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霍尔论文

3硬件电路设计

3.1系统的主控电路

图3.1单片机主控电路

图3.1是该系统的主控单元的电路图。

J2、J3、J4、J5是单片机的I/O端口的扩展，预留接口用于调试等。

主控芯片采用STC89C52单片机，该系统中采用定时器0作为定时器，定时器的时间为1S。

定时器1作为计数器，对P35引脚采集到的脉冲信号进行计数操作，单片机然后对数据进行处理，计算出1S内计数脉冲的个数，即电机转速。

然后通过显示电路将电机转速显示出来，从而实现整个系统的功能。

3.1.1STC89C52单片机介绍

国芯微电子公司生产的STC89C52单片机是为一个8位通用的微处理器[2]，采用工业标准的51内核，工作电压为5V，在低端的微控制器领域，这个单片机的性能非常好。

采用CHMOS制作工艺制作，功耗很低。

芯片内部集成了一个可反复擦写10万次的只读存储器ROM和一个升具有256个字节的随机存储器RAM。

随机存储器（RAM器件）采用标准MCS-52指令系统并且兼容MCS-51指令系统。

单片机片内部还集成了一个通用的8位中央处理器与一个FLASH存储单元，还有定时器、串口中断、外部中断等外设资源。

AT89C52单片机这些优点使其得大多数设计者的青睐，为许多嵌入式控制电路提供了一种灵活、实用、经济实惠的设计模式。

其引脚图，如下图3.2所示：

图3.2单片机引脚

3.1.2STC89C52芯片管脚介绍

1引脚至8引脚为单片机端口的输入/输出脚。

9引脚：

是单片机的复位引脚。

当单片机上电以后，时钟电路开始工作，如果复位引脚出现高电平的时间超过两个机器周期以上，单片机将进入复位状态。

10引脚至17引脚是单片机P3端口的输入/输出引脚，P3口与P2很相似，不同的是P3口有很多第二功能，比如说定时器、外部中断、串口中断、串口通信等功能，在实际应用中，我们对P3口的第二功能应用的是比较多的。

18、19引脚分别是时钟电路的输出端、输入端，一般通过22pF的瓷片电容接地，为单片机提供时钟新信号，相当于这个系统的心脏。

29引脚一般用于扩展单片机存储器空间。

当次引脚输出低电平的时候，选通外部程序存储器。

如果输出高电平，则不选择外部存储器，即没有选择存储器扩展功能。

单片机上电默认高电平。

30引脚跟29引脚差不多，也是单片机的存储空间不足的时候用于，通过使用外部的存储器，来扩展单片机自身存储空间的不足，从而改善单片机存储空间的问题。

31引脚也是跟程序存储器相关的控制端口，在开发应用中一般很少用到，因为随着社会的发展，单片的发展非常迅速，单片机内部的存储空间是足够用的，所以这些第二功能是很少用到的，并且现在已经有很多更低功耗的单片机，更大的存储器的单片机已经被生产应用，并逐渐占领低端单片机的市场。

39引脚至32引脚是P0端口的输出输入引脚，其输出端口漏极开漏，与P2口结合可作为16跟地址总线服用端口。

当作为普通的I/O端口的时候，需要上上10K的拉电阻，否则P0端口不能正常工作。

40引脚为VCC，是给芯片供电的引脚，额定电压为5V，并且该引脚旁边要加上滤波电路，防止电压波动很大的时候烧毁芯片。

20引脚为GND，很显然是单片机的接地引脚，为电路各处的电压提供一个基准值。

P1口的部分管脚的第二功能如表3.1所示：

表3.1P1口的部分管脚的第二功能

引脚号

第二功能

P1.0

T定时器2的复用引脚，或者输出一个时钟脉冲

P1.1

T2/C2的控制输入引脚

P1.5

MOSI即主出从入，用于SPI通信

P1.6

MISO即主入从出，用于SPI通信

P1.7

SCK时钟信号，用于SPI通信

P3口的部分管脚的第二功能如表3.2所示：

表3.2P3口的部分管脚的第二功能

引脚号

第二功能

引脚号

第二功能

P3.0

RXD串口接收

P3.4

T0的外部计数器输入

P3.1

TXD串口输出

P3.5

T1外部计数器输入

P3.2

外部中断0

P3.6

允许外部写入引脚

P3.3

外部中断1

P3.7

允许外部读取引脚

3.2时钟电路

图3.3时钟电路

图3.3为单片机的时钟单元电路，晶振采用12MHz，C1和C2均为22pF的陶瓷电容。

51单片机会对时钟电路进行12分频，给单片机提供机器时钟。

时钟电路是单片机的心脏，它控制着单片机的工作节奏。

单片机就是通过复杂的时序电路完成不同的指令功能的。

3.3单片机复位电路

图3.4是系统复位电路[3]，C3为10UF的电解电容，R2是10K的电阻，REST是低位按键。

复位电路的基本功能是：

系统上电时提供复位信号，直至系统电源稳定后，撤销复位信号。

为可靠起见，电源稳定后还要经一定的延时才撤销复位信号，以防电源开关或电源插头分-合过程中引起的抖动而影响复位。

单片机的复位引脚保持高电平2个机器周期以上，就会进入复位状态。

图3.4复位电路

3.4霍尔传感器电机采样电路

图3.5霍尔传感器A3144电路

霍尔传感器分为线型霍尔传感器和开关型霍尔传感器两种。

本系统采用开关型霍尔传感器型号为A3144。

其内部集成了信号放大电路、整形电路、输出电路。

当霍尔传感器采集到外部脉冲信号以后，通过内部集成小信号放大器电路把信号放大，然后经过一个施密特触发器整形，最后通过一个集电极开漏的三极管输出。

该传感器为开关型霍尔传感器，所以输出为数字信号。

由于集电极开漏，所以在应用的电路中，需要加一个10K左右的上拉电阻R1。

1引脚为VCC，2引脚为GND，3引脚为信号输出端。

3.4.1A3144霍尔开关的工作原理及应用说明

根据霍尔效应，人们用半导体材料制成的元件叫霍尔元件[4]。

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”[5]。

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。

可应用于汽车工业和军事工程中。

霍尔传感器的外形图和与磁场的作用关系如图3.6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。

（a）霍尔元件和磁钢（b）管脚图

图3.6霍尔传感器的外形图

3.4.2霍尔传感器测量原理

测量电机转速的第一步就是要将电机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，其基本的测量原理如图3.7所示，当电机转动时，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[6]。

图3.7霍尔器件测速原理

3.5电机驱动电路

图3.8电机驱动电路

本系统采用型号为RF-300FA的直流电机，额定供电电压为5.9V，在本系统中采用5V供电。

由于电机直接由电源供电，不是采用单片机单片机端口驱动，所以无需在添加驱动电路，即可适用于系统应用。

J6是直流电机接口，电位器PR3为10K，通过调节电位器可改变通过电机的电流，从而控制电机的转速，实现无极调速。

3.6显示电路

（a）

（b）

图3.9显示电路

显示电路采用四位一体数码管，电路设计为横流驱动方式，使数码管亮度均匀。

Q1、Q2、Q3、Q4均为PNP型三极管，型号为8550。

PR1为阻值为2.2K的4P8排阻，具有限流作用，防止三极管击穿。

4软件系统设计

4.1系统框架图

图4.1霍尔测速系统框图

电机采用直流电机，然后利用霍尔传感A3144对电机的转速进行采样从而输出脉冲信号。

主控芯片采用STC89C52单片机，对脉冲个数进行计数并经过数据处理以后得到单位时间内电机转过的转数机电机的转速，再通过显示电路将电机转速显示出来。

4.2软件流程图

图4.2所示是软件流程图，首先进行软件初始化，然后主函数进行数据处理，定时器函数设置定时时间是否到达1S，达到1秒就更新电机转速变量。

没有达到1S则不进行数据更新处理。

数据处理以后，通过数码管显示。

计数器中断函数，通过外部脉冲计算脉冲个数，定时器在更新电机转速变量的时候，会读取TH0、TL0寄存器，并清空寄存器。

（b）定时器中断函数

图4.2软件流程图

4.3软件设计

4.3.1系统初始化

系统初始化函数主要是对系统的配置进行初始化，在这里使用到的定时器0和计数器1，所以只需要对定时器0和计数器1进行初始化即可。

下面是初始换函数：

//定时器初始化,定时器0定时，计数器1计数

voidTimer_Init（）

{

TMOD=0x51;//定时器1：

16位定时器负责定时；定时器0：

:

16位计数器负责计数

//定时器0配置

TH0=0xDC;//10ms定时初值

TL0=0x00;

ET0=1;//使能定时器0中断

TR0=1;//允许定时器0计数

//计数器1配置

TH1=0x00;//计数器初值

TL1=0x00;

TR1=1;//允许计数器1计数

EA=1;//使能总中断

}

4.3.2定时获取脉冲数据

根据本系统的测速原理，可以知道，单片机通过P3.5将来自动累计外部脉冲的个数，将其保存到TH1，TL1寄存器中。

然后通过定时器中断服务函数，定时读取这两个寄存器中数据，并将其清空为0，以便计数器重新开始计数。

以下是代码分析：

/*------------------------------------------------------------------------------------

函数：

uint16Get_DC_MotorSpeedCounterValue（void）

输入参数：

无

返回参数：

计数器所记的数值

-------------------------------------------------------------------------------------*/

uint16Get_DC_MotorSpeedCounterValue（void）

{

uint8temp1=0,temp2=0;//两个临时变量，分别用来保存TH1和TL1的数值

uint16Temp_DC_MotorSpeedCounter=0;

temp1=TH1;

temp2=TL1;

//uint8类型强制转换为uint16类型然后移位，计算计数脉冲数

Temp_DC_MotorSpeedCounter=（（uint16）temp1<<8）+（uint16）temp2;

TH1=0;

TL1=0;

returnTemp_DC_MotorSpeedCounter;//检测到的直流电机旋转的圈数，即计数器的值

}

voidT0_Interrupt（）interrupt1

{

staticuint8counter=0;

TH0=0xDC;//10ms定时初值

TL0=0x00;

counter++;

if（counter==100）//10ms*100=1s

{

counter=0;

DC_MotorSpeedCounter=Get_DC_MotorSpeedCounterValue（）;

}

}

4.3.3数据处理及显示

获取电机转速以后，需要单片机将数据显示出来。

但是电机转速十一个uint16类型的数据，因此需要吧这个整数的千位、百位、十位和个位分离出来，然后通过各位的数值对应的数码管的段码，将数据正确的显示出来。

以下是数据处理函数：

voidData_Process（uint16x）//将数据的千百十个位分别提取出来，放入缓冲区

{

Disp_Buffer[0]=x/1000;

Disp_Buffer[1]=x%1000/100;

Disp_Buffer[2]=x%100/10;

Disp_Buffer[3]=x%10;

}

以下是主函数，负责系统各个外设的控制：

//==========主函数===========

voidmain（）

{

uint8i;

Timer_Init（）;

while

（1）

{

Data_Process（DC_MotorSpeedCounter）;

for（i=0;i<4;i++）

{

P0=Digit_Bits[Disp_Buffer[i]];

P2=Digit_Seg[i];

Delay_Ms

（1）;

}

}

}

5实物制作与调试

5.1系统的设计、制作与调试

当任务拿到手里以后，看了一下题目，感觉不算很难，并且思路上基本很清晰。

既然是毕业设计，所以在制作的时候给自己提了一个更高的要求。

首先查阅一些跟本课题相关的资料，分析电路，把基本的霍尔传感器测转速的原理弄明白。

然后比较一下目前市面上常用的传感器，不同的型号有哪些优势。

最后确定霍尔传感器的型号为A3144开关型霍尔传感器，然后设计电路图。

单片机采用一般的STC89C52单片机，因为对于该系统来说，这个该单片机的资源已经够用了。

电机采用RF-300带转盘的直流电机[8]。

因为霍尔传感器需要根据磁性产生脉冲信号的，所以我在电机转盘的上面和下面个各放了一个磁石，保证磁石能吸附在转盘上，从而保证脉冲的正常产生。

由于对自己要求高了一点，所以再设计电路图的时候必须考虑到电路的扩展性，该留的端口必须留出来，比如：

单片机扩展I/O口，显示部分的数码管接口，LCD1602[9]等接口，电机调速电路在设计的时候就要求可以通过电位器调速也可以通过生成一个PWM信号，调节电机转速。

由于预留的扩展接口多了一点，所以在PCB布线的时候，单片板线路走不通必须采用双面板。

板子做出来以后，就陆陆续续的开始进行软硬件的调试、焊接、测试等。

但是由于电路的复位电路出了点问题，导致板子有一个小小的下瑕疵，复位电路的元器件焊接以后，电路一直处于复位状态，不能正常工作。

所以选择了复位电路不焊接，终于调试成功了。

正常工作状态就是，电机的转速通过A3144采样以后，产生的脉冲信号经过单片机处理以后，通过数码管将电机转速（r/s）显示出来。

通过调节电位器的阻值，可以改变电机转速，数码管显示电机转速的数值也跟着相应的变化。

5.2实物展示

图5.1PCB正面图图5.2PCB背面图

图5.3作品及配套元件

图5.4显示效果图

图5.1是PCB板子的正面照片，图5.2是PCB板子的背面的照片。

图5.3是霍尔传感器测速的毕业设计作品，从图中可以看到毕业设计的实物图及各个模块等，电机转盘上的磁石，就是电机赚够一圈的标志。

当磁石距离A3144传感器距离很近的时候，传感器的Dout引脚就会输出一个高电平，距离远的时候就会输出一个低电平，所以电机旋转的过程中就会不断产生脉冲信号，从而使单片机进行处理，并显示电机转速。

图片中没有显示电源供电部分，实际操作的时候，供电部分可以采用干电池供电，也可以用做好的5V直流电压模块，我在测试的过程中，用了单片机开发板给该系统供电。

附录元器件清单

序号

名称

型号

数量

单价（元）

1

贴片按键

4.5*4.5

10个

0.1

2

四位共阴数码管

5个

2

3

3362电位器

10K

10个

0.5

4

3362电位器

50K

10个

0.5

5

单片机

STC89C52

4个

5

6

霍尔传感器

A3144

10个

2

7

磁石

10个

1

8

电机

3个

10

9

单排插母

10个

0.5

10

双排插母

10个

0.5

11

电解电容

100uf

5个

0.5

12

DIP40底座

2个

0.5

13

排阻

10K9pin

5个

0.2.

14

单排插针

2个

0.5

15

三极管

8550

10

0.2

16

4P8

10

1