基于单片机速度测量系统的设计.doc
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基于单片机计速器的设计
摘要：
随着信息技术的不断发展，单片机在测量系统中得到了广泛的应用。
速度是一个系统经常需要测量、控制和保持的量。
速度的测量方法有许多种，但在不同的应用环境下，相应的测量方法有它自己的特点和误差。
因此对单片机速度测量系统的研究有着重要的目的和意义。
本设计采用AT89S51单片机作为主要控制核心，应用霍尔传感器采集信号，经过单片机定时计数并运用一个算法测量出汽车行驶速度，最终用4位LED数码管显示其测量结果,具有较高的实用价值。
本文的优点是充分发挥了单片机的性能，硬件电路简单，软件功能完善，测量速度快、精度高，成本低等特点。
关键词：
单片机；速度测量；霍尔传感器；LED
目录
1总体设计 1
1.1系统设计方案论证 1
1.2本系统设计的主要内容 1
2单片机速度测量系统 2
2.1单片机速度测量原理 2
2.2单片机速度测量系统结构框图 2
3系统硬件设计 2
3.1传感器概述 2
3.1.1霍尔传感器的基本工作原理 3
3.1.2CS3020霍尔传感器 4
3.1.3霍尔传感器的硬件连接 6
3.2MCU控制系统的设计 6
3.2.1CPU的选用 6
3.2.2AT89S51主要特性和引脚说明 7
3.2.3单片机最小系统 9
3.3LED数码管显示器 10
3.4单片机测速系统总原理图 11
4系统软件设计 12
4.1程序流程图 12
4.2程序功能 13
4.3程序调试 14
参考文献 15
附录 15
1总体设计
1.1系统设计方案论证
现在测量速度的方法有很多，可以采用不同的器件做出多种测速器。
在这里讨论了两种方案。
方案一：
光电式脉冲发生器。
主要由光源、光敏器件和遮光盘组成。
车轮旋转带动遮光盘旋转，当遮光盘没有遮住光源时，光源的光射到光敏器件上，光敏器件中有电流流过，于是在输出端产生电压输出。
其脉冲频率与车速成正比，经过单片机处理后，即可得出车辆的速度。
这种光脉冲发生装置，在转换速度较高的情况下，由于车辆运行中的振动引起的光脉冲干扰等问题不好解决，现在采用的不多。
方案二：
磁电式脉冲发生器。
将导磁材料的齿轮固定在转轴上，对着齿轮端面固定一块磁钢，霍尔元件贴在磁钢的一个端面上，随着齿轮转动，元件的输出呈周期性变化，经整形和放大后输出方波脉冲。
霍尔传感器输出频率与转速成正比，此信号经单片机处理后，即可得出车辆的速度。
本设计测量要求稳定性好，灵敏度高和精度高，而且对汽车速度的测量要求传感器能够适应各种各样的环境。
所以这里选择方案二。
其原因还有三点：
其一是霍尔传感器输出信号电压幅值不受转速的影响；其二是频率响应高，其响应频率高达20kHz，相当于车速为1000km/h时所检测的信号频率；其三是抗电磁波干扰能力强。
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M/T法（频率周期法）。
测频法一般用于高速测量，在转速较低时，测量误差较大；而测周期法一般用于低速测量，速度越低测量精度越高，但在测量高转速时，误差较大；频率周期法结合了上面两种方法的优点，但是此种方法要求单片机有3个定时/计数器。
考虑上面三种因素，该系统选择测频法。
1.2本系统设计的主要内容
根据上面选择的方案，本设计主要内容由以下三大部分组成：
一、信号的采集。
这部分主要是用霍尔转速传感器采集车轮转速的信号，并将采集的信号传给单片机。
二、单片机数据处理。
这部分主要是使用51系列单片机采用适当的算法来编程快速准确地对采集的数据进行相关运算并得出结果。
此部分是本设计的重点和难点。
三、LED数字显示。
这部分主要是对测得的结果通过4位LED数码管显示给用户。
用单片机AT89S51作为控制核心，通过霍尔传感器来检测汽车的运转情况进而实现汽车速度的测量，最后用4位LED数码管直观的将速度显示给用户，保留一位小数位。
该测量方法是数字式测量方法，代替了传统的机械式或模拟式结构，测量精度有了很大的提高，具有很大的实用价值。
2单片机速度测量系统
2.1单片机速度测量原理
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（如果要提高测量精度，可以在转盘边沿多固定2到3个磁钢），转盘随着轴旋转，磁钢也将跟着同步旋转。
在转盘附近安装一个霍尔器件，转盘随轴旋转一周时，受磁钢所产生的磁场的影响，霍尔器件输出一个脉冲信号，转盘转了多少转霍尔器件就输出多少个脉冲信号，将输出的脉冲信号送到单片机的计数口，利用单片机的定时/计数器进行定时和计数，测出脉冲的周期或频率即可计算出车轮转速。
通过单片机软件设计，把转速转换成线速度。
转速即是角速度，线速度=角速度*周长。
2.2单片机速度测量系统结构框图
根据霍尔转速测量原理，可以画出单片机速度测量系统的结构框图。
结构框图如图3-1所示。
霍尔传感器
单片机
LED显示
图3-1单片机速度测量系统结构框图
由霍尔传感器采集车轮转速的信号，并将采集的信号传给单片机，利用单片机的定时计数器功能和编写的程序将采集的信号转换成数据，通过数码管将数据显示出来。
3系统硬件设计
整个系统主要包括霍尔转速传感器、单片机和LED显示模块三大部分组成。
各个硬件部分将在后面详细阐述。
3.1传感器的选用
传感器是能够感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置。
在电子技术领域，常把能感受信号的电子元件称为敏感元件，如热敏元件、磁敏元件、光敏元件等。
通常，传感器由敏感元件和转换元件组成，如图4-1所示。
其中敏感元件是指传感器中能直接感受或响应被测量的部分；转换元件是指传感器中能将敏感元件感受或响应的被测量转换成适合于传输或测量的电信号部分。
由于传感器输出信号一般都很微弱，需要有信号调理与转换电路，进行放大、运算调制等，此外信号调理转换电路以及传感器的工作必须有辅助的电源，因此信号调理转换电路以及所需的电源都应作为传感器组成的一部分。
随着半导体器件与集成技术在传感器中的应用，传感器的信号调理转换电路与敏感元件一起集成在同一芯片上，安装在传感器的壳体里。
敏感元件
转换元件
信号调理转换电路
辅助电源
图4-1传感器组成方框图
3.1.1霍尔传感器的基本工作原理
霍尔传感器是利用霍尔效应原理，通过磁场、电流对被测量的控制，使包含有被测量变化信息的霍尔电压发生变化，在利用后继的信号检索和信号放大电路，就可以得到被测量的信息。
正因为霍尔传感器的基本原理霍尔效应只包含了磁场、电流、电压三个常用物理量，使得采用霍尔传感器对被测量的测量简单易行，而磁场强度、电流、电压是磁场、电场的基本物理量，所以霍尔传感器可以进行精确的非接触测量。
1．霍尔效应
在一块半导体薄片上，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I，且磁场方向与电流方向正交，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，Kh值越大，灵敏度就越高，该电势称为霍尔电势。
在片子上作四个电极，其中C1、C2间通以工作电流I，C1、C2称为电流电极，C3、C4间取出霍尔电压UH，C3、C4称为敏感电极。
将各个电极焊上引线，并将片子用塑料封装起来，就形成了一个完整的霍尔元件。
图4-2霍尔效应
2．工作原理
霍尔开关集成电路由稳压器、霍尔元件、差分放大器、斯密特触发器和输出级组成。
在外磁场的作用下，当磁感应强度超过导通阈值BOP时，霍尔电路输出管导通，输出低电平。
之后，磁感应强度再增加，仍保持导通态。
若外加磁场的磁感应强度值降低到BRP时，输出管截止，输出高电平。
通常称BOP为工作点，BRP为释放点，BOP－BRP=BH称为回差。
回差的存在使开关电路的抗干扰能力增强。
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放大后再经过斯密特触发器进行整形、放大后输出脉冲方波信号。
霍尔传感器内部结构如图4-3所示。
稳压器
传感器
放大器
施密特触发器
Vcc
集电极开路输出
GND
图4-3霍尔传感器内部结构方框图
3.1.2CS3020霍尔传感器
霍尔传感器是对磁敏感的传感元件，常用于开关信号采集的有CS3020、CS3040等，这种传感器是一个3端器件，外形与三极管相似，只要接上电源、地，即可工作，输出通常是集电极开路门输出，工作电压范围宽，使用非常方便。
考虑到用于汽车速度测量这种特殊环境下，在本设计中选择了CS3020霍尔传感器，该系列霍尔开关电路传感器广泛用于汽车工业和军事工程中。
如图4-4所示是CS3020的外形图。
将有字面对准自己，三根引脚从左向右分别是Vcc，地，输出。
图4-4CS3020的外形图
CS3020是由电压调整器，霍尔电压发生器，差分放大器，史密特触发器和集电极开路的输出级组成的磁敏传感电路，它是一种单磁极工作的磁敏电路，适合于矩形或者柱形磁体下工作。
当磁钢随车轮轴旋转时，霍尔传感器受磁场的影响，霍尔器件输出一个脉冲信号。
感受到磁场的时候输出一个低电平，没感受到磁场的时候输出高电平。
工作特点如下：
l电源电压范围宽
l开关速度快，无瞬间抖动
l工作频率宽
l寿命长、体积小、安装方便
l能直接和晶体管及TTL、MOS等逻辑电路接口
极限参数见下表4-1
参数
符号
量值
单位
电源电压
VCC
25
V
磁感应强度
B
不限
mT
输出电流
IOL
25
mA
工作环境温度
TA
-40~125
℃
贮存温度
TS
-55~150
℃
电特性见下表4-2（TA=25℃）
参数
符号
测试条件
CS3020
单位
最小
典型
最大
电源电压
VCC
Vcc=4.5～24
4.5
—
24
V
输出低电平电压
VOL
Vcc=4.5V,
Vo=Vccmax,
B=50mT,Io=25mA
—
200
400
mV
输出漏电流
IOH
Vo=Vccmax,VCC开路
—
0.05
10
μA
电源电流
ICC
Vo=Vccmax,VCC开路
—
8
12
mA
输出上升时间
tr
Vcc=12V,
RL=480Ω
CL=20pF
—
0.12
1.2
μS
输出下降时间
tf
—
0.14
1.4
μS
磁特性见表4-3（VCC=4.5～24V）
参数
符号
CS3020
单位
最小
典型
最大
工作点
BOP
7
—
35
mT
释放点
BRP
5
—
33
mT
回差
BH
2
—
—
mT
3.1.3霍尔传感器的硬件连接
霍尔传感器的标志面对着自己，从左至有右分别是接5V电压，接地，脉冲输出。
如图4-5所示是霍尔传感器的硬件连接图。
图中R1是限流电阻，C1、R2起滤高频的作用。
当霍尔元件感受到磁场的时候引脚3输出低电平，三极管导通，单片机P3.5口接收到高电平脉冲；当霍尔元件没有感受到磁场的时候引脚3输出高电平，三极管截止，单片机P3.5口接
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