各种逻 辑电路直接接口 可实现功能：无触点开关、位置检测、速度检测、流量检测 典型应用领域：直流无刷电机、家用电器、缝纫设备、纺织机械、编码器、 安全报警装置等自动化控制领域 极限参
28、数：（TA=25） 电源电压 VCC4.5-24V 输出负载电流 IO25mA 工作温度范围 TA -4085 贮存温度范围 TS -55150 电特性：TA=25 量 值 参 数符号测试条件 最小典型最大 单 位 电源电压 V CC 4 .5 - 2 4 V 输出低电 平电压 V OL Vcc=4.5V, RL=2K，BBOP - 2 00 4 00 m V 输出漏电 流 I OH Vout=Vccmax，BB RP - 0 .1 1 0 A 第三章 霍尔传感器测转速系统的单元电路的介绍 11 电源电流 I CC VCC=Vccmax OC 开 路 -35 m A 输出上升 时间 t r V
29、cc=12V, RL=820, CL=20pF - 0 .12 1 .20 S 输出下降 时间 t f Vcc=12V, RL=820, CL=20pF - 0 .14 1 .40 S 磁特性： (VCC=4.524V) 1mT=10GS 量 值 参 数符号 最小典型最大 单 位 工作点BOP-18mT 释放点BRP2-mT 回 差BH6-8mT 表 3.2 产品性能分析 图 3-2测试电路： ： Vout Vcc=5V RL RL=820 CL=20 pF CL 管腿说明：1.电源 2. 地 3.输出 使用注意：使用注意： 1）安装时要尽量减小施 加到电路外壳或引线上的 机械应力。 2）焊接
30、温度要低于 260， 时间小于 3 秒。 3）电路为 OC 输出，需要 在 1、3 腿（电源与输出） 之间加一上拉电阻。上拉 电阻的阻值与工作电压、 通过电路的电流有关。 南京大学毕业设计论文 图 3-3磁电转换特性 3.4 系统显示电路介绍系统显示电路介绍 3.4.1 74HC595 的介绍的介绍 74HC595 是硅结构的 CMOS 器件， 兼容低电压 TTL 电路，遵守 JEDEC 标准。74HC595 是具有 8 位移位寄存器（如图 2-8 工作时序）和一 个存储器，三态输出功能。 移位寄存器和存储器是分别的时钟。 数据在 SCHcp 的上升沿输入，在 STcp 的上升沿进入的存储寄存
31、器中去。如果两个时 钟连在一起，则移位寄存器总是比存储寄存器早一个脉冲。 移位寄存器有 一个串行移位输入（ Ds），和一个串行输出（ Q7）,和一个异步的低电平复 位，存储寄存器有一个并行 8 位的，具备三态的总线输出，当使能 OE 时 BH BRPBOPB VOH VOL 0 图 3-4功能方框图： REG m AMP Pin1.VCC Pin3.Vout Pin2.GND 第三章 霍尔传感器测转速系统的单元电路的介绍 13 （为低电平），存储寄存器的数据输出到总线。 8 位串行输入/输出或者并行 输出移位寄存器，具有高阻关断状态。 它的管脚分布和各管脚功能如图 2-9 所示。 图 3-5
32、管脚分布和管脚功能 图 3-6 74HC595 工作时序 3.4.2 数码管介绍数码管介绍 数码管按发光二极管单元连接方式分为共阳极数码管和共阴极数码管。 共阳数码管是指将所有发光二极管的阳极接到一起形成公共阳极(COM)的 数码管。共阳数码管在应用时应将公共极COM 接到+5V，当某一字段发光 二极管的阴极为低电平时，相应字段就点亮。当某一字段的阴极为高电平时， 相应字段就不亮。共阴数码管是指将所有发光二极管的阴极接到一起形成公 共阴极(COM)的数码管。共阴数码管在应用时应将公共极COM 接到地线 GND 上，当某一字段发光二极管的阳极为高电平时，相应字段就点亮。当某 一字段的阳极为低电平
33、时，相应字段就不亮。 原理如图 2-10 所示。 南京大学毕业设计论文 图 3-7 数码管 ab cde g GND f dp GND a b c e f g d dp a b c d e f g dp dp g f e d c b a 5V （a）（b） 共阴极共阳极 第四章 电路的硬件设计 15 第四章第四章 电路的硬件设计电路的硬件设计 4.1 设计的方框图设计的方框图 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
34、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 2.1 所示： 图 4.1 转速测量系统原理框图 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 2.2 所示。 频率测量模块 显示模块 初始化模块 浮点数算术运算模块 浮点数到BCD码转换模块 图 4.2 系统软件框图 信号处
35、理 RAM 串口 霍尔传感器 键盘 电机 LED显示 单片机 南京大学毕业设计论文 4.2 程序流程图程序流程图 开 程 序 流 程 图 始 初 始 化 计算程序 BCD 码转换 非压缩 BCD 转换 显 示 程 序 返 回 第四章 电路的硬件设计 17 4.2 单元电路的设计单元电路的设计 图 4.3硬件电路 4.2.1 单片机主控电路设计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、4K8 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
36、口 P0、P2 用于把测量结 果送到显示电路。4K8 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(8K8 位)或 89C55(32K8 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；
37、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； STC89C51 系列单片机中 HMOS 工艺制造的芯片采用双列直插(DIP)方式封 装,有 40 个引脚。STC89C51 单片机 40 条引脚说明如下: 南京大学毕业设计论文 (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 CCSS 地端。 （2）I/O 总线。P- P（P0
38、 口），P- P（P1 口），P- 0 . 07 . 00 . 17 . 10 . 2 P（P2 口），P- P（P3 口）为输入/输出引线。 7 . 20 . 37 . 3 （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 3.1 所示。 STC89C51 单片机的片外总线结构： 地址总线（AB）：地址总线宽为 16 位，
39、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）。 数据总线（DB）：数据总线宽度为 8 位，由 P0 提供。 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。 4.2.2 脉冲产生电路设计脉冲产生电路设计 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
40、 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(330V) 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 第四章 电路的硬件设计 19 3 2 6 74 LM324 3 2 6 74 LM324 3 2 6 74 LM358 R1 1K R2 1K R3 10K R4 1K R6 10K R5 10K Rf 10K +15V +15V -15V -15V-15V +
41、15V U0 +15V Port 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 3.2 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 4.4 信号预处理电路 4.2.3
42、 按键电路设计按键电路设计 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 南京大学毕业设计论文 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
43、4.5 所示。 4.2.4 数码管结构和显示原理数码管结构和显示原理 图 4.6 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 3.2 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 4.1 驱动 LED 数码管的段代码 dpecgbfa 十六进制 数字 P
44、0.7P0.6P0.5P0.4P0.3P0.2 P0.1P0.0 共阴共阳 010110111B748 10001010014EB 210101101AD52 3100111019D62 4000111101EE1 5100110119B64 610111011BB44 70001010115EA 810111111BF40 9100111119F60 第四章 电路的硬件设计 21 图 4.6 数码管 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。 4.3 电路的整机原理图的设计（分析工作原理）电路的整
45、机原理图的设计（分析工作原理） 霍尔器件是由半导体材料制成的一种薄片，器件的长、宽、高分别为 l、。若在垂直于薄片平面（沿厚度 ）方向施加外磁场，在沿方向 的两个端面加一外电场，则有一定的电流流过。由于电子在磁场中运动，所以 将受到一个洛仑磁力，其大小为： qVBf 式中：f洛仑磁力， 载流子电荷， 载流子运动速度， 磁感 应强度。 这样使电子的运动轨迹发生偏移，在霍尔元器件薄片的两个侧面分别产生 电子积聚或电荷过剩，形成霍尔电场，霍尔元器件两个侧面间的电位差称为 H U 霍尔电压。 霍尔电压大小为： (mV) H U H R dBI/ 式中：霍尔常数， 元件厚度， 磁感应强度， 控制电 H
46、R 流 设 , 则=(mV) H K H R d/ H U H K dBI/ 为霍尔器件的灵敏系数(mV/mA/T)，它表示该霍尔元件在单位磁感 H K 应强度和单位控制电流下输出霍尔电动势的大小。应注意，当电磁感应强度 反向时，霍尔电动势也反向。图 2.3 为霍耳元件的原理结构图。 若控制电流保持不变，则霍尔感应电压将随外界磁场强度而变化，根据这 一原理，可以将两块永久磁钢固定在电动机转轴上转盘的边沿，转盘随被测轴 旋转，磁钢也将跟着同步旋转，在转盘附近安装一个霍尔元件，转盘随轴旋转 时，霍尔元件受到磁钢所产生的磁场影响，输出脉冲信号。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
47、冲信号，测量频率范围更宽，输出 信号更精确稳定，已在工业，汽车，航空等测速领域中得到广泛的应用。其频 南京大学毕业设计论文 率和转速成正比，测出脉冲的周期或频率即可计算出转速 图 4.7转速测量系统安装图 图 4.8信号处理模块原理图 第五章 软件设计 23 第五章第五章 软件设计软件设计 5.1 单片机转速程序设计思路及过程单片机转速程序设计思路及过程 单片机测量转速可以分为若干模块，然后在主程序中调用各个模块。 5.1.1 单片机程序设计思路单片机程序设计思路 计算转速公式： n=60/NTc (r/min) 其中，N 是内部定时器的计数值，为三字节，分别由 TH0，TL0，VTT 构 成
48、； Tc 为时基，由于采用 11.0592M 的晶振，所以 Tc 不在是 1um，而是 12M/11.0592M 约为 1.08um，带入上面公式，即可得到转速的精确计算公式： N=60*11059200/12N=55296000/N 再将 55296000 化为二进制存入单片机的内存单元。 下面我们将介绍除数是如何获得的： 单片机的转速测量完成，定时器 T0 作为内部定时器，外部中断来的时候读 取 TH0，TL0，并同时清零 TH0、TL0，使定时器再次循环计内部脉冲。此外， 对于低速情况下，我们还要设定一个软件计数器 VTT，当外部中断还没来而内 部定时器已经溢出，产生定时器 0 中断时，增加 VTT，作为三字节中的高字节。 三字节组成除数，上面的常数为四字节，所以计算程序实际上就是调用一个四 字节除三字节商为两字节（最高转速 36000r/min 足够）的程序。 为数码管能够显示出来，需将二进制转换为十进制，在将十进制转换为非 压缩 BCD 码后，才能调用查表程序，最后送显示。 5.1.2 单片机转速计算程序单片机转速计算程序 由于本次设计的系统要实现的功能是将霍尔传感器的信号送到单片机的外 部中断口，再对周期方波进行内部计数，调用计算程序把转速测出来。可以说 是核心部分，流程图如图所示： 开 始 被除数初始化 读取定时值 调用除法程序 返 回