基于單片機的電機轉速測量系統(tǒng)設計論文

1、 PAGE48 / NUMPAGES48學士學位論文基于單片機的電機轉速測速系統(tǒng)的設計摘要在工程實踐中，經(jīng)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(shù)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(shù)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片機的出現(xiàn)，轉速測量普遍采用以單片機為核心的數(shù)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(shù)。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

2、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(shù)碼顯像管、HIN232CPE電平轉換、與RS232構成。詳細介紹了單片機的測量轉速系統(tǒng)與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(shù)碼管上。其優(yōu)點硬件是電路簡單，軟件功能完善，測量速度快、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89 C51 based on the speed measurement system in the designAbstractIn the project practice, we wil

3、l 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 simulation type uses measured that the fast generator is the detecting element, obtains the signal simulates the quanti

4、ty. 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 performance price compared to monolithic integrated circuits appearance, the tachometric

5、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 system is the motor speed measurement, and PC and can communicate that the motor spee

6、d, 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 of the SCM system and PC and the serial communication between the microcontroller. Gi

7、ve 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 precision and control system reliable, cost-effective and so on.Keywords SC-51(One-chip c

8、omputer)；sensor；Tachometer不要刪除行尾的分節(jié)符，此行不會被打印目錄摘要IAbstractII TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc233610729第1章 緒論 PAGEREF _Toc233610729 h 5HYPERLINK l _Toc2336107301.1 課題背景 PAGEREF _Toc233610730 h 5HYPERLINK l _Toc2336107311.2 國外發(fā)展水平 PAGEREF _Toc233610731 h 5HYPERLINK l _Toc2336107321.3 單片機測控系統(tǒng) PAGEREF _T

9、oc233610732 h 6HYPERLINK l _Toc2336107331.4 轉速測量在國民經(jīng)濟中的應用 PAGEREF _Toc233610733 h 7HYPERLINK l _Toc2336107341.5 幾種常見的轉速測量方法 PAGEREF _Toc233610734 h 8HYPERLINK l _Toc2336107351.6 主要容 PAGEREF _Toc233610735 h 9HYPERLINK l _Toc233610736第2章 硬件電路設計 PAGEREF _Toc233610736 h 10HYPERLINK l _Toc2336107372.1 系統(tǒng)

10、總體功能概述 PAGEREF _Toc233610737 h 10HYPERLINK l _Toc2336107382.2 硬件電路設計 PAGEREF _Toc233610738 h 11HYPERLINK l _Toc2336107392.3 單片機模塊 PAGEREF _Toc233610739 h 11HYPERLINK l _Toc2336107402.3.1 處理執(zhí)行元件 PAGEREF _Toc233610740 h 12HYPERLINK l _Toc2336107412.3.2 時鐘電路 PAGEREF _Toc233610741 h 16HYPERLINK l _Toc23

11、36107422.3.3 復位電路 PAGEREF _Toc233610742 h 16HYPERLINK l _Toc2336107432.3.4 顯示電路 PAGEREF _Toc233610743 h 17HYPERLINK l _Toc2336107442.4 霍爾傳感器簡介 PAGEREF _Toc233610744 h 20HYPERLINK l _Toc2336107452.4.1 霍爾器件概述 PAGEREF _Toc233610745 h 20HYPERLINK l _Toc2336107462.4.2 霍爾傳感器的應用 PAGEREF _Toc233610746 h 21H

12、YPERLINK l _Toc2336107472.4.3 AH41霍爾開關 PAGEREF _Toc233610747 h 21HYPERLINK l _Toc2336107482.5 發(fā)送模塊 PAGEREF _Toc233610748 h 22HYPERLINK l _Toc2336107492.6 本章小結 PAGEREF _Toc233610749 h 25HYPERLINK l _Toc233610750第3章 軟件設計 PAGEREF _Toc233610750 h 26HYPERLINK l _Toc2336107513.1 單片機轉速程序設計級思路過程 PAGEREF _To

13、c233610751 h 26HYPERLINK l _Toc2336107523.1.1 單片機程序設計思路 PAGEREF _Toc233610752 h 26HYPERLINK l _Toc2336107533.1.2 單片機轉速計算程序 PAGEREF _Toc233610753 h 27HYPERLINK l _Toc2336107543.1.3 二-十進制轉換程序 PAGEREF _Toc233610754 h 27HYPERLINK l _Toc2336107553.2 程序設計 PAGEREF _Toc233610755 h 30HYPERLINK l _Toc23361075

14、63.3 本章小結 PAGEREF _Toc233610756 h 31HYPERLINK l _Toc233610757第4章 系統(tǒng)調(diào)試 PAGEREF _Toc233610757 h 32HYPERLINK l _Toc2336107584.1 硬件調(diào)試 PAGEREF _Toc233610758 h 32HYPERLINK l _Toc2336107594.2 軟件調(diào)試 PAGEREF _Toc233610759 h 32HYPERLINK l _Toc2336107604.3 綜合調(diào)試 PAGEREF _Toc233610760 h 34HYPERLINK l _Toc23361076

15、14.4 故障分析與解決方案 PAGEREF _Toc233610761 h 34HYPERLINK l _Toc2336107624.5 本章小結 PAGEREF _Toc233610762 h 35HYPERLINK l _Toc233610763結論 PAGEREF _Toc233610763 h 36HYPERLINK l _Toc233610764致 PAGEREF _Toc233610764 h 37HYPERLINK l _Toc233610765參考文獻 PAGEREF _Toc233610765 h 38HYPERLINK l _Toc233610766附錄 PAGEREF

16、_Toc233610766 h 39HYPERLINK l _Toc233610767附錄1 電路原理圖 PAGEREF _Toc233610767 h 39HYPERLINK l _Toc233610768附錄2 元器件清單 PAGEREF _Toc233610768 h 40緒論課題背景轉速是工程中應用非常廣泛的一個參數(shù)，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，這種測量方法已不能適應現(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(shù)系統(tǒng)的使用。隨著大規(guī)模與超大規(guī)模集成電路技術的發(fā)展，數(shù)字系統(tǒng)測量得到普遍應用，特別是單片機對脈沖數(shù)字信號的強大處理能力，使得全

17、數(shù)字測量系統(tǒng)越來越普與，其轉速測量系統(tǒng)也可以用全數(shù)字化處理。在測量圍和測量精度方面都有極大的提高。因此，本課題的目的是：對各種測量轉速的基本方法予以分析，針對不同的應用環(huán)境，利用 80C51 系列單片機設計一種全數(shù)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(chǎn)生誤差的可能原因，為今后的實際使用提供借鑒。并從實際硬件電路出發(fā)，分析電路工作原理和軟件流程，根據(jù)仿真情況提出修改方案和解決辦法。課題以單片機為中心，設計的全數(shù)字化測量轉速系統(tǒng)，在工業(yè)控制和民用電器中都有較高使用價值。其可以應用于工業(yè)控制中的某一部分，如數(shù)控車床的電機轉速檢測和控制、水泵流量控制以與需要利用轉速檢測來進行控制的許多場

18、合。如車輛的里程表、車速表等。其次該轉速測量系統(tǒng)由于采用全數(shù)字化結構，因而可以很方便的和工業(yè)控制計算機進行連接，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直接就能作為單獨的使用產(chǎn)品?？傊?，轉速測量系統(tǒng)的研究是一件非常有意義的課題。國外發(fā)展水平數(shù)字單片機的技術進步反映在部結構、功率消耗、外部電壓等級以與制造工藝上。在這幾方面，較為典型地說明了數(shù)字單片機的水平。在目前，用戶對單片機的需要越來越多，但是，要求也越來越高。下面分別就這四個方面說明單片機的技術進步狀況。單片機在部已集成了越來越多的部件，這些部件包括一般常用的電路，例如：定時器，比較器，A/D轉換器，D /A轉換器

19、，串行通信接口，Watchdog電路，LCD控制器等。 有的單片機為了構成控制網(wǎng)絡或形成局部網(wǎng)，部含有局部網(wǎng)絡控制模塊CAN。例如，Infineon公司的C 505C，C515C，C167CR，C167CS-32FM，81C90；Motorola公司的68HC08AZ 系列等。特別是在單片機C167CS-32FM中，部還含有2個CAN。因此，這類單片機十分容易構成網(wǎng)絡。特別是在控制，系統(tǒng)較為復雜時，構成一個控制網(wǎng)絡十分有用。 為了能在變頻控制中方便使用單片機，形成最具經(jīng)濟效益的嵌入式控制系統(tǒng)。有的單片機部設置了專門用于變頻控制的脈寬調(diào)制控制電路，這些單片機有Fujitsu公司的MB89850系

20、列、MB89860系列；Motorola 公司的MC68HC08MR16、MR24等。在這些單片機中，脈寬調(diào)制電路有6個通道輸出，可產(chǎn)生三相脈寬調(diào)制交流電壓，并部含死區(qū)控制等功能。單片機測控系統(tǒng)單片機可以構成各種工業(yè)控制系統(tǒng)、適應控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等。在這個領域中，有不少是采用通用 CPU 單板機或通用計算機系統(tǒng)。隨著單片機技術的發(fā)展，大部分都可以用單片機系統(tǒng)或單片機加通用機系統(tǒng)來代替。如氣輪機電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)、調(diào)速系統(tǒng)等。典型的應用系統(tǒng)是單片機要完成工業(yè)測控功能所必須具備的硬件結構系統(tǒng)，它包括系統(tǒng)擴展和系統(tǒng)配置兩部分容。應用系統(tǒng)如圖 1-1 所示，整個系統(tǒng)由基本部分和測控增強部分與外設增強部

21、分構成。基本部分是外圍芯片的擴展與功能鍵盤、顯示器配置，通過總線連接而成，測控增強部分主要是傳感器接口與伺服驅動控制接口。它們直接與工業(yè)現(xiàn)場相連，是干擾進入的主要通道，一般要采取隔離措施對于數(shù)字量（頻率、周期、相位、計數(shù)）的采集后可通過 I/O 口輸入，數(shù)字脈沖可直接作為計數(shù)輸入、測試輸入、I/O 口輸入或中斷源輸入進行事件計數(shù)、定時計數(shù)、實現(xiàn)脈沖的頻率、相位與計數(shù)測量。對于模擬量的采集，則應。模擬量檢測單片機光電隔離開關量檢測開關量控制伺服驅動控制A/D光電隔離光電隔離D/AEPROM顯示器I/ORAM鍵盤通用外設數(shù)字量檢測圖 1-1 單片機典型應用系統(tǒng)通過 A/D 變換后送入總線口，I/O

22、 口或擴展 I/O 口，并配以相應的 A/D 轉換控制信號與地址線。對于開關量的采集則一般通過 I/O 口或擴展 I/O口線。應用系統(tǒng)可根據(jù)任何一種輸入條件或部運行結果進行輸出控制。開關量輸出控制有時序開關、邏輯開關、信號開關陣列等，通常，這些開關量也是通過 I/O 口或擴展 I/O 口輸出。模擬量的輸出常為伺服驅動控制，控制輸出通過 D/A 變換后送入伺服驅動電路。轉速測量在國民經(jīng)濟中的應用轉速測量的應用系統(tǒng)在工業(yè)生產(chǎn)、科技教育、民用電器等各領域的應用極為廣泛，往往成為某一產(chǎn)品或控制系統(tǒng)的核心部分，其各種參數(shù)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(jīng)濟發(fā)展中，有重要的意義。

23、下面列舉二例加以說明。直流電機具有良好的起、制動性能，易于在寬廣圍平滑調(diào)速，所以長期以來在要求調(diào)速指標較高的場合獲得了廣泛應用。隨著電力電子技術和控制技術的發(fā)展，交流調(diào)速系統(tǒng)日趨完善，其性能可與直流調(diào)速系統(tǒng)相媲美，其變頻調(diào)速的應用圍日益擴大，但它的控制技術相對復雜，整個控制系統(tǒng)造價較高，在某些領域短時間還難以取直流調(diào)速系統(tǒng)，調(diào)速系統(tǒng)便應運而生了。調(diào)速系統(tǒng)主電路線路簡單，所用的功率元件少；開關頻率高，可達到10004000，電流易連續(xù)，諧波少，脈動小，電機損耗和發(fā)熱都較??；低速性能好，穩(wěn)態(tài)精度高，因而調(diào)速圍寬；調(diào)速系統(tǒng)頻帶寬，快速響應性能好，動態(tài)抗擾能力強；主電路元件工作在開關狀太。道統(tǒng)損耗小，

24、裝置效率高；直流電源采用三相整流時，電網(wǎng)功率因數(shù)高，可廣泛用于交通、工礦企業(yè)等電力傳動系統(tǒng)中。轉速測量部分本測量系統(tǒng)采用89C51單片機控制，利用霍爾元件由轉速產(chǎn)生的脈沖，對轉速進行測量，原理框圖如圖1-2所示。轉速由單片機的P0口輸出，同時當電機轉速超過設定值時，通過單片機的1口輸出信號，驅動響鈴報警。性能特點：189C51配合晶體管的雙極式可逆 PWM 變換器構成直流電機驅動系統(tǒng)，可獲得高性能的調(diào)速性能指標；2直流電機驅動系統(tǒng)結構簡單，省去了復雜的換流裝置，因此體積小，成本低，加之采用硬軟件結合的微機控制方式，提高了系統(tǒng)的可靠性和抗干擾性。脈沖輸入鍵盤單片機顯示報警存儲器圖 1-2 調(diào)速系

25、統(tǒng)中的轉速測量框圖3轉速測量系統(tǒng)采用軟件實現(xiàn)，動態(tài)顯示容易，超限報警方便，提高了系統(tǒng)的靈活性。4由變換器構成直流電機驅動系統(tǒng)，可有效克服以往的直流調(diào)速中的諧波大、功率因數(shù)低的問題，是一種節(jié)能的調(diào)速方案。幾種常見的轉速測量方法轉速測量的方法有很多，根據(jù)工作原理可分為計數(shù)式、模擬式、同步式。計數(shù)式方法是用某種方式讀出一定時間的總轉數(shù)；模擬式方法是測出由瞬時轉速引起的某種物理量的變化；同步式是用利用已知的頻率與旋轉體的旋轉同步來測量轉速，根據(jù)不同的轉換方式，測試方法參看表 1-1 所示。一般的轉速測試可用機械式轉速表、發(fā)電機式轉速表以與頻閃式測速表，但在有些情況下，其測量精度，瞬時穩(wěn)定度不能滿足更高

26、的要求，因此，在測量方法和傳感器的選擇上顯得尤為重要。常用的傳感器種類有光電傳感器、電磁式傳感器、電容式傳感器等，而測量方法上有測量轉速周期、轉速頻率等。如表 1-1 所示表 1-1 各種測速方法比較類型適用范圍特點計算式機電式光電式電磁式機械式發(fā)電機式電容式中低速 簡單低廉中高速中高速中低速 簡單高速 可遠程指示中高速通過齒輪轉動數(shù)字輪來自被測旋轉體上的光線使光電管產(chǎn)生電脈沖利用磁電轉換器將轉速變換成電脈沖利用離心力與轉速成平方正比的關系利用電機電源或交流電壓與轉速成正比關系利用電容充電放電與轉速成正比關系機械式同步式數(shù)字式數(shù)字式測試發(fā)電機用已知頻率閃光測出旋轉體同步的頻率轉動帶槽的圓盤，觀

27、察旋轉體的同步關系光電式中速中高速備注測量方法就轉速測量原理而言，大體可分為三大類，一是用單位時間測得物體的旋轉角度來計算速度，例如在單位時間，累計轉速傳感器發(fā)出的 N 個脈沖，即為該單位時間的速度。這種以測量頻率來實現(xiàn)測量轉速的方法，稱測頻法。即“M”法；另一類是在給定的角位移距離，通過測量這一角位移的時間來進行測速的方法，稱測周法，即“T”法，如給定的角位移 ，傳感器便發(fā)出一個電脈沖周期，以晶體震蕩頻率而產(chǎn)生的標準脈沖來度量這一周期時間，再經(jīng)換算可得轉速。這兩種測速方法各有優(yōu)缺點，“M”法一般用于高速測量在轉速較低時，測量誤差較大，而且，檢測裝置對轉速分辨能力也變差；而“T”法一般用于低速

28、測量，速度越低測量精度越高，但在測量高轉速時，誤差較大；結合這兩種測量方法就可以地出第三種測量方法，即M/T法結合這兩種方法的優(yōu)點，一方面象“M”法那樣在對傳感器發(fā)出的脈沖計數(shù)的同時，也象“T”法那樣計取脈沖的時間，通過計算即可得出轉速值。在實際測量中，還須設定定時時間，兼顧高、低轉速時的精度影響，適時調(diào)節(jié)采樣時間。主要容本設計主要用AT89C51作為控制核心，由霍爾傳感器、LED數(shù)碼顯像管、HIN232CPE電平轉換、與RS232構成。詳細介紹了單片機的測量轉速系統(tǒng)與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(shù)碼管上。硬件電路設計系統(tǒng)總體功能概

29、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(jù)外部中斷,以與部定時器進行記數(shù)計算出電機轉速送到LED顯示，同時數(shù)據(jù)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。系統(tǒng)主要完成以下功能：測量系統(tǒng)：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(shù)據(jù)；5.用9針RS-232即可；通信部分：1.在微機部分采用Visual Basic編制RS232通信軟件；2.通信軟件具有數(shù)據(jù)接受編輯框；3.通信軟件要適時對數(shù)據(jù)的記錄，用時間曲線表示；根據(jù)系

30、統(tǒng)要實現(xiàn)的功能以與要求，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(shù)功能、以與LED驅動、電平轉換與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。系統(tǒng)要求與主要容：將霍爾傳感器產(chǎn)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(shù)，調(diào)用計算公式算出轉速，調(diào)用顯示程序顯示在LED上，同時通過串口向上位機發(fā)送轉速數(shù)據(jù)。主要容：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/min3.發(fā)送部分主要是完成電平轉換，送RS

31、-232向PC發(fā)送數(shù)據(jù)。4.PC機部分主要完成將數(shù)據(jù)顯示在界面并描繪出V-T圖。系統(tǒng)組成與框圖：本系統(tǒng)通信部分是單片機經(jīng)電平轉換電路HIN232CP之后，通過串口RS-232發(fā)送數(shù)據(jù)，由PC微機接收，微機部分用Visual Basic軟件編寫的界面作為PC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 路驅動電路LED顯示送PC機界面圖2-1 系統(tǒng)硬件電路硬件電路設計硬件設計的任務是根據(jù)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

32、圖。89C51單片機通過INT0輸入傳感器的脈沖信號，P0口P2口接LED動態(tài)顯示。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2-2所示。顯示電路發(fā)送電路CPU執(zhí)行單元時鐘電路復位電路圖2-2 單片機部分硬件框圖單片機模塊根據(jù)系統(tǒng)功能要求以與單片機硬件電路設計思路（如圖2-2）對單片機

33、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(shù)據(jù)能顯示出來，所以整個單片機部分分為傳感器電路、時鐘電路、復位電路、執(zhí)行元件以與顯示電路五個部分。處理執(zhí)行元件單片機我們采用AT89C51(其引腳圖如圖2-3)，相較于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。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。由于將多

34、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， AT89C單片機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。圖2-3 AT89C51引腳圖主要特性：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(shù)據(jù)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(shù)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

35、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(shù)據(jù)存儲器，它可以被定義為數(shù)據(jù)/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口被外部下拉為低電平時，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

36、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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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

37、些特殊功能口，如下表2-1所示：表2-1 P3口的第二功能引 腳第二功能信 號 名 稱P3.0P3.1P3.2P3.3P3.4P3.5P3.6P3.7RXDTXDINT0INT1T0T1WRRD串行數(shù)據(jù)接收串行數(shù)據(jù)發(fā)送外部中斷0請求外部中斷1請求定時器/計數(shù)器0計數(shù)輸入定時器/計數(shù)器1計數(shù)輸入外部RAM寫選通外部RAM讀選通7.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

38、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(shù)據(jù)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；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(shù)據(jù)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（

39、VPP）；11.XTAL1：反向振蕩放大器的輸入與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，XTAL2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)被重復編程以前，該操作必須被執(zhí)行。

40、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(shù)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。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12MHZ。MCS-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(chǎn)生時鐘送至單片機部的各個部件。AT89C51是屬于CMOS8位微處理器，它的時鐘電路在結

41、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2-4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(chǎn)生時鐘，單片機便正常運行。圖中SYS為晶振或瓷諧振器，振蕩器產(chǎn)生的時鐘頻率主要由SYS參數(shù)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起微調(diào)作用（C1、C2大，f變?。?，其典型值為30pF。 圖2-

42、4 CMOS型單片機時鐘電路框圖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

43、容至VCC即可(見圖2-5)。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(shù)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2-5 上電復位電路顯示電路顯示電路采用LED數(shù)碼管動態(tài)顯示，LED（Light-

44、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2-6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a-g控制七個筆畫（段）的亮或暗，另一個控制一個小數(shù)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

45、碼。才能顯示出正確的數(shù)字來，如圖2-7所示，為七段數(shù)碼管的管腳圖。圖2-6 七段發(fā)光顯示器的結構圖2-7 七段發(fā)光顯示器管腳的結構 驅動方式：采用的數(shù)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2-8為7407的圖以與各個引腳的分布功能介紹。圖2-8 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），對于每一位顯示器來說，每隔一段時間點亮一次。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(diào)整電流和時間參數(shù)，可實現(xiàn)亮度較高較穩(wěn)定的顯示。若顯示器的

46、位數(shù)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(shù)據(jù)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(shù)碼管即可。5位共陰極顯示器和AT89C51的接口邏輯如圖2-8所示。AT89C51的P0口作為段數(shù)據(jù)口，接上拉電阻到顯示器的各個段；P2口作為掃描口，經(jīng)同相驅動器7407接顯示器公共極。對于圖2-9中的5位顯示器，在AT89C51RAM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(shù)據(jù)，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

47、，其它位為高電平，AT89C51的P0口相應位（陰極為低）的顯示數(shù)據(jù)的段數(shù)據(jù)，使該位顯示出一個字符，其它們?yōu)榘?，依次地改變P2口輸出為高的位，P0口輸出對應的段數(shù)據(jù)，5位顯示器就顯示出由緩沖器中顯示數(shù)據(jù)所確定的字符。圖2-9 五位動態(tài)顯示電路霍爾傳感器簡介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(chǎn)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與其變化，可以在各種與磁場有關的場合中?；魻柶骷曰魻栃獮槠涔ぷ骰A。霍爾期間具有許多優(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

48、汽與煙霧等污染或腐蝕?；魻柧€性器件的精度高、線性度好；霍爾開關器件無觸點、無磨損、輸出波形清晰、無抖動、無回調(diào)、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(shù)字量。按被檢測的對象的性質(zhì)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(shù)以與工作狀態(tài)發(fā)生變化的時間等，轉

49、換成電量來進行檢測和控制。集成霍爾傳感器是利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(jīng)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(jīng)過處理后輸出一個高電平或低電平的數(shù)字信號?；魻栭_關電路又稱霍爾數(shù)字電路，由穩(wěn)壓器、霍爾片、差分放大器，斯密特觸發(fā)器和輸出級組成霍爾傳感

50、器的應用使用霍爾器件檢測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(shù)據(jù)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(chǎn)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

51、離增加而迅速下降。為保證霍爾器件，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(chǎn)品手冊中會給出。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。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(diào)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-40150（存

52、儲溫度為150），可適用于各種機與機電一體化領域。電參數(shù)： 參數(shù) 符號 測試條件 量值 單位 最小 典型 最大電源電壓 VCC 4.5-24V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(chǎn)品特點:1.電源電壓圍寬2.可用市售的小磁環(huán)來驅動3.無可動部件、可靠性高4.尺寸小5.抗環(huán)境應力6.可直接同雙極和MOS邏輯電路接

53、口應用:1.高靈敏的無觸點開關2.直流無刷電機3.直流無刷風機. 霍爾開關元件的電路圖：圖2-10 霍爾傳感器的電路圖發(fā)送模塊根據(jù)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(shù)據(jù)，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(shù)據(jù)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轉換的工作。結構簡單、方便容易，精確度高

54、。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(shù)據(jù)的傳輸：當電路工作于發(fā)送數(shù)據(jù)狀態(tài)時，PC機的RTS端輸出高電平，經(jīng)IC1電平轉換打開IC3（74LS08）的與門B1，使PC機TXD端輸出的數(shù)據(jù)經(jīng)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(shù)據(jù)信號。該必發(fā)器的數(shù)據(jù)傳輸速率最好設在9600b/s為宜，以確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?。器件的介紹：1.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總路線標準，是DCE(數(shù)據(jù)通信設備，如微機)和DTE(數(shù)據(jù)終端設備，如CRT)間傳輸串行數(shù)

55、據(jù)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.RS-232連接器DB-9DB-9是RS-232信號線的連接器，其連接器的機械特性見圖(2-11)，表2-1所示RS-232信號線名稱、符

56、號以與對應在DB-9上的針腳號。圖2-11連接器的機械特性 表2-1 RS-232信號線和DB-9引腳關系符 號名 稱引 腳DCDRXDTXDDTRGNDDSR RTSCTSRI接收信號載波檢測數(shù)據(jù)接收線數(shù)據(jù)發(fā)送線DTE裝置數(shù)據(jù)就緒公共地DCE裝置就緒請求發(fā)送清除發(fā)送振鈴指示123456789圖2-12 電平轉換電路原理圖3、電平轉換器HIN232CPE由于RS-232C總線上傳輸?shù)男盘栠壿嬰娖脚cTTL邏輯電平差異很大，所以就存在這兩種電平的轉換問題，下面就介紹一下電平轉換器HIN232CPE。HIN232CPE能將RS-232C電平轉換成TTL電平，也能將TTL電平轉換成RS-232C電平，

57、只需單+5V供電，由部升高電路產(chǎn)生10V+12V。部有兩個發(fā)送器(TTL電平轉換為RS-232C電平)和兩個接收器(RS-232電平轉換為TTL電平)。HIN232CPE芯片引腳排列和外部元件連接線路如圖2-13所示。圖 2-13 HIN232CPE 電平轉換器與外接元件本章小結本章節(jié)主要闡述了系統(tǒng)的總體功能，硬件電路設計的思路與過程，單片機模塊和霍爾傳感器。軟件設計單片機轉速程序設計級思路過程單片機測量轉速可以分為若干模塊，然后在主程序中調(diào)用各個模塊， 流程圖如下圖所示。圖3-1 主程序流程圖單片機程序設計思路計算轉速公式： n=60/NTc (r/min)。其中，N是部定時器的計數(shù)值，為三

58、字節(jié)，分別由TH0，TL0，VTT構成；Tc為時基，由于采用11.0592M的晶振，所以Tc不在是1um，而是12M/11.0592M約為1.08um，帶入上面公式，即可得到轉速的精確計算公式：N=60*11059200/12N=55296000/N。再將55296000化為二進制存入單片機的存單元。下面我們將介紹除數(shù)是如何獲得的：單片機的轉速測量完成，定時器T0作為部定時器，外部中斷來的時候讀取TH0，TL0，并同時清零TH0、TL0，使定時器再次循環(huán)計部脈沖。此外，對于低速情況下，我們還要設定一個軟件計數(shù)器VTT，當外部中斷還沒來而部定時器已經(jīng)溢出，產(chǎn)生定時器0中斷時，增加VTT，作為三字

59、節(jié)中的高字節(jié)。三字節(jié)組成除數(shù)，上面的常數(shù)為四字節(jié)，所以計算程序實際上就是調(diào)用一個四字節(jié)除三字節(jié)商為兩字節(jié)（最高轉速36000r/min足夠）的程序。為數(shù)碼管能夠顯示出來，需將二進制轉換為十進制，在將十進制轉換為非壓縮BCD碼后，才能調(diào)用查表程序，最后送顯示。單片機轉速計算程序由于本次設計的系統(tǒng)要實現(xiàn)的功能是將霍爾傳感器的信號送到單片機的外部中斷口，再對周期方波進行部計數(shù)，調(diào)用計算程序把轉速測出來?？梢哉f是核心部分，流程圖如圖所示：被除數(shù)初始化讀取定時值調(diào)用除法程序返 回開 始圖32 計算程序流程圖計算程序中又再次調(diào)用了除法程序，這里的除法為四字節(jié)除三字節(jié)商為兩字節(jié)，除法的程序的編程思想可以和手

60、工計算的除法相似，比較減法的思想，流程圖如圖3-3所示具體程序見附錄。二-十進制轉換程序計算程序計算出來的數(shù)據(jù)為二進制，存到50H、51H單元中以便發(fā)送程序中調(diào)用傳送數(shù)據(jù)到計算機，計算機可識別二進制，然而，我們需要在LED上顯示，查表程序需要拆分的BCD碼，所以二進制必須先轉換成BCD后才能拆分。這里介紹將（R2R3）中的16位二進制數(shù)轉換為壓縮BCD碼十進制整數(shù)送R4、R5、R6。NY除 法移位次數(shù) 計數(shù)器被除數(shù)左移1位被除數(shù) 除數(shù)上商1，減去除數(shù)上商0返回計數(shù)器減1計數(shù)器=0？圖33除法程序流程圖按照數(shù)制轉換方法可以畫出流程圖開始0R4、R5、R616R7C（R2R3）左移1位（移出位bi