基于单片机的测速仪

NANHUA University

单片机课程设计

题目基于单片机的测速仪

学院名称电气工程学院

指导教师

职称副教授

班级

学号

学生姓名

2010年 12 月 31日

《单片机课题设计》任务书

3．主要参考文献：

[1] 胡汗才. 单片机原理及其接口技术[M].北京：清华大学出版社，2004

[2] 钱晓捷. 汇编语言程序设计[M].北京：高等学校教材，2005

[3] 张洪润. 张压凡.传感器与应用教程[M].北京：清华大学出版社，2005

[4] 张洪建.蒙建波.自动检测技术与装置[M].北京：化学工业出版社，2004

[5] 吕宁. 水箱水位PLC 自动控制系统的设计[J].电子技术，2005

[6] 刘东红.利用单片机89C52的一个并行I∕O口实现多个LED显示的一种简单方法,国外电子元器件.2002年（8）

[7]童诗白．模拟电子技术基础．高等教育出版社，1999

[8]何立民．单片机高级教程——应用与设计．北京航空航天大学出版社，2000

[9]李嗣福．计算机控制基础．中国科技大学出版社，2001

[10]黄丹辉. 党向荣．微机测控系统中的接地系统设计， 2002．4.20

[11]蒋亚东. 敏感材料与传感器. 电子科技大学出版社，2008.12

[12]陈艾. 敏感材料与传感器. 化学工业出版社，2004.10.1

[13]戴佳、戴卫恒刘博文 .51单片机C语言应用程序设计电子工业出版社，2008.12

[14] 谢淑如，郑光钦，杨渝生 .Protel PCB 99 SE电路板设计.清华大学出版社，2001

[16] 江晓安、董秀峰. 模拟电子技术. 西安电子科技大学出版社, 2007.1

4．课程设计工作进度计划：

序号起迄日期工作内容

1 2010.12.15 布置任务，教师讲解设计方法及要求

2 2010.12.16--2011.12.20 学生查找阅读资料，初定方案,小组会议讨论并确定方案

3 2010.12.21-2010.12.27 硬件电路设计及程序编写

4 2010.12.28-2010.12.30 仿真、实验并写说明书，小组讨论

5 2010.12.31 答辩

主指导教师肖金凤日期： 2010 年 12月 14日

摘要：随着超大规模集成电路技术提高，尤其是单片机应用技术以其功能强大，价格低廉的显著特点，使全数字化测量转速系统得以广泛应用。本文在此基础上，对权数字测量转速系统的硬件和编程作探讨

测速装置在电力系统中占有重要地位。对测速的装置要求是分辨力强，精度高，尽可能在短的时间内完成检测。本设计通过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，实现机车转速的测量。

设计以STC89C51为核心，通过对硬件电路的设计和软件C语言的描述，利用单片机的运算和控制能力，实现测速设计。设计中，由于采用了系统化的LCD

现实模块，以及高效快速算法，因而可在节约系统资源和简化程序设计的基础上保证测量精度和系统实时性。

关键词：单片机；测速装置；霍尔传感器

Abstract：With large scale integrated circuit technology improve the MCU application technology, especially with its powerful, price cheap remarkable characteristic, make the digital measurement speed system is widely used. This paper on the basis of digital survey speed right system hardware and programming for discussion

Speed measuring devices in power system occupies an important position. System of speed device requirements are resolution is strong, high precision, as far as possible in a short time to finish detection. This design through application hall sensor-based by measuring magnetic field intensity, to stabilize the pulse signal, realize the locomotive torque-current speed measurement.

Design with STC89C51 as the core, through to the hardware circuit design and software C language description, of the microcontroller calculation and control ability and to achieve speed design. Design, as a result of the systematic LCD module and high real fast algorithm, thus in saving system resources and simplify programming based on guarantee measuring precision and real-time system.

key words: SCM, Speed measuring devices, Hall sensors

目录

1 概述 (5)

1.1课题研究的目的 (5)

1.2课题研究的主要内容 (5)

1.3 方案论证 (6)

1.4 系统的工作过程 (6)

1.5主控制器 (7)

2 硬件设计 (11)

2.1 霍尔传感器介绍 (11)

2.2 霍尔传感器测速原理 (11)

2.3 测量磁场 (12)

2.4 工作磁体的设置 (13)

2.5 工作方法 (14)

2.6 齿轮、感应距离和角精度 (15)

2.7 电路图设计 (15)

2.8 主电路设计 (16)

2.9 蜂鸣器的作用 (16)

2.10 液晶显示模块概述 (18)

3 软件设计 (20)

3.1 程序流程图 (20)

3.2 程序设计见附1 (20)

参考文献 (21)

谢辞 (22)

附1：程序设计 (23)

1 概述

1.1课题研究的目的

对各种测量转速的方法加以分析，针对不同的应用环境，利用C52系列单片机设计一种全数字化测速仪器，并从提高测量精度的角度出发，分析讨论起产生误差的可能原因，为今后的实际使用提供参考。本设计以单片机为中心，设计权数字化测速仪器，这在工业控制和民用电器中都有较高的使用价值。总之，转速测量仪器的研究是一个非常有意义的课题。

1.2课题研究的主要内容

系统以单片机SCT89C52为控制核心，用霍尔传感器作为测量转速的检测元件，经过单片机数据处理，用RT12864M汉字图形点阵液晶显示模块显示速度和运行实际。

1.2.1设计要求

1）可以对低速物体的转动速度、运行时间进行测量。

2）当物体运行速度超出一定限制时蜂鸣器会发出报警信号。

1.2.2难点

霍尔传感器是对磁敏感的传感元件，由于本仪表在日常应用中很有可能出于较强电磁干扰的环境中，因此必须采取抗干扰措施，否则系统难以稳定、可靠运行。

1.3 方案论证

要测速，首先要解决时采样的问题。在使用模拟技术制作测速表时，常用测速发电机的方法，即将测速发电机的转轴与待测轴相连，测速发电机的电压高低反映了转速的高低。使用单片机进行测速，可以使用简单的脉冲计数法。只要转轴每旋转一周，产生一个或固定的多个脉冲，并将脉冲送入单片机中进行计数，即可获得转速的信息。

在本方案中，测量转速的霍尔传感器和被测物体同轴连接，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。经光电耦合器后，成为转数计数器的计数脉冲。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C52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LED现实屏上显示出来。一旦超速CPU通过喇叭发出报警信号。

1.3.1系统组成

单片机转速测量系统由传感器、处理器和显示器四个部分组成。传感器采用霍尔器件将低速物体的转速转化为脉冲信号，处理器采用C52单片机，计数器采用单片机片内计数器完成脉冲信号的计数，显示器采用2864M汉字图形点阵液晶显示模块进行显示。

图1.1 系统组成框图

1.4 系统的工作过程

测量转速的霍尔传感器与物体的机轴相连，机轴每转一周，产生一定的脉冲个数，由霍尔器件电路部分输出，成为转速计数器的计数脉冲，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将该数据处理后，通过

显示屏显示出来。

1.4.1转速的测量

转速传感器由磁钢、霍尔元件组成，将以非磁性圆盘固定装在物体的转轴上，圆盘边缘等距离用环氧树脂粘贴块状磁钢，磁钢采用永久磁铁分割成的小磁块，其磁力较强，霍尔元件固定在距磁块平面1—3mm处，当磁块与霍尔元件位置相对发生变化时，通过霍尔元件感磁面的磁场强度就会发生变化，圆盘转动，磁块靠近霍尔元件，穿过霍尔元件的磁场较强，当圆盘转到使霍尔元件处于磁块之间时，磁力线分散，霍尔元件输出低电平，当磁场减弱时，输出高电平，从而使得在物体转动过程中霍尔开关集成电路输出连续脉冲信号。

1.5主控制器

使用单片机，对于单片机的选择，可以考虑使用8031与8052系列，由于8031没有内部RAM，系统又需要大量内存存储数据，因而适用。SCT89C51是美国ATMEL 公司生产的低功耗，高性能CMOS8位单片机，片内含4kbytes的可编程的Flash 只读程序存储器和内部集成了看门狗系统，兼容标准8051指令系统及引脚。它集Flashi程序存储器既可在线编程，也可用传统方法进行编程，所以低价位SCT89C52单片机可为提供许多高性价比的应用场合，可灵活应用于各种控制领域，对于简单的测温系统已经足够。单片机SCT89C52具有低电压供电和体积小等特点，四个端口只需要两个口就能满足电路系统的设计需要，很适合便携手持式产品的设计使用系统可用二节电池供电。主要特性如下：

● 4K字节可编程闪烁存储器

●寿命：1000写/擦循环

●数据保留时间：10年

●全静态工作：0Hz-24Hz

●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

1.5.1 AT89C52 引脚功能介绍

SCT89C52单片机为40引脚双列直插式封装。

其引脚排列和逻辑符号如上图所示：

各引脚功能简单介绍如下：

● VCC：供电电压

● GND：接地

● P0口：P0口为一个8位漏极开路双向I/O口，每个管脚可吸收8TTL

门电流。当P1口的管脚写“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FLASH

编程时，P0口作为原码输入口，当FLASH进行效验时，P0输出原码，

此时P0外部点位必须被拉高。

● P1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，点位被内部上拉

为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这事

由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和效验时，P1口作为第八位地址

接收。

● P2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，其管脚点位被内

部上拉电阻拉高，且作为输入。作为输入时，P2口的管脚电位被外部

拉低，将输出电流，知识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，它利用内部上拉的优势，当对外部八位地

址数据存储器进行读写时，P2输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在

FLASH编程和效验时接收高八位地址信号和控制信号。

● P3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，他们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入时，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流，也是由于上拉的缘故。P3口也可作为SCT89C51的一些特殊功能口：P3.0 RXD（串行输入口）；P3.1 TXD (串行输出口)；P3.2 INT0 （外部中断0）；P3.3 INT1 （外部中断1）；P3.4 T0 （计时器0外部输入）；

P3.5 T1 （计时器1外部输入）；P3.6 WR（外部数据存储器写选通）；

P3.7 RD （外部数据存储器读选通）；同时P3口同时为闪烁编程和编程效验接收一些控制信号。

● RST:复位输入。当振荡器复位时，要保持RST脚两个机器周期

的高电平时间。

● ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于所存

点知的地位字节。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地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。此时，ALE只有在执行MOVX，MOVC指令时ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。

● PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取址期间，

每个机器周期PSEN两次有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的PSEN信号将不出现。

● EA/VPP：当EA保持低电平时，访问外部ROM；注意加密方式1时，EA

将内部锁定为RESET;当EA端保持高电平时，访问内部ROM。在FLASH 编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源。

● XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。

● XTAL2：来自反向振荡器的输出。

2 硬件设计

2.1 霍尔传感器介绍

霍尔传感器是利用霍尔效应实现磁电转换的一种传感器，我国从70年代开始研究霍尔器件，经过20余年的研究和开发，目前已经能生产各种性能的霍尔元件，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。对测速装置的要求是分辨能力强、精度高和尽可能短的检测时间。发电机转速的检测方案可分成两类：用测速发电机检测或脉冲发生器检测。测速发电机的工作原理是将转速转变为电压信号，它运转可靠，但体积大，精度低，且由于测量值是模拟量，必须经过A/D转换后读入计算机。脉冲发生器的工作原理是按发电机转速高低，每转发出相应数目的脉冲信号。按要求选择或设计脉冲发生器，能够发现高性能检测。

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。在机车电气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。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。在机车电气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。

2.2 霍尔传感器测速原理

霍尔传感器的外形图和与磁场的作用关系如下图所示。磁场由磁钢提供，所以霍尔传感器和磁钢需要配对使用。

霍尔传感器检测转速示意图如下。在非磁材料的圆盘边上粘贴一块磁钢，霍尔传感器固定在圆盘外缘附近。圆盘每转动一圈，霍尔传感器便输出一个脉冲。通过单片机测量产生脉冲的频率就可以得出圆盘的转速。

备注：当没有信号产生时，可以改变一下磁钢的方向，霍尔对磁钢方向有需求。没有磁钢时输出高电平，有磁钢时输出低电平。

图2.1 霍尔传感器的外形图和与磁场的作用关系

2.2.1 霍尔效用

在一块半导体薄片上，其长度为1，宽度为b，厚度为d，当它被置于磁感应强度为B的磁场中，如果在它相对的两边通以控制电流1，且磁场方向与电流向正交，则在半导体另外两边将产生一个大小与控制电流I和磁感应强度B乘积成正比的电势UH，即UH=KHIB，其中KH为霍尔元件的灵敏度。该电势称为霍尔电势，半导体薄片就是霍尔元件。

2.2.2 工作原理

霍尔开关集成电路中的信号放大器将霍尔元件产生的幅值随磁场强度变化的霍尔电压UH放大后再经信号变换器、驱动器进行整形、放大后输出幅值相等、频率变化的方波信号。

2.3 测量磁场

使用霍尔器件检测磁场的方法极为简单，将霍尔器件作成各种形式的探头，放在被测磁场中，因霍尔器件只对崔至于霍尔片表面的磁感应强度敏感，磁力线

必须和器件表面垂直，通电后即可由输出电压得到被测磁场感应强度值。而且，因霍尔元件的尺寸极小，可以进行多点检测，由计算机进行数据处理，可以得到电场的分布状态，并可对狭缝、小孔中的磁场进行检测。

2.4 工作磁体的设置

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4mm×3mm×11mm的钕铁硼Π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，在应用在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器时，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。工作磁体和霍尔器件间的运动方式有：（a）对移；（b）侧移；（c）旋转；（d）遮断。如图2所示，图中的TEAG即为总有效工作气隙。

图2.2 霍尔器件和工作磁体间的运动方式在遮断方式中，工作磁体和霍尔器件以适当的间隙相对固定，用以软磁翼片作为运动工作部件，当翼片进入间隙时，作用到霍尔器件上的磁力线被部分或全

部遮断，以此来调节工作磁场。被传感的运动信息加在翼片上。这种方法检测的精度很高，在125℃的温度范围内，翼片的位置重复精度可达50μm。当两齿之间的空隙正对霍尔元件时，穿过霍尔元件的磁力线分散，磁场相对较弱；而当某一齿对准霍尔元件时，穿过霍尔元件的磁力线集中，磁场相对较强。齿轮转动时，使得穿过霍尔元件的磁力线密度发生变化，因而引起霍尔电压的变化，霍尔元件将输出一个mv级的准方波电压。此信号还需由电子电路转换成标准的脉冲电压，当外加磁场的S极接近霍尔电路外壳上打有标志的一面时，作用到霍尔电路上的磁场方向为正，北极接近标志面时为负。也可将工作磁体固定在霍尔器件，让被检的铁磁物体从它们近旁通过，检测出物体上的特殊标志（如齿，凸缘，缺口等），得出物体的运动参数。在图3的霍尔效应速度传感器中，当测速的靶转到霍尔效应传感器的位置，即霍尔传感器位于靶及磁铁之间，霍尔效应传感器检测到靶感应的磁通量变化。霍尔效应传感器感测的是磁通量大小。

图2.3 在霍尔器件背面放置磁铁

2.5 工作方法

当该霍尔器件处在任何极性的恒定磁场中时，其上的两个霍尔传感器将产生同意的输出信号。无论该磁场的绝对强度有多大，它们之间的差值总为零。然而，由于一个单元面向磁场集中的齿轮，另一个单元侧面向一个齿隙，如果两个霍尔单元之间存在磁场梯度，那么将产生一个差值信号，并在芯片上放大。实际上，这个差值体现了一个小偏移，它可由相应集成的可控制电路来修正。这种动态差分原理使传感器表面与齿轮之间存在较大气隙的条件下能保持高灵敏度。如图5.1：

图2.4 霍尔元件原理图

2.6 齿轮、感应距离和角精度

一个齿轮可由其模数来表征：m=d/z。其中d是齿轮直径，z是齿轮数量。齿轮到齿轮的距离为T，齿轮的计算公式为T=Πm、当一个霍尔传感器面对一个齿轮而另一个霍尔传感器面对一个齿隙时，感应到的差值最大。该器件内两个霍尔传感器的间隔为2.5mm，在模数为1，对应的齿距为3.14win的条件下，该器件都可以感应到差值。如果该模数大于3或者齿轮不规则，将可能在一段较长时间内检测不到足够的差值，这意味着输出信号将不确定。传感器和齿轮之间允许的最大距离是温度、模数、磁体和速度的一个函数，速度可以用每次轮齿/齿隙转变时在输出端出现一个脉冲来表征。如果减小距离，将产生较大的有用信号。因此，切换精度可以随传感器低/高转变次数的增加而增加，这种低/高转变可以代表齿轮的一个旋转角度。

2.7 电路图设计

当霍尔元件输出高电平时，V2导通，V1截止，信号输出方波的低电平：当霍尔元件输出低电平时，V1导通，V2截止，输出端为方波的高电平。信号输出端每输出一个周期的方波，代表转过了一个齿。单位时间内输出的脉冲数N，因

此可求出单位时间内的速度V=NT（T=Πm）。如图 5.2：

图2.5 差分型霍尔电路

2.8 主电路设计（见附图）

表2.1 主电路主要原件

元件名称规格数量

SCT89C52单片机1块

晶振12MHZ 1块

NPN三极管9012 4支

LCD显示器RT12864 1块

电阻1kΩ16个

发光二极管1支

蜂鸣器1个

电解电容5V 2块

霍尔传感器2个

按钮6个

2.9 蜂鸣器的作用

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。

2.9.1 蜂鸣器的分类

蜂鸣器主要分为压电式蜂鸣器和电磁式蜂鸣器两种类型。

压电式蜂鸣器主要由多谐振荡器、压电蜂鸣片、阻抗匹配器及共鸣箱、外壳等组成。有的压电式蜂鸣器外壳上海装有发光二极管。

多谐振荡器由晶体管或集成电路构成。当接通电源后（1.5--15V直流工作电压），多谐振荡器起振，输出1.5-2.5KHZ的音频信号，阻抗匹配器推动压电蜂鸣片发声。

压电蜂鸣片由镐钛酸铅或铌镁酸铅压电陶瓷材料制成。在陶瓷片的两面镀银电极，经极化和老化处理后，再与黄铜片或不锈钢片粘在一起。

电磁式蜂鸣器由振荡器、电磁线圈、磁铁、振动膜片及外壳等组成。

接通电源后，振荡器产生的音频信号电流通过电磁线圈，使电磁线圈产生磁场。振荡膜片在电磁线圈和磁铁的相互作用下，周期性地振动发声。

2.9.2 报警电路

本设计采用软件处理报警，利用有源蜂鸣器进行报警输出，采用直流供电。当所测速度超过或低于所预设的速度时，数据口相应拉高电平，报警输出。

图2.6蜂鸣器电路连接图

2.10 液晶显示模块概述

图3.1 12864液晶显示器

RT12864M汉字图形点阵液晶显示模块，可显示汉字及图形，内置8192个中文汉字(16×16点阵)、128个字符（8×16点阵）及64×256点阵显示RAM（GDRAM）. 主要技术参数和现实特性：

电源：VDD3.3V~+5V（内置升压电路，无需负压）；

显示内容：128列× 64行

显示颜色：黄绿

显示角度：6:00钟直视

LCD类型：STN

与MCU接口：8位或4位并行/3位串行

配置LED背光

多种软件功能：光标显示、画面位移、自定义字符、睡眠模式等

2.10.1模块引脚说明

表3.1 128×64HZ 引脚说明

引脚

引脚名称方向功能说明

号

1 VSS ―模块的电源地

2 VDD ―模块的电源正端

电源地（GND）:0V

工作温度（Ta）:0~60℃（常温）/ -20~75℃（宽温）