1、学士学位论文（设计）BACHELORSTHESIS论文题目基于霍尔传感器的转速测量研究作者姓名学号2008112020344所在院系物理与电子科学学院学科专业名称电子信息科学与技术导师及职称副教授论文答辩时间2012年5月12日编号2012120344研究类型应用研究分类号TN219I湖北师范学院学士学位论文（设计）诚信承诺书中文题目基于霍尔传感器的转速测量研究外文题目ROTATESPEEDMEASUREMENTSYSTEMBASEDONHALLSENSOR学生姓名学号2008112020344院系专业物理与电子科学学院电子信息科学与技术班级0803学生承诺我承诺在毕业论文（设计）活动中遵守学
2、校有关规定，恪守学术规范，本人毕业论文（设计）内容除特别注明和引用外，均为本人观点，不存在剽窃、抄袭他人学术成果，伪造、篡改实验数据的情况。如有违规行为，我愿承担一切责任，接受学校的处理。学生（签名）2012年5月10日指导教师承诺我承诺在指导学生毕业论文（设计）活动中遵守学校有关规定，恪守学术规范，经过本人核查，该生毕业论文（设计）内容除特别注明和引用外，均为该生本人观点，不存在剽窃、抄袭他人学术成果，伪造、篡改实验数据的现象。指导教师（签名）2012年5月10日II目录湖北师范学院学士学位论文（设计）诚信承诺书I1绪论111课题研究目的及意义112应用与发展前景213设计任务与要求22课题
3、方案设计321系统总体设计要求322系统模块结构论证323转速测量方案论证53基于霍尔传感器的转速测量系统硬件设计631转速测量系统的硬件电路设计732霍尔传感器测量电路设计933单片机AT89C511234显示电路设计154系统软件设计1741程序设计步骤1742程序流程图1743软件程序设计215软件调试2651PROTEUS及KEIL软件简介2652应用KEIL软件进行程序调试2853PROTEUS软件仿真2854硬件软件联合调试316结论32致谢34湖北师范学院学士学位论文（设计）评审表36湖北师范学院物理与电子科学学院2012届学士学位论文1基于霍尔传感器的转速测量研究（指导老师，副
4、教授）（湖北师范学院物理与电子科学学院中国黄石435002）摘要本文设计了基于单片机AT89C51的直流电机转速测量系统。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12V的脉冲。经光电隔离后输出幅度为5V的转数计数器的计数脉冲。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1602实现在LCD上直观地显示电机的转速值。关键词转速测量霍尔传感器AT89C51单片机LCD中图分类号TN219ROTATESPEEDMEASUREMENTSYSTEMBASEDONHALLSENSORZHANGLEITUTORLIUXING
5、YUNCONTENTELECTRICITYINSTITUTE,HUBEINORMALUNIVERSITY,HUANGSHI435002ABSTRACTTHISARTICLEISDESIGNTHESYSTEMABOUTDCMOTORSPEEDMEASUREMENTWHICHISBASEDONHALLSENSORANDAT89C51EVERYREVOLUTIONOFTHECRANKSHAFTWILLGENERATEACERTAINAMOUNTOFPULSESWHOSEAMPLITUDEIS12VTHEOPTOCOUPLERTURNSTHESECERTAINAMOUNTOFPULSESINTO5AM
6、PLITUDECOUNTIMPULSETHEMOTORSPEEDCANBEMEASUREDBYCONTROLLINGTHETIMEINTHEDESIGNOFDISPLAYCIRCUIT,THENUMBEROFMOTORSPEEDISDISPLAYEDINLCDDIRECTLYTHROUGH1602KEYWORDSSPEEDMEASUREMENT；HALLSENSOR；AT89C51；OPTOCOUPLER；LCD湖北师范学院物理与电子科学学院2012届学士学位论文1基于霍尔传感器的转速测量研究（指导老师，副教授）（湖北师范学院物理与电子科学学院中国黄石435002）1绪论11课题研究目的及意义
7、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，常需要测量和显示其转速。测量转速的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，得到的信号是模拟量。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出现，转速测量普遍采用以单片机为核心的数字式测量方法，智能化微电脑代替了一般机械式或模拟式结构。霍尔传感器是利用霍尔效应实现磁电转换的一种传感器,它具有灵敏度高、线性度好、稳定性高、体积小和耐高温等特点,在机车控制系统中占有非常重要的地位1
8、。测速装置在控制系统中占有非常重要的地位,对测速装置的要求是分辨能力强、高精度和尽可能短的检测时间。在此主要介绍应用霍尔传感器通过测量磁场强度,来得到稳定的脉冲方波信号,实现电机转速的测量转速是电动机极为重要的一个状态参数,在很多运动系统的测控中,都需要对电机的转速进行测量,速度测量的精度直接影响系统的控制情况,它是关系测湖北师范学院物理与电子科学学院2012届学士学位论文2控效果的一个重要因素。不论是直流调速系统还是交流调速系统,只有转速的高精度检测才能得到高精度的控制系统。12应用与发展前景随着微型计算机可靠性提高和价格的下降,用单片机测量电机转速已日趋普遍。我们知道,欲提高测量精度,必须
9、先测出准确的转速,而原先在可控硅调速电路中采用的测速发电机方式已不能满足要求,必须采用数字测速的方法2。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M法测频法。本文采用频率法，检测的是输入脉冲数,这种方式又称频率法。它测出一定时间内输入的脉冲的个数。它在控制系统中占有非常重要的地位。对测速装置的要求是分辨能力强、高精度和尽可能短的检测时间。所设计的基于霍尔元件的脉冲发生器要求成本低，构造简单，性能好。在电气控制系统中存在着较为恶劣的电磁环境，因此要求产品本身要具有较强的抗干扰能力。由于需要采用霍尔传感器的应用领域，如汽车、
10、电机、手机和电脑都已经采用了该器件，而且这些市场在未来几年的增长较为稳定，而其他一些新的应用市场又不足以与上述几个市场相比，因此霍尔传感器在全球总的市场容量是较为稳定的，每年的增长率保持在5到10之间。因为各种应用电机的部件、节气门位置的检测、各种阀体位置的检测都会用到霍尔传感器。而且，在中国市场中，国外厂商为了降低成本，陆续将零部件拿到中国进行设计和生产，这也进一步提升了中国市场霍尔传感器的应用量。随着它在消费电子市场上的应用越来越广，如何控制功耗和成本将是厂商面临的挑战。而且，它还面临生产测试技术方面的挑战3。13设计任务与要求131设计任务湖北师范学院物理与电子科学学院2012届学士学位
11、论文3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，能够实现在电机工作时转速的测量，并在发生故障时能及时的发出报警信号。本设计包括完整的硬件设计和相应的软件设计。132设计要求首先选定传感器，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。其次设计一个单片机小系统，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。再次实时测量显示并有报警功能，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05000R/MIN。2课题方
12、案设计21系统总体设计要求如果把霍尔传感器按预定位置有规律地布置在轨道上，当永磁体经过它时，可以从测量电路上测得脉冲信号。根据脉冲信号的分布可以测出电机速度。22系统模块结构论证221霍尔测速模块论证与选择方案一采用霍尔元件传感器即霍尔片；霍尔片可分为贴片型和直插型。由于贴片型不常用，因此选择直插型。选型号为A3144的霍尔片作为霍尔测速模块的核心，该霍尔片体积小，安装灵活，可用于测速，且与普通的磁钢片配套使用，价格一般为253元。湖北师范学院物理与电子科学学院2012届学士学位论文4方案二采用霍尔传感器；选型号为CHV25P/10的霍尔传感器，其额定电压为10V,输出信号5V/25MA,电源
13、为1215V。体积大，价格一般为40120元之间不等。从性价比方面综合考虑因此选择方案一。222计数器模块论证与选择方案一片外计数器；此方案是指采用8253等片外的专用计数芯片进行脉冲计数，单片机控制8253的技术过程，并在技术完毕后读取计数值。方案二片外计数器；此方案是指采用单片机的内部计数器完成对脉冲的计数过程。用片内的计数器的优点在于降低单片机系统的成本。每到一个脉冲将会产生一个T1的计数，在T0产生的100MS中断完成后，T1的中断溢出次数就是所需要计的脉冲数。特点在于使用了内部的T1作为外部脉冲的计数器，并且，为了避免计数器的溢出，将T1的初值设为0。223显示模块论证与选择方案一采
14、用8段LED数码管作为显示模块核心。数码管显示器件相对便宜，但是耗能大、编写程序相对麻烦，工作量大。方案二采用LCD液晶显示器作为显示模块核心。LCD显示器工作原理简单，编程方便，节能环保。因此选择方案二。224报警模块论证与选择方案一采用蜂鸣器与发光二极管作为声光报警主要器件。该方案不论在硬件和焊接方面还是在编写软件方面都简单方便，而且成本低廉。方案二采用语音播报系统作为声光报警的核心。该方案更具人性化、智能化，但是就该设计要求而言，方案过于复杂，相对成本过高，工作量偏大。因此选择方案一。湖北师范学院物理与电子科学学院2012届学士学位论文5225电源模块论证与选择方案一采用交流220V/5
15、0HZ电源转换为直流5V电源作为电源模块。该方案实施简单，电路搭建方便，可作为单片机开发常备电源使用。方案二采用干电池串并联达到5V作为电源模块。该方案实施简单，无需搭建电路，但相对该方案不够稳定，电池耗电快，带负载后压降过高，可能无法使系统稳定持续运行。方案三采用可充电锂电池结合稳压模块作为电源模块。该方案简单易行，而且相对稳定、误差小，但该方案相对价格过高，针对该设计要求性价比低。因此选择方案一。226单片机模块论证与选择方案一选用P89C51的单片机速度极快、功耗低、体积小、资源丰富，有各种不同的规格，最快的达100MPS，引脚还可编程确定功能。方案二PHILIPSP89C51RD2有4
16、个PDA,属于兼容版。方案比较因为项目的目标是测速系统的应用，所以我还是选用了方案一中51系列的单片机，因为51的架构十分典型。选择方案一中51系列单片机我认为主要考虑以下方面1价格便宜；2开发手段便宜；3自己动手焊接相对容易。23转速测量方案论证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M法测频法。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4。231方案一电机轴一侧贴磁片使用霍尔传感器获得脉冲信号，其机械结构也可以做得较为简单，只要湖北师范学院物理与电子科学学院2012届学士学位论文6在转轴的
17、圆周上粘上一粒磁钢，让霍尔开关靠近磁钢，就有信号输出，转轴旋转时，就会不断地产生脉冲信号输出。如果在圆周上粘上多粒磁钢，可以实现旋转一周，获得多个脉冲输出。在粘磁钢时要注意，霍尔传感器对磁场方向敏感，粘之前可以先手动接近一下传感器，如果没有信号输出，可以换一个方向再试5。232方案二电机转轴加测速转盘传感器采用霍尔器件将电机的转速转化为脉冲信号，处理器采用89C205L单片机计数器采用单片机片内汁数器完成对脉冲的计数，显示器采用字符型液晶显示器1602进行显示。系统原理框图如图2所示。系统工作过程测量转速的霍尔传感器与机轴相连接，机轴每转一周，产生一定的脉冲个数，霍尔器件电路部分输出，成为转速
18、计数器的计数脉冲。控制计数时间，即可实现计数器的计数值对应机轴的转速值。单片机CPU将数据处理后，通过LCD显示出来。转速的测量转速传感器由磁钢、霍尔元件组成。将一非磁性圆盘固定装在电机转轴上，圆盘边缘等距离用环氧树脂粘贴块状磁钢，磁钢采用永久磁6。图1霍尔传感器检测信号图233方案对比方案一与方案二综合进行对比，发现方案一最少只需一粒磁片即可达到所需要求，简单方便，经济实惠，并易于操作。因此经比较选择方案一。3基于霍尔传感器的转速测量系统硬件设计湖北师范学院物理与电子科学学院2012届学士学位论文731转速测量系统的硬件电路设计311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所示。该
19、系统包括霍尔传感器、隔离整形电路、CPU、显示电路、报警电路等部分。图2系统总体结构图基于霍尔传感器的速度测量系统工作过程是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。经光电耦合后，成为转速计数器的计数脉冲。同时传感器电路输出幅度为12V的脉冲经光电耦合后降为5V，保持同89C51逻辑电平相一致。控制计数时间，即可实现计数器的计数值对应机轴的转速值。CPU将该值数据处理后，在LCD上显示出来。一旦超速，CPU通过蜂鸣器发出报警信号7。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转速转化为脉冲信号；第二个部分是使用光耦，将传感器
20、输出的信号和单片机的计数电路两个部分隔开，减少计数的干扰。用于测量的A44E集成霍尔开关，磁钢用直径D6004MM，长度为L3032MM的钕铁硼磁钢。电源用直流，霍尔开关输出由四位半直流数字电压表测量，磁感应强度B用95A型集成霍尔元件测量8。湖北师范学院物理与电子科学学院2012届学士学位论文8图3霍尔片管脚管脚接线2、计数器部分片内计数方案是指采用单片机的内部计数器完成对脉冲的计数过程。3、处理器部分处理器是单片机，采用的是AT89C51单片机。4、显示部分显示部分有两个功能，在正常的情况下，通过LCD显示当前的频率数值，当电机的转速超出一定的范围后，蜂鸣器进行报警。312系统电路设计实际
21、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P32上，设定T0定时，每分钟所计的进入P32的脉冲个数即为直流电机的转速。由于在虚拟仿真电路图中，没有电机及传感器，所以就直接用一个脉冲信号代替，电路图如图4所示。湖北师范学院物理与电子科学学院2012届学士学位论文9图4总体电路设计图32霍尔传感器测量电路设计321霍尔元件霍尔元件是一种基于霍尔效应的磁传感器。用它们可以检测磁场及其变化，可在各种与磁场有关的场合中使用。霍尔元件具有许多优点，它们的结构牢固，体积小，重量
22、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9。A3144E系列单机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信号。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。可用于汽车工业和军事工程湖北师范学院物理与电子科学学院2012届学士学位论文10中。霍尔传感器的外形图和管脚图如图5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5霍尔传感器的外形图322霍尔传感器测速原理测量电机转速的第一步就是
23、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。当电机转动时，带动传感器运动，产生对应频率的脉冲信号，经过信号处理后输出到计数器或其他脉冲计数装置，进行转速的测量。323反相器74LS1474LS14是一个6反向器，引脚定义如图6所示A端为输入端，Y端为输出端，一片芯片一共6路，即1，3，5，9，11，13为输入端，2，4，6，8，10，12为输出端，输出结果与输入结果反向。即如果输入端为高电平，那么输出为低电平。如果输入低电平，输出为高电平。图6反相器引脚图324光电耦合器光电耦合器是以光为媒介传输电信号的一种电一光一电转换器件。它由发光源和受光器两部分组成。把发光源和受光器
24、组装在同一密闭的壳体湖北师范学院物理与电子科学学院2012届学士学位论文11内，彼此间用透明绝缘体隔离。发光源的引脚为输入端，受光器的引脚为输出端，常见的发光源为发光二极管，受光器为光敏二极管、光敏三极管等等。光电耦合器的种类较多，常见有光电二极管型、光电三极管型、光敏电阻型、光控金闸管型、光电达林顿型、集成电路型等。光电偶合器件（简称光耦）是把发光器件（如发光二极体）和光敏器件（如光敏三极管）组装在一起，通过光线实现耦合构成电光和光电的转换器件。在光电耦合器输入端加电信号使发光源发光，光的强度取决于激励电流的大小，此光照射到封装在一起的受光器上后，因光电效应而产生了光电流，由受光器输出端引出
25、，这样就实现了电一光一电的转换10。光电耦合器分为很多种类，图7所示为常用的三极管型光电耦合器原理图。当电信号送入光电耦合器的输入端时，发光二极体通过电流而发光，光敏元件受到光照后产生电流，CE导通；当输入端无信号，发光二极体不亮，光敏三极管截止，CE不通。对于数位量，当输入为低电平“0”时，光敏三极管截止，输出为高电平“1”；当输入为高电平“1”时，光敏三极管饱和导通，输出为低电平“0”。若基极有引出线则可满足温度补偿、检测调制要求。这种光耦合器性能较好，价格便宜，因而应用广泛。图7常用的光电耦合器内部结构图光电耦合器的接线原理如图8所示。图8光电耦合器接线原理湖北师范学院物理与电子科学学院
26、2012届学士学位论文12325蜂鸣器蜂鸣器是一种一体化结构的电子讯响器，采用直流电压供电，广泛应用于计算机、打印机、复印机、报警器、电子玩具、汽车电子设备、电话机、定时器等电子产品中作发声器件。在单片机应用的设计上，很多方案都会用到蜂鸣器，大部分都是使用蜂鸣器来做提示或报警。用I/O定时翻转电平来产生驱动波形的方式会比较麻烦一点，必须利用定时器来做定时，通过定时翻转电平产生符合蜂鸣器要求的频率的波形，这个波形就可以用来驱动蜂鸣器了。比如为2500HZ的蜂鸣器的驱动，可以知道周期为400S，这样只需要驱动蜂鸣器的I/O口每200S翻转一次电平就可以产生一个频率为2500HZ，占空比为1/2DU
27、TY的方波，再通过三极管放大就可以驱动这个蜂鸣器了。由于蜂鸣器的工作电流一般比较大，以致于单片机的I/O口是无法直接驱动的，所以要利用放大电路来驱动，一般使用三极管来大放电流就可以了11。本设计中选用电磁式蜂鸣器作为报警器，如图9所示。图9电磁式蜂鸣器33单片机AT89C51单片机，全称单片微型计算机（SINGLECHIPMICROCOMPUTER），又称微控制器（MICROCONTROLLER），是把中央处理器、存储器、定时/计数器（TIMER/COUNTER）、各种输入输出接口等都集成在一块集成电路芯片上的微型计算机。331AT89C51芯片AT89C51是一种带4K字节FLASH存储器（
28、FPEROMFLASH湖北师范学院物理与电子科学学院2012届学士学位论文13PROGRAMMABLEANDERASABLEREADONLYMEMORY）的低电压、高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51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。其引脚排列如图10所示。图10AT89C51引脚图332定时器8051单片机内部有两个16位可编程定时器/计数器，记为T0和T1。他的工作方式可以通
29、过指令对相应的特殊功能寄存器编程来设定，或做定时器用，或作外部事件计时器用。定时器/计数器在硬件上有双字节加法计数器TH和TL组成。做定时器使用时，计数脉冲由单片机内部振荡器提供，计数频率位FOSC/12，每个机器周期加1。8051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，所以在定时器编程时要去算计数的增量，再根据单片机的晶振频率，就可算出确定的湖北师范学院物理与电子科学学院2012届学士学位
30、论文14时间了。定时器主要用到两个寄存器，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是用来设置定时器的模式的。8051单片机的定时器/计数器是可编程的，在进行定时或技术操作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，寄给方式控制寄存器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设置初值，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
31、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，则计算初值X的公式如下计数方式要求的计数值MX（31）定时方式OSCFMX12/要求的计数值（32）333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。51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
32、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湖北师范学院物理与电子科学学院2012届学士学位论文151、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
33、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。如果你不希望这样，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。34显示电路设计3411602字符型LCD简介字符型液晶显示模块是一种专门用于显示字母、数字、符号等点阵式LCD，目前常用161，162，202和402行等的模块。一般1602字符型液晶显示器
34、实物如图11所示图111602实物图湖北师范学院物理与电子科学学院2012届学士学位论文163421602LCD的基本参数及引脚功能1、1602LCD类型1602LCD分为带背光和不带背光两种，基控制器大部分为HD44780，带背光的比不带背光的厚，是否带背光在应用中并无差别，两者尺寸差别如下图12所示图121602LCD尺寸图2、1602LCD主要技术参数显示容量162个字符芯片工作电压4555V工作电流20MA50V模块最佳工作电压50V字符尺寸295435WHMM3、引脚功能说明1602LCD采用标准的14脚（无背光）或16脚（带背光）接口，各引脚接口说明如下第1脚VSS为地电源。第2脚
35、VDD接5V正电源。第3脚VL为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地时对比度最高，对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度。第4脚RS为寄存器选择，高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器。第5脚R/W为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操湖北师范学院物理与电子科学学院2012届学士学位论文17作。当RS和R/W共同为低电平时可以写入指令或者显示地址，当RS为低电平R/W为高电平时可以读忙信号，当RS为高电平R/W为低电平时可以写入数据。第6脚E端为使能端，当E端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令。第714脚D0D7为8位双向
36、数据线。第15脚背光源正极。第16脚背光源负极。4系统软件设计41程序设计步骤第一步分析问题，明确任务要求，对于复杂的问题，还要讲要解决的问题抽象成数学模型，即用数学表达式来描述。第二步确定算法，即根据实际问题和指令系统的特点确定完成这一任务须经历的步骤。第三步根据所选择的算法，确定内存单元的分配使用那些寄存器程序运行中的中间数据及结果存放在那些单元，以利于提高程序的效率和运行速度然后制定出解决问题的步骤和顺序，画出程序的流程图。第四步根据流程图，编写源程序。第五步上机对原程序进行编译、调试。42程序流程图电机转速测量需要经过的4个基本步骤一是控制方式；二是确定计数方式；三是信号输入方式；四是
37、计数值的读取；通过AT89C51，单片机完成对电机转速脉冲计数的控制，读取寄存器完成转速频率的确定。而湖北师范学院物理与电子科学学院2012届学士学位论文18SGN电机脉冲信号连到0INT引脚。0INT计数次数为3次，将3次结果取平均，从而提高计数的稳定性和精确性。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。经过电耦合器后，即经过隔离整形电路后，成为转数计数器的计数脉冲。同时霍尔传感器电路输出幅度为12V的脉冲经光电耦合后降为5V，保持同单片机AT89C51逻辑电平相一致，控制计数时间，即可实现计数器的计数值对应机轴的转速值。主C
38、PU将该值数据处理后，在LCD液晶显示器上显示出来12。本系统采用AT89C51中的0INT中断对转速脉冲计数。定时器T0工作于定时方式，工作于方式1。每到1S读一次外部中断0INT计数值，此值即为脉冲信号的频率，根据式（41）可计算出电机的转速。当直流电机通过传动部分带圆盘旋转时，霍尔传感器根据圆盘上得磁片获得一系列脉冲信号。这些脉冲信号通过单片机系统定时/计数器0INT计数，定时器T0定时。定时器T0完成100次溢出中断的时间T除以测得的脉冲数M，经过单位换算，就可以算得直流电机旋转的速度。直流电机转速计算公式N60M/N1TNRPM（41）其中N为直流电机转速,N为栅格数，N1为T0中断
39、次数，M为0INT在规定时间内测得的脉冲数，T为定时器T0定时溢出时间13。421主程序流程图主程序工作过程如下先进行初始化设置各定时器初值，然后判断是否启动系统进行测量。如果是，就启动系统运行。如果不是就等待启动。启动系统后，霍尔传感器检测脉冲到来后，启动外部中断，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1秒定时中断一次，读取记录的脉冲个数，湖北师范学院物理与电子科学学院2012届学士学位论文19即电机转速。连续采样三次，取平均值记为一次转速值。再进行数值的判断，若数值高于5000RPM则报警并返回初始化阶段，否则就进行正常速度液晶显示。图13主流程图422中断服务流程
40、图在处于中断服务程序阶段，首先进行关中断设置。其次进行对0INT位进行的脉冲个数计数的数值读取。再次对0INT、T0进行赋初值并且进行关中断设置。最后进行中断返回。1、外部计数中断湖北师范学院物理与电子科学学院2012届学士学位论文20图14外部中断流程图2、定时器中断图15T0中断流程图湖北师范学院物理与电子科学学院2012届学士学位论文2143软件程序设计431主程序设计主程序在对定时器、计数器、堆栈等进行初始化后即判断标志位是否为1，如果为1，说明要求对数据进行计算处理，首先将标志位清零，以保证下次能正常判断，然后进入数据处理程序，由于这里的闸门时间为1S，而显示要求为转/分，因此，要将
41、测到的数据进行转换，转换的方法是将测得的数据乘以60，但由于转轴上安装有4只磁钢，每旋转一周可以得到4个脉冲，因此，要将测得的数据除以4，所以综合起来，将测得的数据乘以60/415即可得到每分钟的转速。计算得到的结果是二进制的整数，要将数据送往显示缓冲区需要将该数转化为BCD码。运算得到的是压缩BCD码，需要将其转换为非压缩BCD码，从标号CBCD开始的一段程序即作了这样的处理14。定时器T0用作4MS定时发生器，在定时中断程序中进行数码管的动态扫描，同时产生1S的闸门信号。1S闸门信号的产生是通过一个计数器COUNT，每次中断时间为4MS，每计250次即为1S，到了1S后，即清除计数器COU
42、NT，然后关闭作为计数器用的INT0，读出TH0、TL0中的数值，分别送入SPCOUNT和SPCOUNT1单元，将T0中的值清空，置标志位为1，要求主程序进行速度值的计算。这里还有一个细节，用作1S闸门信号产生的COUNT每次中断都会加1，而INT0却有一个周期是被关闭的，因此，计数值是251而不是250。系统采用外部晶振，系统时钟SYSCLK等于18432000，T0定时1MS，初始化时TL0SYSCLK/1000。等待1S到，输出转速脉冲个数N，计算电机转速值。将1S内的转速值换算成1MIN内的电机转速值，并在LCD上输出测量结果15。/主函数/VOIDMAIN湖北师范学院物理与电子科学学
43、院2012届学士学位论文22INT_ALL/全局初始化WHILE1DISP_COUNT/数据处理IFZHUAN5000/转速警告WARNING1IFZHUAN5000WARNING0IFZHUAN4999WARNING1435转速程序的设计测速的方法决定了测速信号的硬件连接，测速实际上就是测频，因此，频率测量的一些原则同样适用于测速。通常，可以用计数法、测脉宽法和等精度法来进行测试。所谓计数法，就是给定一个闸门时间，在闸门时间内计数输入的脉冲个数；测脉宽法是利用待测信号的脉宽来控制计数门，对一个高精度的高频计数信号进行计数。由于闸门与被测信号不能同步，因此，这两种方法都存在1误差的问题，第一种
44、方法适用于信号频率高时使用，第二种方法则在信号频率低时使用。等精度法则对高、低频信号都有很好的适应性16。/数据处理/湖北师范学院物理与电子科学学院2012届学士学位论文26VOIDDISP_COUNTDISPLAY9ZHUAN/10000/转换转速的千位DISPLAY10ZHUAN/100100/转换转速的百位DISPLAY11ZHUAN/10100/转换转速的十位DISPLAY12ZHUAN100/转换转速的十位5软件调试51PROTEUS及KEIL软件简介511PROTEUS软件PROTEUS软件是一种低投资的电子设计自动化软件，提供可仿真数字和模拟、交流和直流等数千种元器件和多达30多
45、个元件库。PROTEUS软件提供多种现实存在的虚拟仪器仪表。此外，PROTEUS还提供图形显示功能，可以将线路上变化的信号，以图形的方式实时地显示出来。这些虚拟仪器仪表具有理想的参数指标，例如极高的输入阻抗、极低的输出阻抗，尽可能减少仪器对测量结果的影响，PROTEUS软件提供丰富的测试信号用于电路的测试。这些测试信号包括模拟信号和数字信号。提供SCHEMATICDRAWING、SPICE仿真与PCB设计功能，同时可以仿真单片机和周边设备，可以仿真51系列、AVR、PIC等常用的MCU，并提供周边设备的仿真，例如373、LED、示波器等。PROTEUS提供了大量的元件库，有RAM、ROM、键盘
46、、马达、LED、LCD、AD/DA、部分SPI器件、部分IIC器件，编译方面支持KEIL和MPLAB等编译器。一台计算机、一套电子仿真软件，在加上一本虚拟实验教程，就可相当于一个设备先进的实验室。以虚代实、以软代硬，就建立一个完善的虚湖北师范学院物理与电子科学学院2012届学士学位论文27拟实验室。在计算机上学习电工基础，模拟电路、数字电路、单片机应用系统等课程，并进行电路设计、仿真、调试等17。512KEIL软件KEILC51是美国KEILSOFTWARE公司出品的51系列兼容单片机C语言软件开发系统。与汇编相比，C语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势，因而易学易用。用过汇编
47、语言后再使用C来开发，体会更加深刻。KEILC51软件提供丰富的库函数和功能强大的集成开发调试工具，全WINDOWS界面。另外重要的一点，只要看一下编译后生成的汇编代码，就能体会到KEILC51生成的目标代码效率非常之高，多数语句生成的汇编代码很紧凑，容易理解。在开发大型软件时更能体现高级语言的优势。C51工具包的整体结构如图17所示，其中UVISION与ISHELL分别是C51FORWINDOWS和FORDOS的集成开发环境IDE，可以完成编辑、编译、连接、调试、仿真等整个开发流程。开发人员可用IDE本身或其它编辑器编辑C或汇编源文件。然后分别由C51及A51编译器编译生成目标文件OBJ。目
48、标文件可由LIB51创建生成库文件，也可以与库文件一起经L51连接定位生成绝对目标文件ABS。ABS文件由OH51转换成标准的HEX文件，以供调试器DSCOPE51或TSCOPE51使用进行源代码级调试，也可由仿真器使用直接对目标板进行调试，也可以直接写入程序存贮器如EPROM中。图17C51工具包的整体结构图湖北师范学院物理与电子科学学院2012届学士学位论文2852应用KEIL软件进行程序调试软件的调试必须在开发系统的支持下进行。先分别调试通过各个模块程序,然后调试中断服务程序,最后调试主程序,将各部分连接进行调试。调试的范围可以由小到大,逐步增加,必要的中间信号可以先做设定。通常交叉使用
49、单步运行,断点运行,连续运行等多种方式,每次执行完毕后,检查CPU执行现场,RAM的有关内容,I/O接口的状态等。发现一个问题,解决一个问题,直至全部通过。首先新建一个工程项目文件其次为工程选择目标器件再次为工程项目设置软硬件调试环境；并创建源程序文件并输入程序代码，及保存创建的源程序项目文件；最后把源程序文件添加到项目中18。53PROTEUS软件仿真在PROTEUS软件中画出原理图,向单片机中加入需要调试的程序的HEX文件,便可以进行调试了。531仿真步骤利用PROTEUS实现单片机系统开发过程一般分为四步1、在PROTEUS平台上进行单片机系统电路设计、选择元器件、接插件、连接电路和电气检测等（简称PROTEUS电路设计）；2、在PROTEUS平台上进行单片机系统源程序设计、编辑、汇编编译、调试，最后生成目标代码文件（HEX）（简称PROTEUS软件设计）；再次在PROTEUS平台上将目标代码文件加载到单片机系统中，并实现单片机系统的实时交互、协同仿真（简称PROTEUS仿真）；最后仿真正确后，安装实际单片机系统电路，并将目标代码文件（HEX）下载到实际单片机中运行、调试。若出现问题，可与PROTEUS设计与仿真相互配合调试，直至运行成功（简称实际产品安装、运行与调试）。笔者的实践证明按照PROTEUS仿真
