轉(zhuǎn)速測量儀設(shè)計

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1、白城職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文 轉(zhuǎn)速測量儀設(shè)計 學(xué)生姓名：李志強(qiáng) 專業(yè)班級：電氣自動化 指導(dǎo)教師：侯雅波 職 稱： 起止日期： 白城職業(yè)技術(shù)學(xué)院 白城職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文 摘 要 本文是基于51單片機(jī)的轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)，其測量方法較多，隨著單片機(jī)對脈沖信號的處 理能力越來越強(qiáng)大，使得全數(shù)字量系統(tǒng)越來越普及，并且使轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)也可以用全數(shù)字 化處理。 本設(shè)計利用霍爾效應(yīng)對旋轉(zhuǎn)物體進(jìn)行檢測的轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用UGN3144霍爾 傳感器把轉(zhuǎn)速信息轉(zhuǎn)換為電壓輸出，輸出電壓經(jīng)整形電路送入AT89C51單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處 理并用四位7段LED顯示器顯示測量結(jié)果。文中首先闡述了構(gòu)

2、成該系統(tǒng)的原理、硬件的實 現(xiàn)方法，在該系統(tǒng)中對信號頻率進(jìn)行測量是首要任務(wù)，通過各種測量方法的對比下，該系 統(tǒng)應(yīng)采用測頻法測量。其次，在軟件設(shè)計部分，此系統(tǒng)包含系統(tǒng)初始化程序的設(shè)計、數(shù)據(jù) 接收和處理程序的設(shè)計、顯示程序的設(shè)計三個模塊。最終，給出各部分的原理框圖、電路 圖及轉(zhuǎn)速測量的程序流程圖，并編出其具體的程序。 總之，本課題完成了硬件和軟件系統(tǒng)的設(shè)計，實現(xiàn)了轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)的測量，轉(zhuǎn)速計算、 顯示功能，同時實現(xiàn)鍵盤的開始/停止功能，完成了設(shè)計的要求。 關(guān)鍵詞單片機(jī)；轉(zhuǎn)速測量；霍爾傳感器 -I - 轉(zhuǎn)速測量儀畢業(yè)設(shè)計 Abstract Tins article is based

3、on 51 monolitluc mtegiated cucuits tlie running speed of tlie measuimg system, the measuiement method is moie, Hmonolitluc mtegiated ciicuits to pulses of the more powerful, the whole number of systems is beconmig more and more populai; and the speed of measiuement system can also use digital. The

4、design of the Hall effect on a rotating object the running speed of tlie gaugmg system. The system uses ugii3144 hall at the speed of uifoniiation to the voltage and output, output voltage electrical at89c51 monolitluc mtegiated cucuits after plastic suigeiy to a data piocessmg and use of four seven

5、tli led display displays measurements. The fiist set out prmciples constitute the system, liardwaie, implementation ui the system of the signal frequency is measiued, tluougli all kuids of measiuement of contrast, the system should be adopted, the frequency of the law. Secondly, the software design,

6、 the system contauis the system of the design^data, receivmg and handling piocediues for tlie design, show progianis to the design of the four modules. Finally，tlie part of the pimciple of a chait 01 cucuit diagiains and speed of tlie application processes and make then specific application. In sho

7、rt, tins task completed the design of liardwaie and software system to speed tlie meastumg system of measiuement aiid computation, display, aiid keyboard and begm to finish tlie design demands. Keywords monolithic integrated circuits; speeds measure; Hall element -# - 轉(zhuǎn)速測量儀畢業(yè)設(shè)計 摘 要 I Abstra

8、ct II 第1章緒論 1 1.1課題研究的目的和意義 1 1.2糧測量在國內(nèi)外的研究 1 13主要內(nèi)容 2 第2章轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)的總體方案 3 2.1轉(zhuǎn)速測量的F方法 3 2.2硬件設(shè)計總體方案 4 2.3軟件設(shè)計思路 5 第3章系統(tǒng)硬件設(shè)計 7 3.1翹測師理 7 3.1.1 測醱“M 法” 7 3.1.2測周期法“T法” 8 3.1.3測頻測周法“M/T法” 9 3.1.4轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)中應(yīng)用的方法 10 3.2霍爾傳爾的簡介 10 3.2.1霍爾效應(yīng) 10 3.2.2霍爾元件 13 323霍爾元件的應(yīng)用 14 3.2.4 UGN3144霍爾開關(guān)元

9、件 15 33單片機(jī)及其接口的設(shè)計 17 3.3.1 AT89C51單片機(jī)的簡介 17 3.3.2復(fù)位電路 20 3.3.3時鐘電路 21 3.3.4顯示電路 21 33.5 HD7279 接口 24 3.3.6鍵盤電路 26 第4章系統(tǒng)軟件設(shè)計 28 4.1單片機(jī)槌酚設(shè)計思路及如 28 4.1.1單片機(jī)程序設(shè)計思路 28 4.2子餅畸 29 4.2.1單片機(jī)轉(zhuǎn)速計算程序 29 4.2.2二■十進(jìn)制轉(zhuǎn)換程序 30 4.2.3顯不程序 31 第5章轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速分析 33 結(jié)論 35 致謝 36 參考文獻(xiàn) 37 附錄1 38 附錄 2 XXXIX -

10、# - 白城職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文 1.1課題研究的目的和意義 隨著超大規(guī)模集成電路技術(shù)提高，尤其是單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)以其功能強(qiáng)大，價格 低廉的顯著特點，使全數(shù)字化測量轉(zhuǎn)速系統(tǒng)得以廣泛應(yīng)用。由于單片機(jī)在測量轉(zhuǎn)速 方面具有體積小、性能強(qiáng)、成本低的特點，越來越受到企業(yè)用戶的青睞。轉(zhuǎn)速是工 程中應(yīng)用非常廣泛的一個參數(shù)，其測量方法較多，而模擬量的釆集和模擬處理一直 是轉(zhuǎn)速測量的主要方法，這種測量方技術(shù)已不能適應(yīng)現(xiàn)代科技發(fā)展的要求，在測量 范圍和測量精度上，己不能滿足大多數(shù)系統(tǒng)的使用。隨著大規(guī)模及超大規(guī)模集成電 路技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字系統(tǒng)測量得到普遍應(yīng)用，特別是單片機(jī)對脈沖數(shù)字信號的強(qiáng)大 處理能力，

11、使得全數(shù)字量系統(tǒng)越來越普及，其轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)也可以用全數(shù)字化處理。 在測量范圍和測量精度方面都有極大的提高。 常用的檢測方法有機(jī)械式，光電式，霍爾式，頻閃法，高壓油管應(yīng)變法等，本 課題主要是針對轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)的硬件和軟件系統(tǒng)的設(shè)計。運用51系列單片機(jī)設(shè)計一 種全數(shù)字化測速系統(tǒng)，從提高測量精度的角度出發(fā)，分析討論其產(chǎn)生誤差的可能原 因。同時從實際硬件電路出發(fā)，分析電路的工作原理，根據(jù)設(shè)計具體情況提出修改 方案和解決辦法。 本課題以單片機(jī)為核心，設(shè)計的全數(shù)字化測量轉(zhuǎn)速系統(tǒng)，在工業(yè)控制和民用電 器中都有較高使用價值。一方面它可以應(yīng)用于工業(yè)控制中的某一部分，如數(shù)控車床 的電機(jī)轉(zhuǎn)速檢測和控制、水泵流量控

12、制以及需要利用轉(zhuǎn)速檢測來進(jìn)行控制的許多場 合，如車輛的里程表、車速表等。另一方面由于該轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)釆用全數(shù)字結(jié)構(gòu)， 因而可以很方便的和工業(yè)控制機(jī)進(jìn)行連接，實行遠(yuǎn)程管理和控制，進(jìn)一步提高現(xiàn)代 化水平。并且，幾乎不需做很大改變就能直接作為單獨的產(chǎn)品使用?？傊?，轉(zhuǎn)速測 量系統(tǒng)的研究是一件非常有意義的課題。 1.2轉(zhuǎn)速測■在國內(nèi)外的研究 轉(zhuǎn)速是能源設(shè)備與動力機(jī)械性能測試中的一個重要的特性參量，因為動力機(jī)械 的許多特性參數(shù)是根據(jù)它們與轉(zhuǎn)速的函數(shù)關(guān)系來確定的，例如壓縮機(jī)的排氣量、軸 功率、內(nèi)燃機(jī)的輸出功率等等，而且動力機(jī)械的振動、管道氣流脈動、各種工作零 件的磨損狀態(tài)等都與轉(zhuǎn)速密切相關(guān)。 轉(zhuǎn)速測量的

13、方法很多，測量儀表的型式也多種多樣，其使用條件和測量精度也 各不相同。根據(jù)轉(zhuǎn)速測量的工作方式可分為兩大類：接觸式轉(zhuǎn)速測量儀表與非接觸 式轉(zhuǎn)速測量儀表。前者在使用時必須與被測轉(zhuǎn)軸直接接觸，如離心式轉(zhuǎn)速表、磁性 轉(zhuǎn)速表與測速發(fā)電機(jī)等；后者在使用時不需要與被測轉(zhuǎn)軸接觸，如光電式轉(zhuǎn)速表、電 子數(shù)字式轉(zhuǎn)速表、閃光測速儀等。測量發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的傳統(tǒng)方法是使用光 電式轉(zhuǎn)速表測量。用這種方法測量時，既要在發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)動軸上粘貼光標(biāo)紙，乂要求測 量人員把轉(zhuǎn)速表與光標(biāo)紙的距離控制在很近的范圍，測量十分不方便。隨著科學(xué)技術(shù) 的迅速發(fā)展，轉(zhuǎn)速測量儀表己步入現(xiàn)代化、電子化的行列。過去曾經(jīng)使用過的接觸式 測量儀表，如離心式轉(zhuǎn)速

14、表、磁性轉(zhuǎn)速表、微型發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速表及鐘表是定時轉(zhuǎn)速表, 均已先后受到冷落；而利用己知頻率的閃光與被測軸轉(zhuǎn)速同步的方法來測速的閃光 測速儀，雖屬非接觸式儀表，目前仍有應(yīng)用，但也退居次要地位。代之而起的是非接 觸式的電子與數(shù)字化的測速儀表。這類轉(zhuǎn)速儀表大多具有體積小、重量輕、讀數(shù)準(zhǔn) 確、使用方便等優(yōu)點，容易實現(xiàn)電腦熒屏顯示和打印輸出，能夠連續(xù)的反映轉(zhuǎn)速變 化，既能測定發(fā)動機(jī)穩(wěn)定情況下的平均轉(zhuǎn)速，也能夠用來在足夠小的時間間隔這一特 定條件下測定發(fā)動機(jī)的瞬時轉(zhuǎn)速。 轉(zhuǎn)速測量的應(yīng)用系統(tǒng)在工業(yè)生產(chǎn)、科技教育、民用電器等各領(lǐng)域的應(yīng)用極為廣 泛，往往成為某一產(chǎn)品或控制系統(tǒng)的核心部分，其各種參數(shù)在不同的應(yīng)用中有

15、其側(cè) 重，但轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)作為普遍的應(yīng)用在國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中，有重要的意義。 1.3主要內(nèi)容 1. 詳細(xì)分析轉(zhuǎn)速的測量理論，對轉(zhuǎn)速的周期測量法“T”法、頻率測量法“M” 法以及周期頻率“M/T”測量法，三種具體測量方法的轉(zhuǎn)速計算、各自的測量精度 和誤差進(jìn)行闡述。定性地比較三種方法所針對的轉(zhuǎn)速特征，分析高、中、低轉(zhuǎn)速情 況下各自的適用狀況，從而，在保持一定的測量精度情況下，應(yīng)用“M”法，說明 轉(zhuǎn)速測量原理。 2. 根據(jù)單片機(jī)硬件系統(tǒng)的設(shè)計，構(gòu)建軟件系統(tǒng)，分別對硬件系統(tǒng)的配置予以估 計，使其能夠?qū)D(zhuǎn)速進(jìn)行測量。同時分析接口電路，顯示轉(zhuǎn)速。 3. 對單片機(jī)定時/計數(shù)器進(jìn)行設(shè)置，設(shè)計和說明定時/計數(shù)

16、器在“M”法測量中的 作用和使用方法，討論測量精度的問題。 4. 根據(jù)系統(tǒng)要求設(shè)置各控制字，用匯編語言編制程序，包括主程序流程，轉(zhuǎn)速 計算程序，顯示中斷程序流程，同時并寫出其具體程序。 -1 - 白城職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文 第2章轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)的總體方案 2.1轉(zhuǎn)速測量的一般方法 一般轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)有以下兒個部分構(gòu)成，轉(zhuǎn)速測量框圖如圖2-1所示。 1. 轉(zhuǎn)速信號拾取 轉(zhuǎn)速信號拾取是整個系統(tǒng)的前端通道，目的是將外界的非電參量，通過一定方 式轉(zhuǎn)換成電量，這一環(huán)節(jié)可以通過敏感元件、傳感器或測量儀表等來實現(xiàn)。 方法如下： (1) 通過敏感元件拾取被測信號 敏感元件體積小，可

17、以根據(jù)用戶及環(huán)境要求做成各矛頭形狀的探頭，它能將被 測的物理量變換成電流、電壓，只要選擇合適的元件參數(shù)。如R、L、C設(shè)計相應(yīng)的 電路，便能完成這種對應(yīng)關(guān)系。這種方法設(shè)計難度大，信號穩(wěn)定度差，在模擬處理 系統(tǒng)中不宜采用。 (2) 通過傳感器拾取信號 由專業(yè)人員將敏感元件和相應(yīng)的測量電路、傳遞機(jī)構(gòu)以適當(dāng)?shù)男问街瞥刹煌?型、不同用處的傳感器，根據(jù)原理輸出電量。該電量可以是模擬量或數(shù)字量，現(xiàn)代 傳感器還可以輸出開關(guān)量，用于數(shù)字邏輯電路。 (3) 通過測量儀表拾取被測信號 目前有許多測量儀表用于各種測量中，有大信號輸出、有BCD碼輸出等，但價 格昂貴，專業(yè)性強(qiáng)，一般不適合通用系統(tǒng)。通用的轉(zhuǎn)速測

18、量系統(tǒng)大都采用一種俗稱 “碼盤”的傳感裝置，將圓形的碼盤固定在轉(zhuǎn)軸上，碼盤上有若干規(guī)則排列的小孔, 用光電偶來輸出電信號，以反映轉(zhuǎn)速對應(yīng)關(guān)系，即是將轉(zhuǎn)軸的速度以脈沖形式反映 出來，通常有兩種形式： (1)模擬量量化后經(jīng)AQ轉(zhuǎn)換，由數(shù)字量反映角度，供單片機(jī)計算處理，得出轉(zhuǎn)速。 (2)直接由脈沖來反應(yīng)轉(zhuǎn)軸的角度，用每轉(zhuǎn)產(chǎn)生的脈沖經(jīng)單片機(jī)處理得出轉(zhuǎn)速。 2. 整形和倍頻 前向通道中，從傳感器輸出的信號必須轉(zhuǎn)換成單片機(jī)輸入要求的信號，由于信 號調(diào)節(jié)電路與傳感器的選擇，現(xiàn)場干擾程度等，都會影響信號的質(zhì)量。而脈沖信號 的上升沿和下降沿對數(shù)字電路的觸發(fā)尤為重要，若要將轉(zhuǎn)速脈沖信號直接加到計數(shù) 器或外

19、部中斷的輸入端，并利用其上升沿來觸發(fā)進(jìn)行計數(shù)，則必須要求輸入的信號 有陡峭的上升沿或下降沿。處理方法上可以用觸發(fā)器電路來整形；而借頻電路主要 用于解決低轉(zhuǎn)速時測量精度問題及碼盤的刻度誤差而造成的精度下降問題。方法是 在每轉(zhuǎn)中增加脈沖的個數(shù)(碼盤的線程數(shù))來提高精度。但在高轉(zhuǎn)速時，由于脈沖個 數(shù)的增加，限制了最高轉(zhuǎn)速測量量程，這個問題可用單片機(jī)控制來動態(tài)處理解決， 兼顧高低轉(zhuǎn)速的測量精度。 3. 單片機(jī) 單片機(jī)是整個測量系統(tǒng)的主要部分，擔(dān)負(fù)對前端脈沖信號的處理、計算、以及 信號的同步，計時等任務(wù)，其次，將測量的數(shù)據(jù)經(jīng)計算后，將得到的轉(zhuǎn)速值傳送到 顯示接口中，用數(shù)碼管顯示數(shù)值。在本系統(tǒng)中考慮到

20、計數(shù)的范圍、使用的定時，計 數(shù)器的個數(shù)及I/O 口線，預(yù)選用89C51單片機(jī)。具體工作情況在后討論。 4. 驅(qū)動和顯示 由于LED數(shù)碼管具有亮度高、可靠性好等特點，工業(yè)測控系統(tǒng)中常用LED數(shù) 碼管作為顯示輸出。本系統(tǒng)也采用數(shù)碼管作顯示。 LED顯示器是用發(fā)光二極管顯示字段的，通常使用七段構(gòu)成“日”字型和一只 發(fā)光二極管作為小數(shù)點，稱八段數(shù)碼顯示器。其有兩種驅(qū)動方式，共陰驅(qū)動和共陽 驅(qū)動，共陰驅(qū)動是各段發(fā)光二極管的陰極連在一起，并將公共端接地，在共陽結(jié)構(gòu) 中，將各段發(fā)光二極管陽極連在一起，并將公共端接上十5V電源，顯示字符對應(yīng)字 型代碼發(fā)光。 2. 2硬件設(shè)計總體方案 硬件設(shè)計的任務(wù)是

21、根據(jù)總體設(shè)計要求，在系統(tǒng)工作原理的基礎(chǔ)上，具體確定系 統(tǒng)中所要使用的元器件，設(shè)計出系統(tǒng)的原理框圖、電路原理圖。 轉(zhuǎn)速是工程中應(yīng)用非常廣泛的一個參數(shù)，早期模擬量的模擬處理一直是作為轉(zhuǎn) 速測量的主要方法，這種測量方法在測量范圍和測量精度上，己不能適應(yīng)現(xiàn)代科技 發(fā)展的要求。而隨著大規(guī)模及超大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字測量系統(tǒng)得到普 遍應(yīng)用，利用單片機(jī)對脈沖數(shù)字信號的強(qiáng)大處理能力，應(yīng)用全數(shù)字化的結(jié)構(gòu)，使數(shù) 字測量系統(tǒng)的越來越普及，在測量范圍和測量精度方面都有極大的提高。 在本轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)由霍爾傳感器、單片機(jī)和顯示器、鍵盤電路等組成。傳感器 部分采用UGN3144霍爾傳感器，負(fù)責(zé)將被測量量的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)

22、化為脈沖信號。因為采 用的是集成霍爾開關(guān)元件，輸出的是數(shù)字信號，可以直接把脈沖信號送入單片機(jī)進(jìn) 行處理。單片機(jī)采用AT89C51,顯示器釆用4個7段LED數(shù)碼管動態(tài)顯示，其系 統(tǒng)框圖如2-2所示。其中整個系統(tǒng)的電源采用雙電源供電，將繼電器驅(qū)動電源與單 片機(jī)及其周邊電路電源完全隔離，利用光電耦合器傳輸信號。這樣做法雖然不如單 電源方便靈活，但可將繼電器工作所造成的干擾完全消除，進(jìn)一步提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。 圖2-2轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)的總體框圖 2. 3軟件設(shè)計思路 軟件需要解決的是定時器o的記數(shù)和外部中斷o的設(shè)定、由于測量的轉(zhuǎn)速范圍 大，所以低速和高速都要考慮在內(nèi)，關(guān)鍵在于一個四字節(jié)除三字節(jié)程

23、序的實現(xiàn)。顯 示部分、需要有一個二進(jìn)制到十進(jìn)制的轉(zhuǎn)化程序，以及轉(zhuǎn)換成非壓縮BCD的程序 后、才能進(jìn)行調(diào)用査表程序送到顯示。 軟件工作流程：霍爾傳感器利用磁電效應(yīng)產(chǎn)生一周期脈沖向單片機(jī)的外部中斷 0 (P3.2) 口發(fā)送一個中斷信號，定時器工作在內(nèi)部定時，THO、TLO設(shè)定初值為0, 作為除數(shù)的低兩字節(jié)，利用軟件記數(shù)器、定時器0中斷的次數(shù)作為除數(shù)高字節(jié)。中 斷完畢讀取內(nèi)部記數(shù)值作為除數(shù)，調(diào)用除法程序計算轉(zhuǎn)速，再對二進(jìn)制數(shù)進(jìn)行一系 列變換后調(diào)用查表顯示程序，顯示在LED上。 轉(zhuǎn)速部分軟件設(shè)計思路：AT89C51單片機(jī)的P3.2 口接收傳感器的信號。主要 編寫一個外部中斷服務(wù)程序INTO,讀取記

24、數(shù)值的三個字節(jié)，并再次清0記數(shù)初值以 便下次的記數(shù)和計算。調(diào)用兩字節(jié)二進(jìn)制-三字節(jié)十進(jìn)制(BCD)轉(zhuǎn)換子程序BCD, 再調(diào)用十進(jìn)制轉(zhuǎn)換成非壓縮BCD程序、最后調(diào)用查表程序送顯示。軟件的具體設(shè)計 我們將在下面的章節(jié)中作詳細(xì)介紹。 -5 - 白城職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文 -7 - 白城職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文 第3章系統(tǒng)硬件設(shè)計 3.1轉(zhuǎn)速測量原理 3.1.1測頻法法" 在一定測量時間T內(nèi)，測量脈沖發(fā)生器（替代輸入脈沖）產(chǎn)生的脈沖數(shù)u來 測量轉(zhuǎn)速，如圖3-1 “M”法測量轉(zhuǎn)速脈沖所示，設(shè)在時間T內(nèi)，轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)過的弧度數(shù) 為則轉(zhuǎn)速n可由下式表示： (34) 60Xr

25、 n= iTtr 轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)過的弧度數(shù)Xy可用下式所示mi (3-2) -# - 白城職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文 -# - 白城職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文 圖3」法測量轉(zhuǎn)速脈沖 將（3-2）式代入（3-1）式得 轉(zhuǎn)速n的表達(dá)式為： 11= 60“ "7F (3-3) P-為轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)一周脈沖發(fā)生器產(chǎn)生的脈沖數(shù)； n-轉(zhuǎn)速單位：（轉(zhuǎn)/分）； T-定時時間單位：（秒）。 在該方法中，測量精度是由于定時時間T和脈沖不能保證嚴(yán)格同步，以及在T 內(nèi)能否正好測量外部脈沖的完整的周期，可能產(chǎn)生的1個脈沖的量化誤差。因此， 為了提高測量精度，T要有足夠長的時間。

26、定時時間可根據(jù)測量對象情況預(yù)先設(shè)置。設(shè)置的時間過長，可以提高精度，但在轉(zhuǎn)速較快的情況下，所計的脈沖數(shù)增大（碼 盤孔數(shù)己定情況下），限制了轉(zhuǎn)速測量的量程。而設(shè)置的時間過短，測量精度會受 到一定的影響。 3.1.2測周期法“T法” 轉(zhuǎn)速可以用兩脈沖產(chǎn)生的間隔寬度Tp來決定。用以采集數(shù)據(jù)的碼盤，可以是單 孔或多孔，對于單孔碼盤測量兩次脈沖間的時間，就可測出轉(zhuǎn)述數(shù)據(jù)，Tp也可以用 時鐘脈沖數(shù)來表示。對于多孔碼盤，其測量的時間只是每轉(zhuǎn)的1/N, N為碼盤孔數(shù)。 如圖3-2 “T”法脈寬測量所示。Tp通過定時器測得。定時器對時基脈沖（頻率為） 進(jìn)行計數(shù)定時，在Tp內(nèi)計數(shù)值若為m2,則計算公式為：

27、(3-4) 60 n= PTp (3-5) 即： Pm2 。為硬件產(chǎn)生的基準(zhǔn)時鐘脈沖頻率：單位（Hz）; n-轉(zhuǎn)速單位：（轉(zhuǎn)/分）； 11Q ■時基脈沖。 圖3?2 法脈寬測量 由“T”法脈寬測量可知“T”法測量精度的誤差主要有兩個方面，一是兩脈 沖的上升沿觸發(fā)時間不一致而產(chǎn)生的；二是計數(shù)和定時起始和關(guān)閉不一致而產(chǎn)生的。 因此要求脈沖的上升沿（或下降沿）陡峭和計數(shù)和定時嚴(yán)格同步。測周法在低轉(zhuǎn)速 時精度較高，但隨著轉(zhuǎn)速的增加，精度變差，有小于一個脈沖的誤差存在。 3.1.3測頻測周法“M/T法" 所謂測頻測周法，即是綜合了 “T”法和“M”法分別對高、低轉(zhuǎn)

28、速具有的不同 精度，利用各自的優(yōu)點而產(chǎn)生的方法，精度位于兩者之間，如圖3-3 “M/T”法定時 /計數(shù)測量所示。 “M/T”法釆用三個定時/計數(shù)器，同時對輸入脈沖、高頻脈沖（由振蕩器產(chǎn)生）、 及預(yù)設(shè)的定時時間進(jìn)行定時和計數(shù)，mi反映轉(zhuǎn)角，m2反映測速的準(zhǔn)確時間，通過計 算可得轉(zhuǎn)速值小 該法在高速及低速時都具有相對較高的精度。測速時間口由脈沖 發(fā)生器脈沖來同步，即Td等于mi個脈沖周期。由圖可見，從a點開始，計數(shù)器對 mi和m2計數(shù)，到達(dá)b點，預(yù)定的測速時間時，單片機(jī)發(fā)出停止計數(shù)的指令，因為 Tc不一定正好等于整數(shù)個脈沖發(fā)生器脈沖周期，所以，計數(shù)器仍對高頻脈沖繼續(xù)計 數(shù)，到達(dá)c點時，脈沖發(fā)生器

29、脈沖的上升沿使計數(shù)器停止，這樣，1比就代表了 個脈沖周期的時間。 “M/T”法綜合了 “T”和“M”兩種方法，轉(zhuǎn)速計算如下： 設(shè)高頻脈沖的頻率為冬，脈沖發(fā)生器每轉(zhuǎn)發(fā)出P個脈沖，由式（3-2）和（3-5） 可得M/T法轉(zhuǎn)速計算公式為： (3-6) 60/X Pm2 n-轉(zhuǎn)速值。單位：（轉(zhuǎn)/分）； 晶體震蕩頻率：單位（Hz）； 輸入脈沖數(shù)，反映轉(zhuǎn)角； m2-時基脈沖數(shù)。 -9 - 白城職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文 -# - 白城職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文 ； rc a i b : ； Td 1 m2 圖3?3 法定時/計數(shù)測量

30、 -# - 白城職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文 3. 1.4轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)中應(yīng)用的方法 通過上面的分析可知，M法適合于高速測量，當(dāng)轉(zhuǎn)速越低，產(chǎn)生的誤差會越大。 T法適合于低速測量，轉(zhuǎn)速增高，誤差增大。M/T這種轉(zhuǎn)速測量方法的相對誤差與 轉(zhuǎn)速n無關(guān)，只與晶體振蕩產(chǎn)生的脈沖有關(guān)，故可適合各種轉(zhuǎn)速下的測量。保證其 測量精度的途徑是增大定時時間T,或提高時基脈沖的頻率氐因此，在實際操作 時往往采用一種稱變M/T的測量方法，即所謂變M/T法，在M/T法的基礎(chǔ)上，讓 測量時間匚始終等于轉(zhuǎn)速輸入脈沖信號的周期之和。并根據(jù)第一次的所測轉(zhuǎn)速及時 調(diào)整預(yù)測時間Tc，兼顧高低轉(zhuǎn)速時的測量精度?；贛法測量速

31、度，電路和程序均 較為簡單，且可以在一定的條件下滿足精度的要求，所以本設(shè)計中采用M法進(jìn)行測 量。 3. 2霍爾傳感器的簡介 3.2.1霍爾效應(yīng) 1. 簡介 霍爾效應(yīng)是磁電效應(yīng)的一種，這一現(xiàn)象是霍爾(A.H.Hall, 1855-1938)于1879 年在研究金屬的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)時發(fā)現(xiàn)的。后來發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)體、導(dǎo)電流體等也有這種效應(yīng)， 而半導(dǎo)體的霍爾效應(yīng)比金屬強(qiáng)得多，利用這現(xiàn)象制成的各種霍爾元件，廣泛地應(yīng)用 于工業(yè)自動化技術(shù)、檢測技術(shù)及信息處理等方面?；魻栃?yīng)是研究半導(dǎo)體材料性能 的基本方法。通過霍爾效應(yīng)實驗測定的霍爾系數(shù)，能夠判斷半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電類型、 載流子濃度及載流子遷移率等重要參數(shù)。流體中的

32、霍爾效應(yīng)是研究“磁流體發(fā)電” 的理論基礎(chǔ)。 2. 霍爾效應(yīng) 將一塊半導(dǎo)體或?qū)w材料，沿Z方向加以磁場B,沿X方向通以工作電流I, 則在Y方向產(chǎn)生出電動勢Vh，如圖3-4所示，這現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)。Vh稱為霍爾 電壓。 圖3-4霍爾效應(yīng)原理圖 實驗表明，在磁場不太強(qiáng)時，電位差Vh與電流強(qiáng)度I和磁感應(yīng)強(qiáng)度B成正比, 與板的厚度d成反比，即 (3-7) (3-8) v”=kjb 式(3-7)中Rh稱為霍爾系數(shù)，式(3-8)中Kh稱為霍爾元件的靈敏度，單位為mv /(mA ?T)。產(chǎn)生霍爾效應(yīng)的原因是形成電流的作定向運動的帶電粒子即載流子(N 型半導(dǎo)體中的載流子是帶負(fù)電荷的電子，P

33、型半導(dǎo)體中的載流子是帶正電荷的空穴) 在磁場中所受到的洛侖茲力作用而產(chǎn)生的。 如圖3-4 (a)所示，一塊長為/、寬為b、厚為d的N型單晶薄片，置于沿Z 軸方向的磁B中，在X軸方向通以電流I,則其中的載流子——電子所受到的洛侖 茲力為 Fm =qVxB = -eVxB = -eVBj (3-9) -11 - 白城職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文 -# - 白城職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文 式中卩為電子的漂移運動速度，其方向沿X軸的負(fù)方向。為電子的電荷量。 丘指向Y軸的負(fù)方向。自由電子受力偏轉(zhuǎn)的結(jié)果，向A側(cè)面積聚，同時在B側(cè)面 上出現(xiàn)同數(shù)量的正電荷，在兩側(cè)面間形成一個沿

34、Y軸負(fù)方向上的橫向電場左円(即 霍爾電場)，使運動電子受到一個沿Y軸正方向的電場力E, A、B面之間的電位差 為匕(即霍爾電壓)，則 一 一 一 一 Vu 一 (3-10) Fe = QEH = -eEH =叫丿=幺萬 J 將阻礙電荷的積聚，最后達(dá)穩(wěn)定狀態(tài)時有 一 V - -eVBj + e-^j = O b V eVB = e-^ b 得 =VBb (3-11) 此時B端電位高于A端電位。 若N型單晶中的電子濃度為11,則流過樣片橫截面的電流 I=nebdV V = (3 ■⑵ nebd 將(3 ?⑵式代入(3.11)式得 (3-13)

35、-13 - 白城職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文 -# - 白城職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文 式中知=懇稱為霍爾系數(shù)，它表示材料產(chǎn)生霍爾效應(yīng)的本領(lǐng)大?。籏H=l^d稱 為霍爾元件的靈敏度，一般地說，Kh愈大愈好，以便獲得較大的霍爾電壓Vh。因 Kh和載流子濃度n成反比，而半導(dǎo)體的載流子濃度遠(yuǎn)比金屬的載流子濃度小，所以 釆用半導(dǎo)體材料作霍爾元件靈敏度較高。乂因Kh和樣品厚度d成反比，所以霍爾 片都切得很薄，一般d~0.2mm。 上面討論的是N型半導(dǎo)體樣品產(chǎn)生的霍爾效應(yīng)，B側(cè)面電位比A側(cè)面高；對于 P型半導(dǎo)體樣品，由于形成電流的載流子是帶正電荷的空穴，與N型半導(dǎo)體的情況

36、相反，A側(cè)面積累正電荷，B側(cè)面積累負(fù)電荷，如圖3-4 (b)所示，此時，A側(cè)面 電位比B側(cè)面高。由此可知，根據(jù)A、B兩端電位的高低，就可以判斷半導(dǎo)體材料 的導(dǎo)電類型是P型還是N型。 由(3-13)式可知，如果霍爾元件的靈敏度Rh己知，測得了控制電流I和產(chǎn)生 的霍爾電壓Vh，則可測定霍爾元件所在處的磁感應(yīng)強(qiáng)度為： 高斯計就是利用霍爾效應(yīng)來測定磁感應(yīng)強(qiáng)度B值的儀器。它是選定霍爾元件, 即Kh己確定，保持控制電流I不變，則霍爾電壓Vh與被測磁感應(yīng)強(qiáng)度B成正比。 如按照霍爾電壓的大小，預(yù)先在儀器面板上標(biāo)定出高斯刻度，則使用時 由指針 示值就可直接讀出磁感應(yīng)強(qiáng)度B值。 由（3J3）式知

37、 因此將待測的厚度為d的半導(dǎo)體樣品，放在均勻磁場中，通以控制電流I,測出 霍爾電壓Vh，再用高斯計測出磁感應(yīng)強(qiáng)度B值，就可測定樣品的霍爾系數(shù)Rh。乂 R =— 因” ne （或pe）,故可以通過測定霍爾系數(shù)來確定半導(dǎo)體材料的載流子濃度n （或p） 5和p分別為電子濃度和空穴濃度）。 嚴(yán)格地說，在半導(dǎo)體中載流子的漂移運動速度并不完全相同，考慮到載流子速 度的統(tǒng)計分布，并認(rèn)為多數(shù)載流子的濃度與遷移率之積遠(yuǎn)大于少數(shù)載流子的濃度與 遷移率之積，可得半導(dǎo)體霍爾系數(shù)的公式中還應(yīng)引入一個霍爾因子乍，即 心亠或么） ne pe 普通物理實驗中常用N型Si、N型Ge、IiiSb和IiiAs等

38、半導(dǎo)體材料的霍爾元件 3 在室溫下測量，霍爾因子m 飛心■,所以: 式中， = 1.602 x 10七庫侖 3. 2. 2霍爾元件 霍爾元件是一種基于霍爾效應(yīng)的磁傳感器，己發(fā)展成一個品種多樣的磁傳感器 產(chǎn)品族，并己得到廣泛應(yīng)用?；魻栐且环N磁傳感器。要他們可以檢測磁場及其 變化，可以在各種與磁場有關(guān)的場合中?；魻柶骷曰魻栃?yīng)為其工作基礎(chǔ)。 霍爾器件具有許多優(yōu)點，他們的結(jié)構(gòu)牢固，體積小，重量輕，壽命長，安裝方 便，功耗小，頻率高（可達(dá)1MHZ）,耐震動，不怕灰塵、水汽及煙霧等污染或腐 蝕。 霍爾線性器件的精度高、線性度好；霍爾開關(guān)器件無觸點、無磨損、輸出波形 清晰、無抖動、無回

39、調(diào)、位置重復(fù)精度高(可達(dá)um級)。釆用了各種補(bǔ)償措施的 霍爾器件的工作溫度范圍廣，可達(dá)55-150度。 按照霍爾器件的功能可將他們分為：霍爾線性器件和霍爾開關(guān)器件。前者輸出 模擬量，后者輸出數(shù)字量。 按被檢測的對象的性質(zhì)可將它們分為：直接應(yīng)用和間接應(yīng)用。前者是直接檢測 出被測對象本身的磁場或磁特性，后者是檢測被檢測對象上人為設(shè)置的磁場，用這 個磁場作為被檢測信息的載體，通過它，將許多非電、非磁的物理量例如力、力矩、 壓力、應(yīng)力、位置、位移、加速度、角度、角速度、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)數(shù)以及工作狀態(tài)發(fā)生 變化的時間等，轉(zhuǎn)換成電量來進(jìn)行檢測和控制。 集成霍爾傳感器是利用硅集成電路工藝將霍爾元件和測量線路集

40、成在一起的一 種傳感器。它取消了傳感器和測量電路之間的界限，實現(xiàn)了材料、元件、電路三位 一體。集成霍爾傳感器與分立相比，由于減少了焊點，因此顯著地提高了可靠性。 此外，它具有體積小、重量輕、功耗低等優(yōu)點，正越來越愛到眾的重視。集成霍爾 傳感器的輸出是經(jīng)過處理的霍爾輸出信號。按照輸出信號的形式，可以分為開關(guān)型 集成霍爾傳感器和線性集成霍爾傳感器兩種類型。 開關(guān)型集成霍爾傳感器是把霍爾元件的輸出經(jīng)過處理后輸出一個高電平或低電平的 數(shù)字信號?；魻栭_關(guān)電路乂稱霍爾數(shù)字電路，由穩(wěn)壓器、霍爾片、差分放大器，施 密特觸發(fā)器和輸出級組成。 323霍爾元件的應(yīng)用 使用霍爾器件檢測磁場的方法極為簡單，將霍爾

41、器件做成各種形式的探頭，放 在被測磁場中，因霍爾器件只對垂直于霍爾片表面的磁感應(yīng)強(qiáng)度敏感，因而必須令 磁力線和器件表面垂直，通電后即可由輸出電壓得到被測磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度。若不 垂直，則應(yīng)求出其垂直分量來計算被測磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度值。而且，因霍爾元件的 尺寸極小，可以進(jìn)行多點檢測，由單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，可以得到場的分布狀態(tài)， 并可對狹縫，小孔中的磁場進(jìn)行檢測用磁場作為被傳感物體的運動和位置信息載體 時，一般釆用永久磁鋼來產(chǎn)生工作磁場。例如，用一個5X4X2.5 (nun3)的枚鐵硼 II號磁鋼，就可在它的磁極表面上得到約2300高斯的磁感應(yīng)強(qiáng)度。在空氣隙中，磁 感應(yīng)強(qiáng)度會隨距離增加而迅速下降。為保

42、證霍爾器件，尤其是霍爾開關(guān)器件的可靠 工作，在應(yīng)用中要考慮有效工作氣隙的長度。在計算總有效工作氣隙時，應(yīng)從霍爾 片表面算起。在封裝好的霍爾電路中，霍爾片的深度在產(chǎn)品手冊中會給出。因為霍 爾器件需要工作電源，在作運動或位置傳感時，一般令磁體隨被檢測物體運動，將 霍爾器件固定在工作系統(tǒng)的適當(dāng)位置，用它去檢測工作磁場，再從檢測結(jié)果中提取 被檢信息。 3.2.4 UGN3144霍爾開關(guān)元件 1. UGN3144霍爾開關(guān)元件的工作原理 UGN3144霍爾開關(guān)元件屬于開關(guān)型霍爾傳感器（集成霍爾開關(guān)），它是把霍爾 片產(chǎn)生的霍爾電壓⑷放大后驅(qū)動觸發(fā)電路，輸出電壓是能反映B的變化的方脈沖。 集成霍爾開關(guān)由

43、穩(wěn)壓器、霍爾電勢發(fā)生器（即硅霍爾片）、差分放大器、施密特觸 發(fā)器和OC門輸出五個基本部分組成。在輸入端（1、2之間）輸入電壓Vcc,經(jīng)穩(wěn) 壓器穩(wěn)壓后加在霍爾發(fā)生器的兩電流端。根據(jù)霍爾效應(yīng)原理，當(dāng)霍爾片處于磁場中 時，霍爾發(fā)生器的兩電壓端將會有一個霍爾電勢差血輸出。Vh經(jīng)放大器放大以后 送至施密特觸發(fā)器整形，使其成為方波輸送到0C門輸出。 圖3-5開關(guān)型霍爾傳感器的原理 當(dāng)外磁場〃達(dá)到“工作點Wop時，觸發(fā)器輸出高電平（相對于地電位）,三極 管導(dǎo)通，此時，OC門輸出端輸出低電平，通常稱這種狀態(tài)為“開”；當(dāng)外磁場B達(dá) 到“釋放點”p時，觸發(fā)器輸出低電平，三極管截止，OCH輸出高電平，這

44、時稱其 為咲”狀態(tài)』op與p是有一定差值的,此差值BH=Bop-Brp稱為霍爾開關(guān)的磁滯。 〃的變化不超過〃H,霍爾開關(guān)不翻轉(zhuǎn)，這就使得開關(guān)輸出穩(wěn)定可靠。集成霍爾開關(guān) 傳感器的輸出特性如圖（3-6）。 -15 - 白城職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文 12 v0/v 1 I工作點 \ (ON) 釋放點| (OFF) | B/mT 10 15 20 17 白城職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文 # 白城職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文 圖3-6開關(guān)型霍爾傳感器的輸出特性 2. UGN3144主要技術(shù)性能與特點 Allegio MicioSystenis公

45、司生產(chǎn)的UGN 3144器件是雙極性磁場即N,S交變場 磁啟動的霍爾開關(guān)電路，它的主要性能特點如下： （1） 電源電壓為4.5—24V； （2） 連續(xù)輸出電流為25MA; （3） 磁通密度不受限制，輸出關(guān)斷電壓為25V； （4） 具有反向電壓保護(hù)（反向電壓為35V）和極好的溫度穩(wěn)定性； （5） 工作溫度為-20到85攝氏度或者是4）到25Co 3. UGN3144霍爾開關(guān)元件的引腳功能和封裝形式 UGN3144釆用SOT89或者TO-243封裝。其中，弓|腳端1為電源正端，弓I腳 端2為接地，引腳端3為輸出（OC形式）。 圖3-7 UGN3144的封裝結(jié)構(gòu) 4. UGN3

46、144霍爾開關(guān)元件在測量系統(tǒng)中的設(shè)計 UGN3144霍爾開關(guān)元件芯片內(nèi)部包含有穩(wěn)壓電路，霍爾效應(yīng)電壓產(chǎn)生電路，信 號放大器，施密特觸發(fā)器和一個集電極開路輸出電路。集電極開路輸出電路可連續(xù) 輸出25MA電流，可直接控制繼電器，雙向可控硅，可控硅，LED和燈負(fù)載。其具 有輸出自舉電路，也可直接與雙極型和MOS邏輯電路連接。 轉(zhuǎn)速測量是開關(guān)型霍爾元件的典型應(yīng)用,UGN3144霍爾開關(guān)元件感應(yīng)被測量量 的轉(zhuǎn)速，當(dāng)被測量量每轉(zhuǎn)動一周，霍爾傳感器便輸出一個脈沖，因為該器件為集電 極開路輸出，故輸出端加接一上拉電阻，其電壓電壓范圍寬達(dá)4.5 V到24V,對磁 感應(yīng)強(qiáng)度B要求不嚴(yán)，其輸出電壓經(jīng)9012

47、后可提高其負(fù)載能力。其具體電路圖如 3-8 JJrzjx： 圖3-8 UGN3144霍爾開關(guān)元件與單片機(jī)的連接電路 3.3單片機(jī)及其接口的設(shè)計 3.3.1 AT89C51單片機(jī)的簡介 單片機(jī)我們采用AT89C51(其引腳圖如圖3-9),相較于INTEL公司的8051它本 身帶有一定的優(yōu)點。AT89C51是一種帶4K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存貯器 (FPEROM_Falsh Programmable aiid Erasable Read Only Memoiy)的低電壓，高性 能CMOS 8位微處理器，俗稱單片機(jī)。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲器制 造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)

48、的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位 CPU和閃爍存儲器組合在單個芯片中，ATMEL的AT89C51是一種高效微控制器， AT89C單片機(jī)為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價廉的方案。 圖3-9AT89C51引腳圖 主要特性: ?與MCS-51兼容 ?4K字節(jié)可編程閃爍存儲器 壽命：1000寫/擦循環(huán) ?數(shù)據(jù)保留時間：10年 ?全靜態(tài)工作：0Hz-24Hz ?三級程序存儲器鎖定 ?128*8位內(nèi)部RAM ?32可編程I/O線 ?兩個16位定時器/計數(shù)器 ?5個中斷源 ?可編程串行通道 ?低功耗的閑置和掉電模式 ?片內(nèi)振蕩器和時鐘電路

49、 管腳說明： 1. VCC：供電電壓； 2. GND：接地； 3. P0 口： P0 口為一個8位漏極開路雙向I/O 口，每腳可吸收8TTL門電流。當(dāng) P1 口的管腳第一次寫1時，被定義為高阻輸入。P0能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲器, 它可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的第八位。在FIASH編程時，P0 口作為原碼輸入口，當(dāng) FIASH進(jìn)行校驗時，P0輸出原碼，此時P0外部必須被拉高。 4. P1 口： P1 口是一個內(nèi)部提供上拉電阻的8位雙向I/O 口，P1 口緩沖器能接收 輸出4TTL門電流。P1 口管腳寫入1后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入，P1 口被外 部下拉為低電平時，將輸出電流，這是由于內(nèi)

50、部上拉的緣故。在FLASH編程和校 驗時，P1 口作為第八位地址接收。 5. P2 口： P2 口為一個內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O 口，P2 口緩沖器可接收，輸 出4個TTL門電流，當(dāng)P2 口被寫“1”時，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。 并因此作為輸入時，P2 口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內(nèi)部上拉的緣 故。P2 口當(dāng)用于外部程序存儲器或16位地址外部數(shù)據(jù)存儲器進(jìn)行存取時，P2 口輸 出地址的高八位。在給出地址“1”時，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢，當(dāng)對外部八位地址數(shù)據(jù) 存儲器進(jìn)行讀寫時，P2 口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。P2 口在FLASH編程和校 驗時接收高八位地址信號和控制

51、信號。 6. P3 口： P3 口管腳是8個帶內(nèi)部上拉電阻的雙向I/O 口，可接收輸出4個TTL 門電流。當(dāng)P3 口寫入“1”后，它們被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入， 由于外部下拉為低電平，P3 口將輸出電流（ILL）這是由于上拉的緣故。 P3 口也可作為AT89C51的一些特殊功能口，如下表3-1所示： 19 白城職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文 7. RST：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器復(fù)位器件時，要保持RST腳兩個機(jī)器周期的高電 平時間。 &ALE/FROG：當(dāng)訪問外部存儲器時，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址 的地位字節(jié)。在FLASH編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時，

52、ALE端以 不變的頻率周期輸出正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此它可用作對外部 輸出的脈沖或用于定時目的。然而要注意的是：每當(dāng)用作外部數(shù)據(jù)存儲器時，將跳 過一個ALE脈沖。如想禁止ALE的輸出可在SFR8EH地址上置0。 表3-1 P3 I I的第二功能 引 腳 第二功能 信號名稱 P3.0 RXD 串行數(shù)據(jù)接收 P3.1 TXD 串行數(shù)據(jù)發(fā)送 P3.2 INTO 外部中斷0請求 P3.4 INTI 外部中斷1請求 P3.4 TO 定時鵠計數(shù)器0輸入 P3.5 T1 定時器/計數(shù)器1輸入 P3.6 WR 外部RAM寫婭 P3.7

53、RD 外部RAM讀選通 P3 口同時為閃爍編程和編程校驗接收一些控制信號。 此時，ALE只有在執(zhí)行MOVX, MOVC指令是ALE才起作用。另外，該引腳被 略微拉高。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài)ALE禁止，置位無效。 9./PSEN：外部程序存儲器的選通信號。在由外部程序存儲器取指期間，每個機(jī) 器周期兩次/PSEN有效。但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，這兩次有效的/PSEN信號將 不出現(xiàn)。 10?，佗AVPP：當(dāng)/EA保持低電平時，則在此期間外部程序存儲器 (0000H-FFFFH),不管是否有內(nèi)部程序存儲器。注意加密方式1時，/EA將內(nèi)部 鎖定為RESET；當(dāng)/EA端保持高電平時，此間

54、內(nèi)部程序存儲器。在FLASH編程期 間，此引腳也用于施加12V編程電源(VPP)。 11. XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時鐘工作電路的輸入。 12. XTAL2：來自反向振蕩器的輸出。 3.3.2復(fù)位電路 計算機(jī)在啟動運行時都需要復(fù)位，使中央處理器CPU和系統(tǒng)中的其它部件都處 于一個確定的初始狀態(tài)，并從這個狀態(tài)開始工作。 MCS-51單片機(jī)有一個復(fù)位引腳RST,它是史密特觸發(fā)輸入（對于CHMOS單片 機(jī)，RST引腳的內(nèi)部有一個拉低電阻），當(dāng)振蕩器起振后該引腳上出現(xiàn)2個機(jī)器周期 （即24個時鐘周期）以上的高電平，使器件復(fù)位，只要RST保持高電平，MCS-51保 持復(fù)位狀態(tài)。此

55、時ALE、PSEN、PO、Pl、P2、P3 口都輸出高電平。RST變?yōu)榈碗?平后，退出復(fù)位，CPU從初始狀態(tài)開始工作。單片機(jī)釆用的復(fù)位方式是釆用芯片 TCM812進(jìn)行復(fù)位。 TCM812是高性價比的系統(tǒng)監(jiān)控電路，用于對數(shù)字系統(tǒng)的電源電壓VDD進(jìn)行 監(jiān)控，并在必要時向主處理器提供復(fù)位信號。提供的手動復(fù)位輸入可以替代復(fù)位監(jiān) 控器，適合使用按鍵來復(fù)位。無需外部元件。該器件由SOT-143方式封裝，工作 溫度范圍為4TC至十85C。其引腳如下： 圖3-10TCM812芯片的引腳圖 TCM812芯片的引腳功能： （1） GND 地 （2） RESET當(dāng)VDD低于復(fù)位電壓門限值和VDD恢

56、復(fù)上升到高于復(fù)位電壓 門限值之后的140ms （最小值）內(nèi)，RESET推挽輸出保持高電平。 （3） MR手動復(fù)位輸入，當(dāng)MR低于VIL時產(chǎn)生復(fù)位。 （4） VDD電源電壓 由于TCM812芯片的特點，本設(shè)計中釆用該芯片進(jìn)行復(fù)位，其電路圖如下： 3.3.3時鐘電路 時鐘電路是計算機(jī)的心臟，它控制著計算機(jī)的工作節(jié)奏。MCS-51單片機(jī)允許的 時鐘頻率是因型號而異的典型值為12MHz。MCS-51內(nèi)部都有一個反相放大器， XTALE XTAL2分別為反相放大器輸入和輸出端，外接定時反饋元件以后就組成振 蕩器，產(chǎn)生時鐘送至單片機(jī)內(nèi)部的各個部件。電路中的電容C1和C2典型值通常選擇 為30

57、p佐右。對外接電容的值雖然沒有嚴(yán)格的要求，但電容的大小會影響振蕩器的 頻率的高低，振蕩器的穩(wěn)定性和起振的快速性。晶振的振蕩頻率的范圍通常是在 I. 2MHZ-12MHZ之間。晶振的頻率越高，則系統(tǒng)的時鐘頻率也就越高，單片機(jī)的運 行速度也就越快。但反過來運行速度快對存儲器的速度要求就高，對印制電路板的 工藝要求也高，即要求線簡的寄生電容要??；晶振和電容應(yīng)盡可能安裝得與單片機(jī) 芯片靠近，以減少寄生電容，更好地保證振蕩器穩(wěn)定，可靠地工作。綜合考慮，本 設(shè)計釆用30p啲電容，因為晶振的頻率無法精確達(dá)到12MHZ,所以一般情況釆用 II. 0592MHZ,其電路圖如下所示： 廠1r 圖3-12A

58、T89C51的時鐘電路 3. 3. 4顯示電路 顯示電路釆用LED數(shù)碼管顯刀;"，LED (Liglit-EmittmgDiode)是一種外加電壓從 而渡過電流并發(fā)出可見光的器件。LED是屬于電流控制器件，使用時必須加限流電 阻。LED有單個LED和八段LED之分，也有共陰和共陽兩種。 1. LED顯示器的結(jié)構(gòu)及其工作原理 常用的七段顯示器的結(jié)構(gòu)如圖3-13所示。發(fā)光二極管的陽極連在一起的稱為共 陽極顯示器，陰極連在一起的稱為共陰極顯示器。1位顯示器由八個發(fā)光二極管組成, 其中七個發(fā)光二極管a?g控制七個筆畫(段)的亮或暗，另一個控制一個小數(shù)點的 -23 - 白城職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢

59、業(yè)論文 亮和暗，這種筆畫式的七段顯示器能顯示的字符較少，字符的開頭有些失真，但控 制簡單，使用方便。 此外，要畫出電路圖，首先還要搞清楚他的引腳圖的分布，在了解了正確的引 腳圖后才能進(jìn)行正確的字型段碼編碼。才能顯示出正確的數(shù)字來，如圖3-13所示， 為七段數(shù)碼管的管腳圖。 a f g b e c d ■ ? gfedcba ? sfedcba VCC公共陽極COM GND公共陰fecow 圖3-13七段發(fā)光顯示器的結(jié)構(gòu) LED數(shù)碼管通過點亮特定的字段來顯示數(shù)字或符號。共陰與共陽七段LED數(shù)碼 管的顯示字符與對應(yīng)的顯示段碼如下表所示，共陽七段數(shù)碼管

60、的段碼剛好是共陰七 段數(shù)碼管段碼的反碼。 表3-2共陰極七段LED數(shù)碼管和共陽極七段LED數(shù)碼管的顯示段碼表 顯 示 字 符 0 1 2 3 4 5 6 7 共 陰 極 字 符 3FH 06H 5BH 4FH 66H 6DH 7DH 07H 共 陽 極 字 符 COH F9H A4H BOH 99H 92H 82H F8H 顯 示 字 符 9 A b C d E F H 共 陰 極 字 符 6FH 77H 7CH 39H 5EH 79H 71H 76H 共 陽 極 字 符 9

61、0H 88H 83H C6H A1H 86H 8EH 89H LED數(shù)碼管要正常顯示，就要用驅(qū)動電路來驅(qū)動數(shù)碼管的各個段碼，從而顯示 出我們要的數(shù)位，因此根據(jù)LED數(shù)碼管的驅(qū)動方式的不同，可以分為靜態(tài)式和動態(tài) 式兩類。 A-靜態(tài)顯示驅(qū)動 -25 - 白城職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文 靜態(tài)驅(qū)動也稱直流驅(qū)動。靜態(tài)驅(qū)動是指每個數(shù)碼管的每一個段碼都由一個單片 機(jī)的I/O 口進(jìn)行驅(qū)動，或者使用如BCD碼二-十進(jìn)位器進(jìn)行驅(qū)動。靜態(tài)驅(qū)動的優(yōu)點 是編程簡單，顯示亮度高，缺點是占用I/O埠多，如驅(qū)動5個數(shù)碼管靜態(tài)顯示則需 要5x8=40根I/O 口來驅(qū)動，要知道一個89C51單片機(jī)可

62、用的LO 口才32個呢。故 實際應(yīng)用時必須增加驅(qū)動器進(jìn)行驅(qū)動，增加了硬體電路的復(fù)雜性。 B.動態(tài)顯示驅(qū)動 數(shù)碼管動態(tài)顯示介面是單片機(jī)中應(yīng)用最為廣泛的一種顯示方式之一，動態(tài)驅(qū)動 是將所有數(shù)碼管的8個顯示筆劃”a,b,cde,f,g,?“的同名端連在一起，另外為每個數(shù)碼 管的公共極COM增加位元選通控制電路，位元選通由各自獨立的I/O線控制，當(dāng) 單片機(jī)輸出字形碼時，所有數(shù)碼管都接收到相同的字形碼，但究竟是那個數(shù)碼管會 顯示出字形，取決于單片機(jī)對位元選通COM端電路的控制，所以我們只要將需要 顯示的數(shù)碼管的選通控制打開，該位就顯示出字形，沒有選通的數(shù)碼管就不會亮。 2. LED顯示器接口電路的

63、具體設(shè)計 單片機(jī)的LED顯示接口設(shè)計可采用多種方案。按照顯示方式分為靜態(tài)顯示接口 電路和動態(tài)顯示接口電路。從與單片機(jī)的接口方式來分可分為并行接口方式和串行 接口方式。在設(shè)計LED顯示接口電路時，既可采用通用集成芯片，也可采用專用的 集成顯示接口芯片。在本設(shè)計考慮了綜合因素，一般釆用動態(tài)顯示方式，采用了 HD7279驅(qū)動器驅(qū)動LED數(shù)碼管，在接下來的小節(jié)中將具體介紹其功能。因 為HD7279A是一款具有簡單SPI串行接口的器件，可直接驅(qū)動8位共陰式數(shù)碼管, 所以我們釆用了共陰極數(shù)碼管。為了使LED數(shù)碼管的正常工作，都采用一定的驅(qū)動 電壓，所以在顯示電路設(shè)計過程中，還應(yīng)該加上限流電阻，具體的電路

64、圖將在下節(jié) 一起介紹。 3. 3.5 HD7279 接口 1.引腳介紹 HD7279A是一款具有簡單SPI串行接口的器件，可直接驅(qū)動8位共陰式數(shù)碼 管（或64個獨立的LED）,管理多達(dá)64鍵鍵盤，單片即可完成LED顯示和鍵盤接口 的全部功能，大大簡化電路設(shè)計，占用單片機(jī)資源極少（最少2線），完全免調(diào)試， 外圍電路更簡單。HD7279A內(nèi)部含有譯碼器可直接接收BCD碼或16進(jìn)制碼，也可 不譯碼，并同時具有兩種譯碼方式。此外，該器件還具有多種控制指令，諸如消隱, 閃爍，左移，右移和段尋址等，顯示控制方式靈活，其段尋址能力可用于獨立的LED 顯示或信息指示燈控制。圖3-14為HD729A的引腳

65、配置，其各引腳功能描述如表 3-3所列。HD7279A具有片選信號，可方便實現(xiàn)高于8位的顯示或高于64鍵的鍵盤 接口，采用多片級聯(lián)，對片選信號進(jìn)行譯碼即可實現(xiàn)。當(dāng)應(yīng)用系統(tǒng)中只有一片 HD7279A時，片選端CS可直接接地。 圖3-14HD7279引腳配置 表3-3 HD7279引腳功能介紹 引腳 名稱 功能描述 12 VDD 正電源 3& NC 無連接，必須懸空 4 VSS 6 CS 片選輸入端，此引腳為低電平，可向器件發(fā)送指 令及卿 7 CLK 同步時鐘輸入端，向器件發(fā)送數(shù)據(jù)及讀取鍵盤數(shù) 據(jù)時，此引腳電平上升沿表示數(shù)據(jù)有效 8 DATA

66、串行婁器輸入/輸出端，當(dāng)器件接收指令時，此引 腳為輸入端；當(dāng)讀取鍵盤械時，此引腳在讀 指令最后一個時鐘的下降沿變?yōu)檩敵龆? 9 KEY 按鍵有效輸出端，平時為高電平，當(dāng)檢測到有效 按的，此引腳制氐電平 10~16 SG ?SA 段g~段a驅(qū)動輸出 17 DP 小數(shù)點啊輸出 18-25 DIG0-DIG7 數(shù)字0~數(shù)字7驅(qū)動輸出 26 CLKO RC振蕩器讎端 27 RC 復(fù)位端 28 RESET 復(fù)鯽 2. HD7279A的工作原理 HD7279A最顯著的優(yōu)點是與單片機(jī)的接口簡單，最多只需5條連接線，分別是 復(fù)位端RESET,片選輸入端CS,同步時鐘輸入端CLK,數(shù)據(jù)輸入輸出端DATA和 按鍵有效輸出端KEY。在一般應(yīng)用系統(tǒng)中，RESET可直接接電源，當(dāng)應(yīng)用系統(tǒng)中只有一片HD7279A器件時，CS也可以直接接地，此時只需占用3條單片機(jī)的I / O 端口線，如果應(yīng)用系統(tǒng)中沒有鍵盤，僅具有顯示功能，或者即使有鍵盤，但單片機(jī) 軟件任務(wù)不復(fù)雜，均可不接KEY線，使用定時讀取鍵盤鍵值代碼的方法，則此時只 需占用2條單片機(jī)的"0端