1、课程设计说明书 第 I 页摘 要本课题是利用电子技术知识设计出一个数字转速表,数字转速表是一个将被测转轴的转速用数码显示电路进行定量显示的计数装置。用一个装有永久磁铁的转盘装置,可与被测轴相连,当被测轴旋转时,便带动转盘随之转动。当转盘上的磁铁经过霍尔集成传感器时,被转换成转速电信号。被测轴每旋转一周,霍尔集成传感器便输出一个电脉冲。时基信号在一个单位时间(例如 1min)内控制选通门开启,让转速信号脉冲通过,后送至计数显示组件,实现在单位时间内的计数。当计数器的内容被送至寄存器并被显示后,上一次的测量结果被刷新,在下一个时基信号上升沿到来时,又重复上述过程。关键词:霍尔传感器 555 电路
2、74LS190 A/D 转换器 74LS48课程设计说明书 第 II 页目 录1 绪论 11.1 课题描述 .11.2 基本工作原理及框图 .12 相关芯片及硬件电路设计 .22.1 霍尔传感器介绍 .22.1.1 霍尔效应 .22.1.2 霍尔传感器 .32.1.3 霍尔传感器的分类 .32.1.4 霍尔传感器的特性 .32.1.5 霍尔传感器的应用 .42.2 时基信号电路 .52.3 选通门电路 .62.3.1 TTL 与非门的工作原理 .62.3.2 四 位 十 进 制 计 数 器 72.3.3 74LS190 的功能结构 .72.4 A/D 转换器的分类及介绍 72.5 LED 显示
3、电路 92.5.1 译码器(CC4511)的简单介绍 .92.5.2 BCD-七段显示译码器(74LS48) 102.5.3 七段显示译码器 .103 数字电路表总电路图 124 软件模拟仿真 134.1 硬件调试 .13总 结 .14致 谢 .15参考文献 .166课程设计说明书 第 1 页1 绪论1.1 课题描述 随着科学技术特别是微型计算机技术的高速发展,单片微机技术也获得了飞速发展。目前,单片机已经在日常生活和控制领域等方面得到广泛的应用,它正为我国经济的快速发展发挥着举足轻重的作用。作为自动化专业的一名工科学生应该牢牢掌握这一重要技术。而课程设计这一环节是我们提高单片机应用能力的很好
4、机会,也是我们学好这一课程的必经环节。通过课程设计可以进一步巩固我们前面所学理论知识,使我们对单片机理论知识有一个深刻的认识和全面的掌握。另外通过这一真正意义上的实践活动,我们可以从中发现自己不足之处并能够在自己的深思下和老师的指导下得到及时的解决。再次,它能使我们的应用能力和科技创新能力得到较大的提高。本课题就是利用永久磁铁的转盘、霍尔集成传感器、选通门电路、时基门电路、计数及数码显示器组成一个数字转速表进而来测量永久磁铁的转速,从而间接实现里对转动物体的转速测量.1.2 基本工作原理及框图本课程设计的数字转速表电路系统由永久磁铁的转盘、霍尔集成传感器、选通门电路、时基门电路、计数及数码显示
5、系统构成。其基本工作原理:霍尔集成传感器将测量到的电磁信号转换成电信号输出到信号放大电路,与电磁信号对应的电信号经放大后输出至有一个与非门构成的精选电路,精选电路的开启由时基信号发生器来控制,进而让转速信号脉冲(电信号脉冲)通过,后送至计数显示组件,实现在单位时间内的计数.课程设计说明书 第 2 页如图 1-1 所示。永久磁铁的转盘与非门精选电路计数器 LED 显示器图 1-1 基本原理框图2 相关芯片及硬件电路设计2.1 霍尔传感器介绍霍尔传感器是一种磁传感器。用它可以检测磁场及其变化,可在各种与磁场有关的场合中使用。霍尔传感器以霍尔效应为其工作基础,是由霍尔元件和它的附属电路组成的集成传感
6、器。霍尔传感器在工业生产、交通运输和日常生活中有着非常广泛的应用。2.1.1 霍尔效应如图 2-1 所示,在半导体薄片两端通以控制电流 I,并在薄片的垂直方向施加磁感应强度为 B 的匀强磁场,则在垂直于电流和磁场的方向上,将产生电势差为 UH的霍尔电压,它们之间的关系为 。图 21 转盘式中 d 为薄片的厚度,k 称为霍尔系数,它的大小与薄片的材料有关。上述效应称为霍尔效应,它是德国物理学家霍尔于 1879 年研究载流导体在磁场中受力的性质时发现的。时基信号发生器霍尔集成传感器课程设计说明书 第 3 页2.1.2 霍尔传感器由于霍尔元件产生的电势差很小,故通常将霍尔元件与放大器电路、温度补偿电
7、路及稳压电源电路等集成在一个芯片上,称之为霍尔传感器。图 2-2 霍尔传感器结构霍尔传感器也称为霍尔集成电路,其外形较小,如图 2-2 所示,是其中一种型号的外形图。2.1.3 霍尔传感器的分类霍尔传感器分为线性型霍尔传感器和开关型霍尔传感器两种。(一)线性型霍尔传感器由霍尔元件、线性放大器和射极跟随器组成,它输出模拟量。(二)开关型霍尔传感器由稳压器、霍尔元件、差分放大器,斯密特触发器和输出级组成,它输出数字量。2.1.4 霍尔传感器的特性(一)线性型霍尔传感器的特性图 2-3输出电压与外加磁场强度呈线性关系,如图 2-3 所示,可见,在 B1 B2的磁感应强度范围内有较好的线性度,磁感应强
8、度超出此范围时则呈现饱和状态。(二)开关型霍尔传感器的特性课程设计说明书 第 4 页如图 2-4 所示,其中 BOP为工作点“开”的磁感应强度, BRP为释放点“关”的磁感应强度。图 2-4当外加的磁感应强度超过动作点 Bop时,传感器输出低电平,当磁感应强度降到动作点 Bop以下时,传感器输出电平不变,一直要降到释放点 BRP时,传感器才由低电平跃变为高电平。 Bop与 BRP之间的滞后使开关动作更为可靠。另外还有一种“锁键型”(或称“锁存型”)开关型霍尔传感器,其特性如图 2-5 所示。图 2-5当磁感应强度超过动作点 Bop时,传感器输出由高电平跃变为低电平,而在外磁场撤消后,其输出状态
9、保持不变(即锁存状态),必须施加反向磁感应强度达到 BRP时,才能使电平产生变化。2.1.5 霍尔传感器的应用按被检测对象的性质可将它们的应用分为:直接应用和间接应用。前者是直接检测受检对象本身的磁场或磁特性,后者是检测受检对象上人为设置的磁场,这个磁场是被检测的信息的载体,通过它,将许多非电、非磁的物理量,例如速度、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,转变成电学量来进行检测和控制。课程设计说明书 第 5 页2.2 时基信号电路时基信号应该是 555 定时电路构成的多谢振荡器产生的。多谢振荡器再接出电源后,不需要外加触发信号,电路状态总是能够自动的不断变化,产生巨型波
10、德输出,这就是我们所要的信号脉冲,其作用是产生一个标准频率的脉冲信号。振荡频率的精度和稳定度决定了选通电路的稳定性。采用集成电路 555 定时器与 RC 组成的多谐振荡器输出的脉冲平率为 f=1/(R1+2R2)C1ln2=1KHZ,周期 T=1/f=1ms。因此,在组成震荡器电路中 555 定时器配以少量的 RC 元件即可获得较高精确度的振荡频率和具有较强的功率输出能力。由于该多谐振荡器电路电路没有稳态,仅存在两个暂稳态,所以电路工作时不需要外加触发信号,利用电源通过 R1、R2 向 C 充电,以及 C 通过 R2 向放电端 Ct 放电,使电路产生振荡。如下图为方波信号发生器电路。图 2-6
11、 三角波、方波发生器电路555 构成的多谐振荡器其工作过程:启动脉冲经门 1 与门 2 整形,再经 3DG6 反相放大变成负启动脉冲去触发 555 构成的单稳态电路,555 将输出正比于被测电容 Cx的定时门控脉冲,在该门控脉冲(高电平)期间,1MHz 时钟脉冲通过门 3 送到计数译码显示单元,结果显示的数字大小正比于 Cx 容量的大小。此外,还可构成多谐振荡器,如图 7.13 所示。其振荡周期 T 为:T=Tp2+Tp1=0.69(R1+R2)C课程设计说明书 第 6 页其多谐振荡器和工作电波如下图: 图 2-7 555 多谐振荡器电路图图 2-8 工作电波2.3 选通门电路2.3.1 TT
12、L 与非门的工作原理 1 电 路 结 构 2 工 作 原 理 输 入 有 低 电 平 0.3V : K 点 电 位 为 1V; V 1 导 通 V 2 ,V 5 截 止 , V 3 V 4导 通 。 课程设计说明书 第 7 页( F 为 3.6V高 电 平 。 ) 输 入 全 为 高 电 平 3V 则 K 点 电 位 3.7V 在 三 个 PN 结 的 钳 制 下 V K =2.1vV 1 集电 结 正 偏 发 射 结 反 偏 。R 1 处 于 倒 置 工 作 状 态 ( B 反 ) R 1 V 5 - 饱 和 M点 电 位 1V则 V 3 微 导 通 V 4 截 止 ( 则 F=0.3V 低
13、 电 平 )2.3.2四 位 十 进 制 计 数 器定义:在数字电路中,计数器属于时序电路,它主要由具有记忆功能的触发器构成。计数器不仅仅用来记录脉冲的个数,还大量用作分频、程序控制及逻辑控制等,在计算机及各种数字仪表中,都得到了广泛的应用。分类:按计数脉冲引入方式,分为同步和异步计数器;按进位制,分为二进制、十进制和 N 进制计数器;按逻辑功能,分为加法、减法和可逆计数器;按集成度,分为小规模与中规模集成计数器。2.3.3 74LS190 的功能结构74LS190 是常用的二一五一十进制异步计数器。本设计要求采用 8421 码的十进制计数,所以,当 R01R020,SCl1S020,计数脉冲
14、从 CP 输入,CP2 接 ,实现十进制计数功能。而 R01R02 连接控制电路的输出,在控制信号为高电平时,闸门开启,计数器工作。2.4 A/D 转换器的分类及介绍A/D 转换器的类型很多,目前应用广泛的有三种类型:逐次逼近型、双积分型和V/F 型。A/D 转换器与单片机的接口方式有串口和并口两种。 (1)逐次逼近型 A/D 转换器图 2-9 所示为逐次逼近型 A/D 转换器原理图,它由 D/A 转换器、比较器、输出锁存器、移位寄存器和逻辑控制器组成。其工作原理是:首先,将输出锁存器的最高位置1,然后将 D/A 转换器的输出屯压信号 Ui 和输入电压信号 K。进行比较。若 UiKin,则输出
15、锁存器的最高位保持 1;反之,则锁存器的最高位设置为 0,确定并保持最高位状态。其次,把次高位置 1,依上面的方法确定其状态。从高位到低位逐次 Vin 位比较(N 为 A/D 位数) ,使 Ui 逼近输入信号 Vin,直到输出锁存器的最后一位。这时,D/A 转换器的输入数据即为模/数转换后的数据,控制器控制输出寄存器将其输出。课程设计说明书 第 8 页图 2-9 逐次逼近型 A/D 转换器原理图逐次逼近型 A/D 转换器的特点是转换速度比较快,价格适中,精度较高,因此在单片机系统中被广泛应用。(2)双积分型 A/D 转换器双积分型 A/D 转换器的原理图如图 2-10 所示,它由电子开关、积分
16、器、比较器、逻辑控制器和计算器等部件构成。所谓双积分,是指进行一次 A/D 转换需要进行两次积分。图 2-10 双积分型 A/D 转换器的原理图双积分型 A/D 转换器的工作原理是:模拟电压信号 Vi 加到积分器进行固定时间(死)的积分,接着切换电子开关,将与 Vi。极性相反的标准电压信号 Vr 加到积分器上,积分电路从刚才积分的终值开始反向积分,由于 Vr 恒定,所以积分输出将以恒定的速度下降,直到积分器输出为零,此时发出“ 数据有效” 状态,将数据输出。反向积分时间 Ti 与 Vi。时间定值积分的终值成比例关系,A/D 转换的结果数据通过测量反向积分的时间乃计算出输入电压值。双积分转换过程
17、通过对输入信号的不断积分能对噪声或变化的输入信号进行平滑,因此双积分型 A/D 转换器具有精度高,抗干扰性强,课程设计说明书 第 9 页价格便宜等特点,只是转换速度较慢(每秒 10 次左右),是一种中速的 A/D 转换器。典型的器件有 MC14433(三位半)和 ICL7135(四位半)等。(3) V/F 型 A/D 转换器V/F 型 A/D 转换器把输入模拟信号电压转换为频率信号送入单片机,可以简单地将其理解为一个压控振荡器。使用 V/F 型转换器进行 A/D 转换具有良好的精度、线性和积分输入特性,常能实现其他类型转换器无法实现的功能。在前向通道中,采用 VF 型转换器代瞽普通的 A/D
18、转换器,可以大大简化前向通道。采用 V/F 型转换器与计算机连接具有以下优点。接口简单。占用计算机资源少,对于一路模拟信号只占用一个输入 I/O 口。频率输入信号灵活。可以输入单片机 I/O 口线,也可作为中断源输入、计数输入等。抗干扰能力强。频率测量本身是个计数过程。V/F 转换过程是对输入信号的不断计数,因而能对噪声或变化的输入信号进行平滑。另外,V/F 转换与计算机的接口很容易采用光电隔离。便于远距离传输。V/F 型 A/D 转换器还可以调制在射频信号上进行无线传播,实现遥控,也可以调制成光脉冲,可用光纤传送,不受电磁干扰。基于以上这些优点,在一些非快速过程的前向通道中,通常使用 V/F
19、 转换器代替通常的 A/D 转换器,常用的器件有 LM331 等,但 V/F 型 A/D 转换器也有转换速度慢,数据定标麻烦等特点。2.5 LED 显示电路2.5.1 译码器(CC4511)的简单介绍CC4511 译码器有四个输入端 A,B,C,D 和七个输出端 a-g,它还具有锁存电路和驱动器部分,具有输出大的驱动电流的能力,最大可到 25MA,可直接驱动 LED 数码管或者荧光数码管。课程设计说明书 第 10 页其引脚图如图 2-11 所示。图 2-11 CC4511 译码器2.5.2 BCD-七段显示译码器(74LS48 )因为计算机输出的是 BCD 码,要想在数码管上显示十进制数,就必
20、须先把 BCD 码转换成 7 段字型数码管所要求的代码。我们把能够将计算机输出的 BCD 码换成 7 段字型代码,并使数码管显示出十进制数的电路称为“ 七段字型译码器” 。 1)输入:8421BCD 码,用 A3 A2 A1 A0 表示(4 位)。 2)输出:七段显示,用Ya Yg 表示(7 位) 3)逻辑符号:图 2-12 七段字型译码器2.5.3 七段显示译码器在数字测量仪表和各种数字系统中,都需要将数字量直观地显示出来,一方面供人们直接读取测量和运算的结果;另一方 面用于监视数字系统的工作情况。因此,数字显示电路是许多数字设备不可缺少的部分。数字显示电路通常由译码器、驱动 器和显示器等部
21、分组成,如图 2-13 所示。课程设计说明书 第 11 页下面对显示器和译码驱动器分别进行介绍。 图 2-13 数字显示电路组成方框图数码显示器是用来显示数字、文字或符号的器件,现在已有多种不同类型的产品,广泛应用于各种数字设备中,目前数码显示器件正朝着小型、低功耗、平面化方向发展。 数码的显示方式一般有三种:第一种是字形重叠式,它是将不同字符的电极重叠起来,要显示某字符,只须使相应的电极发 亮即可,如辉光放电管、边光显示管等。第二种是分段式,数码是由分布在同一平面上若干段发光的笔划组成,如荧光数码管等。第三种是点阵式,它由一些按一定规律排列的可发光的点阵所组成,利用光点的不同组合便可显示不同
22、的数码,如场致发光记分牌。 数字显示方式目前以分段式应用最普遍,图 2-14 表示七段式数字显示器利用不同发光段组合方式,显示 015 等阿拉伯数字。在实际应用中,1015 并不采用,而是用 2 位数字显示器进行显示。 图 2-14 七段式数字显示器发光段组合图按发光物质不同,数码显示器可分为下列几类: (1)半导体显示器,亦称发光二极管显示器; (2)荧光数字显示器,如荧光数码管、场致发光数字板等;(3)液体数字显示器,如液晶显示器、电泳显示器等;(4)气体放电显示器,如辉光数码管、等离子体显示板等。 如前所述,分段式数码管是利用不同发光段组合的方式显示不同数码的。因此,为了使数码管能将数码
23、所代表的数显示出来, 必须将数码经译码器译出,然后经驱动器点亮对应的段。例如,对于 8421 码的 0011 状态,对应的十进制数为 3,则译码驱动器应使 a、 b、c 、d、g 各段点亮。即对应于某一组数码,译码器应有确定的几个输出端有信号输出,这是分段式数码管电路的主要特点。 课程设计说明书 第 12 页3 数字电路表总电路图数字转数表的电路如图 3-1 所示。它主要由装有永久磁铁的磁盘、霍尔集成传感器、选通门电路、时基信号电路、电源计数及数码显示电路等组成。计数及数码显示电路采用 CMOS-LED 数码显示组件 CLlO2,它可以计数并显示数码。图 3-1 数字转数表的电路转盘的输入轴与
24、被测旋转轴相连,当被测轴旋转时,便带动转盘随之转动。当转盘上的小永久磁铁经过霍尔集成传感器 IC1 时,IC1 便会将磁信号转换为转速电信号。该信号经与非门 l 反相输人至与非门 3 的输入端,而与非门 3 的另一输大端接来自时基电路 IC2 的方波脉冲信号。这个时基信号是用来控制与非门 3 的开与刁,形成选通门,以此来控制转速信号能否从与非门 3 输出。课程设计说明书 第 13 页当接通电源后,转速信号立即被送往与非门 3 的输入端,如果此时时基信号为低电平,则选通门关闭,转速信号元法通过选通门。当第一个时基信号到来时,选通门才被打开,并同时使 CMOS-LED 数码显示组件 IC4、IC5
25、、IC6 的 LE 端呈寄存状态。时基信号的上升沿也同时触发由与非门 4、5 组成的反相器及由 R4、R5、R7、C3、VD2 及VD3 组成的微分复位电路,复位脉冲由 VD3 输出后加至 IC4、IC5、IC6 的 R 端,使址数器复位清零。在完成上述功能后,时基信号在一个单位时间(例如 lmin)内保持高电平。在这段时间内,选通门与非门 3 一直处于开启状态,转速信号则通过选通门送至 LED数码显示组件,实现了在单位时间内的计数。在单位时间结束时,时基信号又回到低电平,此时选通门关闭并自动置计数电路的 LE 端为选通状态。此时,计数器的计数内容送至寄存器并同时显示其内容。当第二个时基信号到
26、来时,又把计数器的内容清零,并重复上述过程。但此时的寄存器及显示器的内容不变,只有当第二次采样结束后,才会更新而显示新的测试结果。4 软件模拟仿真试验所涉及的 2 个软件 keil 和 proteus,以下是仿真步骤。程序调试部分 keil:先新建一个工程,并保存在所建工程弹出的对话框中选择AT89C52 处理器。新建一个文档以编辑程序,将所设计的程序输入到新建文档中,并保存文档.asm( 汇编源文件 )。将所保存的文档添加到工程中去,再进行工程配置,点击Project 菜单下的 Options for Target ,在弹出的对话框中设晶振为 12MHZ,将 Create HEX File
27、打上勾,再编译文件。仿真部分 proteus:运行 proteus 的 ISIS 后进入仿真界面将所需元件选择好,根据原理图画出仿真图,待仿真图换好后双击 AT89C52 写入由 keil 所产生的程序,按开始进行仿真。4.1 硬件调试硬件调试的步骤如下:接通电源和数据线,通过软件将在 keil 中生成的 HEX 文件下载到单片机板子上,先对板子关电当显示请上电时按下单片机上的电源开关按钮上电下载程序到单片机中,通过按键和 LED 的显示进行调试。当程序下载完之后,按下电源开关,LED 上显示初始状态,按下启动键显示接收数据的状态,按下停止键后显示当前所记录的数据,按下复位键则显示初始状态。课
28、程设计说明书 第 14 页总 结课程设计是培养学生综合运用所学知识,发现,提出,分析和解决实际问题,锻炼实践能力的重要环节,是对学生实际工作能力的具体训练和考察过程.随着科学技术发展的日新日异,单片机已经成为当今计算机应用中空前活跃的领域, 在生活中可以说得是无处不在。因此作为二十一世纪的大学来说掌握单片机的开发技术是十分重要的。回顾起此次课程设计,至今我仍感慨颇多,的确,从选题到定稿,从理论到实践,在整整两星期的日子里,可以说得是苦多于甜,但是可以学到很多很多的的东西,同时不仅可以巩固了以前所学过的知识,而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很
29、重要的,只有理论知识是远远不够的,只有把所学的理论知识与实践相结合起来,从理论中得出结论,才能真正为社会服务,从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。在设计的过程中遇到问题,可以说得是困难重重,这毕竟第一次做的,难免会遇到过各种各样的问题,同时在设计的过程中发现了自己的不足之处,对以前所学过的知识理解得不够深刻,掌握得不够牢固,比如说三极管 PNP 管脚不懂怎么放置,不懂分得二极管的正负极,对单片机汇编语言掌握得不好通过这次课程设计之后,一定把以前所学过的知识重新温故。课程设计说明书 第 15 页致 谢这次的课程设计终于顺利完成了,在设计中遇到了很多问题,在选题及理解课题过程中得到杨老师的
30、细心指导,得到很多实用的知识,在此我表示感谢!同时,对给过我帮助的所有同学和各位指导老师再次表示衷心的感谢。课程设计说明书 第 16 页参考文献1刘国荣.单片微型计算机技术.机械工业出版社,1996.2张迎新.单片微型计算机原理、应用及接口技术.国防工业出版社,1993.3房小翠.编单片机实用系统设计技术.国防工业出版社,1999.4何立民.编单片机应用系统设计.北航出版社,2005.5曹琳琳.编单片机原理及接口技术.国防科技大学出版社,2000.6贾秀美.数字电路实践技术(第一版).中国科学技术出版社,2000.7王毓银.脉冲与数字电路(第三版).高等教育出版社,1999.8路勇.电子电路实践及仿真(第一版).清华大学出版社,2004.9岳怡.数字电路与数字电子技术(第一版).西北工业大学出版社,2001.10刘常澍.数字逻辑电路(第一版).国防工业出版社,2002.