基于单片机的转速表设计.docx

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基于单片机的转速表设计

基于单片机的转速表设计与实现

摘要

单片机又称单片微控制器（MCU），它把一个计算机系统集成到一个芯片上。

它的体积小、质量轻、价格便宜、为学习、应用和开发提供了便利条件。

本文便是运用AT89C51单片机控制的转速表设计。

电机在运行过程中，需要对其进行监控，转速是一个必不可少的参数。

数字式转速表就是对电机转速进行测量，并可以和PC机进行通信，显示电机的转速，并观察电机运行的基本情况。

本设计主要是运用了AT89C51作为控制核心，由霍尔传感器，LED数码显示管，施密特触发器等构成。

充分发挥单片机的性能。

本设计优点是电路较简单、功能完善、测量速度快、精度高、控制系统可靠，性价比较高等特点。

关键字：

AT89C51单片机转速测量霍尔传感器

Abstract

Single-chip,alsoknownassingle-chipmicrocontroller（MCU）,itisacomputersystemintegratedintoachip.It’ssmallsize,lightweight,cheap,forthelearning,applicationanddevelopmentoffacilitiesprovided.

Thisarticle,weusetheAT89C51microcontrollertocontrolthedigitaltachometer.Duringoperation,themotorneedstobemonitoring,speedisanessentialparameter.Digitaltachometertomeasuremotorspeed,andcancommunicatewithaPC,displaythemotorspeed,andobservethemotorrunning.ThisdesignwithAT89C51ascontrolcore,bytheHallsensor,LEDdigitaldisplaytube,thecompositionoftheSchmitttrigger,andsoon.Givefullplaytotheperformanceofthemicrocontroller.

Theadvantageofasimplehardwareandsoftwarecapabilitiesimprove,measuringspeed,highprecisionandcontrolsystemreliable,cost-effectiveandsoon.

Keywords:

AT89C51TachometerDigital；speedsmeasure;Hallelement

1引言

随着现代科学技术特别是微型计算机的高速发展，计量技术相应地也得到迅速发展，单片微机技术也得到了飞速发展。

单片机在我国大规模的应用已有十余年历史，单片机技术的研究和推广正方兴未艾。

对转速表的要求越来越高。

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。

在这个领域中，数字仪表越来越现实它的优越性和生命力：

精度高、速度快、便于记录、控制和传递，因而数字式仪表得到了广泛的应用。

在转速计量方面，数字转速表更是一种理想的测量仪器。

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。

随着科学技术的迅速发展,转速测量仪表已步入现代化、电子化的行列。

过去曾经使用过的接触式测量仪表,如离心式转速表、磁性转速表、微型发电机转速表及钟表是定时转速表，均已先后受到冷落；而利用已知频率的闪光与被测轴转速同步的方法来测速的闪光测速仪，虽属非接触式仪表，目前仍有应用,但也退居次要地位。

代之而起的是非接触式的电子与数字化的测速仪表。

这类转速仪表大多具有体积小、重量轻、读数准确、使用方便等优点，容易实现电脑荧屏显示和打印输出，能够连续的反映转速变化，既能测定发动机稳定情况下的平均转速,也能够用来在足够小的时间间隔这一特定条件下测定发动机的瞬时转速。

转速测量的应用系统在工业生产、科技教育、民用电器等各领域的应用极为广泛，往往成为某一产品或控制系统的核心部分，其各种参数在不同的应用中有其侧重，但转速测量系统作为普遍的应用在国民经济发展中，有重要的意义。

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。

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。

因此，研究单片机转速表的设计是很重要的。

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0~9999r/min，相对误差小于±0.3%，能自动变换周期，且具有声光报警功能。

2转速表原理

2.1转速表基本原理

目前常用的转速测量方法有M法、T法、M/T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。

M/T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

（2-1）

通过式（2-1）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M/T法测速时的相对误差为：

（2-2）

在式（2-2）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M/T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。

2.2转速计算及误差分析

根据转速、周期、频率之间的关系可知

（2-3）

（2-4）

（2-5）

式中，—被测转速，r/min；

—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（2-5）带入（2-3）得

（2-6）

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（2-3）和式（2-5）求微分

（2-7）

（2-8）

将式（2-7）代入（2-8），得

（2-9）

式中，△N-量化误差，△N=±1个计数脉冲，又已知时基Tc=4us，故

（2-10）

由式（2-10）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

（2-11）

（2-12）

用十六进制数表示，为

对式（2-12）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

（2-13）

将式（2-13）与（2-10）比较可知，采用多周期测量相对精度大大提高。

例如，当n=3000r/min时，由式（21-10）可求出，其相对误差为

当n=6000r/min时，由式（2-12）计算出相对误差为

该仪表设置的临界转速为3662r/min，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3662r/min。

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。

2.3转速测量

由式（2-6）、（2-12）可知，只要能求出脉冲个数N，即可求出转速。

为了得到计数脉冲，可采用门控方式的硬件技术方法，也可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。

3硬件电路

3.1单片机概述

单片机是一种集成在电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计时器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计算机系统。

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（I/O）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