基于单片机的数字测速仪设计毕设论文.docx
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基于单片机的数字测速仪设计毕设论文
学号：
常州大学
毕业设计（论文）
（2012届）
题目
学生
学院专业班级
校内指导教师专业技术职务
校外指导老师专业技术职务
二○一二年六月
基于单片机的数字测速仪设计
摘要：
在工程实践中，经常会遇到各种需要测量转速的场合，测量转速的方法分为数字式和模拟式两种。
模拟式采用测速发电机为检测元件，得到的信号是模拟量。
数字式通常采用光电编码器，霍尔元件等为检测元件，得到的信号为脉冲信号。
随着微型计算机的广泛应用，特别是高性能价格比的单片机的出现，转速测量普遍采用以单片机为核心的数字式测量方法。
本论文描述了一个以AT89S52单片机控制模块、红外传感器采集模块、电机驱动模块和报警模块为主要部分组成的转速测量系统。
该系统以一对红外发射和接收二极管形成光路，通过照射到齿盘上颜色的变化对光路形成脉冲，单片机采用同步M/T法对脉冲计数，经过内部数据处理得出转速，并通过1602液晶显示器显示出结果。
同时当转速超过其所设定的数值时，系统对其进行报警。
通过L298N电路调节电机转速，从而实现在一个电机上对低转速和高转速的测量。
关键词：
AT89S52单片机；同步M/T法；1602液晶；L298N电路
Designofdigitalspeedometerbasedonsingle-chipmicrocomputer
Abstract：
Inengineeringpractices,thesituationofmeasuringrevolvingspeedoftenoccurs.Therearetwowaystomeasurerevolvingspeed:
analogtypeanddigitaltype.Withanalogtype,tachogeneratorisusedasdetectingelement,whichbringsoutanalogquantity,whilewithdigitaltype,photoelectricencoder,Hallelementetc.areoftenused,whichbringsoutpulsesignal.Withthewidespreadofmicrocomputers,especiallyhighlycost-efficientmicrocontroller,weoftenusemicrocontrollerasthecoreofmeasuringrevolvingspeed.
ThispaperfocusesondescribingarevolvingspeedmeasuringsystemcomposedbyAT89S52microcontroller（controllingmodule）,infraredsensor（collectingmodule）,electricalmachine（drivingmodule）,andalarmingmodule,whichusesapairofinfraredemitting-and-receivingdiodestoformtheopticalpath.Throughtheintervalblock-outfromthechangeofcolorsonthefluteddisc,electricpulsecanbegenerated.ThemicrocontrollerusessynchronicM/Tmethodtomeasurethetimeofpulse,thenafterinnerdataanalysis,theauthorcangettherevolvingspeedandfinallya1602LCDisusedtoshowtheresult.Whentherevolvingspeedoutstripsthefixednumber,systemalarms.What’smore,throughtheuseofL298circuittoadjusttherevolvingspeedofelectricalmachine,themeasurementoflowandhighrevolvingspeedinginoneelectricalmachinecanberealized.
Keywords：
MCS52;SynchronicM/Tmethod;1602LCD;L298circuit
1引言
1.1课题研发的背景和意义
转动物体的速度是测控系统中的重要参数之一，它的应用范围广，实用价强。
在实际的应用中，经常会遇到多种测量转速的场合，如机床主轴，发动机，电动机，等旋转设备的测试，在运转和控制中，测速环境和精度要求不同，相应的测量方法不同。
对某一些问题，转速测量的要求准度不是太高，而对另一些问题，除了能准确的测转速外，还要保证测量的实时性，要求能测得瞬时速度，转速更加是电动机极为重要的一个参数，其测量精度将直接影响电动机其它有关参数和特性的测试，以及故障检测与诊断的准确性。
例如，空载时了解电机自身损耗的大小啊，与同步转速相差太远的话就不能使用了（不在正常转速范围内），重载时可及时发现电机是否过载，避免烧电机。
这样可以有效的监控电机的工作状态，避免不必要的损失。
另外，转速测量在工业控制和民用电器中都有较高使用价值。
一方面它可以应用于工业控制中的某一部分，如数控车床的电机转速检测和控制、水泵流量控制以及需要利用转速检测来进行控制的许多场合，如车辆的里程表、车速表等。
另一方面由于该转速测量系统采用全数字结构，因而可以很方便的和工业控制机进行连接，实行远程管理和控制，进一步提高现代化水平。
并且，几乎不需做很大改变就能直接作为单独的产品使用。
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。
总之，转速测量系统的研究是一件非常有意义的课题
1.2数字测速仪的国内外研究现状及发展趋势
目前国内外测量电机转速的方法很多，按照不同的理论方法，先后产生过模拟测速法（如离心式转速表、用电机转矩或者电机电枢电动势计算所得）、同步测速法（如机械式或闪光式频闪测速仪）以及计数测速法。
计数测速法又可分为机械式定时计数法和电子式定时计数法。
传统的电机转速检测多采用测速发电机或光电数字脉冲编码器，也有采用电磁式（利用电磁感应原理或可变磁阻的霍尔元件等）、电容式（对高频振荡进行幅值调制或频率调制）等，还有一些特殊的测速器是利用置于旋转体内的放射性材料来发生脉冲信号．其中应用最广的是光电式，光电式测系统具有低惯性、低噪声、高分辨率和高精度的优点．加之激光光源、光栅、光学码盘、CCD器件、光导纤维等的相继出现和成功应用，使得光电传感器在检测和控制领域得到了广泛的应用。
而采用光电传感器的电机转速测量系统测量准确度高、采样速度快、测量范围宽和测量精度与被测转速无关等优点，具有广阔的应用前景。
在过去的转速的测量过程中，模拟量的采集和模拟处理一直是转速测量的主要方法，这种测量方技术已不能适应现代科技发展的要求，在测量范围和测量精度上，已不能满足大多数系统的使用。
随着超大规模集成电路技术提高，尤其是单片机应用技术以其功能强大，价格低廉的显著特点，使全数字化测量转速系统得以广泛应用。
由于单片机在测量转速方面具有体积小、性能强、成本低的特点，越来越受到企业用户的青睐，转速涌量普遍采用以单片机为核心的数字式测量方法,智能化微电脑代替了一般机械式或模拟式结构,测量转速时,转速直接显示在LED上,这样更加直观,抗干扰性也比传统的仪表更强,操作简易且小巧便携。
新型直流电机转速测量仪外壳采用超薄机箱，重量轻，便于携带。
同时采用数字同步采样技术通过测量直流电机换向器电火花电流，经过信号的采集—处理—分析—运算，最后准确计算出直流电机的转速。
不象目前大多采用红外线测速仪或频闪测速仪等，测试时复杂烦琐。
FL1300直流电机转速测量仪特别针对高转速的电机，准确测量直流电机的转速、电压、电流、功率等参数。
具有测量速度快，精度高，使用方便，轻巧美观等优点。
由于集成块国产化的成熟和电子技术的飞快发展，转速仪表结构简单化，品种多样化与系列化，进一步要向人性化发展，单片机技术和大规模可编程数字逻辑电路的普及，为转速仪表结构简单化提供了基础，智能芯片的运用，是同一仪表硬件，具有多种不同功能的软件为多样化，系列化带来了便利，智能仪表的软件，可为不同需求量身定做，是智能仪表又具个性化的特点。
目前，智能化转速数字显示仪表，有通用的SQY01T系列，转速数字显示仪，SZC系列电站用转速数字显示仪，SKY系列透平膨胀机智能数字显示仪，以及各种多功能转速仪表，如ZS-1双路转速表，以及显示差速，速比的ZS-2转速表，带方向的SQYC转速表，可远传的CS-1转速表等。
有了科技人员不断汲取新知识，不断运用新器件，不断开拓新思路，才有这些创新的仪表。
智能仪表，要向人性化发展，仪表在满足使用的同时，也要为使用仪表的人带来使用上的方便和舒适，把这种理念不断融入设计和产品造就成功的仪表。
1.3课题的主要内容和任务
数字转速测试仪系统设计包括硬件设计和软件设计两部分内容。
在设计中要了解掌握单片机关于C语言的编程，数字电路，模拟电路技术；熟练掌握51系列单片机工作原理及应用技巧；自主设计系列软、硬件。
本设计的主要任务是：
能够实现对电机转速的数字化非接触式测量，如电机在电机转动的过程中能够测出任意一时段的转速，并通过液晶1602显示出来，并且通过按键调节L298电路对PWM脉宽速度调整来控制电机转速的大小，实现对不同速度的电机的转速的测量。
2系统分析与总体设计方案
2.1数字测速仪的基本工作原理
数字测速仪的的红外传感器的发射管发出一种无色透明的红外光线，当光线照射到所给定的电机转盘中时，随着照射转盘上颜色的不断变化，它的电路上的电阻会随着接收到红外光的多少而变化。
当红外线照到黑色部分时，由于黑色吸光，红外发射管发出的光照射在上面后反射的部分就较小，接收管接收到的红外线也就较少，表现为电阻比较大，通过外接的电路就可以读出检测的状态，同理当照射在白色表面时发射的红外线就比较多，表现为接收管的电阻就比较小。
当电阻从小到大变化时，LM339比较器的输出电压也随之变化，当电机连续转动时，LM339比较器就源源不断的输出脉冲。
通过单片机内部时钟计时，并且对得到的脉冲每个跳变不断计数，经过内部计算之后，最终将实时转数在液晶1602上显示出来。
同时，通过电机驱动模块L298改变电机转数。
当转速超过一定速度时，电路的报警系统会立刻进行报警。
2.2数字测速仪的整体设计结构
系统的硬件结构框图如图2.1所示。
该系统由AT89S52单片机、红外测速模块、电机驱动电路、显示电路、报警电路等部分组成。
。
系统以一对红外发射和接收二极管形成光路，通过照射到齿盘上颜色的变化对光路形成脉冲，单片机采用同步M/T法对脉冲计数，，经过内部数据处理得出转速，并通过1602液晶显示器显示出结果。
同时当转速超过其所设定的数值时，系统对其进行报警。
通过L298N电路调节电机转速，从而实现在一个电机上对低转速和高转速的测量。
，
图2.1数字测速仪系统框图
2.3数字测速仪的测量方案的分析
2.3.1转速测量方案论证
方案一：
采用记数法。
具体是通过单片机记单位时间S（秒）内的脉冲数N，则转子的每分钟的转速：
M=N/S×60。
方案二：
采用定时法。
是通过定时器记录脉冲的周期T，这样每分钟的转速：
M=60/T。
比较两个方案，记数法测量的数据只是某一秒的转子的转速。
不能代表所测物体的整体平均速度。
方案二，所测转速为物体在一段时间内的速度，具有代表性。
由此明显看出,方案二在测量精度及提高系统控制灵敏度等方面优于方案一，所以本设计采用方案二。
2.3.2电机驱动方案论证
方案一：
采用电磁继电器对电机的开或关状态进行控制，通过切换状态对电机的速度进行调整。
这个方案的优点是电路简单，缺点是电磁继电器的电路响应时间慢、频繁使用，机械结构易损坏、寿命较短、可靠性不高。
方案二：
采用小型直流电机驱动芯片。
这个方案的优点是驱动电路简单明了，容易上手，几乎不需要加任何其它外围元件就可以实现对电机稳定的控制，使得整个驱动电路的功耗较小，而且此类芯片在市场上种类齐全，价格也相对较便宜。
方案三：
采用由达林顿管组成的H型PWM电路。
用AT89S52单片机控制达林顿管令其工作在占空比可调的开关状态，从而可以精确调整电动机转速。
缺点是电路相对较为复杂些，设计要求较高，目前学生水平不容易实现
通过比较和对市场因素的考虑，本设计采用方案二，使系统的设计核心在PWM控制上。
2.3.2键盘显示方案论证
方案一：
采用2*2键盘，可直接输入速度设定值。
显示部分使用4位数码管，优点是显示简单明了，缺点是显示单一，功耗大，不符合智能化趋势而且不美观。
方案二：
使用2个按键，进行逐位电机调速设置。
显示部分是使用支持中文显示的1608LCD液晶，优点是美观大方，有利于人机的互动以及显示丰富的内容扩展；缺点是成本高，抗干扰能力较差。
为了系统简单容易扩展、操作方便以及美观大方，本设计完全采用方案二。
2.3.3PWM软件实现方案论证
脉宽调制的方式有三种：
定频调宽、定宽调频和调宽调频。
本设计采用了定频调宽方式，采用这种方式的优点是电动机在运转时比较稳定，并且在采用单片机产生PWM脉冲的软件实现上比较方便。
对于实现方式则有两种方案。
方案一：
采用定时器做为脉宽控制的定时方式，这一方式产生的脉冲宽度极其精确，误差只在几个us。
方案二：
采用软件延时方式，这一方式在精度上不及方案一，特别是在引入中断后，将有一定的误差。
但是基于不占用定时器资源，且对于直流电机，采用软件延时所产生的定时误差在允许范围。
由于本设计采用了两片AT89S52单片机，MCU资源充足，因此选择方案一。
2.4转速测量原理
2.4.1测频法“M法”
在一定测量时间T内，测量脉冲发生器（替代输入脉冲）产生的脉冲数m1来测量转速，如图2.2“M”法测量转速脉冲所示，设在时间T内，转轴转过的弧度数为Xτ，则转速n可由下式表示：
n=
（1）
转轴转过的弧度数Xτ可用下式所示m1
X
（2）
图2.2“M”法测量转速脉冲
将
（2）式代入
（1）式得
转速n的表达式为：
n=
（3）
P-为转轴转一周脉冲发生器产生的脉冲数；
n-转速单位：
（转/分）；
T-定时时间单位：
（秒）。
在该方法中，测量精度是由于定时时间T和脉冲不能保证严格同步，以及在T内能否正好测量外部脉冲的完整的周期，可能产生的1个脉冲的量化误差。
因此，为了提高测量精度，T要有足够长的时间。
定时时间可根据测量对象情况预先设置。
设置的时间过长，可以提高精度，但在转速较快的情况下，所计的脉冲数增大（码盘孔数已定情况下），限制了转速测量的量程。
而设置的时间过短，测量精度会受到一定的影响。
2.4.2测周期法“T法”
转速可以用两脉冲产生的间隔宽度TP来决定。
用以采集数据的码盘，可以是单孔或多孔，对于单孔码盘测量两次脉冲间的时间，就可测出转述数据，TP也可以用时钟脉冲数来表示。
对于多孔码盘，其测量的时间只是每转的1/N，N为码盘孔数。
如图2.3“T”法脉宽测量所示。
TP通过定时器测得。
定时器对时基脉冲（频率为fc）进行计数定时，在TP内计数值若为m2，则计算公式为：
n=
（4）
即：
（5）
fc-为硬件产生的基准时钟脉冲频率：
单位（Hz）；
n-转速单位：
（转/分）；
m2-时基脉冲。
图2.3“T”法脉宽测量
由“T”法脉宽测量可知“T”法测量精度的误差主要有两个方面，一是两脉冲的上升沿触发时间不一致而产生的；二是计数和定时起始和关闭不一致而产生的。
因此要求脉冲的上升沿（或下降沿）陡峭和计数和定时严格同步。
测周法在低转速时精度较高，但随着转速的增加，精度变差，有小于一个脉冲的误差存在。
2.4.3测频测周法“M/T法”
所谓测频测周法，即是综合了“T”法和“M”法分别对高、低转速具有的不同精度，利用各自的优点而产生的方法，精度位于两者之间，如图2.4“M/T”法定时/计数测量所示。
“M/T”法采用三个定时/计数器，同时对输入脉冲、高频脉冲（由振荡器产生）、及预设的定时时间进行定时和计数，m1反映转角，m2反映测速的准确时间，通过计算可得转速值n。
该法在高速及低速时都具有相对较高的精度。
测速时间Td由脉冲发生器脉冲来同步，即Td等于m1个脉冲周期。
由图可见，从a点开始，计数器对m1和m2计数，到达b点，预定的测速时间时，单片机发出停止计数的指令，因为Tc不一定正好等于整数个脉冲发生器脉冲周期，所以，计数器仍对高频脉冲继续计数，到达c点时，脉冲发生器脉冲的上升沿使计数器停止，这样，m2就代表了m1个脉冲周期的时间。
“M/T”法综合了“T”和“M”两种方法，转速计算如下：
设高频脉冲的频率为fc，脉冲发生器每转发出P个脉冲，由式
（2）和（5）可得M/T法转速计算公式为：
（6）
n-转速值。
单位：
（转/分）；
fc-晶体震荡频率：
单位（Hz）；
m1-输入脉冲数，反映转角；
m2-时基脉冲数。
图2.4“M/T”法定时/计数测量
通过上面的分析可知，M法适合于高速测量，当转速越低，产生的误差会越大。
T法适合于低速测量，转速增高，误差增大。
M/T这种转速测量方法的相对误差与转速n无关，只与晶体振荡产生的脉冲有关，故可适合各种转速下的测量。
保证其测量精度的途径是增大定时时间T，或提高时基脉冲的频率fc。
因此，在实际操作时往往采用一种称变M/T的测量方法，即所谓变M/T法，在M/T法的基础上，让测量时间Tc始终等于转速输入脉冲信号的周期之和。
并根据第一次的所测转速及时调整预测时间Tc，兼顾高低转速时的测量精度。
基于M法测量速度，电路和程序均较为简单，且可以在一定的条件下满足精度的要求，所以本设计中采用M/T法进行测量。
3系统硬件电路设计
整个单片机测量转速系统包括单片机控制模块、红外传感器信号采集模块、电机驱动模块、液晶显示模块和报警模块，各个模块都承担着各自的任务。
3.1控制模块
3.1.1模块控制的选择
AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。
使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。
片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。
在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得AT89S52在众多嵌入式控制应用系统中得到广泛应用。
由于我们学习过51单片机，52和52原理几乎相同，对它比较熟悉，在运用的时候就会比较熟练，所以选择了AT89S52单片机。
3.1.2AT89S52单片机介绍
AT89S52单片机由数据总线、地址总线和控制总线等三大总线组成，中央处理器（CPU）、程序存储器（ROM）、数据存储器（RAM）、并行和串行口，定时/计数器等几大单元组成。
如图3.1所示AT89S52引脚排列。
图3.1AT89S52引脚排列
AT89S52具有以下标准功能：
8k字节Flash，256字节RAM，32位I/O线，定时器，一个6向量2级中断结构，二个数据指针，三个16位定时器/计数器，片内晶振及时钟电路。
另外，AT89S52可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。
空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。
掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。
具体对单片机的引脚和功能进行说明。
（1）P0口：
P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。
当P0口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。
P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。
在FIASH编程时，P0口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。
（2）P1口：
P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。
P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。
在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。
（3）P2口：
P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。
并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。
这是由于内部上拉的缘故。
P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。
在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。
P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号
（4）AT89S52的特殊引脚端口：
P3口，P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，当P3口写入“1”后，它们被内部上赋予高电平，P3口也可作为AT89S52的一些特殊功能口，如表3.1所示：
表3.1P3口的第二功能
引脚
第二功能
说明
P3.0
RXD
串行数据输入口
P3.1
TXD
串行数据输出口
P3.2
/INT0
外部中断0输入
P3.3
/INT1
外部中断1输入
P3.4
T0
定时/计数器T0
P3.5
T1
定时/计数器T1
P3.6
/WR
外部数据存储器写选通输出
P3.7
RD
外部数据存储器读选通输出
（3）定时器的初始化
AT89S52有两个定时器/计数器T0和T1，每个定时器/计数器均可设置成为16位，也可以设置成为13位进行定时或计数。
计数器的功能是对T0或T1外来脉冲的进行计数，外部输入脉冲负跳变时，计数器进行加1。
定时功能是通过计数器的计数来实现的，每个机器周期产生1个计数脉冲，即每个机器周期计数器加1，因此定时时间等于计数个数乘以机器周期。
定时器工作时，每接收到1个计数脉冲（或机器周期）则在设定的初值基础上自动加1，当所有位都位1时，再加1就会产生溢出，将向CPU提出定时器溢出中断身请。
当定时器采用不同的工作方式和设置不同的初值时，产生溢出中断的定时值和计数值将不同，从而可以适应不同的定时或计数控制。
定时器有4种工作方式：
方式0、方式2、方式2和方式3，在此对工作方式不做具体介绍。
工作方式寄存器TMOD的设定：
GATE
C/T
M1-
M0
GATE
C/T
M1
M0
TMOD各位的含义如下：
◆GATE：
门控位，用于控制定时/计数器的启动是否受外部中断请求信号的影响。
◆C/T：
定时或计数方式选择位
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