基于51单片机的电机转速测量和显示系统Word格式.docx
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只要在它上面加适当电压。
电机就转动。
图2.1是这种电机的符号和简化等效电路[1]。
工作原理图：
图2.1直流电机的符号和等效电路
这种电机由定子、转子、换向器（又称整流子）、电刷等组成，定子用作产生磁场。
转于是在定子磁场作用下，得到转矩而旋转起来。
换向器及时改变了电流方向，使转子能连续旋转下去。
也就是说，直流电压加在电刷上，经换向器加到转子线圈，流过电流而产生磁场，这磁场与定子的固定磁场作用，转子被强迫转动起来。
当它转动时，由于磁场的相互作用，也将产生反电动势，它的大小正比于转子的速度，方向和所加的直流电压相反。
图2.1（b）给出了等效电路。
Rw代表转子绕组的总电阻，E代表与速度相关的反电动势。
永磁式换流器电机的特点：
当电机负载固定时，电机转速正比于所加的电源电压。
当电机直流电源固定时，电机的工作电流正比于转予负载的大小。
加于电机的有效电压，等于外加直流电压减去反电动势。
因此当用固定电压驱动电机时，电机的速度趋向于自稳定。
因为负载增加时，转子有慢下来的倾向，于是反电动势减少，而使有效电压增加，反过来又将使转子有快起来的倾向，所以总的效果使速度稳定。
当转子静止时，反电动势为零，电机电流最大。
其最大值等于V／Rw（这儿V是电源电压）。
最大·
电流出现在刚起动的条件。
转子转动的方向，可由电机上所加电压的极性来控制。
体积小、重量轻、起动转矩大。
由于具备上述的那些特点，所以在医疗器械、小型机床、电子仪器、计算机、气象探空仪、探矿测井、电动工具、家用电器及电子玩具等各个方面，都得到广泛的应用。
对这种永磁式电机的控制，主要有电机的起停控制、方向控制、可变速度控制和速度的稳定控制。
电机的起／停控制
电机的起／停控制，最简单最原始的方法是在电机与电源之间，加一机械开关。
或者用继电器的触点控制。
现在比较流行的方法，是用开关晶体管来代替机械开关，无触点、无火花干扰，速度快。
电路如图2.2（a）所示。
当输入端为低电平时，开关晶体管Q1截止，电机无电流而处于停止状态。
如果输入端为高电平时，Q1饱和导通，电机中有电流，因此电机起动运转。
图中二极管D1和D2是保护二极管，防止反电动势损坏晶体管。
电容C1是消除射频干扰而外加的。
R1基极限流电阻，限制Q1的基极电流。
在6V电源时，基极电流不超过52mA。
在这种情况下，Q1提供电机的最大电流为1A左右。
图2.2用晶体管控制电机启停,（b）增强灵敏度
图2.2（a）的电路，因基极电流需外部驱动电路。
如果再增加一级缓冲放大，如图2.2（b）的电路，驱动电流减少到2mA。
R3限制Q1的基极电流到安全值。
其他元件作用与（a）图中相同。
电机的方向控制
水磁式换流器电机的转动方向，可以用改变电源极性的方法，使电机反转。
如果用正、负双极性电源，可用一个单刀进行转换，如图2.3（a）所示。
因为电机的电流直接通过开关，容易烧坏开关接点。
所以可以改用功率开关晶体管来代替机械开关，就可以克服上述缺点。
电路如图2.3（b）所示。
图2.3电机方向控制
电路工作原理：
当开关SW1置于“正转”位时，Q1和Q3的基极加上偏流；
Q2和Q4的偏置电路被断开。
所以Q1和Q3导通，Q2和Q4截止。
电流从V＋→Q3发射极→Q3集电极→电机正端→电机负端→地形成回路，此时电机正转。
同理，如果SW1置于“反转’位置时，Q2和Q4得到偏流而导通；
01和Q3截止。
电流从电源地端→电机负端→电机正端→Q4集电极→Q4发射极→电源负端形成回路，故电机电源与上述情况相反，因此电机反转。
而SW1置于断时，电机停止转动。
图2.3（b）电路中SW1要转接正、负电源。
在接口电路的应用中，用电子开关来代替SW1就比较困难。
为了克服这个缺点，可用图2.3（c）的电路加以改进。
图2.3（c）中的SW1就很容易用电子开关来代替。
在这个电路中，SW1置于“正转”位置时，Q1和Q3导通，Q2和Q4截止。
SW1置于“反转”位置时，Q2和Q4导通，Q1和Q3截止。
电机的速度控制
直流电机的转速与所加的电压有效值成正比。
图2.4是12V直流电机的可变电压速度控制。
图中Q1和Q2是复合管射极跟随器，电机的直流电压可从0V变到12v。
这种电路的特点是：
在中速和高速时，速度的控制和自动调节的性能很好。
但是低速和慢启动特性比较差。
用开关方式或脉宽调制，可以获得非常好的速度控制性能。
电路图如2.5所示：
图2.412VDC电机速度控制
图2.512V直流电机开关方式速度控制
图中IC1作为50Hz的无稳多谐振荡器，它产生一个矩形波输出，占空比可变从20比1到1比20，由RV1进行调节。
这个波形经过Q1和Q2送到电机，电机上的电压有效值是随RV1的调节而变化的（总的周期是50HZ）。
不过电机上所加上的电压，是具有峰值电压为12V的功率脉冲。
因此在整个调速围；
性能都非常好。
即使在很低的速度，转矩也很大。
速度控制的程度，正比于所加电压的有效值。
2.251单片机的基础知识
随着大规模集成电路的出现和发展，芯片生产厂家把中央处理器CPU（CentralProcessingUnit），随机存取存RAM（RandomAccessMemory），只读存储器ROM（ReadOnlyMemory），定时器/计数器以及I/O（Input/Output）接口电路等主要计算机部件，集成在一块集成电路芯片（硅片）上，形成芯片级计算机，称为单片微型计算机（singlechipmicrocomputer），直译为单片机。
虽然单片机只是一个芯片，但从组成和功能上看，它已具有了微机系统的含义，又称微型处理部件MCU（MicroControllerUnit）,单片机商品名称为微控制器单元。
单片机具有优异的性能价格比、体积小、可靠性高、控制功能强，广泛应用在智能仪表、机电一体化、实时过程控制、机器人、家用电器、模糊控制、通信系统等领域。
根据单片机能够一次处理的数据的宽度（二进制位数），单片机分为1位机、4位机、8位机、16位机、32位机。
目前，应用最广的产品是8位单片机，其中又属Intel公司出品的MCS-51系列单片机应用最广。
MCS-51系列单片机已经成为事实上的工业标准，其部包含如下功能部件：
1、一个8位的中央处理器CPU，完成运算和控制功能；
2、一个片振荡器及时钟电路，外接石英晶体和微调电容需外接，为单片机产生时钟脉冲序列，系统允许的晶振频率0～33MHz；
3、256BRAM数据存储器，前128单元作部数据存储器，可擦写的数据，后128单元为专用寄存器。
4、两个16位定时器/计数器，以实现定时或计数功能，并以其定时或计数结果对计算机进行控制。
5、可寻址的64KB外部数据存储器以及控制电路。
6、可寻址的64KB外部程序存储器以及控制电路。
7、21个特殊功能寄存器
8、32条可编程的I/O线（四个8位I/O并行端口）
9、一个可编程全双工串行口，可作全双工异步通信收发器使用,实现单片机和其它设备之的串行资料传送；
也可作为同步移位器使用
10、五个中断源,外中断2个,定时/计数中断2个,串行中断1个；
两个优先级，全部中断分为高级和低级共两个优先级。
11、根据部程序存储器ROM多少，MCS-51系列主要芯片与差异
8031片无ROM；
8051片4K掩膜ROM；
8751片4K紫外线可擦除可编程程序存储器，EPROM；
89C51片4K电可擦除可编程程序存储器，FLASHEEPROM；
89S51片4K电可擦除可编程程序存储器，FLASHEEPROM，支持ISP；
89S52片8K电可擦除可编程程序存储器，FLASHEEPROM，支持ISP。
如图2.6所示：
图2.651系列单片机
AT89系列单片机的型号编码由：
前缀、型号和后缀三个部分组成。
例如：
AT89SXXXXXXXX其中，AT是前缀，89SXXXX是型号，XXXX是后缀。
（1）前缀由字母“AT”组成，表示该器件是ATMEL公司的产品。
（2）型号由“89CXXXX”或“89LVXXXX”或“89SXXXX”等表示。
9表示部含Flash存储器，
“89CXXXX”中，C表示CMOS产品。
“89LVXXXX”中，LV表示低压产品。
“89SXXXX”中，S表示含有串行下载Flash存储器。
（3）后缀由“XXXX”四个参数组成
后缀中的第一个参数X用于表示速度
X＝12，表示速度为12MHz。
X＝24，表示速度为24MHz。
后缀中的第二个参数X用于表示封装
X＝J，表示PLCC封装，PlasticLeadedChipCarrier；
X＝P，表示塑料双列直插DIP封装，DualInlinePackage；
后缀中第三个参数X用于表示温度围，它的意义如下：
X＝C，表示商业用产品，温度围为0～十70℃。
X＝I，表示工业用产品，温度围为—40～十85℃。
X＝A，表示汽车用产品，温度围为—40～十125℃。
X＝M，表示军用产品，温度围为—55～十150℃。
后缀中第四个参数X用于说明产品的处理情况，它的意义如下：
X为空，表示处理工艺是标准工艺。
X＝／883，表示处理工艺采用MIL—STD—883标准。
图2.7单片机引脚图
有一个单片机型号为“AT89S51—24PC—0246”，则表示意义为该单片机是ATMEL公司的Flash单片机，部含有串行下载Flash存储器，速度为24MHz，封装为塑料双列直插封装DIP，是商业用产品，按MIL—STD—0246标准处理工艺生产。
本系统采用的是AT89S52（如图2.7）
它包括下列几个部件：
1）一个8位的CPU
2）一个片振荡器和时序电路
3）4KB程序存储器ROM
4）128字节数据存储器RAM
5）两个16位可编程的定时器/计数器
6）1个可编程的全双工串行口
7）4个8位可编程并行I/O端口，即P0,P1,P2,P3口
8）64KB片外程序存储器ROM和64KB片外数据存储器RAM的扩展控制电路
9）两个优先级嵌套中断结构，5个中断源
2.3LED显示管
数码管中有8个发光二极管，其中7个发光二极管长条段状，可组成数字字形，1个发光二极管为点状，形成小数点，所以有时称为七段码。
七段数码管引脚编码从左下脚开始，分别为第1引脚、第2引脚．．．。
七段数码管的8个发光二极管分别命名为a、b、c、d、e、f、g、dp；
“”为8个LED的公共引脚。
按照公共引脚的接法，七段数码管分共阳极和共阴极两种。
共阳极的七段数码管将所有LED的正极连接在公共引脚，接到电源线。
当某一个LED负极为低电平时，发亮；
为高电平时，变暗。
共阴极的七段数码管将所有LED的负极连接在公共引脚，接到地线。
当某一个LED正极为高电平时，发亮；
为低电平时，变暗。
如图2.8所示：
（a）实物图（b）引脚外形图（c）共阴极法（d）共阳极法
图2.8LED显示数码管原理图
2.4传感器
最广义地来说，传感器是一种能把物理量或化学量转变成便于利用的电信号的器件。
国际电工委员会（IEC:
InternationalElectrotechnicalCommittee）的定义为：
“传感器是测量系统中的一种前置部件，它将输入变量转换成可供测量的信号”。
按照Gopel等的说法是：
“传感器是包括承载体和电路连接的敏感元件”，而“传感器系统则是组合有某种信息处理（模拟或数字）能力的传感器”。
传感器是传感器系统的一个组成部分，它是被测量信号输入的第一道关口。
[2]
传感器系统的原则
进入传感器的信号幅度是很小的，而且混杂有干扰信号和噪声。
为了方便随后的处理过程，首先要将信号整形成具有最佳特性的波形，有时还需要将信号线性化，该工作是由放大器、滤波器以及其他一些模拟电路完成的。
在某些情况下，这些电路的一部分是和传感器部件直接相邻的。
成形后的信号随后转换成数字信号，并输入到微处理器。
德国和俄罗斯学者认为传感器应是由二部分组成的，即直接感知被测量信号的敏感元件部分和初始处理信号的电路部分。
按这种理解，传感器还包含了信号成形器的电路部分。
传感器系统的性能主要取决于传感器，传感器把某种形式的能量转换成另一种形式的能量。
有两类传感器：
有源的和无源的。
有源传感器能将一种能量形式直接转变成另一种，不需要外接的能源或激励源
有源（a）和无源（b）传感器的信号流程如下：
无源传感器不能直接转换能量形式，但它能控制从另一输入端输入的能量，激励能
传感器承担将某个对象或过程的特定特性转换成数量的工作。
其“对象”可以是固体、液体或气体，而它们的状态可以是静态的，也可以是动态（即过程）的。
对象特性被转换量化后可以通过多种方式检测。
对象的特性可以是物理性质的，也可以是化学性质的。
按照其工作原理，传感器将对象特性或状态参数转换成可测定的电学量，然后将此电信号分离出来，送入传感器系统加以评测或标示。
各种物理效应和工作机理被用于制作不同功能的传感器。
传感器可以直接接触被测量对象，也可以不接触。
用于传感器的工作机制和效应类型不断增加，其包含的处理过程日益完善。
常将传感器的功能与人类5大感觉器官相比拟：
光敏传感器——视觉声敏传感器——听觉
气敏传感器——嗅觉化学传感器——味觉
压敏、温敏、流体传感器——触觉
与当代的传感器相比，人类的感觉能力好得多，但也有一些传感器比人的感觉功能优越，例如人类没有能力感知紫外或红外线辐射，感觉不到电磁场、无色无味的气体等。
对传感器设定了许多技术要求，有一些是对所有类型传感器都适用的，也有只对特定类型传感器适用的特殊要求。
针对传感器的工作原理和结构在不同场合均需要的基本要：
高灵敏度、抗干扰的稳定性（对噪声不敏感）、线性、容易调节（校准简易）、高精度、高可靠性、无迟滞性、工作寿命长（耐用性）、可重复性、抗老化、高响应速率、抗环境影响（热、振动、酸、碱、空气、水、尘埃）的能力、选择性、安全性（传感器应是无污染的）、互换性、低成本、宽测量围、小尺寸、重量轻和高强度、宽工作温度围、传感器的分类。
可以用不同的观点对传感器进行分类：
它们的转换原理（传感器工作的基本物理或化学效应）；
它们的用途；
它们的输出信号类型以及制作它们的材料和工艺等。
根据传感器工作原理，可分为物理传感器和化学传感器二大类
传感器工作原理的分类物理传感器应用的是物理效应，诸如压电效应，磁致伸缩现象，离化、极化、热电、光电、磁电等效应。
被测信号量的微小变化都将转换成电信号。
化学传感器包括那些以化学吸附、电化学反应等现象为因果关系的传感器，被测信号量的微小变化也将转换成电信号。
有些传感器既不能划分到物理类，也不能划分为化学类。
大多数传感器是以物理原理为基础运作的。
化学传感器技术问题较多，例如可靠性问题，规模生产的可能性，价格问题等，解决了这类难题，化学传感器的应用将会有巨大增长。
按照其用途，传感器可分类为：
压力敏和力敏传感器、位置传感器、液面传感器、能耗传感器、速度传感器、热敏传感器、加速度传感器、射线辐射传感器、振动传感器、湿敏传感器、磁敏传感器、气敏传感器、真空度传感器、生物传感器等。
以其输出信号为标准可将传感器分为：
模拟传感器——将被测量的非电学量转换成模拟电信号。
数字传感器——将被测量的非电学量转换成数字输出信号（包括直接和间接转换）。
膺数字传感器——将被测量的信号量转换成频率信号或短周期信号的输出（包括直接或间接转换）。
开关传感器——当一个被测量的信号达到某个特定的阈值时，传感器相应地输出一个设定的低电平或高电平信号。
在外界因素的作用下，所有材料都会作出相应的、具有特征性的反应。
它们中的那些对外界作用最敏感的材料，即那些具有功能特性的材料，被用来制作传感器的敏感元件。
从所应用的材料观点出发可将传感器分成下列几类：
1、按照其所用材料的类别分：
金属、聚合物、瓷、混合物。
2、按材料的物理性质分：
导体、绝缘体、半导体、磁性材料。
3、按材料的晶体结构分：
单晶、多晶、非晶材料。
与采用新材料紧密相关的传感器开发工作，可以归纳为下述三个方向：
（1）在已知的材料中探索新的现象、效应和反应，然后使它们能在传感器技术中得到实际使用。
（2）探索新的材料，应用那些已知的现象、效应和反应来改进传感器技术。
（3）在研究新型材料的基础上探索新现象、新效应和反应，并在传感器技术中加以具体实施。
现代传感器制造业的进展取决于用于传感器技术的新材料和敏感元件的开发强度。
传感器开发的基本趋势是和半导体以及介质材料的应用密切关联的。
表1.2中给出了一些可用于传感器技术的、能够转换能量形式的材料。
按照其制造工艺，可以将传感器区分为：
集成传感器薄膜传感器厚膜传感器瓷传感器
集成传感器是用标准的生产硅基半导体集成电路的工艺技术制造的。
通常还将用于初步处理被测信号的部分电路也集成在同一芯片上。
薄膜传感器则是通过沉积在介质衬底（基板）上的，相应敏感材料的薄膜形成的。
使用混合工艺时，同样可将部分电路制造在此基板上。
厚膜传感器是利用相应材料的浆料，涂覆在瓷基片上制成的，基片通常是Al2O3制成的，然后进行热处理，使厚膜成形。
瓷传感器采用标准的瓷工艺或其某种变种工艺（溶胶-凝胶等）生产。
完成适当的预备性操作之后，已成形的元件在高温中进行烧结。
厚膜和瓷传感器这二种工艺之间有许多共同特性，在某些方面，可以认为厚膜工艺是瓷工艺的一种变型。
每种工艺技术都有自已的优点和不足。
由于研究、开发和生产所需的资本投入较低，以及传感器参数的高稳定性等原因，采用瓷和厚膜传感器比较合理。
3系统总体方案设计
3.1系统分析
给直流电机加载直流电，电机就会转动。
改变电压的正负可以改变电机的转动方向，电压为正时电机正转，电压为负时电机反转；
改变电压的高低可以改变电机的转速，电压高则转动速度快，电压低则转动速度慢。
转速是工程上的一个常用参数。
转速通常以每秒种或每分钟的转数来表示，因此单位为r/s或r/min。
有时也用角速度表示，这时的单位相应为rad/s。
电机转速的测量
单片机能够处理二进制数字信号，而电机的转速是物理量，非电量信号，需要中间电路把转速转换成单片机可以处理的信号[3]。
传感器是把外界信号转换成电信号的器件，是检测和控制系统中最关键的部分，在当代科学技术中，传感器占据了及其重要的地位。
目前，集成技术在传感器技术中的成功应用，使传感器小型化、长寿命和低成本，是现代传感器的发展方向之一。
脉冲信号的获得
1、霍尔传感器
霍尔传感器是对磁敏感的传感元件，常用于开关信号采集的有CS3020、CS3040等，这种传感器是一个3端器件，外形与三极管相似，只要接上电源、地，即可工作，输出通常是集电极开路（OC）门输出，工作电压围宽，使用非常方便。
如图3.1所示是CS3020的外形图，将有字面对准自己，三根引脚从左向右分别是Vcc，地，输出。
图3.1CS3020外形图
使用霍尔传感器获得脉冲信号，其机械结构也可以做得较为简单，只要在转轴的圆周上粘上一粒磁钢，让霍尔开关靠近磁钢，就有信号输出，转轴旋转时，就会不断地产生脉冲信号输出。
如果在圆周上粘上多粒磁钢，可以实现旋转一周，获得多个脉冲输出。
在粘磁钢时要注意，霍尔传感器对磁场方向敏感，粘之前可以先手动接近一下传感器，如果没有信号输出，可以换一个方向再试。
这种传感器不怕灰尘、油污，在工业现场应用广泛。
2、光电传感器
光电传感器是应用非常广泛的一种器件，有各种各样的形式，如透射式、反射式等，基本的原理就是当发射管光照射到接收管时，接收管导通，反之关断。
以透射式为例，如图2所示，当不透光的物体挡住发射与接收之间的间隙时，开关管关断，否则打开。
为此，可以制作一个遮光叶片如图3所示，安装在转轴上，当扇叶经过时，产生脉冲信号。
当叶片数较多时，旋转一周可以获得多个脉冲信号。
图3.2光电传感器的原理图
图3.3遮光叶片
3、光电编码器
光电编码器的工作原理与光电传感器一样，不过它已将光电传感器、电子电路、码盘等
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