【文章內(nèi)容簡介】 業(yè)、機(jī)械制造等諸多領(lǐng)域中，人們都需要對各類 發(fā)動機(jī)、電動機(jī)、卷揚(yáng)機(jī)、機(jī)床主軸等旋轉(zhuǎn)設(shè)備的試驗、 檢測 和控制 , 常需要測量和顯示其轉(zhuǎn)速。測量轉(zhuǎn)速的方法分為模擬式和數(shù)字式兩種。模擬式采用測速發(fā)電機(jī)為檢測元件 ,得到的信號是模擬量。數(shù)字式通常采用光電 編碼器、圓光柵、霍爾元件等為檢測元件 , 得到的信號是脈沖信號。隨著微型計算機(jī)的廣泛應(yīng)用 ,特別是高性能價格比的單片機(jī)的出現(xiàn) , 轉(zhuǎn)速測量普遍采用以單片機(jī)為核心的數(shù)字式測量方法 ,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)來對 轉(zhuǎn)速 進(jìn)行 測量 控制，具有控制方便、組態(tài)簡單和靈活性大等優(yōu)點(diǎn) 。 單片機(jī)以其功能強(qiáng)、體積小、可靠性高、造價低和開發(fā)周期短等優(yōu)點(diǎn)，為自動化和各個測控領(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)揮的作用也越來越大。因此，單片機(jī) 對轉(zhuǎn)速 的控制問題是一個工業(yè)生產(chǎn)中經(jīng)常會 遇到的問題。 本論文 從 以上 敘述 為 基礎(chǔ) ，設(shè)計實 現(xiàn)了 電機(jī)轉(zhuǎn)速 實時測量、顯示、 串行通訊 系統(tǒng)。本設(shè)計方案具有較高的測量精度， 適合對 測量 要求較高的 制造 生產(chǎn)、電力工程等行業(yè)，并希望通過本設(shè)計得到舉一反三和觸類旁通的效果。 本次設(shè)計的課題為 基于單片機(jī)的數(shù)字測速儀的設(shè)計。 單片機(jī)轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)由傳感器、處理器、計數(shù)器和顯示器 等 部分組成。 本次具體設(shè)計了 轉(zhuǎn)速的頻率采集 ， 計數(shù)器的脈沖計數(shù)，經(jīng)過單片機(jī)的處理、 計算，按實際要求做出相應(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 工作過程 是： 測量轉(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)生一定的脈沖個數(shù) , 由霍爾器件電路部分輸出 , 成為轉(zhuǎn)速計數(shù)器的計數(shù)脈沖。控制計數(shù)時間 ,即可實現(xiàn)計數(shù)器的計數(shù)值對應(yīng)機(jī)軸的轉(zhuǎn)速值。單片機(jī)將該數(shù)據(jù)處理后 ,通過顯示出來 。 XX 大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計（論文） 3 課題的總體設(shè)計及思路 本次數(shù)字電機(jī)測速 系統(tǒng) 屬于強(qiáng)弱電之間 的典型 設(shè)計 應(yīng)用， 也是機(jī)電一體化的實際應(yīng)用。 通用性很強(qiáng)，在 現(xiàn)代 工業(yè)過程控制 檢測 中有著廣泛的應(yīng)用。 測量 系統(tǒng)中引入單片機(jī)，可以充分利用單片機(jī)在對采集數(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 程序、管理程序，實現(xiàn)對被 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)律是通過軟件來完成的。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 ,通過測量脈沖頻率進(jìn)行計算 ,得到實際的速度值。 脈沖頻率的測量方法常相對閘門時間計數(shù)。該方法在閘門時間一定的情況下 ,測量相對誤差隨被測信號頻率下降而增加。針對不同的被測信號頻率 ,采取不同的測量手段 ,可獲得寬測量范圍內(nèi)較高的測量精度 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 經(jīng) 放大電路 放大后， 經(jīng) 光電隔離、濾波后 ,通過 CD4069施密特觸發(fā)器 ,對信號整形 ,轉(zhuǎn)換成可與單片機(jī)連接的標(biāo)準(zhǔn)輻值的方波信號 ,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) 行實時觀察和顯示。系統(tǒng)帶有鍵盤設(shè)定功能。 在高速時 ,運(yùn)用閘門時間自動調(diào)整的電子計數(shù)器測頻法 。在低速時 ,運(yùn)用被測信號周期自動調(diào)整的電子計數(shù)器測周法 ,在寬量程范圍內(nèi)實現(xiàn)了高精度、實時快速測量。 進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計時應(yīng)考慮如下問題： 1． 在正常的情況下， 通過 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， 通過燈光和蜂鳴器進(jìn)行 報警。 2． 針對 高低 不同的 轉(zhuǎn)速，即 被測信號頻率 ,采取不同的測量手段 ,可獲得寬測量范圍內(nèi)較高的測量精 度 3． 電機(jī)轉(zhuǎn)動并發(fā)出的脈沖被傳感器檢測產(chǎn)生的誤差及測量精度。 A T 8 9C 5 1單片機(jī)信 號 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 警 電 路繼 電 器輸 出 電 路 圖 11 設(shè)計框圖 基于單片機(jī)的數(shù)字測速儀的設(shè)計 4 各個環(huán)節(jié)及實現(xiàn) （ 1） 脈沖 采集環(huán)節(jié) 首先， 日光燈法是交流電機(jī)轉(zhuǎn)速測量時的一種簡便的方法。日光燈是一種閃光燈，將其接入 50Hz 電源時，日光燈的實際頻率為 100 次，閃頻周期為 10ms。而人的視覺暫留時間約為 60ms，遠(yuǎn)大于日光燈的閃頻周期，因此用肉眼觀察時，感覺不 到燈光的閃動而認(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，由于眼睛看到的軸端標(biāo)記轉(zhuǎn)動較快，每分鐘轉(zhuǎn)速的計數(shù)困難，因而限制了本方法的應(yīng)用。 再次， 光電數(shù)字測速目前以獲得廣泛應(yīng)用，具有測量范圍廣，準(zhǔn)確度高，數(shù)字顯示和可測量瞬時速度等優(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 測頻法測速，就是在給的標(biāo)準(zhǔn)時間內(nèi)累計傳感器 發(fā)出的脈沖數(shù)，即以測量頻率的方法來測量轉(zhuǎn)速。 由光電傳感器輸出的脈沖信號經(jīng)放大整形后，通過門電路送給計數(shù)器進(jìn)行脈沖計數(shù)。為了選擇一個標(biāo)準(zhǔn)時間來控制門電路的開閉，一般用晶體振蕩器產(chǎn)生基準(zhǔn)時間脈沖信號，經(jīng)分頻器后得到 ， 1s 等標(biāo)準(zhǔn)時間信號，通過門控電路發(fā)出指令來控制門電路得開閉。 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，測量的標(biāo)準(zhǔn)時間 t(s)， 則計數(shù)器計數(shù)得脈沖數(shù) N 為： ZtnN 60? 由上式可以看出欲使計數(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)過一周光電傳感器發(fā)出得脈沖數(shù) Z 與測試時間 t 得乘積等于 60 即 Zt=60。例如若 Z＝ 60， t=1s 則計數(shù)器的計數(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元件用頻率計記錄脈沖數(shù)。調(diào)制盤與轉(zhuǎn)軸直接聯(lián)結(jié)其上均勻分布 p 對永久磁極。每當(dāng)調(diào)制盤轉(zhuǎn)過一對磁極霍爾芯片就產(chǎn)生一個方脈沖。若被測轉(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)頻率計的采用時間為 t (s)頻率計在采樣時間內(nèi)的脈沖計數(shù)值為： ptnN 60? 因此轉(zhuǎn)速 n 可用脈沖計數(shù)值 N 來表示： ptNn 60? XX 大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計（論文） 5 二種測速方法都是基于測頻法原理只是由于采用了不同的檢測元件使產(chǎn)生計數(shù)脈沖的方式有所不同。 數(shù)字測速的誤差主要決定于兩個方面 ： 一是晶振的精度 ， 二是計數(shù)脈沖的誤差。在標(biāo)準(zhǔn)計數(shù)時間內(nèi)計數(shù)脈沖的絕對誤 差為 177。1 個脈沖 ， 若在標(biāo)準(zhǔn)計數(shù)內(nèi)的計數(shù)脈沖為 N， 則測速的相對誤差為 177。1/N， 即 N 愈大測量的精度愈高。 對于測頻法測速當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速較低時由于 N 較小使測速精度降低；應(yīng)增大 N。可采用增加測試時間 t 和增大 Z(或 p)兩種途徑。然而增加測試時間 t 的方法是不可取的對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)大了測速范圍明顯提高了測量精度。對于霍爾轉(zhuǎn)速測試儀要想在調(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)速的測量。 轉(zhuǎn)速脈沖信 號是通過轉(zhuǎn)速傳感器測量而得的 ,如果傳感器不能穩(wěn)定地工作 ,電控系統(tǒng)也就無法正確地控制發(fā)動機(jī)正常工作?；魻杺鞲衅骶哂袩o觸點(diǎn)、長壽命、高可靠性、無火花、無自激振蕩、溫度性能好、抗污染能力強(qiáng)、構(gòu)造簡單、堅固、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 ,霍爾元件總是產(chǎn)生相同的電壓 ,并且輸出信號電壓的大小與轉(zhuǎn)速無關(guān) , 即使是在發(fā)動機(jī)起動的低轉(zhuǎn)速狀態(tài)下 ,仍能夠獲得較高的檢測準(zhǔn)確度。 該傳 感 器直接輸出為脈沖頻率信號 ,但是由于存在電磁噪聲干擾 ,必須對信號進(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，就有信號輸出，轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)時，就會不斷地產(chǎn)生脈沖信號輸出。本設(shè)計被測軸安裝有 12 只磁鋼，即轉(zhuǎn)軸每轉(zhuǎn)一周，產(chǎn)生 12 個脈沖。 （ 2） 計數(shù)環(huán)節(jié) 可以采用片外計數(shù)器和片內(nèi)計數(shù)器兩個方案。片外計數(shù)器的方案是指采用 8253 等片外的專用計數(shù)芯片進(jìn)行脈沖計數(shù)，單片機(jī)控制 8253 的計數(shù)過程，并在計數(shù)完畢后讀取計數(shù)值。片內(nèi)計數(shù)方案是指采用單片機(jī)的內(nèi)部計數(shù)器完成對脈沖的計數(shù)過程。 本設(shè)計采用的是后一種計數(shù)方法。 （ 3） 數(shù)據(jù)顯示環(huán)節(jié) 本次設(shè)計要求顯 示 速度的范圍比較大 ，故使用了 6 個數(shù)碼管，考慮到 I/O 口不夠的問題，采用的動態(tài)顯示的方法。動態(tài)顯示具有用元器件少，占 I/O 口線少的優(yōu)點(diǎn)，但也會出現(xiàn)閃爍，鬼影等。這就要在軟件編程中解決。 （ 4） 超速報警功能 89C51 對 速度 的控制是通過 軟件的編寫來 實現(xiàn)的。 當(dāng)轉(zhuǎn)速超過我們設(shè)定的最高時速時，單片機(jī)計數(shù)器會檢測到脈沖數(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，那么就會觸發(fā)報警裝置，必要時候還可以通過繼電器來控制電機(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現(xiàn)。 基于單片機(jī)的數(shù)字測速儀的設(shè)計 6 （ 5） 串行通信環(huán)節(jié) PC機(jī)有一個功能 強(qiáng)大的可編程異步串行控制器 8250和兩個采用 RS232C串行通信標(biāo)準(zhǔn)接口 COM1,COM2,而 單片機(jī) 中有一個采用 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 信號電平轉(zhuǎn)換成 RS485標(biāo)準(zhǔn)電平信號 ,利用 RS485標(biāo)準(zhǔn)電平的優(yōu)勢 ,在一些特殊通信領(lǐng)域內(nèi)實現(xiàn) PC機(jī)和 單片機(jī)之間的串行長距離可靠通信。 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（論文） 7 第 2 章 硬件電路設(shè)計 單片機(jī) 89C51 介紹 89C51 引腳介紹 本次設(shè)計所用主要芯片是 89C51，現(xiàn)對各組成部分的情況介紹如下： CPU， 內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器，內(nèi)部程序存儲器，定時器，串行口，中斷控制系統(tǒng)，及時鐘電路等等。 信號引腳介紹： 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器時作地址的低字節(jié)在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時 作數(shù)據(jù)總線此時通過內(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 P1 口被內(nèi)部上拉為高電平可用作輸入口當(dāng)作為輸入腳時被外部拉低的 P1 口會因為內(nèi)部上拉而輸出電流。 P1 口第 2 功能： T2()定時 /計數(shù)器 2 的外部計數(shù)輸入 /時鐘輸出 (見可編程輸出 )。T2EX()定時 /計數(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 P2 口被內(nèi)部上拉為