【文章內容簡介】 完成測量和通信兩部分功能： （ 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 %； （ 4）能向上位機發(fā)送數據； （ 5）用 9針 RS232即可； （ 6）在微機部分采用 Visual Basic編制 RS— 232通信軟件； （ 7）通信軟件具有數據接受編輯框； （ 8）通信軟件要適時對數據的記錄，用時間曲線表示。 根據系統(tǒng)要實 現(xiàn)的功能以及要求，要實現(xiàn)單片機的轉速測量主要是各個模塊的設計，定時器記數功能、以及 LED 驅動、電平轉換及 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。 青島理工大學畢業(yè)論文 第 7 頁 第 3 章 系統(tǒng)總體設計 轉速測量的一般方法 一般轉速測量系統(tǒng)有以下幾個部分構成，轉速測量框圖如圖 所示。 圖 轉速測量框圖 1．轉速信號拾取 轉速信號拾取是整個系統(tǒng)的前端通道，目的是將外界的非電參量，通過 一定方式轉換成電量，這一環(huán)節(jié)可以通過敏感元件、傳感器或測量儀表等來實現(xiàn)。方法如下： （ 1）通過敏感元件拾取被測信號 敏感元件體積小，可以根據用戶及環(huán)境要求做成各矛頭形狀的探頭，它能將被測的物理量變換成電流、電壓，只要選擇合適的元件參數。如 R、 L、 C設計相應的電路，便能完成這種對應關系。這種方法設計難度大，信號穩(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 由專業(yè)人員將敏感元件和相應的測量電路、傳遞機構以適當的形式制成不同類型、不同用處的傳感器，根據原理輸出電量。該電量可以是模擬量或數字量，現(xiàn) 代傳感器還可以輸出開關量，用于數字邏輯電路。 （ 2）通過測量儀表拾取被測信號 目前有許多測量儀表用于各種測量中，有大信號輸出、有 BCD碼輸出等，但價格昂貴，專業(yè)性強，一般不適合通用系統(tǒng)。通用的轉速測量系統(tǒng)大都采用一種轉速 信號拾取 整 型 倍頻 單 片機 顯示 接口 芯片 顯示 鍵盤 驅動電路 青島理工大學畢業(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，以反映轉速對應關系，即是將轉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 A/D轉換，由數字量反映角度，供單片機計算處理，得出轉速。②直接由脈沖來反應轉軸的角度，用每轉產生的脈沖經單 片機處理得出轉速。 2．整形和倍頻 前向通道中，從傳感器輸出的信號必須轉換成單片機輸入要求的信號，由于信號調節(jié)電路與傳感器的選擇，現(xiàn)場干擾程度等，都會影響信號的質量。而脈沖信號的上升沿和下降沿對數字電路的觸發(fā)尤為重要，若要將轉速脈沖信號直接加到計數器或外部中斷的輸入端，并利用其上升沿來觸發(fā)進行計數，則必須要求輸入的信號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速時測量精度問題及碼盤的刻度誤差而造成的精度下降問題。方法是在每轉中增加脈沖的個數 (碼盤的線程數 )來提高精 度。但在高轉速時，由于脈沖個數的增加，限制了最高轉速測量量程，這個問題可用單片機控制來動態(tài)處理解決，兼顧高低轉速的測量精度。 3．單片機 單片機是整個測量系統(tǒng)的主要部分，擔負對前端脈沖信號的處理、計算、以及信號的同步，計時等任務，其次，將測量的數據經計算后，將得到的轉速值傳送到顯示接口中，用數碼管顯示數值。在本系統(tǒng)中考慮到計數的范圍、使用的定時，計數器的個數及 I/O口線，預選用 89C51 單片機。具體工作情況在后討論。 4．驅動和顯示 由于 LED 數碼管具有亮度高、可靠性好等特點，工業(yè)測控系統(tǒng)中常用 LED數碼管 作為顯示輸出。本系統(tǒng)也采用數碼管作顯示。 LED顯示器是用發(fā)光二極管顯示字段的，通常使用七段構成“日”字型和一只發(fā)光二極管作為小數點，稱八段數碼顯示器。其有兩種驅動方式，共陰驅動和共陽驅動，共陰驅動是各段發(fā)光二極管的陰極連在一起，并將公共端接地，在共陽結構中，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，顯示字符對應字型代碼發(fā)光。 青島理工大學畢業(yè)論文 第 9 頁 硬件電路設計思路 硬件設計的任務是根據總體設計要求，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、電路原理圖。 轉速是工程中應用非 常廣泛的一個參數，早期模擬量的模擬處理一直是作為轉速測量的主要方法，這種測量方法在測量范圍和測量精度上，已不能適應現(xiàn)代科技發(fā)展的要求。而隨著大規(guī)模及超大規(guī)模集成電路技術的發(fā)展，數字測量系統(tǒng)得到普遍應用，利用單片機對脈沖數字信號的強大處理能力，應用全數字化的結構，使數字測量系統(tǒng)的越來越普及 ,在測量范圍和測量精度方面都有極大的提高。 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) 范上不一致，因此 TTL 電平到 RS－ 232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 示。具體詳細的敘述將在下面的章節(jié)中逐一介紹。 圖 單片機部分硬件框圖 軟件設計思路 軟件需要解決的是 定時器 0的記數和外部中斷 0的 設定 、由于測量的轉速范圍大，所以低速 和高速都要考慮在內，關鍵在于一個四字節(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化程序，以及轉換成非壓縮 BCD 的程序后、才能進行調用查表程序送到顯示。 PC 機 串口 和單片機串行口 的工作方復位電路 CPU 執(zhí)行單元 顯示電路 時鐘電路 發(fā)送電路 青島理工大學畢業(yè)論文 第 10 頁 式，包括串 行 口的通訊速率、奇偶校驗位、停止位等 均由通信軟件實現(xiàn) 。 軟件工作流程： 霍爾傳感器利用磁電效應產生一周期脈沖向單片機的外部中斷 0（ ） 口 發(fā)送一個 中斷 信號， 定時器工作在內部定時， TH0、 TL0 設定初值為 0，作為除數的低兩字節(jié)，利用軟件記數器、定時器 0中斷的次數作為除數高字節(jié)。中斷完畢讀取內部記數值作 為除數，調用除法程序計算轉速，再對二進制數進行一系列變換后調用查表顯示程序，顯示在 LED上。 轉速部分軟件設計思路： AT89C51單片機的 。主要編寫一個外部中斷服務程序 INT_0，讀取記數值的三個字節(jié)，并再次清 0記數初值以便下次的記數和計算。調用兩字節(jié)二進制 三字節(jié)十進制 （ BCD） 轉換子程序 BCD，再調用十進制轉換成非壓縮 BCD程序 CBCD、 最后調用查表程序送顯示。為了和 PC通信，系統(tǒng)要求單片機晶振 。軟件的具體設計我們將在下面的章節(jié)中作詳細介紹。 青島理工大學畢業(yè)論文 第 11 頁 第 4 章 硬 件電路設計 硬件的功能由總體設計所規(guī)定，硬件設計的任務是根據總體設計要求，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)的電路原理圖，必要時做一些部件實驗，以確定電路圖的正確性。 整個單片機測量轉速系統(tǒng)為單片機控制模塊、霍爾傳感器模塊、發(fā)送模塊，各個模塊都承擔著各自的任務。 設計單片機模塊，考慮到 單片機本身 的外圍電路較多，所以在單片機模塊方面需要極為小心。在整個電路設計時要考慮電平轉換電路，具體每一部分的設計將在以下章節(jié)中詳細分析。 單片機模塊 根據系統(tǒng)功能要求以及單片機硬件電路設 計思路對單片機模塊進行設計，要使單片機準確的測量電機轉速，并且使測出的數據能顯示出來，所以整個單片機分為傳感器電路、時鐘電路、復位電路、執(zhí)行元件以及顯示電路五個部分。 處理執(zhí)行元件 單片機我們采用 AT89C51(其引腳圖如圖 )，相對于 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 （ 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。 圖 AT89C51引腳圖 青島理工大學畢業(yè)論文 第 12 頁 主要特性： 與 MCS51 兼容 4K字節(jié)可編程閃爍存儲器 壽命： 1000寫 /擦循環(huán) 數據保留時間： 10年 全靜態(tài)工作： 0Hz24Hz 三級程序存儲器鎖定 128*8位內部 RAM 32可編程 I/O線 兩個 16位定時器 /計數器 5個中斷源 可編程串行通 道 低功耗的閑置和掉電模式 片內振蕩器和時鐘電路 管腳說明： ：供電電壓 ； ：接地 ； ： 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據存儲器，它可以被定義為數據 /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。 ： P1口是一個內部提供上拉電阻的 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，這是由于內部上拉的緣故。在 FLASH編程和校驗時， P1 口作為第八位地址接收。 ： P2口為一個內部上拉電阻的 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，其管腳被內部上拉電阻拉高，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。這是由于內部上拉的緣故。 P2 口當用于外部程序存儲器或 16位地址外部數據存儲器進行存取時， P2口輸出地址的高八位。在給出地址 “1” 時，它利用內部 上拉優(yōu)勢，青島理工大學畢業(yè)論文 第 13 頁 當對外部八位地址數據存儲器進行讀寫時， P2口輸出其特殊功能寄存器的內容。P2口在 FLASH編程和校驗時接收高八位地址信號和控制信號。 口： P3 口管腳是 8 個帶內部上拉電阻的雙向 I/O 口，可接收輸出 4 個TTL門電流。當 P3口寫入 “1” 后，它們被內部上拉為高電平，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接收一些控制信號。如下表 41所示 。 表 41 P3口的第二功能 引 腳 第二功能 信 號 名 稱 RXD TXD INT0 INT1 T0 T1 WR RD 串行數據接收 串行數據發(fā)送 外部中斷 0請求 外部中斷 1請求 定時器 /計數器 0計數輸入 定時器 /計數器 1計數輸入 外部 RAM寫選通 外部 RAM讀選通 ：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。 ：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：每當用作外部數據存儲器時，將跳過一個 ALE 脈沖。如想禁止 ALE 的輸出可在 SFR8EH 地址上置 0。此時， 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 據存儲器時，這兩次有效的 /PSEN 信青島理工大學畢業(yè)論文 第 14 頁 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（ 0000HFFFFH），不管是否有內部程序存儲器。注意加密方式 1時， /EA將內部鎖定為 RESET；當 /EA 端保持高電平時，此間內部程序存儲器。在 FLASH 編程期間，此引腳也用于施加 12V編程電源（ VPP）。 ：反向振蕩放大器的輸入及內部時鐘工作電路的輸入。 ：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振蕩器。石 英 振蕩和陶瓷振蕩均可采用。如采用外部時鐘源驅動器件， XTAL2應不接。有余輸入至內部時鐘信號要通過一個二分頻觸發(fā)器，