基于51单片机的转速测量系统课程设计

基于51单片机的转速测量系统课程设计内容摘要：

电压的大小，预先在仪器面板上标定出高斯刻度，则使用时 0 em FF 0 jbVeje V B H bVeeVB HVBbVHnebdIVIBKdIBRIBne dV HHH  1neRH 1 nedKH 1HHIKVB第 3 章 系统硬件设计 13 由指针示值就可直接读出磁感应强度 B 值。 由（ 313）式知 因此将待测的厚度为 d 的半导体样品，放在均匀磁场中，通以控制电流 I，测出霍尔电压 VH，再用高斯计测出磁感应强度 B 值，就可测定样品的霍尔系数RH。 又因 （或 ），故可以通过测定霍尔 系数来确定半导体材料的载流子浓度 n（或 p）（ n 和 p 分别为电子浓度和空穴浓度）。 严格地说，在半导体中载流子的漂移运动速度并不完全相同，考虑到载流子速度的统计分布，并认为多数载流子的浓度与迁移率之积远大于少数载流子的浓度与迁移率之积，可得半导体霍尔系数的公式中还应引入一个霍尔因子 rH，即 普通物理实验中常用 N 型 Si、 N 型 Ge、 InSb 和 InAs 等半导体材料的霍尔元件在室温下测量，霍尔因子 ，所以 ： 式中， 库仑 霍尔元件 霍尔元件是一种基于霍尔效应的磁传感器，已发展成一个品种多样的磁传感器产品族，并已得到广泛应用。 霍尔元件是一种磁传感器。 要他们可以检测磁场及其变化，可以在各种与磁场有关的场合中。 霍尔器件以霍尔效应为其工作基础。 霍尔 器件 具有许多优点，他们的结构牢固，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、水汽及烟雾等污染或腐蚀。 霍尔线性器件的精度高、线性度好；霍尔开关器件无触点、无磨损、输出波形清晰、无抖动、 无回调、位置重复精度高（可达 um级）。 采用了各种补偿措施的霍尔器件的工作温度范围广，可达 55150 度。 按照霍尔器件的功能可将他们分为：霍尔线性器件和霍尔开关器件。 前者输IBdVR HH neRH 1 pe1)( pernerR HHH 或  HrneRH 183 e 14 出模拟量，后者输出数字量。 按被检测的对象的性质可将它们分为：直接应用和间接应用。 前者是直接检测出被测对象本身的磁场或磁特性，后者是检测被检测对象上人为设置的磁场，用这个磁场作为被检测信息的载体，通过它，将许多非电、非磁的物理量例如力、力矩、压力、应力、位置、位移、加速度、角度、角速度、转速、转数以及工作状态发生变化的时间等，转换成电量来 进行检测和控制。 集成霍尔传感器是利用硅集成电路工艺将霍尔元件和测量线路集成在一起的一种传感器。 它取消了传感器和测量电路之间的界限，实现了材料、元件、电路三位一体。 集成霍尔传感器与分立相比，由于减少了焊点，因此显著地提高了可靠性。 此外，它具有体积小、重量轻、功耗低等优点，正越来越爱到众的重视。 集成霍尔传感器的输出是经过处理的霍尔输出信号。 按照输出信号的形式，可以分为开关型集成霍尔传感器和线性集成霍尔传感器两种类型。 开关型集成霍尔传感器是把霍尔元件的输出经过处理后输出一个高电平或低电平的数字信号。 霍尔 开关电路又称霍尔数字电路，由稳压器、霍尔片、差分放大器，施密特触发器和输出级组成。 霍尔元件的应用 使用霍尔器件检测磁场的方法极为简单，将霍尔器件做成各种形式的探头，放在被测磁场中，因霍尔器件只对垂直于霍尔片表面的磁感应强度敏感，因而必须令磁力线和器件表面垂直，通电后即可由输出电压得到被测磁场的磁感应强度。 若不垂直，则应求出其垂直分量来计算被测磁场的磁感应强度值。 而且，因霍尔元件的尺寸极小，可以进行多点检测，由 单片 机进行数据处理，可以得到场的分布状态，并可对狭缝，小孔中的磁场进行检测用磁场作为被传感物体的运动和位置信息载体时，一般采用永久磁钢来产生工作磁场。 例如，用一个 5 4 （ mm3）的钕铁硼Ⅱ号磁钢，就可在它的磁极表面上得到约 2300 高斯的磁感应强度。 在空气隙中，磁感应强度会随距离增加而迅速下降。 为保证霍尔器件，尤其是霍尔开关器件的可靠工作，在应用中要考虑有效工作气隙的长度。 在计算总有效工作气隙时，应从霍尔片表面算起。 在封装好的霍尔电路中，霍尔片的深度在产品手册中会给出。 因为霍尔器件需要工作电源，在作运动 或位置传感时，一般令磁体随被检测物体运动，将霍尔器件固定在工作系统的适当位置，用它去检测工作磁场，再从检测结果中提取被检信息。 UGN3144 霍尔开关元件 1． UGN3144 霍尔开关元件的工作原理 第 3 章 系统硬件设计 15 UGN3144 霍尔开关元件属于开关型霍尔传感器（集成霍尔开关），它是把霍尔片产生的霍尔电压 VH 放大后驱动触发电路，输出电压是能反映 B 的变化的方脉冲。 集成霍尔开关由稳压器、霍尔电势发生器（即硅霍尔片）、差分放大器、施密特触发器和 OC 门输出五个基本部分组成。 在输入端（ 2 之间）输入电压 Vcc，经稳压器稳压后加在霍尔发生器的两电流端。 根据霍尔效应原理，当霍尔片处于磁场中时，霍尔发生器的两电压端将会有一个霍尔电势差 VH 输出。 VH 经放大器放大以后送至施密特触发器整形，使其成为方波输送到 OC 门输出。 图 35 开关型霍尔传感器的原理 当外磁场 B 达到 “工作点 ”Bop 时，触发器输出高电平（相对于地电位），三极管导通，此时， OC 门输出端输出低电平，通常称这种状态为 “开 ”；当外磁场B 达到 “释放点 ”Brp 时，触发器输出低电平，三极管截止， OC 门输出高电平，这时称其为 “关 ”状态。 Bop 与 Brp 是有一定差值 的，此差值 BH=BopBrp 称为霍尔开关的磁滞。 B 的变化不超过 BH，霍尔开关不翻转，这就使得开关输出稳定可靠。 集成霍尔开关传感器的输出特性如图 (36)。 V 0 /V 12 9 6 3 B / mT 0 5 10 15 20 释放点 (O FF ) 工作点 ( O N ) 图 36 开关型霍尔传感器的输出特性 2． UGN3144 主要技术性能与特点 Allegro MicroSystems 公司生产的 UGN 3144 器件是双极性磁场即 N,S 交变稳压霍尔片施密特触发器+输出1232Vcc差分放大器 16 场磁启动的霍尔开关电路，它的主要性能特点如下： （ 1） 电源电压为 —24V； （ 2） 连续输出电流为 25MA。 （ 3） 磁通密度不受限制，输出关断电压为 25V； （ 4） 具有反向电压保护（反向电压为 35V）和极好的温度稳定性； （ 5） 工作温度为 20 到 85 摄氏度或者是 40 到 25℃。 3． UGN3144 霍尔开关元件的引脚功能和封装形式 UGN3144 采用 SOT89 或者 TO243 封装。 其中，引脚端 1 为电源正端，引脚端 2 为接地，引脚端 3 为输出（ OC 形式）。 图 37 UGN3144 的封装结构 4． UGN3144 霍尔开关元件在测量系统中的设计 UGN3144 霍尔开关元件芯片内部包含有稳压电路，霍尔效应电压产生电路，信号放大器，施密特触发器和一个集电极开路输出电路。 集电极开路输出电路可连续输出 25MA 电流，可直接控制继电器，双向可控硅，可控硅， LED 和灯负载。 其具有输出自举电路，也可直接与双极型和 MOS 逻辑电路连接。 转速测量是开关型霍尔元件的典型应用， UGN3144 霍尔开关元件感应被测量量的转速，当被测量量每转动一周，霍尔传感器便输出一个脉冲，因为该器件为集电极开路输出，故输出端加接一上拉电阻，其电压电压范围宽达 V 到 24 V，对磁感应强度 B 要求不严，其 输出电压经 9012 后可提高其负载能力。 其具体电路图如 38 所示： GND OUTVCC第 3 章 系统硬件设计 17 图 38 UGN3144 霍尔开关元件与单片机的连接电路 单片机及其接口的设计 AT89C51 单片机的简介 单片机我们采用 AT89C51(其引脚图如图 39)，相较于 INTEL 公司的 8051 它本身带有一定的优点。 AT89C51 是一种带 4K 字节闪烁 可编程可擦除只读存贮器（ FPEROM—Falsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压，高性能 CMOS 8 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， AT89C 单片机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。 图 39 AT89C51 引脚图 主要特性： 与 MCS51 兼容 4K 字节可编程闪烁存储器 寿命： 1000 写 /擦循环 UGN3144 霍尔开关123R1R210KR3 T19012+5VGNDVCCOUT单片机12345678RST91011121314151617XTAL118XTAL219VSS202122232425262728PSEN29ALE30EA313233343536373839vcc40 18 数据保留时间： 10 年 全静态工作： 0Hz24Hz 三级程序存储器锁定 128*8 位内部 RAM 32 可编程 I/O 线 两个 16 位定时器 /计数器 5 个中断源 可编程串行通道 低功耗的闲置和掉电模式 片内振荡器和时钟电路 管脚说明： ：供电电压 ； ：接地 ； 口： P0 口为一个 8 位漏 极 开路双向 I/O 口，每脚可吸收 8TTL 门电流。 当 P1 口的管脚第一次写 1 时，被定义为高阻输入。 P0 能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据 /地址的第八位。 在 FIASH 编程时， P0 口作为原码输入口，当 FIASH 进行校验时， P0 输出原码，此时 P0 外部必须被拉高。 口： P1 口是一个内 部提供上拉电阻的 8 位双向 I/O 口， P1 口缓冲器能接收输出 4TTL 门电流。 P1 口管脚写入 1 后，被内部上拉为高，可用作输入，P1 口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。 在 FLASH编程和校验时， P1 口作为第八位地址接收。 口： P2 口为一个内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口， P2 口缓冲器可接收，输出 4 个 TTL 门电流，当 P2 口被写 “1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。 并因此作为输入时， P2 口的管脚被外部拉低，将输出电流。 这是由于内部上拉的缘故。 P2 口当用于外部程序存储器或 16 位地址 外部数据存储器进行存取时， P2 口输出地址的高八位。 在给出地址 “1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时， P2 口输出其特殊功能寄存器的内容。 P2 口在 FLASH 编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。 口： P3 口管脚是 8 个带内部上拉电阻的双向 I/O 口，可接收输出 4 个TTL 门电流。 当 P3 口写入 “1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。 作为输入，由于外部下拉为低电平， P3 口将输出电流（ ILL）这是由于上拉的缘故。 P3 口也可作为 AT89C51 的一些特殊功能口，如下表 31 所示： ：复位输入。 当振荡器复位器件时，要保持 RST 脚两个机器周期的高电平时间。 ：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地第 3 章 系统硬件设计 19 址的地位字节。 在 FLASH 编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。 在平时， ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的 1/6。 因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。 然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个 ALE 脉冲。 如想禁止 ALE 的输出可在 SFR8EH 地址上置 0。 表 31 P3 口的第二功能 引 脚 第 二 功 能 信 号 名 称 RXD 串行数据接收 TX。