基于单片机的霍尔测速报警系统方案

传感器与测控电路课程设计报告学生：禹振榜

指导老师：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。

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。

关键词：转速测量,，单片机, LED显示模块，霍尔传感器。

目录

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 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 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 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 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 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

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

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：

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

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，基本可以满足本课题的要求

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

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。

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。

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。

霍尔效应原理图

以上为alldatasheet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。

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。

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。

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。

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.

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.

P2口：P2是一个带有部上拉电阻的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口是一组带有部上拉电阻的8位双向I／0口。P3

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

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部时钟发生器的输入端。

XTAL2：振荡器反相放大器的输出

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。

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，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）

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 为在规定时间测得的脉冲数，T为T0的溢出时间。

外部脉冲通过单片机定时/计数器T1进行计数，部采用Ｔ０定时，ＴＯ定时为10MS，即溢出100次则记满1秒，

在本例磁钢数为1 ，N1*T设定为一秒，故转速即为n=60m (r/min) 4.2.1 主程序设计

4.2.2 中断服务程序设计

第五部分软件调试与仿真

5.1 KEIL软件进行程序调试

1首先创建项目。保存

2.创建c文件，保存，加入到项目中，这里为了便于编程，采用c语言。

3.无错误，生成hex文件。

5.2 PROTEUS软件仿真

1.首先根据原理图，画出仿真图，这里单片机默认为12MHZ .

2.由于这里没有霍尔元件，以此用555电路与脉冲产生器组合使用，产生脉冲。

3.加入hex文件，启动仿真。

4.不同时刻，显示效果如下图：