637机械工程测试技术Word格式.docx
《637机械工程测试技术Word格式.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《637机械工程测试技术Word格式.docx（19页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
1.2设计要求2
二、霍尔传感器测量车速系统硬件设计3
2.1车速测量系统的硬件电路设计3
2.1.1总体硬件设计3
2.1.2系统电路设计4
2.2霍尔传感器测量电路设计5
2.2.1霍尔元件5
2.2.2霍尔传感器测量原理6
2.2.3转速测量方法6
2.2.4反相器74LS147
2.2.5光电耦合器7
2.2.6蜂鸣器9
2.3单片机AT89C519
2.3.1AT89C51芯片10
2.3.2定时器10
2.3.3外部中断11
2.4显示电路设计11
2.4.11602字符型LCD简介11
2.4.21602LCD的基本参数及引脚功能11
三、霍尔传感器测量车速系统软件设计113
3.1设计思想113
3.2总体软件流程113
四、设计中的问题及解决方法14
4.1出现的问题14
4.2解决方法14
附录完整电路图15
参考文献16
一、绪论
1.1设计内容
霍尔传感器一般由霍尔元件和磁钢组成，当霍尔元件和磁钢相对运动时，就会产生脉冲信号，根据磁钢和脉冲数量就可以计算转速，进而求出车速。
现要求设计一个测量系统，在小车的适当位置安装霍尔元件及磁钢，使之具有以下功能：
1）LED数码管显示小车的行驶距离<
单位：
cm）。
2）具有小车前进和后退检测功能，并用指示灯显示。
3）记录小车的行驶时间，并实时计算小车的行驶速度。
4）距离测量误差＜2cm。
5）其它。
1.2设计要求
1）掌握传感器的工作原理及相应的辅助电路设计方法。
2）独立设计原理图及相应的硬件电路。
3）设计说明书格式规范，层次合理，重点突出。
并附上详细的原理图。
二、霍尔传感器测量车速系统硬件设计
2.1测量车速系统的硬件电路设计
2.1.1总体硬件设计
使用单片机测量车速的基本结构如图2-1所示。
该系统包括霍尔传感器、隔离整形电路、主CPU、显示电路、报警电路及电源等部分。
图2-1系统总体结构图
其测量过程是测量转速的霍尔传感器和小车车轴同轴连接，车轴每转一周，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车轴的转速值。
主CPU将该值数据处理后，在LCD液晶显示器上显示出来。
一旦转动方向改变，CPU通过喇叭和转灯发出声、光报警信号。
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小车的转速转化为脉冲信号。
霍尔测速模块由铁质的测速齿轮和带有霍尔元件的支架构成。
测速齿轮如图2-2所示，齿轮厚度大约2mm，将其固定在待测车轮的转轴上。
将霍尔元件固定在距齿轮外圆1mm的探头上，霍尔元件的对面粘贴小磁钢，当测速齿轮的每个齿经过探头正前方时，改变了磁通密度，霍尔元件就输出一个脉冲信号。
第二部分是使用六反相器和光耦，将传感器输出的信号进行整形隔离，减少计数的干扰。
测速齿轮霍尔元件
图2-2转速变换装置
2.处理器
采用AT89C51单片机作为系统的处理器。
3.显示部分
该部分有两个功能，在正常情况下，通过LCD液晶显示器显示当前的频率数值，当小车的转动方向改变后，通过蜂鸣器进行报警。
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。
2.1.2系统电路设计
实际测量时，要把霍尔传感器固定在测速小车的车轮上，与霍尔探头相对的小车的轴上固定着一片磁钢块，车轮每转一周，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P3.2[
]上，设定Ｔ0定时，每分钟所计的进入P3.2的脉冲个数即为车轮的转速。
由于在虚拟仿真电路图中，没有车轮及传感器，所以就直接用一个脉冲信号代替，电路图如图2-3所示。
图2-3总体硬件电路图
2.2霍尔传感器测量电路设计
2.2.1霍尔元件
根据霍尔效应，人们用半导体材料制成的元件叫霍尔元件。
它具有对磁场敏感、结构简单、体积小、频率响应宽、输出电压变化大和使用寿命长等优点，因此，在测量、自动化、计算机和信息技术等领域得到广泛的应用。
霍尔传感器A3144是AllegroMicroSystems公司生产的宽温、开关型霍尔效应传感器，其工作温度范围可达-40℃～150℃。
它由电压调整电路、反相电源保护电路、霍尔元件、温度补偿电路、微信号放大器、施密特触发器和OC门输出极构成，通过使用上拉电阻可以将其输出接入CMOS逻辑电路。
该芯片具有尺寸小、稳定性好、灵敏度高等特点，有两种封装形式，一种是3脚贴片微小型封装，后缀为“LH”；
另一种是3脚直插式封装，后缀为“UA”。
A3144E系列单极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讯号。
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。
该霍尔传感器的接线图如图2-4所示。
图2-4霍尔传感器的接线图
2.2.2霍尔传感器测量原理
测量车速的第一步就是要将车轮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。
霍尔器件作为一种转速测量系统的传感器，它有结构牢固、体积小、重量轻、寿命长、安装方便等优点，因此选用霍尔传感器检测脉冲信号，当车轮转动时，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的脉冲计数装置，进行转速的测量。
2.2.3转速测量方法
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。
根据霍尔效应原理，将一块永久磁钢固定在车轮转轴上的转盘边沿，转盘随侧轴旋转，磁钢也将跟着同步旋转，在转盘下方安装一个霍尔器件，转盘随轴旋转时，受磁钢所产生的磁场的影响，霍尔器件输出脉冲信号，其频率和转速成正比。
脉冲信号的周期与车轮的转速有以下关系：
n=
（2-1>
式中：
n为车轮转速；
P为车轮转一圈的脉冲数；
T为输出方波信号周期。
根据式（2-1>
即可计算出小车的转速。
霍尔器件是由半导体材料制成的一种薄片，在垂直于平面方向上施加外磁场B，在沿平面方向两端加外电场，则使电子在磁场中运动，结果在器件的两个侧面之间产生霍尔电势。
其大小和外磁场及电流大小成比例。
霍尔开关传感器由于其体积小，无触点，动态特性好，使用寿命长等特点，故在测量转动物体旋转速度领域得到了广泛应用。
2.2.4反相器74LS14
74LS14是一个6反相器，引脚定义如图2-5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相。
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2-5反相器引脚图
2.2.5光电耦合器
光电耦合器，是近几年发展起来的一种半导体光电器件，由于它具有体积小、寿命长、抗干扰能力强、工作温度宽及无触点输入与输出在电气上完全隔离等特点，被广泛地应用在电子技术领域及工业自动控制领域中，它可以代替继电器、变压器、斩波器等，而用于隔离电路、开关电路、数模转换、逻辑电路、过流保护、长线传输、高压控制及电平匹配等。
光电耦合器是以光为媒介传输电信号的一种电—光—电转换器件。
它由发光源和受光器两部分组成。
把发光源和受光器组装在同一密闭的壳体内，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。
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、光控晶闸管型、光电达林顿型、集成电路型等。
光电耦合器件<
简称光耦）是把发光器件<
如发光二极管）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，这样就实现了电一光一电的转换。
光电耦合器分为很多种类，图2-6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，发光二极管通过电流而发光，光敏元件受到光照后产生电流，CE导通；
当输入端无信号，发光二极管不亮，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2-6最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2-7所示。
图2-7光电耦合器接线原理
2.2.6蜂鸣器
报警器的种类很多，比如：
扬声器、蜂鸣器等，本设计中选用电磁式蜂鸣器作为报警器。
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。
振动膜片在电磁线圈和磁铁的相互作用下，周期性地振动发声。
图2-8电磁式蜂鸣器
2.3单片机AT89C51
单片机（Single-Chip-Microcomputer>
又称为单片微控制器，其基本结构是将微型计算机的基本功能部件：
中央处理器<
CPU）、存储器、输入口、输出口、定时器/计数器、中断系统等全部集中在一个半导体芯片上。
单片机结构上的设计，在硬件、指令系统及I/O能力等方面都有独到之处，具有较强而有效的控制功能。
虽然单片机只是一个芯片，但无论从组成还是从其逻辑功能上来看，都具有微机系统的含义。
另一方面，单片机毕竟是一个芯片，只有外加所需的输入、输出设备，才可以构成实用的单片机应用系统[11]。
2.3.1AT89C51芯片
AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器<
FPEROM—FlashProgrammableandErasableReadOnlyMemory）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MCS-51指令集和输出管脚相兼容[12]。
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格低廉的方案。
2.3.2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。
它的工作方式可以通过指令对相应的特殊功能寄存器编程来设定，或作定时器用，或作外部事件计时器用。
定时器/计数器在硬件上由双字节加法计数器TH和TL组成。
作定时器使用时，计数脉冲由单片机内部振荡器提供，计数频率为f
/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。
不论用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,所以在写定时器的时候就要去算计数的增量,再根据单片机的晶振的频率就可以算出确定的时间了。
定时器主要用到了2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，在进行定时或计数操作之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，即给方式控制寄存器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<
根据不同工作方式，M可以是2
、2
或2
），则计算初值X的公式如下：
计数方式：
X=M-要求的计数值<
2-2）
定时方式：
X=M-
<
2-3）
2.3.3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，下一个机器周期检测到低电平，即置位中断标志，请求中断。
2.4显示电路设计
2.4.11602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16*1，16*2，20*2和40*2行等的模块。
下面以长沙太阳人电子有限公司的1602字符型液晶显示器为例，介绍其用法。
字符型LCD1602通常有14条引脚线或16条引脚线的LCD，多出来的2条线是背光电源线VCC（15脚>
和地线GND（16脚>
，其控制原理与14脚的LCD完全一样。
2.4.21602LCD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。
2.LCD1602主要技术参数
显示容量:
16×
2个字符
芯片工作电压:
4.5—5.5V
工作电流:
2.0mA（5.0V>
模块最佳工作电压:
5.0V
字符尺寸:
2.95×
4.35（W×
H>
mm
3.1602LCD引脚
1602LCD采用标准的14脚<
无背光）或16脚<
带背光）接口，各引脚接口说明如表2-1。
表2-1引脚接口说明表
第1脚：
VSS为地电源。
第2脚：
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7～14脚：
D0～D7为8位双向数据线。
第15脚：
背光源正极。
第16脚：
背光源负极。
三、霍尔传感器测量车速系统软件设计
3.1设计思想
本系统采用89C51中的
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
计数值，此值即为脉冲信号的频率，代表的即是小车的转速。
3.2总体软件流程
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，即小车转速。
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5000r/min则报警并返回初始化阶段，否则就进行正常速度液晶显示。
四、设计中的问题及解决办法
4.1出现的问题
1、逻辑故障
2、元器件失效
3、电源故障
4.2解决方法
1．排除逻辑故障
显示器部分调试为了使调试顺利进行,首先将89C51与LCD显示分离,这样就可以用静态方法先测试LCD显示,用规定的电平加至位显示的引脚,看显示是否与理论上一致。
不一致,一般为LCD显示器接触不良所致,必须找出故障,检测89C51电路工作是否正常。
对89C51进行编程调试时,分为两个步骤：
第一,对其进行初始化。
第二,将89C51与LCD结合起来,借助开发机,通过编制程序进行调试。
若调试通过后,就可以编制应用程序了。
对于一些逻辑故障来说，这类故障往往是由于设计和焊接过程中的失误所造成的。
主要包括错线、开路、短路。
排除的方法是首先将焊接好的电路板认真对照原理图,看两者是否一致。
应特别注意电源系统检查,以防止电源短路和极性错误,并重点检查系统总线是否存在相互之间短路或与其它信号线路短路。
必要时利用数字万用表的短路测试功能,可以缩短排错时间。
2．排除元器件失效
造成这类错误的原因有两个：
一个是元器件买来时就已坏了另一个是由于安装错误,造成器件烧坏。
可以采取检查元器件与设计要求的型号、规格和安装是否一致。
在保证安装无误后,用替换方法排除错误。
3．排除电源故障
在通电前,一定要检查电源电压的幅值和极性,否则很容易造成集成块损坏。
加电后检查各插件上引脚的电位,一般先检查VCC与GND之间电位,若在5V～4．8V之间属正常。
若有高压,联机仿真器调试时,将会损坏仿真器等,有时会使应用系统中的集成块发热损坏。
附录：
完整电路图
参考文献
[1]成辉．传感器的理论与设计基础及其应用[M]．北京：
国防工业出版社.1999.30～32
[2]任小青，王晓娟.基于AT89C51单片机的频率计设计方法的研究[J].青海大学学报.2009<
02）
[3]来清民.传感器与单片机接口及实例[M].北京航空航天大学出版社.2008.264～266
[4]陈花玲.机械工程测试技术[M].机械工业出版社.2008（07>
[5]邵显涛，陈明，李俊.基于霍尔传感器电机转速的单片机测量[J].电子测试.2008<
12）
[6]牛洁，周静，苟娜.基于霍尔传感器的直流电机转速测量系统设计[J].电子测试.2008<
05）
[7]姜文华.电动机测试系统及霍尔效应传感器在测试中的应用[C].2003
[8]彭为，黄科，雷道仲.单片机典型系统设计实例精讲[M].北京：
电子工业出社.2007.316～317
[9]张毅坤，陈善久，裘雪红.单片机原理及应用[M].西安：
西安电子科技大学出版社.2007.28～30
[10]陈享成，耿长青.基于单片机的LCD显示终端设计[J].电力自动化设备.2007<
09）
[11]陈兴文，刘燕.单片机应用系统硬件调试技巧[J].中国测控网.2006
升级会员 