毕业设计（论文）非接触式转速测量仪系统的设计.doc

转速测量仪的设计摘 要本文便是运用AT89C51单片机控制的智能化转速测量仪。电机在运行过程中，需要对其进行监控，转速是一个必不可少的一个参数。本系统就是对电机转速进行测量，并可以和PC机进行通信，显示电机的转速，并观察电机运行的基本状况。本设计主要用AT89C51作为控制核心，由霍尔传感器、LED数码显像管、HIN232CPE电平转换、及RS232构成。详细介绍了单片机的测量转速系统及PC机与单片机之间的串行通讯。充分发挥了单片机的性能。本文重点是测量速度并显示在5位LED数码管上。其优点硬件是电路简单，软件功能完善，测量速度快、精度高、控制系统可靠，性价比较高等特点。 关键字：MSC-51（单片机）； 转速； 传感器1 序 言近年来随着计算机在社会领域的渗透，在电子技术飞速发展的今天，单片机的应用正在不断地走向深入。单片机技术在自动控制领域有着十分广泛的应用，如汽车、航空、电话、传真、视频等。很多行业涉及到自动控制的情况下涉及到单片机技术。电子产品的人性化和智能化已经非常成熟，单片机就是一个微型中央处理器，通过编程即能完成很多智能化的工作 ，因此它的出现给电子技术智能化和微型化起到了很大的推动作用。随着人们生活水平的提高，社会经济的发展，人们开始注重身体素质的提高。臂如在火车、汽车、工厂许多地方都用到电机的驱动，当然也要精确的知道它的转速，本设计就是测试电机的转速。智能化转速测量可以对电机的转速进行测量，电机在运行的过程中，需要对其平稳性进行监测，适时对转速的测量有效地可以反映电机的状况。本系统主要由传感器，单片机AT89C51构成。可以对大范围转速进行测量，测量的转速精度高，还可以和PC机时时通信，实现对电机转速的测量。单片机的英文名称是Micro Controller unit,缩写为MCU，又称为微控制器，它是一种面向控制的大规模集成电路芯片。它具有功能强、体积小、可靠性高、应用简单灵活，因而使用非常广泛，有力地推动各行业的技术发展和更新换代。 本文首先在第二章绪论介绍了此系统的功能、技术指标以及主要内容等；在第三章论述了总体设计过程,确定了技术指标及器件的选择；第四章着重描述了系统硬件电路设计、硬件设计框图及所使用的各种芯片功能与特性；在第五章中重点剖析了软件设计的过程；最后在第六章中具体论述单片机、电平转换电路、通信的处理及调试。由于本人水平有限，加之时间仓促，论文中难免会有错误和不足之外，不够理想、许多方面还需要继续完善和改进。在这里恳请指导老师批评指正。在此特别感谢我的指导老师张亚超老师的大力指导。2 系统功能分析2.1 系统功能概述功能：系统主要实现功能是:AT89C51单片机接收霍尔传感器传来的脉冲信号,单片机根据外部中断,以及内部定时器进行记数计算出电机转速送到LED显示，同时数据传给PC机,并在PC机屏幕上显示出来。记录各时段的转速，画出V-T坐标图。组成及框图：本系统通信部分是单片机经电平转换电路HIN232CP之后，通过串口RS-232发送数据，由PC微机接收，微机部分用Visual Basic软件编写的界面作为PC机部分与单片机进行串口之间通信。传感器电路、转速测量、LED显示、电平转换电路设计等将在以下章节作详细地设计。传感器电 平 转 换电 路单 片 机 AT89C51 送PC机界面驱动电路LED显示 图2-1 系统硬件电路应用：从实用的角度看，评价一个系统实用价值的重要标准，就是这个系统对社会生活和科技观念有多大的贡献。转速测量系统具有大范围、高精度等优点、测量速度快，这种系统将会有良好的应用。2.2 系统要求及主要内容将霍尔传感器产生的脉冲信号输出入到单片机的外部中断0口，单片机工作在内部定时器工作方式0，对周期信号进行内部记数，调用计算公式算出转速，调用显示程序显示在LED上，同时通过串口向上位机发送转速数据。主要内容：（1）单片机部分主要完成电机转速的测量（2）LED部分主要是把转速显示出来，显示范围60-36000r/min（3） 发送部分主要是完成电平转换，送RS232向PC发送数据。（4） PC机部分主要完成将数据显示在界面并描绘出V-T图2.3 系统技术指标系统主要完成以下功能：测量系统：1.设计并制作单片机的转速测量的硬件系统；2.用汇编语言完成转速测量的软件系统；3.要求把转速显示在5位LED上，精度为0.1%；4.能向上位机发送数据；5.用9针RS-232即可；通信部分：1.在微机部分采用Visual Basic编制RS232通信软件；2.通信软件具有数据接受编辑框；3.通信软件要适时对数据的记录，用时间曲线表示；根据系统要实现的功能以及要求，要实现单片机的转速测量主要是各个模块的设计，定时器记数功能、以及LED驱动、电平转换及PC机之间的通信。单片机可通过编程控制外围部件，能实现较高的自动化程度。以它为系统核心的控制模块可实现主从控制，完成预定的任务。3 系统总体设计3.1 硬件电路设计思路硬件设计的任务是根据总体设计要求，在选择的机型的基础上，具体确定系统中所要使用的元器件，设计出系统的原理框图、电路原理图。89C51单片机通过INT0输入传感器的脉冲信号，P0口P2口接LED动态显示。另由于PC系列微机串行口为RS232C标准接口，与输入、输出均为TTL电平的89C51单片机在接口规范上不一致，因此TTL 电平到RS232接口电平的转换采用HIN232CP接口芯片，该芯片可以用单电压（+5V）实现RS232接口逻辑“1”（-3V-15V）和逻辑“0”（+3V+15V）的电平转换。转速测量部分的硬件设计思路：本次设计单片机部分的硬件框图如 图21所示。CPU执行单元显示电路复位电路 发送电路时钟电路 图3-1 单片机部分硬件框图具体详细的叙述将在下面的章节中逐一介绍。3.2 软件设计思路软件需要解决的是定时器0的记数和外部中断0的设定、由于测量的转速范围大，所以低速和高速都要考虑在内，关键在于一个四字节除三字节程序的实现。显示部分、需要有一个二进制到十进制的转化程序，以及转换成非压缩BCD 的程序后、才能进行调用查表程序送到显示。PC机串口和单片机串行口的工作方式，包括串行口的通讯速率、奇偶校验位、停止位等均由通信部分的软件部分实现。软件工作流程：霍尔传感器利用磁电效应产生一周期脉冲向单片机的外部中断0（P3.2）口发送一个中断信号，定时器工作在内部定时，TH0、TL0设定初值为0，作为除数的低两字节，利用软件记数器、定时器0中断的次数作为除数高字节。中断完毕读取内部记数值作为除数，调用除法程序计算转速，再对二进制数进行一系列变换后调用查表显示程序，显示在LED上。（同时调用传送程序向上位机送数据，这里不是本文重点）转速部分软件设计思路： AT89C51单片机的P3.2口接收传感器的信号。主要编写一个外部中断服务程序INT_0，读取记数值的三个字节，并再次清0记数初值以便下次的记数和计算。调用两字节二进制-三字节十进制（BCD）转换子程序BCD，再调用十进制转换成非压缩BCD程序CBCD、最后调用查表程序送显示。为了和PC通信，系统要求单片机晶振11.0592MHZ。软件的具体设计我们将在下面的章节中作详细介绍。4 硬件电路设计硬件的功能由总体设计所规定，硬件设计的任务是根据总体设计要求，在选择的机型的基础上，具体确定系统中所要使用的元器件，设计出系统的电路原理图，必要时做一些部件实验，以确定电路图的正确性，以及工艺结构的设计加工、印制板的制作、样机的组装等。整个单片机测量转速系统为单片机控制模块、霍尔传感器模块、发送模块，各个模块都承担着各自的任务。设计单片机模块，考虑到单片机本身的外围电路较多，所以在单片机模块方面需要极为小心。在整个电路设计时要考虑电平转换电路，具体每一部分的设计将在以下章节中详细分析。4.1 单片机模块根据系统功能要求以及单片机硬件电路设计思路（如图31）对单片机模块进行设计，要使单片机准确的测量电机转速，并且使测出的数据能显示出来，所以整个单片机部分分为传感器电路、时钟电路、复位电路、执行元件以及显示电路五个部分。4.1.1 处理执行元件单片机我们采用AT89C51(其引脚图如图41)，相较于INTEL公司的8051它本身带有一定的优点。AT89C51是Atmel公司生产的一种带4K字节闪存可编程可擦除只读存储器（FPEROMFlash Programmable and Erasable ReadOnly Memory）的低电压，高性能CMOS 8位微处理器，俗称单片机。其中AT89C2051是一种带2K字节闪存可编程可擦除只读存储器的单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100次。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，AT89C2051是它的一种精简版本。AT89C单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。外形如图所示，本设计用的AT89C51是一个低功耗高性能单片机，8位数据总线，40个引脚，32个外部双向输入/输出（I/O）端口，六个中断源，两层中断优先级，同时内含2个外中断口，2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，AT89C51可以按照常规方法进行编程，也可以在线编程。其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起，特别是可反复擦写的Flash存储器可有效地降低开发成本。另外，AT89C51是以静态逻辑运行到零频率的方式设计的，并且支持两种可利用软件选择的掉电保护模式。休眠模式停止CPU运行，但允许数据存储器、定时/计数器、串行口和中断系统继续运行。掉电模式保存数据存储器的内容，但停止了晶振，是其他所有芯片停止工作直到下一次复位为止。AT89C51其工作电压范围为2.76V（实际使用+5V供电），片内含4k bytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和128Kbytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，内置功能强大的微型计算机的AT89C51提供了高性价比的解决方案。图4-1 AT89C51引脚图主要特性：·与MCS-51 兼容·4K字节可编程闪烁存储器 寿命：1000写/擦循环 ·数据保留时间：10年·全静态工作：0Hz-24Hz·三级程序存储器锁定·128*8位内部RAM·32可编程I/O线·两个16位定时器/计数器·5个中断源 ·可编程串行通道·低功耗的闲置和掉电模式·片内振荡器和时钟电路管脚说明：1.VCC：供电电压；2.GND：接地；3.P0口：P0口为一个8位漏极开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。4.P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。5.P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。6.P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下表41所示：7.RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。8.ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。引 脚第二功能信 号 名 称P3.0P3.1P3.2P3.3P3.4P3.5P3.6P3.7RXDTXDINT0INT1T0T1WRRD串行数据接收串行数据发送外部中断0请求外部中断1请求定时器/计数器0计数输入定时器/计数器1计数输入外部RAM写选通外部RAM读选通表4-1 P3口的第二功能Tab.4-1 The second feature I P3P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。此时， ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。 9./PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。 10./EA/VPP：当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。 11.XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。 12.XTAL2：来自反向振荡器的输出。振荡器特性：XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以配置为片内振荡器。石英振荡和陶瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。芯片擦除：整个PEROM阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合，并保持ALE管脚处于低电平10ms 来完成。在芯片擦操作中，代码阵列全被写“1”且在任何非空存储字节被重复编程以前，该操作必须被执行。此外，AT89C51设有稳态逻辑，可以在低到零频率的条件下静态逻辑，支持两种软件可选的掉电模式。在闲置模式下，CPU停止工作。但RAM，定时器，计数器，串口和中断系统仍在工作。在掉电模式下，保存RAM的内容并且冻结振荡器，禁止所用其他芯片功能，直到下一个硬件复位为止。2.3.1 电源电路在该系统中需要用到+5V的直流稳压电源，在我们的生活中一般都是使用220的交流电，为了获得高质量的5V直流稳压电源，这就需要我们进行电压转化。其转化图如图2.3所示： 图2.3 内部转化图这里的滤波是为了滤去外界电源输入带来的一些不稳定的因素，比如说纹波的影响，而用一个大电容和一个小电容的组合，是为了分别滤去低频或高频的纹波。 电源部分的电路如图2.4所示： 图 2.4 电源部分原理图 7805系列集成稳压器，只有输入端、输出端和公共端三个引线端子，可输出1A以上的电流，有必要的保护电路，使用起来安全可靠。它输出固定的正电压。从变压器输出的交流电压经过整流、滤波后产生的不稳定直流电压，从稳压器的输入端输入，在稳压器的输出端就可得到稳定的直流电压输出。正常工作时，稳压器输入、输出电压差为23V，电容用来实现频率补偿。图中C1为0.1可以防止由于输入引线较长而带来的电感效应而产生的自激。C2为0.1用来减少由于负载电流瞬时变化而引起的高频干扰。C3为100 为容量较大的电解电容，用来进一步减少输出脉动和低频干扰。2.3.2 复位电路复位是单片机的初始化操作，只需给80C51的复位引脚RST加上大于2个机器周期（即24个时钟振荡周期）的高电平就可得80C51复位，复位时，PC初始化为0000H，使80C51从OUT单元开始执行程序。除了进入系统的正常初始化之外由于程序运行出错或操作错误而使系统处于死锁状态，为摆脱死锁状态，也需按复位键使得RST脚为高电平，使80C51重新启动。在系统中，有时会出现显示不正常，也为了调试方便，我们需要设计一个复位电路，在系统中，复位电路主要完成系统的上电复位和系统在运行时用户的按键复位功能。复位电路可由简单的RC电路构成，也可使用其它的相对复杂，但功能更完善的电路。本系统采