轉(zhuǎn)速測量顯示邏輯電路的設(shè)計

數(shù)字電路課程設(shè)計姓名:學號:專業(yè)班級:指導老師:時間:數(shù)字電子技術(shù)課程設(shè)計任務(wù)書班級：姓名：指導教師：2012年03月06日設(shè)計題目：轉(zhuǎn)速測量顯示邏輯電路的設(shè)計設(shè)計任務(wù)和要求測速顯示范圍：0～9999轉(zhuǎn)/分。2．單位時間選為一分鐘，且有數(shù)字顯示。3.轉(zhuǎn)速顯示是前一分鐘轉(zhuǎn)速測量的結(jié)果。設(shè)計成果設(shè)計說明書一份電路圖一份參考資料教研室主任簽字：年月日目錄概述………….....................…4第1章總體方案設(shè)計硬件電路設(shè)計.......................................................................................5軟件電路設(shè)計.......................................................................................5第2章硬件單元電路設(shè)計.2.1傳感器的選型………...................…...…..52.2單片機最小系統(tǒng)設(shè)計………..........................……......72.3顯示電路設(shè)計..........................................................................9第3章軟件設(shè)計3.1主程序初始化……………….............…...........................123.2主程序流程圖程序流程圖……..................................13參考文獻................................................................................................14附錄...................................................................................................15概述智能化轉(zhuǎn)速測量可以對轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(gòu)成?？梢詫Υ蠓秶D(zhuǎn)速進行測量，測量的轉(zhuǎn)速精度高，實現(xiàn)對電機轉(zhuǎn)速的測量。單片機的英文名稱是MicroControllerunit,縮寫為MCU，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(yīng)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(shù)發(fā)展和更新?lián)Q代。第一章總體設(shè)計方案1.1硬件電路設(shè)計思路硬件設(shè)計的任務(wù)是根據(jù)總體設(shè)計要求，在選擇的機型的基礎(chǔ)上，具體確定系統(tǒng)中所要使用的元器件，設(shè)計出系統(tǒng)的原理框圖、電路原理圖。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。轉(zhuǎn)速測量部分的硬件設(shè)計思路：本次設(shè)計單片機部分的硬件框圖如圖2－1所示。光電傳感器整形電路CPU執(zhí)行單元（單片機）光電傳感器整形電路CPU執(zhí)行單元（單片機）時鐘電路時鐘電路顯示電路顯示電路圖1單片機部分硬件框圖1.2軟件設(shè)計思路軟件需要解決的是定時器1的記數(shù)和定時器0的計時設(shè)定、由于測量的轉(zhuǎn)速范圍大，所以低速和高速都要考慮在內(nèi)，關(guān)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(zhuǎn)化程序，以及轉(zhuǎn)換成非壓縮BCD的程序后、才能進行調(diào)用查表程序送到顯示。軟件工作流程：傳感器利用磁電效應(yīng)產(chǎn)生一周期脈沖向單片機的定時器1（P3.1）口發(fā)送一個脈沖信號，定時器0工作在內(nèi)部定時，TH0、TL0設(shè)定初值為50um，作為除數(shù)的低兩字節(jié)，利用軟件記數(shù)器、定時器0作為時間信號。定時完畢讀取內(nèi)部記數(shù)值，再對二進制數(shù)進行一系列變換后調(diào)用查表顯示程序，顯示在數(shù)碼管上。第二章硬件單元電路的設(shè)計2.1傳感器的選型2.1.1霍爾元件的應(yīng)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(yīng)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(yīng)強度。若不垂直，則應(yīng)求出其垂直分量來計算被測磁場的磁感應(yīng)強度值。而且，因霍爾元件的尺寸極小，可以進行多點檢測，由單片機進行數(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5×4×2.5（mm3）的釹鐵硼Ⅱ號磁鋼，就可在它的磁極表面上得到約2300高斯的磁感應(yīng)強度。在空氣隙中，磁感應(yīng)強度會隨距離增加而迅速下降。在計算總有效工作氣隙時，應(yīng)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(jié)果中提取被檢信息。2.1.2UGN3144霍爾開關(guān)元件1．UGN3144霍爾開關(guān)元件的工作原理UGN3144霍爾開關(guān)元件屬于開關(guān)型霍爾傳感器（集成霍爾開關(guān)），它是把霍爾片產(chǎn)生的霍爾電壓VH放大后驅(qū)動觸發(fā)電路，輸出電壓是能反映B的變化的方脈沖。集成霍爾開關(guān)由穩(wěn)壓器、霍爾電勢發(fā)生器（即硅霍爾片）、差分放大器、施密特觸發(fā)器和OC門輸出五個基本部分組成。在輸入端（1、2之間）輸入電壓Vcc，經(jīng)穩(wěn)壓器穩(wěn)壓后加在霍爾發(fā)生器的兩電流端。根據(jù)霍爾效應(yīng)原理，當霍爾片處于磁場中時，霍爾發(fā)生器的兩電壓端將會有一個霍爾電勢差VH輸出。VH經(jīng)放大器放大以后送至施密特觸發(fā)器整形，使其成為方波輸送到OC門輸出圖2開關(guān)型霍爾傳感器的原理當外磁場B達到“工作點”Bop時，觸發(fā)器輸出高電平（相對于地電位），三極管導通，此時，OC門輸出端輸出低電平，通常稱這種狀態(tài)為“開”；當外磁場B達到“釋放點”Brp時，觸發(fā)器輸出低電平，三極管截止，OC門輸出高電平，這時稱其為“關(guān)”狀態(tài)。Bop與Brp是有一定差值的，此差值BH=Bop-Brp稱為霍爾開關(guān)的磁滯。B的變化不超過BH，霍爾開關(guān)不翻轉(zhuǎn)，這就使得開關(guān)輸出穩(wěn)定可靠。集成霍爾開關(guān)傳感器的輸出特性如圖(3-6)。圖3開關(guān)型霍爾傳感器的輸出特性UGN3144主要技術(shù)性能與特點AllegroMicroSystems公司生產(chǎn)的UGN3144器件是雙極性磁場即N,S交變場磁啟動的霍爾開關(guān)電路，它的主要性能特點如下：（1）電源電壓為4.5—24V；（2）連續(xù)輸出電流為25MA;（3）磁通密度不受限制，輸出關(guān)斷電壓為25V；（4）具有反向電壓保護（反向電壓為35V）和極好的溫度穩(wěn)定性；3．UGN3144霍爾開關(guān)元件的引腳功能和封裝形式UGN3144采用SOT89或者TO-243封裝。其中，引腳端1為電源正端，引腳端2為接地，引腳端3為輸出（OC形式）。圖4UGN3144的封裝結(jié)構(gòu)2.2單片機電路2.2.1復(fù)位電路計算機在啟動運行時都需要復(fù)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(fù)位引腳RST，它是史密特觸發(fā)輸入(對于CHMOS單片機，RST引腳的內(nèi)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(fù)位，只要RST保持高電平，MCS-51保持復(fù)位狀態(tài)。此時ALE、PSEN、P0、P1、P2、P3口都輸出高電平。RST變?yōu)榈碗娖胶螅顺鰪?fù)位，CPU從初始狀態(tài)開始工作。本設(shè)計中采用電容進行復(fù)位，其電路圖如下：圖5復(fù)位電路2.2.2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12MHZ。MCS-51內(nèi)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)生時鐘送至單片機內(nèi)部的各個部件。電路中的電容C1和C2典型值通常選擇為30pf左右。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振蕩器的頻率的高低，振蕩器的穩(wěn)定性和起振的快速性。晶振的振蕩頻率的范圍通常是在1.2MHZ-12MHZ之間。晶振的頻率越高，則系統(tǒng)的時鐘頻率也就越高，單片機的運行速度也就越快。但反過來運行速度快對存儲器的速度要求就高，對印制電路板的工藝要求也高，即要求線簡的寄生電容要小；晶振和電容應(yīng)盡可能安裝得與單片機芯片靠近，以減少寄生電容，更好地保證振蕩器穩(wěn)定，可靠地工作。綜合考慮，本設(shè)計采用30pf的電容，因為晶振的頻率無法精確達到12MHZ，所以一般情況采用11.0592MHZ（本例中采用12MHZ）,其電路圖如下所示：圖6AT89C51的時鐘電路2.3顯示電路的設(shè)計顯示電路采用LED數(shù)碼管動態(tài)顯示，LED（Light-EmittingDiode）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(jié)構(gòu)：常用的七段顯示器的結(jié)構(gòu)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碼。才能顯示出正確的數(shù)字來，如圖4-5所示，為七段數(shù)碼管的管腳圖。圖7七段發(fā)光顯示器的結(jié)構(gòu)圖8七段發(fā)光顯示器管腳的結(jié)構(gòu)驅(qū)動方式：采用的數(shù)碼管驅(qū)動為74ls245，，其結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，圖4-6為74ls245的圖以及各個引腳的分布功能介紹。圖9管腳的結(jié)構(gòu)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(guān)，也與點亮時間和間隔時間的比例有關(guān)。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(shè)計要求的轉(zhuǎn)速測量范圍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4-7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(qū)動器7407接顯示器公共極。對于圖4-7中的5位顯示器，在AT89C51RAM存貯器中設(shè)置五個顯示緩沖器單元30H－35H，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，其它位為高電平，AT89C51的P0口相應(yīng)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(yīng)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。三系統(tǒng)軟件設(shè)計3.1主程序初始化（1）.定時器的初始化AT89C51有兩個定時器/計數(shù)器T0和T1，每個定時器/計數(shù)器均可設(shè)置成為16位，也可以設(shè)置成為13位進行定時或計數(shù)。計數(shù)器的功能是對T0或T1外來脈沖的進行計數(shù)，外部輸入脈沖負跳變時，計數(shù)器進行加1。工作方式和設(shè)置不同的初值時，產(chǎn)生溢出中斷的定時值和計數(shù)值將不同，從而可以適應(yīng)不同的定時或計數(shù)控制。定時器有4種工作方式：方式0、方式2、方式2和方式3，在此對工作方式不做具體介紹。工作方式寄存器TMOD的設(shè)定：GATEC/TM1MOGATEC/TM1M0TMOD各位的含義如下：◆GATE：門控位，用于控制定時/計數(shù)器的啟動是否受外部中斷請求信號的影響?！鬋/T：定時或計數(shù)方式選擇位，當C/T=1時工作于計數(shù)方式；當C/T=0時工作于定時方式。M1、M0為工作方式選擇位，用于對T0的四種工作方式，T1的三種工作方式進行選擇，選擇情況如下表：M1M0=00為方式0;M1M0=01為方式1；表3-1M1、M0為工作方式選擇位M0M1工作方式方式說明00110101012313位定時、計數(shù)器16位定時、計數(shù)器8位自動重置定時、計數(shù)器兩個8位定時。計數(shù)器（只有T0有）13位定時/計數(shù)器16位定時/計數(shù)器8位自動重置定時/計數(shù)器兩個8位定時/計數(shù)器（只有T0有）（2）中斷允許控制MCS-51單片機中沒有專門的開中斷和關(guān)中斷指令，對各個中斷源的允許和屏蔽是由內(nèi)部的中斷允許寄存器IE的_______各位來控制的。中斷允許寄存器IE的字節(jié)地址為A8H，可以進行位尋址.表3-2中斷位尋址表IED7D6D5D4D3D2D1(A