【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 完成測(cè)量和通信兩部分功能： （ 1）設(shè)計(jì)并制作單片機(jī)的轉(zhuǎn)速測(cè)量的硬件系統(tǒng)； （ 2）用匯編語言完成轉(zhuǎn)速測(cè)量的軟件系統(tǒng)； （ 3）要求把轉(zhuǎn)速顯示在 5位 LED上，精度為 %； （ 4）能向上位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)； （ 5）用 9針 RS232即可； （ 6）在微機(jī)部分采用 Visual Basic編制 RS— 232通信軟件； （ 7）通信軟件具有數(shù)據(jù)接受編輯框； （ 8）通信軟件要適時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)的記錄，用時(shí)間曲線表示。 根據(jù)系統(tǒng)要實(shí) 現(xiàn)的功能以及要求，要實(shí)現(xiàn)單片機(jī)的轉(zhuǎn)速測(cè)量主要是各個(gè)模塊的設(shè)計(jì)，定時(shí)器記數(shù)功能、以及 LED 驅(qū)動(dòng)、電平轉(zhuǎn)換及 PC 機(jī)之間的通信。單片機(jī)可通過編程控制外圍部件，能實(shí)現(xiàn)較高的自動(dòng)化程度。以它為系統(tǒng)核心的控制模塊可實(shí)現(xiàn)主從控制，完成預(yù)定的任務(wù)。 青島理工大學(xué)畢業(yè)論文 第 7 頁 第 3 章 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 轉(zhuǎn)速測(cè)量的一般方法 一般轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)有以下幾個(gè)部分構(gòu)成，轉(zhuǎn)速測(cè)量框圖如圖 所示。 圖 轉(zhuǎn)速測(cè)量框圖 1．轉(zhuǎn)速信號(hào)拾取 轉(zhuǎn)速信號(hào)拾取是整個(gè)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(zhuǎn)換成電量，這一環(huán)節(jié)可以通過敏感元件、傳感器或測(cè)量儀表等來實(shí)現(xiàn)。方法如下： （ 1）通過敏感元件拾取被測(cè)信號(hào) 敏感元件體積小，可以根據(jù)用戶及環(huán)境要求做成各矛頭形狀的探頭，它能將被測(cè)的物理量變換成電流、電壓，只要選擇合適的元件參數(shù)。如 R、 L、 C設(shè)計(jì)相應(yīng)的電路，便能完成這種對(duì)應(yīng)關(guān)系。這種方法設(shè)計(jì)難度大，信號(hào)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(hào) 由專業(yè)人員將敏感元件和相應(yīng)的測(cè)量電路、傳遞機(jī)構(gòu)以適當(dāng)?shù)男问街瞥刹煌愋?、不同用處的傳感器，根?jù)原理輸出電量。該電量可以是模擬量或數(shù)字量，現(xiàn) 代傳感器還可以輸出開關(guān)量，用于數(shù)字邏輯電路。 （ 2）通過測(cè)量儀表拾取被測(cè)信號(hào) 目前有許多測(cè)量儀表用于各種測(cè)量中，有大信號(hào)輸出、有 BCD碼輸出等，但價(jià)格昂貴，專業(yè)性強(qiáng)，一般不適合通用系統(tǒng)。通用的轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)大都采用一種轉(zhuǎn)速 信號(hào)拾取 整 型 倍頻 單 片機(jī) 顯示 接口 芯片 顯示 鍵盤 驅(qū)動(dòng)電路 青島理工大學(xué)畢業(yè)論文 第 8 頁 俗稱“碼盤”的傳感裝置，將圓形的碼盤固定在轉(zhuǎn)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(hào)，以反映轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)關(guān)系，即是將轉(zhuǎn)軸的速度以脈沖形式反映出來，通常有兩種形式：①模擬量量化后經(jīng) A/D轉(zhuǎn)換，由數(shù)字量反映角度，供單片機(jī)計(jì)算處理，得出轉(zhuǎn)速。②直接由脈沖來反應(yīng)轉(zhuǎn)軸的角度，用每轉(zhuǎn)產(chǎn)生的脈沖經(jīng)單 片機(jī)處理得出轉(zhuǎn)速。 2．整形和倍頻 前向通道中，從傳感器輸出的信號(hào)必須轉(zhuǎn)換成單片機(jī)輸入要求的信號(hào)，由于信號(hào)調(diào)節(jié)電路與傳感器的選擇，現(xiàn)場(chǎng)干擾程度等，都會(huì)影響信號(hào)的質(zhì)量。而脈沖信號(hào)的上升沿和下降沿對(duì)數(shù)字電路的觸發(fā)尤為重要，若要將轉(zhuǎn)速脈沖信號(hào)直接加到計(jì)數(shù)器或外部中斷的輸入端，并利用其上升沿來觸發(fā)進(jìn)行計(jì)數(shù)，則必須要求輸入的信號(hào)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(zhuǎn)速時(shí)測(cè)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(zhuǎn)中增加脈沖的個(gè)數(shù) (碼盤的線程數(shù) )來提高精 度。但在高轉(zhuǎn)速時(shí)，由于脈沖個(gè)數(shù)的增加，限制了最高轉(zhuǎn)速測(cè)量量程，這個(gè)問題可用單片機(jī)控制來動(dòng)態(tài)處理解決，兼顧高低轉(zhuǎn)速的測(cè)量精度。 3．單片機(jī) 單片機(jī)是整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)的主要部分，擔(dān)負(fù)對(duì)前端脈沖信號(hào)的處理、計(jì)算、以及信號(hào)的同步，計(jì)時(shí)等任務(wù)，其次，將測(cè)量的數(shù)據(jù)經(jīng)計(jì)算后，將得到的轉(zhuǎn)速值傳送到顯示接口中，用數(shù)碼管顯示數(shù)值。在本系統(tǒng)中考慮到計(jì)數(shù)的范圍、使用的定時(shí)，計(jì)數(shù)器的個(gè)數(shù)及 I/O口線，預(yù)選用 89C51 單片機(jī)。具體工作情況在后討論。 4．驅(qū)動(dòng)和顯示 由于 LED 數(shù)碼管具有亮度高、可靠性好等特點(diǎn)，工業(yè)測(cè)控系統(tǒng)中常用 LED數(shù)碼管 作為顯示輸出。本系統(tǒng)也采用數(shù)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(gòu)成“日”字型和一只發(fā)光二極管作為小數(shù)點(diǎn)，稱八段數(shù)碼顯示器。其有兩種驅(qū)動(dòng)方式，共陰驅(qū)動(dòng)和共陽驅(qū)動(dòng)，共陰驅(qū)動(dòng)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(jié)構(gòu)中，將各段發(fā)光二極管陽極連在一起，并將公共端接上 +5V電源，顯示字符對(duì)應(yīng)字型代碼發(fā)光。 青島理工大學(xué)畢業(yè)論文 第 9 頁 硬件電路設(shè)計(jì)思路 硬件設(shè)計(jì)的任務(wù)是根據(jù)總體設(shè)計(jì)要求，在選擇的機(jī)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(jì)出系統(tǒng)的原理框圖、電路原理圖。 轉(zhuǎn)速是工程中應(yīng)用非 常廣泛的一個(gè)參數(shù)，早期模擬量的模擬處理一直是作為轉(zhuǎn)速測(cè)量的主要方法，這種測(cè)量方法在測(cè)量范圍和測(cè)量精度上，已不能適應(yīng)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(shù)的發(fā)展，數(shù)字測(cè)量系統(tǒng)得到普遍應(yīng)用，利用單片機(jī)對(duì)脈沖數(shù)字信號(hào)的強(qiáng)大處理能力，應(yīng)用全數(shù)字化的結(jié)構(gòu)，使數(shù)字測(cè)量系統(tǒng)的越來越普及 ,在測(cè)量范圍和測(cè)量精度方面都有極大的提高。 89C51單片機(jī)通過 INT0輸入傳感器的脈沖信號(hào)， P0口 P2口接 LED動(dòng)態(tài)顯示。另由于 PC系列微機(jī)串行口為 RS232C標(biāo)準(zhǔn)接口，與輸入、輸出均為 TTL電平的 89C51單片機(jī)在接口規(guī) 范上不一致，因此 TTL 電平到 RS－ 232接口電平的轉(zhuǎn)換采用HIN232CP接口芯片，該芯片可以用單電壓 （ +5V） 實(shí)現(xiàn) RS232接口邏輯 “1” （ 3V～15V） 和邏輯 “0” （ +3V～ +15V） 的電平轉(zhuǎn)換。 轉(zhuǎn)速測(cè)量部分的硬件設(shè)計(jì)思路：本次設(shè)計(jì)單片機(jī)部分的硬件框圖如圖 示。具體詳細(xì)的敘述將在下面的章節(jié)中逐一介紹。 圖 單片機(jī)部分硬件框圖 軟件設(shè)計(jì)思路 軟件需要解決的是 定時(shí)器 0的記數(shù)和外部中斷 0的 設(shè)定 、由于測(cè)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(gè)四字節(jié)除三字節(jié)程序的實(shí)現(xiàn)。顯示部分、需要有一個(gè)二進(jìn)制到十進(jìn)制的轉(zhuǎn)化程序，以及轉(zhuǎn)換成非壓縮 BCD 的程序后、才能進(jìn)行調(diào)用查表程序送到顯示。 PC 機(jī) 串口 和單片機(jī)串行口 的工作方復(fù)位電路 CPU 執(zhí)行單元 顯示電路 時(shí)鐘電路 發(fā)送電路 青島理工大學(xué)畢業(yè)論文 第 10 頁 式，包括串 行 口的通訊速率、奇偶校驗(yàn)位、停止位等 均由通信軟件實(shí)現(xiàn) 。 軟件工作流程： 霍爾傳感器利用磁電效應(yīng)產(chǎn)生一周期脈沖向單片機(jī)的外部中斷 0（ ） 口 發(fā)送一個(gè) 中斷 信號(hào)， 定時(shí)器工作在內(nèi)部定時(shí)， TH0、 TL0 設(shè)定初值為 0，作為除數(shù)的低兩字節(jié)，利用軟件記數(shù)器、定時(shí)器 0中斷的次數(shù)作為除數(shù)高字節(jié)。中斷完畢讀取內(nèi)部記數(shù)值作 為除數(shù)，調(diào)用除法程序計(jì)算轉(zhuǎn)速，再對(duì)二進(jìn)制數(shù)進(jìn)行一系列變換后調(diào)用查表顯示程序，顯示在 LED上。 轉(zhuǎn)速部分軟件設(shè)計(jì)思路： AT89C51單片機(jī)的 。主要編寫一個(gè)外部中斷服務(wù)程序 INT_0，讀取記數(shù)值的三個(gè)字節(jié)，并再次清 0記數(shù)初值以便下次的記數(shù)和計(jì)算。調(diào)用兩字節(jié)二進(jìn)制 三字節(jié)十進(jìn)制 （ BCD） 轉(zhuǎn)換子程序 BCD，再調(diào)用十進(jìn)制轉(zhuǎn)換成非壓縮 BCD程序 CBCD、 最后調(diào)用查表程序送顯示。為了和 PC通信，系統(tǒng)要求單片機(jī)晶振 。軟件的具體設(shè)計(jì)我們將在下面的章節(jié)中作詳細(xì)介紹。 青島理工大學(xué)畢業(yè)論文 第 11 頁 第 4 章 硬 件電路設(shè)計(jì) 硬件的功能由總體設(shè)計(jì)所規(guī)定，硬件設(shè)計(jì)的任務(wù)是根據(jù)總體設(shè)計(jì)要求，在選擇的機(jī)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(jì)出系統(tǒng)的電路原理圖，必要時(shí)做一些部件實(shí)驗(yàn)，以確定電路圖的正確性。 整個(gè)單片機(jī)測(cè)量轉(zhuǎn)速系統(tǒng)為單片機(jī)控制模塊、霍爾傳感器模塊、發(fā)送模塊，各個(gè)模塊都承擔(dān)著各自的任務(wù)。 設(shè)計(jì)單片機(jī)模塊，考慮到 單片機(jī)本身 的外圍電路較多，所以在單片機(jī)模塊方面需要極為小心。在整個(gè)電路設(shè)計(jì)時(shí)要考慮電平轉(zhuǎn)換電路，具體每一部分的設(shè)計(jì)將在以下章節(jié)中詳細(xì)分析。 單片機(jī)模塊 根據(jù)系統(tǒng)功能要求以及單片機(jī)硬件電路設(shè) 計(jì)思路對(duì)單片機(jī)模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)，要使單片機(jī)準(zhǔn)確的測(cè)量電機(jī)轉(zhuǎn)速，并且使測(cè)出的數(shù)據(jù)能顯示出來，所以整個(gè)單片機(jī)分為傳感器電路、時(shí)鐘電路、復(fù)位電路、執(zhí)行元件以及顯示電路五個(gè)部分。 處理執(zhí)行元件 單片機(jī)我們采用 AT89C51(其引腳圖如圖 )，相對(duì)于 INTEL 公司的 8051它本身帶有一定的優(yōu)點(diǎn)。 AT89C51 是一種帶 4K 字節(jié)閃爍 可編程可擦除只讀存貯器 （ FPEROM— Falsh 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(jī)。 圖 AT89C51引腳圖 青島理工大學(xué)畢業(yè)論文 第 12 頁 主要特性： 與 MCS51 兼容 4K字節(jié)可編程閃爍存儲(chǔ)器 壽命： 1000寫 /擦循環(huán) 數(shù)據(jù)保留時(shí)間： 10年 全靜態(tài)工作： 0Hz24Hz 三級(jí)程序存儲(chǔ)器鎖定 128*8位內(nèi)部 RAM 32可編程 I/O線 兩個(gè) 16位定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 5個(gè)中斷源 可編程串行通 道 低功耗的閑置和掉電模式 片內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘電路 管腳說明： ：供電電壓 ； ：接地 ； ： P0口為一個(gè) 8位漏 極 開路雙向 I/O口，每腳可吸收 8TTL 門電流。當(dāng) P1口的管腳第一次寫 1時(shí)，被定義為高阻輸入。 P0能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，它可以被定義為數(shù)據(jù) /地址的第八位。在 FIASH編程時(shí)， P0 口作為原碼輸入口，當(dāng) FIASH進(jìn)行校驗(yàn)時(shí)， P0輸出原碼，此時(shí) P0外部必須被拉高。 ： P1口是一個(gè)內(nèi)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，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入， P1口被外部下拉為低電平時(shí)，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在 FLASH編程和校驗(yàn)時(shí)， P1 口作為第八位地址接收。 ： P2口為一個(gè)內(nèi)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(gè) TTL門電流，當(dāng) P2口被寫 “1” 時(shí)，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時(shí)， P2 口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。 P2 口當(dāng)用于外部程序存儲(chǔ)器或 16位地址外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行存取時(shí)， P2口輸出地址的高八位。在給出地址 “1” 時(shí)，它利用內(nèi)部 上拉優(yōu)勢(shì)，青島理工大學(xué)畢業(yè)論文 第 13 頁 當(dāng)對(duì)外部八位地址數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行讀寫時(shí)， P2口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。P2口在 FLASH編程和校驗(yàn)時(shí)接收高八位地址信號(hào)和控制信號(hào)。 口： P3 口管腳是 8 個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的雙向 I/O 口，可接收輸出 4 個(gè)TTL門電流。當(dāng) P3口寫入 “1” 后，它們被內(nèi)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(yàn)接收一些控制信號(hào)。如下表 41所示 。 表 41 P3口的第二功能 引 腳 第二功能 信 號(hào) 名 稱 RXD TXD INT0 INT1 T0 T1 WR RD 串行數(shù)據(jù)接收 串行數(shù)據(jù)發(fā)送 外部中斷 0請(qǐng)求 外部中斷 1請(qǐng)求 定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 0計(jì)數(shù)輸入 定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 1計(jì)數(shù)輸入 外部 RAM寫選通 外部 RAM讀選通 ：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器復(fù)位器件時(shí)，要保持 RST 腳兩個(gè)機(jī)器周期的高電平時(shí)間。 ：當(dāng)訪問外部存儲(chǔ)器時(shí)，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(shí)， ALE端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號(hào)，此頻率為振蕩器頻率的 1/6。因此它可用作對(duì)外部輸出的脈沖或用于定時(shí)目的。 然而要注意的是：每當(dāng)用作外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，將跳過一個(gè) ALE 脈沖。如想禁止 ALE 的輸出可在 SFR8EH 地址上置 0。此時(shí)， 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。 ：外部程序存儲(chǔ)器的選通信號(hào)。在由外部程序存儲(chǔ)器取指期間，每個(gè)機(jī)器周期兩次 /PSEN 有效。但在訪問外部數(shù) 據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，這兩次有效的 /PSEN 信青島理工大學(xué)畢業(yè)論文 第 14 頁 號(hào)將不出現(xiàn)。 10./EA/VPP：當(dāng) /EA 保持低電平時(shí)，則在此期間外部程序存儲(chǔ)器（ 0000HFFFFH），不管是否有內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。注意加密方式 1時(shí)， /EA將內(nèi)部鎖定為 RESET；當(dāng) /EA 端保持高電平時(shí)，此間內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。在 FLASH 編程期間，此引腳也用于施加 12V編程電源（ VPP）。 ：反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時(shí)鐘工作電路的輸入。 ：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內(nèi)振蕩器。石 英 振蕩和陶瓷振蕩均可采用。如采用外部時(shí)鐘源驅(qū)動(dòng)器件， XTAL2應(yīng)不接。有余輸入至內(nèi)部時(shí)鐘信號(hào)要通過一個(gè)二分頻觸發(fā)器，