单片机速测量系统的设计

关键词：单片机；速度测量；霍尔传感器；LED

目录

1总体设计 (1)

1.1系统设计方案论证 (1)

1.2本系统设计的主要内容 (1)

2单片机速度测量系统 (2)

2.1单片机速度测量原理 (2)

2.2单片机速度测量系统结构框图 (2)

3系统硬件设计 (2)

3.1传感器概述 (2)

3.1.1霍尔传感器的基本工作原理 (3)

3.1.2 CS3020霍尔传感器 (4)

3.1.3霍尔传感器的硬件连接 (6)

3.2 MCU控制系统的设计 (6)

3.2.1 CPU的选用 (6)

3.2.2 AT89S51主要特性和引脚说明 (7)

3.2.3 单片机最小系统 (9)

3.3 LED数码管显示器 (10)

3.4单片机测速系统总原理图 (11)

4系统软件设计 (12)

4.1程序流程图 (12)

4.2 程序功能 (13)

4.3 程序调试 (14)

参考文献 (15)

附录 (15)

1总体设计

1.1系统设计方案论证

现在测量速度的方法有很多，可以采用不同的器件做出多种测速器。在这里讨论了两种方案。

方案一：光电式脉冲发生器。

主要由光源、光敏器件和遮光盘组成。水轮旋转带动遮光盘旋转，当遮光盘没有遮住光源时，光源的光射到光敏器件上，光敏器件中有电流流过，于是在输出端产生电压输出。其脉冲频率与水速成正比，经过单片机处理后，即可得出水的速度。这种光脉冲发生装置，在转换速度较高的情况下，由于水流动中的振动引起的光脉冲干扰等问题不好解决，现在采用的不多。

方案二：磁电式脉冲发生器。

将导磁材料的齿轮固定在转轴上，对着齿轮端面固定一块磁钢，霍尔元件贴在磁钢的一个端面上，随着齿轮转动，元件的输出呈周期性变化，经整形和放大后输出方波脉冲。霍尔传感器输出频率与转速成正比，此信号经单片机处理后，即可得出水流的速度。

本设计测量要求稳定性好，灵敏度高和精度高，而且对水流速度的测量要求传感器能够适应各种各样的环境。所以这里选择方案二。其原因还有三点：其一是霍尔传感器输出信号电压幅值不受转速的影响；其二是频率响应高，其响应频率高达20kHz，相当于水速为1000km/h时所检测的信号频率；其三是抗电磁波干扰能力强。

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M/T法(频率周期法)。测频法一般用于高速测量，在转速较低时，测量误差较大；而测周期法一般用于低速测量，速度越低测量精度越高，但在测量高转速时，误差较大；频率周期法结合了上面两种方法的优点，但是此种方法要求单片机有3个定时/计数器。考虑上面三种因素，该系统选择测频法。

1.2本系统设计的主要内容

根据上面选择的方案，本设计主要内容由以下三大部分组成：

一、信号的采集。这部分主要是用霍尔转速传感器采集水轮转速的信号，并将采集的信号传给单片机。

二、单片机数据处理。这部分主要是使用51系列单片机采用适当的算法来编程快速准确地对采集的数据进行相关运算并得出结果。此部分是本设计的重点和难点。

三、LED数字显示。这部分主要是对测得的结果通过4位LED数码管显示给用户。

用单片机AT89S51作为控制核心，通过霍尔传感器来检测汽水的运转情况进而实现水速度的测量，最后用4位LED数码管直观的将速度显示给用户，保留一位小数位。该测量方法是数字式测量方法，代替了传统的机械式或模拟式结构，测量精度有了很大的提高，具有很大的实用价值。

2单片机速度测量系统

2.1单片机速度测量原理

根据霍尔效应原理，将一块永久磁钢固定在水轮转轴上的转盘边沿（如果要提高测量

精度，可以在转盘边沿多固定2到3个磁钢），转盘随着轴旋转，磁钢也将跟着同步旋转。在转盘附近安装一个霍尔器件，转盘随轴旋转一周时，受磁钢所产生的磁场的影响，霍尔器件输出一个脉冲信号，转盘转了多少转霍尔器件就输出多少个脉冲信号，将输出的脉冲信号送到单片机的计数口，利用单片机的定时/计数器进行定时和计数，测出脉冲的周期或频率即可计算出水轮转速。通过单片机软件设计，把转速转换成线速度。转速即是角速度，线速度=角速度*周长。

2.2单片机速度测量系统结构框图

根据霍尔转速测量原理，可以画出单片机速度测量系统的结构框图。结构框图如图3-1所示。

图3-1 单片机速度测量系统结构框图

由霍尔传感器采集水轮转速的信号，并将采集的信号传给单片机，利用单片机的定时

计数器功能和编写的程序将采集的信号转换成数据，通过数码管将数据显示出来。

3系统硬件设计

整个系统主要包括霍尔转速传感器、单片机和LED显示模块三大部分组成。各个硬件部分将在后面详细阐述。

3.1.1霍尔传感器的基本工作原理

霍尔传感器是利用霍尔效应原理，通过磁场、电流对被测量的控制，使包含有被测量变化信息的霍尔电压发生变化，在利用后继的信号检索和信号放大电路，就可以得到被测量的信息。正因为霍尔传感器的基本原理霍尔效应只包含了磁场、电流、电压三个常用物理量，使得采用霍尔传感器对被测量的测量简单易行，而磁场强度、电流、电压是磁场、电场的基本物理量，所以霍尔传感器可以进行精确的非接触测量。

1．霍尔效应

在一块半导体薄片上，当它被置于磁感应强度为B的磁场中，如果在它相对的两边通以控制电流I，且磁场方向与电流方向正交，则在半导体另外两边将产生一个大小与控制电流I和磁感应强度B乘积成正比的电势UH，即UH=KhIB，其中Kh为霍尔元件的灵敏度，Kh值越大，灵敏度就越高，该电势称为霍尔电势。在片子上作四个电极，其中C1、C2间通以工作电流I，C1、C2称为电流电极，C3、C4间取出霍尔电压UH，C3、C4称为敏感电极。将各个电极焊上引线，并将片子用塑料封装起来，就形成了一个完整的霍尔元件。