畢業(yè)論文-基于AT89C51單片機的轉速測量儀設計

1、. v理工大學畢業(yè)論文 題目：題目：基于基于 AT89C51AT89C51 單片機的轉速測量儀設計單片機的轉速測量儀設計學生：學生：學生學號：學生學號：院系名稱：院系名稱： 機電工程系機電工程系 專業(yè)班級：專業(yè)班級： 機電一體化機電一體化 107107 班班 指導教師：指導教師：20132013 年年 6 6 月月 1515 日日. v摘 要在工程實踐中，經常會遇到各種需要測量轉速的場合，測量轉速的方法分為模擬式和數字式兩種。模擬式采用測速發(fā)電機為檢測元件，得到的信號是模擬量。數字式通常采用光電編碼器、霍爾元件等為檢測元件，得到的信號是脈沖信號。隨著微型計算機的廣泛應用，特別是高性能價格比的單

2、片機的出現(xiàn)，轉速測量普遍采用以單片機為核心的數字式測量方法。本文便是運用 AT89C51 單片機控制的智能化轉速測量儀。電機在運行過程中，需要對其進行監(jiān)控，轉速是一個必不可少的一個參數。本系統(tǒng)就是對電機轉速進行測量，并可以和 PC 機進行通信，顯示電機的轉速，并觀察電機運行的基本狀況。本設計主要用 AT89C51 作為控制核心，由霍爾傳感器、LED 數碼顯像管、HIN232CPE 電平轉換及 RS232 構成。詳細介紹了單片機的測量轉速系統(tǒng)及 PC機與單片機之間的串行通訊。充分發(fā)揮了單片機的性能。本文重點是測量速度并顯示在 5 位 LED 數碼管上。其優(yōu)點硬件是電路簡單，軟件功能完善，測量速度

3、快、精度高、控制系統(tǒng)可靠，性價比較高等特點。關鍵詞：MSC-51 單片機，轉速，傳感器ABSTRACTIn the project practice, we will meet each kind to need frequently to survey the rotational speed the situation, the survey rotational speed method divides into the simulation type and the digital two kinds. The . vsimulation type uses measured that

4、 the fast generator is the detecting element, obtains the signal simulates the quantity. Digital usually uses the electro-optical encoder, the Hall part and so on is the detecting element, obtains the signal is the signal impulse. Along with microcomputers widespread application, specially high perf

5、ormance price compared to monolithic integrated circuits appearance, the tachometric survey uses generally take the monolithic integrated circuit as the core digital measuring technique I graduated from the Design of the issue is control of the intelligent use of SCM speed measuring instrument. The

6、system is the motor speed measurement, and PC and can communicate that the motor speed, and to observe the motor running the basic situation. The main design AT89C51 control as the core, by the Hall sensor, LED digital CRT, HIN232CPE-level conversion, and a RS232. Detailed measurements of the speed

7、of the SCM system and PC and the serial communication between the microcontroller. Give full play to the performance of the SCM. This paper is to measure the speed and displayed in five LED digital pipe. The advantage of a simple hardware and software capabilities improve, measuring speed, high prec

8、ision and control system reliable, cost-effective and so on.KEYKEY WORDSWORDS：MSC-51One-chip computer,Sensor,Tachometer. v目目 錄錄摘要 IABSTRACTII前言 1第 1 章緒論 21.1 課題的研究背景 21.2 課題研究的目的和意義 21.3 轉速測量在國外的研究 31.4 主要容 4第 2 章系統(tǒng)功能分析 52.1 系統(tǒng)功能概述 52.2 系統(tǒng)要求及主要容 52.3 系統(tǒng)技術指標 6第 3 章系統(tǒng)總體設計 73.1 轉速測量的一般方法 73.2 硬件電路設計思路

9、93.3 軟件設計思路 9第 4 章硬件電路設計 114.1 單片機模塊 114.1.1 處理執(zhí)行元件 114.1.2 時鐘電路 144.1.3 復位電路 15. v4.1.4 顯示電路 164.1.5HD7279 接口 184.1.6 鍵盤電路 214.2 霍爾傳感器簡介 224.2.1 霍爾器件概述 224.2.2 霍爾傳感器的應用 224.2.3AH41 霍爾開關 234.3 發(fā)送模塊 24第 5 章軟件設計 285.1 單片機轉速程序設計思路及過程 285.1.1 單片機程序設計思路 285.1.2 單片機轉速計算程序 295.1.3 二-十進制轉換程序 305.2 程序設計 32第

10、6 章系統(tǒng)調試 346.1 硬件調試 346.2 軟件調試 356.2.1 調試主要方法和技巧：356.2.2 程序調試過程：366.3 綜合調試 376.4 故障分析與解決方案 376.5 結論與經驗 38. v參考文獻 40致 41附錄 42. v前 言智能化轉速測量可以對電機的轉速進行測量，電機在運行的過程中，需要對其平穩(wěn)性進行監(jiān)測，適時對轉速的測量有效地可以反映電機的狀況。本系統(tǒng)主要由傳感器，單片機 AT89C51 構成。可以對大圍轉速進行測量，測量的轉速精度高，還可以和 PC 機時時通信，實現(xiàn)對電機轉速的測量。單片機的英文名稱是 Micro Controller unit,縮寫為 M

11、CU，又稱為微控制器，它是一種面向控制的大規(guī)模集成電路芯片。它具有功能強、體積小、可靠性高、應用簡單靈活，因而使用非常廣泛，有力地推動各行業(yè)的技術發(fā)展和更新?lián)Q代。 本文首先在第 1 章緒論介紹了此系統(tǒng)的功能、技術指標以及主要容等；在第 2 章論述了總體設計過程,確定了技術指標及器件的選擇；第 3 章著重描述了系統(tǒng)硬件電路設計、硬件設計框圖及所使用的各種芯片功能與特性；在第 4 章中重點剖析了軟件設計的過程；最后在第 5 章中具體論述單片機、電平轉換電路、通信的處理及調試。第 1 章 緒論1.1 課題的研究背景目前國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

12、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。. v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現(xiàn)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

13、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。1.2 課題研究的目的和意義隨著超大規(guī)模集成電路技術提高，尤其是單片機應用技術以其功能強大，價格低廉的顯著特點，使全數字化測量轉速系統(tǒng)得以廣泛應用。由于單片機在測量轉速方面具有體積小、性能強、成本低的特點，越來越受到企業(yè)用戶的青睞。轉速是工程中應用非常廣泛的一個參數，其測量方法較多，而模擬量的采集和模擬處理一直是轉速測量的主要方法，這種測量方技術已不能適應現(xiàn)代科技發(fā)展的要求，在測量圍和測量精度上，已不能滿足大多數系統(tǒng)的使用。隨著大規(guī)模及超大規(guī)模集成電路技術的發(fā)展，數字系統(tǒng)測量得到普遍應用

14、，特別是單片機對脈沖數字信號的強大處理能力，使得全數字量系統(tǒng)越來越普及，其轉速測量系統(tǒng)也可以用全數字化處理。在測量圍和測量精度方面都有極大的提高。常用的檢測方法有機械式，光電式，霍爾式，頻閃法，高壓油管應變法等，本課題主要是針對轉速測量系統(tǒng)的硬件和軟件系統(tǒng)的設計。運用 51 系列單片機設計一種全數字化測速系統(tǒng)，從提高測量精度的角度出發(fā)，分析討論其產生誤. v差的可能原因。同時從實際硬件電路出發(fā)，分析電路的工作原理，根據設計具體情況提出修改方案和解決辦法。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

15、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。因此轉速的測試具有重要的意義。這次設計容包含知識全面，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容。進一步鍛煉我們在信號采集、處理、顯示等方面的實際工作能力。本課題以單片機為核心，設計的全數字化測量轉速系統(tǒng)，在工業(yè)控制

16、和民用電器中都有較高使用價值。一方面它可以應用于工業(yè)控制中的某一部分，如數控車床的電機轉速檢測和控制、水泵流量控制以及需要利用轉速檢測來進行控制的許多場合，如車輛的里程表、車速表等。另一方面由于該轉速測量系統(tǒng)采用全數字結構，因而可以很方便的和工業(yè)控制機進行連接，實行遠程管理和控制，進一步提高現(xiàn)代化水平。并且，幾乎不需做很大改變就能直接作為單獨的產品使用?？傊?，轉速測量系統(tǒng)的研究是一件非常有意義的課題。1.3 轉速測量在國外的研究轉速是能源設備與動力機械性能測試中的一個重要的特性參量，因為動力機械的許多特性參數是根據它們與轉速的函數關系來確定的，例如壓縮機的排. v氣量、軸功率、燃機的輸出功率等

17、等，而且動力機械的振動、管道氣流脈動、各種工作零件的磨損狀態(tài)等都與轉速密切相關。轉速測量的方法很多，測量儀表的型式也多種多樣，其使用條件和測量精度也各不相同。根據轉速測量的工作方式可分為兩大類：接觸式轉速測量儀表與非接觸式轉速測量儀表。前者在使用時必須與被測轉軸直接接觸，如離心式轉速表、磁性轉速表與測速發(fā)電機等；后者在使用時不需要與被測轉軸接觸,如光電式轉速表、電子數字式轉速表、閃光測速儀等。測量發(fā)動機轉速的傳統(tǒng)方法是使用光電式轉速表測量。用這種方法測量時,既要在發(fā)動機轉動軸上粘貼光標紙，又要求測量人員把轉速表與光標紙的距離控制在很近的圍,測量十分不方便。隨著科學技術的迅速發(fā)展,轉速測量儀表已

18、步入現(xiàn)代化、電子化的行列。過去曾經使用過的接觸式測量儀表,如離心式轉速表、磁性轉速表、微型發(fā)電機轉速表及鐘表是定時轉速表，均已先后受到冷落；而利用已知頻率的閃光與被測軸轉速同步的方法來測速的閃光測速儀，雖屬非接觸式儀表，目前仍有應用,但也退居次要地位。代之而起的是非接觸式的電子與數字化的測速儀表。這類轉速儀表大多具有體積小、重量輕、讀數準確、使用方便等優(yōu)點，容易實現(xiàn)電腦熒屏顯示和打印輸出，能夠連續(xù)的反映轉速變化，既能測定發(fā)動機穩(wěn)定情況下的平均轉速,也能夠用來在足夠小的時間間隔這一特定條件下測定發(fā)動機的瞬時轉速。轉速測量的應用系統(tǒng)在工業(yè)生產、科技教育、民用電器等各領域的應用極為廣泛，往往成為某一

19、產品或控制系統(tǒng)的核心部分，其各種參數在不同的應用中有其側重，但轉速測量系統(tǒng)作為普遍的應用在國民經濟發(fā)展中，有重要的意義。. v1.4 主要容1.詳細分析轉速的測量理論，對轉速的周期測量法“T”法、頻率測量法“M”法以及周期頻率“M/T”測量法，三種具體測量方法的轉速計算、各自的測量精度和誤差進行闡述。定性地比較三種方法所針對的轉速特征，分析高、中、低轉速情況下各自的適用狀況。2.根據單片機硬件系統(tǒng)的設計，構建軟件系統(tǒng)，分別對硬件系統(tǒng)的配置予以估計，使其能夠對轉速進行測量。同時分析接口電路，顯示轉速。3.對單片機定時/計數器進行設置，設計和說明定時/計數器在“M”法測量中的作用和使用方法，討論測

20、量精度的問題。4.根據系統(tǒng)要求設置各控制字，用匯編語言編制程序，包括主程序流程，轉速計算程序，顯示中斷程序流程，同時并寫出其具體程序。. v第 2 章 系統(tǒng)功能分析2.1 系統(tǒng)功能概述系統(tǒng)主要實現(xiàn)功能是 AT89C51 單片機接收霍爾傳感器傳來的脈沖信號,單片機根據外部中斷,以及部定時器進行記數計算出電機轉速送到 LED 顯示，同時數據傳給 PC 機,并在 PC 機屏幕上顯示出來。記錄各時段的轉速，畫出 V-T 坐標圖。本系統(tǒng)通信部分是單片機經電平轉換電路 HIN232CP 之后，通過串口 RS-232 發(fā)送數據，由 PC 微機接收，微機部分用 Visual Basic 軟件編寫的界面作為 P

21、C 機部分與單片機進行串口之間通信。傳感器電路、轉速測量、LED 顯示、電平轉換電路設計等將在以下章節(jié)作詳細地設計。 傳感器 單 片 機 AT89C51 電 平 轉 換 電 路 LED 顯示 驅動電路 送 PC 機界面 圖 2.1 系統(tǒng)硬件電路從實用的角度看，評價一個系統(tǒng)實用價值的重要標準，就是這個系統(tǒng)對社會生活和科技觀念有多大的貢獻。轉速測量系統(tǒng)具有大圍、高精度等優(yōu)點、測量速度快，這種系統(tǒng)將會有良好的應用。2.2 系統(tǒng)要求及主要容. v將霍爾傳感器產生的脈沖信號輸出入到單片機的外部中斷 0 口，單片機工作在部定時器工作方式 0，對周期信號進行部記數，調用計算公式算出轉速，調用顯示程序顯示在

22、LED 上，同時通過串口向上位機發(fā)送轉速數據。系統(tǒng)包含主要容如下：（1）單片機部分主要完成電機轉速的測量（2）LED 部分主要是把轉速顯示出來，顯示圍 60-36000r/min（3）發(fā)送部分主要是完成電平轉換，送 RS232 向 PC 發(fā)送數據。（4）PC 機部分主要完成將數據顯示在界面并描繪出 V-T 圖2.3 系統(tǒng)技術指標系統(tǒng)主要完成測量和通信兩部分功能：（1）設計并制作單片機的轉速測量的硬件系統(tǒng)；（2）用匯編語言完成轉速測量的軟件系統(tǒng)；（3）要求把轉速顯示在 5 位 LED 上，精度為 0.1%；（4）能向上位機發(fā)送數據；（5）用 9 針 RS-232 即可；（6）在微機部分采用 Vi

23、sual Basic 編制 RS232 通信軟件；（7）通信軟件具有數據接受編輯框；（8）通信軟件要適時對數據的記錄，用時間曲線表示。根據系統(tǒng)要實現(xiàn)的功能以及要求，要實現(xiàn)單片機的轉速測量主要是各個模塊的設計，定時器記數功能、以及 LED 驅動、電平轉換及 PC 機之間的通信。單片機可通過編程控制外圍部件，能實現(xiàn)較高的自動化程度。以它為系統(tǒng)核心的控制模塊可實現(xiàn)主從控制，完成預定的任務。. v第 3 章 系統(tǒng)總體設計3.1 轉速測量的一般方法一般轉速測量系統(tǒng)有以下幾個部分構成，轉速測量框圖如圖 3.1 所示。轉速信號拾取整型倍頻單片機顯示接口芯片顯示鍵盤驅動電路圖 3.1 轉速測量框圖1轉速信號拾

24、取轉速信號拾取是整個系統(tǒng)的前端通道，目的是將外界的非電參量，通過一定方式轉換成電量，這一環(huán)節(jié)可以通過敏感元件、傳感器或測量儀表等來實現(xiàn)。方法如下：（1）通過敏感元件拾取被測信號敏感元件體積小，可以根據用戶及環(huán)境要求做成各矛頭形狀的探頭，它能將被測的物理量變換成電流、電壓，只要選擇合適的元件參數。如 R、L、C 設計相應的電路，便能完成這種對應關系。這種方法設計難度大，信號穩(wěn)定度差，在模擬處理系統(tǒng)中不宜采用。（1）通過傳感器拾取信號由專業(yè)人員將敏感元件和相應的測量電路、傳遞機構以適當的形式制成不同類型、不同用處的傳感器，根據原理輸出電量。該電量可以是模擬量或數字. v量，現(xiàn)代傳感器還可以輸出開關

25、量，用于數字邏輯電路。（2）通過測量儀表拾取被測信號目前有許多測量儀表用于各種測量中，有大信號輸出、有 BCD 碼輸出等，但價格昂貴，專業(yè)性強，一般不適合通用系統(tǒng)。通用的轉速測量系統(tǒng)大都采用一種俗稱“碼盤”的傳感裝置，將圓形的碼盤固定在轉軸上，碼盤上有若干規(guī)則排列的小孔，用光電偶來輸出電信號，以反映轉速對應關系，即是將轉軸的速度以脈沖形式反映出來，通常有兩種形式：模擬量量化后經 A/D 轉換，由數字量反映角度，供單片機計算處理，得出轉速。直接由脈沖來反應轉軸的角度，用每轉產生的脈沖經單片機處理得出轉速。2整形和倍頻前向通道中，從傳感器輸出的信號必須轉換成單片機輸入要求的信號，由于信號調節(jié)電路與

26、傳感器的選擇，現(xiàn)場干擾程度等，都會影響信號的質量。而脈沖信號的上升沿和下降沿對數字電路的觸發(fā)尤為重要，若要將轉速脈沖信號直接加到計數器或外部中斷的輸入端，并利用其上升沿來觸發(fā)進行計數，則必須要求輸入的信號有陡峭的上升沿或下降沿。處理方法上可以用觸發(fā)器電路來整形；而倍頻電路主要用于解決低轉速時測量精度問題及碼盤的刻度誤差而造成的精度下降問題。方法是在每轉中增加脈沖的個數(碼盤的線程數)來提高精度。但在高轉速時，由于脈沖個數的增加，限制了最高轉速測量量程，這個問題可用單片機控制來動態(tài)處理解決，兼顧高低轉速的測量精度。3單片機單片機是整個測量系統(tǒng)的主要部分，擔負對前端脈沖信號的處理、計算、. v以及

27、信號的同步，計時等任務，其次，將測量的數據經計算后，將得到的轉速值傳送到顯示接口中，用數碼管顯示數值。在本系統(tǒng)中考慮到計數的圍、使用的定時，計數器的個數及 I/O 口線，預選用 89C51 單片機。具體工作情況在后討論。4驅動和顯示由于 LED 數碼管具有亮度高、可靠性好等特點，工業(yè)測控系統(tǒng)中常用 LED數碼管作為顯示輸出。本系統(tǒng)也采用數碼管作顯示。LED 顯示器是用發(fā)光二極管顯示字段的，通常使用七段構成“日”字型和一只發(fā)光二極管作為小數點，稱八段數碼顯示器。其有兩種驅動方式，共陰驅動和共陽驅動，共陰驅動是各段發(fā)光二極管的陰極連在一起，并將公共端接地，在共陽結構中，將各段發(fā)光二極管陽極連在一起

28、，并將公共端接上+5V 電源，顯示字符對應字型代碼發(fā)光。3.2 硬件電路設計思路硬件設計的任務是根據總體設計要求，在選擇的機型的基礎上，具體確定系統(tǒng)中所要使用的元器件，設計出系統(tǒng)的原理框圖、電路原理圖。轉速是工程中應用非常廣泛的一個參數，早期模擬量的模擬處理一直是作為轉速測量的主要方法，這種測量方法在測量圍和測量精度上，已不能適應現(xiàn)代科技發(fā)展的要求。而隨著大規(guī)模及超大規(guī)模集成電路技術的發(fā)展，數字測量系統(tǒng)得到普遍應用，利用單片機對脈沖數字信號的強大處理能力，應用全數字化的結構，使數字測量系統(tǒng)的越來越普及,在測量圍和測量精度方面都有極大的提高。89C51單片機通過INT0輸入傳感器的脈沖信號，P0

29、口P2口接LED動態(tài)顯示。. v另由于PC系列微機串行口為RS232C標準接口，與輸入、輸出均為TTL電平的89C51單片機在接口規(guī)上不一致，因此TTL 電平到RS232接口電平的轉換采用HIN232CP接口芯片，該芯片可以用單電壓（+5V）實現(xiàn)RS232接口邏輯“1”（-3V-15V）和邏輯“0”（+3V+15V）的電平轉換。轉速測量部分的硬件設計思路：本次設計單片機部分的硬件框圖如圖3.2所示。具體詳細的敘述將在下面的章節(jié)中逐一介紹。復位電路CPU執(zhí)行單元顯示電路時鐘電路發(fā)送電路圖 3.2 單片機部分硬件框圖3.3 軟件設計思路軟件需要解決的是定時器 0 的記數和外部中斷 0 的設定、由于

30、測量的轉速圍大，所以低速和高速都要考慮在，關鍵在于一個四字節(jié)除三字節(jié)程序的實現(xiàn)。顯示部分、需要有一個二進制到十進制的轉化程序，以及轉換成非壓縮 BCD 的程序后、才能進行調用查表程序送到顯示。PC 機串口和單片機串行口的工作方式，包括串行口的通訊速率、奇偶校驗位、停止位等均由通信軟件實現(xiàn)。軟件工作流程：霍爾傳感器利用磁電效應產生一周期脈沖向單片機的外部中斷 0（P3.2）口發(fā)送一個中斷信號，定時器工作在部定時，TH0、TL0 設定初值為 0，作為除數的低兩字節(jié)，利用軟件記數器、定時器 0 中斷的次數作為除數高字節(jié)。中斷完畢讀取部記數值作為除數，調用除法程序計算轉速，再對二. v進制數進行一系列

31、變換后調用查表顯示程序，顯示在 LED 上。轉速部分軟件設計思路： AT89C51單片機的P3.2口接收傳感器的信號。主要編寫一個外部中斷服務程序INT_0，讀取記數值的三個字節(jié)，并再次清0記數初值以便下次的記數和計算。調用兩字節(jié)二進制-三字節(jié)十進制（BCD）轉換子程序BCD，再調用十進制轉換成非壓縮BCD程序CBCD、最后調用查表程序送顯示。為了和PC通信，系統(tǒng)要求單片機晶振11.0592MHZ。軟件的具體設計我們將在下面的章節(jié)中作詳細介紹。. v第 4 章 硬件電路設計硬件的功能由總體設計所規(guī)定，硬件設計的任務是根據總體設計要求，在選擇的機型的基礎上，具體確定系統(tǒng)中所要使用的元器件，設計出

32、系統(tǒng)的電路原理圖，必要時做一些部件實驗，以確定電路圖的正確性。整個單片機測量轉速系統(tǒng)為單片機控制模塊、霍爾傳感器模塊、發(fā)送模塊，各個模塊都承擔著各自的任務。設計單片機模塊，考慮到單片機本身的外圍電路較多，所以在單片機模塊方面需要極為小心。在整個電路設計時要考慮電平轉換電路，具體每一部分的設計將在以下章節(jié)中詳細分析。4.1 單片機模塊根據系統(tǒng)功能要求以及單片機硬件電路設計思路對單片機模塊進行設計，要使單片機準確的測量電機轉速，并且使測出的數據能顯示出來，所以整個單片機分為傳感器電路、時鐘電路、復位電路、執(zhí)行元件以及顯示電路五個部分。4.1.1 處理執(zhí)行元件單片機我們采用 AT89C51(其引腳圖

33、如圖 4.1)，相對于 INTEL 公司的 8051它本身帶有一定的優(yōu)點。AT89C51 是一種帶 4K 字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存貯器（FPEROMFalsh 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。圖 4.1 AT89C51 引腳圖. v主要特性：與MCS-51 兼容4K字節(jié)可編程閃爍存儲器壽命：1000寫/擦循環(huán)數據保留時間：10年全靜態(tài)工作：0Hz-24Hz三級程序存儲器鎖定128*8位部RAM32可編程I/O線兩個16位定時器/計數器5個中斷源 可編程串行通道低功耗的閑置和掉電模式片

34、振蕩器和時鐘電路管腳說明：1.VCC：供電電壓；2.GND：接地；3.P0 口：P0 口為一個 8 位漏極開路雙向 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。4.P1 口：P1 口是一個部提供上拉電阻的 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，被部上拉為高，可用作輸入，P1. v口被外部下拉為低電平時，

35、將輸出電流，這是由于部上拉的緣故。在 FLASH 編程和校驗時，P1 口作為第八位地址接收。5.P2 口：P2 口為一個部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口，P2 口緩沖器可接收，輸出 4 個 TTL 門電流，當 P2 口被寫“1”時，其管腳被部上拉電阻拉高，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容。P2 口在 FLASH 編程和校驗時接收高八

36、位地址信號和控制信號。6.P3 口：P3 口管腳是 8 個帶部上拉電阻的雙向 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，如為閃爍編程和編程校驗接收一些控制信號。如下表 4-1 所示。表 4-1 P3 口的第二功能引引 腳腳第二功能第二功能信信 號號 名名 稱稱P3.0P3.1P3.2P3.3P3.4P3.5P3.6P3.7RXDTXDINT0INT1T0T1WRRD串行數據接收串行數據發(fā)送外部中斷 0

37、 請求外部中斷 1 請求定時器/計數器 0 計數輸入定時器/計數器 1 計數輸入外部 RAM 寫選通外部 RAM 讀選通. v7.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。8.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 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。

38、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。9.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(xiàn)。10./EA/VPP：當/EA 保持低電平時，則在此期間外部程序存儲器（0000H-FFFFH） ，不管是否有部程序存儲器。注意加密方式 1 時，/EA 將部鎖定為 RESET；當/EA 端保持高電平時，此間部程序存儲器。在 FLASH 編程期間，此引腳也用于施加 12V 編程電源（VP

39、P） 。 11.XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及部時鐘工作電路的輸入。 12.XTAL2：來自反向振蕩器的輸出。 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振蕩器。石英振蕩和瓷振蕩均可采用。如采用外部時鐘源驅動器件，. vXTAL2 應不接。有余輸入至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，但必須保證脈沖的高低電平要求的寬度。 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

40、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。4.1.2 時鐘電路時鐘電路是計算機的心臟，它控制著計算機的工作節(jié)奏。MCS-51單片機允許的時鐘頻率是因型號而異的典型值為12MHZMCS-51部都有一個反相放大器，XTAL1、XTAL2分別為反相放大器輸入和輸出端，外接定時反饋元件以后就組成振蕩器，產生時鐘送至單片機部的各個部件。AT8

41、9C51是屬于CMOS8位微處理器，它的時鐘電路在結構上有別于NMOS型的單片機。CMOS型單片機部（如AT89C51）有一個可控的負反饋反相放大器，外接晶振（或瓷諧振器）和電容組成振蕩器，圖4.2為CMOS型單片機時鐘電路框圖。振蕩器工作受/PD端控制，由軟件置“1”PD（即特殊功能寄存器PCON.1）使/PD0，振蕩器停止工作，整個單片機也就停止工作，以達到節(jié)電目的。清“0”PD，使振蕩器工作產生時鐘，單片機便正常運行。圖中SYS為晶振或瓷諧. v振器，振蕩器產生的時鐘頻率主要由SYS參數確定（晶振上標明的頻率） 。電容C1和C2的作用有兩個：其一是使振蕩器起振，其二是對振蕩器的頻率f起微

42、調作用（C1、C2大，f變?。?，其典型值為30pF。圖 4.2 CMOS 型單片機時鐘電路框圖4.1.3 復位電路計算機在啟動運行時都需要復位，使中央處理器CPU和系統(tǒng)中的其它部件都處于一個確定的初始狀態(tài)，并從這個狀態(tài)開始工作。MCS-51單片機有一個復位引腳RST，它是史密特觸發(fā)輸入(對于CHMOS單片機，RST引腳的部有一個拉低電阻)，當振蕩器起振后該引腳上出現(xiàn)2個機器周期(即24個時鐘周期)以上的高電平，使器件復位，只要RST保持高電平，MCS-51保持復位狀態(tài)。此時ALE、PSEN、P0、P1、P2、P3口都 輸出高電平。RST變?yōu)榈碗娖胶?，退出復位，CPU從初始狀態(tài)開始工作。單片機

43、采用的復位方式是自動復位方式。對于MOS(AT89C51)單片機只要接一個電容至VCC即可(見圖4.3)。在加電瞬間，電容通過電阻充電，就在RST端出現(xiàn)一定時間的高電平，只要高電平時間足夠長，就可以使MCS-51有效的復位。RST端在加電時應保持的高電平時間包括VCC的上升時間和振蕩器起振的時間，Vss上升時間若為10ms，振蕩器起振的時間和頻率有關。10MHZ時約為1ms，1MHZ時約為10ms，所以一般為了可靠的復位，RST在上電應保持20ms以上的高電平。RC時間常數越大，上電RST端保持高電平的時間越長。若復位電路失效，加電后CPU從一個隨機的狀態(tài)開始工作，系統(tǒng)就不能正常運轉。圖 4.

44、3 上電復位電路. v4.1.4 顯示電路顯示電路采用LED數碼管動態(tài)顯示，LED（Light-Emitting Diode）是一種外加電壓從而渡過電流并發(fā)出可見光的器件。LED是屬于電流控制器件，使用時必須加限流電阻。LED有單個LED和八段LED之分，也有共陰和共陽兩種。顯示器結構：常用的七段顯示器的結構如圖 4.4 所示。發(fā)光二極管的陽極連在一起的稱為共陽極顯示器,陰極連在一起的稱為共陰極顯示器。1 位顯示器由八個發(fā)光二極管組成，其中七個發(fā)光二極管 ag 控制七個筆畫（段）的亮或暗，另一個控制一個小數點的亮和暗，這種筆畫式的七段顯示器能顯示的字符較少，字符的開頭有些失真，但控制簡單，使用

45、方便。此外，要畫出電路圖，首先還要搞清楚他的引腳圖的分布，在了解了正確的引腳圖后才能進行正確的字型段碼編碼。才能顯示出正確的數字來，如圖4.5 所示，為七段數碼管的管腳圖。圖 4.4 七段發(fā)光顯示器的結構圖 4.5 七段發(fā)光顯示器管腳的結構 驅動方式：采用的數碼管驅動為7407，它的全名為7407 TTL 集電極開路六正相高壓驅動器，其結構簡單，使用方便，圖4.6為7407的圖以及各個引腳的分布功能介紹。圖 4.6 7407 管腳的結構 顯示方式：為了節(jié)省I/O口線，我們采用的動態(tài)顯示方式。所謂動態(tài)顯示，就一位一位地輪流點亮各位顯示器（掃描） ，對于每一位顯. v示器來說，每隔一段時間點亮一次

46、。顯示器的亮度既與導通電流有關，也與點亮時間和間隔時間的比例有關。調整電流和時間參數，可實現(xiàn)亮度較高較穩(wěn)定的顯示。若顯示器的位數不大于 8 位，則控制顯示器公共極電位只需 8 位口（稱為掃描口） ，控制各位顯示器所顯示的字形也需一個 8 位口（稱為段數據口）。本次設計要求的轉速測量圍 60r/min-36000r/min，所以只需要 5 位數碼管即可。5 位共陰極顯示器和 AT89C51 的接口邏輯如圖 4-7 所示。AT89C51 的 P0口作為段數據口，接上拉電阻到顯示器的各個段；P2 口作為掃描口，經同相驅動器 7407 接顯示器公共極。對于圖 4.7 中的 5 位顯示器，在 AT89C

47、51RAM 存貯器中設置五個顯示緩沖器單元 30H35H，分別存放 5 位顯示器的顯示數據，AT89C51 的 P2 口掃描輸出總是只在一位為低電平，即 5 位顯示器中僅有一位公共陰極為低電平，其它位為高電平，AT89C51 的 P0 口相應位（陰極為低）的顯示數據的段數據，使該位顯示出一個字符，其它們?yōu)榘?，依次地改?P2 口輸出為高的位，P0 口輸出對應的段數據，5 位顯示器就顯示出由緩沖器中顯示數據所確定的字符。圖 4.7 五位動態(tài)顯示電路4.1.5 HD7279接口1引腳介紹HD7279A 是一款具有簡單 SPI 串行接口的器件，可直接驅動 8 位共陰式數碼管(或 64 個獨立的 LE

48、D)，管理多達 64 鍵鍵盤，單片即可完成 LED 顯示和鍵盤接口的全部功能，大大簡化電路設計，占用單片機資源極少(最少 2 線)，完全免調試，外圍電路更簡單。HD7279A 部含有譯碼器可直接接收 BCD 碼或16 進制碼，也可不譯碼，并同時具有兩種譯碼方式。此外，該器件還具有多種. v控制指令，諸如消隱，閃爍，左移，右移和段尋址等，顯示控制方式靈活，其段尋址能力可用于獨立的 LED 顯示或信息指示燈控制。圖 3-14 為 HD729A 的引腳配置，其各引腳功能描述如表 3-3 所列。HD7279A 具有片選信號，可方便實現(xiàn)高于 8 位的顯示或高于 64 鍵的鍵盤接口，采用多片級聯(lián)，對片選信

49、號進行譯碼即可實現(xiàn)。當應用系統(tǒng)中只有一片 HD7279A 時，片選端 CS 可直接接地。圖 4.8 HD7279 引腳配置表 4-2 HD7279 引腳功能介紹引腳引腳名稱名稱功能描述功能描述1,2VDD正電源3,5NC無連接，必須懸空4VSS接地6CS片選輸入端，此引腳為低電平，可向器件發(fā)送指令及讀取鍵盤數據7CLK同步時鐘輸入端，向器件發(fā)送數據及讀取鍵盤數據時，此引腳電平上升沿表示數據有效8DATA串行數據輸入/輸出端，當器件接收指令時，此引腳為輸入端；當讀取鍵盤數據時，此引腳在讀指令最后一個時鐘的下降沿變?yōu)檩敵龆?KEY按鍵有效輸出端，平時為高電平，當檢測到有效按鍵時，此引腳為低電平10

50、16SGSA段 g 段 a 驅動輸出17DP小數點驅動輸出1825DIG0-DIG7數字 0 數字 7 驅動輸出26CLKORC 振蕩器連接端27RC復位端. v28RESET復位端2HD7279A 的工作原理HD7279A 最顯著的優(yōu)點是與單片機的接口簡單，最多只需 5 條連接線，分別是復位端 RESET，片選輸入端 CS，同步時鐘輸入端 CLK，數據輸入輸出端DATA 和按鍵有效輸出端 KEY。在一般應用系統(tǒng)中，RESET 可直接接電源，當應用系統(tǒng)中只有一片 HD7279A 器件時，CS 也可以直接接地，此時只需占用 3條單片機的 IO 端口線，如果應用系統(tǒng)中沒有鍵盤，僅具有顯示功能，或者

51、即使有鍵盤，但單片機軟件任務不復雜，均可不接 KEY 線，使用定時讀取鍵盤鍵值代碼的方法，則此時只需占用 2 條單片機的 I/0 端口線。3HD7279A 接口的具體設計根據 HD7279A 的特點與優(yōu)點，我們選擇該器件來驅動數碼管，實現(xiàn)數碼顯示，其具體電路如下圖所示：圖 4.9 HD7279 驅動顯示器的具體電路4.1.6 鍵盤電路本設計使用的鍵盤主要為完成一個功能轉速測量的啟動/停止；我們將開關直接與 AT89C51 單片機的 P1.1 接口相連，通過讀 I/O 口，判定各 I/O 線的電平狀態(tài)，即可識別出按下的按鍵。操作員通過鍵盤可以輸入數據或指令，實現(xiàn)簡單的人機通信。我們采用了獨立式鍵

52、盤電路，按鍵均采用了上拉電阻，這是為了保證在按鍵斷開時，個 I/O 口有確定的高電平，同時，還備用兩個按鍵方便擴展，其具體電路如下所示：圖 4.10 鍵盤電路. v4.2 霍爾傳感器簡介4.2.1 霍爾器件概述霍爾元件是一種基于霍爾效應的磁傳感器，已發(fā)展成一個品種多樣的磁傳感器產品族，并已得到廣泛應用?；魻栐且环N磁傳感器。要他們可以檢測磁場及其變化，可以在各種與磁場有關的場合中。霍爾器件以霍爾效應為其工作基礎?；魻柶陂g具有許多優(yōu)點，他們的結構牢固，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、水汽及煙霧等污染或腐蝕。霍爾線性器件的精度高、線性度好；

53、霍爾開關器件無觸點、無磨損、輸出波形清晰、無抖動、無回調、位置重復精度高（可達 um 級） 。采用了各種補償措施的霍爾器件的工作溫度圍廣，可達 55-150 度。按照霍爾器件的功能可將他們分為：霍爾線性器件和霍爾開關器件。前者輸出模擬量，后者輸出數字量。按被檢測的對象的性質可將它們分為：直接應用和間接應用。前者是直接檢測出被測對象本身的磁場或磁特性，后者是檢測被檢測對象上人為設置的磁場，用這個磁場作為被檢測信息的載體，通過它，將許多非電、非磁的物理量例如力、力矩、壓力、應力、位置、位移、加速度、角度、角速度、轉速、轉數以及工作狀態(tài)發(fā)生變化的時間等，轉換成電量來進行檢測和控制。集成霍爾傳感器是利

54、用硅集成電路工藝將霍爾元件和測量線路集成在一起的一種傳感器。它取消了傳感器和測量電路之間的界限，實現(xiàn)了材料、元件、電路. v三位一體。集成霍爾傳感器與分立相比，由于減少了焊點，因此顯著地提高了可靠性。此外，它具有體積小、重量輕、功耗低等優(yōu)點，正越來越愛到眾的重視。集成霍爾傳感器的輸出是經過處理的霍爾輸出信號。按照輸出信號的形式，可以分為開關型集成霍爾傳感器和線性集成霍爾傳感器兩種類型。開關型集成霍爾傳感器是把霍爾元件的輸出經過處理后輸出一個高電平或低電平的數字信號?；魻栭_關電路又稱霍爾數字電路，由穩(wěn)壓器、霍爾片、差分放大器，斯密特觸發(fā)器和輸出級組成。4.2.2 霍爾傳感器的應用使用霍爾器件檢測

55、磁場的方法極為簡單，將霍爾器件做成各種形式的探頭，放在被測磁場中，因霍爾器件只對垂直于霍爾片表面的磁感應強度敏感，因而必須令磁力線和器件表面垂直，通電后即可由輸出電壓得到被測磁場的磁感應強度。若不垂直，則應求出其垂直分量來計算被測磁場的磁感應強度值。而且，因霍爾元件的尺寸極小，可以進行多點檢測，由計算機進行數據處理，可以得到場的分布狀態(tài)，并可對狹縫，小孔中的磁場進行檢測用磁場作為被傳感物體的運動和位置信息載體時，一般采用永久磁鋼來產生工作磁場。例如，用一個542.5（mm3）的釹鐵硼號磁鋼，就可在它的磁極表面上得到約 2300 高斯的磁感應強度。在空氣隙中，磁感應強度會隨距離增加而迅速下降。為

56、保證霍爾器件，尤其是霍爾開關器件的可靠工作，在應用中要考慮有效工作氣隙的長度。在計算總有效工作氣隙時，應從霍爾片表面算起。在封裝好的霍爾電路中，霍爾片的深度在產品手冊中會給出。. v因為霍爾器件需要工作電源，在作運動或位置傳感時，一般令磁體隨被檢測物體運動，將霍爾器件固定在工作系統(tǒng)的適當位置，用它去檢測工作磁場，再從檢測結果中提取被檢信息。4.2.3 AH41霍爾開關AH41 霍爾開關電路最適于響應變化斜率陡峭的磁場并在磁通密度較弱的場合使用，適用于單極或多對磁環(huán)工作，它由反向電壓保護器、電壓調整器、霍爾電壓發(fā)生器、信號放大器、史密特觸發(fā)器和集電極開路的輸出級組成。工作溫度圍為-40 150（

57、存儲溫度為 150） ，可適用于各種機及機電一體化領域。 電參數： 參數 符號 測試條件 量值 單位 最小 典型 最大電源電壓VCC4.5-24V輸出低電平電壓 Vout Iout=20mA BBOP-200-400mV輸出高電平電流 IOFF Vout=24V B 電源電流ICCVCC=24V 輸出端開路 10 mA輸出上升時間trVcc=12V RL=1.1K CL=20Pf-0.12S輸出下降時間tfVcc=12V RL=1.1K CL=20Pf-0.18S產品特點:. 電源電壓圍寬. 可用市售的小磁環(huán)來驅動. 無可動部件、可靠性高. 尺寸小. 抗環(huán)境應力. 可直接同雙極和 MOS 邏輯

58、電路接口. v應用:. 高靈敏的無觸點開關. 直流無刷電機. 直流無刷風機. 霍爾開關元件的電路圖：圖 4.11 霍爾傳感器的電路圖4.3 發(fā)送模塊根據系統(tǒng)功能要求，要使單片機測量的轉速能夠向上位機發(fā)送數據，硬件電路中必須要考慮到單片機的發(fā)送部分，由于單片機通過串口發(fā)送出來的是 TTL 邏輯電平（0V 和 5V），而計算機 RS-232 總線上輸入、輸出數據和控制信號為+12V 左右的電壓，單片機要和 PC 的上位機通信就必須是電平一致，所以發(fā)送部分關鍵的部分是電平轉換和串口發(fā)送，電平轉換可以用模擬器件進行轉換，但是為了方便起見，本次設計采用的是集成芯片，一個芯片加上它的外圍電路即可完成電平的

59、轉換的工作。結構簡單、方便容易，精確度高。本次所采用的是HIN232CP，我們要對其外圍電路進行設計，下面我們將詳細的敘述。數據的傳輸：當電路工作于發(fā)送數據狀態(tài)時，PC 機的 RTS 端輸出高電平，經 IC1 電平轉換打開 IC3（74LS08）的與門 B1，使 PC 機 TXD 端輸出的數據經紅外發(fā)射電路發(fā)射出去；RTS 信號 IC1 反相后作為 CTS 信號送入計算機，同時還關閉與門B2；使計算機不接收其它數據信號。該必發(fā)器的數據傳輸速率最好設在 9600b/s 為宜，以確保數據傳輸的可靠性。模塊所用器件如下：. v1、RS-232CRS-232C 是美國電氣工業(yè)協(xié)會推廣使用的一種串行通信

60、總路線標準，是DCE(數據通信設備，如微機)和 DTE(數據終端設備，如 CRT)間傳輸串行數據的接口總線。RS-232C 最大傳輸距離為 15m，最高傳輸速率約 20kbps，信號的邏輯 0 電平為+3V+15V。邏輯 1 電平為-3V-15V。電氣特性：EIA-RS-232C 對電器特性、邏輯電平和各種信號線功能都作了規(guī)定；在 TxD 和 RxD 上：邏輯 1(MARK) =-3V-15V 邏輯 0(SPACE)=+315V在 RTS、CTS、DSR、DTR 和 DCD 等控制線上：信號有效（接通，ON 狀態(tài)，正電壓）+3V+15V信號無效（斷開，OFF 狀態(tài)，負電壓）-3V-15V2、R