單片機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量與顯示裝置

朱立

1 緒言

單片機(jī)控制已廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制和日常生產(chǎn)與生活中，如機(jī)器的運(yùn)轉(zhuǎn)速度、車輛的行駛速度、風(fēng)扇轉(zhuǎn)速、電機(jī)超速報(bào)警、洗衣機(jī)洗衣模式等。自動(dòng)控制系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)速的測(cè)量是系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)，也是智能儀器和儀表的重要組成部分。在測(cè)量系統(tǒng)中，將所測(cè)量到的信息準(zhǔn)確地轉(zhuǎn)換與傳遞給單片機(jī)進(jìn)行下一步的計(jì)算、判斷、顯示，并為接下來的自動(dòng)控制提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)?？梢哉f轉(zhuǎn)速的測(cè)量與顯示是自動(dòng)控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)。本文介紹一種基于單片機(jī)AT89C2051、用霍爾元件為轉(zhuǎn)速傳感器的轉(zhuǎn)速測(cè)量、顯示裝置。

2 構(gòu)成

轉(zhuǎn)速測(cè)量與顯示裝置的結(jié)構(gòu)和工作原理可用圖1表示：

圖1 轉(zhuǎn)速測(cè)量與顯示裝置的結(jié)構(gòu)和工作原理圖

2.1 單片機(jī)

單片機(jī)是本系統(tǒng)的核心，本設(shè)計(jì)以Atmel公司生產(chǎn)的AT89C2051單片機(jī)作為主體。AT89C2051片內(nèi)含2k Bytes ISP(In-system programmable)的可反復(fù)擦寫1000次的Flash只讀程序存儲(chǔ)器，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)；128 Bytes的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM）；外部雙向輸入/輸出（I/O）口；兩個(gè) 16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器，5個(gè)向量?jī)杉?jí)中斷結(jié)構(gòu)；一個(gè)全雙工串行通信口；其高性能和簡(jiǎn)單的引腳結(jié)構(gòu)為簡(jiǎn)化硬件設(shè)計(jì)提供了條件。但其引腳與AT89C51系列單片機(jī)有所不同，其引腳為20腳，省去了AT89C51中的部分引腳從而體積減小，降低了功耗。

2.2 霍爾信號(hào)發(fā)生器

傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)速傳感器多采用光電傳感器，這里介紹一種較之光電傳感器更為簡(jiǎn)單的霍爾傳感器?；魻栃盘?hào)發(fā)生器工作原理如圖2。將霍爾元件（半導(dǎo)體基片）置于磁場(chǎng)中，并通入電流，電流的方向與磁場(chǎng)的方向互相垂直，則在垂直于電流和磁場(chǎng)的霍爾元件橫向兩側(cè)就會(huì)產(chǎn)生與電流和磁感應(yīng)強(qiáng)度成正比的電壓。

圖2 霍爾信號(hào)發(fā)生器工作原理圖

其中：RH----霍爾系數(shù)；d----半導(dǎo)體基片的厚度；I----流過霍爾元件的電流；B----磁感應(yīng)強(qiáng)度；UH----霍爾電壓。

霍爾轉(zhuǎn)速傳感器流過的電流不變，通過將一塊強(qiáng)磁片植入旋轉(zhuǎn)部分，使其周期性地改變磁感應(yīng)強(qiáng)度從而產(chǎn)生周期性的高低電壓 UH。實(shí)踐中采用的霍爾元件型號(hào)為A04E717，電源電壓為5V，所產(chǎn)生的脈沖信號(hào)可直接送給單片機(jī)輸入計(jì)數(shù)。

2.3 轉(zhuǎn)速顯示接口

顯示接口電路是單片機(jī)系統(tǒng)中的主要人機(jī)接口之一?？紤]到本裝置只用于簡(jiǎn)單顯示轉(zhuǎn)速，所以選用具有工作電壓低、發(fā)光控制簡(jiǎn)單等特點(diǎn)的4位7段共陽(yáng)數(shù)碼管顯示塊。采用單片機(jī)譯碼后直接通過P1.0～P1.7送到LED顯示塊顯示，而其顯示方式是使用位選法、采用循環(huán)顯示，系統(tǒng)電路如圖3。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 測(cè)速原理

測(cè)量轉(zhuǎn)速時(shí)用計(jì)時(shí)/計(jì)數(shù)器 T0和 T1。T0作計(jì)數(shù)器，計(jì)錄傳感器輸出的D（按轉(zhuǎn)速范圍設(shè)置）個(gè)轉(zhuǎn)速脈沖，由中斷或軟起動(dòng)，設(shè)轉(zhuǎn)速傳感器每轉(zhuǎn)一圈產(chǎn)生C個(gè)脈沖。（C可以是4、2或1，由每圈植入的磁片數(shù)決定）。設(shè)被測(cè)機(jī)械的轉(zhuǎn)速為 n（轉(zhuǎn)/分，或n/60轉(zhuǎn)/秒）。則D個(gè)脈沖所占的時(shí)間為：

T1作計(jì)時(shí)器，計(jì)錄D個(gè)轉(zhuǎn)速脈沖時(shí)間內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)脈沖CLK的個(gè)數(shù)，設(shè)為X，所占有的時(shí)間為脈沖數(shù)和脈沖周期T的積：X.T（晶振為12MHz，則12分頻后T為1us）。由于T0輸出OUT0的反相作T1的門控信號(hào)GATE1，這一時(shí)間和T0測(cè)量D個(gè)轉(zhuǎn)速脈沖時(shí)間相等，則有：

3.2 軟件設(shè)計(jì)

轉(zhuǎn)速測(cè)量、顯示的程序框圖表示如圖4所示，不詳述。

圖4 轉(zhuǎn)速測(cè)量、顯示的程序框圖

圖3 系統(tǒng)電路圖

4 結(jié)束語(yǔ)

基于單片機(jī)AT89C2051和霍爾傳感器A04E717的轉(zhuǎn)速測(cè)量與顯示裝置，具有簡(jiǎn)單、實(shí)用、成本低廉、制作簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，同時(shí)測(cè)量準(zhǔn)確度高，是既經(jīng)濟(jì)又實(shí)用的轉(zhuǎn)速測(cè)量、顯示解決方案，同時(shí)也可為其他有關(guān)轉(zhuǎn)速控制提供準(zhǔn)確數(shù)據(jù)。