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1、I 毕业设计报告毕业设计报告 设计题目：设计题目： 基于霍尔传感器的非接触式转速测量基于霍尔传感器的非接触式转速测量 设计作者： 专业班级/学号： 汽车电子技术 合作者 1： 专业班级/学号： 合作者 2： 专业班级/学号： 指导教师： 郑老师 设计时间： 2011-4-21 I 基于霍尔传感器的基于霍尔传感器的 电机转速测量系统设计电机转速测量系统设计 软件设计软件设计 摘摘要要 电动机作为机械化、电气化和自动化的原动机，广泛应用于国民经济建设、国防建 设、科学技术研究和人民物质文明生活的各个领域。电机是生产过程中应用十分广泛的 装置，对其转速进行准确测量就显得十分必要。 本文介绍了霍尔传感
2、器测速的原理，设计了基于单片机 STC12C5A60S2 的直流电机转 速测量系统。完成了电机转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幅度为 5V 的脉冲。控制定时器计数时间，即可实 现对电机转速的测量。在显示电路设计中，通过 OCM12864-3 实现在 LCD 上直观地显示电 机的转速值、传感器的功耗。并对电机转速测量系统的硬件电路、显示电路进行了调试。 与硬件配合，实现了显示、警告功能。仿真实验表明所设计的硬件电路及软件程序是正 确的，满足设计要求。 关键词：电
3、机转速测量；霍尔传感器；单片机；STC12C5A60S2；OCM12864-3 II 目目 录录 1 1 绪绪 论论1 1 1.11.1 设计任务设计任务1 1 1.1.11.1.1 题目来题目来源源1 1 1.1.21.1.2 设计设计内内容容1 1 1.1.31.1.3 相关背景相关背景2 2 1.21.2 方案分析论证方案分析论证2 2 1.2.11.2.1 霍尔测速模块霍尔测速模块论论证与选择证与选择2 2 1.2.21.2.2 单片机模块论证与选择单片机模块论证与选择2 2 1.2.31.2.3 显示模块论证与选择显示模块论证与选择3 3 2 2 基于霍尔传感器的电基于霍尔传感器的电
4、机转速测量系统硬件设计机转速测量系统硬件设计 3 3 2.12.1 电机转速测量系统的硬件电路设计电机转速测量系统的硬件电路设计3 3 2.1.12.1.1 总体硬件设计总体硬件设计3 3 2.1.22.1.2 系统电路设计系统电路设计5 5 2.22.2 霍尔传感器测量电路霍尔传感器测量电路设设计计6 6 2.2.12.2.1 霍尔元件霍尔元件6 6 2.2.22.2.2 霍尔传感器测量原理霍尔传感器测量原理7 7 2.2.32.2.3 转速测量方法转速测量方法8 8 2.32.3 单片机单片机 STC1STC12 2C C5A60S25A60S2 8 8 2.3.12.3.1 STSTC1
5、2C5A60S2C12C5A60S2 芯片芯片 9 9 2.3.22.3.2 定时定时器器9 9 2.3.32.3.3 外部中断外部中断1010 2.2.2.2.4 4 ADAD 转换转换 1111 2.42.4 显示电路设显示电路设计计1212 2.4.12.4.1 OCM12864OCM12864 简简介介 1212 2.4.22.4.2 OCM12864-3OCM12864-3 的基本参数及引脚功能的基本参数及引脚功能 1313 2.4.32.4.3 显示模式显示模式1515 2.52.5 系统软件设计系统软件设计1616 III 2.5.12.5.1 设计思想设计思想1616 2.5.
6、22.5.2 总体总体软软件流件流程程1616 3 3 系统仿系统仿真真和调试和调试1919 3.13.1 ProteusProteus 软件软件 1919 3.1.13.1.1 ProteusProteus 简介简介 1919 3.1.23.1.2 用用 ProteusProteus 绘制原理图步骤绘制原理图步骤1919 3.23.2 硬件调试硬件调试2020 3.2.13.2.1 硬件静态调试硬件静态调试2020 3.2.23.2.2 虚拟仿真调试虚拟仿真调试2121 3 3.3.3 软件调试软件调试2222 3.43.4 软硬件软硬件联联调调2222 4 4 结结 论论 2424 参考文
7、献参考文献 2525 致致 谢谢 2525 附录附录一一 主要器件列表主要器件列表 2 27 7 附录附录二二 硬件实物硬件实物图图 2828 附录附录三三 程序原程序原代代码码 3 32 2 1 1 1 绪绪 论论 1.11.1 设计任务设计任务 1.1.1 题目来源 在工程实践中，经常会遇到各种需要测量转速的场合，例如在发电机、电动机、卷 扬机、机床主轴等旋转设备的试验、运转和控制中，常需要分时或者连续测量和显示其 转速及瞬时转速。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。转速测量方法分为模拟式和数字式两种，模拟式采用测速发电机为检测元件，得 到的信号是电压量，而
8、数字式通常采用光电编码器、圆光栅、霍尔元件等为检测元件， 得到的信号是脉冲信号。随着微型计算机的广泛应用，特别是高性能价格比的单片机的 涌现，转速测量普遍采用了以单片机为核心的数字法，智能化微电脑式代替了一般的机 械式或模拟量结构。 根据学校毕业设计的要求，设计一个功能满足设计要求、工作稳定、以单片机为核 心的基于霍尔传感器的电机转速测量系统。本设计要求做一个单片机最小系统，并使用 合适的霍尔传感器，使之具备测转速的功能，能够实现在电机工作时转速的测量，同时 选用合适的显示器件，使系统具备实时显示功能，并在电机停止或超出测量范围时发出 警告信号。根据题目的要求，设计了以下方案并对各方案进行了论
9、证与分析。本设计包 括完整的硬件设计和相应的软件设计。 1.1.21.1.2 设计内容设计内容 1.选定传感器。霍尔传感器具有灵敏、可靠、体积小巧、无触点、无磨损、使用寿 命长、功耗低等优点，综合了电机转速测量系统的要求。 2.设计一个单片机最小系统，掌握单片机接口电路的设计技巧，学会利用单片机的 定时器和中断系统对脉冲信号进行测量或计数。 3.实时测量显示，实时测量根据脉冲计数来实现转速测量的方法。要求霍尔传感器 转速为 60 8000r/min。 2 1.1.31.1.3 相关背景相关背景 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
10、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；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，决定采用自制转盘（转盘直径为 50mm，半边
11、覆铜）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。 1.21.2 方案分析论证方案分析论证 1.2.11.2.1 霍尔测速模块论证与选择霍尔测速模块论证与选择 方案一：采用型号为 A3144 的霍尔片作为霍尔
12、测速模块的核心，该霍尔片体积小， 安装灵活，价格合理，可用于测速，可与普通的磁钢片配合工作。 方案二：采用型号为 CHV-20L 的霍尔元器件作为霍尔测速模块的核心,该霍尔器件 额定电流为 100mA,输出电压为 5V,电源为 1215V。体积较大，价格昂贵，功耗大。 因此选择方案一。 3 1.2.21.2.2 单片机模块论证与选择单片机模块论证与选择 方案一：采用型号为 AT89S51 的单片机作为主控制器，使用霍尔传感器进行测量 的直流电机转速测量系统。AT89S51 是带 8K 字节闪烁可编程擦除只读存储器的低电压、 高性能 CMOS8 位微处理器。它将多功能 8 位 CPU 和闪烁存储
13、器组合在单个芯片中，为 许多控制提供了灵活性高且价格低廉的方案。 方案二：采用单片机 STC12C5A60S2 作为主控制器，使用霍尔传感器进行测量的 直流电机转速测量系统。STC12C5A60S2 系列单片机是宏晶科技生产的单时钟/机器周 期(1T)的单片机。ST C12C5A60S2 作为新一代 8051 单片机，具有功能强大、体积小、 工作稳定、集成 AD、PWM 等特点，适用于复杂控制系统。 由于本设计要求测量传感器功耗，需要用 AD 功能，方案一中的 AT89S51 不具有集 成 AD，如果使用外部 AD 芯片，增加了成本因此选择方案二。 1.2.31.2.3 显示模块论证与选择显示
14、模块论证与选择 方案一：采用 LED 数码管动态扫描,LED 数码管价格适中,亮度高，显示数字合适,但 是连接复杂，耗电流大，驱动电路复杂。 方案二：采用点阵式数码管显示，点阵式数码管是由八行八列的发光二极管组成，对 于显示简单文字比较适合,如果显示数字则浪费资源,而且价格也相对较高。 方案三：采用 LCD 液晶显示屏,液晶显示屏的显示功能强大,可显示大量文字,图形,显 示多样,清晰可见,并且连接很方便 ,所以在此设计中采用了 LCD 液晶显示屏。 因此选择方案三。 2 2 基于霍尔传感器的电机转速测量系统硬件设计基于霍尔传感器的电机转速测量系统硬件设计 2.12.1 电机转速测量系统的硬件电
15、路设计电机转速测量系统的硬件电路设计 2.1.12.1.1 总体硬件设计总体硬件设计 使用单片机测量电机转速的基本结构如图 2-1 所示。 4 电机霍尔传感 器 单片机 STC12C 5A60S2 128644 4444 电源 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电机机轴同轴连接，机轴每转一周，产生一 定量的脉冲个数，由霍尔器件电路输出。经过主 CPU 将该值数据处理后，在 LCD 液晶显 示器上把转速显示出来。一旦电机停止或超速 CPU 通过 LCD 液晶显示器显示警告信号信 号。用户也可以选择另一功能，即通过曲线表示电机转速的变化规律，此时如果电机停 止或超速也会
16、显示警告信号，但没有显示传感器功耗。当用户不需要测量电机时可以选 择关闭测量系统当日历使用，日历可准确计算公历从公元 000 至公元 9999 年，并显示于 LCD 液晶显示器上。 1.传感器部分 主要分为两个部分。第一部分是利用霍尔器件将电机的转速转化为脉冲信号。霍尔 测速模块由永久磁铁和带有霍尔元件的支架构成。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，当测速齿轮的转盘上覆铜部分经过探头正前方时， 改变了磁通密度，霍尔元件就输出一个脉冲信号。 5 图 2-2 霍尔元件 2.处理器 采用 STC12C5A60S2 单片机作为系统的处理器。 3.显示部分 在正常情
17、况下，通过 LCD 液晶显示器显示当前的转速及传感器功率或变化规律曲线， 当电机的转速超出一定的范围后，LCD 液晶显示器显示错误。用户关闭测量系统时该部分 用于日历显示。 2.1.22.1.2 系统电路设计系统电路设计 实际测量时，要把霍尔传感器固定在直流测速电机的底板上，与霍尔探头相对的电 机的轴上固定着一片磁钢块，电机每转一周，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 和 P3.3 上，设定0 定时，每次两个脉冲间 隔时间为 t，设每分钟转 X 转，则 X =（1 分钟）/t 由于在虚拟仿真电路图中，没有电机及传感器，所以采用两个具有时差的脉冲信号
18、 代替，电路图如图 2-3 所示。 6 图 2-3 总体硬件电路图（STC12C5A60S2 无仿真库，故用 AT89C51 代替） 2.22.2 霍尔传感器测量电路设计霍尔传感器测量电路设计 2.2.12.2.1 霍尔元件霍尔元件 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-40150。它由电压调整电路、反相电
19、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”。 7 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。可应用于汽车工业和军事工程中。 霍尔传感器的外形图和与磁
20、场的作用关系如图 2-4 所示。磁场由磁钢提供，所以霍 尔传感器和磁钢需要配对使用。 霍尔元件和磁钢 管脚图 图 2-4 霍尔传感器的外形图 该霍尔传感器的接线图如图 2-5 所示。 图 2-5 霍尔传感器的接线图 2.2.22.2.2 霍尔传感器测量原理霍尔传感器测量原理 测量电机转速的第一步就是要将电机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，其基本的测量 原理如图 2-6 所示，当电机转动时，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
21、输出到计数器或其他的脉冲计数装置，进行转速的测量。 8 图 2-6 霍尔器件测速原理 2.2.32.2.3 转速测量方法转速测量方法 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 T 法(测周期法)。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传感器支架一段（参考图 2-2），转盘随侧轴旋转.转盘随轴旋转时， 覆铜半边进入传感器支架中间时磁场密度发生改变，受磁钢所产生的磁场的影响，霍尔 器件输出脉冲信号，其周期和转速成反比。脉冲信号的
22、周期与电机的转速有以下关系： n= (2-1) PT 60 式中：n 为电机转速；P 为电机转一圈的脉冲数；T 为输出方波信号周期。根据式(2-1)即 可计算出直流电机的转速。 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。 2.32.3 单片机单片机 STC12C5A60S2STC12C5A60S2 单片机(Single-Chip-Mi
23、crocomputer)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。 9 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，才可以构成实用的单片机应用系统11。 2.3.12.3.1 STC12C5A60S2STC12C5A60S2 芯片芯片 STC12C5A60S2 是一种带 6
24、0K 字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROMFalsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压，高性能 CMOS8 位微处理器， 俗称单片机。其引脚图如图 2-11 所示。 图 2-11 STC12C5A60S2 引脚图 2.3.22.3.2 定时器定时器 STC12C5A60S2 单片机内部有两个 16 位可编程定时器/计数器，记为 T0 和 T1。它的工 作方式可以通过指令对相应的特殊功能寄存器编程来设定，或作定时器用，或作外部事 10 件计时器用。定时器/计数器在硬件上由双字节加法计数器 TH 和 TL 组成。作定时器使用 时
25、，计数脉冲由单片机内部振荡器提供，计数频率为 f/12,每个机器周期加 1。 OSC STC12C5A60S2 单片机定时器/计数器的工作方式由特殊功能寄存器 TMOD 编程决定， 定时器/计数器的启动运行由特殊功能寄存器 TCON 编程控制。不论用作定时器还是计数 器，每当产生溢出时，都会向 CPU 发出中断请求。单片机的定时器的工作原理是利用了 寄存器的溢出来触发中断的,所以在写定时器的时候就要去算计数的增量,再根据单片机 的晶振的频率就可以算出确定的时间了。定时器主要用到了 2 个寄存器,一个为 TCON,另 一个为 TMOD。TCON 是用来控制定时器的启动与停止的。TMOD 是用来设
26、置定时器的 模式的。 STC12C5A60S2 单片机的定时器/计数器是可编程的，在进行定时或计数操作之前要进 行初始化编程。通常 8051 单片机定时器/计数器的初始化编程包括如下几个步骤:1.确定 工作方式，即给方式控制寄存器 TMOD 写入控制字。2.计算定时器/计数器初值,并将初 值写入 TH 和 TL。3.根据需要对中断控制寄存器 IE 置初值，决定是否开放定时器中断。4.使 运行控制寄存器 TCON 中的 TR0 或 TR1 置“1”，启动定时器/计数器。 在初始化过程中，要设置定时或计数的初始值，这时需要进行一点运算。由于计数器 是加法计数，并在溢出时产生中断，因此初始值不能是所
27、需要的计数模值，而是要从最 大计数值减去计数模值所得才是应当设置的计数初始值。假设计数器的最大计数值为 M（根据不同工作方式，M 可以是 2、2或 2 ） ，则计算初值 X 的公式如下： 13168 计数方式：X=M-要求的计数值 （2-2） 定时方式：X=M- （2-3） OSC f/12 要求的计数值 2.3.32.3.3 外部中断外部中断 外部中断：对某个中央处理机而言，它的外部非通道式装置所引起的中断称为外部中 断。 STC12C5A60S2 单片机的外部中断有两种触发方式可选：电平触发和边沿触发。选择 电平触发时，单片机在每个机器周期检查中断源口线，检测到低电平，即置位中断请求 11
28、 标志，向 CPU 请求中断。选择边沿触发方式时，单片机在上一个机器周期检测到中断源 口线为高电平，下一个机器周期检测到低电平，即置位中断标志，请求中断。 应用时需要特别注意的几点： 1电平触发方式时，中断标志寄存器不锁存中断请求信号。要使电平触发的中断被 CPU 响应并执行，必须保证外部中断源口线的低电平维持到中断被执行为止。因此当 CPU 正在执行同级中断或更高级中断期间，产生的外部中断源（产生低电平）如果在该中断 执行完毕之前撤销（变为高电平）了，那么将得不到响应，就如同没发生一样。同样， 当 CPU 在执行不可被中断的指令（如 RETI）时，产生的电平触发中断如果时间太短，也 得不到执
29、行。 2边沿触发方式时，中断标志寄存器锁存了中断请求。中断口线上一个从高到低的 跳变将记录在标志寄存器中，直到 CPU 响应并转向该中断服务程序时，由硬件自动清除。 因此当 CPU 正在执行同级中断（甚至是外部中断本身）或高级中断时，产生的外部中断 （负跳变）同样将被记录在中断标志寄存器中。在该中断退出后，将被响应执行。如果 不希望这样，必须在中断退出之前，手工清除外部中断标志。 3中断标志可以手工清除。一个中断如果在没有得到响应之前就已经被手工清除， 则该中断将被 CPU 忽略。就如同没有发生一样。 2.3.42.3.4 ADAD 转换转换 STC12C5A60AD/S2 系列带 A/D 转
30、换的单片机的 A/D 转换口在 P1 口(P1.7-P1.0)，有 8 路 10 位高速 A/D 转换器,速度可达到速度可250KHz(25 万次/秒)。8 路电压输入型 A/D，可做温度检测、电池电压检测、按键扫描、频谱检测等。上电复位后 P1 口为弱上 拉型 I/O 口，用户可以通过软件设置将 8 路中的任何一路设置为 A/D 转换，不需作为 A/D 使用的口可继续作为 I/O 口使用。 STC12C5A60S2系列单片机ADC(A/D转换器)的结构如下图所示。 12 2.42.4 显示电路设计显示电路设计 2.4.12.4.1 OCM12864OCM12864 简介简介 1OCM1286
31、4 液晶显示模块是 12864 点阵型液晶显示模块，可显示各种字符及图 形，可与 CPU 直接接口，具有 8 位标准数据总线、6 条控制线及电源线。采用 KS0108 控制 IC。 OCM12864 液晶显示器实物如图 2-12 所示。 图 2-12 1602 实物图 13 2.4.22.4.2 OCM12864-3OCM12864-3 的基本参数及引脚功能的基本参数及引脚功能 1. OCM12864-3 外形尺寸图 图2-13 OCM12864-3 外形尺寸图 2.最大工作范围 逻辑工作电压(Vcc)：4.55.5V（12864-3、12864-5可使用3V 供电） 电源地（GND）：0V
32、工作温度(Ta)：055(常温) / -2070（宽温） 保存温度(Tstg)：-3080 3. OCM12864-3引脚 各引脚接口说明如表2-1。 表2-1 引脚接口说明表 管脚 号 管脚名称电平管脚功能描述 1VSS0V 电源地 2VCC3.0+5V电源正 3V0- 对比度（亮度）调整 4 RS(CS）H/L RS=“H”,表示 DB7DB0 为显示数据 RS=“L”,表示 DB7DB0 为显示指令数据 14 5R/W(SID)H/L R/W=“H”,E=“H”,数据被读到 DB7DB0 R/W=“L”,E=“HL”, DB7DB0 的数据被写到 IR 或 DR 6E(SCLK) H/L
33、 使能信号 7DB0H/L 三态数据线 8DB1H/L 三态数据线 9DB2H/L 三态数据线 10DB3H/L 三态数据线 11DB4H/L 三态数据线 12DB5H/L 三态数据线 13DB6H/L 三态数据线 14DB7H/L 三态数据线 15PSBH/L H：8 位或 4 位并口方式，L：串口方式 16NC- 空脚 17/RESETH/L 复位端，低电平有效 18VOUT- LCD 动负电压（-10V）输出驱对地接一个 10k 电位 器 19AVDD 背光源正端（+5V） 20KVSS 背光源负端 4.其与单片机的连接如图2-14所示。 15 图 2-14 1602 与单片机接线图 2
34、.4.32.4.3 显示模式显示模式 OCM12864-3 是常见的 12864 点阵型液晶显示模块, 可显示各种字符及图形,2-15 所示。 图 2-15 LCD 显示图 STC12C5A60S2 16 2.52.5 系统软件设计系统软件设计 2.5.12.5.1 设计思想设计思想 本系统采用 STC12C5A60S2 中的中断对转速脉冲处理。定时器 T0 工作于定时方0INT 式 1。每到一个中断计算一次周期，此值的倒数即为脉冲信号的频率，代表的即是0INT 电机的转速。 2.5.22.5.2 总体软件流程总体软件流程 进行初始化设置各定时器初值。启动系统后，霍尔传感器检测脉冲到来后，启动
35、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，每到一个 中断计算一次转速及功率。连续采样三次，取平均值记为一次转速值。再进行数值0INT 的判断，若数值超出 60-8000r/min 则显示出错，否则就进行正常速度液晶显示。如果下 次测量值没有溢出，则恢复正常显示。 如图 2-16 所示。 17 开始 结果是否溢出 是否却换显示 是否需要计算 当前显示模式清 屏 文字模板 初始化 计算转速、功率 当前显示模式更新显示数据 转速求均值 是否更新波形 更新波形 是否开关测速 是否计算 T 计算时间 是否设置时间 设置时间 是否更新显示更新显示 图 2-16 主流程图
36、18 3 3 系统仿真和调试系统仿真和调试 3.13.1 ProteusProteus 软件软件 3.1.13.1.1 ProteusProteus 简介简介 Proteus 是基于 SPICE3F5仿真引擎的混合电路仿真软件，不仅能够仿真模拟、数字电 路以及模数混合电路，更具特色的是它能够仿真基于单片机的电子系统。Proteus 不但完 全支持 MCS-51及其派生系列单片机的设计系统，另外也能仿真基于 AVR 和 PIC 系列的单 片机系统。Proteus 的仿真资源 Proteus 软件可提供的模拟、数字、交(直)流等元器件达30 多个元件库，共计数千种。此外，对于元件库中没有的器件，使
37、用者也可依照需要自己 创建。软件调试方面，其自身只带汇编编译器，不支持 C 语言。但可以将它与 KeilC51集 成开发环境连接，将用汇编和 C 语言编写的程序编译好之后，可以立即进行软、硬件结 合的系统仿真，像使用仿真器一样来调试程序15。 当然，软件仿真精度有限，而且不可能所有的器件都找得到相应的仿真模型，用开 发板和仿真器当然是最好选择，可是对于单片机爱好者，或者简单的开发应该是比较好 的选择。Proteus 与其它单片机仿真软件不同的是，它不仅能仿真单片机 CPU 的工作情况， 也能仿真单片机外围电路或没有单片机参与的其它电路的工作情况。因此在仿真和程序 调试时，关心的不再是某些语句执
38、行时单片机寄存器和存储器内容的改变，而是从工程 的角度直接看程序运行和电路工作的过程和结果。对于这样的仿真实验，从某种意义上 讲，是弥补了实验和工程应用间脱节的矛盾和现象。 3.1.23.1.2 用用 ProteusProteus 绘制原理图步骤绘制原理图步骤 原理图是在原理图编辑窗口中的蓝色方框内绘制完成的，通过文件中的“新建设计” 选项，可以调整原理图设计页面大小。绘制原理图时首先应根据需要选取元器件， Proteus 库中提供了大量元器件原理图符号，利用 Proteus 的搜索功能能很方便地查找需 要的元器件。 首先根据需要选择器件。单击元器件列表窗口上边的按钮“P” ，弹出如图 3-1
39、 所示 元器件选择窗口。在该窗口左上方的“关键字”栏内键入“AT89C51” （ Proteus 中无 19 STC12C5A60S2 仿真库故用 AT89S51 代替）,窗口中间的“结果”栏将显示出元器件库中所 有 AT89C51 单片机芯片，选择其中的“AT89C51” ，窗口右上方将显示出 AT89C51 图形 符号，同时显示该器件的虚拟仿真模型，单击“确定”按钮后，AT89C51 将出现在器件 列表窗口。照此方法选择所有需要的元器件。 图 3-1 器件选择窗口 器件选择完毕后，就可以开始绘制原理图了。先用鼠标从器件选择窗口选中需要的 器件，预览窗口将出现该器件的图标。再将鼠标指向编辑窗
40、口并单击左键，将选中的器 件放置到原理图中。 放置电源和地线端时，要从“终端”按钮栏中选取。 在两个元器件之间进行连线的方式很简单，先将鼠标指向第一个器件的连接点并单 击左键，再将鼠标移到另一个器件的连接点并单击左键，这两个点就连接到一起了。对 于相隔较远，直接连线不方便的器件，可以用标号的方式进行连接。 连接后的部分硬件电路如图 3-2 所示。 20 图 3-2 硬件电路图（STC12C5A60S2 无仿真库，故用 AT89C51 代替） 3.23.2 硬件调试硬件调试 按电路图买好元件后首先检查买回元件的好坏，按各元件的检测方法分别进行检测， 一定要仔细认真。按电路图的位置将各元件安置好，
41、首先放置核心元件，然后再放其他 元件，特别注意顺序不能颠倒。在保证电路元器件完好及各元器件放置无误合理的情况 下，开始对电路连接布线，由于本设计用面包板搭件，所以布线要无跨线并且工整。当 硬件设计从布线到焊接安装完成之后，就开始进入硬件调试阶段。 3.2.13.2.1 硬件静态调试硬件静态调试 1排除逻辑故障 显示器部分调试为了使调试顺利进行,首先将 STC12C5A60S2 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 21 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 STC12C5A60S2 电
42、路工作是否正常。对 STC12C5A60S2 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 STC12C5A60S2 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排除元器件失效 造成这类错误的
43、原因有两个：一个是元器件买来时就已坏了另一个是由于安装错误, 造成器件烧坏。可以采取检查元器件与设计要求的型号、规格和安装是否一致。在保证 安装无误后,用替换方法排除错误。 3排除电源故障 在通电前,一定要检查电源电压的幅值和极性,否则很容易造成集成块损坏。加电后 检查各插件上引脚的电位,一般先检查 VCC 与 GND 之间电位,若在 5V48V 之间属正 常。若有高压,联机仿真器调试时,将会损坏仿真器等,有时会使应用系统中的集成块发热 损坏。 3.2.23.2.2 虚拟仿真调试虚拟仿真调试 原理图绘制完成之后，给单片机添加应用程序，就可以进行虚拟仿真调试。先用鼠 标右键选中 STC12C5A
44、60S2 单片机，再单击左键，弹出如图 3-3 所示器件编辑窗口。 22 图 3-3 器件编辑窗口 在器件编辑窗口中“Program File”栏单击文件夹浏览按钮，找到需要仿真的 Hex 文件， 单击“确定”按钮完成添加文件，在“Clock Frequency”文本框中把频率改为 12MHz，单 击“确定”按钮退出。这时单击仿真工具栏中全速运行按钮即可开始进行虚拟仿真 17。 3 3.3.3 软件调试软件调试 软件调试是通过对用户程序的汇编、连接、执行来发现程序中存在的语法错误与逻 辑错误并加以排除纠正的过程。程序运行后编辑，查看程序是否有逻辑的错误。本系统 的软件程序完全由 C51 编写。
45、在调试过程中采取的是自上至下的调试方法，单独调试好 每一个模块，然后再连接成一个完整的系统调试。 3.43.4 软硬件联调软硬件联调 使用 Keil、Proteus 软件进行单步调试仿真模拟，直到满足技术指标后，将程序烧到 STC12C5A60S2 片中进行软硬件联调。调试的过程及步骤如下： 1.检测 5v 电源是否正常，并且是否加到单片机的电源引脚端。 23 2.检测单片机的晶振电路是否正常工作，用万用表检测 STC12C5A60S2 片的 18、19 脚的 电压分别为 3v、1.5v 左右。 3.检测复位信号输入端 RST,高电平有效。在单片机正常工作时，此脚应为 0.5V 低电平。 4.
46、测试外部脉冲计数电路 通过给 CPU 施加固定脉冲，测试外部计数软件的正确与否。0INT 5.测试定时器中断系统 6.检测液晶显示模式 通过软件编程，给 LCD 输出指定数字，如“2501”，观察 LCD 上显示的也是 “2501”，表明显示电路正确。 24 4 4 结结 论论 经过一段时间的辛勤努力，学习了霍尔传感器测速原理及相关器件的性能特点与用 法等知识，查阅了关于单片机的各方面的资料，实现了“基于霍尔传感器的电机转速测 量系统设计”的基本要求。所设计的系统具有以下功能： 1.设计采用 STC12C5A60S2 单片机作为测量转速的主 CPU 芯片，系统硬件设备结构 简单合理，成本低，实
47、时性好。 2.测速系统采用霍尔传感器作为敏感速率信号，具有频率响应快，抗干扰能力强等特 点。霍尔传感器的输出信号经信号调理后，通过单片机对连续脉冲计数来实现转速测量， 充分利用了单片机的内部资源，有很高的性价比。 3.采用 OCM12864-3 显示测速值，直观、稳定，易于实现，该显示方式可以推广到其 他工程应用领域。 4.采用 Proteus 进行了软仿真，绘制出电机转速测量系统的硬件电路，调试结果表明 所设计的硬件电路正确。 5.测速系统的功能还有待进一步扩充，如判别转速方向的能力，电路布局和抗干扰方 面还有很大的提升空间。 25 参考文献 1于炳亮.电机转速测量方法研究J.山东科学.20
48、05(05).7478 2成辉传感器的理论与设计基础及其应用M北京：国防工业出版社.1999.3032 3来清民.传感器与单片机接口及实例M.北京航空航天大学出版社.2008.264266 4牛洁，周静，苟娜.基于霍尔传感器的直流电机转速测量系统设计J.电子测试.2008（05） 5姜文华.电动机测试系统及霍尔效应传感器在测试中的应用C.2003 6陈兴文，刘燕.单片机应用系统硬件调试技巧J.中国测控网.2006 7徐爱钧.单片机原理实用教程基于 Proteus 虚拟仿真M.北京：电子工业出版社.2009.1921 8金鹏电子有限公司，com12864 中文手册 9宏晶 STC 单片机官方网，
49、，STC12C5A60S2 中文手册 10基于霍尔传感器的电机转速测量系统设计 26 致 谢 时光匆匆如流水，转眼便是大学毕业时节，春梦秋云，聚散真容易。毕业论文的完 成也随之进入了尾声。当我在电脑上敲出了最后一个字，心中涌现的不是想象已久的欢 欣，却是难以言喻的失落。是的，随着论文的终结，意味着我生命中最纯美的学生时代 即将结束，尽管百般不舍，这一天终究会在熙熙攘攘的喧嚣中决绝的来临。 最后，我要向在百忙之中抽时间对本文进行审阅、评议和参加本人论文答辩的各位 师长表示感谢！ 27 附录一 主要器件列表 名称名称型号型号数量（个）数量（个） 单片机STC12C5A60S21 液晶OCM12864-31 霍尔