基于单片机的霍尔测速报警系统
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第三部分测控系统的总体设计
3.1测控系统的总体设计
3.1.1硬件原理图
系统原理图如下:
3.1.2硬件电路设计总图
系统硬件电路图如下:
3.2测控系统子模块简介
3.2.1传感器原理及转换电路分析
由霍尔效应知,霍尔电势的大小取决于:Rh为霍尔常数,它与半导体材质有关;I为霍尔元件的偏置电流;B为磁场强度;d为半导体材料的厚度。
2.1测控系统功能的概述
在电机或转轴上放置一个或多个磁钢,将霍尔传感器有规律的放置在电机或者转轴附近,当有磁场通过时,在传感器上就可以产生电信号,通过测控电路对电信号的处理得到有用信号送单片机内部,根据信号测出电机转速,并在数码管上显示,且有报警功能。
2.2系统模块的确定
通过对功能的分析可知,系统模块分为以下几类:
4.2程序流程图
测量过程是测量转速的传感器和电机同轴连接。电机每转过一圈产生一个脉冲。经电压比较器整形后成为单片机计数器的输入脉冲,控制计数的时间就可以得到相应的转速,然后确定是否在所需量程以内,在则送数码管显示,不在则启动报警器。
电机计算转速的公式为:
n=60*m/(N1*T*N) (r/min)
2.3各模块的选择
2.1.1传感器模块的论证与选择
霍尔传感器是根据霍尔效应制作的一种磁场传感器。霍尔效应是磁电效应的一种,霍尔传感器具有许多优点,体积小,重量轻,寿命长,安装方便,功耗小,频率高(可达1MHZ),耐震动,不怕灰尘、油污、水汽及盐雾等的污染或腐蚀。广泛用于各类工程实际应用中,出于成本的考虑,在这里我们选用直插式霍尔片传感器A3144,与普通磁钢配套使用,体积小,灵敏度高,价格在1—2元左右,基本ห้องสมุดไป่ตู้以满足本课题的要求
P0口:P0口是一组8位漏极开路型双向I/0口,也即地址/数据总线复用口。作为输出口用时,每位能驱动8个TTL逻辑门电路。
P1口:Pl是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口,Pl的输出缓冲级可驱动(吸收或输出电流)4个TTL逻辑门电路。对端口写“l”,通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平,此时可作输入口。作输入口使用时,因为内部存在上拉电阻,某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流.
由于由霍尔传感器输出的电平未经特殊处理,且存在干扰,故不是完整的脉冲电平,在后续电路中进行改进,这里我们用到电压比较电路,选用常用的LM393双电压比较集成芯片,下图是ALLDATASHEET数据,电路中只用到4、8、1、2、3脚。电路图也在此给出:
L
3.2.2报警模块
报警模块可选用无源蜂鸣器或者有源蜂鸣器,有源蜂鸣器由于内部有震荡元件,故通电后就可以报警,由于硬件设备的限制,我们选用无源蜂鸣器,但编程上需要花点心思。
霍尔效应原理图
以上为alldatasheet网站关于3144的数据
外部接口
本系统采用开关型霍尔传感器A3144以及磁钢,由它们来检测电机的转速。工作方式为:将磁钢安装在电机的转轴上,而霍尔传感器则放在转轴的旁边,霍尔传感器连接在电路中,当磁钢随转轴经过霍尔传感器时,霍尔传感器的工作原理知,此时将输出一个低电平信号;而当磁钢离开霍尔传感器后,又将输出一个高电平。这样通过高低电平的转换,将其送入单片机后就可以测量它的转速。
第三部分测控系统的总体设计
3.1测控系统的总体设计———————————————4
3.1.1硬件原理图———————————————————4
3.1.2硬件电路设计总图————————————————5
3.2测控系统子模块简介———————————————5
3.2.1传感器原理及分电路析——————————————5
2.1.1传感器模块的论证与选择——————————————2
2.1.2报警模块的论证与选择———————————————3
2.1.3显示模块的论证与选择———————————————3
2.1.2单片机模块的论证与选择——————————————3
2.4小结——————————————————————3
2.1.2单片机模块的论证与选择
此系统十分简单,数据处理不大,采用8位单片机完全能满足需要,基于国内8位单片机领导厂商宏晶公司生产的STC系列单片机的低价格,高性能的优势,我选用了STC系类90C51八位单片机,编程和使用与一般80c51单片机一样。
2.4小结
通过本小计,对本设计的基本模块进行了选择,确定了显示,报警,计数,传感器,单片机选择的可行性。并在实现仪器功能的基础上充分考虑了成本问题。
其中:n为电机转速,N为栅格数,即磁钢的个数。N1为中断次数,m为在规定时间内测得的脉冲数,T为T0的溢出时间。
口输出缓冲级可驱动(吸收或输出电流)4个TTL逻辑门电路。对P3口写入“l”时,它们被内部上拉电阻拉高并可作为输入端口。作输入端时,被外部拉低的
P3口将用上拉电阻输出电流(IIL).
P3口除了作为一般的I/0口线外,更重要的用途是它的第二功能,上面表已给出。
RST复位输入。当振荡器工作时,RST引脚出现两个机器周期以上高电平将使单片机复位。WDT溢出将使该引脚输出高电平,设置SFR AUXR的DISRT0位(地址8EH)可打开或关闭该功能。DISRT0位缺省为RESET
本设计属于码盘转速测量系统,实现转速的实时测量和显示。本系统以STC90C51单片机为核心,旋转编码器通过用传感器测量非电量,转变成模拟电量,再通过一系列测控电路。获得数字信号,实现实时轴转速测量,同时用四位段码式LED数码管显示模块显示电机转速,并且加入了报警模块。详细阐述了转速测量系统的工作过程,以及硬件电路的设计、显示效果。本文吸收了硬件软件化的思想,实现了题目要求的功能。
根据LED显示器可知,如果希望显示“8”字,那么除了“dp”管不要点亮以外,其余管全部点亮。同理如果要显示“1”,只需bc两个发光二极管点亮,其余均布点亮。通常将控制发光二极管的8位数据称为段选码,共阴极和共阳极的段选码互为补码。LED显示器的段选码如下表所示:
LED数码管段选码
显示部分电路图如下,这里出于成本简便考虑,用到的是现有的单片机开发板,实际试验中只需用到四位数码管,且未加入单个发光二极管。
传感器与测控电路课程设计报告
学生姓名:禹 振 榜
指导老师:杨书仪 余以道
专业班级:12级测控二班
所在学院:机电工程学院
学号1203030214
课题基于单片机的霍尔测速报警系统
基于单片机的霍尔测速报警系统的设计
摘要
在生产中,电机应用十分广泛,比如汽车速度显示,设备工作时的档位,都需要我们了解电机或者机器的转速。转速作为工程中应用的一个非常广泛的参数,它的测量方法有很多,特别是单片机对脉冲数字信号的强大处理能力,使得全数字测量系统越来越普及,越来越方便。
输出高电平打开状态。
PSEN:程序储存允许(PSEN)输出是外部程序存储器的读选通信号,当AT89C51由外部程序存储器取指令(或数据)时,每个机器周期两次PSEN有效,即输出两个脉冲。当访问外部数据存储器,没有两次有效PSEN信号。
XTALl:振荡器反相放大器及内部时钟发生器的输入端。
XTAL2:振荡器反相放大器的输出
对于一个给定的霍尔器件,当偏置电流I固定时,UH将完全取决于被测的磁场强度B。
一个霍尔元件一般有四个引出端子,其中两根是霍尔元件的偏置电流I的输入端,另两根是霍尔电压的输出端。如果两输出端构成外回路,就会产生霍尔电流。在半导体薄片两端通以控制电流I,并在薄片的垂直方向施加磁感应强度为B的匀强磁场,则在垂直于电流和磁场的方向上,将产生电势差为UH的霍尔电压。
本设计需要对各种测量转速的基本方法予以分析,针对不同的应用环境,利用单片机设计一种全数字化测速系统,从提高测量精度的角度出发,分析讨论其产生误差的可能原因,为今后的实际使用提供借鉴。并从实际硬件电路出发,分析电路工作原理和软件流程。熟悉传感器的选择,及外围电路的设计,了解测控系统设计的基本流程
第二部分功能分析与设计要求
3.2.3 LED数码管
显示电路采用LED数码管动态显示,LED(Light-Emitting Diode)是一种外加电压从而渡过电流并发出可见光的器件。LED是属于电流控制器件,使用时必须加限流电阻。LED有单个LED和八段LED之分,也有共阴和共阳两种。
七段发光数码管结构
共阴极数码管的发光二极管阴极必须接低电平,当某发光二极管的阳极为高电平时(一般为+5V)时,此二极管点亮;共阳极数码管的发光二极管是阳极接到高电平,对于需要点亮的发光二极管使其阴极接低电平(一般为地)即可。
1.传感器模块,以将非电信号信号转化为电信号。
2.报警模块,当速度过低或过高时,启动此模块。
3.显示模块,通过单片机处理得出转速,送显示模块显示。
4.单片机模块,用以对脉冲计数,对外部信号进行处理。
5.电源模块,这里使用现有电源,初步确定为5v直流电源,故不再设计。
此外由于单片机有计数功能,计数模块在单片机模块中讨论
3.2.2报警模块————————————————————7
3.2.3 LED数码管———————————————————8
3.2.4 STC90C51单片机——————————————————10
第四部分软件设计
4.1程序设计步骤———————————————————12
4.2程序流程图————————————————————13
值得注意的是由于数码管功耗比较高,故在前面加入了74HC573锁存器芯片用做驱动数码管,但这里用到的并不是锁存功能。
3.2.4 STC90C51单片机
STC90C51单片机是国内八位高性能单片机,选用的单片机带16K字节闪烁可编程可擦除只读存贮器,,STC的90CC51是一种高效微控制器,为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案.
P2口:P2是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O口,P2的输出缓冲级可驱动(吸收或输出电流)4个TTL逻辑门电路。对端口写“1”,通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平,此时可作输入口,作输入口使用时,因为内部存在上拉电阻,某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流
P3口:P3口是一组带有内部上拉电阻的8位双向I/0口。P3
2.1.2报警模块的论证与选择
方案一:采用蜂鸣器与LED发光二极管为主要报警系统,该系统成本低,电路容易实现,编程容易。
方案二:采用音乐语言报警,更人性化,但设计难度大,成本高。
基于现有设备器件,选用方案一。
2.1.3显示模块的论证与选择
这里课题已要求使用数码管显示,由于测量转速适中,我们采用四位位选数码管完全能满足要求。基于现有器件选用共阴极接法,但由于数码管功耗较高,故需要加入驱动芯片,在这里我们使用51单片机开发板上现有的锁存芯片74HC573
5.3.1硬件电路的焊接与搭建————————————————18
5.3.2搭接检查步骤————————————————————19
第六部分结论
参考文献——————————————————————20
附录
第一部分绪论
1.1设计的任务与要求
本课题的任务是:设计一套测量转速的仪器,转速在数码管上显示,且具有超速报警功能,精度到达转速个位,高低速实现报警。要求会选用传感器并搭建测控电路,实现课题所要求的功能
4.2.1主程序设计—————————————————————14
4.2.2中断服务程序设计——————————————————15
第五部分软件调试与仿真
5.1 KEIL软件进行程序调试———————————————15
5.2 PROTEUS软件仿真————————————————16
5.3硬件软件联合调试—————————————————17
第四部分软件设计
4.1程序设计步骤
第一步分析问题,明确任务要求,还要将解决的问题抽象成数学化。
第二部确定算法,根据实际问题和指令系统的特点确定完成这一任务必须经历的步骤。
第三部选择所选择的算法,确定内存单元的分配:确定解决问题的步骤和顺序,画出程序的流程图。
第四部根据流程图,编写源程序。
第五部上机对源程序进行编译、调试。
关键词:转速测量,,单片机, LED显示模块,霍尔传感器。
第一部分绪论
1.1设计的任务与要求————————————————1
第二部分功能分析与设计要求
2.1测控系统功能的概述———————————————1
2.2系统模块的确定—————————————————2
2.3各模块的选择——————————————————2
3.1测控系统的总体设计
3.1.1硬件原理图
系统原理图如下:
3.1.2硬件电路设计总图
系统硬件电路图如下:
3.2测控系统子模块简介
3.2.1传感器原理及转换电路分析
由霍尔效应知,霍尔电势的大小取决于:Rh为霍尔常数,它与半导体材质有关;I为霍尔元件的偏置电流;B为磁场强度;d为半导体材料的厚度。
2.1测控系统功能的概述
在电机或转轴上放置一个或多个磁钢,将霍尔传感器有规律的放置在电机或者转轴附近,当有磁场通过时,在传感器上就可以产生电信号,通过测控电路对电信号的处理得到有用信号送单片机内部,根据信号测出电机转速,并在数码管上显示,且有报警功能。
2.2系统模块的确定
通过对功能的分析可知,系统模块分为以下几类:
4.2程序流程图
测量过程是测量转速的传感器和电机同轴连接。电机每转过一圈产生一个脉冲。经电压比较器整形后成为单片机计数器的输入脉冲,控制计数的时间就可以得到相应的转速,然后确定是否在所需量程以内,在则送数码管显示,不在则启动报警器。
电机计算转速的公式为:
n=60*m/(N1*T*N) (r/min)
2.3各模块的选择
2.1.1传感器模块的论证与选择
霍尔传感器是根据霍尔效应制作的一种磁场传感器。霍尔效应是磁电效应的一种,霍尔传感器具有许多优点,体积小,重量轻,寿命长,安装方便,功耗小,频率高(可达1MHZ),耐震动,不怕灰尘、油污、水汽及盐雾等的污染或腐蚀。广泛用于各类工程实际应用中,出于成本的考虑,在这里我们选用直插式霍尔片传感器A3144,与普通磁钢配套使用,体积小,灵敏度高,价格在1—2元左右,基本ห้องสมุดไป่ตู้以满足本课题的要求
P0口:P0口是一组8位漏极开路型双向I/0口,也即地址/数据总线复用口。作为输出口用时,每位能驱动8个TTL逻辑门电路。
P1口:Pl是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口,Pl的输出缓冲级可驱动(吸收或输出电流)4个TTL逻辑门电路。对端口写“l”,通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平,此时可作输入口。作输入口使用时,因为内部存在上拉电阻,某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流.
由于由霍尔传感器输出的电平未经特殊处理,且存在干扰,故不是完整的脉冲电平,在后续电路中进行改进,这里我们用到电压比较电路,选用常用的LM393双电压比较集成芯片,下图是ALLDATASHEET数据,电路中只用到4、8、1、2、3脚。电路图也在此给出:
L
3.2.2报警模块
报警模块可选用无源蜂鸣器或者有源蜂鸣器,有源蜂鸣器由于内部有震荡元件,故通电后就可以报警,由于硬件设备的限制,我们选用无源蜂鸣器,但编程上需要花点心思。
霍尔效应原理图
以上为alldatasheet网站关于3144的数据
外部接口
本系统采用开关型霍尔传感器A3144以及磁钢,由它们来检测电机的转速。工作方式为:将磁钢安装在电机的转轴上,而霍尔传感器则放在转轴的旁边,霍尔传感器连接在电路中,当磁钢随转轴经过霍尔传感器时,霍尔传感器的工作原理知,此时将输出一个低电平信号;而当磁钢离开霍尔传感器后,又将输出一个高电平。这样通过高低电平的转换,将其送入单片机后就可以测量它的转速。
第三部分测控系统的总体设计
3.1测控系统的总体设计———————————————4
3.1.1硬件原理图———————————————————4
3.1.2硬件电路设计总图————————————————5
3.2测控系统子模块简介———————————————5
3.2.1传感器原理及分电路析——————————————5
2.1.1传感器模块的论证与选择——————————————2
2.1.2报警模块的论证与选择———————————————3
2.1.3显示模块的论证与选择———————————————3
2.1.2单片机模块的论证与选择——————————————3
2.4小结——————————————————————3
2.1.2单片机模块的论证与选择
此系统十分简单,数据处理不大,采用8位单片机完全能满足需要,基于国内8位单片机领导厂商宏晶公司生产的STC系列单片机的低价格,高性能的优势,我选用了STC系类90C51八位单片机,编程和使用与一般80c51单片机一样。
2.4小结
通过本小计,对本设计的基本模块进行了选择,确定了显示,报警,计数,传感器,单片机选择的可行性。并在实现仪器功能的基础上充分考虑了成本问题。
其中:n为电机转速,N为栅格数,即磁钢的个数。N1为中断次数,m为在规定时间内测得的脉冲数,T为T0的溢出时间。
口输出缓冲级可驱动(吸收或输出电流)4个TTL逻辑门电路。对P3口写入“l”时,它们被内部上拉电阻拉高并可作为输入端口。作输入端时,被外部拉低的
P3口将用上拉电阻输出电流(IIL).
P3口除了作为一般的I/0口线外,更重要的用途是它的第二功能,上面表已给出。
RST复位输入。当振荡器工作时,RST引脚出现两个机器周期以上高电平将使单片机复位。WDT溢出将使该引脚输出高电平,设置SFR AUXR的DISRT0位(地址8EH)可打开或关闭该功能。DISRT0位缺省为RESET
本设计属于码盘转速测量系统,实现转速的实时测量和显示。本系统以STC90C51单片机为核心,旋转编码器通过用传感器测量非电量,转变成模拟电量,再通过一系列测控电路。获得数字信号,实现实时轴转速测量,同时用四位段码式LED数码管显示模块显示电机转速,并且加入了报警模块。详细阐述了转速测量系统的工作过程,以及硬件电路的设计、显示效果。本文吸收了硬件软件化的思想,实现了题目要求的功能。
根据LED显示器可知,如果希望显示“8”字,那么除了“dp”管不要点亮以外,其余管全部点亮。同理如果要显示“1”,只需bc两个发光二极管点亮,其余均布点亮。通常将控制发光二极管的8位数据称为段选码,共阴极和共阳极的段选码互为补码。LED显示器的段选码如下表所示:
LED数码管段选码
显示部分电路图如下,这里出于成本简便考虑,用到的是现有的单片机开发板,实际试验中只需用到四位数码管,且未加入单个发光二极管。
传感器与测控电路课程设计报告
学生姓名:禹 振 榜
指导老师:杨书仪 余以道
专业班级:12级测控二班
所在学院:机电工程学院
学号1203030214
课题基于单片机的霍尔测速报警系统
基于单片机的霍尔测速报警系统的设计
摘要
在生产中,电机应用十分广泛,比如汽车速度显示,设备工作时的档位,都需要我们了解电机或者机器的转速。转速作为工程中应用的一个非常广泛的参数,它的测量方法有很多,特别是单片机对脉冲数字信号的强大处理能力,使得全数字测量系统越来越普及,越来越方便。
输出高电平打开状态。
PSEN:程序储存允许(PSEN)输出是外部程序存储器的读选通信号,当AT89C51由外部程序存储器取指令(或数据)时,每个机器周期两次PSEN有效,即输出两个脉冲。当访问外部数据存储器,没有两次有效PSEN信号。
XTALl:振荡器反相放大器及内部时钟发生器的输入端。
XTAL2:振荡器反相放大器的输出
对于一个给定的霍尔器件,当偏置电流I固定时,UH将完全取决于被测的磁场强度B。
一个霍尔元件一般有四个引出端子,其中两根是霍尔元件的偏置电流I的输入端,另两根是霍尔电压的输出端。如果两输出端构成外回路,就会产生霍尔电流。在半导体薄片两端通以控制电流I,并在薄片的垂直方向施加磁感应强度为B的匀强磁场,则在垂直于电流和磁场的方向上,将产生电势差为UH的霍尔电压。
本设计需要对各种测量转速的基本方法予以分析,针对不同的应用环境,利用单片机设计一种全数字化测速系统,从提高测量精度的角度出发,分析讨论其产生误差的可能原因,为今后的实际使用提供借鉴。并从实际硬件电路出发,分析电路工作原理和软件流程。熟悉传感器的选择,及外围电路的设计,了解测控系统设计的基本流程
第二部分功能分析与设计要求
3.2.3 LED数码管
显示电路采用LED数码管动态显示,LED(Light-Emitting Diode)是一种外加电压从而渡过电流并发出可见光的器件。LED是属于电流控制器件,使用时必须加限流电阻。LED有单个LED和八段LED之分,也有共阴和共阳两种。
七段发光数码管结构
共阴极数码管的发光二极管阴极必须接低电平,当某发光二极管的阳极为高电平时(一般为+5V)时,此二极管点亮;共阳极数码管的发光二极管是阳极接到高电平,对于需要点亮的发光二极管使其阴极接低电平(一般为地)即可。
1.传感器模块,以将非电信号信号转化为电信号。
2.报警模块,当速度过低或过高时,启动此模块。
3.显示模块,通过单片机处理得出转速,送显示模块显示。
4.单片机模块,用以对脉冲计数,对外部信号进行处理。
5.电源模块,这里使用现有电源,初步确定为5v直流电源,故不再设计。
此外由于单片机有计数功能,计数模块在单片机模块中讨论
3.2.2报警模块————————————————————7
3.2.3 LED数码管———————————————————8
3.2.4 STC90C51单片机——————————————————10
第四部分软件设计
4.1程序设计步骤———————————————————12
4.2程序流程图————————————————————13
值得注意的是由于数码管功耗比较高,故在前面加入了74HC573锁存器芯片用做驱动数码管,但这里用到的并不是锁存功能。
3.2.4 STC90C51单片机
STC90C51单片机是国内八位高性能单片机,选用的单片机带16K字节闪烁可编程可擦除只读存贮器,,STC的90CC51是一种高效微控制器,为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案.
P2口:P2是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O口,P2的输出缓冲级可驱动(吸收或输出电流)4个TTL逻辑门电路。对端口写“1”,通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平,此时可作输入口,作输入口使用时,因为内部存在上拉电阻,某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流
P3口:P3口是一组带有内部上拉电阻的8位双向I/0口。P3
2.1.2报警模块的论证与选择
方案一:采用蜂鸣器与LED发光二极管为主要报警系统,该系统成本低,电路容易实现,编程容易。
方案二:采用音乐语言报警,更人性化,但设计难度大,成本高。
基于现有设备器件,选用方案一。
2.1.3显示模块的论证与选择
这里课题已要求使用数码管显示,由于测量转速适中,我们采用四位位选数码管完全能满足要求。基于现有器件选用共阴极接法,但由于数码管功耗较高,故需要加入驱动芯片,在这里我们使用51单片机开发板上现有的锁存芯片74HC573
5.3.1硬件电路的焊接与搭建————————————————18
5.3.2搭接检查步骤————————————————————19
第六部分结论
参考文献——————————————————————20
附录
第一部分绪论
1.1设计的任务与要求
本课题的任务是:设计一套测量转速的仪器,转速在数码管上显示,且具有超速报警功能,精度到达转速个位,高低速实现报警。要求会选用传感器并搭建测控电路,实现课题所要求的功能
4.2.1主程序设计—————————————————————14
4.2.2中断服务程序设计——————————————————15
第五部分软件调试与仿真
5.1 KEIL软件进行程序调试———————————————15
5.2 PROTEUS软件仿真————————————————16
5.3硬件软件联合调试—————————————————17
第四部分软件设计
4.1程序设计步骤
第一步分析问题,明确任务要求,还要将解决的问题抽象成数学化。
第二部确定算法,根据实际问题和指令系统的特点确定完成这一任务必须经历的步骤。
第三部选择所选择的算法,确定内存单元的分配:确定解决问题的步骤和顺序,画出程序的流程图。
第四部根据流程图,编写源程序。
第五部上机对源程序进行编译、调试。
关键词:转速测量,,单片机, LED显示模块,霍尔传感器。
第一部分绪论
1.1设计的任务与要求————————————————1
第二部分功能分析与设计要求
2.1测控系统功能的概述———————————————1
2.2系统模块的确定—————————————————2
2.3各模块的选择——————————————————2