【正文】 機(jī)控制，從電飯褒、洗衣機(jī)、電冰箱、空調(diào)機(jī)、彩電、其他音響視頻器材、再到電子秤量設(shè)備，五花八門，無(wú)所不在。 課題設(shè)計(jì)的意義 在傳統(tǒng)生產(chǎn)行業(yè)中，經(jīng)常遇到各種需要測(cè)量轉(zhuǎn)速的場(chǎng)合 ，例如發(fā)動(dòng)機(jī)，電動(dòng)機(jī)，機(jī)床主軸等旋轉(zhuǎn)設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)和控制中，常需要分時(shí)或連續(xù)測(cè)量，顯示其轉(zhuǎn)速及瞬時(shí)轉(zhuǎn)速。但在具體的系統(tǒng)設(shè)計(jì)上，由于集成度太低而使電路非常復(fù)雜，速度調(diào)試應(yīng)用十分不便。隨著微型計(jì)算機(jī)的廣泛應(yīng)用，特別是高性能 /價(jià)格比的單片機(jī)的涌現(xiàn)，轉(zhuǎn)速測(cè)量普遍采用了以單片機(jī)為核心的數(shù)字法，智能化微電腦代替了一半的機(jī)械式或模擬量結(jié)構(gòu)。 （ 3）控制器應(yīng)有按鍵，數(shù)碼顯示等配置。 方案一： 51 系列的單片機(jī)，即最常用的 AT89C51，優(yōu)點(diǎn)是可靠性高、便于擴(kuò)展、控制功能強(qiáng)、實(shí)用性好 :體積小 ,功耗低 ,價(jià)格便宜 ,易于產(chǎn)品化 .內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)在于：無(wú) PWM 輸出功能，采用定時(shí)器配合軟件使用。 測(cè)轉(zhuǎn)速傳感器的設(shè)計(jì) 選用哪一種傳感器 作 為測(cè)速傳感器設(shè)計(jì)合適，需要根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)速的速度范圍大小選擇，以及對(duì)傳感器體積大小的要求和抗干 擾 能力，下面 將詳細(xì)介紹三種傳感器作比較之后選擇。耐久性高、壽命長(zhǎng)，兩個(gè)傳感器的并排安裝，可以在交替頻率下操作，所以把兩個(gè)傳感器安裝在很近的距離。有多種輸出脈沖寬度可供選擇，能自動(dòng)判別轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)動(dòng)方向，分別輸出正轉(zhuǎn)脈沖信號(hào)和反轉(zhuǎn)脈沖信號(hào)。 電機(jī)驅(qū)動(dòng)調(diào)速模塊的設(shè)計(jì)： 方案一：采用電阻網(wǎng)絡(luò)或數(shù)字電位器調(diào)整電動(dòng)機(jī)的分壓，從而達(dá)到調(diào)速的目的。此方案的優(yōu)點(diǎn)是電路比較簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)是繼電器的響應(yīng)時(shí)間慢，機(jī)械結(jié)構(gòu)易損壞，可靠性不好。 由于 L298 可以直接通過(guò)電源來(lái)調(diào)節(jié)輸出電壓；可以直接用單片機(jī)的 I/O口提供信號(hào)；而且電路簡(jiǎn)單，使用方便。 方案一：采用 AD0809， AD0809 是帶有 8 位 A/D 轉(zhuǎn)換器、 8 路多路 開關(guān)以及微處理機(jī)兼容的控制邏輯的 CMOS 組件。 方案一：靜態(tài)顯示，就是顯示驅(qū)動(dòng)電路具有輸出鎖存功能，單片機(jī)將所要顯示的數(shù)據(jù)送出后就不再管，直到下一次顯示數(shù)據(jù)需要更新時(shí)再傳 送一次新數(shù)據(jù)，顯示數(shù)據(jù)穩(wěn)定，占用很少的 CPU 時(shí)間。 系統(tǒng)設(shè)計(jì)綜述 綜上述文字對(duì)測(cè)速系統(tǒng)各部分的討論選擇后，系統(tǒng)設(shè)計(jì)可以初步確定，對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速檢測(cè)就有了整體框圖。通常說(shuō)的內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器就是指這前 128 個(gè)單元，簡(jiǎn)稱內(nèi)部 RAM。 串行口：它是用來(lái)實(shí)現(xiàn)單片機(jī)和其他設(shè)備之間的串行數(shù)據(jù)傳送。系統(tǒng)允許的最高晶振頻率為 12MHz。 在 Flash編程時(shí)， P0 口接收指令字節(jié)，而在程序校驗(yàn)時(shí)，輸出指令字節(jié)，校驗(yàn)時(shí)，要求外界上拉電阻。 Flash編程和程序校驗(yàn)期間， P1 接收低８位地址。在訪問(wèn)８位地址的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（如執(zhí)行 MOVX RI 指令）時(shí)， P2 口線上的內(nèi)容（也即特殊功能寄存器（ SFR）區(qū)中 R２寄存器的內(nèi)容），在整個(gè)訪問(wèn)期間不改變。對(duì) P3 口寫入“１”時(shí)，它們被內(nèi)部上拉電阻拉高并可作為輸入端口。 RST：復(fù)位輸入。要注意的是：每當(dāng)訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 時(shí)將跳過(guò)一個(gè) ALE 脈沖。此外，該引腳會(huì)被微弱拉高，單片機(jī)執(zhí)行外部程序時(shí)，應(yīng)該置ALE 無(wú)效 。欲使 CPU 僅訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器（地址為0000HFFFFH）， EA 端必須保持電平（接地）。 端口引腳 第二功能 RXD（串行輸入口） TXD （串行輸出口） 0INT （外中斷 0） 1INT （外中斷 1） 0T （定時(shí) /計(jì)數(shù)器 0） 1T （定時(shí) /計(jì)數(shù)器 1） WR （外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫選通） RD（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通） 第 3 章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 13 XTAL1:振蕩器反相放大器及內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器的輸入端。石英振蕩和陶瓷振蕩均可采用。在芯片擦操作中，代碼陣列全被寫“ 1”且在任何非空存儲(chǔ)字節(jié)被重復(fù)編程以前，該操作必須被執(zhí)行。在掉電模式下，保存 RAM 的內(nèi)容并且凍結(jié)振蕩器，禁止所用其他芯片功能，直到下一個(gè)硬件復(fù)位為止。 AT89C51 是屬于 CMOS 8 位微處理器，它的時(shí)鐘電路在結(jié)構(gòu)上有別于 NMOS 型的單片機(jī)。圖中Y1 為晶振或陶瓷諧振器，振蕩器產(chǎn)生的時(shí)鐘頻率主要由 Y1 參數(shù)確定（晶振上標(biāo)明的頻率）。此時(shí) ALE、 PSEN、 P0、 P P P3 口都輸出高電平。在加電瞬間，電容通過(guò)電阻充電，就在RST 端出現(xiàn)一定時(shí)間的高電平，只要高電平時(shí)間 足夠長(zhǎng)，就可以使 MCS51有效的復(fù)位。 若復(fù)位電路失效，加電后 CPU 從一個(gè)隨機(jī)的狀態(tài)開始工作，系統(tǒng)就不能正常運(yùn)轉(zhuǎn)。 顯示器結(jié)構(gòu)： 常用的七段顯示器管。才能顯示出正確的數(shù)字來(lái)，如圖35 所示，為七段數(shù)碼管的管腳圖 顯示方式： 為了節(jié)省 I/O 口線，我們采用的動(dòng)態(tài)顯示方式。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(gè) 8 位口（稱為段數(shù)據(jù)口）。引腳圖如圖 36 所示： 第 3 章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 17 T R I G2OUT3R S T4C V O L T5T H R6D I S C7V C C8GND1U1N E 5 5 5 N 圖 36 NE555 電路引腳圖 NE555 為 8 腳時(shí)基集成電路，各腳主要功能： 1 地 2 觸發(fā) 3 輸出 4 復(fù)位 5 控制電壓 6 門限 (閾值 ) 7 放電 8 電源電壓 應(yīng)用十分廣泛，可裝如下幾種電路： 作用：定延時(shí)，消抖動(dòng)，分（倍）頻，脈沖輸出，速率檢測(cè)等。公式： Td= CT。該設(shè)備的輸入可以是與系統(tǒng)地隔離的，而輸出則可以驅(qū)動(dòng)以地為參考或以 VCC，或以 電源為參考的負(fù)載此靈活性使之可以驅(qū)動(dòng) DTL、 RTL、 TTL 或 MOS 邏輯。 10 V 模擬信號(hào)。⑤高（ 10 11 ）斷態(tài)電阻。 10 V及控制的 TTL 兼容的邏輯輸入。 GND1V C C +8EN3S16A2S27S4V C C 5U5T L 60 7P 圖 39 TL607 管腳圖 光電傳感器簡(jiǎn)介 傳感器是將感受的物理量、化學(xué)量等信息，按一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成便于測(cè)量和傳輸?shù)男盘?hào)的裝置。 傳感器感受一種量并把它轉(zhuǎn)換成另一種量，這種轉(zhuǎn)換也可以看成是能量的轉(zhuǎn)換，因此在某些領(lǐng)域如生物醫(yī)學(xué)工程等中，也稱為換能器。 光電傳感器是指能夠?qū)⒖梢姽廪D(zhuǎn)換成某種電量的傳感器。 光敏三極管除了具有光敏二極管 能將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的功能外，還有對(duì)電信號(hào)放大的功能。在無(wú)光照時(shí)管子流過(guò)的電流為暗電流Iceo=（ 1+β） Icbo（很?。?，比一般三極管的穿透電流還?。划?dāng)有光照時(shí)，激發(fā)大量的電子 空穴對(duì)，使得基極產(chǎn)生的電流 Ib 增大，此刻流過(guò)管子的電流稱為光電流，集電極電流 Ic=（ 1+β） Ib，可見光電三極 管要比光電二極管具有更高的靈敏度。 TLC2543 介紹 TLC2543 也是 TI 公司的產(chǎn)品，它是 12 位開關(guān)電容逐次逼近 A/D 轉(zhuǎn)換器。片內(nèi)設(shè)有采樣保持電路。片內(nèi)轉(zhuǎn)換器使器件有高速 (10μ s 轉(zhuǎn)換時(shí)間 )，高精度 (12 位分辨率，最大177。 I/O 周期由外部提供的 I/O CLOCK 定義，延續(xù) 12 或 16 個(gè)時(shí)鐘周期，決定于選定的輸出數(shù)據(jù)長(zhǎng)度。 I/O 周期的時(shí)鐘脈沖個(gè)數(shù)與輸出數(shù)據(jù)長(zhǎng)度 (位數(shù) )同時(shí)由輸入數(shù)據(jù)的 D D2 位選擇為 12 或 16。若轉(zhuǎn)換由 CS 控制，則第一個(gè)輸出數(shù)據(jù)發(fā)生在 CS 的下降沿。 I/O 周期和轉(zhuǎn)換周期交替進(jìn)行，從而可減小外部的數(shù)字噪聲對(duì)轉(zhuǎn)換精度的影響。對(duì)于無(wú)特殊用途的直流電機(jī)，不需要特別的驅(qū)動(dòng)器件進(jìn)行信號(hào)放大。 L298N 芯片可以驅(qū)動(dòng)兩個(gè)二相電機(jī)，也可以驅(qū)動(dòng)一個(gè)四相電機(jī)，輸出電壓最高可達(dá) 50V，可以直接通過(guò)電源來(lái)調(diào)節(jié)輸出電壓，可以直接用單片機(jī)的IO 口提供信號(hào)，而且電路簡(jiǎn)單，使用比較方便。 1 腳和 15 腳下管的發(fā)射極分別單獨(dú)引出以便接入電流采樣電阻，形成電流傳感信號(hào)。表 32 是 L298N 功能邏輯圖。 如圖 311 所示為 L298N 的引腳圖。 測(cè)速系統(tǒng)設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì)的單片機(jī)控制采用 51 匯編語(yǔ)言編寫，在編寫的過(guò)程中，盡量向結(jié)構(gòu)化、模塊化的方向編寫，整個(gè)設(shè)計(jì)調(diào)用程序的清單見附錄 。首先是對(duì) P1 口送初值，即給 AT89C51送取一個(gè)占空比為 50%的數(shù)據(jù)。實(shí)現(xiàn)測(cè)速功能的設(shè)計(jì)流程圖如圖 42 所示。 單片機(jī)的轉(zhuǎn)速測(cè)量完成，定時(shí)器 T0 作為內(nèi)部定時(shí)器，外部中斷來(lái)的時(shí)候讀取 TH0， TL0，并同時(shí)清零 TH0、 TL0，使定時(shí)器再次循環(huán)計(jì)內(nèi)部脈沖。 A/D 轉(zhuǎn)換程序設(shè)計(jì) TLC2543 和 80C51 控制接口和其它微處理器接口一樣， 配置為輸入端。這個(gè)程序包含合成 SPI 操作，在 TLC2543 和微處理器間交換數(shù)據(jù)的指令。定時(shí)器 T0 確定 PWM 波的頻率，第 4 章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)及調(diào)試 30 T1 確定高電平的時(shí)間，這樣改變 T1 的初值就可以改變占空比。下面是數(shù)碼管的驅(qū)動(dòng)程序： disp1: mov dptr,tbb mov a,r0 movc a,a+dptr mov sbuf,a jnb ti,$ clr ti inc r0 djnz r2,disp1 ret TBB DB 011H。3 DB 0C9H。7 DB 001H。經(jīng)過(guò)測(cè)試并對(duì)誤差進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，該系統(tǒng)的測(cè)量誤差在 5%以內(nèi)，并且在測(cè)量范圍內(nèi)轉(zhuǎn)速越高測(cè)量精度越高。第 4 章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)及調(diào)試 32 這一部分硬件調(diào)試主要分成兩大塊：上電前的調(diào)試和上電后的調(diào)試。 上電后的調(diào)試： 確保硬件電路正常，無(wú)異常情況 (斷路或短路 )方可上電調(diào)試，上電調(diào)試的目的是檢驗(yàn)電路是否接錯(cuò)，同時(shí)還要檢驗(yàn)原理是否正確，在本次設(shè)計(jì)中，上電調(diào)試主要指轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)的單片機(jī)控制部分、數(shù)碼管點(diǎn)亮部分、和串口通信部分的硬件調(diào)試。數(shù)碼管的公共端（ COM）接在 74164 驅(qū)動(dòng)再接到單片機(jī)的 P2 口作為位選信號(hào)，字型是接在 P0 口。即可檢查數(shù)碼管的硬件電路是否正確，即可判斷顯示驅(qū)動(dòng)電路 整個(gè)完整首先排除這里的故障。 LCA51 軟件是一種非常實(shí)用的多窗口編輯、調(diào)試軟件。高級(jí)語(yǔ)言還支持源文件調(diào)試和匯編語(yǔ)言指令行對(duì)照調(diào)試。 調(diào)試應(yīng)用程序所提供的重要性能也許就是跟蹤應(yīng)用程序。 過(guò)型單步僅執(zhí)行下一條源語(yǔ)句程序，然后又停止。 LCA51 調(diào)試軟件還提供一次性斷點(diǎn)：執(zhí)行到光標(biāo)所在行。 通過(guò)添加觀察項(xiàng)菜單可以將用戶希望觀察的變量添加到觀察 窗口中，長(zhǎng)期進(jìn)行觀察。 如果用戶在調(diào)試過(guò)程中了解到變量的內(nèi)容（超值、未定義等）會(huì)對(duì)程序性能產(chǎn)生影響或引起異常時(shí)，立即更改變量的內(nèi)容是很有效的方法，以確保該值在正確范圍內(nèi)不會(huì)產(chǎn)生錯(cuò)誤。 設(shè)計(jì)調(diào)試過(guò)程： 整個(gè)設(shè)計(jì)是一個(gè)主設(shè)計(jì)電路調(diào)用各個(gè)子設(shè)計(jì)電路實(shí)現(xiàn)功能的過(guò)程，要使主設(shè)計(jì)電路和整個(gè)電路都能平穩(wěn)運(yùn)行，各個(gè)模塊的子設(shè)計(jì)電路的正確與平穩(wěn)運(yùn)行必不可少，所以在軟件調(diào)試的最初階段就是把各個(gè)子設(shè)計(jì)電路進(jìn)行分別調(diào)試。在更改對(duì)話框中用戶輸入要更改的取值，點(diǎn)擊確定按鈕。 用戶可以直接移動(dòng)鼠標(biāo)到相應(yīng)的變量名上，點(diǎn)擊鼠標(biāo)左鍵，將出現(xiàn)一個(gè)提示窗口，顯示這個(gè)變量的當(dāng)前值。 顯然，通過(guò)一系列指令查看應(yīng)用程序，了解導(dǎo)致某一錯(cuò)誤的執(zhí)行也是一種非常有效的方法。 如果已知程序中某塊代碼實(shí)際運(yùn)行正常的情況下，仍用跟蹤調(diào)試方法，將大大浪費(fèi)時(shí)間，而且很枯燥，因此調(diào)試中第二個(gè) 重要工具是在源代碼中預(yù)定處設(shè)置斷點(diǎn)，大多數(shù)調(diào)試程序通過(guò)使用斷點(diǎn)中止程序執(zhí)行。 跟蹤型單步執(zhí)行一條源語(yǔ)句程序。調(diào)試時(shí)用戶可動(dòng)態(tài)觀察、修改設(shè)定變量（包括 CPU 片內(nèi)寄存器、特殊寄存器及外部寄存器、內(nèi)存）的值。軟件支持單文件方式和工程化管理兩種模式?？梢杂檬静ㄆ骱腿f(wàn)用表檢查電平轉(zhuǎn)換前后的關(guān)系。在這一前提下，查看數(shù)碼管能否點(diǎn)亮?？磫纹瑱C(jī)通電后能否可以正常工作等這一系列問(wèn)題。在這部分調(diào)試中主要使用的工具是萬(wàn)用表，用來(lái)完成檢測(cè)電路中是否存在斷路或者短路情況等。 系統(tǒng)調(diào)試 電路調(diào)試是整個(gè)系統(tǒng)功能否實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵步驟 ，我們將整個(gè)調(diào)試過(guò)程分為三大部分：硬件調(diào)試、軟件調(diào)試和綜合調(diào)試。9 統(tǒng)測(cè)試結(jié)論 測(cè)試結(jié)果如表 41 所示： 表 41 轉(zhuǎn)速測(cè)試結(jié)果 預(yù)設(shè)轉(zhuǎn)速值 /(r/min) 實(shí)測(cè)轉(zhuǎn)速值 (r/min) 誤差（％） 720 960 1380 1800 2220 3060 750 990 1410 1830 2250 3060 結(jié)論： 本測(cè)速系統(tǒng)采用光電傳感器敏感速率信號(hào)，具有頻率響應(yīng)快，抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。5 第 4 章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)及調(diào)試 31 DB 005H。1 DB 023H。 顯示程序的設(shè)計(jì) LED 顯示的動(dòng)態(tài)顯示方式，全部數(shù)碼管公用一套斷碼驅(qū)動(dòng)電路，各位 數(shù)碼管同段引腳短接后再接到對(duì)應(yīng)段碼的驅(qū)動(dòng)線上。 TLC2543 程序如下： 0000h ljmp main