《机械工程测试技术(共18页).doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《机械工程测试技术(共18页).doc（18页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、精选优质文档-倾情为你奉上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： 2018级本科3班 学 号：7完 成 日 期：2018年12月28日摘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。控制定时器计数时间，即可实现对车速的测量。在显
2、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：车速测量；霍尔传感器；单片机；89C51；LCD目录一、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74LS1472.2.5 光电耦合器72.2.6 蜂鸣器92.3 单片机AT89C5192.3.1 AT89C51芯片102.3.2 定时器1
3、02.3.3 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1133.1 设计思想1133.2 总体软件流程113四、设计中的问题及解决方法144.1 出现的问题144.2 解决方法14附录完整电路图15参考文献16专心-专注-专业一、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
4、车的行驶距离、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
5、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74LS1474LS14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
6、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
7、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。2.3.1 AT89C51芯片AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器FP
8、EROMFlash 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/
9、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
10、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
11、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-和地线GND(16脚，其控制原理与14脚的LCD完全一样。2.4.2 1602LCD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:162个字符芯片工作电压:4.55.5V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(WHmm3.1602LCD引脚1
12、602LCD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
13、：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
14、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
15、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
16、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.1999.30322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.20095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.200812）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.200805）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.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.200709）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