0637机械工程测试技术

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1、机械工程测试技术课程设计自行车车速/里程测量仪设计姓 名： 王新波 学 院： 机电工程学院 专 业： 机械设计制造及其自动化班 级： 2010 级本科 3 班 学 号： 201005130637 完 成 日 期： 2012 年 12 月 28 日 1摘摘 要要本文介绍了霍尔传感器测速的原理，设计了基于单片机 AT89C51 的测量车速系统。完成了车速测量系统的硬件电路设计、霍尔传感器测量电路的设计、显示电路的设计。测量转速的霍尔传感器和车轴同轴连接，车轴每转一周，产生一定量的脉冲个数，由霍尔器件电路部分输出幅度为 12V 的脉冲。经光电隔离器后成为输出幅度为 5V 转数计数器的计数脉冲。控制定

2、时器计数时间，即可实现对车速的测量。在显示电路设计中，通过1602 实现在 LCD 上直观地显示车轮的转速值。与软件配合，实现了显示、报警功能。关键词关键词：车速测量； 霍尔传感器； 单片机； 89C51； LCD2目目 录录一、绪论 .11.1 设计内容.21.2 设计要求.2二、霍尔传感器测量车速系统硬件设计 .32.1 车速测量系统的硬件电路设计.32.1.1 总体硬件设计.32.1.2 系统电路设计.42.2 霍尔传感器测量电路设计.52.2.1 霍尔元件.52.2.2 霍尔传感器测量原理.62.2.3 转速测量方法.62.2.4 反相器 74LS14 .72.2.5 光电耦合器.72

3、.2.6 蜂鸣器.92.3 单片机 AT89C51 .92.3.1 AT89C51 芯片 .102.3.2 定时器.102.3.3 外部中断.112.4 显示电路设计.112.4.1 1602 字符型 LCD 简介 .112.4.2 1602LCD 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、绪一、绪 论论1.11.1 设计设计内容内容霍尔传感器一般由霍尔元件和磁钢组成，当霍尔

4、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。1.21.2 设计要求设计要求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。3二、霍尔传感器测量车速系统硬件设计二、霍尔传感器测量车速系统硬件设

5、计2.12.1 测量车速系统的硬件电路设计测量车速系统的硬件电路设计2.1.12.1.1 总体硬件设计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

6、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。小车霍尔传感器整形隔离单片

7、机AT89C51报警LED电源4 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。2.1.22.1.2 系统电路设计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

8、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00INT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。5图 2-3 总体硬件电路图2.22.2 霍尔传感器测量电路设计霍尔传感器测量电路设计2.2.12.2.1 霍尔元件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 Allegro Micr

9、o Systems 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 36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

10、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2.2.22.2.2 霍尔传感器测量原理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。2.2.32.2.3 转速测量方法转速测量方法 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

11、 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：7n= (2-1)PT60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

12、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。2.2.42.2.4 反相器反相器 74LS1474LS1474LS14 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

13、电平。图 2-5 反相器引脚图2.2.52.2.5 光电耦合器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8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

14、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

15、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。9图 2-7 光电耦合器接线原理2.2.62.2.6 蜂鸣器蜂鸣器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

16、时器等电子产品中作发声器件。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2.32.3 单片机单片机 AT89C51AT89C51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。10 单

17、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。2.3.12.3.1 AT89C51AT89C51 芯片芯片AT89C51 是一种带 4K 字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROMFlash Programmable and Erasable Read Only Memory）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

18、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。2.3.22.3.2 定时器定时器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。

19、OSC8051 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

20、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。11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

21、2、2或 2 ） ，13168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）OSCf/12要求的计数值2.3.32.3.3 外部中断外部中断外部中断：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。2.42.4 显示电路设计显示电路设

22、计2.4.12.4.1 16021602 字符型字符型 LCD 简介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。2.4.22.4.2 16021602LCD 的基本参数及引脚功能的基本参数及引脚功能1.1602LCD 类型1602LC

23、D 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:162个字符芯片工作电压:4.55.5V12工作电流:2.0mA(5.0V)模块最佳工作电压:5.0V字符尺寸:2.954.35(WH)mm3.1602LCD 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 引脚接口说明表编号1234567符号VSSVDDVLRSR/WED0引脚说明电源地电源正极液晶显示偏压数据/命令选择读/写选择使能信号数据编号9101112131415符号D2D

24、3D4D5D6D7BLA引脚说明数据数据数据数据数据数据背光源正极第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

25、 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。13第714脚：D0D7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三、霍尔传感器测量车速系统软件设计3.13.1 设计思想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0INT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0INT号的频率，代表的即是小车的转速。3.23.2 总体软件流程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

26、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。14四、四、设计中的问题及解决办法设计中的问题及解决办法4.14.1 出现的问题出现的问题1、逻辑故障2、元器件失效3、电源故障4.24.2 解决方法解决方法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

27、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

28、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15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5V48V 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：完整电路图附录：完整电路图16参考文献参考文献1成辉传感器的理论与设计基础及其应用M北京：国

29、防工业出版社.171999.30322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.2008.2642664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.20038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

30、.2007.3163179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.2007.283010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简简 历历姓 名： 简历模板 http:/性 别： 男出生日期： 1989 年 2 月年 龄： 37 岁户口所在地：上海政治面貌： 党员毕业生院校：专 业：地 址：电 话：E-mail：_教育背景教育背景_181983/08-1988/06 华东理工大学 生产过程自动化 学士 _个人能力个人能力_这里展示自己有什么的特长及

31、能力_专业课程专业课程_课程名称(只写一些核心的)：简短介绍课程名称：简短介绍 _培训经历培训经历_2002/06-2002/10 某培训机构 计算机系统和维护 上海市劳动局颁发的初级证书 1998/06-1998/08 某建筑工程学校 建筑电气及定额预算 上海建筑工程学校颁发 _实习经历实习经历_2011 年年 5 月月 现在现在 某（上海）有限公司某（上海）有限公司 XX 职位职位【公司简单描述】属外资制造加工企业,职工 1000 人，年产值 6000 万美金以上。主要产品有：五金制品、设备制造、零部件加工、绕管器【工作职责】 【工作业绩】_语言能力语言能力_英 语：熟练 英语等级：大学英语考试四级_IT 技能技能_Windows NT/2000/XP36 个月经验水平：精通 LAN36 个月经验水平：熟练 Office84 个月经验水平：精通 _自我评价自我评价_这里写自我评价的内容 可以访问 http:/_获得的证书与奖项获得的证书与奖项_19系里的一等奖学金 获得时间： 年 全系 XXX 人只有 XX 人取得。