【正文】 tains the signal is the signal impulse. Along with microputer39。本文重點(diǎn)是測量速度并顯示在 5位 LED 數(shù)碼管上。詳細(xì)介紹了單片機(jī)的測量轉(zhuǎn)速系統(tǒng)及 PC機(jī)與單片機(jī)之間的串行通訊。本系統(tǒng)就是對電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行測量，并可以和 PC 機(jī)進(jìn)行通信，顯示電機(jī)的轉(zhuǎn)速，并觀察電機(jī)運(yùn)行的基本狀況。 本文便是運(yùn)用 AT89C51 單片機(jī)控制的智能化轉(zhuǎn)速測量儀。數(shù)字式通常采用光電編碼器，霍爾元件等為檢測元件，得到的信號是脈沖信號。哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 I 學(xué)士學(xué)位論文 基于單片機(jī)的電機(jī)轉(zhuǎn)速測速系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 摘要 在工程實(shí)踐中，經(jīng)常會遇到各種需要測量轉(zhuǎn)速的場合，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。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)速測量普遍采用以單片機(jī)為核心的數(shù)字式測量方法。電機(jī)在運(yùn)行過程中，需要對其進(jìn)行監(jiān)控，轉(zhuǎn)速是一個(gè)必不可少的一個(gè)參數(shù)。 本設(shè)計(jì)主要用 AT89C51 作為控制核心，由霍爾傳感器、 LED 數(shù)碼顯像管、HIN232CPE 電平轉(zhuǎn)換、及 RS232 構(gòu)成。充分發(fā)揮了單片機(jī)的性能。 其優(yōu)點(diǎn)硬件是電路簡單，軟件功能完善，測量速度快、精度高、控制系統(tǒng)可靠，性價(jià)比較高等特點(diǎn)。s widespread application, specially high performance price pared to monolithic integrated circuit39。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)字系統(tǒng)測量得到普遍應(yīng)用，特別是單片機(jī)對脈沖數(shù)字信號的強(qiáng)大處理能力，使得全數(shù)字測量系統(tǒng)越來越普及，其轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)也可以用全數(shù)字化處理。因此，本課題的目的是：對各種測量轉(zhuǎn)速的基本方法予以分析，針對不同的應(yīng)用環(huán)境，利用 80C51 系列單片機(jī)設(shè)計(jì)一種全數(shù)字化測速系統(tǒng)，從提高測量精度的角度出發(fā)，分析討論其產(chǎn)生誤差的可能原因，為今后的實(shí)際使用提供借鑒。 課題以單片機(jī)為中心，設(shè)計(jì)的全數(shù)字化測量轉(zhuǎn)速系統(tǒng)，在工業(yè)控制和民用電器中都有較高使用價(jià)值。如車輛的里程表、車速表等。并且，幾乎不需做很大改變直接就能作為 單獨(dú)的使用產(chǎn)品。 國內(nèi)外 發(fā)展水平 數(shù)字單片機(jī)的技術(shù)進(jìn)步反映在內(nèi)部結(jié)構(gòu)、功率消耗、外部電壓等級以及制造工藝上。在目前，用戶對單片機(jī)的需要越來越多，但是，要求也越來越高。 單片機(jī)在內(nèi)部已集成了越來越多的部件，這些部件包括一般常用的電路，例如：定時(shí)器，比較器， A/D 轉(zhuǎn)換器， D /A 轉(zhuǎn)換器，串行通信接口， Watchdog電路， LCD 控制器等。例如， Infineon 公司的 C 505C， C515C， C167CR， C167CS32FM， 81C90；Motorola 公司的 68HC08AZ 系列等。因此，這類單片機(jī)十分容易構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)。 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 6 為了能在變頻控制中方便使用單片機(jī)，形成最具經(jīng)濟(jì)效益的嵌入式控制系統(tǒng)。在這些單片機(jī)中，脈寬調(diào)制電路有 6 個(gè)通道輸出，可產(chǎn)生三相脈寬調(diào)制交流電壓，并內(nèi)部含死區(qū)控制等功能。在這個(gè)領(lǐng)域中，有不少是采用通用 CPU 單板機(jī)或通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。如氣輪機(jī)電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)、調(diào)速系統(tǒng)等。應(yīng)用系統(tǒng)如圖 11 所示，整個(gè)系統(tǒng)由基本部分和測控增強(qiáng)部分及外設(shè)增強(qiáng)部分構(gòu)成。它們直接與工業(yè)現(xiàn)場相連，是干擾進(jìn)入的主要通道，一般要采取隔離措施對于數(shù)字量（頻率、周期、相位、計(jì)數(shù)）的采集后可通過 I/O 口輸入，數(shù)字脈沖可直接作為計(jì)數(shù)輸入、測試輸入、 I/O 口輸入或中斷源輸入進(jìn)行事件計(jì)數(shù)、定時(shí)計(jì)數(shù)、實(shí)現(xiàn)脈沖 的頻率、相位及計(jì)數(shù)測量。 圖 11 單片機(jī)典型應(yīng)用系統(tǒng) 模擬量檢測 單 片 機(jī) 光電隔離 開關(guān)量檢測 開關(guān)量控制 伺服驅(qū)動控制 A/D 光電隔離 光電隔離 D/A EPROM 顯示器 I/O RAM 鍵盤 通用外設(shè) 數(shù)字量檢測 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 7 通過 A/D 變換后送入總線口， I/O 口或擴(kuò)展 I/O 口，并配以相應(yīng)的 A/D 轉(zhuǎn)換控制信號及地址線。應(yīng)用系統(tǒng)可根據(jù)任何一種輸入條件或內(nèi)部運(yùn)行結(jié)果進(jìn)行輸出控制。模擬量的輸出常為伺服驅(qū)動控制，控制輸出通過 D/A 變換后送入伺服驅(qū)動電路。下面列舉二例加以說明。隨著電力電子技術(shù)和控制技術(shù)的發(fā)展，交流調(diào)速系統(tǒng)日趨完善，其性能可與直流調(diào)速系統(tǒng)相媲美，其變頻調(diào)速的應(yīng)用范圍日益擴(kuò)大，但它的控制技術(shù)相對復(fù)雜，整個(gè)控制系統(tǒng)造價(jià)較高，在某些領(lǐng)域短時(shí)間內(nèi)還難以取直流調(diào)速系統(tǒng)，調(diào) 速系統(tǒng)便應(yīng)運(yùn)而生了。道統(tǒng)損耗小，裝置效率高；直流電源采用三相整流時(shí)，電網(wǎng)功率因數(shù)高，可廣泛用于交通、工礦企業(yè)等電力傳動系統(tǒng)中。轉(zhuǎn)速由單片機(jī)的 P0 口輸出，同時(shí)當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速超過設(shè)定值時(shí)，通過單片機(jī)的Ｐ 1口輸出信號，驅(qū)動響鈴報(bào)警。 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 8 圖 12 調(diào)速系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)速測量框圖 3． 轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)采用軟件實(shí)現(xiàn)，動態(tài)顯示容易，超限報(bào)警方便，提高了系統(tǒng)的靈 活性。 幾種常見的 轉(zhuǎn)速測量方法 轉(zhuǎn)速測量的方法有很多，根據(jù)工作原理可分為計(jì)數(shù)式、模擬式、同步式。 一般的轉(zhuǎn)速測試可用機(jī)械式轉(zhuǎn)速表、發(fā)電機(jī)式轉(zhuǎn)速表以及頻閃式測速表，但在有些情況下，其測量精度，瞬時(shí)穩(wěn)定度 不能滿足更高的要求，因此，在測量方法和傳感器的選擇上顯得尤為重要。 如表 11 所示 表 11 各種測速方法比較 脈沖輸入 鍵盤 單片機(jī) 顯示 報(bào)警 存儲器 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 9 就轉(zhuǎn)速測量原理而言，大體可分為三大類，一是用單位時(shí)間內(nèi)測得物體的旋轉(zhuǎn)角度來計(jì)算速度，例如在單位時(shí)間內(nèi)，累計(jì)轉(zhuǎn)速傳感器發(fā)出的 N 個(gè)脈沖，即為該單位時(shí)間的速度。即“ M”法；另一類是在給定 的角位移距離內(nèi)，通過測量這一角位移的時(shí)間來進(jìn)行測速的方法，稱測周法，即“ T”法，如給定的角位移 ，傳感器便發(fā)出一個(gè)電脈沖周期，以晶體震蕩頻率而產(chǎn)生的標(biāo)準(zhǔn)脈沖來度量這一周期時(shí)間，再經(jīng)換算可得轉(zhuǎn)速。在實(shí)際測量中，還須設(shè)定定時(shí)時(shí)間，兼顧高、低轉(zhuǎn)速時(shí)的精度影響，適時(shí)調(diào)節(jié)采樣時(shí)間 。詳細(xì)介紹了單片機(jī)的測量轉(zhuǎn)速系統(tǒng)及 PC機(jī)與單片機(jī)之間的串行通訊。本文重點(diǎn)是測量速度并顯示在 5位 LED 數(shù)碼管上。記錄各時(shí)段的轉(zhuǎn)速，畫出 VT 坐標(biāo)圖。 單片機(jī)可通過編程控制外圍部件，能實(shí)現(xiàn)較高的自動化程度。 系統(tǒng)要求及主要內(nèi)容 ： 將霍爾傳感器產(chǎn)生的脈沖信號輸出入到單片機(jī)的外部中斷 0 口，單片機(jī)工作在內(nèi)部定時(shí)器工作方式 0，對周期信號進(jìn)行內(nèi)部記數(shù)，調(diào)用計(jì)算公式算出轉(zhuǎn)速，調(diào)用顯示程序顯示在 LED 上，同時(shí)通過串口向 上位機(jī)發(fā)送轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)。 機(jī)部分主要完成將數(shù)據(jù)顯示在界面并描繪出 VT圖 。 傳感器電路、轉(zhuǎn)速測量、 LED 顯示、電平轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)等將在以下章節(jié) 作詳細(xì)地設(shè)計(jì)。 89C51 單片機(jī)通過 INT0 輸入傳感器的脈沖信號， P0 口 P2 口接 LED 動態(tài)顯示。 轉(zhuǎn)速測量部分的硬件設(shè)計(jì)思路：本次設(shè)計(jì)單片機(jī)部分的硬件框圖如圖 22所示。 處理執(zhí)行元件 單片機(jī)我們采用 AT89C51(其引腳圖如圖 23)，相較于 INTEL 公司的 8051它本身帶有一定的優(yōu)點(diǎn)。該器件采用 ATMEL 高密度非易失存儲器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的 MCS51 指令集和輸出管腳相兼容。 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 13 圖 23 AT89C51 引腳圖 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(shù)據(jù)保留時(shí)間： 10 年 ? 全靜態(tài)工作： 0Hz24Hz ? 三級程序存儲器鎖定 ? 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 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 14 ? 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； 口 ： 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。 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。 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。 口： 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。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在給出地址“ 1”時(shí)，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢，當(dāng)對外部八位地址數(shù)據(jù)存儲器進(jìn)行讀寫時(shí)， P2 口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。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。 P3 口也可作為 AT89C51 的一些特殊功能口，如下表 21 所示： 表 21 P3 口的第二功能 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 15 引 腳 第二功能 信 號 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 請求 外部中斷 1 請求 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)訪問外部存儲器時(shí)，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)。在平時(shí)， 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。然而要注意 的是：每當(dāng)用作外部數(shù)據(jù)存儲器時(shí)，將跳過一個(gè) ALE 脈沖。在由外部程序存儲器取指期間，每個(gè)機(jī)器周期兩次 /PSEN 有效。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)部程序存儲器。 ：來自反向振蕩器的輸出 。該反向放大器可以配置為片內(nèi)振蕩器。如采用外部時(shí)鐘源驅(qū)動器件， XTAL2 應(yīng)不接。 芯片擦除： 整個(gè) PEROM 陣列和三個(gè)鎖定位的電擦除可通過正確的控制信號組合 ，并保持 ALE 管腳處于低電平 10ms 來完成。 此外， AT89C51 設(shè)有穩(wěn)態(tài)邏輯，可以在低到零頻率的條件下靜態(tài)邏輯，支持兩種軟件可選的掉電模式。但 RAM，定時(shí)器，計(jì)數(shù)器，串口和中斷系統(tǒng)仍在工作。 時(shí)鐘電路 時(shí)鐘電路是計(jì)算機(jī)的心臟，它控制著計(jì)算機(jī)的工作節(jié)奏。 MCS51 內(nèi)部都有一個(gè)反相放大器， XTAL XTAL2 分別為反相放大器輸入和輸出端，外接定時(shí)反饋元件以后就組成振蕩器，產(chǎn)生時(shí)鐘送至單片機(jī)內(nèi)部的各個(gè)部件。 CMOS 型單片機(jī)內(nèi)部（如 AT89C51）有一個(gè)可控的負(fù)反饋反相放大器，外接晶振（或陶瓷諧振器）和電容組成振蕩器，圖 24 為 CMOS 型單片機(jī)時(shí)鐘電路框圖。清“ 0” PD，使振蕩器工作產(chǎn)生時(shí)鐘，單片機(jī)便正常運(yùn)行。電容 C1 和 C2 的作用有兩個(gè)：其一是使振蕩器起振，其二是對振蕩器的頻率 f起微調(diào)作用（ C C2 大， f變?。?，其典型值為 30pF。 MCS51 單片機(jī)有一個(gè)復(fù)位引腳 RST，它是史密特觸發(fā)輸入 (對于 CHMOS哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 17 單片機(jī)， RST 引腳的內(nèi)部有一個(gè)拉低電阻 )，當(dāng)振蕩器起振后該引腳上出現(xiàn) 2 個(gè)機(jī)器周期 (即 24 個(gè)時(shí)鐘周期 )以上的高電平，使器件復(fù)位，只要 RST 保持高電平， MCS51 保持復(fù)位狀態(tài)。 RST 變?yōu)榈碗娖胶?，退出?fù)位， CPU 從初始狀態(tài)開始工作。對于 MOS(AT89C51)單片機(jī)只要接一個(gè)電容至 VCC 即可 (見圖 25)。 RST 端在加電時(shí)應(yīng)保持的高電平時(shí)間包括 VCC 的上升時(shí)間和振蕩器起振的時(shí)間， Vss 上升時(shí)間若為 10ms，振蕩器起振的時(shí)間和頻率有關(guān)。 RC 時(shí)間常數(shù)越大，上電 RST 端保持高電平的時(shí)間越長。 + 5 VV c cR S TM C S 5 1V s sCR 圖 25 上電復(fù)位電路 顯示電路 顯示電路采用 LED數(shù)碼管動態(tài)顯示， LED（ LightEmitting Diode）是一種外加電壓從而渡過電流并發(fā)出可見光的器件。 LED有單個(gè) LED和八段 LED之分，也有共陰和共陽兩種。發(fā)光二極管的陽極連在一起的稱為共陽極顯示器 ,陰極連在一起的稱為共陰極顯示器。 此外，要畫出電路圖，首先還要搞清楚他的引腳圖的分布，在了解了正確的引腳圖后才能進(jìn)行正確的字型段碼編碼。 圖 26 七段發(fā)光顯示器的結(jié)構(gòu) D P Y abcde fgd pabcdgfeC O M.d p 1