单片机控制的转速.docx
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单片机控制的转速
目录
一：
摘要，引言……………………………………….3
二：
硬件设计………………………………………….4
1.整体方案设计…………………………………..4
2.方案论证与选择……………………………….5
2.1.控制部分…………………………………….5
2.2.报警电路…………………………………….5
2.3.检测电路…………………………………….6
2.5直流稳压电源……………………………….8
2.6显示电路……………………………………16
3.整体硬件设计框图…………………………….18
4.8051硬件基本知识……………………………19
三：
软件设计………………………………………..20
1.控制程序说明………………………………….20
2.程序流程图…………………………………….21
3.程序清单……………………………………….22
四：
结束语……………………………………………26
致谢………………………………………………27
五：
参考文献…………………………………………28
毕业设计报告书
摘要：
设计制作一个用单片机控制的转速表，其转速显示的范围为0—9999，当其高位为0时，要屏蔽，当其范围超过此范围时可报警。
本设计的转速检测采用的是红外发射和接收管，原理是其发射和接收管之间被遮挡和不遮挡时，通过电路就可产生一个脉冲信号，把此信号送入单片机，然后用4位数码管显示出来，这一过程反复执行，确保数据的更新，本设计的电源为自制的5V直流稳压电源。
关键字：
转速检测，红外，数码管显示。
引言：
目前直流调速在工业生产中有相当广泛的应用，直流调速的转速比更大，可在全部的调速范围内获得良好的转距特性。
放眼望去，交流电动机占据了传动应用的绝大多数地盘，大有取代直流电动机的趋势，但实际上在许多场合人们依然在使用直流调速。
交流电机结构比直流电机简单，便于维护，价格低。
由于变频技术的发展，交流变频调速的性能越来越接近直流调速，因而人们更愿意使用交流变频调速。
众所周知，许多科学实验都离不开电，并且在这些实验当中经常会对通电时间，电压高低，电流大小以及动态指标有特殊的要求，全数字直流调速装置，采用8位单片机微机技术，性能优良，运行可靠，并且具有极高的性价比，设计方案的提出，更进一步说明了这类电动机的好处，直流电动机是工业制动化，家庭现代化等各个领域广泛应用不可缺少的基础产品，与其他类型的电动机相比，他具有良好的启动性能，且能在宽广的范围内平滑而经济的调速，过载能力较强，热动和制动转距较大，因而直流电动机在启动和调速要求较高的生产机械上广泛的应用。
随着人们的生活水平的提高，对视听设备品质要求也再不断的提高，这类产品为小功率直流电动机提供了广阔的市场，因此高精度控制直流电动机转速成为发展的必然趋势。
电动机的转速是一个重要的参数，也有很多用于测量转速的仪表，如：
机械软轴式转速表，频率—电压转换式转速表，数字式转速表等，他们中间有的成本很高而且精度很差，有的工艺复杂而且可靠性不高。
本文介绍了一种用单片机控制的智能转速表，不紧精度高，工艺简单，线路简洁，而且可靠性高，功能强。
本文所提到的软硬件设计方案，就是其中的一种。
该设计难免存在一些弊端，望老师给予指点。
经过充分讨论后，将原题的任务、基本要求、重新整理如下：
本系统可很好的完成题目的任务和基本要求,在检测部分，使用了红外发射和接收管，在转动的物体上开一个小洞，把发射和接收管放于两边，当物体转动时接收和发射管由于有个小洞没有被遮挡此时通过红外检测电路会产生一个脉冲信号被送入单片机，通过单片机的运算，最终显示出每分钟的转动数，当其值超过4位数码管的显示范围时，数码管上不显示，并发出警报，当其值不够4位时，使高位屏蔽。
一．硬件设计
1.整体方案设计
对题目进行深入的分析和思考，可将整个系统分为以下几个部分：
显示部分，检测部分，直流稳压电源部分，控制部分，报警部分。
系统框图如下图所示：
控制部分
检测电路显示电路
直流稳压电源
报警电路
2：
方案论证与选择
a:
控制部分的选择
方案一：
使用MSP430单片机作为其控制芯片，因为该款单片机I/O口资源非常丰富，该设计用到4个数码管，可以说非常的占用输出口，而且该单片机对外部输入脉冲非常敏感，虽然该款单片机非常适合，但其价格较贵，而且大部分功能我们不能熟练使用，有点大材小用的感觉
方案二：
使用我们经常接触的89C51单片机，虽然该款单片机I/O口资源较少，但我们可以改变电路图，使之符合该单片机，在其他方面，该单片机我们经常使用，可以说是比较熟练了，能满足题目的需要，而且价格便宜。
综合以上两者，选择方案二。
b:
报警电路的选择
图
（1）
方案一：
由555电路组成的声音报警电路，电路图如图
（1）所示，LM555电路构成的高频多偕振荡器由启动信号启动后，使LM555的第4脚为高电平，可以产生音频信号，VT1则用作音频放大器和扬声器的驱动；实际运用时，也可以将扬声器的电容隔离后接在第3脚的电阻上。
该电路图虽然可以满足报警的需要，但是该电路图过于复杂，需要元器件过多
方案二：
我们可以设计一个与单片机的I/O口相接的报警电路，就是说该报警电路的工作是由单片机来控制的，该电路图所用元器件少，而且电路简单，易于调试，而且该电路的报警次数和音量可以由软件编程来控制，足以满足题目的需要，电路图如图
（2）所示：
图
（2）
综合以上两者，选择方案二
c:
检测电路的选择
方案一：
转速检测采用红外发射和接收管，在被测物体的转盘上开一个小口，电动机每转一转，检测电路就产生一个脉冲信号，信号经过缓冲，整形后输到单片机的I/O口，经过单片机的计算后，最后送到数码管进行显示，电路图如图（3）所示：
图（3）
方案二：
采用霍尔计数装置，霍尔集成元件是将霍尔元件和放大器等集成到一块芯片上，他由霍尔元件，放大器，电压调整电路，电流放大输出电路，失调调整及线性度调整电路等几部分组成，有三端T行单端输出和八脚双列直插型双端输出两种结构，他的特点是输出电压在一定范围内与磁感应强度成线性关系。
霍尔开关传感器SL3051具有较高灵敏度的集成霍尔元件，能感受到很小的磁场变化，因而可对其进行计数，其测量方法为在非磁材料的圆盘边缘上黏贴一块磁钢，将圆盘固定在被测转轴上，开关型霍尔传感器固定在圆盘外边缘附近，圆盘没旋转一周，霍尔传感器就输出一个脉冲，用频率计测量这些脉冲，便可知其转速，
设频率计的频率为F，黏贴的磁钢数为Z，则转轴的转速为
N=60F/Z（r/min）
若Z=60，则N=F，既转速为频率计的示值，但是黏贴60块磁钢实在太麻烦了，而且若圆盘很小便装不下这么多磁钢，因此，可视情况黏贴适当的块数。
例如：
黏贴6块磁钢，则转速为
N=10F
这样读书与计数都比较方便。
其电路图如图（4）所示：
图（4）
综合以上两者，选择方案一
d:
直流稳压电源的设计
随着电子行业的发展，电子产品的增加，人们对电源的需求越来越大，几乎所有的电子电路都需要稳定的直流电源。
我们日常用的电源有蓄电池、干电池等。
然而，它们的电压低、功率小，体积大，价格昂贵、污染大等，若把它们作为电子设备的主要电源，其效果并太理想，也不经济，更不利于环保，特别是对那些功率较大的电器设备，它们更没有用使用的价值。
所以，在一般工业电子设备中都常自备一个稳定直流稳压电源，直流稳压电源是通过把220V交流电源经过变压、整流、滤波和稳压电路变换后而得到的所需要电压，直流稳压电源是在电网电压、电流或负载发生变化时，能基本保持输出电压不变，而且工作时间较长。
所以我在此次设计中把直流电源的设计做为重点来考虑，因为其他模块能不能正常工作，很大一部分原因要考虑到其工作电压的大小与稳定，所以此次设计直流稳压电源是整个设计的重点部分。
1.1直流稳压电源概述
几乎所有的电子电路都需要稳定的直流电源，在检定检修指示仪表时，除了要有合适的标准仪器外，还必须要有合适的直流电源及调节装置。
当由交流电网供电时，则需要把电网供给的交流电转换为稳定的直流电。
工业上所使用的直流稳压电源是把日常交流用电转换成直流电。
通常，把交流电转换为稳定的直流电需经过变压、整流、滤波和稳压等四个环节，提供这种稳定的直流电能的电源就是直流稳压电源.其结构方框图及波形变换流程,如图1-1所示：
+
电源+整流+滤波+稳压+U0
u1
0t0t0t0t
u0u1u2u3
图1-1
1.2主要参数概述
衡量稳压电源性能优劣的参数。
1、稳压系数Sr:
负载不变时，稳压电路输出电压相对变化量与输入电压相对变化量比。
即：
。
2．输出电阻ro：
输入电压不变时，输出电压变化量与输出电流变化量之比
即：
3．电压调整率
：
额定负载不变时，电网电压变化10%，输出电压相对变化量。
即：
4．电流调整率
：
电网电压不变时，输出电流从零到最大值变化时，输
电压的相对变化量。
即：
一般常用稳压系数Sr和输出电阻ro这两个主要指标。
其数值越小，电路稳压性能越好。
5.纹波电压：
叠加在输出电压上的交流电压分量。
用示波器观测其峰峰值一般为毫伏量级。
也可用交流毫伏表测量其有效值，但因纹波不是正弦波，所以有一定的误差。
1.3.整流、滤波电路
一、整流电路
整流电路是直流稳压电源的最主要的输入部分，整流电路就是把交流电源变成滑的直流电，整流电路的种类很多，我们常见的整流电路有单向半波整流电路、全波整流电路，桥式整流电路。
1：
单相半波整流电路
单相半波整流电路如图7-2-1（a）所示，它由电源变压器T，整流二极管V和负载电阻RL组成，其中，电源变压器T除了实现变换电压的作用外，还能保证直流电压与交流电压良好的隔离，对电路元件有很好的保护做用。
工作原理分析如下：
整流二极管为理想的。
由图2.2-1（a）可见，当v2其极性为上正下负，整流二极管V正图2.2-1（b）工作波形
向偏置而导通，流过二极管的电流iD同时流过负载RL，极性为上正下负，即此时有io=iD,所以负载电阻RL上的电压vo≈v2。
当v2为负半周时，其极性为上负下正，整流二
极管V反向偏置而截止，流过二极管的电流iD=0输出电流io也为0，因此输出电压vo也为0此时，v2全部电压都加到整流二极管两端，它所承受的反向电压vD=v2。
电路的工作波形如图2.2-1（b）所示。
由V2、V0波形示于图2.2-1（b）中可见，负载上得到单向的脉动电压。
由于该电路只有U2的下半周的输了出，所以称半波整流电路。
流过二极管的平均电流ID为：
二极管承受的反向峰值电压URM
为：
单向半波整流电路具有电路结构简单，使用元件少，但整流效率低，输出电压脉动因此，它只适用于要求不高的场合。
2：
单相全波整流电路
单相全波整流电路就是在半波整流电的基础上有所改进，如图2.2-2（a）我们可以看出就是在变压器负半周多加了一个整流二极管。
其工作原理如下：
当v2为正半周时，对于绕组ab，a端为正，b端为负；整流二极管V1因正偏而导通，V2因反偏而截止。
因而，电路中电流从a端再经负载RL到达b端，最后经绕组ba回到a端而构成一个回路，负载RL上产生一个上正下负的输出电压，此时，vo=v2。
当v2为负半周时，对于绕组bc而言，则b端为负，c端为正，整流二极管V1反偏而截止，V2因正偏而导通。
电路中电流从c端再经负载RL到达b端,，最后经绕组bc又回到c端而构成回路，负载RL上仍然产生一上正下负的正输出图2.2-2
电压，此时，vo=-v2，它与半周时产生的输出电压相同。
由此可见，在v2一个周期内，二极管V1、V2轮流导通，从而在负载RL上产生分别一个单方
向的脉动电压vo，其工作波形如图2.2-2（b）
由V2、V0波形示于图2.2-2（b）中可见，负载上得到的脉动电压，v2不管是在x轴的上半周还是在x轴的负半周，其输出的波形v0都在x轴的正半周，所以称全波整流电路。
负载上的直流电压和电流计算：
其负载上的直流电压为：
其负载中的平均电流为：
两个二极管承受的最在反向电压均为
，因此
所以能过每一个二极管的电流是钠载电流的一半，因此
单向全波整流跟半波整流很相似，其效率比较高实用性比较强，但是二极管所承受的反向电压比较大，所以在较大功率场合不选用它。
3：
单相全波桥式整流电路
桥式整流属于全波整流，它不是利用副边带有中心抽头的变压器,而是用四个二极管接成电桥形式，使在电压V2的正负半周均有电流流过负载，在负载形成单方向的全波脉动电压如图2.2-3（a）
其工作原理如下：
当v2为正半周时，其极性为上正下负，整流二极管V1与V3正偏导通，而V2与V4反偏截止，整流电路中的电流从a端开始，流经二极管V1至b端，再经负载RL至d端，然后经过二极管V3至c端，再经变压器T最后又回到a端形成回路，因此，负载RL上产生一上正下负的输出电压，此时，输出电压vo=v2，当v2为负半周时，其极性为上负下正，整流二极管V2、V4正偏导通，而二极管与V3反偏截止，整流电路中的电流从c端开始，流经二极管V2至b端，再经负载RL至d端，然后经过二极管V4至a端，再经变压器T最后又回到c端形成回路，因此，负载RL上也同样产生一上正下负的输出电压，但此时，输出电压vo=-v2。
其工作波形如图2.2-3（b）所示。
（a）工作电路（b）工作波形
图2.2-3
可见，桥式整流电路输出电压为半波整流电路输出电压的两倍，所以桥式整流电路输出的电压平均值为：
桥式整流电路中，由于每两只二极管只导通半个周期，故流过每只二极管的平均电流仅为负载电流的一半，即：
在u2的下半周，V1、V3导通过，可将它们看成短路，这样V2、V4就并联在u2上，其承受的反向峰值电压为
。
同理，V2、V4导通时载止,其承受的所向峰值电压也为
。
由以上分析可知，桥式整流电路与半波整流电路相比较，其输出电压U0提高，脉动成分减小了。
二、滤波电路
整流电路将交流电变为脉动直流电，但其中含有大量的交流成分（称为纹波电压）。
为了获得平滑的直流电压，应在整流电路的电路的后面加接滤波电路，以滤去交流成分我们常见的滤波电路有，电容滤波，电感滤波，π型滤波电路，LC滤波电路，LCπ型滤波电路等。
1：
电容滤波电路
在桥式整流电路输出端与负载电阻RL并联一个较在电容C，就构成了一个很简单的电容滤电路，如图2.2-4（a）
滤波电路如图2.2-4（a）所示，它由电源变压器、桥式整流电路V、滤波电容C及负载RL所组成。
其中，滤波电容C起滤除交流成分的作用。
有了滤波电容负载RL就可以得到一个比较平滑的直流电源，如图2.2-4（b）.
其工作原理如下：
设电容两端初电压为零，并假定在t=0时接
通电路，当v2为正半周时，二极管V1、V3正偏而导通，电容C被充电。
同时电流经V1、V2向负载电阻供电，刚开始时，充电电流很大，电容C随着v2的增加，电容充电时间常数近似为零，在u2达到最在值时，uc也达到最大值（峰值
）。
然后当v2从峰值开始下降时，由于电容上的充电电压大于v2，二极管V1、V2反偏而截止，滤波
电容C通过负载RL放电，由于放电时间常数
=
C图2.2-4（b）
一般较大电容电压uc按指数规律缓慢下降。
V2、V4导通，电容C再次被充电，输出电压增在后重复上述充、放电过
程便可得到图2.2-4（b）所示输出电压波形，它近似为一锯齿直流电压。
由图2.2-4可见整流电路接入滤波电容后，不仅使输出电压变得平滑、纹波显著减小，同时输出电压的平均值也增大了。
输出电压增均值U0的大小与滤波电容C及负载电阻RL的大小有关，C的容量一定时，RL越大，C的放电时间常数
就越大，其放电速度越慢，输出电压就越平滑，为了获得良好的滤波效果，一般取：
式中，T为输入交流电压的周期。
此时输出电压的平均值近似为：
在整流电路采用电容滤波后，只有当
时二极管才导通，故二极管的导通时间缩短，一个周期的导通角
，形成了很大电流，容易损坏二极管，故选择二极管时，必须留有足够的电流裕量，不过现在选用的是高工意集成的电桥电路，如果选用一般可按（2～3）I0来选择二极管。
2、其他形式滤波电路
（1）电感滤波：
电感L起着阻止负载电流变化使这趋于平直的作用，从整流电路输出的电压中，其直流分量由于电感近似于短路而全部加到负载RL两端，即U0=0.9U2。
交流分量由于L的感抗远大于负载电阻而大部分降在电感L上，负载RL上只有很小的交图2.2-5
流电压，达到了滤除交流分量的目的。
如图2.2-5
（2）π型滤波电路：
为了进一步减小负载电压中的纹波可采用图2.2-6（a）所示
型LC滤波电路，由于电容C1、C2对交流的容抗很小，而电感L对交流阻抗很大，因此，负载RL上的纹滤波电压很小。
若负载电流较小时，也可用电阻代替电感组成
型RC如图2.2-6（b）。
由于电阻要消耗功率，所以，此时电源的损耗功率较大，电源效率降低。
（a）（b）
图2.2-6
滤波电路的种类很多，但是人们常用的都是电容滤波电路，此电路比较简单，滤波效果很好，一般的情况下稳定度比较高，适用于任何的直流稳压电路，
根据以上所述，我确定了直流稳压电源的设计，根据每个模块的需要，我选择了稳压5V的直流稳压电源。
其中的关键就是“CW7805”这是一个5V的稳压集成块，其工作稳定性好，价格便宜。
电路图如图（5）所示：
图（5）
e:
显示电路的设计
在当时选择控制模块的时候我们就注意到了89C51的I/O口资源不是很丰富，不可能像MSP430一样来连接显示电路，本来4个数码管需要16个I/O口的，如果按照16个I/O口来计算的话，89C51跟本不能满足我们的需要，为此我们把电路进行了更改，把4个数码管的A,B,C,D四个脚都连接起来，这样我们只需要4个I/O口就可以完成显示电路的连接，另外我们所用的驱动数码管的驱动块还要逐个连接一条线到单片机，这样方便我们对每个数码管的控制，这样计算下来，我们只需要8个I/O口就可以完成显示电路的连接了，节省了I/O口资源，可以让其有限的I/O口发挥最大的作用。
驱动数码管的驱动块我们选择的是74LS48,价格便宜，整个电路设计下来，电路简洁，明了，易于调试，而且花费的成本也很低。
其电路图如图（6）所示：
图（6）
3.整体硬件设计框图
4.8051基本硬件知识
1.8051的基本知识
A:
8051的引脚40接+5V电源，引脚20接电源底线
B:
传统的8051工作时钟最高为12MHz
C:
EA引脚接地，由外部程序ROM来执行程序
D:
EA引脚接高电平，由内部ROM来执行程序
E:
开机时必须加入芯片重置信号
2.几种8051基本的设计框架
A:
8051标准型设计：
使用89C51
B:
8051扩充形设计：
使用89C51外加EPROM.SRAM.I/O组
C:
8051极小型设计：
使用89C2051
3．8051标准形设计说明
8051程序代码可以外接程序ROM来执行，也可以使用内部4KB的空间，当程序长度超过4KB时可以使用89C52，若程序长度超过8KB时可以使用89C55。
8051EA引脚是接至5V电源的，表示由内部程序ROM来提供程序代码，此电路可以使用的单芯片有8751和89C51，而程序的测试方法可以使用ICE,使用9CXX烧录模拟器或是直接烧录单芯片，当然直接烧录单芯片，做测试会比较麻烦还会花费许多时间，如果控制程序简单还可以，要是做课程设计程序就会变的复杂，所以手上有ICE的话就相当方便，如果想将项目设计的更复杂，使用更多的I/O或是扩充功能，我们建议使用8051外接程序ROM以及数据RAM的控制电路，那就是8051扩充型模式设计。
二．软件设计
1.控制程序说明
在10S内计数外部脉冲的个数，由定时器T1进行定时，由T0对外部脉冲进行计数，在单片机编程中引入消息的概念，将中断产生的标志作为消息，而数据处理则被放到消息循环中进行。
在这个例子中中断服务程序只进行数据的采集和标志位的设置，而数据的处理放到运行时间要求不是很精确的中断服务程序之外的主程序循环中，这样一方面减少了中断服务程序的长度，缩短了中断服务程序执行的时间，提高了中断处理的实时性，另一方面又不影响数据的处理，从而很好的解决了数据采集的实时性和数据处理耗时多而影响时间累计之间的矛盾。
和PC机相比，单片机资源十分有限。
因此单片机系统不可能像WINDOWS系统那样建立庞大的消息循环机制，将消息分发给各个程序并进行处理。
在基于消息的单片机编程中，采取一种简化的方式，消息可以这样来定义：
当某个事件发生时，事件处理程序设置相应的标志，不同的标志代表不通的消息，而主程序所进行的消息循环就是主程序不断的判断这些标志，以决定启动哪一个处理函数，这中方法在多中断系统之中使用，可以明显的提高中断的实时性，另外，由于在中断服务程序中不需要调用数据处理程序，也有效的防止了代码重入所带来的问题
3.程序流程图
开始中断服务程序开始
系统自检定时初值再装入
系统初始化读取T0的值
查询是否中断Y数据处理发送数据
清除T0的值
N
LED显示刷新中断返回
4.程序清单
ORG0000H
AJMPMAIN
ORG001BH
AJMPPIT0
ORG0030H
MAIN:
MOVTMOD,#15H
MOVTH1,#0BH
MOVTL1,#0DCH
MOVR5,#16H
MOVTH0,#00H
MOVTL0,#00H
SETBET1
SETBEA
SETBTR1
SETBTR0
SJMP$
ACALLCF
ACALLZH
ACALLCZ
MOVA,40H
ORLA,#10H
MOV40H,A
MOVA,41H
ORLA,#20H
MOV41H,A
MOVA,42H
ORLA,#40H
MOV42H,A
MOVA,43H
ORLA,#80H
MOV43H,A
MOVP1,40H
ACALLDELAY
MOVP1,41H
ACALLDELAY
MOVP1,42H
ACALLDELAY
MOVP1,43H
ACALLDELAY
AJMPMAIN
RET
CF:
MOVA,R6
MOVB,R4
MULAB
MOVR0,A
MOVR1,B
MOVA,R7
MOVB,R4
MULAB
ADDA,R1
MOVR1,A
MOVA,R0
MOVR3,A
MOVA,R1
MOVR2,A
RET
ZH:
CLRA
MOVR5,A
MOVR6,A
MOVR7,#10H
ZH1:
CLRC
MOVA,R3
RLCA
MOVR3,A
MOVA,R2
RLCA
MOVR2,A
MOVA,R6
ADD
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