24时制数字时钟实验报告.pdf
自动检测技术及应用 转速测量仪的设计 专业：电子信息工程 学生姓名：李智明 学 号：101100007 完成时间：2019 年 10 月 10 日 一、实验目的.1 二、所用实验仪器设备、耗材.1 三、电路总体结构.1 四、整形电路单元工作原理.3 五、STC12C5A60S2 单片机原理.3 六、复位和时钟电路的设计.4 七、显示电路设计.5 八、程序与工作流程.5 九、实验结果分析.10 十、总结.11 第 1 页 一、实验目的 能用数字显示转速，测量范围0 2000转 二、所用实验仪器设备、耗材 霍尔或光电传感器、传感器信号处理电路、单片机自动检测系统、LED数码管显示、计算机、keil开发软件、STC下载工具软件、ISP下载线。数字示波器。三、电路总体结构 系统工作原理:由霍尔元件及外围器件组成的测速电路将电动机转速转换成脉冲信号，送至单片机 AT89C51的计数器 T0进行计数，用 T1 定时测出电动机的实际转速。此系统使用单片机进行测速，采用脉冲计数法，使用霍尔传感器获得脉冲信号。其机械结构也可以做得较为简单，圆盘上有几个磁钢，机轴每转一周，产生几个脉冲，机轴旋转时，就会产生连续的脉冲信号输出。由霍尔器件电路部分输出，成为转速计数器的计数脉冲。控制计数时间，即可实现计数器的计数值对应机轴的转速值。单片机将该数据处理后，通过七段数码管显示出来。1)霍尔传感器测速原理：霍尔器件是由半导体材料制成的一种薄片，器件的长、宽、高分别为 l、。若在垂直于薄片平面（沿厚度）方向施加外磁场，在沿方向的两个端面加一外电场，则有一定的电流流过。由于电子在磁场中运动，所以将受到一个洛仑磁力，其大小为：qVBf 式中：f 洛仑磁力，载流子电荷，载流子运动速度，磁感应强度。这样使电子的运动轨迹发生偏移，在霍尔元器件薄片的两个侧面分别产生电子积聚或电荷过剩，形成霍尔电场，霍尔元器件两个侧面间的电位差HU称为霍尔电压。霍尔电压大小为：HUHRdBI/(mV)式中：HR霍尔常数，元件厚度，磁感应强度，控制电流 第 2 页 设 HKHRd/,则HU=HKdBI/(mV)为霍尔器件的灵敏系数(mV/mA/T)，它表示该霍尔元件在单位磁感应强度和单位控制电流下输出霍尔电动势的大小。应注意，当电磁感应强度反向时，霍尔电动势也反向。若控制电流保持不变，则霍尔感应电压将随外界磁场强度而变化，根据这一原理，可以将两块永久磁钢固定在电动机转轴上转盘的边沿，转盘随被测轴旋转，磁钢也将跟着同步旋转，在转盘附近安装一个霍尔元件，转盘随轴旋转时，霍尔元件受到磁钢所产生的磁场影响，输出脉冲信号。传感器内置电路对该信号进行放大、整形，输出良好的矩形脉冲信号，测量频率范围更宽，输出信号更精确稳定，已在工业，汽车，航空等测速领域中得到广泛的应用。其频率和转速成正比，测出脉冲的周期或频率即可计算出转速。2)霍尔传感器的特性:半导体磁敏传感器是利用半导体材料中的自由电子和空穴随磁场而改变其运动方向这一特性制成的，按其结构可分为体型和结型两大类。体型的主要有霍尔传感器（材料主要是 InSb、InAs、Ge、Si、GaAs）和磁敏电阻（材料主要有InSb、InAs），结型的主要有磁敏二极管（材料主要是 Ge、Si）和磁敏三极管（材料主要是 Si）。霍尔传感器是一种基于霍尔效应的磁传感器。霍尔效应自 1879年被美国物理学家爱德文霍尔发现至今已有 100多年的历史，但直到 20 世纪 50 年代，由于微电子学的发展，才被重视和开发，现在，已发展成一个品牌多样的传感器产品族，并得到广泛的应用。霍尔传感器可以检测磁场及其变化，可在各种与磁场相关的场合中应用。霍尔传感器具有许多优点，其结构牢固，体积小，质量轻，寿命长，安装方便，功能消耗小，频率高，耐震动，不怕灰尘，油污，水汽及盐雾等的污染或腐蚀。霍尔传感器可直接用于检测磁场或磁特性，也可以通过在被检对象上人为设置的磁场，来检测许多非电、非磁的物理量，例如力、力矩、压力、应力、位置、第 3 页 位移、速度、加速度、角度、角速度、转数、转速以及工作状态发生变化的时间等，还可转换成电量来进行检测和控制。四、整形电路单元工作原理 工作原理：对传感器送过来的信号进行放大和整形，再送入单片机进行数据的处理转换。若输出的电压小于2.5输出0，大于2.5则输出1。五、STC12C5A60S2单片机原理 STC12C5A60S2是一种低功耗、高性能 CMOS8位微控制器，具有 8K 在系可编程 Flash 存储器。片上 Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的 8 位 CPU 和在系统可编程 Flash，使 STC12C5A60S2为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、有效的解决方案。STC12C5A60S2具有以下标准功能：8k 字节 Flash，256字节 RAM，32 位 I/O 口线，看门狗定时器，2 个数据指针，三个 16 位定时器/计数器，一个 6 向量 2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。另外，STC12C5A60S2 可降至 0Hz 静态逻辑操作，支持 2 种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU停止工作，允许 RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。STC12C5A60S2的广泛使用使得市面价格较8155、8255、8279要低，所以说用它是比较经济的。该芯片具有如下功能：有 1个专用的键盘/显示接口；有 1个全双工异步串行通信接口；有 2个 16 位定时/计数器。这样，1个STC12C5A60S2，承担了 3 个专用接口芯片的工作；不仅使成本大大下降，而且优化了硬件结构和软件设计，给用户带来许多方便。STC12C5A60S2有 40 个引脚，有 32 个输入端口（I/O），有 2 个读写口线，可以反复插除。所以可以降低成本。第 4 页 其主要工作特性为：内含 8KB的 Flash存储器，擦写次数达 1000次；内含 128字节的 RAM；具有 32 根可编程 I/O线；具有 2 个 16 位可编程定时器；具有 6 个中断源、5 个中断矢量、2 级优先权的中断结构；具有 1 个全双工的可编程串行通信接口；具有 1 个数据指针 DPTR；两种低功耗工作模式，即空闲模式和掉电模式；具有可编程的 3 级程序锁定位；工作电源电压为 5 1.2V，典型值为 5V；最高工作频率为 24MHz。引脚排列如图 2-1所示。STC12C5A60S2引脚排列（PDIP）六、复位和时钟电路的设计 本系统中采用上电复位和手动复位键复位相结合的方式。系统时钟电路设计采用内部方式。STC12C5A60S2内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器。这个放大器与作为反馈元件的片外晶体谐振器构成一个自激振荡器。外接晶体谐振器以及电容构成并联谐振电路，接在放大器的反馈回路中。本系统电路采用的晶体振荡器频率为110592MHz。采用这种频率的晶体振荡器的原因是可以方便的获得标准的波特率。复位电路和时钟电路如图 2-5所示。第 5 页 复位电路和时钟电路 七、显示电路设计 显示电路选用 7 段数码管显示数据，具有亮度高、功耗低的优点，位选使用三极管进行电流放大。如图所示：八、程序与工作流程 1）流程图 第 6 页 2）程序#include#include#define uchar unsigned char#define uint unsigned int uint pwm=0;uint zhuansu=0;uint time=0;uchar qian,bai,shi,ge;unsigned char code table=0 x14,/*0*/0 xD7,/*1*/0 x4C,/*2*/0 x45,/*3*/0 x87,/*4*/0 x25,/*5*/第 7 页 0 x24,/*6*/0 x57,/*7*/0 x04,/*8*/0 x05,/*9*/;/*延时函数*/void delay(unsigned int t)unsigned int x,y;for(x=t;x0;x-)for(y=112;y0;y-);void EX1init(void)IT1=1;/指定外部中断 1 下降沿触发，INT0(P3.2)EX1=1;/使能外部中断 EA=1;/开总中断 void ext1()interrupt 2 pwm+;/*if(pwm=6)quan+;pwm=0;*/void InitTimer0(void)TMOD=0 x01;/T0 工作于方式 1 TH0 =0X4C;/置时间常数，延时 0.05 秒 第 8 页 TL0 =0X00;/置时间常数，延时 0.05 秒 ET0=1;/允许 T0 中断 EA=1;/允许总中断 TR0=1;/开启 T0 void display()uchar t;for(t=0;t16;t+)P2=0 x07;P0=tableqian;delay(10);P2=0 x0b;P0=tablebai;delay(10);P2=0 x0d;P0=tableshi;delay(10);P2=0 x0e;P0=tablege;delay(10);void Time0Interrupt(void)interrupt 1 TH0 =0X4C;/置时间常数，延时 0.05 秒 TL0 =0X00;time+;第 9 页 if(time=20)zhuansu=pwm/6.0*60;qian=zhuansu/1000;bai=(zhuansu%1000)/100;shi=(zhuansu%100)/10;ge=zhuansu%10;time=0;pwm=0;void main()InitTimer0();EX1init();while(1)display();第 10 页 九、实验结果分析 1）实验结果 输入电压 示波器显示值（Hz）转速表显示值（r/min）实测值（r/min）绝对误差 实际相对误差%+4V 44.031 440 439 0.31 0.07+6V 84.09 840 841 0.9 0.10+8V 134.05 1340 1342 0.5 0.03+10V 176.125 1761 1764 0.25 0.01+12V 208.41 2080 2083 4.1 0.19 第 11 页 2）误差分析 本设计在试验中存在一些误差。主要是以下几个方面：1、系统误差，即在相同测量条件下多次测量同一物理量，其误差大小和符号保持恒定或按某一确定规律变化。霍尔传感器元器件本身存在一定的误差。2、随机误差，在同一条件下，多次测量同一温度时，有时会发现测量值时大时小，误差绝对值及正、负以不可预见的方式变化。电子元器件在测量转速时由于感应需要一定的时间，也会出现测量值滞后于实际温度的情况。3、粗大误差，主要是由于测量的粗心大意及电子测量仪器受到突然而强大的干扰引起的。十、总结 通过本次实验，我对51 单片机开发有了很大的提高，同时对霍尔传感器工作原理和 keil编程软件有了进一步的了解。在完成设计的过程中，经历了设计整体思路、编写程序和调试修改，锻炼了实际动手能力，达到了本次实验的要求。在整个设计制作过程中虽然遇到不少问题，但通过不断查找资料和试验终于还是完成了。在这次实验过程中我受益匪浅，在摸索该如何设计程序使之实现所需功能的过程中,培养了我的设计思维,增加了实际操作能力。第 12 页
