数字转速测试仪的设计毕业设计 推荐.docx
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数字转速测试仪的设计毕业设计推荐
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数字转速测试仪的设计
摘要
本课题介绍一种基于AT89C52单片机系统的新型数字测速仪的测量原理、硬件组成和软件设计。
该仪表采用了一种新的自动测速方法,在宽量程范围内实现了高精度、实时快速测量。
数字转速测试仪采用光电编码器将采集到的数据通过处理之后，送到AT89C52单片机中进行转化后在液晶显示器上显示测得转速及方向。
测速所要达到的标准是：
测速范围为0~2000转/分。
重点是适合硬件系统的程序语言选择，以及编程实现。
难点是程序思路的确定，转速方向的硬件电路及软件实现，系统软件如何通过计算机编辑，编译。
此次设计必须将硬件与软件将结合，熟练掌握所用芯片的功能、时序等，以方便对数字转速测试仪各种功能的实现。
关键词：
AT89C52；LCD显示；编码器；传感器
DesignofSpeeddigitalrotationtester
Abstract
ThispaperintroducesanewdigitalspeedmeterusingaAT89C52singlechipmicrocomputeronthemeasurementprinciple,hardwareandsoftwaredesign.Theinstrumentusesanewmethodofautomaticguns:
inthewiderangeoftherealizationofthehigh-precision,rapidreal-timemeasurement.Speeddigitalrotationtesterusesphotoelectricencodertocollectthroughthedataprocessing,thenconvertintheAT89C52MCU,atlastwillbetransformedintheLCDdisplayofmeasuredspeedanddirection.Measuredspeedtobeachievedbythestandardis:
measuredspeedrangeisfrom0to2000r/m.Thefocusishowtosuitableforthehardwaresystemofprogramminglanguagechoiceandprogramming.Thedifficultyisthedeterminationfortheprogrammingofideas,thehardwarecircuitofspeeddirection,realizesoftware,andhowtoeditandcompilesoftwaresysteminthecomputer.
Thedesignmustcombinewiththehardwareandsoftware,mastethefunctionoftimingofthechip,soastofacilitatethespeedofdigitaltestinstrumenttoachievethevariousfunctions.
KeyWords:
AT89C52;LCDdisplay;Encord；Sensor
主要符号表
r转速
C电容
R电阻
U电压
I电流
T周期
F频率
D占空比
τ时间常数
1绪论
1.1数字转速测试仪背景资料
目前，在工程实践中，经常会遇到各种需要测量转速的场合。
例如，在发动机，电动机，卷扬机，机床转轴等旋转设备的测试，运转和控制中，常需要分时或连续测量和显示其转速或瞬间转速。
对于工业测试，水利，机械等方面，转速是重要的控制参数之一。
尤其机在工业测试系统中，大部分旋转仪器无法测定目前的转速，从而无法安全有效地械设备进行故障预防，无形中降低了系统的安全性，增加了设备维护的成本。
因此，如何利用先进的数字技术和计算机技术改造传统的工业技术，提高监控系统的准确性，安全性，方便性是当前工业测控系统急需解决的难题。
1.2本次毕业设计的目的和意义
为了能精确的测量转速外，还要保障测量的事实性，要求测的瞬时转速。
随着微型计算机的广泛使用，特别是高性能/价格比的单片机的涌现，转速测量普遍采用了以单片机为核心的数字法。
智能化微电脑式代替了一般机械式或模拟量结构。
在工业测控系统中，转速是最为重要的参数，因而测转速是个重要而又有意义的课题。
1.3本次毕业设计的主要内容
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ATMEL系列单片机工作原理及应用技巧；自主设计系列软、硬件.
主要采用光电脉冲编码传感器，通过89C52单片机及其他功能芯片实现高精度转速测试，通过算法处理后在液晶显示器上显示测得转速及方向。
2主控芯片ATMEL系统及开发工具简介
AT89系列单片机是ATMEL公司的8位Flash单片机系列，这个系列单片机的最大特点是在片内含有Flash存储器。
因此,在应用中有着十分广泛的前途,特别是在便携式省电及特殊信息保存的仪器和系统中显得更为有用.
一.89系列单片机特点：
AT89系列单片机和8051系列单片机是兼容的。
这个系列对于以8051为基础的系统来说,是十分容易进行取代和组成的，故而，对于熟悉8051的用户来说,用ATMEL公司的89系列单片机进行取代8051的系统设计是轻而易举的事.
二、89系列单片机的优点：
1.内部含Flash存储器
2.和80C51插座兼容
3.静态时钟方式
4.错误编程亦无废品产生
5.可进行反复系统试验
三、89系列单片机内部结构：
89系列单片机的内部结构和80C51相近，它主要含有如下一些部件。
1.8031CPU
2.振荡电路
3.总线控制部件
4.中断控制部件
5.片内Flash存储器
6.片内RAM
7.并行I/O接口
8.定时器
9.串行I/O接口
鉴于ATMEL公司的产品具有上述优点，综合本次毕业设计题目难易程度分析，使用此主控芯片的外围电路结构简单，价格便宜实惠，易于操作，故选用AT89C52单片机作为本次毕业设计的主控芯片。
2.1AT89C52系统概述
2.1.1AT89C52系统
AT89C52单片机与Inter80C51单片机在多方面方面完全兼容。
其主要工作特性是：
A、内含8KB的flash存贮器，擦除次数1000次
B、内含256字节的RAM
C、具有32根可编程I/O线
D、具有3个可编程定时器
E、具有8个中断源，6个中断矢量，2级优先权的中断结构
F、具有1个全双工的可编程串行接口通信
G、据有1个数据指针DPTR
H、两种低功耗工作模式，即空闲模式和掉电模式
I、具有可编的3级程序锁定位
J、AT89C52的工作电源电压的典型值为＋5V
K、AT89C52的最高工作频率为24MHz
具有片内上电复位、时钟振荡器的AT89C52能独立完成工作的片上系统。
FLASH存储器还具有在系统重新编程的能力，可用于非易失性数据存储。
用户软件对所有外设具有完全的控制，可以关断任何一个或所有外设以节省功耗。
AT89C52有低电压编程和高电压编程两种模式。
低电压编程可用于在线编程，高电压编程于一般的EPROM编程器兼容。
AT89C52单片机的芯片封装顶端有编程电压标志。
2.1.2AT89C52的极限参数
AT89C52的极限参数
2.1.3引脚和封装定义
每种器件都可在工业温度范围（-45℃到+85℃）内用2.7V-3.6V的电压工作。
端口I/O和/RST引脚都容许5V的输入信号电压。
AT89C52采用42脚PDIP,TQFP和PLCC封装。
2.2AT89C52单片机开发工具简介
2.2.1开发工具概述
TKStudio集成开发环境（IDE）从诞生到现在，经过一年多的发展,已逐渐趋于成熟，功能完善，界面美观高效，接口灵活丰富，运行稳定可靠，是目前最好的51开发环境。
版本TKStudioV2.5，对我公司新版B系列仿真器高级功能64K深度代码追踪、代码覆盖、数据覆盖，数据访问（读写）断点等，提供完全支持。
模块化
软件在发展过程中，逐步贯彻结构化、模块化思想，将程序主体框架与扩展模块（组件）分开实现，降低了程序之间的耦合性，为软件的进一步发展奠定了基础，具备了小组开发能力。
为了支持公司越来越多的仿真器型号，定义了通用硬件驱动接口，并向下兼容KEIL的仿真器驱动（功能有所加强），从而有效的利用了公司现有的资源，具备了支持硬件无限升级能力。
定义外围设备接口，以便轻松加入各种芯片的软件、硬件仿真支持，实现不同芯片设备（端口、定时器、串口、I2C、ADC等等）的动态切换。
定义软件仿真接口以支持各种芯片的软件仿真。
编辑器
编辑器自1.0发布之后不断改进，在突出方便好用的原则下，具备了鲜明的个性风格。
智能括号匹配加亮，块注释，头文件和实现文件交叉参考，鼠标右键直接打开包含文件等为C语言的开发带来极大的方便。
语法编辑器带关键字突出显示、智能缩排、括号匹配并可加粗亮显，减少复杂程序的输入错误，体贴人性化设计。
完全中文支持，杜绝半个汉字现象。
自动感知文件变化，避免灾难性后果。
支持文件查找、替换，可设置书签，并具有文件内搜索的强大功能。
编译调试
TKStudio具备了完全的编译器选项，长文件路径编译支持，并可直接利用其他编译工具生成的omf文件，这是优于国内其他厂商的IDE的关键之一。
TKStudio软件仿真、硬件调试、反汇编、复杂变量观察、内存察看、仿真器设置，功能相当完善，是真正意义上的集成开发环境。
1.可导入KeiluV2工程，充分利用已有的资源。
2.提供在线编辑、修改和编译错误、警告定位。
软件修改除错一气呵成！
3.项目管理功能强大灵活，工程文件的添加、修改更方便合理。
a）分Target、Group、File三级结构，可随心所欲设置File、Group、Target编译参数。
b）使用keil编译链接工具时，可灵活设置目标模块和列表文件的输出路径，使工程结构更清晰。
c）支持多模块、混合语言调试。
4.编译后自动列出工程文件中所有头文件
5.强大的程序和数据存储空间定位编辑、观察和修改（支持数据填充）功能，图形化工具。
数据可按不同数制，不同类型显示，红色指示变化数据。
6.支持鼠标获取显示变量。
7.强大的C语言特性支持。
变量窗可观察修改联合、结构体、多维数组及其成员（成员可单独查看），指示数据变化。
支持C指针运算符“*”、“&”“-〉”，可直接观察变量的地址及指针的内容。
如“&P2”，查看P2的地址及内容。
8.自动跟踪收集局部变量。
9.支持显示模块和符号信息，支持函数（子程序）定位。
10.各调试窗口支持多种数据格式：
十进制（85）、十六进制（0X55、55H）、二进制（01010101B）等格式。
11.SFR寄存器和位窗口，根据仿真芯片的不同动态改变，并提示寄存器的主要功能和用法。
12.增强的硬件调试功能
a）C程序调试时可选择是否执行到“main（）”函数，零起始时，单步、
步越均一步到位，决无keil的延迟。
b）智能识别“for（inti=0;i<10000;i++）”等指令，一步完成。
c）支持不运行跳转，方便子程序（函数）的调试。
2.2.2开发工具主要技术指标
A、支持的目标系统：
所有89C51系列单片机及其兼容产品；
B、系统时钟：
最大可达24MHz;
C、通过RS232（USB）接口与PC机相连；
D、支持汇编语言和C51源代码级调试；
E、第三方工具支持（KeilC）。
2.2.3IDE软件运行环境
要求PC机能够运行开发工具软件并能与串行适配器通信。
对PC机有如下系统要求:
A.PentiumPentium-II或兼容处理器的PC;
B.Windows95Windows98WindowsNT4.0;
C.至少16MBRAM;
D.至少20MB硬盘空间。
2.2.4开发工具与PC机硬件连接
所有的Keil产品都自带一个安装程序和安装说明非常易于安装根据您得到的软件途径不同软件的存放格式可能不同.
3数字转速测试仪系统介绍
3.1数字转速测试仪系统组成、主要内容和拟采用的方案
数字转速测试仪控制系统由硬件和软件两部分组成，其中硬件主要完成转速信号的测量以及LCD显示等部分。
而软件则完成信号的采集、处理、LCD液晶显示等功能。
本课题拟通过使用光电脉冲编码器对转速系统进行检测，将传感器输出的脉冲信号通过施密特反向器74LS14，一个74LS121和两个与门构成的转向区别电路输出的频率信号输入至单片机定时/计数器T0（T0工作在计数方式）和定时/计数器T1，最后通过LCD液晶显示。
而在单片机中利用软件编程实现对信号的处理，转换，转速的测量，转向的判定以及显示功能。
。
3.2硬件部分组成及框图
3.2.1硬件组成部分
其硬件部分采用的芯片主要有:
16位微处理器AT89C52,EPC-755A光电脉冲编码器,LCD液晶显示芯片MGLS-12032A,电压转换芯片MAX1677,74LS00,74LS04,六施密特反向器74LS14,单稳态触发器74LS121,两节1.5V电池,电阻电容等常用器件若干.
3.2.2原理框图
系统框图如图3.1所示。
图3.1数字转速测试仪系统硬件原理框图
4硬件部分
4.1光电编码器EPC-755A
4.1.1.光电编码器原理
光电编码器，是一种通过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器。
这是目前应用最多的传感器，光电编码器是由光栅盘和光电检测装置组成。
光栅盘是在一定直径的圆板上等分地开通若干个长方形孔。
由于光电码盘与电动机同轴，电动机旋转时，光栅盘与电动机同速旋转，经发光二极管等电子元件组成的检测装置检测输出若干脉冲信号，其原理示意图如图1所示；通过计算每秒光电编码器输出脉冲的个数就能反映当前电动机的转速。
此外，为判断旋转方向，码盘还可提供相位相差90°。
4.1.2编码器的分类
根据检测原理，编码器可分为光学式、磁式、感应式和电容式。
根据其刻度方法及信号输出形式，可分为增量式、绝对式以及混合式三种。
1增量式编码器
增量式编码器是直接利用光电转换原理输出三组方波脉冲A、B和C相；A、B两组脉冲相位差90°，C相用于基准点定位。
它的优点是原理构造简单，机械平均寿命可在几万小时以上，抗干扰能力强，可靠性高，适合于长距离传输。
其缺点是无法输出轴转动的绝对位置信息。
2绝对式编码器
绝对编码器是直接输出数字量的传感器，在它的圆形码盘上沿径向有若干同心码道，每条道上由透光和不透光的扇形区相间组成，相邻码道的扇区数目是双倍关系，码盘上的码道数就是它的二进制数码的位数，在码盘的一侧是光源，另一侧对应每一码道有一光敏元件；当码盘处于不同位置时，各光敏元件根据受光照与否转换出相应的电平信号，形成二进制数。
这种编码器的特点是不要计数器，在转轴的任意位置都可读出一个固定的与位置相对应的数字码。
显然，码道越多，分辨率就越高，对于一个具有N位二进制分辨率的编码器，其码盘必须有N条码道。
目前国内已有16位的绝对编码器产品。
3混合式绝对值编码器
混合式绝对值编码器，它输出两组信息：
一组信息用于检测磁极位置，带有绝对信息功能；另一组则完全同增量式编码器的输出信息。
光电编码器是一种角度（角速度）检测装置，它将输入给轴的角度量，利用光电转换原理转换成相应的电脉冲或数字量，具有体积小，精度高，工作可靠,接口数字化等优点。
它广泛应用于数控机床、回转台、伺服传动、机器人、雷达、军事目标测定等需要检测角度的装置和设备中。
4.1.3EPC-755A编码器的介绍
EPC－755A是美国ENCODERPRODUCTS公司生产的微型光电编码器，具有重量轻、体积小、耐碰撞、易安装等优点，其直径和长度均为1.5英寸，采用能保证多年可靠工作的金属结构，具有多种灵活的安装方式，能大大降低安装成本。
该光电编码器输出为双通道正交信号，具有校正基准信号，可方便地实现双向计数。
EPC－755A光电编码器的主要性能参数如下：
●输入电压：
5～28VDC（最小4.75V，最大28.0V）；
●输出电流：
最大100mA；
●输出信号：
2路计数脉冲，1路基准脉冲；
●基准信号：
每圈输出1个脉冲，中心与通道A波形重合；
●测量范围：
最大可测旋转速率为7500转/分；
●工作温度：
最高可达100℃；
●频率响应：
100kHz,最高200kHz；
●分辨率：
最低1个脉冲/圈，最高6000个脉冲/圈，中间有55种分辨率可供选择；
●安装方式：
柔性方式，伺服方式，法兰盘方式；
●使用寿命：
平均10万小时；
●重量：
柔性100克，伺服90克；
●转轴方向：
双向；
●工作精度：
两圈间误差≤±0.01°。
图4.2光电编码器输出电路类型（b）
图4.3顺时针旋转时输出的信号波形（a）
4.1.4信号采集部分硬件电路图
增量编码器是以脉冲形式输出的传感器，其码盘比绝对编码器码盘要简单得多且分辨率更高。
一般只需要三条码道，这里的码道实际上已不具有绝对编码器码道的意义，而是产生计数脉冲。
它的码盘的外道和中间道有数目相同均匀分布的透光和不透光的扇形区（光栅），但是两道扇区相互错开半个区。
当码盘转动时，它的输出信号是相位差为90°的A相和B相脉冲信号以及只有一条透光狭缝的第三码道所产生的脉冲信号（它作为码盘的基准位置，给计数系统提供一个初始的零位信号）。
从A，B两个输出信号的相位关系（超前或滞后）可判断旋转的方向。
由图3（a）可见，当码盘正转时，A道脉冲波形比B道超前π/2，而反转时，A道脉冲比B道滞后π/2。
图3（b）是一实际电路，用A道整形波的下沿触发单稳态产生的正脉冲与B道整形波相‘与’，当码盘正转时只有正向口脉冲输出，反之，只有逆向口脉冲输出。
因此，增量编码器是根据输出脉冲源和脉冲计数来确定码盘的转动方向和相对角位移量。
通常，若编码器有N个（码道）输出信号，其相位差为π/N，可计数脉冲为2N倍光栅数，现在N=2，则相位相差π/2。
图4.5信号采集电路图
在图中，光电编码器将采集到的A，B两相信号通过,六施密特反向器74LS14处理成一系列方波,A相再经过单稳态触发器保持与B相的信号相与之后分别接入到单片机的T0和T1口。
4.2显示部分
MGLS-12032A为香港精电公司出品，内置SED1520控制驱动器的图形液晶显示模块点阵数120*32，点大小0.6*0.425mm，模块尺寸75.0*54.0mm,视频尺寸60*26.5mm。
MGLS-12032A液晶模块是由两片SED1520来驱动的，两个SED1520都只用了其中的60个列驱动口，分别驱动液晶显示器的左右半屏，它可直接与8位微处理器相连，集行、列驱动器于一体，因此使用起来十分方便，作为内藏式控制器被广泛应用于点阵数较少的液晶显示模块。
4.2.1芯片特点
（1）内置显示RAM区RAM容量为2560位。
RAM中的1位数据控制液晶屏上一个点的亮灭状态：
“1”表示亮，“0”表示暗。
（2）具有16个行驱动口和16个列驱动口
（3）可直接与80系列微处理器相连，亦可直接与68系列微处理器相连。
（4）驱动占空比为1／16或1／32。
（5）可以与SED1520配合使用，以便扩展列驱动口数目。
4.2.2、MGLS-12032A的管脚介绍
MGLS-12032A管脚功能说明
管脚
名称
功能
说明
1
GND
逻辑电源地
-
2
Vcc
逻辑电源+5V
-
3
V0
工作负电压
提供对比度调节负电压
4
A0
数据/指令通道选择
A0=0选择数据通道；
A0=1选择指令通道
5
R/W
读/写选通信号
R/W=0写操作；R/W=1读操作
6
E1
控制器1的读写选通信号
E1=0禁用；E1=1允许使用
7
E2
控制器2的读写选通信号
E1=0禁用；E1=1允许使用
8
NC
空
-
9~16
DB0~DB7
三态数据总线
-
4.2.3、MGLS-12032A的读／写操作时序
MGLS-12032A有两种读／写操作时序，分别对应于68系列MPU和80系列MPU。
图4.6
（1）80系列MPU操作时序（RES=0）
在WR或RD低电平期间，数据被写进或读出。
图4.7
（2）80系列MPU操作时序（RES=0）
在E下降沿处，数据或指令被锁存进MGLS-12032A内部的数据或指令寄存器。
在E高电平期间，数据或状态被读到数据总线之上。
有些模块，提供了时序选择引脚RES，用户可以自由选择以上两种时序。
4.2.4MGLS-12032A电特性
绝对最大范围（VSS＝0V，VDD≥V1≥V2≥V3≥V4≥V5）
图4.8液晶显示原理图图
如图，V0是液晶驱动电压，是一个负电压，用于调节液晶对比度。
因为液晶材料的物理特性，液晶的对比度会随着温度的变化而变化，所以所加的负电压值应该随温度做相应的调整，大致是温度变化10℃，电压变化不到1V,为满足这一要求，可做一个温度补偿电路或者安排一个电位器整负电压值。
在应用正负电压供电的液晶模块式时，电源的接线要特别注意，否则会烧毁芯片，在应用中，最好先加逻辑电压VDD，滞后50ms左右再加V0,再关断
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