完整版基于单片机的转速表设计2毕业论文文档格式.docx
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1.1转速表原理分析2
1.2转速计算及误差分析2
1.3转速测量4
1.4本章小结5
2单片机介绍6
2.1AT89C51简介6
2.2AT89C51引脚说明7
2.3其他功能9
2.4本章小结9
3硬件电路10
3.1转速信号获取电路10
3.2信号处理电路12
3.2.1放大整形电路12
3.2.2施密特触发器13
3.3显示电路14
3.3.1键盘接口14
3.3.2显示器接口15
3.3.3LED显示器18
3.3.4LED工作原理19
3.4直流稳压电路20
3.5报警电路20
3.6本章小结21
4软件设计22
4.1主程序框图22
4.2按键程序框图23
4.3显示程序框图25
4.4报警子程序框图26
4.5本章小结26
结论27
致谢28
参考文献29
附录一：
系统总图30
附录二：
主程序31
附录三：
按键程序37
附录四：
显示程序39
附录五：
报警子程序41
前言
转速表是机械行业必备的仪器之一，在自动化生产设备和旋转运动装置中应用十分广泛。
它可以用来测定电机的转速、线速度或频率。
常用于电机、电扇、造纸、塑料、化纤、洗衣机、汽车、飞机、轮船等制造业。
目前广泛使用的普通式转速表，其电路结构比较复杂，稳定性差，成本高，抗干扰能力差,测量精度与范围不能兼顾，而且采样的时间常，难以测得瞬时转速，更不具备如转速值的永久存储、报警值设置，定时打印等功能。
随着大规模集成电路的发展，微型计算机的应用愈来愈广泛，愈来愈深入。
其中单片机构成的嵌入式系统已经愈来愈受到人们的关注。
现在可以毫不夸张的说：
没有微型计算机的仪器不能称为先进的仪器。
嵌入式系统正是为了适应这一领域的需要而发展起来的一门新技术。
单片机嵌入式系统是内部含有微型计算机用于完成智化功能的电子系统。
它是先进的半导体技术、计算机技术和信息技术与各个行业的具体应用相结合的产物。
它最大的特点是它的“嵌入”性，也就是它“嵌入”到仪器仪表的内部，使用者甚至感觉不到它的存在，但它却在那里“默默”地工作。
它的优点是体积小、成本低、功能强、智能化。
将单片机嵌入到转速表内可以很大程度上改善转速表的稳定性、抗干扰能力、体积、功能、测量精度与范围等性能。
转速表性能的提高对机械行业的其他领域的发展起到不可忽视的促进作用。
本设计就是以单片机为核心的数字式转速表，转速表要显示转速要解决很多问题，比如信号数据采集、数据计算、数据传送、数据显示等。
本设计通过由传感器、放大电路、整形电路和单片机等组成的测量电路进行数据采集，通过设计软件进行计算、控制。
所得转速由串行口送出到LED数码管组成的4位静态显示电路，用以显示转速。
另外还有转速超限报警功能，用与单片机输入输出口连接的控制键输入转速上限，当所测量的转速超过这个值时，发出报警声音。
实现人机对话。
这次所设计出来的转速表的测量范围是0~9999rmin，相对误差小于±
0.3%，能自动变换周期，且具有声光报警功能。
1转速表原理
1.1转速表原理分析
目前常用的转速测量方法有M法、T法、MT法。
M法（即测频法）是指在固定的时间内测出转速传感器输出的脉冲个数。
经分析得知，M法在测高速时相对误差较小。
T法（即测周期法）是指在转速传感器输出脉冲周期内对时钟信号进行计数，测出转速脉冲周期，进而计算出转速。
经分析得知，T法在测低速时相对误差较小。
MT法是指在M法基础上吸取了T法之优点而形成的。
其测速过程是：
在转速传感器输出脉冲是上升沿到来时启动定时（定时时间为Tc）,同时计传感器输出脉冲个数和时钟脉冲个数，定时时间到，先停止对传感器输出脉冲的计数，待下一个传感器输出脉冲上升沿到来时在停止对时钟脉冲的计数，由记录的两脉冲m1和m2求出转速。
假定旋转体每转一周，转速传感器输出p个脉冲，又设转速N，时钟频率为f0，则
（1-1）
通过式（1-1）可方便地计算出转速，因为不存在误差，的最大误差为一个时钟，所以MT法测速时的相对误差为：
（1-2）
在式（1-2）中，由于m2通常较大，固相对误差较小，即该测量方法精度较高，在本转速表设计中，我采用的是MT法。
为了减少误差，在转速小于3600rpn时采用T法计算转速，而大于3600rpn就进行M法计算转速。
1.2转速计算及误差分析
根据转速、周期、频率之间的关系可知
（1-3）
（1-4）
（1-5）
式中，—被测转速，rmin；
—转速信号周期，s；
—转速信号频率，Hz；
—计算脉冲的周期，又称时基，本仪表Tc=4us；
将式（1-5）带入（1-3）得
（1-6）
用十六进制数表示为
式中N已存入75H、74H、73H单元。
利用除法子程序，即可求出转速。
下边计算该系统的相对误差。
分别对式（1-3）和式（1-5）求微分
（1-7）
（1-8）
将式（1-7）代入（1-8），得
（1-9）
式中，△N-量化误差，△N=±
1个计数脉冲，又已知时基Tc=4us，故
（1-10）
由式（1-10）可知，相对误差与频率成正比，即相对误差随转速的升高而升高。
因此，为了提高测量精度，高转速时需要连续测量数个周期。
本设计中为4个周期，即测得的N为4个周期内的总和，所以
（1-11）
（1-12）
用十六进制数表示，为
对式（1-12）进行微分
因此可求出高速测量时的相对误差
同样，代入Tc=4us，△N=±
1个脉冲，则
（1-13）
将式（1-13）与（1-10）比较可知，采用多周期测量相对精度大大提高。
例如，当n=3000rmin时，由式（1-10）可求出，其相对误差为
当n=6000rmin时，由式（1-12）计算出相对误差为
该仪表设置的临界转速为3662rmin，其对应的每周期计数脉冲个数。
开机时，首先按低转速测量，然后判转速n是高于还是低与3662rmin。
若低于此临界值，则仍按低速测量，若高于它，便主动转入高转速测量，即连续测量4个周期。
1.3转速测量
由式（1-6）和（1-12）可知，只要能够求出脉冲个数N，即可求出转速。
为了得到计数脉冲，可以采用门控方式的硬件技术方法，也可以采用中断方式的软件计数方法。
门控方式计数：
由AT89C51定时器计数器T0工作原理可知，当其工作在计数方式时，只要T0口上有负跳变，计数器就加1。
CPU在每个周期的S5P2状态时，采样T0，所以需要2个机器周期才能识别一个T0的负跳变，即T0的周期至少应等于2倍机器周期。
若晶振频率为6MHz，6分频后得到ALE信号，鼓ALE周期为1us，机器周期为2us。
由此可知，最低计数脉冲周期Tc为4us，可由ALE信号经74LS74中的两个D触发器4分频后取得。
中断方式计数：
高转速时为了连续测量4个输入周期，可以采用中断方式计数。
在初始化或前一次测量结束时，单片机禁止“外部中断0”和“定时器0溢出中断”。
设置“外部中断0”为负跳沿触发方式，设定“计数器0”为非门控计数方式，然后等待中断。
外部中断负脉冲一到，立即启动“计数器0”工作，对T0的4us计数脉冲进行计数。
计到4个测量周期时，停止“计数器0”工作，禁止外“中断”，恢复测量周期常数3，并计得的脉冲数存入相应单元。
门控方式和中断方式计数，有效的解决了精度测量输入脉冲周期和高低量程自动切换问题，测得计数脉冲个数后，即可转入计算转速n的子程序，计算结果的BCD码相应的存入4个存储单元，以备显示。
1.4本章小结
通过对转速表原理、计算、误差、转速测量等的分析，我们可以对本转速表的相关原理有一定了解：
（1）本转速表采用MT法进行转速测量。
在转速小于3600转时采用T法，转速大于3600转时用M法。
（2）该仪表设置的临界转速为3662rmin，其对应的每周期计数脉冲个数。
（3）门控方式和中断方式计数，有效的解决了精度测量输入脉冲周期和高低量程自动切换问题，测得计数脉冲个数后，即可转入计算转速n的子程序，计算结果的BCD码相应的存入4个存储单元，以备显示。
2单片机介绍
2.1AT89C51简介
该仪表机采用的是美国ATMEL公司生产的一种高性能、低功耗、带有4K字节闪烁存储器的8位CMOS单片机（AT89C51）。
它与MCS-51系列单片机的软硬件完全兼容。
内部4K字节的存储器既有EPROM的可编能力。
又有E2PROM的电擦除特性；
既有RAM的访问速度（约60ns），又有三级加密功能。
工作时，AT98C51的T0用于记录转速脉冲信号，T1用于内部时钟计数，P1.7用作T0、T1计数器的门空信号，以提高测量精度。
AT89C51模块组成及功能：
AT89C51是一个低功耗高性能单片机，40个引脚，32个外部双向输入输出（IO）端口，同时内含2个外中断口，2个16位可编程定时计数器，2个全双工串行通信口，AT89C51可以按照常规方法进行编程，也可以在线编程。
其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起，特别是可反复擦写的Flash存储器可有效地降低开发成本如图2.1所示：
图2.1AT89C51引脚图
AT89C51的主要功能特性：
·
兼容MCS—51指令系统·
4k可反复擦写（>
1000次）
32个双向IO口·
可编程UARL通道
两个16位可编程定时计数器·
全静态操作0-24MHz
1个串行中断·
1288bit内部RAM
两个外部中断源·
共6个中断源
可直接驱动LED·
3级加密位
低功耗空闲和掉电模式·
软件设置睡眠和唤醒功能
2.2AT89C51引脚说明
AT89C51的引脚可分为端口、控制和电源三类。
1）端口线：
AT89C51共有四个IO端口，分别为P0、P1、P2、P3都是双向的，且每个端口都有锁存器和8条线。
P0口有三个功能：
①外部扩充存储器时当作数据总线（D0-D7）；
②外部扩充存储器时当作地址总线（A0-A7）；
③不扩充时可做一般IO使用，但内部无上拉电阻。
在Flash编程时，P0口接收指令字节而在校验程序时，则输出指令字节。
验证时，要求外接上拉电阻。
P1口是一个带有内部上拉电阻的8位双向IO端口。
P1的输出缓冲器可驱动4个TTL输入。
对端口写1时，通过内部的上拉电阻把端口拉倒高电位，这时可用作输入口。
P1做输入口使用时，因为内部有上拉电阻那些被外不信号拉低的引脚会输出一个电流（IL）。
对Flash编程和校验程序时，P1口接收低8位地址。
P2口有两个功能：
①扩充外部存储器时当作地址总线（A8-A15）；
做一般IO使用，其内部有上拉电阻。
对Flash编程和校验程序时，P2口接收高8位地址。
和一些控制信号。
P3口有两个功能：
①做一般IO使用，其内部有上拉电阻；
②特殊功能，具体由特殊寄存器来设置如下表4.1所示。
对Flash编程和校验程序时，P3口接收一些控制信号。
表2.1P3第二功能定义
端口引脚
说明
P3.0
（串行输入口）
P3.1
（串行输出口）
P3.2
（外部中断0）
P3.3
（外部中断1）
P3.4
（定时器0外部计数输入）
P3.5
（定时器1外部计数输入）
P3.6
（外部数据存储器写选通输出）
P3.7
（外部数据存储器读选通输出）
2）控制线：
ALEPROG地址锁存允许编程线：
地址锁存使能信号端，其功能有三：
①AT89C51外接RAMROM：
ALE接地址锁存器8282、8212的STB脚，74373的EN脚。
当CPU对外部存储器进行存取时，用以锁住地址的低位地址；
②AT89C51未外接RAMROM：
在系统中未使用外部存储器时，ALE脚也会有16石英晶体的振荡频率，可作为外部时钟；
③在烧写EPROM时ALE作为烧写时钟的输入端。
EAVPP允许访问片内外存储器编程电源线：
其接高电平时，CPU读取内部程序存储（ROM）；
当读取内部程序存储器超过0FFFH时，在扩充外部ROM条件下自动读取外部ROM。
PSEN片外ROM选通线：
程序存储使能端。
XTAL1片内振荡器反相放大器和时钟发生线路的输入端。
使用片内振荡器时，连接外部石英晶体和微调电容。
XTAL2片内振荡器反相放大器的输入端，当使用片内振荡器时，外接石英晶体和微调电容。
RSTVPD复位备用电源线：
RST接高电平，使AT89C51处于复位（即初始化）工作方式。
RSTVPD还可以作为备用电源输入端。
当主电源VCC降低到规定电平以下时，RSTVPD线上的备用电源自动投入，以保证片内的RAM中信息不丢失。
3）电源线：
VCC为+5伏电源线，VSS为接地线。
2.3其他功能
芯片擦除：
整个PEROM阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合，并保持ALE管脚处于低电平10ms来完成。
在芯片擦操作中，代码阵列全被写“1”且在任何非空存储字节被重复编程以前，该操作必须被执行。
此外，AT89C51设有稳态逻辑，可以在低到零频率的条件下静态逻辑，支持两种软件可选的掉电模式。
在闲置模式下，CPU停止工作。
但RAM，定时器，计数器，串口和中断系统仍在工作。
在掉电模式下，保存RAM的内容并且冻结振荡器，禁止所用其他芯片功能，直到下一个硬件复位为止。
2.4本章小结
通过对AT89C51单片机的介绍，我们单片机的基本结构有所了解，也可以得出他的特点：
（1）功能齐全，应用可靠，抗干扰能力强。
有40个引脚，有控制线、端口线、电源线，且有些引脚具有第二功能，使其功能等都更加强大
（2）发展迅速，前景广阔，易于普及。
单片机的P口都是准双向口为用户留有更多的选择。
别且他还有芯片擦除功能，使得数据的写入读取更加方便
3硬件电路
本转速表硬件电路框图如图3.1所示。
该电路由转速信号获取电路、功能按键、LED显示、报警电路和单片机等几部分组成。
图3.1转速表硬件电路框图
3.1转速信号获取电路
转速信号一般是不能直接得到的，所以要把转速信号输入到单片机中，首先要把转速信号提取出来，一般转速信可以号采用传感器来得到。
常用的传感器有霍尔传感器和光电传感器。
霍尔传感器是靠磁性感应来采集脉冲的，使用时间长了会出现磁性变小的情况，影响脉冲的采样精度。
而光电传感器则不存在这种情况。
本次设计就选用了光电传感器。
（1）光电传感器
光电传感器是一种应用非常广泛的器件，有各种各样的类型，如透射式、反射式等，其基本原理基本相同，都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，其原理图如图3.2所示。
图3.2透射式光电传感器
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。
根据这一特性可以制作一个遮光叶片安装在转轴上，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。
（2）传感器电路
图3.3所示为本转速表传感器电路。
图3.3传感器电路
由于红外光不可见，无法用肉眼识别发光信号是否在工作，故将红外线的输出回路串接了一个普通光电二极管作为判别光源发生回路是否为通路。
所选用的红外二极管IR3401，在正向工作电流为20mA时，其导通电压为1.2-1.5V，所选用的发光二极管的正向压降一般为1.5-2.0V，电流为10-20Ma。
R的计算公式为：
计算得：
Rmin=425Ω；
Rmin=465Ω。
设定中所选阻值为430Ω（Rmin≤R≤Rmax）。
转速传感器输出电压幅度在0-1.6mV呈正弦波变化,由此可见,红外线接收三极管的光信号转化为电信号的电压Uo很微弱（一般为mV量级），需要进行信号处理。
具体的处理电路将在后面介绍。
3.2信号处理电路
经过传感器取得的转速信号其信号强度、波形类型可能都是不能被单片机直接接收的，所以取得的信号要经过处理才能输入到单片机中。
3.2.1放大整形电路
由传感器得到的信号要经过处理才能发送到单片机中，信号一般要经过放大整形处理，本转速表选用LM393对输出的信号进行放大整形。
整形电路的主要作用是将正弦波信号转化为矩形脉冲信号，正弦波信号电压的最大幅值约为4.8V，最小幅值为0V。
其整形电路如图3.4所示。
图3.4放大整形电路
3.2.2施密特触发器
数字系统中，矩形脉冲在传输中经常发生波形畸变，出现上升沿和下降沿不理想的情况，这时可用施密特触发器进行整形，获得较理想的矩形脉冲。
1）施密特触发器结构
图3.5555定时器
施密特触发器是脉冲波形变换中经常使用的当输入电压大于电路导通电压时，输出维持于一个恒定的电压值，当输入电压低于电路截止电压时，输出维持于另一个恒定的电压值。
将555定时器高触发端TH和低触发端TR连接起来作为信号输入端，即可构成施密特触发器，其实际接线如图3.6所示：
图3.6施密特触发器实际接线图
2）施密特触发器工作原理
（a）上升过程：
在图3.6中R1取2.4K，R2取2K，Vco端经0.01uf电容旁路接地。
电源电压5V。
由于比较器C1、C2的参考电压不同，因而基本RS触发器的置0信号（=0）和置1信号（=0）必然发生在输入信号的不同电平，因此输出电压v0由高变低和由低变高所对应的vi值亦不相同。
首先来分析首先分析vi从0开始升高的过程。
由图1可知：
当vi<
13Vcc时，=1，=0，Q=1，Q=0，故；
当13Vcc<
vi<
23Vcc时，==1，故不变；
当vi>
23Vcc以后，=0，=1，Q=1，Q=0，故不变；
当vi上升到23Vcc时，电路的输出状态跃迁；
当vi再增大时，对电路的输出状态没有影响。
（b）下降的过程：
当vi高电平逐渐下降且13Vcc<
23Vcc时，==1，基本RS触发器保持原状态不变，Q=0，Q=1，输出v0=VOL不变；
13Vcc时，=1，=0，Q=1，Q=0，输出；
当vi下降到13Vcc时，电路输出状态又一次跃迁：
施密特触发器的下限阈值电压。
（c）回差电压为：
根据上面分析由图3.6接成施密特触发器后，用低频信号发生器输出的正弦波信号作为vi，频率在2kHz左右，用双踪示波器在vi和vo端观测波形，其输出端vo输出为矩形波。
调节电源电压，矩形波前后沿将随着变化。
3.3显示电路
3.3.1键盘接口
键盘是一组开关的集合，是单片机系统中最常用的输入设备之一。
键盘可以分为独立联接式和矩阵式两类，每一类按其译码方法又都可分为编码及非编码两种形式。
编码键盘程序设计简单，但硬件电路复杂，价格较高；
非编码键盘用软件来实现识别键、编码转换、去抖等功能，硬件电路简单，价格便宜。
现代微机系统中广泛采用非编码键盘，采用行扫描法识别按下的按键。
在本次设计中我采用的是独立联接式非编码键盘。
这是最简单的键盘结构，每一键互相独立地各自接通一条输入数据线，如图3.7所示。
任何一个键按下时，与之相联的输入数据线即被置0（低电平），而平时该线为1（高电平）。
要判别是否有键按下，用单片机的位处理指令，十分简单。
图3.7独立联接式非编码键盘
在这次系统设计当中，我预先设置了6个按键，1＃键作为数据写入，2＃实现＋1功能，3#号键作为左移功能，4＃键实现报警取消功能键，5#键作为所存的峰值复位，6#作为显示峰值转速，为系统将来可能进一步的完善作准备。
3.3.2显示器接口
在单片机系统中，最常用的两种显示器是发光二极管显示器（LED）和液晶显示器（LCD）。
本次设计，我采用发光二极管显示器。
七段LED有共阴极与共阳极两种。
为了在七段LED上显示字
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