片機課程設計--單片機轉速測量系統(tǒng)

1、. 湖 南 科 技 大 學 課 程 設 計 課 題：單片機轉速測量系統(tǒng) 學 院：機電工程學院 專業(yè)班級：測控三班 學 號：1003030310 姓 名：李暑洲 指導老師：康煜華 時 間：2013.6 目 錄一 . 概述 1 . 數字式轉速測量系統(tǒng)的發(fā)展背景 2 . 本設計課題的目的與意義二 . 轉速測量原理三 . 方案的選擇四 . 硬件電路的設計1 . 單片機AT89C51的介紹 2 . 復位電路3 . 晶振電路 4 . 顯示部分設計五 . 軟件設計六 . 總結七 . 附錄1 . 系統(tǒng)總電路圖2 . 系統(tǒng)總程序 基于單片機的轉速測量系統(tǒng)設計一 . 概述1 . 數字式轉速測量系統(tǒng)的發(fā)展背景目前國

2、內外測量電機轉速的方法很多，按照不同的理論方法，先后產生過模擬測速法(如離心式轉速表、用電機轉矩或者電機電樞電動勢計算所得)、同步測速法(如機械式或閃光式頻閃測速儀)以及計數測速法。計數測速法又可分為機械式定時計數法和電子式定時計數法。傳統(tǒng)的電機轉速檢測多采用測速發(fā)電機或光電數字脈沖編碼器，也有采用電磁式(利用電磁感應原理或可變磁阻的霍爾元件等)、電容式(對高頻振蕩進行幅值調制或頻率調制)等，還有一些特殊的測速器是利用置于旋轉體內的放射性材料來發(fā)生脈沖信號其中應用最廣的是光電式，光電式測系統(tǒng)具有低慣性、低噪聲、高分辨率和高精度的優(yōu)點加之激光光源、光柵、光學碼盤、CCD 器件、光導纖維等的相繼出

3、現和成功應用，使得光電傳感器在檢測和控制領域得到了廣泛的應用。而采用光電傳感器的電機轉速測量系統(tǒng)測量準確度高、采樣速度快、測量范圍寬和測量精度與被測轉速無關等優(yōu)點，具有廣闊的應用前景。2 . 本設計課題的目的和意義 在工程實踐中,經常會遇到各種需要測量轉速的場合, 例如在發(fā)動機、電動機、卷揚機、機床主軸等旋轉設備的試驗、運轉和控制中,常需要分時或連續(xù)測量和顯示其轉速及瞬時轉速。要測速，首先要解決是采樣問題。在使用模技術制作測速表時，常用測速發(fā)電機的方法，即將測速發(fā)電機的轉軸與待測軸相連，測速發(fā)電機的電壓高低反映了轉速的高低。為了能精確地測量轉速外,還要保證測量的實時性,要求能測得瞬時轉速方法。

4、因此轉速的測試具有重要的意義。 這次設計內容包含知識全面，對傳感器測量發(fā)電機轉速的不同的方法及原理設計有較多介紹，在測量系統(tǒng)中能學到關于測量轉速的傳感器采樣問題，單片機部分的內容，顯示部分等各個模塊的通信和聯(lián)調。全面了解單片機和信號放大的具體內容。進一步鍛煉我們在信號采集，處理，顯示發(fā)面的實際工作能力。二 . 轉速測量原理 一般的轉速長期測量系統(tǒng)是預先在軸上安裝一個有60 齒的測速齒盤,用變磁阻式或電渦流式傳感器獲得一轉60 倍轉速脈沖,再用測頻的辦法實現轉速測量。而臨時性轉速測量系統(tǒng),多采用光電傳感器,從轉軸上預先粘貼的一個標志上獲得一轉一個轉速脈沖,隨后利用電子倍頻器和測頻方法實現轉速測量

5、。不論長期或臨時轉速測量,都可以在微處理器的參與下,通過測量轉軸上預留的一轉一齒的鑒相信號或光電信號的周期,換算出轉軸的頻率或轉速。即通過速度傳感器,將轉速信號變?yōu)殡娒}沖,利用微機在單位時間內對脈沖進行計數,再經過軟件計算獲得轉速數據。即:n=N/ (mT) (1)n 轉速、單位:轉/ 分鐘;N 采樣時間內所計脈沖個數;T采樣時間、單位:分鐘;m 每旋轉一周所產生的脈沖個數(通常指測速碼盤的齒數) 。如果m=60, 那么1 秒鐘內脈沖個數N就是轉速n, 即:n=N/ (mT) =N/60 ×1/60=N (2)通常m為60。在對轉速波動較快系統(tǒng)或要求動態(tài)特性好而精度高的轉速測控系統(tǒng)中

6、,調節(jié)周期一般很短,相應的采樣周期需取得很小,使得脈沖當量增高,從而導致整個系統(tǒng)測量精度降低,難以滿足測控要求。提高采樣速率通常就要減小采樣時間T, 而T 的減小會使采到的脈沖數值N 下降,導致脈沖當量(每個脈沖所代表的轉速) 增高,從而使得測量精度變得粗糙。通過增加測速碼盤的齒數可以提高精度,但是碼盤齒數的增加會受到加工工藝的限制,同時會使轉速測量脈沖的頻率增高,頻率的提升又會受到傳感器中光電器或磁敏器或磁電器件最高工作頻率的限制。凡此種種因素限制了常規(guī)智能轉速測量方法的使用范圍。而采用本文所提出的定時分時雙頻率采樣法,可在保證采樣精度的同時,提高采樣速率,充分發(fā)揮微機智能測速方法的優(yōu)越性及

7、靈活性。各部分模塊的功能：傳感器：用來對信號的采樣。放大、整形電路：對傳感器送過來的信號進行放大和整形，在送入單片機進行數據的處理轉換。單片機：對處理過的信號進行轉換成轉速的實際值，送入LEDLED顯示：用來對所測量到的轉速進行顯示。三 . 方案的選擇 轉速測量的方案選擇,一般要考慮傳感器的結構、安裝以及測速范圍與環(huán)境條件等方面的適用性;再就是二次儀表的要求,除了顯示以外還有控制、通訊和遠傳方面的要求。本說明書中給出兩種轉速測量方案，經過我和伙伴查資料、構思和自己的設計，總體電路我們有兩套設計方案，部分重要模塊也考慮了其它設計方法，經過分析，從實現難度、熟悉程度、器件用量等方面綜合考慮，我們才

8、最終選擇了一個方案。下面就看一下我們對兩套設計方案的簡要說明。 方案一：霍爾傳感器測量方案 霍爾傳感器是利用霍爾效應進行工作的？其核心元件是根據霍爾效應原理制成的霍爾元件。本文介紹一種泵驅動軸的轉速采用霍爾轉速傳感器測量?；魻栟D速傳感器的結構原理圖如圖3.1, 霍爾轉速傳感器的接線圖如圖。傳感器的定子上有2 個互相垂直的繞組A 和B, 在繞組的中心線上粘有霍爾片HA 和HB ,轉子為永久磁鋼,霍爾元件HA 和HB 的激勵電機分別與繞組A 和B 相連,它們的霍爾電極串聯(lián)后作為傳感器的輸出。 原理圖 接線圖缺點：采用霍爾傳感器在信號采樣的時候，會出現采樣不精確，因為它是靠磁性感應才采集脈沖的，使用

9、時間長了會出現磁性變小，影響脈沖的采樣精度。 方案二：光電傳感器 整個測量系統(tǒng)的組成框圖如圖3.3所示。從圖中可見,轉子由一直流調速電機驅動,可實現大轉速范圍內的無級調速。轉速信號由光電傳感器拾取,使用時應先在轉子上做好光電標記,具體辦法可以是:將轉子表面擦干凈后用黑漆(或黑色膠布) 全部涂黑,再將一塊反光材料貼在其上作為光電標記,然后將光電傳感器(光電頭) 固定在正對光電標記的某一適當距離處。光電頭采用低功耗高亮度LED ,光源為高可靠性可見紅光,無論黑夜還是白天,或是背景光強有大范圍改變都不影響接收效果。光電頭包含有前置電路，輸出05V的脈沖信號。接到單片機89C51的相應管腳上，通過89

10、C51內部定時/計時器T0、T1及相應的程序設計，組成一個數字式轉速測量系統(tǒng)。 測量系統(tǒng)組成框圖優(yōu)點：這種方案使用光電轉速傳感器具有采樣精確，采樣速度快，范圍廣的特點。綜上所述，方案二使用光電傳感器來作為本設計的最佳選擇方案。四 . 硬件電路設計1 . 單片機AT89C51介紹 AT89C51是一種帶4K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器（FPEROMFalsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓，高性能CMOS8位微處理器，俗稱單片機。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲器制造技術制造，與工業(yè)標準的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。由

11、于將多功能8位CPU和閃爍存儲器組合在單個芯片中，ATMEL的AT89C51是一種高效微控制器，為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價廉的方案。 AT89C51芯片 它有40個管腳，分成兩排，每一排各有20個腳，其中左下角標有箭頭的為第1腳，然后按逆時針方向依次為第2腳、第3腳第40腳。在40個管腳中，其中有32個腳可用于各種控制，比如控制小燈的亮與滅、控制電機的正轉與反轉、控制電梯的升與降等，這32個腳叫做單片機的“端口”，在單片機技術中，每個端口都有一個特定的名字，比如第一腳的那個端口叫做“P1.0”。管腳說明： 管腳分布VCC：供電電壓，GND：接地。 P0口：P0口為一個8位漏級開

12、路雙向I/O口，每腳可吸收8TTL門電流。當P1口的管腳第一次寫1時，被定義為高阻輸入。P0能夠用于外部程序數據存儲器，它可以被定義為數據/地址的第八位。在FIASH編程時，P0 口作為原碼輸入口，當FIASH進行校驗時，P0輸出原碼，此時P0外部必須被拉高。P1口：P1口是一個內部提供上拉電阻的8位雙向I/O口，P1口緩沖器能接收輸出4TTL門電流。P1口管腳寫入1后，被內部上拉為高，可用作輸入，P1口被外部下拉為低電平時，將輸出電流，這是由于內部上拉的緣故。在FLASH編程和校驗時，P1口作為第八位地址接收。 P2口：P2口為一個內部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2口緩沖器可接收，輸出4個

13、TTL門電流，當P2口被寫“1”時，其管腳被內部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時，P2口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內部上拉的緣故。P2口當用于外部程序存儲器或16位地址外部數據存儲器進行存取時，P2口輸出地址的高八位。在給出地址“1”時，它利用內部上拉優(yōu)勢，當對外部八位地址數據存儲器進行讀寫時，P2口輸出其特殊功能寄存器的內容。P2口在FLASH編程和校驗時接收高八位地址信號和控制信號。 P3口：P3口管腳是8個帶內部上拉電阻的雙向I/O口，可接收輸出4個TTL門電流。當P3口寫入“1”后，它們被內部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平，P3口將輸出電

14、流（ILL）這是由于上拉的緣故。 P3口也可作為AT89C51的一些特殊功能口。P3口管腳備選功能：P3.0 RXD（串行輸入口）P3.1 TXD（串行輸出口）P3.2 /INT0（外部中斷0）P3.3 /INT1（外部中斷1）P3.4 T0（記時器0外部輸入）P3.5 T1（記時器1外部輸入）P3.6 /WR（外部數據存儲器寫選通）P3.7 /RD（外部數據存儲器讀選通）P3口同時為閃爍編程和編程校驗接收一些控制信號。 RST：復位輸入。當振蕩器復位器件時，要保持RST腳兩個機器周期的高電平時間。ALE/PROG：當訪問外部存儲器時，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)。在

15、FLASH編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時，ALE端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此它可用作對外部輸出的脈沖或用于定時目的。然而要注意的是：每當用作外部數據存儲器時，將跳過一個ALE脈沖。如想禁止ALE的輸出可在SFR8EH地址上置0。此時， ALE只有在執(zhí)行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，該引腳被略微拉高。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài)ALE禁止，置位無效。PSEN：外部程序存儲器的選通信號。在由外部程序存儲器取指期間，每個機器周期兩次/PSEN有效。但在訪問外部數據存儲器時，這兩次有效的/PSEN信號將不出現。 EA/VPP：當/

16、EA保持低電平時，則在此期間外部程序存儲器（0000H-FFFFH），不管是否有內部程序存儲器。注意加密方式1時，/EA將內部鎖定為RESET；當/EA端保持高電平時，此間內部程序存儲器。在FLASH編程期間，此引腳也用于施加12V編程電源（VPP）。XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內部時鐘工作電路的輸入。XTAL2：來自反向振蕩器的輸出。3振蕩器特性：XTAL1和XTAL2分別為反向放大器的輸入和輸出。該反向放大器可以配置為片內振蕩器。石晶振蕩和陶瓷振蕩均可采用。如采用外部時鐘源驅動器件，XTAL2應不接。有余輸入至內部時鐘信號要通過一個二分頻觸發(fā)器，因此對外部時鐘信號的脈寬無任何要求，但

17、必須保證脈沖的高低電平要求的寬度。4芯片擦除： 整個PEROM陣列和三個鎖定位的電擦除可通過正確的控制信號組合，并保持ALE管腳處于低電平10ms 來完成。在芯片擦操作中，代碼陣列全被寫“1”且在任何非空存儲字節(jié)被重復編程以前，該操作必須被執(zhí)行。此外，AT89C51設有穩(wěn)態(tài)邏輯，可以在低到零頻率的條件下靜態(tài)邏輯，支持兩種軟件可選的掉電模式。在閑置模式下，CPU停止工作。但RAM，定時器，計數器，串口和中斷系統(tǒng)仍在工作。在掉電模式下，保存RAM的內容并且凍結振蕩器，禁止所用其他芯片功能，直到下一個硬件復位為止。2 . 復位電路 MCS-51 單片機復位電路是指單片機的初始化操

18、作。單片機啟運運行時，都需要先復位，其作用是使CPU和系統(tǒng)中其他部件處于一個確定的初始狀態(tài)，并從這個狀態(tài)開始工作。因而，復位是一個很重要的操作方式。但單片機本身是不能自動進行復位的，必須配合相應的外部電路才能實現。 Protues中的AT89C51芯片 手動復位電路 特殊功能寄存器初始狀態(tài)特殊功能寄存器初始狀態(tài)ABPSW00H00H00HTMODTCONTH000H00H00HSPDPLDPHP0P3IPIE07H00H00HFFH*00000B0*00000BTL0TH1TL1SBUFSCONPCON00H00H00H不定00H0*B 寄存器復位后狀態(tài)表3 . 晶振電路 晶振是晶體振蕩器的簡

19、稱，在電氣上它可以等效成一個電容和一個電阻并聯(lián)再串聯(lián)一個電容的二端網絡，電工學上這個網絡有兩個諧振點，以頻率的高低分其中較低的頻率是串聯(lián)諧振，較高的頻率是并聯(lián)諧振。AT89C51單片機內部有一個用于構成振蕩器的高增益反相放大器。引腳XTAL1和XTAL2分別是此放大器的輸入端和輸出端。這個放大器與作為反饋元件的片外晶體諧振器一起構成一個自激振蕩器。外接晶體諧振器以及電容C1和C2構成并聯(lián)諧振電路，接在放大器的反饋回路中。對外接電容的值雖然沒有嚴格的要求，但電容的大小會影響震蕩器頻率的高低、震蕩器的穩(wěn)定性、起振的快速性和溫度的穩(wěn)定性。因此，此系統(tǒng)電路的晶體振蕩器的值為12MHz，電容應盡可能的選

20、擇陶瓷電容，電容值約為30F。在焊接刷電路板時，晶體振蕩器和電容應盡可能安裝得與單片機芯片靠近，以減少寄生電容，更好地保證震蕩器穩(wěn)定和可靠地工作。晶體振蕩電路如圖 4 . 顯示部分設計 許多電子產品上都有跳動的數碼來指示電器的工作狀態(tài)，其實數碼管顯示的數碼均是由八個發(fā)光二極管構成的。每段上加上合適的電壓，該段就點亮。LED數碼有共陽和共陰兩種，把這些LED發(fā)光二極管的正極接到一塊（一般是拼成一個8字加一個小數點）而作為一個引腳，就叫共陽的，相反的，就叫共陰的，那么應用時這個腳就分別的接VCC和GND。再把多個這樣的8字裝在一起就成了多位的數碼管了。 共陽型 共陰型 數碼管要正常顯示，就要用驅動

21、電路來驅動數碼管的各個段碼，從而顯示出我們要的數字，因此根據數碼管的驅動方式的不同，可以分為靜態(tài)式和動態(tài)式兩類。 靜態(tài)顯示驅動：靜態(tài)驅動也稱直流驅動。靜態(tài)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端口進行驅動，或者使用如BCD碼二-十進制譯碼器譯碼進行驅動。靜態(tài)驅動的優(yōu)點是編程簡單，顯示亮度高，缺點是占用I/O端口多，如驅動5個數碼管靜態(tài)顯示則需要5×840根I/O端口來驅動，要知道一個89S51單片機可用的I/O端口才32個呢：），實際應用時必須增加譯碼驅動器進行驅動，增加了硬件電路的復雜性。 動態(tài)顯示驅動：數碼管動態(tài)顯示接口是單片機中應用最為廣泛的一種顯示方式之一，動態(tài)

22、驅動是將所有數碼管的8個顯示筆劃"a,b,c,d,e,f,g,dp"的同名端連在一起，另外為每個數碼管的公共極COM增加位選通控制電路，位選通由各自獨立的I/O線控制，當單片機輸出字形碼時，所有數碼管都接收到相同的字形碼，但究竟是那個數碼管會顯示出字形，取決于單片機對位選通COM端電路的控制，所以我們只要將需要顯示的數碼管的選通控制打開，該位就顯示出字形，沒有選通的數碼管就不會亮。通過分時輪流控制各個數碼管的的COM端，就使各個數碼管輪流受控顯示，這就是動態(tài)驅動。在輪流顯示過程中，每位數碼管的點亮時間為12ms，由于人的視覺暫留現象及發(fā)光二極管的余輝效應，盡管實際上各位數碼

23、管并非同時點亮，但只要掃描的速度足夠快，給人的印象就是一組穩(wěn)定的顯示數據，不會有閃爍感，動態(tài)顯示的效果和靜態(tài)顯示是一樣的，能夠節(jié)省大量的I/O端口，而且功耗更低。顯示字符共陰極段選碼共陽極段選碼顯示字符共陰極段選碼共陽極段選碼012343FH06H5BH4FH66HC0HF9HA4HB0H99H567896DH7DH07H7BH6FH92H82HF8H80H90H LED段碼表 動態(tài)仿真五 . 軟件設計 硬件電路完成以后，進行系統(tǒng)軟件設計。首先要分析系統(tǒng)對軟件的要求，然后進行軟件的總體的設計，包括程序的總體設計和對程序的模塊化設計。按整體功能分為多個不同的模塊，單獨設計、編程、調試，然后將各個

24、模塊裝配聯(lián)調，組成完整的軟件。 根據設計的要求，單片機的任務是：內部進行計數，在計算出速度后顯示。軟件編程用C語言完成的，需要能掌握C語言，還要熟練AT89C51單片機。從程序流程圖、編寫程序、編譯，到最后的調試，是很復雜的。下面作簡單介紹：系統(tǒng)軟件主程序的功能是完成系統(tǒng)的初始化、顯示程序。 主程序流程圖程序流程圖顯示開始初始化定時器計時器刷新數碼管延時2ms 顯示子程序流程圖 開始顯示緩存初始化LED顯示初始化數碼顯示 定時計數子程序流程圖 開定時器開計數器定時0.5s計數0.5s讀出計數器值并清零計數器定時重新裝初始值并啟動定時器開始六 . 總結 采用單片機技術來實現轉速的測量，可以提高轉

25、速的測量，可以提高轉速測量的精確度，并且加快了采樣的速率，具有較好的實時性。本文介紹的轉速方法使用于高、低轉速的測量，測量精確度與轉速無關，因而具有較寬的應用范圍和廣闊的應用的前景?；趩纹瑱C的轉速測量系統(tǒng)，具有硬件電路簡單，程序簡單和運算速度快，測速范圍廣，抗干擾性能好的特點。在設計的信號處理電路中經過濾波，能夠進一步減少誤差，是測速精度得到提高。通過此次單片機的課程設計，加深了所學的單片機知識，也加強了我的動手能力，在前期的設計過程中遇到了不少問題，但在老師和同學們的幫助下一一解決了。特在此表示感謝！當然，作為只是有理論知識的學生來說，上網找資料是必不可少的，這也提供了我們很多便捷之處。在后期單片機實物的焊接過程中我們動手能力嚴重不足被充分暴露出來，當然，要解決這個問題并不難，只要我們在平時生活中多多動手鍛煉就行！總之，這次單片機的課程設計收獲頗多！七 . 附錄1 . 系統(tǒng)總電路圖2 . 系統(tǒng)總程序 ;#include<reg51.h>#define uchar unsigned char#define uint unsigned intuint mm=1234;uchar code