【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 業(yè)、機(jī)械制造等諸多領(lǐng)域中，人們都需要對(duì)各類 發(fā)動(dòng)機(jī)、電動(dòng)機(jī)、卷?yè)P(yáng)機(jī)、機(jī)床主軸等旋轉(zhuǎn)設(shè)備的試驗(yàn)、 檢測(cè) 和控制 , 常需要測(cè)量和顯示其轉(zhuǎn)速。測(cè)量轉(zhuǎn)速的方法分為模擬式和數(shù)字式兩種。模擬式采用測(cè)速發(fā)電機(jī)為檢測(cè)元件 ,得到的信號(hào)是模擬量。數(shù)字式通常采用光電 編碼器、圓光柵、霍爾元件等為檢測(cè)元件 , 得到的信號(hào)是脈沖信號(hào)。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)的出現(xiàn) , 轉(zhuǎn)速測(cè)量普遍采用以單片機(jī)為核心的數(shù)字式測(cè)量方法 ,智能化微電腦代替了一般機(jī)械式或模擬式結(jié)構(gòu) 采用 51單片機(jī)來(lái)對(duì) 轉(zhuǎn)速 進(jìn)行 測(cè)量 控制，具有控制方便、組態(tài)簡(jiǎn)單和靈活性大等優(yōu)點(diǎn) 。 單片機(jī)以其功能強(qiáng)、體積小、可靠性高、造價(jià)低和開發(fā)周期短等優(yōu)點(diǎn)，為自動(dòng)化和各個(gè)測(cè)控領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用的器件，在工業(yè)生產(chǎn)中稱為必不可少的 器件，尤其是在日常生活中發(fā)揮的作用也越來(lái)越大。因此，單片機(jī) 對(duì)轉(zhuǎn)速 的控制問題是一個(gè)工業(yè)生產(chǎn)中經(jīng)常會(huì) 遇到的問題。 本論文 從 以上 敘述 為 基礎(chǔ) ，設(shè)計(jì)實(shí) 現(xiàn)了 電機(jī)轉(zhuǎn)速 實(shí)時(shí)測(cè)量、顯示、 串行通訊 系統(tǒng)。本設(shè)計(jì)方案具有較高的測(cè)量精度， 適合對(duì) 測(cè)量 要求較高的 制造 生產(chǎn)、電力工程等行業(yè)，并希望通過(guò)本設(shè)計(jì)得到舉一反三和觸類旁通的效果。 本次設(shè)計(jì)的課題為 基于單片機(jī)的數(shù)字測(cè)速儀的設(shè)計(jì)。 單片機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)由傳感器、處理器、計(jì)數(shù)器和顯示器 等 部分組成。 本次具體設(shè)計(jì)了 轉(zhuǎn)速的頻率采集 ， 計(jì)數(shù)器的脈沖計(jì)數(shù)，經(jīng)過(guò)單片機(jī)的處理、 計(jì)算，按實(shí)際要求做出相應(yīng)的繼電器輸出、數(shù)字量輸出、串行口輸出，進(jìn)而 與其他設(shè)備進(jìn)行通訊。 系統(tǒng) 主要 工作過(guò)程 是： 測(cè)量轉(zhuǎn)速的霍爾傳感 器與機(jī)軸相連接 , 機(jī)軸每轉(zhuǎn)一周 ,產(chǎn)生一定的脈沖個(gè)數(shù) , 由霍爾器件電路部分輸出 , 成為轉(zhuǎn)速計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)脈沖?？刂朴?jì)數(shù)時(shí)間 ,即可實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值對(duì)應(yīng)機(jī)軸的轉(zhuǎn)速值。單片機(jī)將該數(shù)據(jù)處理后 ,通過(guò)顯示出來(lái) 。 XX 大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 3 課題的總體設(shè)計(jì)及思路 本次數(shù)字電機(jī)測(cè)速 系統(tǒng) 屬于強(qiáng)弱電之間 的典型 設(shè)計(jì) 應(yīng)用， 也是機(jī)電一體化的實(shí)際應(yīng)用。 通用性很強(qiáng)，在 現(xiàn)代 工業(yè)過(guò)程控制 檢測(cè) 中有著廣泛的應(yīng)用。 測(cè)量 系統(tǒng)中引入單片機(jī)，可以充分利用單片機(jī)在對(duì)采集數(shù)據(jù)加以分析并根 據(jù)所得結(jié)果作出邏輯判斷等方面的能力，編制出符合某種技術(shù)要求的檢測(cè) 程序、管理程序，實(shí)現(xiàn)對(duì)被 控參數(shù)的控制與管理。在單片機(jī)控制系統(tǒng)中，控制規(guī)律是通過(guò)軟件來(lái)完成的。改變控制規(guī)律，只要改變相應(yīng)的程序即可 。 速度測(cè)量的方法一般是利用傳感裝置 ,產(chǎn)生正比于角位移量的脈沖數(shù) ,然后 ,通過(guò)測(cè)量脈沖頻率進(jìn)行計(jì)算 ,得到實(shí)際的速度值。 脈沖頻率的測(cè)量方法常相對(duì)閘門時(shí)間計(jì)數(shù)。該方法在閘門時(shí)間一定的情況下 ,測(cè)量相對(duì)誤差隨被測(cè)信號(hào)頻率下降而增加。針對(duì)不同的被測(cè)信號(hào)頻率 ,采取不同的測(cè)量手段 ,可獲得寬測(cè)量范圍內(nèi)較高的測(cè)量精度 本系統(tǒng)以硬件以單片機(jī) 89C51為核心采用 霍爾傳感器 作為輸入傳感器 ， 將 傳感器得到的微弱電信號(hào) 經(jīng) 放大電路 放大后， 經(jīng) 光電隔離、濾波后 ,通過(guò) CD4069施密特觸發(fā)器 ,對(duì)信號(hào)整形 ,轉(zhuǎn)換成可與單片機(jī)連接的標(biāo)準(zhǔn)輻值的方波信號(hào) ,送入單片機(jī)外部中斷口 ，C51讀取轉(zhuǎn)化結(jié)果 經(jīng)程序運(yùn)算后，轉(zhuǎn)化為可以顯示的 BCD碼，進(jìn) 行實(shí)時(shí)觀察和顯示。系統(tǒng)帶有鍵盤設(shè)定功能。 在高速時(shí) ,運(yùn)用閘門時(shí)間自動(dòng)調(diào)整的電子計(jì)數(shù)器測(cè)頻法 。在低速時(shí) ,運(yùn)用被測(cè)信號(hào)周期自動(dòng)調(diào)整的電子計(jì)數(shù)器測(cè)周法 ,在寬量程范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了高精度、實(shí)時(shí)快速測(cè)量。 進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮如下問題： 1． 在正常的情況下， 通過(guò) LED 數(shù)碼管顯示當(dāng)前的電機(jī)轉(zhuǎn)速，當(dāng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速超出設(shè) 定的范圍后， 通過(guò)燈光和蜂鳴器進(jìn)行 報(bào)警。 2． 針對(duì) 高低 不同的 轉(zhuǎn)速，即 被測(cè)信號(hào)頻率 ,采取不同的測(cè)量手段 ,可獲得寬測(cè)量范圍內(nèi)較高的測(cè)量精 度 3． 電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)并發(fā)出的脈沖被傳感器檢測(cè)產(chǎn)生的誤差及測(cè)量精度。 A T 8 9C 5 1單片機(jī)信 號(hào) 輸入 前 置處 理 及抗 干 擾電 路鍵 盤輸 入電 路霍爾傳感器與電機(jī)的出軸相連數(shù) 值顯 示電 路L E D通 訊 接 口 電 路聲 訊 報(bào) 警 電 路繼 電 器輸 出 電 路 圖 11 設(shè)計(jì)框圖 基于單片機(jī)的數(shù)字測(cè)速儀的設(shè)計(jì) 4 各個(gè)環(huán)節(jié)及實(shí)現(xiàn) （ 1） 脈沖 采集環(huán)節(jié) 首先， 日光燈法是交流電機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量時(shí)的一種簡(jiǎn)便的方法。日光燈是一種閃光燈，將其接入 50Hz 電源時(shí)，日光燈的實(shí)際頻率為 100 次，閃頻周期為 10ms。而人的視覺暫留時(shí)間約為 60ms，遠(yuǎn)大于日光燈的閃頻周期，因此用肉眼觀察時(shí)，感覺不 到燈光的閃動(dòng)而認(rèn)為日光燈一直在發(fā)光。利用日光燈的上述特性就可以測(cè)量交流電機(jī)的轉(zhuǎn)速。當(dāng)交流電機(jī)轉(zhuǎn)速偏離同步轉(zhuǎn)速較多，即轉(zhuǎn)差率較大時(shí)，由于眼睛看到的軸端標(biāo)記轉(zhuǎn)動(dòng)較快，每分鐘轉(zhuǎn)速的計(jì)數(shù)困難，因而限制了本方法的應(yīng)用。 再次， 光電數(shù)字測(cè)速目前以獲得廣泛應(yīng)用，具有測(cè)量范圍廣，準(zhǔn)確度高，數(shù)字顯示和可測(cè)量瞬時(shí)速度等優(yōu)點(diǎn)。所用光電轉(zhuǎn)速傳感器為非接觸式傳感器，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，分辨率高、慣性小，分為投射式和反射式兩種。但由于電路稍有復(fù)雜，且容易受環(huán)境影響較大，因此，這里不再詳細(xì)敘述。 最后是 測(cè)頻法測(cè)速，就是在給的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間內(nèi)累計(jì)傳感器 發(fā)出的脈沖數(shù)，即以測(cè)量頻率的方法來(lái)測(cè)量轉(zhuǎn)速。 由光電傳感器輸出的脈沖信號(hào)經(jīng)放大整形后，通過(guò)門電路送給計(jì)數(shù)器進(jìn)行脈沖計(jì)數(shù)。為了選擇一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間來(lái)控制門電路的開閉，一般用晶體振蕩器產(chǎn)生基準(zhǔn)時(shí)間脈沖信號(hào)，經(jīng)分頻器后得到 ， 1s 等標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間信號(hào)，通過(guò)門控電路發(fā)出指令來(lái)控制門電路得開閉。 若電機(jī)轉(zhuǎn)速為 n(r/min)， 電機(jī)轉(zhuǎn)一周，光電傳感器所發(fā) 出得脈沖數(shù)為 Z，測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間 t(s)， 則計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)得脈沖數(shù) N 為： ZtnN 60? 由上式可以看出欲使計(jì)數(shù)脈沖 N 等于電機(jī)每分鐘轉(zhuǎn)數(shù) n 應(yīng)使電機(jī)每轉(zhuǎn)過(guò)一周光電傳感器發(fā)出得脈沖數(shù) Z 與測(cè)試時(shí)間 t 得乘積等于 60 即 Zt=60。例如若 Z＝ 60， t=1s 則計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)脈沖數(shù)就是電機(jī)得每分鐘轉(zhuǎn)速。因此 Z 的數(shù)值最好是 60 或 60 的整數(shù)倍。 采用開關(guān)型霍爾集成芯片作為檢測(cè)元件用頻率計(jì)記錄脈沖數(shù)。調(diào)制盤與轉(zhuǎn)軸直接聯(lián)結(jié)其上均勻分布 p 對(duì)永久磁極。每當(dāng)調(diào)制盤轉(zhuǎn)過(guò)一對(duì)磁極霍爾芯片就產(chǎn)生一個(gè)方脈沖。若被測(cè)轉(zhuǎn)速為 n (r/min)則霍爾元件輸出脈沖的頻率為 f＝ np/60(Hz)。設(shè)頻率計(jì)的采用時(shí)間為 t (s)頻率計(jì)在采樣時(shí)間內(nèi)的脈沖計(jì)數(shù)值為： ptnN 60? 因此轉(zhuǎn)速 n 可用脈沖計(jì)數(shù)值 N 來(lái)表示： ptNn 60? XX 大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 5 二種測(cè)速方法都是基于測(cè)頻法原理只是由于采用了不同的檢測(cè)元件使產(chǎn)生計(jì)數(shù)脈沖的方式有所不同。 數(shù)字測(cè)速的誤差主要決定于兩個(gè)方面 ： 一是晶振的精度 ， 二是計(jì)數(shù)脈沖的誤差。在標(biāo)準(zhǔn)計(jì)數(shù)時(shí)間內(nèi)計(jì)數(shù)脈沖的絕對(duì)誤 差為 177。1 個(gè)脈沖 ， 若在標(biāo)準(zhǔn)計(jì)數(shù)內(nèi)的計(jì)數(shù)脈沖為 N， 則測(cè)速的相對(duì)誤差為 177。1/N， 即 N 愈大測(cè)量的精度愈高。 對(duì)于測(cè)頻法測(cè)速當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速較低時(shí)由于 N 較小使測(cè)速精度降低；應(yīng)增大 N。可采用增加測(cè)試時(shí)間 t 和增大 Z(或 p)兩種途徑。然而增加測(cè)試時(shí)間 t 的方法是不可取的對(duì)于一般的光電傳感器增大 Z 也是有困難的。采用光柵技術(shù)可以大幅度增高 Z 值從而擴(kuò)大了測(cè)速范圍明顯提高了測(cè)量精度。對(duì)于霍爾轉(zhuǎn)速測(cè)試儀要想在調(diào)制盤的有限圓周內(nèi)增加永久磁極的極數(shù)將更加困難因此該方法只適用于高轉(zhuǎn)速的測(cè)量。 轉(zhuǎn)速脈沖信 號(hào)是通過(guò)轉(zhuǎn)速傳感器測(cè)量而得的 ,如果傳感器不能穩(wěn)定地工作 ,電控系統(tǒng)也就無(wú)法正確地控制發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作?；魻杺鞲衅骶哂袩o(wú)觸點(diǎn)、長(zhǎng)壽命、高可靠性、無(wú)火花、無(wú)自激振蕩、溫度性能好、抗污染能力強(qiáng)、構(gòu)造簡(jiǎn)單、堅(jiān)固、體積小、耐沖擊等優(yōu)點(diǎn) ,所以選用霍爾效應(yīng)接近式傳感器作為轉(zhuǎn)速傳感器。 只要存在磁場(chǎng) ,霍爾元件總是產(chǎn)生相同的電壓 ,并且輸出信號(hào)電壓的大小與轉(zhuǎn)速無(wú)關(guān) , 即使是在發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)的低轉(zhuǎn)速狀態(tài)下 ,仍能夠獲得較高的檢測(cè)準(zhǔn)確度。 該傳 感 器直接輸出為脈沖頻率信號(hào) ,但是由于存在電磁噪聲干擾 ,必須對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波和整形 ,提高采集準(zhǔn)確度和抗干擾 能力。 其機(jī)械結(jié)構(gòu)也可以做得較為簡(jiǎn)單，只要在轉(zhuǎn)軸的圓周上粘上一粒磁鋼，讓霍爾開關(guān)靠近磁鋼，就有信號(hào)輸出，轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，就會(huì)不斷地產(chǎn)生脈沖信號(hào)輸出。本設(shè)計(jì)被測(cè)軸安裝有 12 只磁鋼，即轉(zhuǎn)軸每轉(zhuǎn)一周，產(chǎn)生 12 個(gè)脈沖。 （ 2） 計(jì)數(shù)環(huán)節(jié) 可以采用片外計(jì)數(shù)器和片內(nèi)計(jì)數(shù)器兩個(gè)方案。片外計(jì)數(shù)器的方案是指采用 8253 等片外的專用計(jì)數(shù)芯片進(jìn)行脈沖計(jì)數(shù)，單片機(jī)控制 8253 的計(jì)數(shù)過(guò)程，并在計(jì)數(shù)完畢后讀取計(jì)數(shù)值。片內(nèi)計(jì)數(shù)方案是指采用單片機(jī)的內(nèi)部計(jì)數(shù)器完成對(duì)脈沖的計(jì)數(shù)過(guò)程。 本設(shè)計(jì)采用的是后一種計(jì)數(shù)方法。 （ 3） 數(shù)據(jù)顯示環(huán)節(jié) 本次設(shè)計(jì)要求顯 示 速度的范圍比較大 ，故使用了 6 個(gè)數(shù)碼管，考慮到 I/O 口不夠的問題，采用的動(dòng)態(tài)顯示的方法。動(dòng)態(tài)顯示具有用元器件少，占 I/O 口線少的優(yōu)點(diǎn)，但也會(huì)出現(xiàn)閃爍，鬼影等。這就要在軟件編程中解決。 （ 4） 超速報(bào)警功能 89C51 對(duì) 速度 的控制是通過(guò) 軟件的編寫來(lái) 實(shí)現(xiàn)的。 當(dāng)轉(zhuǎn)速超過(guò)我們?cè)O(shè)定的最高時(shí)速時(shí)，單片機(jī)計(jì)數(shù)器會(huì)檢測(cè)到脈沖數(shù)目的增加，與我們規(guī)定的數(shù)值比較，如果大于最高數(shù)值，那么就會(huì)觸發(fā)報(bào)警裝置，必要時(shí)候還可以通過(guò)繼電器來(lái)控制電機(jī)電源的通斷，不至于造成事故。這些將在后面的軟件編寫上實(shí)現(xiàn)。 基于單片機(jī)的數(shù)字測(cè)速儀的設(shè)計(jì) 6 （ 5） 串行通信環(huán)節(jié) PC機(jī)有一個(gè)功能 強(qiáng)大的可編程異步串行控制器 8250和兩個(gè)采用 RS232C串行通信標(biāo)準(zhǔn)接口 COM1,COM2,而 單片機(jī) 中有一個(gè)采用 TTL 電平的可編程串口 ,所以要使它們之間通信 ,必須采用一個(gè)電平轉(zhuǎn)換電路 ,這里采用符合 RS485 標(biāo)準(zhǔn)的 MAXIM 公司生產(chǎn)的 MAX485和波士公司生產(chǎn)的 RS232CRS485 轉(zhuǎn)接頭 ,將 RS232 信號(hào)電平轉(zhuǎn)換成 RS485標(biāo)準(zhǔn)電平信號(hào) ,利用 RS485標(biāo)準(zhǔn)電平的優(yōu)勢(shì) ,在一些特殊通信領(lǐng)域內(nèi)實(shí)現(xiàn) PC機(jī)和 單片機(jī)之間的串行長(zhǎng)距離可靠通信。 如圖 所示 P C 機(jī)R S 4 8 5接 口A T 8 9 C 5 1M A X 4 8 5 圖 12 串行通訊流程 XX 大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7 第 2 章 硬件電路設(shè)計(jì) 單片機(jī) 89C51 介紹 89C51 引腳介紹 本次設(shè)計(jì)所用主要芯片是 89C51，現(xiàn)對(duì)各組成部分的情況介紹如下： CPU， 內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，內(nèi)部程序存儲(chǔ)器，定時(shí)器，串行口，中斷控制系統(tǒng)，及時(shí)鐘電路等等。 信號(hào)引腳介紹： 8 9 C 5 1122 22 12 01 91 81 71 61 51 41 31 21 11 098765434 03 93 83 73 63 53 43 33 23 13 02 92 82 72 62 52 42 3（ T 2 ） P 1 . 0（ T 2 E X ） P 1 . 1P 1 . 2P 1 . 3P 1 . 4P 1 . 5P 1 . 6P 1 . 7R S T / V P D（ R X D ） P 3 . 0（ T X D ） P 3 . 1（ I N T O ） P 3 . 2（ I N T 1 ） P 3 . 3（ T 0 ） P 3 . 4（ T 1 ） P 3 . 5（ W R ） P 3 . 6（ R D ） P 3 . 7X T A L 2X T A L 1V S SV C CP 0 . 0 （ A D 0 ）P 0 . 1 （ A D 1 ）P 0 . 6 （ A D 6 ）P 0 . 5 （ A D 5 ）P 0 . 4 （ A D 4 ）P 0 . 3 （ A D 3 ）P 0 . 2 （ A D 2 ）P 0 . 7 （ A D 7 ）P 2 . 0 （ A 8 ）P 2 . 1 （ A 9 ）P 2 . 2 （ A 1 0 ）P 2 . 3 （ A 1 1 ）P 2 . 4 （ A 1 2 ）P 2 . 5 （ A 1 3 ）P 2 . 6 （ A 1 4 ）P 2 . 7 （ A 1 5 ）P S E NA L E / P R O GE A / V P P 圖 21 89C51 引腳圖 P0 口： P0 口是開漏雙向口可以寫為 1 使其狀態(tài)為懸浮用作高阻輸入 P0 也可以在訪問外部程序存儲(chǔ)器時(shí)作地址的低字節(jié)在訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí) 作數(shù)據(jù)總線此時(shí)通過(guò)內(nèi)部強(qiáng)上拉輸出 1。 P1 口： P1 口是帶內(nèi)部上拉的雙向 I/O 口向 P1 口寫入 1 時(shí) P1 口被內(nèi)部上拉為高電平可用作輸入口當(dāng)作為輸入腳時(shí)被外部拉低的 P1 口會(huì)因?yàn)閮?nèi)部上拉而輸出電流。 P1 口第 2 功能： T2()定時(shí) /計(jì)數(shù)器 2 的外部計(jì)數(shù)輸入 /時(shí)鐘輸出 (見可編程輸出 )。T2EX()定時(shí) /計(jì)數(shù)器 2 重裝載控制。 P2 口： P2 口是帶內(nèi)部上拉的雙向 I/O 口向 P2 口寫入 1 時(shí) P2 口被內(nèi)部上拉為