【文章內(nèi)容簡介】 路 對 PWM 脈寬速度調(diào)整來控制電機(jī)轉(zhuǎn)速的大小，實(shí)現(xiàn)對不同速度的電機(jī)的轉(zhuǎn)速的測量。 常州大學(xué) 本科 生 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 3 頁 共 42 頁 2 系統(tǒng)分析與總體 設(shè)計(jì) 方案 數(shù)字測速儀的基本 工作 原理 數(shù)字測速儀的的 紅外傳感器 的 發(fā)射 管 發(fā)出一種無色透明的紅外光線 ， 當(dāng)光線照射到所給定的 電機(jī) 轉(zhuǎn)盤中時，隨著照射轉(zhuǎn)盤上顏色的不斷變化， 它的電路上的電阻會隨著接收到紅外光的多少而變化。當(dāng)紅外線 照 到黑色部分時，由于黑色吸光， 紅外發(fā)射管發(fā)出的光照射在上面后反射的部分就較小，接收管接收到的紅外線也就較少，表現(xiàn)為電阻比較大，通 過外接的電路就可以讀出檢測的狀態(tài)，同理當(dāng)照射在白色表面時發(fā)射的紅外線就比較多，表現(xiàn)為接收管的電阻就比較小。 當(dāng)電阻從小到大變化時， LM339 比較器的輸出電壓也隨之變化，當(dāng)電機(jī)連續(xù)轉(zhuǎn)動時， LM339 比較器就源源不斷的輸出脈沖。通過單片機(jī)內(nèi)部時鐘計(jì)時，并且對得到的脈沖 每個跳變不斷 計(jì)數(shù) ， 經(jīng)過內(nèi)部計(jì)算之后， 最終 將實(shí)時轉(zhuǎn)數(shù)在液晶 1602 上顯示 出來。同時， 通過電機(jī)驅(qū)動模塊 L298 改變電機(jī)轉(zhuǎn)數(shù) 。 當(dāng)轉(zhuǎn)速超過一定速度時，電路的報警系統(tǒng)會立刻進(jìn)行報警。 數(shù)字測速儀的整體 設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu) 系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖 所示。該系統(tǒng)由 AT89S52 單片機(jī)、 紅外測速模塊 、電機(jī)驅(qū)動電路、 顯示電路、報警電路等部分組成。 。系統(tǒng) 以 一對紅外發(fā)射和接收二極管形成光路 ， 通過 照射到 齒盤 上顏色的變化 對光路形成脈沖 ， 單片機(jī)采用同步 M/T 法對脈沖計(jì) 數(shù)， ， 經(jīng)過內(nèi)部數(shù)據(jù)處理得 出轉(zhuǎn)速 ，并 通過 1602 液晶顯示器顯示出結(jié)果。 同時當(dāng)轉(zhuǎn)速超過其所設(shè)定的數(shù)值時，系統(tǒng)對其進(jìn)行報警。通過 L298N 電路調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，從而實(shí)現(xiàn)在一個電機(jī)上對 低轉(zhuǎn)速和高轉(zhuǎn)速的測量 。 ， 圖 數(shù)字測速儀 系統(tǒng)框圖 AT 89 S 52單片機(jī)調(diào)速按鍵電路系統(tǒng)復(fù)位系統(tǒng)時鐘液晶顯示電路蜂鳴器報警電路紅外傳感器測速模塊電機(jī)常州大學(xué) 本科 生 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 4 頁 共 42 頁 數(shù)字測速儀 的測量方案的分析 轉(zhuǎn)速測量方案論證 方案一：采用記數(shù)法。具體是通過單片機(jī)記單位時間 S（秒）內(nèi)的脈沖數(shù) N， 則轉(zhuǎn)子 的 每分鐘的轉(zhuǎn)速： M=N/S60。 方案二：采用定時 法。是通過定時器記錄脈沖的周期 T，這樣每分鐘的轉(zhuǎn)速： M=60/T。 比較兩個方案， 記數(shù)法測量的數(shù)據(jù)只是某一秒的轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速 。 不能代表所測物體的整體平均速度。方案二，所測轉(zhuǎn)速為物體在一段時間內(nèi)的速度，具有代表性。 由此明顯看出 ,方案二在測量精度及提高系統(tǒng)控制靈敏度等方面優(yōu)于方案一，所以本設(shè)計(jì)采用方案二。 電機(jī)驅(qū)動方案論證 方案一：采 用 電磁 繼電器對電機(jī)的開或關(guān) 狀態(tài) 進(jìn)行控制，通過切換 狀態(tài) 對電機(jī)的速度進(jìn)行調(diào)整。這個方案的優(yōu)點(diǎn)是電路簡單，缺點(diǎn)是 電磁 繼電器的 電路 響應(yīng)時間慢、 頻繁使用， 機(jī)械結(jié)構(gòu)易損壞、壽命較短、可靠性不高。 方案 二 ： 采用 小型直流電機(jī)驅(qū)動芯片。這個方案的優(yōu)點(diǎn)是驅(qū)動電路簡單 明了 ， 容易上手， 幾乎不 需要加任何 其它外圍元件就可以實(shí)現(xiàn) 對電機(jī) 穩(wěn)定的控制，使得 整個 驅(qū)動電路 的功耗 較小，而且 此類芯片在 市場上種類齊全，價格也 相對較 便宜。 方案三：采用由達(dá)林頓管組成的 H 型 PWM 電路。用 AT89S52 單片機(jī) 控制達(dá)林頓管令其 工作在占空比可調(diào)的開關(guān)狀態(tài)， 從而可 以 精確調(diào)整電動機(jī)轉(zhuǎn)速。 缺點(diǎn)是電路相對較為復(fù)雜些，設(shè)計(jì)要求較高，目前學(xué)生水平不容易實(shí)現(xiàn) 通過比較和對市場因素的考慮，本設(shè)計(jì)采用方案二 ，使系統(tǒng)的設(shè)計(jì)核心在 PWM 控制上。 鍵盤顯示方案論證 方案一：采用 2*2 鍵盤，可直接輸入 速度 設(shè)定值。顯示部分使用 4 位數(shù)碼管，優(yōu)點(diǎn)是顯示簡單明了 ，缺點(diǎn)是 顯示單一， 功耗大，不符合智能化趨勢而且不美觀。 方案二：使用 2 個按鍵，進(jìn)行逐位 電機(jī)調(diào)速 設(shè)置。顯示部分是使用支持中文顯示的1608LCD 液晶 ，優(yōu)點(diǎn)是美觀大方，有利于人機(jī)的互動以及顯示豐富的內(nèi)容 擴(kuò)展；缺點(diǎn)是成本高，抗干擾能力 較 差。 為了系統(tǒng) 簡單 容易擴(kuò)展、操作 方便 以及美觀 大方 ，本設(shè)計(jì)完全采用方案二。 PWM 軟件實(shí)現(xiàn)方案論證 脈寬調(diào)制的方式有三種：定頻調(diào)寬、定寬調(diào)頻和調(diào)寬調(diào)頻。本設(shè)計(jì)采用了定頻調(diào)寬方式，采用這種方式的優(yōu)點(diǎn)是電動機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)時比較穩(wěn)定，并且在采用單片機(jī)產(chǎn)生 PWM脈沖的軟件實(shí)現(xiàn)上比較方便。對于實(shí)現(xiàn)方式則有兩種方案。 方案一：采用定時器做為脈寬控制的定時方式，這一方式產(chǎn)生的脈沖寬度極其精確，誤差只在幾個 us。 方案二：采用軟件延時方式，這一方式在精度上不及方案一，特別是在引入中斷后，常州大學(xué) 本科 生 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 5 頁 共 42 頁 將有一定的誤差。但是基于不占 用定時器資源，且對于直流電機(jī)，采用軟件延時所產(chǎn)生的定時誤差在允許范圍。由于本設(shè)計(jì)采用了兩片 AT89S52 單片機(jī)， MCU 資源充足，因此選擇方案一。 轉(zhuǎn)速測量原理 測頻法 “M法 ” 在一定測量時間 T 內(nèi)，測量脈沖發(fā)生器（替代輸入脈沖）產(chǎn)生的脈沖數(shù) m1來測量轉(zhuǎn)速，如圖 “ M”法測量轉(zhuǎn)速脈沖所示，設(shè)在時間 T 內(nèi)，轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)過的弧度數(shù)為 Xτ ，則轉(zhuǎn)速 n 可由下式表示： n= TX??260 (1) 轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)過的 弧度數(shù) Xτ 可用下式所示 m1 Xpm12??? (2) 圖 “ M”法測量轉(zhuǎn)速脈沖 將（ 2）式代入（ 1）式得 轉(zhuǎn)速 n 的表達(dá)式為： n= TPm160 （ 3） P為轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)一周脈沖發(fā)生器產(chǎn)生的脈沖數(shù)； n轉(zhuǎn)速單位：（轉(zhuǎn) /分）； T定時時間單位：（秒）。 在該方法中，測量精度是由于定時時間 T 和脈沖不能保證嚴(yán)格同步，以及在 T 內(nèi)能否正好測量外部脈沖的完整的周期，可能產(chǎn)生的 1 個脈沖的量化誤差。因此，為了提高測量精度， T 要有足夠長的時間。定時時間可根據(jù)測量對象情況預(yù)先設(shè)置。設(shè)置的時間過長，可以提高精度，但在轉(zhuǎn)速較快的情況下，所計(jì)的脈沖數(shù)增大（碼盤孔數(shù)已定情況下），限制了轉(zhuǎn)速測量的量程。而設(shè)置的時間過短，測量精度會受到一定的影響。 測周期法“ T 法” 轉(zhuǎn)速可以用兩脈沖產(chǎn)生的間隔寬度 TP 來決定。用以采集數(shù)據(jù)的碼盤，可以是單孔常州大學(xué) 本科 生 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 6 頁 共 42 頁 或多孔，對于單孔碼盤測量兩次脈沖間的時 間，就可測出轉(zhuǎn)述數(shù)據(jù)， TP也可以用時鐘脈沖數(shù)來表示。對于多孔碼盤，其測量的時間只是每轉(zhuǎn)的 1/N， N 為碼盤孔數(shù)。如圖 “ T”法脈寬測量所示。 TP 通過定時器測得。定時器對時基脈沖 (頻率為 fc)進(jìn)行計(jì)數(shù)定時，在 TP內(nèi)計(jì)數(shù)值若為 m2，則計(jì)算公式為： n=PPT60 （ 4） 即： 260Pmfn c? （ 5） fc為硬件產(chǎn)生的基準(zhǔn)時鐘脈沖頻率：單位（ Hz）； n轉(zhuǎn)速單位：（轉(zhuǎn) /分）； m2時基脈沖。 圖 “ T”法脈寬測量 由 “ T”法脈寬測量可知“ T”法測量精度的誤差主要有兩個方面，一是兩脈沖的上升沿觸發(fā)時間不一致而產(chǎn)生的；二是計(jì)數(shù)和定時起始和關(guān)閉不一致而產(chǎn)生的。因此要求脈沖的上升沿（或下降沿）陡峭和計(jì)數(shù)和定時嚴(yán)格同步。測周法在低轉(zhuǎn)速時精度較高，但隨著轉(zhuǎn)速的增加，精度變差，有小于一個脈沖 的誤差存在。 測頻測周法“ M/T 法” 所謂測頻測周法，即是綜合了“ T”法和“ M”法分別對高、低轉(zhuǎn)速具有的不同精度，利用各自的優(yōu)點(diǎn)而產(chǎn)生的方法，精度位于兩者之間，如圖 “ M/T”法定時 /計(jì)數(shù)測量所示。 “ M/T”法采用三個定時 /計(jì)數(shù)器，同時對輸入脈沖、高頻脈沖（由振蕩器產(chǎn)生）、及預(yù)設(shè)的定時時間進(jìn)行定時和計(jì)數(shù)， m1 反映轉(zhuǎn)角， m2 反映測速的準(zhǔn)確時間，通過計(jì)算可得轉(zhuǎn)速值 n。該法在高速及低速時都具有相對較高的精度。測速時間 Td 由脈沖發(fā)生器脈沖來同步，即 Td 等于 m1個脈沖周期。由圖可見，從 a 點(diǎn)開始，計(jì)數(shù)器 對 m1和 m2 計(jì)數(shù)，到達(dá) b 點(diǎn)，預(yù)定的測速時間時，單片機(jī)發(fā)出停止計(jì)數(shù)的指令，因?yàn)?Tc 不一定正好等于整數(shù)個脈沖發(fā)生器脈沖周期，所以，計(jì)數(shù)器仍對高頻脈沖繼續(xù)計(jì)數(shù)，到達(dá) c 點(diǎn)時，脈沖發(fā)生器脈沖的上升沿使計(jì)數(shù)器停止，這樣， m2就代表了 m1個脈沖周期的時間。 常州大學(xué) 本科 生 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 7 頁 共 42 頁 “ M/T”法綜合了“ T”和“ M”兩種方法，轉(zhuǎn)速計(jì)算如下： 設(shè)高頻脈沖的頻率為 fc，脈沖發(fā)生器每轉(zhuǎn)發(fā)出 P 個脈沖，由式（ 2）和（ 5）可得M/T 法轉(zhuǎn)速計(jì)算公式為： 2160Pmmfn c? (6) n轉(zhuǎn)速值。單位：（轉(zhuǎn) /分）； fc晶體震蕩頻率：單位（ Hz）； m1輸入脈沖數(shù)，反映轉(zhuǎn)角； m2時基脈沖數(shù)。 圖 “ M/T”法定時 /計(jì)數(shù)測量 通過上面的分析可知， M 法適合于高速測量，當(dāng)轉(zhuǎn)速越低，產(chǎn)生的誤差會越大。 T法適合于低速測量，轉(zhuǎn)速增高，誤差增大。 M/T 這種轉(zhuǎn)速測量方法的相對誤差與轉(zhuǎn)速 n無關(guān)，只與晶體振蕩產(chǎn)生的脈沖有關(guān)，故可適合各種轉(zhuǎn)速下的測量。保證其測量精度的途徑是增大定時時間 T，或提高時基脈沖的頻率 fc。因此，在實(shí)際操作時往往采用一種稱變 M/T 的測量方法，即所謂變 M/T 法，在 M/T 法的基礎(chǔ)上，讓測量時間 Tc始終等于轉(zhuǎn)速輸入脈沖信號的周期之和。并根據(jù)第一次的所測轉(zhuǎn)速及時調(diào)整預(yù)測時間 Tc，兼顧高低轉(zhuǎn)速時的測量精度?；?M 法測量速度，電路和程序均較為簡單，且可以在一定的條件下滿足精度的要求，所以本設(shè)計(jì)中采用 M/T 法進(jìn)行測量。 常州大學(xué) 本科 生 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 8 頁 共 42 頁 3 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì) 整個單片機(jī)測量轉(zhuǎn)速系統(tǒng) 包括 單片機(jī)控制模塊、紅外傳感器信號采集模塊、 電機(jī)驅(qū)動模塊 、液晶顯示模塊和 報警模塊 ， 各個模塊都承擔(dān)著各自的任務(wù)。 控制模塊 模塊控制的選擇 AT89S52 是一種低功耗、高性能 CMOS 8 位微控制器，具有 8K 在系統(tǒng)可編程 Flash 存儲器。使用 Atmel 公司高密度非易失性存儲器技術(shù)制造，與工業(yè) 80C51 產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。片上 Flash 允許程序存儲器在系統(tǒng)可編程，亦適于常規(guī)編程器。在單芯片上，擁有靈巧的 8 位 CPU 和在系統(tǒng)可編程 Flash，使得 AT89S52 在眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用 。 由于我們學(xué)習(xí)過 51 單 片機(jī)， 52 和 52 原理幾乎相同，對它比較熟悉，在運(yùn)用的時候就會比較熟練，所以選擇了 AT89S52 單片機(jī)。 AT89S52 單片機(jī)介紹 AT89S52 單片機(jī) 由 數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線 等三大總線組成， 中央處理 器（ CPU） 、程序存儲器 (ROM)、數(shù)據(jù)存儲器 (RAM)、 并行和串行口， 定時 /計(jì)數(shù)器 等幾大單元組成。如圖 所示 AT89S52 引腳排列。 圖 AT89S52 引腳排列 AT89S52 具有以下標(biāo)準(zhǔn)功能： 8k 字節(jié) Flash， 256 字節(jié) RAM， 32 位 I/O 線，定時器，一個 6 向量 2 級中斷結(jié)構(gòu) ，二 個數(shù)據(jù)指針，三個 16 位定時器 /計(jì)數(shù)器 ， 片內(nèi)晶振及時鐘電路 。另外， AT89S52 可降至 0Hz 靜態(tài)邏輯操作，支持 2 種 軟件 可選擇節(jié)電模式。常州大學(xué) 本科 生 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 9 頁 共 42 頁 空閑模式下， CPU 停止工作，允許 RAM、定時器 /計(jì)數(shù)器、串口、中斷 繼續(xù)工 作。掉電保護(hù)方式下， RAM 內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)， 單片機(jī)一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復(fù)位為止。 具體對單片機(jī)的引腳 和功能 進(jìn)行說明。 （ 1） P0 口 ： P0 口為一個 8 位漏級開路雙向 I/O 口，每腳可吸收 8TTL 門電流。當(dāng)P0 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(shù)據(jù)存儲器，它可以被定義為數(shù)據(jù) /地址的第八位。在 FIASH 編程時， P0 口作為原碼輸 入口，當(dāng) FIASH進(jìn)行校驗(yàn)時， P0 輸出原碼，此時 P0 外部必須被拉高。 （ 2） P1 口 ： P1 口是