基于单片机的电机转速测量系统设计答辩毕业论文.docx
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基于单片机的电机转速测量系统设计答辩毕业论文
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模拟式和数字式两种。
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,得到的信号是脉冲信号。
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。
本文便是运用AT89C51单片机控制的智能化转速测量仪。
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一个参数。
本系统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状况。
本设计主要用AT89C51作为控制核心,由霍尔传感器、LED数码显像管、HIN232CPE电平转换、与RS232构成。
详细介绍了单片机的测量转速系统与PC机与单片机之间的串行通讯。
充分发挥了单片机的性能。
本文重点是测量速度并显示在5位LED数码管上。
其优点硬件是电路简单,软件功能完善,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:
MSC-51(单片机);转速;传感器
Abstract
Intheprojectpractice,wewillmeeteachkindtoneedfrequentlytosurveytherotationalspeedthesituation,thesurveyrotationalspeedmethoddividesintothesimulationtypeandthedigitaltwokinds.Thesimulationtypeusesmeasuredthatthefastgeneratoristhedetectingelement,obtainsthesignalsimulatesthequantity.Digitalusuallyusestheelectro-opticalencoder,theHallpartandsoonisthedetectingelement,obtainsthesignalisthesignalimpulse.Alongwithmicrocomputer'swidespreadapplication,speciallyhighperformancepricecomparedtomonolithicintegratedcircuit'sappearance,thetachometricsurveyusesgenerallytakethemonolithicintegratedcircuitasthecoredigitalmeasuringtechniqueIgraduatedfromtheDesignoftheissueiscontroloftheintelligentuseofSCMspeedmeasuringinstrument.Thesystemisthemotorspeedmeasurement,andPCandcancommunicatethatthemotorspeed,andtoobservethemotorrunningthebasicsituation.
ThemaindesignAT89C51controlasthecore,bytheHallsensor,LEDdigitalCRT,HIN232CPE-levelconversion,andaRS232.DetailedmeasurementsofthespeedoftheSCMsystemandPCandtheserialcommunicationbetweenthemicrocontroller.GivefullplaytotheperformanceoftheSCM.ThispaperistomeasurethespeedanddisplayedinfiveLEDdigitalpipe.
Theadvantageofasimplehardwareandsoftwarecapabilitiesimprove,measuringspeed,highprecisionandcontrolsystemreliable,cost-effectiveandsoon.
Keyword:
MSC-51(One-chipcomputer);sensor;Tachometer
1序言
智能化转速测量可以对电机的转速进行测量,电机在运行的过程中,需要对其平稳性进行监测,适时对转速的测量有效地可以反映电机的状况。
本系统主要由传感器,单片机AT89C51构成。
可以对大围转速进行测量,测量的转速精度高,还可以和PC机时时通信,实现对电机转速的测量。
单片机的英文名称是MicroControllerunit,缩写为MCU,又称为微控制器,它是一种面向控制的大规模集成电路芯片。
它具有功能强、体积小、可靠性高、应用简单灵活,因而使用非常广泛,有力地推动各行业的技术发展和更新换代。
本文首先在第二章绪论介绍了此系统的功能、技术指标以与主要容等;在第三章论述了总体设计过程,确定了技术指标与器件的选择;第四章着重描述了系统硬件电路设计、硬件设计框图与所使用的各种芯片功能与特性;在第五章中重点剖析了软件设计的过程;最后在第六章中具体论述单片机、电平转换电路、通信的处理与调试。
由于本人水平有限,加之时间仓促,论文中难免会有错误和不足之外,不够理想、许多方面还需要继续完善和改进。
在这里恳请指导老师和各位专家老师批评指正。
在此特别感我的指导老师郭顺京老师的大力指导。
2系统功能分析
2.1系统功能概述
功能:
系统主要实现功能是:
AT89C51单片机接收霍尔传感器传来的脉冲信号,单片机根据外部中断,以与部定时器进行记数计算出电机转速送到LED显示,同时数据传给PC机,并在PC机屏幕上显示出来。
记录各时段的转速,画出V-T坐标图。
组成与框图:
本系统通信部分是单片机经电平转换电路HIN232CP之后,通过串口RS-232发送数据,由PC微机接收,微机部分用VisualBasic软件编写的界面作为PC机部分与单片机进行串口之间通信。
传感器电路、转速测量、LED显示、电平转换电路设计等将在以下章节作详细地设计。
图2-1系统硬件电路
应用:
从实用的角度看,评价一个系统实用价值的重要标准,就是这个系统对社会生活和科技观念有多大的贡献。
转速测量系统具有大围、高精度等优点、测量速度快,这种系统将会有良好的应用。
2.2系统要求与主要容
将霍尔传感器产生的脉冲信号输出入到单片机的外部中断0口,单片机工作在部定时器工作方式0,对周期信号进行部记数,调用计算公式算出转速,调用显示程序显示在LED上,同时通过串口向上位机发送转速数据。
主要容:
(1) 单片机部分主要完成电机转速的测量
(2) LED部分主要是把转速显示出来,显示围60-36000r/min
(3)发送部分主要是完成电平转换,送RS232向PC发送数据。
(4)PC机部分主要完成将数据显示在界面并描绘出V-T图
2.3系统技术指标
系统主要完成以下功能:
测量系统:
1.设计并制作单片机的转速测量的硬件系统;
2.用汇编语言完成转速测量的软件系统;
3.要求把转速显示在5位LED上,精度为0.1%;
4.能向上位机发送数据;
5.用9针RS-232即可;
通信部分:
1.在微机部分采用VisualBasic编制RS—232通信软件;
2.通信软件具有数据接受编辑框;
3.通信软件要适时对数据的记录,用时间曲线表示;
根据系统要实现的功能以与要求,要实现单片机的转速测量主要是各个模块的设计,定时器记数功能、以与LED驱动、电平转换与PC机之间的通信。
单片机可通过编程控制外围部件,能实现较高的自动化程度。
以它为系统核心的控制模块可实现主从控制,完成预定的任务。
3系统总体设计
3.1硬件电路设计思路
硬件设计的任务是根据总体设计要求,在选择的机型的基础上,具体确定系统中所要使用的元器件,设计出系统的原理框图、电路原理图。
89C51单片机通过INT0输入传感器的脉冲信号,P0口P2口接LED动态显示。
另由于PC系列微机串行口为RS232C标准接口,与输入、输出均为TTL电平的89C51单片机在接口规上不一致,因此TTL电平到RS-232接口电平的转换采用HIN232CP接口芯片,该芯片可以用单电压(+5V)实现RS232接口逻辑“1”(-3V~-15V)和逻辑“0”(+3V~+15V)的电平转换。
转速测量部分的硬件设计思路:
本次设计单片机部分的硬件框图如图2-1所示。
图3-1单片机部分硬件框图
具体详细的叙述将在下面的章节中逐一介绍。
3.2软件设计思路
软件需要解决的是定时器0的记数和外部中断0的设定、由于测量的转速围大,所以低速和高速都要考虑在,关键在于一个四字节除三字节程序的实现。
显示部分、需要有一个二进制到十进制的转化程序,以与转换成非压缩BCD的程序后、才能进行调用查表程序送到显示。
PC机串口和单片机串行口的工作方式,包括串行口的通讯速率、奇偶校验位、停止位等均由通信部分的软件部分实现。
软件工作流程:
霍尔传感器利用磁电效应产生一周期脉冲向单片机的外部中断0(P3.2)口发送一个中断信号,定时器工作在部定时,TH0、TL0设定初值为0,作为除数的低两字节,利用软件记数器、定时器0中断的次数作为除数高字节。
中断完毕读取部记数值作为除数,调用除法程序计算转速,再对二进制数进行一系列变换后调用查表显示程序,显示在LED上。
(同时调用传送程序向上位机送数据,这里不是本文重点)
转速部分软件设计思路:
AT89C51单片机的P3.2口接收传感器的信号。
主要编写一个外部中断服务程序INT_0,读取记数值的三个字节,并再次清0记数初值以便下次的记数和计算。
调用两字节二进制-三字节十进制(BCD)转换子程序BCD,再调用十进制转换成非压缩BCD程序CBCD、最后调用查表程序送显示。
为了和PC通信,系统要求单片机晶振11.0592MHZ。
软件的具体设计我们将在下面的章节中作详细介绍。
4硬件电路设计
硬件的功能由总体设计所规定,硬件设计的任务是根据总体设计要求,在选择的机型的基础上,具体确定系统中所要使用的元器件,设计出系统的电路原理图,必要时做一些部件实验,以确定电路图的正确性,以与工艺结构的设计加工、印制板的制作、样机的组装等。
整个单片机测量转速系统为单片机控制模块、霍尔传感器模块、发送模块,各个模块都承担着各自的任务。
设计单片机模块,考虑到单片机本身的外围电路较多,所以在单片机模块方面需要极为小心。
在整个电路设计时要考虑电平转换电路,具体每一部分的设计将在以下章节中详细分析。
4.1单片机模块
根据系统功能要求以与单片机硬件电路设计思路(如图3-1)对单片机模块进行设计,要使单片机准确的测量电机转速,并且使测出的数据能显示出来,所以整个单片机部分分为传感器电路、时钟电路、复位电路、执行元件以与显示电路五个部分。
4.1.1处理执行元件
单片机我们采用AT89C51(其引脚图如图4-1),相较于INTEL公司的8051它本身带有一定的优点。
AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存贮器(FPEROM—FalshProgrammableandErasableReadOnlyMemory)的低电压,高性能CMOS8位微处理器,俗称单片机。
该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造,与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。
由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中,ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器,AT89C单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。
图4-1AT89C51引脚图
主要特性:
·与MCS-51兼容
·4K字节可编程闪烁存储器寿命:
1000写/擦循环
·数据保留时间:
10年
·全静态工作:
0Hz-24Hz
·三级程序存储器锁定
·128*8位部RAM
·32可编程I/O线
·两个16位定时器/计数器
·5个中断源
·可编程串行通道
·低功耗的闲置和掉电模式
·片振荡器和时钟电路
管脚说明:
1.VCC:
供电电压;
2.GND:
接地;
3.P0口:
P0口为一个8位漏极开路双向I/O口,每脚可吸收8TTL门电流。
当P1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。
4.P1口:
P1口是一个部提供上拉电阻的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。
5.P2口:
P2口为一个部上拉电阻的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。
6.P3口:
P3口管脚是8个带部上拉电阻的双向I/O口,可接收输出4个TTL门电流。
当P3口写入“1”后,它们被部上拉为高电平,并用作输入。
作为输入,由于外部下拉为低电平,P3口将输出电流(ILL)这是由于上拉的缘故。
P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口,如下表4-1所示:
7.RST:
复位输入。
当振荡器复位器件时,要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。
8.ALE/PROG:
当访问外部存储器时,地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。
在FLASH编程期间,此引脚用于输入编程脉冲。
在平时,ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号,此频率为振荡器频率的1/6。
因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。
然而要注意的是:
每当用作外部数据存储器时,将跳过一个ALE脉冲。
如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。
表4-1P3口的第二功能
Tab.4-1ThesecondfeatureIP3
引脚
第二功能
信号名称
P3.0
P3.1
P3.2
P3.3
P3.4
P3.5
P3.6
P3.7
RXD
TXD
INT0
INT1
T0
T1
WR
RD
串行数据接收
串行数据发送
外部中断0请求
外部中断1请求
定时器/计数器0计数输入
定时器/计数器1计数输入
外部RAM写选通
外部RAM读选通
P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。
此时,ALE只有在执行MOVX,MOVC指令是ALE才起作用。
另外,该引脚被略微拉高。
如果微处理器在外部执行状态ALE禁止,置位无效。
9./PSEN:
外部程序存储器的选通信号。
在由外部程序存储器取指期间,每个机器周期两次/PSEN有效。
但在访问外部数据存储器时,这两次有效的/PSEN信号将不出现。
10./EA/VPP:
当/EA保持低电平时,则在此期间外部程序存储器(0000H-FFFFH),不管是否有部程序存储器。
注意加密方式1时,/EA将部锁定为RESET;当/EA端保持高电平时,此间部程序存储器。
在FLASH编程期间,此引脚也用于施加12V编程电源(VPP)。
11.XTAL1:
反向振荡放大器的输入与部时钟工作电路的输入。
12.XTAL2:
来自反向振荡器的输出。
振荡器特性:
XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。
该反向放大器可以配置为片振荡器。
石英振荡和瓷振荡均可采用。
如采用外部时钟源驱动器件,XTAL2应不接。
有余输入至部时钟信号要通过一个二分频触发器,因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求,但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。
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。
4.1.2时钟电路
时钟电路是计算机的心脏,它控制着计算机的工作节奏。
MCS-51单片机允许的时钟频率是因型号而异的典型值为12MHZ
MCS-51部都有一个反相放大器,XTAL1、XTAL2分别为反相放大器输入和输出端,外接定时反馈元件以后就组成振荡器,产生时钟送至单片机部的各个部件。
AT89C51是属于CMOS8位微处理器,它的时钟电路在结构上有别于NMOS型的单片机。
CMOS型单片机部(如AT89C51)有一个可控的负反馈反相放大器,外接晶振(或瓷谐振器)和电容组成振荡器,图4-2为CMOS型单片机时钟电路框图。
振荡器工作受/PD端控制,由软件置“1”PD(即特殊功能寄存器PCON.1)使/PD=0,振荡器停止工作,整个单片机也就停止工作,以达到节电目的。
清“0”PD,使振荡器工作产生时钟,单片机便正常运行。
图中SYS为晶振或瓷谐振器,振荡器产生的时钟频率主要由SYS参数确定(晶振上标明的频率)。
电容C1和C2的作用有两个:
其一是使振荡器起振,其二是对振荡器的频率f起微调作用(C1、C2大,f变小),其典型值为30pF。
图4-2CMOS型单片机时钟电路框图
4.1.3复位电路
计算机在启动运行时都需要复位,使中央处理器CPU和系统中的其它部件都处于一个确定的初始状态,并从这个状态开始工作。
MCS-51单片机有一个复位引脚RST,它是史密特触发输入(对于CHMOS单片机,RST引脚的部有一个拉低电阻),当振荡器起振后该引脚上出现2个机器周期(即24个时钟周期)以上的高电平,使器件复位,只要RST保持高电平,MCS-51保持复位状态。
此时ALE、PSEN、P0、P1、P2、P3口都输出高电平。
RST变为低电平后,退出复位,CPU从初始状态开始工作。
单片机采用的复位方式是自动复位方式。
对于MOS(AT89C51)单片机只要接一个电容至VCC即可(见图4-3)。
在加电瞬间,电容通过电阻充电,就在RST端出现一定时间的高电平,只要高电平时间足够长,就可以使MCS-51有效的复位。
RST端在加电时应保持的高电平时间包括VCC的上升时间和振荡器起振的时间,Vss上升时间若为10ms,振荡器起振的时间和频率有关。
10MHZ时约为1ms,1MHZ时约为10ms,所以一般为了可靠的复位,RST在上电应保持20ms以上的高电平。
RC时间常数越大,上电RST端保持高电平的时间越长。
若复位电路失效,加电后CPU从一个随机的状态开始工作,系统就不能正常运转。
图4-3上电复位电路
4.1.4显示电路
显示电路采用LED数码管动态显示,LED(Light-EmittingDiode)是一种外加电压从而渡过电流并发出可见光的器件。
LED是属于电流控制器件,使用时必须加限流电阻。
LED有单个LED和八段LED之分,也有共阴和共阳两种。
显示器结构:
常用的七段显示器的结构如图4-4所示。
发光二极管的阳极连在一起的称为共阳极显示器,阴极连在一起的称为共阴极显示器。
1位显示器由八个发光二极管组成,其中七个发光二极管a~g控制七个笔画(段)的亮或暗,另一个控制一个小数点的亮和暗,这种笔画式的七段显示器能显示的字符较少,字符的开头有些失真,但控制简单,使用方便。
此外,要画出电路图,首先还要搞清楚他的引脚图的分布,在了解了正确的引脚图后才能进行正确的字型段码编码。
才能显示出正确的数字来,如图4-5所示,为七段数码管的管脚图。
图4-4七段发光显示器的结构
图4-5七段发光显示器管脚的结构
驱动方式:
采用的数码管驱动为7407,它的全名为7407TTL集电极开路六正相高压驱动器,其结构简单,使用方便,图4-6为7407的图以与各个引脚的分布功能介绍。
图4-67407管脚的结构
显示方式:
为了节省I/O口线,我们采用的动态显示方式。
所谓动态显示,就一位一位地轮流点亮各位显示器(扫描),对于每一位显示器来说,每隔一段时间点亮一次。
显示器的亮度既与导通电流有关,也与点亮时间和间隔时间的比例有关。
调整电流和时间参数,可实现亮度较高较稳定的显示。
若显示器的位数不大于8位,则控制显示器公共极电位只需8位口(称为扫描口),控制各位显示器所显示的字形也需一个8位口(称为段数据口)。
本次设计要求的转速测量围60r/min-36000r/min,所以只需要5位数码管即可。
5位共阴极显示器和AT89C51的接口逻辑如图4-7所示。
AT89C51的P0口作为段数据口,接上拉电阻到显示器的各个段;P2口作为扫描口,经同相驱动器7407接显示器公共极。
对于图4-7中的5位显示器,在AT89C51RAM存贮器中设置五个显示缓冲器单元30H-35H,分别存放5位显示器的显示数据,AT89C51的P2口扫描输出总是只在一位为低电平,即5位显示器中仅有一位公共阴极为低电平,其它位为高电平,AT89C51的P0口相应位(阴极为低)的显示数据的段数据,使该位显示出一个字符,其它们为暗,依次地改变P2口输出为高的位,P0口输出对应的段数据,5位显示器就显示出由缓冲器中显示数据所确定的字符。
图4-7五位动态显示电路
4.2霍尔传感器简介
4.2.1霍尔器件概述
霍尔元件是一种基于霍尔效应的磁传感器,已发展成一个品种多样的磁传感器产品族,并已得到广泛应用。
霍尔元件是一种磁传感器。
要他们可以检测磁场与其变化,可以在各种与磁场有关的场合中。
霍尔器件以霍尔效应为其工作基础。
霍尔期间具有许多优点,他们的结构牢固,体积小,重量轻,寿命长,安装方便,功耗小,频率高(可达1MHZ),耐震动,不怕灰尘、水汽与烟雾等污染或腐蚀。
霍尔线性器件的精度高、线性度好;霍尔开关器件无触点、无磨损、输出波形清晰、无抖动、无回调、位置重复精度高(可达um级)。
采用了各种补偿措施的霍尔器件的工作温度围广,可达55-150度。
按照霍尔器件的功能可将他们分为:
霍尔线性器件和霍尔开关器件。
前者输出模拟量,后者输出数字量。
按被检测的对象的性质可将它们分为:
直接应用和间接应用。
前者是直接检测出被测对象本身的磁场或磁特性,后者是检测被检测对象上人为设置的磁场,用这个磁场作为被检测信息的载体,通过它,将许多非电、非磁的物理量例如力、力矩、压力、应力、位置、位移、加