参考基于51单片机的电机转速测量与显示系统Word文档格式.docx
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2.1直流电机的基本知识2
2.1.1直流电机的工作原理2
2.1.2电机的起／停控制3
2.1.3电机的方向控制3
2.1.4电机的速度控制4
2.251单片机的基础知识5
3系统总体方案设计13
3.1系统分析13
3.1.1电机转速的测量13
3.1.2电机转速的处理15
3.1.3电机转速的显示15
3.2设计思路和方案15
3.3系统构成16
3.3.1原理框图17
4硬件电路设计18
4.1电源电路18
4.2转速测量电路18
4.3LED显示模块20
4.4系统硬件设计20
5系统软件设计22
5.1计时方案的选择22
5.2软件结构划分23
5.2.1计时模块23
5.2.2转速计算模块24
结论26
参考文献27
致谢28
附录29
1绪论
1.1题目背景及目的
目前单片机渗透到我们生活的各个领域，几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪迹，导弹的导航装置，飞机上各种仪表的控制，计算机的网络通讯与数据传输，工业自动化过程的实时控制和数据处理，广泛使用的各种智能IC卡，民用豪华轿车的安全保障系统，录象机、摄象机、全自动洗衣机的控制，以及程控玩具、电子宠物等等，这些都离不开单片机。
1.2题目研究方法
测量转子速度的方法很多，但多数比较复杂。
目前，测量转速的方法主要有四种：
机械式、电磁式、光电式和激光式。
机械式主要利用离心力原理，通过一个随轴转动的固定质量重锤带动自由轴套上下运动，根据不同转速对应不同轴套位置获得测量结果原理简单直接，不需额外电器设备，适用于精度要求不高、接触式的转速测量场合。
电磁式系统由电磁传感器和安装在轴上的齿盘组成，主轴转动带动齿盘旋转，齿牙通过传感器时引起电路磁阻变化，经过放大整形后形成脉冲，通过脉冲得到转速值。
由于受齿盘加工精度、齿牙最小分辨间隔、电路最大计数频率等限制，测量精度不能保证。
光电式结构类似于电磁式结构，把旋转齿盘换作光电编码盘或黑白相间的反射条纹，把电磁传感器换作光电接收器，通过对反射回来的光脉冲信号计数得到测量结果。
由于受条纹最小分辨间隔、电路最大计数频率等限制，测量精度不能保证，所测转速值和电磁式一样为两个计数脉冲间距的平均值。
激光测速技术（LDV）是一种正在发展中的测速技术，通过激光多普勒效应获得转动体的瞬时角速度，理论上具有很高的瞬时转速测量精度，但目前实际产品精度不够高，并且价格昂贵，在实际使用上受到限制。
通过改进已有的电磁式传感器，设计一种适于瞬时转速测量的新型传感器，在旋转机械瞬时状态分析中具有一定的实际意义。
2系统设计基础知识
2.1直流电机的基本知识
2.1.1直流电机的工作原理
永磁式直流电机是应用很广泛的一种。
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。
2.1.2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。
2.1.3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。
2.1.4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。
因此在整个调速范围内；
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），随机存取内存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，其内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、一个片内振荡器及时钟电路，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单元作内部数据存储器，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、根据内部程序存储器ROM多少，MCS-51系列主要芯片与差异
8031片内无ROM；
8051片内4K掩膜ROM；
8751片内4K紫外线可擦除可编程程序存储器，EPROM；
89C51片内4K电可擦除可编程程序存储器，FLASHEEPROM；
89S51片内4K电可擦除可编程程序存储器，FLASHEEPROM，支持ISP；
89S52片内8K电可擦除可编程程序存储器，FLASHEEPROM，支持ISP。
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表示内部含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用于表示温度范围，它的意义如下：
X＝C，表示商业用产品，温度范围为0～十70℃。
X＝I，表示工业用产品，温度范围为—40～十85℃。
X＝A，表示汽车用产品，温度范围为—40～十125℃。
X＝M，表示军用产品，温度范围为—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。
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，内部含有串行下载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）一个片内振荡器和时序电路
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）
图2.7单片机引脚图
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；
“com”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。
（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
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