1、目 錄摘要1關鍵詞1Abstract1Key words1引言21 論文綜述21.1 車速檢測系統的背景和意義21.2 車速檢測系統的發展前景32 車速檢測系統的設計思路33 系統單元模塊選型33.1傳感器選擇33.2 單片機選型43.3 顯示模塊的選型43.4 報警電路選擇53.5 程序語言的選擇54 系統硬件設計64.1 AT89C51主控電路64.1.1 AT89C51的管腳說明64.1.2 復位電路74.1.3 晶振電路84.1.4 存儲器AT24CO294.2 傳感器電路模塊介紹94.2.1 霍爾式車速傳感器104.2.2 霍爾傳感器的特性114.2.3 霍爾傳感器引腳說明124.2

2、.4 霍爾傳感器車速測量原理124.2.5 霍爾傳感器的轉速測量方法124.2.6 霍爾傳感器設計電路124.3 顯示模塊的介紹134.3.1 LED數碼管介紹134.3.2 LED數碼管特性134.3.3 74HC573作用144.3.4 顯示電路164.4 DM74LS14工作原理174.4.1 信號處理電路設計184.5 硬件總體設計195 軟件設計196 總結19參考文獻20附錄A21附錄B22致謝29汽車車速檢測系統設計汽車車速檢測系統設計摘要;本次論文設計的是以AT89C51為核心，使用霍爾傳感器CS3020測速，并于數碼管上顯示，當超速時具有語音警報功能的車速檢測系統。論文簡單的

3、介紹了霍爾元件的原理及應用，AT89C51單片機在系統中應用，分析了系統部分的硬件和軟件的實現以及個單元硬件模塊的選擇。該系統采用霍爾元件非接觸式車速傳感器代替軟軸傳動，使車速表的安裝位置不受距離的限制。該系統安裝簡單顯示直觀且價格便宜，因此具有良好的發展前景和市場價值。關鍵詞:單片機；霍爾傳感器；數碼顯示；語音報警The Design Of Vehicle speed detectionAbstract：In this paper , the vehicle speed detection system using the AT89C51 as the core.In this paper

4、the design is speed detection system with voice alarm function when the speed limit.The system uses Hall-sensor CS3020 to measure speed with the AT89C51 as the core.This paper simply introduces the principle and adhibition of hall element and the application of the SCM AT89C51 in this system,analyze

5、d the parts of the system hardware and software implementation as well as the choice of a unit of hardware module.This system use Hall-element non-contact speed sensor instead of soft shaft transmission,that makes the installation position of the speed table not restricted by distance.The system is

6、easy to install display intuitive and cheaper prices,so it has good development prospects and market value.Keywords：Single-chip microcomputer；Hall-sensor；Digital display；Voice alarm 引言 如今汽車已經得到普及，高速公路上屢屢出現因汽車超速而引發的交通事故，汽車的安全性和人性化越來越受到人們的重視。以往傳統的接觸式傳感器，采用電位計原理，電刷與電阻基體的摩擦極易導致觸點磨損、電阻基體磨損，影響位置傳感器的輸出特性和使

7、用壽命。然而傳統接觸式傳感器的以上缺點使得人們對其安全性產生了疑問。傳感器作為汽車電子控制系統的信息反饋，其性能高低直接影響到汽車控制系統的穩定性和可靠性。所以非接觸式傳感器替代電位計式傳感器代表著技術進步的發展方向。近幾年來霍爾技術的快速發展，其抗電磁干擾能力和抗溫漂能力大大提高，價格也逐步下降?；魻柺轿恢脗鞲衅魅〈娢挥嬍匠闪舜髣菟?。目前已得到了廣泛應用特別是在其測速方面?；魻柶骷性S多優點。它們的結構牢固，體積小，重量輕，壽命長，安裝方便，功耗小，頻率高(可達1MHz)，耐震動，不怕灰塵、油污、水汽及煙霧等的污染或腐蝕1。因此霍爾元件適合應用于汽車車速的檢測中。汽車上所使用的控制系統從

8、功能上可分為傳感器單元、控制單元和執行單元部分。其中傳感器單元體現的是汽車智能化技術的高低，有其獨特的重要地位。對于傳感器監測而言，汽車工況要求監視控制參數有很多都是非電量常數，因此汽車傳感器被稱為汽車控制系統的“眼睛”。傳感器質量的好壞勢必會對汽車各部位各組件監測和控制的質量產生直接影響，進而汽車的整體性能也將會有一定影響。如今霍爾型車速傳感器已成為現代汽車控制系統的重要組成部分，對于這類車速傳感器的特性進行測試和研究成為測試領域的又一重要研究方向。本系統簡單說明了霍爾型車速傳感器和測試系統的組成、結構原理和測試的方法，進而成功地研制了車速傳感器測速系統，本系統是利用霍爾型車速傳感器來研制與

9、開發的。1 論文綜述1.1 車速檢測系統的背景和意義 傳統的機械式車速測量通過旋轉磁場作用于轉動盤，讓轉動盤和車速表指針一同發生同向偏轉。而當電磁轉矩和彈簧產生的阻力矩互相平衡的時候，指針的偏轉就會停留在某一角度。使指針偏轉角與車速成正比，所以可用來表示其車速。 機械式汽車車速檢測系統具有明顯的缺陷。因為表盤指針偏轉角度與軟軸的轉動時所產生的磁力成正比，當轉速較低的時候，所具有的磁力較小，使得隨轉速變化波動較大。所以低速的時候車速表指針的擺動較為劇烈、其測量和顯示的精度通常不高。如果車輛的發動機采用的是后置式的，需要讓車速表指針的偏轉動力從變速箱經過軟軸等傳到駕駛室，此時軟軸必然需要布置得很長

10、，此時要將這種長度較長的轉動軟軸在結構上布置合理，將會是件很困難的事情。 如今電子式測速測量系統更加智能，車速測量系統的功能也更加人性化，速度的顯示更加直觀功能也更加豐富，加上了里程累計、超速提醒等功能。當今用于測速的方法有很多，其中使用得多的有激光檢測技術、紅外檢測技術、超聲檢測技術、視頻檢測技術、雷達檢測、感應線圈檢測和磁傳感器檢測技術。目前用于測速的傳感器大多使用光電測速傳感器，但是由于光電傳感器極易受到外界光源的影響，使其誤差存在甚至失去意義。霍爾傳感器由于其發展速度快、穩定性強和操作方便，還可以通過增加鋼磁個數使其準確度加強。目前越來越廣泛的運用于車速測速系統中并得到大眾的肯定。本論

11、文設計的汽車測速系統是為了降低高速上車輛超速造成的交通事故, 同時能將測得的車速實時顯示,并自動判斷是否超速。1.2 車速檢測系統的發展前景隨著汽車技術和電子計算機技術的發展以及現代先進制造技術、電子技術和計算機技術在現代汽車上的廣泛應用，現代汽車的機構日趨復雜，各種功能裝置也不斷增多，各種信息不斷增加，汽車車速已經成為汽車信息中心。新的技術快速發展，促使各生產商家積極進行新型汽車車速儀表的研究開發和大量生產。以往的車速檢測一般都是軟軸轉動帶動的誤差大且不易實現，因此霍爾傳感器的出現與發展，很快的應用于各種測速系統中，而且已有較成熟的技術在系統的設計和應用中可供參考。本次設計的汽車測速檢測系統

12、具有實時檢測顯示速度功能，當超速時還具有自報警功能，而且可以通過手動看里程。本次設計的汽車測速檢測系統就是利用霍爾傳感器進行測速，其結構簡單、測速準確、穩定性高、使用壽命長具有良好的發展前景。2 車速檢測系統的設計思路本款汽車車速檢測系統是利用霍爾傳感器來實現測速的主要用于高速公路汽車行駛超速報警。當霍爾傳感器采集到信號并將其放大，通過波形變換與整形傳入到單片機P3.2口，單片機根據所寫程序判斷是否超速（超速標準為120公里每小時），如果超速通過P3.3口將信號傳輸給蜂鳴器，此時蜂鳴器發出響聲。單片機還會根據傳感器傳入的信號在LED數碼管實時顯示速度，當想要知道所走里程可按一下按鈕，此時LED

13、數碼管上將會顯示出里程，長按時消除里程,當離手時又變回速度顯示。上電時本汽車測速系統會自動復位。本次設計系統的流程圖如圖2-1。3 系統單元模塊選型3.1 傳感器選擇目前測速傳感器用得比較廣泛的有光電測速傳感器和霍爾測速傳感器。光電測速傳感器開孔圓盤的轉軸與轉軸相連接，光源的光通過開孔盤的孔和縫隙反射到光敏元件上，開孔盤隨旋轉體轉一周，光敏元件上照到光的次數等于盤上的開孔數從而測出旋轉體旋轉速度2。靈敏度較高，但容易受外界光源影響。利用霍爾元件測轉速時，其內部擁有穩壓電路，霍爾電勢發生器，放大器，施密特觸發器以及輸出電路，其輸出的電平和TTL電平互相兼容。在待測的旋轉體轉軸上安裝一個圓盤，在圓

14、盤上安裝幾對小鋼磁，如果小鋼磁數量越多其分辨率也將越高。霍爾元件安裝于小鋼磁附近并固定好，直到旋轉體以角速度W旋轉的時，如果一個小鋼磁轉過霍爾元件時，霍爾元件就將輸出一個脈沖，從而計算出單位時間的脈沖數，就可確定旋轉體的速度，來達到測速的要求。 光電測速傳感器受外界光源影響很大，不適合運動性物體的測速。集成化霍爾元件傳感器擁有靈敏度好、可靠性強、體積較為小巧、傳感器無需觸點、不會造成磨損、其使用壽命長并且功耗低以及無需擔心塵土、油污、濕熱的影響等優點，在綜合了汽車運動環境的需求，本系統選擇使用霍爾傳感器來進行速度檢測。 是否超速 YCS3020波形整形51單片機蜂鳴器報警顯示速度圖2-1 汽車

15、車速檢測系統流程圖3.2 單片機選型單片機是一種可通過編程控制的微處理器，單片機芯片自身不能單獨運用于某項工程或產品上，它需要靠外圍數字器件或模擬器件的協調才可實現其本身的功能3。電子器件內部無一不用到單片機，而且大多數電器內部的主芯片就是由一塊單片機來控制的。本次使用的是8051單片機，它的資料比較全，用的人多，市場大，其內部結構簡單，適于本次編程使用。本次單片機選用AT89C51為核心。AT89C51應用廣泛操作簡單，也為大多數人所熟識。AT89C51提供了4K字節FLASH 閃速存儲器，128字節內部RAM，32 個I/O 口線，兩個16位定時/計數器，一個5向量兩級中斷結構和一個全雙工

16、串行通信口，還具有片內振蕩器以及時鐘電路。同時，AT89C51可降至0Hz的靜態邏輯操作，并支持兩種軟件可選的節電工作模式。空閑方式停止CPU的工作，但允許RAM，定時/計數器，串行通信口及中斷系統繼續工作。掉電方式保存RAM中的內容，但振蕩器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一個硬件復位。AT89C51價格便宜且功能豐富運用靈活I/O口豐富，符合汽車車速檢測系統所需的要求。3.3 顯示模塊的選型目前用于顯示的基本有液晶LCD顯示板和二極管LED數碼管顯示。由于此次的車速檢測系統構造簡單且設計方便，汽車測速顯示需要較高的刷新速率才能更加好的實現實時速度顯示。所以本次選用的是比較簡單的LED數

17、碼管來實現速度的顯示。LED數碼管顯示中分為靜態顯示和動態顯示兩種。靜態驅動是指每個數碼管的每一個段碼都由一個單片機的I/O口進行驅動，或者使用如BCD碼二-十進位器進行驅動。靜態驅動的優點是編程簡單，顯示亮度高，缺點是每個數碼管需要占用一個鎖存器，硬件電路復雜。因為數碼管都處于被點亮狀態，所以需要的電流很大，當數碼管的數量增多時，對電源的要求也就隨之增高。數碼管動態顯示是單片機中應用最為廣泛的顯示方式之一，每個數碼管的公共極COM增加位元選通控制電路，位元選通由各自獨立的I/O線控制，位元選通COM端電路由單片機控制，所以我們只要將需要顯示的數碼管的選通控制打開，該位元就顯示出字形，沒有選通

18、的數碼管就不會亮。數碼管的動態顯示其實是每個數碼管輪流出現相應的字碼，利用發光管的余輝和人眼視覺暫留作用，使人感覺好像數碼管每位都同時顯示，而其實只是數碼管每位的顯示輪流速度過快，以至于人眼已經無法從中分辨出來。數碼管的動態顯示需要在編程中寫入消影程序，所以相對于靜態顯示來說編程復雜。但是動態顯示在電路連接卻大大簡化了靜態顯示的復雜性，一般2個74HC573鎖存就可以控制8個數碼管，硬件電路簡單。所以本次選用的是LED數碼管的動態顯示。3.4 報警電路選擇蜂鳴器是一種一體化結構的電子訊響器，采用直流電壓供電，廣泛應用于計算機、打印機、復印件、報警器、玩具、汽車電子設備、定時器等的電子產品中，用

19、做發聲器件。蜂鳴器主要分為壓電式蜂鳴器和電磁式蜂鳴器兩種類型。本論文選擇的電磁式蜂鳴器來進行超速報警。電磁式蜂鳴器由振蕩器、電磁線圈、磁鐵、振動膜片以及外殼等組成4。接通電源后，振蕩器產生的音頻電流信號通過電磁線圈，使電磁線圈產生磁場。振動膜片在電磁線圈和磁鐵的相互作用下，周期性地振動發聲。電磁式蜂鳴器的外圍電路簡單，可以通過單片機控制驅動信號來使其發出不同音調的聲音的電子訊響器。蜂鳴器的音調可以通過程序控制，適合用于對超速的報警來提醒司機們降低并控制好時速。 3.5 程序語言的選擇由于C語言的使用非常方便，所以得到廣泛的應用，有許多硬件開發都將應用到C語言編程，C語言的程序編程本身無需依賴機

20、器的硬件系統，通常無需修改或僅需簡單的改動就能夠把程序從不同系統中移植過來并直接利用。C語言里提供了許多的數學函數，并且支持浮點運算，C語言的開發效率很高，能夠有效的縮短開發時間，并增加了程序可讀性以及可維持性5。C語言常用語法不多，尤其是單片機的C語言常用語法更少，便于此次的程序編寫。C語言簡便、快捷、便于利用，所以本次使用C語言來編寫程序。4 系統硬件設計4.1 AT89C51主控電路AT89C51是一種帶4K字節FLASH存儲器（FPEROMFlash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓、高性能CMOS 8位微處理器，俗稱單片機

21、6。AT89C2051是一種帶2K字節閃存具有可編程可擦除且只讀存儲器的單片機。51單片機的可擦除和只讀存儲器能夠反復的擦除1000次。該器件是利用ATMEL高密度的非易失的存儲器制造技術來制造的，其與工業標準的MCS-51指令集和輸出管腳互相兼容。由于把多 功能8位CPU以及閃速存儲器組合于單個芯片里面，ATMEL的51單片機成為一種高效的微控制器。AT89C51單片機能夠提供一種較高靈活性以及價格相對低廉的方案給嵌入式控制系統來使用。4.1.1 AT89C51的管腳說明AT89C51芯片如圖4-1圖4-1 AT89C51引腳圖AT89C51有40個管腳，其中包括32個I/O口引腳和2個電源

22、引腳還有2個時鐘引腳以及8個編程控制引腳。32個I/O口引腳又分為P0口、P1口、P2口和P3口，每個口都有八個引腳。P0口是雙向的8位三態I/O口，每個口可獨立控制，內部不具有上拉電阻，為高阻狀態，不能正常的輸出高/底電平需要外接電阻7。 P1口是準雙向的I/O口每個口可獨立控制，內自帶上拉電阻，輸入不具備鎖存功能。當輸入時必須先進行寫1操作，因為其作為輸出使用時沒有高阻狀態。P1.0和P1.1都具有另外一種功能分別為，T2定時器/計數器的外部輸入和T2的外部控制端。P2口與P1口相似，不過P2口只有準雙向的輸入輸出功能。P3口不僅具有準雙向的輸入輸出功能，而且每個管腳都具有第二功能。其中P

23、3.0和P3.1分別具有串行輸入輸出功能；P3.2和P3.3分別具有外部中斷0和外部中斷一功能；P3.4和P3.5分別課作為定時器/計數器0外部輸入端和定時器/計數器1外部輸入端；P3.6和P3.7分別具有外部數據存儲器寫脈沖和外部數據存儲器讀脈沖功能。P3口功能表如表4-1表4-1 P3口第二功能說明標號引腳第二功能說明P3.010RXD串行輸入口P3.111TXD串行輸出口P3.212INT0外部中斷0P3.313INT1外部中斷1P3.414T0定時器/計數器0外部輸入P3.515T1定時器/計數器1外部輸如P3.616WR外部數據存儲器寫脈沖P3.717RD外部數據存儲器讀脈沖 編程控

24、制引腳分別有外接時鐘引腳為18腳和19腳；單片機復位引腳為第9引腳；程序存儲器允許輸出控制端為第29腳；第30腳用于單片機擴展外部RAM時，ALE用于控制把P0口的輸出低8位地址送鎖存器鎖存，來實現低位地址和數據的隔離；31管腳用于EA接高電平時，單片機讀取內部程序存儲器。4.1.2 復位電路用戶應用程序在運行過程中，有時會有特殊需求，需要實現單片機系統恢復（熱啟動之一），傳統的8051單片機由于硬件上不支持此功能，所以用戶需要用軟件模擬實現，實現起來比較麻煩。由于本次汽車車速檢測系統是基于單片機來控制編程的，單片機在啟動時都需要復位，且用軟件模擬來實現單片機系統的恢復比較麻煩。所以在單片機的

25、外圍電路就需要復位電路。復位電路有3種分別為手動復位和上電復位以及積分型上電復位。本次所設定的復位電路比較特殊，由于需要看里程的需要所以復位電路采用的是手動復位的外圍電路設計，但是功能確是上電自動復位，開關是看里程時使用的。復位信號及產生：單片機上第九引腳為RST引腳是復位信號的輸入端。復位信號為高電平有效，其有效時間應持續24個晶振周期以上。若使用6MHZ的晶振，那么復位信號持續時間需要超過4微秒，這樣才能完成復位操作。其中整個復位電路中包括內外芯片兩部分。復位信號由外部電路所產生并將其傳送到施密特觸發器，然后由內復位電路在其機器周期的S5P2時刻來進行施密特觸發器的輸出采樣，這樣才能得到內

26、部復位操作所需求的信號8。 AT89C51單片機的復位基本思路原理復位信號是從RST引腳輸入并被傳送至芯片中的施密特觸發器。如果系統正處于正常工作狀態，并且振蕩器穩定，那么此時的RST引腳具有一個高電平并且已經維持了2個機器周期(即為24個振蕩周期)以上，那么CPU就能夠響應并使系統進行復位。復位電路外接電路如圖4-2圖4-2 復位電路的外接電路圖4.1.3 晶振電路單片機系統中都需要晶振，晶振在單片機系統中發揮著很大的作用，又稱為晶體振蕩器，它結合單片機內部的電路，從而產生單片機所需求的時鐘頻率，晶體振蕩器提供的時鐘頻率越高，那么單片機的運行速度也將更快，單片機所有的指令能夠準確執行全都是建

27、立于單片機晶振所產生的時鐘頻率。常用波特率通常按規范取為1200,2400,4800,9600，.，若采用晶振12MHZ或6MHZ，計算得出的T1定時初值將不是一個整數，這樣通訊便會產生積累誤差，進而產生波特率誤差，影響串行通信的同步性能。能解決的方法只有調整單片機的時鐘頻率Fosc,通常采用11.0592MHZ晶振。因為它能非常準確地計算出T1定初值，即使對于較高的波特率（16900,19200），只要是標準通信速率，常采用11.0592MHZ的晶振可以得到非常準確的數值。正常的工作條件下，一般的晶振頻率絕對精度通常能夠處于百萬分之五十。高級晶振的精度當然也就更高。有些單片機晶振能夠由外加電

28、壓在一定范圍內來進行頻率的調整，這個稱之為壓控振蕩器。晶振用一種可以將電能以及機械能共同轉化的晶體使其在共振狀態下工作，用來提供穩定且精確的單頻振蕩。晶體振蕩器能夠為系統提供所需的時鐘信號。正常情況下一個系統下只共用一個晶振，這是為了使各部分組件保持同步。當然有些通訊系統的基頻和射頻會使用不同的晶振，然后利用電子調整頻率來保持系統各部分的同步9。本次汽車車速檢測系統所使用的51單片機所用晶振頻率為11.0592MHZ，外圍電路圖如下4-3。圖4-3晶振外圍電路4.1.4 存儲器AT24CO2AT24C02是一個2K位串行CMOSE2PROM，內部含有256個8位字節，CATALYST公司的先進

29、CMOS技術實質上減少了器件的功耗。AT24C02有一個16字節頁寫緩沖器。該器件通過IIC總線接口進行操作，有一個專門的寫保護功能。AT24C02的特性：數據線上的看門狗定時器；可編程復位門欄電平；高數據傳送速率為400KHz和1C總線兼容；2.7V至7V的工作電壓；低功耗CMOS工藝；16字節頁寫緩沖區；片內防誤擦除寫保護；高低電平復位信號輸出；100萬次擦寫周期；數據保存可達100年；商業級、工業級和汽車溫度范圍。AT24C02的功能描述：支持總線數據傳送協議I2C，總線協議規定任何將數據傳送到總線的器件作為發送器。任何從總線接收數據的器件為接收器。數據傳送是由產生串行時鐘和所有起始停止

30、信號的主器件控制的。主器件和從器件都可以作為發送器或接收器，但由主器件控制傳送數據（發送或接收）的模式，由于A0、A1和A2可以組成000111八種情況，即通過器件地址輸入端A0、A1和A2可以實現將最多8個AT24C02器件連接到總線上，通過進行不同的配置進行選擇器件。本次系統AT24C02的外圍電路如圖4-4。4.2 傳感器電路模塊介紹霍爾傳感器是一個換能器，將變化的磁場轉化為輸出電壓的變化?；魻杺鞲衅魇紫仁怯脕頊y磁場的，此外還可以被用來測量產生和影響磁場的物理量。霍爾傳感器是由于人們根據霍爾效應用半導體材料制成的原件所以叫霍爾元件?；魻杺鞲衅魇且环N磁場傳感器。霍爾傳感器是對磁敏感的傳感元

31、件，由磁鋼、霍爾元件等組成?；魻杺鞲衅鲝V泛地應用于工業自動化技術、檢測技術及信息處理等方面?；魻柶骷抢冒雽w材料制成的一種器件，施加外磁場B使之與垂直于平面的方向一致，然后施加兩外電場于平面方向兩端，那么電子將會在磁場中運動，最后在器件的兩個側面間隙內產生霍爾電勢。它的大小與電流大小以及外磁場成比例。霍爾開關傳感器具有體積小，無需觸點，良好的動態特性，使用壽命長等優點，因此在測量轉動物體轉速領域內應用十分廣泛。本系統采用的CS3020是根據檢測鋼磁轉過的次數轉化成脈沖信號來實現速度的檢測，同時也可以測里程。 圖4-4 AT24C02外圍電路4.2.1 霍爾式車速傳感器 如今在汽車的應用中霍

32、爾效應傳感器具有十分重要的地位，其主要是因為變速器周圍的空間位置存在沖突?；魻栃獋鞲衅髯鳛橐环N固體傳感器，它主要應用于曲軸轉角以及凸輪軸的位置上，主要用于開關點火以及燃油噴射電路的觸發；它還可應用于其它要求控制轉動部件的位置以及對速度控制有要求的電路中?；魻栃獋鞲衅鳎ㄩ_關），是由一個理論上完全閉合的并包含永久磁鐵以及磁極部分的磁路共同組成的，一個軟磁鐵葉片轉子通過磁鐵和磁極間的氣隙，由葉片轉子上的窗口可允許磁場不受影響的通過并最終到達了霍爾效應傳感器，然而沒有窗口的部分則會中斷磁場，所以，葉片轉子窗口所起到的作用是用于開關磁場，讓霍爾效應如同開關一般達到打開或關閉的功能，因此一些設計者會將

33、霍爾效應傳感器以及一些類似的電子設備，稱為霍爾開關。此組件實際上就是一個開關設備，然而它的關鍵功能部件就是霍爾效應傳感器來充當的。測試步驟把驅動輪頂起以便用來模擬行使狀態，或者可以將汽車示波測試線加長用來進行行駛的測試。如若車輪開始轉動，霍爾效應傳感器就會產生一連串的脈沖信號，此脈沖個數會隨著車速增加而增加，但其位置的占空比無論何種速度狀態下將保持恒定不變。當車速傳感器變高，相應的示波器上的波形脈沖相應的也將變多。如果確認從一個脈沖到另一個脈沖之間的幅度、頻率以及形狀都是一致的，那么就是說明幅度夠大，正常情況下它等于傳感器的供電電壓，而且它兩脈沖間隔相同，形狀一致，并與預期的相同。在確定波形的

34、頻率和車速同步以及占空比恒定不變之后，還要觀察以下內容：1、觀察波形是否具有一致性，并且檢查波形頂部以及底部的尖角。2、觀察幅度是否具有一致性，它的波形高度也應該相等，那時由于所給傳感器的供電電壓一直沒變。有一些實例表現出波形底部或者頂部出現缺口或不規則。其實關鍵的是波形的穩定性不變，如果波形對地電位過高，也就是說明電阻過大或者傳感器可能接地不良。3、觀察因為行駛性能問題的產生以及故障碼出現而導致的波形異常，就能夠確定與他人反映的故障還有行駛性能故障產生的根本原因直接有關信號問題。即使霍爾效應傳感器通常被設計在能高至150的溫度下正常運行，但霍爾效應傳感器的工作依然會受到溫度的影響，有些霍爾效

35、應傳感器依然在一定的溫度下(冷或熱)就會失效。當示波器顯示的波形不正常時，可檢查被干擾的線以及連接不良的線束，還需要檢查示波器和連線，來確定有關部件轉動是否正常(輸出軸，傳感器轉軸等)。如果示波器顯示故障，可以搖動線束，它可以為我們進一步判斷，用來確定故障的根本原因是不是由于霍爾效應傳感器的故障所造成的。4.2.2 霍爾傳感器的特性霍爾元件工作是需要加控制電流的，這就需要知道控制電極間的電阻?；魻栯姌O輸出霍爾電勢，對外它是電源，這就需要知道霍爾電極之間的電阻。當霍爾元件有控制電流使其本身在空氣中產生10攝氏度時，對應的控制電流值稱為額定控制電流。因霍爾電勢隨控制電流的增加而線性增加，所以使用中

36、選用盡可能大的控制電流，因而需要知道元件的最大允許控制電流。當沒有外加磁場，霍爾元件用交流控制電流時，霍爾電極的輸出有交流不等位電勢，還有一個直流電勢10。(一)線性型霍爾傳感器的特性 輸出電壓和外加磁場強度呈線性關系，如圖4-5。圖4-5 霍爾傳感器的線性關系 可見，在B1到B2磁感應強度范圍里具有良好的線性度，如果磁感應強度不在此范圍內則呈現飽和狀態。(二)開關型霍爾傳感器的特性如果外加磁感應強度超過了動作點Bop時，此時將會有低電平由霍爾傳感器輸出，如果磁感應強度降低至動作點Bop以下時，此時傳感器的輸出信號保持不變，直到磁感應強度降至釋放點BRP時，傳感器會由低電平變為高電平。Bop與

37、BRP之間的滯后讓此開關動作更加可靠。如果磁感應強度超過動作點Bop時，傳感器輸出將會使高電平變為低電平，當外磁場消失后，傳感器保持之前的輸出狀態（即鎖存狀態），必須施加反向磁感應強度達到BRP時，才能使電平產生變化。4.2.3 霍爾傳感器引腳說明 霍爾傳感器包括線性型霍爾傳感器以及開關型霍爾傳感器。該設計采用的是開關型霍爾傳感器。它內部包含了穩壓器，霍爾元件，差分放大器，施密特觸發器以及集電極開路輸出級。CS3020霍爾傳感器有3個引腳。第一引腳接的是5V的電源；第二引腳接地；第三引腳為輸出。由于傳感器內部為集電極開路輸出，所以需外接一個上拉電阻，其阻值與電源電壓大小有關，一般取12k。上拉

38、電阻在第一與第三引腳之間。4.2.4 霍爾傳感器車速測量原理霍爾傳感元件對磁敏感，通常用在開關信號采集的有CS3020和CS3040等，這種傳感器具有3引腳的器件，外形和三極管類似，只需接上電源，就可以工作，輸出大多數為集電極開路（OC）門輸出，它具有較寬的工作電壓范圍可供操作，而且方便使用。將鋼磁貼在車輪上，車輪每轉動一圈霍爾傳感器便輸出一個脈沖。通過單片機測量產生脈沖的頻率，就可以得出車輪的轉速。同樣道理，根據車輪的轉速，再結合圓盤的周長就是計算出物體的位移也就是里程。通過電壓比較器實現計數脈沖的輸出，既可在單片機實驗箱進行轉速測量，也可直接將輸出接到頻率計或脈沖計數器，得到單位時間內的脈

39、沖數，進行換算即可得電機轉速這樣可少用硬件，不需編程。4.2.5 霍爾傳感器的轉速測量方法轉速的測量方法很多，根據脈沖計數來實現轉速測量的方法主要有M法(測頻法)，T法(測周期法)以及MPT法(頻率周期法)。本系統采用的是M法(測頻法)。因為轉速是利用單位時間內的轉數來變換得到的，其變換過程中通常是有一定規律的循環運動。依據霍爾效應原理，把一塊永久磁鋼安裝于車輪轉軸的轉盤邊沿。當轉盤跟著側軸旋轉時，小磁鋼也會同步旋轉，把一個霍爾器件安裝在轉盤下方，轉盤跟著軸旋轉時，其經過磁鋼時，磁鋼所產生的磁場對其產生影響，此時霍爾器件有脈沖信號輸出，脈沖信號的頻率與車輪旋轉速度成正比。脈沖信號的周期和車輪的

40、轉速有以下關系：n=60/（PT） r/min其中n為車輪轉速，P為車輪旋轉一圈的信號個數，T為方波信號輸出周期。根據公式就可以計算出小車的轉速。4.2.6 霍爾傳感器設計電路本次論文設計的是用霍爾傳感器CS3020來進行信號的采集輸出工作達到測速的目的，其外接電路圖4-6。圖4-6 傳感器外接電路4.3 顯示模塊的介紹4.3.1 LED數碼管介紹LED數碼管以發光二極管作為發光單元，顏色有單紅，黃，藍，綠，白，七彩效果。單色，分段全彩管可用大樓，道路，河堤輪廓亮化，LED數碼管可均勻排布形成大面積顯示區域，可顯示圖案及文字，并可播放不同格式的視頻文件。通過電腦下flash、動畫、文字等文件，

41、或使用動畫設計軟件設計個性化動畫，播放各種動感變色的圖文效果。LED數碼管（LEDSegmentDisplays）是由多個發光二極管封裝在一起組成“8”字型的器件，引線已在內部連接完成，只需引出它們的各個筆劃，公共電極。LED數碼管常用段數一般為7段有的另加一個小數點，還有一種是類似于3位“+1”型。位數有半位，1，2，3，4，5，6，8，10位等，LED數碼管根據LED的接法不同分為共陰和共陽兩類。顯示效果：由于LED基本上屬于電流敏感元件，它的正向壓降分散性很大，而且還和溫度有關，只有當數碼管具有恒定的工作電流，并不受溫度和其它因素的影響，才能使其具有良好的亮度均勻度。此外，如果溫度發生變

42、化，那么驅動晶片還必須可以自動調節電流大小的輸出來實現色差平衡溫度補償11。安全性：僅僅是短時間的電流超載也能夠對發光管造成不可挽回的損壞。使用恒流驅動電路可有效防止因為電流故障而導致數碼管內發光管的大面積損壞。此外，我們所使用的超大型積體電路具有級聯延時開關特性。用來防止發光二極管因反向尖峰電壓而帶來的損害。超大型積體電路還具有熱保護功能，當任何一片的溫度超過一定值時可自動關斷，并且可在控制室內看到故障顯示。4.3.2 LED數碼管特性(1)能在低電壓、小電流條件下驅動發光，能與CMOS、ITL電路兼容。(2)發光響應時間極短(01s)，高頻特性好，單色性好，亮度高。(3)體積小，重量輕，抗

43、沖擊性能好。(4)壽命長，使用壽命在10萬小時以上，甚至可達100萬小時。成本低。性能：防水，防塵，防紫外線，耐壓，耐破裂，耐高低溫，耐燃，超強抗沖擊老化。本次所用的就是LED數碼管的共陰極接法其所顯示數字對應的二進制電平信號如表4-2。表4-2共陰極數碼管顯示字段顯示字符GFEDCBA十六進制001111113F1000011006210110115B310011114F4110011066511011016D611111017D7000011107811111117F911011116FA111011177B11111007CC011100139D101111051E111100179F1

44、11000171 單片機中應用最為廣泛的一種顯示方式是數碼管動態顯示，數碼管內有a,b,c,d,e,f,g,dp8個筆畫，動態驅動能將全部的顯示筆劃同名端連在一起，此外增加位選通控制電路提供給各個數碼管的公共極COM，各自獨立的I/O線控制著各自的位選通。當單片機字形碼輸出時，各個數碼管都將收到相同的字形碼。因此我們只需將要顯示字型碼的數碼管的位選通COM端打開，該數碼管界面就會顯示所需字形，沒有選通的數碼管就不會亮。本次選用的共陰極紅色8位數碼管。數碼管功耗低壽命長操作簡便。本次數碼管與鎖存器74HC573利用上拉電阻和單片機實行互聯，由單片機輸出信號，在鎖存器上鎖存由數碼管顯示,直到下一條

45、指令到來并在鎖存器里實現鎖存在數碼管上得以顯示。一個數碼管可以顯示的數有0到9還有包括英文字母A到F，本次由于是速度的顯示所以只需要0到9的顯示。4.3.3 74HC573作用74HC573是一種數字芯片，8數據鎖存器主要用于數碼管、按鍵等的控制。74HC573具有驅動能力，每個口輸出電流可達35MA，也可作緩沖器使用。74HC573芯片器件的輸入是和標準CMOS 輸出兼容的；加上拉電阻，它們能和LS/ALSTTL 輸出兼容。當鎖存使能端為高時，這些器件的鎖存對于數據是透明的（也就是說輸出同步）。當鎖存使能變低時，符合建立時間和保持時間的數據會被鎖存。74HC573引腳圖如圖4-7。圖4-7

46、74HC573引腳圖74HC573的八個鎖存器都是透明的D型鎖存器，當使能（G）為高時，Q 輸出將隨數據（D）輸入而變。當使能為低時，輸出將鎖存在已建立的數據電平上。輸出控制不影響鎖存器的內部工作，即老數據可以保持，甚至當輸出被關閉時，新的數據也可以置入。這種電路可以驅動大電容或低阻抗負載，可以直接與系統總線接口并驅動總線，而不需要外接口。特別適用于緩沖寄存器，I/O 通道，雙向總線驅動器和工作寄存器。74HC573功能表如表4-3。表4-3 74HC573功能表輸入輸出輸出使能（OE）鎖存使能（LE）DQLHHHLHLLLLX不變HXXZX不用關心；Z表示高阻抗由真值表可以看出，當OE為高電

47、平時，無論LE與D端為何種電平狀態，其輸出都為高阻態。很明顯，此時該芯片處于不可控狀態，而我們將74HC573接入電路是必須要控制它的，因此再設計電路時也就必須將OE接低電平，所以實驗板上的兩個鎖存器的OE都要接地。LE為使能信號端，LE有效時，輸出端進入觸發器，并被保存。OE為輸出允許信號端，當OE為低電平時，存儲在寄存器中的數據輸出到輸出端12。 當OE為低電平時，若LE為H時，D與Q同時為H或L；而當LE為L時，無論D為何種電平狀態，Q都保持上一次的數據狀態，也就是說，當LE為高電平時，Q端數據狀態緊隨D端數據狀態變化；而當LE為低電平時，Q端數據將保持住LE端變化為低電平之前Q端的數據

48、狀態。因此我們將鎖存器的LE端與單片機的某一引腳相連，再將鎖存器的數據輸入端與單片機的I/O口相連，便可通過控制鎖存器的鎖存端與鎖存器的數據輸入端的數據狀態來改變鎖存器的數據輸出端的數據狀態。4.3.4 顯示電路兩個鎖存器的數據輸入端連接單片機的P0口，P0口同時加了上拉電阻。數碼管中WE1，WE2，WE3是它們的位選端，每一個數碼管對應一個位選端與第二個鎖存器74HC573的數據輸入端的低六位中的3位相連。第一個鎖存器的數據輸出端與數碼管的引腳a,b,c,d,e,f,g,dp分別相連。兩個鎖存器的鎖存端分別與P2.6和P2.7相連。單片機可以控制鎖存端進而控制鎖存器的數據輸出，便可控制任意數

49、碼管顯示任意數字。數碼管顯示電路如圖4-8。圖4-8數碼管顯示電路4.4 DM74LS14工作原理DM74LS14是密特觸發反相器，具有14個引腳。施密特觸發電路是一種波形整形電路，當任何波形的信號進入電路時，輸出在正、負飽和之間跳動，產生方波或脈波輸出。不同于比較器，施密特觸發電路有兩個臨界電壓且形成一個滯后區，可以防止在滯后范圍內的噪聲干擾電路的正常工作。DM74LS14芯片引腳圖如圖4-9。圖4-9 DM74LS14引腳圖施密特觸發器在性能上有兩個特點：第一，輸入信號從低電平上升的過程中電路狀態轉換時對應的輸入電平，與輸入信號從高電平下降過程中對應的輸入轉換電平不同。第二，在電路狀態轉換

50、時，通過電路內部的正反饋過程使輸出電壓波形的邊沿變得很陡13。對于標準施密特觸發器，如果輸入電壓比正向閾值電壓高，那么輸出高電平；如果輸入電壓比負向閾值電壓低，那么輸出低電平；如果輸入電壓處于正向閾值電壓與負向閾值電壓之間，那么輸出電平保持不變。也就是說輸出高電平躍變為低電平與低電平躍變高電平各自所處的閾值電壓不同。只有輸入電壓具有足夠的變化，輸出電平才會翻轉，所以把這種元件稱為觸發器。這種雙閾值動作稱為遲滯現象，表明施密特觸發器有記憶性。從本質上來說，施密特觸發器是一種雙穩態多諧振蕩器。施密特觸發器的作用：施密特觸發器可作為波形整形電路，能將模擬信號波形整形為數字電路能夠處理的方波波形，而且

51、由于施密特觸發器具有滯回特性，所以可用于抗干擾，其應用包括在開環配置中用于抗干擾，以及在閉環正反饋配置中用于實現多諧振蕩器。施密特觸發器可以利用簡單的隧道二極管實現，這種二極管的伏安特性在第一象限中是一條“N”形曲線。振蕩輸入會使二極管的伏安特性從“N”形曲線的上升分支移動到另一分支，然后在輸入值超越上升和下降翻轉閾值時回到起點。不過，這類施密特觸發器的性能可以利用基于晶體管的元件來提升，因為基于晶體管的元件可以通過非常直接的利用正反饋來提升翻轉性能。施密特觸發器可以增強單輸入閥值的電路的抗干擾能力，由于只有一個輸入閾值，閾值附近的噪聲輸入信號會導致輸出因噪聲來回地快速翻轉。但是對于施密特觸發

52、器，閾值附近的噪聲輸入信號只會導致輸出值翻轉一次，若輸出要再次翻轉，噪聲輸入信號必須達到另一閾值才能實現，這就利用了施密特觸發器的回差電壓來提高電路的抗干擾能力。本次設計的系統是利用DM74LS14施密特觸發反相器來實現波形整流的。施密特觸發電路的滯后特性如表4-4。表4-4 施密特觸發電路滯后特性表上臨界電壓V1下臨界電壓V2滯后寬度V3V2噪聲V1輸入端信號上升到比上臨界電壓V1大時，觸發電路使V0轉態輸入端信號下降到下比臨界電壓V2小時，觸發電路使V0轉態上、下臨界電壓的差值V3=V2-V1噪聲在容許的滯后寬度范圍內，V0維持穩定4.4.1 信號處理電路設計 系統信號的預處理電路由二級電路構成。開關三極管組成的零偏置放大器被作為第一級，利用開關三極管能夠保證放大器具備良好的高頻響應