电子应用技术毕业论文 基于单片机的转速系统测量的论文设计.docx
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电子应用技术毕业论文基于单片机的转速系统测量的论文设计
XX理工学院毕业设计（论文）任务书
毕业设计（论文）题目：
基于单片机的转速测量系统设计
教学院：
电气学院专业班级：
07应用电子技术1班学生姓名：
学号：
指导教师：
1．毕业设计（论文）的主要内容
转速是工程中应用非常广泛的一个参数，其测量方法较多，而模拟量的采集和模拟处理一直是转速测量的主要方法，这种测量方法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。
随着大规模及超大规模集成电路技术的发展，数字系统测量得到普遍应用，特别是单片机对脉冲数字信号的强大处理能力，使得全数字测量系统越来越普及，其转速测量系统也可以用全数字化处理。
本设计要求以单片机为中心，设计的全数字化测量转速系统，可以应用于电机转速检测和控制、车辆的里程表、车速表等。
2．毕业设计（论文）的要求
①查阅有关资料，熟悉转速的数字化测量原理，提出自己的测量方案
②根据单片机系统的设计原则，构建硬件系统并完成相应的软件设计
3．进度安排
毕业设计（论文）各阶段名称
起止日期
1
收集技术资料制订计划
2010、3、10—2010、3、25
2
系统分析和总体设计
2010、3、26—2010、4、10
3
系统硬件、软件设计
2010、4、11—2010、4、20
4
整理数据、写毕业论文、答辩
2010、4、21—2010、5、30
4．其他情况说明
5．主要参考文献见附录
摘 要
在控制领域中,经常需要进行各种角度、位移量的测量。
当前，世界上正面临着一场新的技术革命，这场革命的重要基础之一就是测量技术。
测量技术的发展给人类社会和国民经济的各个部门及各个领域带来了巨大的、广泛的、深刻的变化，带动着传统工业和其他新兴产业的更新和变革，是当今人类社会发展的强大动力。
本设计为码盘转速测量系统，用来测量来自外部的不同的转速值。
实现转速的实时测量，显示。
具体应用AT80C51单片机为核心，旋转编码器实时轴转速测量，同时以八位串行段码式LCD显示模块显示。
旋转编码器输出4.25V，8位二进制自然码送入单片机处理经过计算处理，再查表转换为10进制数，送LCD模块显示。
本文从转速测量原理入手，详细阐述了转速测量系统的工作过程，以及硬件电路的设计、显示效果。
本文吸收了硬件软件化的思想，实现了题目要求的功能。
关键词：
转速测量，旋转编码器，单片机，LCD显示模块
Abstract
Inthecontrolfield,avarietyofanglesanddisplacementmeasurementsoftenneedtobecarriedout.Atpresent,theworldisfacinganewtechnologicalrevolution;oneofthemostimportantbasesoftherevolutionismeasurement.Thedevelopmentofmeasurementtechnologybringsextensive，tremendousandprofoundchangestohumansocietyandallsectorsofthenationaleconomy,changesthetraditionalindustriesandotheremergingindustries,becomestoday'sstrongestdrivingforcefordevelopmentofhumansociety.
Theencoderspeedmeasurementsystemisdesignedtomeasureadifferentspeedfromtheoutsidevalues，toachievereal-timespeedmeasurementanddisplay.SpecificapplicationuseAT80C51microcontrollerasitscore,rotaryencodermeasuresreal-timeshaftspeed,inboth8serialSegmenttypeLCDdisplaymoduledisplay.Rotaryencoderoutputa4.25V,8-bitbinarynaturalcodeintotheMCUprocessedandcomputed,andthenlook-uptableconvertsto10decimalnumber,senttoLCDdisplaymodule.
Inthispaper,detailedworkingprocessofspeedmeasurementsystemisstartedwithprincipleofspeedmeasurement,andhardwarecircuitdesignanddisplay.Thispaperhasabsorbedtheideaofhardwareandsoftwaretoachievewiththesubjectrequiredfunctionality.
Keywords:
rotationalspeedmeasurement,rotaryencoder,microcontroller,LCDdisplaymodule
目 录
1.2课题研究目的和意义2
第1章 绪论
1.1国内外转速测量技术简介[1]
测量角位移的数字编码器，它具有分辨能力强、测量精度高和工作可靠等优点，是测量轴转角位置的一种最常用的位移传感器。
光电轴角编码器通常按照光栅码盘团的编码方式进行分类。
目前常用的类型为增量式光电轴角编码器和绝对光电轴角编码器。
光栅式光电编码器正向着高分辨力的方向发展。
如日本尼康公司生产的2HR32400轴角编码器,每转可输出1296万个脉冲（0.1″）,可谓日本的最高分辨力。
我国在光电轴角编码器的开发方面上也已经取得了长足的进展,1985年航天部一院计量站研制的精密数显转台,分辨力0.01″;1995年中科院长春光机所和中国计量科学研究院联合研制出的角度基准,分辨力0.001″,精度P+V=0.05″（误差修正后）;成都光电所研制的JC21精密测角仪的增量式光电轴角编码器分辨力达到了0.02″,测角精度R≤0.04″[2]。
随着科学技术的发展，形形色色的转速测量仪不断出现。
它们的结构不同，性能各异。
至今没有系统的分类方法，在这里只按测量原理和主要元件性质进行分类说明。
按照测量原理主要分为测频法、测周法两种基本的方法，以此提高测量精度。
由于电子计数器所特有的±1个数的误差的存在，应根据转速脉冲频率的大小恰当选择测量方法。
所谓测频法就是测量转速脉冲频率的方法，它用基准时间信号发生电路的脉冲来控制计数门的开闭，在单位时间内对来自转速传感器的脉冲进行计数。
所谓测周法就是测量转速脉冲周期的方法。
它用传感器的脉冲来控制计数门的开闭，在转速脉冲周期内对基准时间信号发生电路的脉冲进行计数，然后按f=1/T公式换算成转速脉冲的频率。
目前按现有产品的主要构成元件分类，可分为晶体管式、集成电路式和单片机式。
晶体管式所采用的元件主要是晶体管，有的晶体管式转速测量仪设有记忆电路，其数码管无闪烁现象，显示效果较好，而且测量速度较高。
顾名思义集成电路式转速测量仪，所采用的元件是集成电路元件。
由于集成电路具有重量轻、体积小、功耗小等优点，而且集成电路元件内设有显示电路，这使得转速测量仪实现小型化。
单片机的出现使得这种仪表的设计变得更加灵活[3]。
1.2课题研究目的和意义
转速是工程中应用非常广泛的一个参数，其测量方法较多，而模拟量的采集和模拟处理一直是转速测量的主要方法，这种测量方法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。
随着大规模及超大规模集成电路技术的发展，数字系统测量得到普遍应用，特别是单片机对脉冲数字信号的强大处理能力，使得全数字测量系统越来越普及，其转速测量系统也可以用全数字化处理。
在测量范围和测量精度方面都有极大的提高。
因此，本课题的目的是：
对各种测量转速的基本方法予以分析，针对不同的应用环境，利用单片机设计一种全数字化测速系统，从提高测量精度的角度出发，分析讨论其产生误差的可能原因，为今后的实际使用提供借鉴。
并从实际硬件电路出发，分析电路工作原理和软件流程，根据仿真情况提出修改方案和解决办法。
课题以单片机为中心，设计的全数字化测量转速系统，在工业控制和民用电器中都有较高使用价值。
其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。
其次该转速测量系统由于采用全数字化结构，因而可以很方便的和工业控制计算机进行连接，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直接就能作为单独的使用产品。
总之，转速测量系统的研究是一件非常有意义的课题。
第二章 原理说明及方案选择
2.1转速测量理论的简要介绍
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。
转速测量的方法有很多，根据工作原理可分为计数式、模拟式、同步式。
计数式方法是用某种方式读出一定时间内的总转数;模拟式方法是测出由瞬时转速引起的某种物理量的变化;同步式是用利用已知的频率与旋转体的旋转同步来测量转速。
一般的转速测试可用机械式转速表、发电机式转速表以及频闪式转速表，但在有些情况下，其测量精度，瞬时稳定度不能满足更高的要求，因此，在测量方法和传感器的选择上显得尤为重要。
常用的传感器种类有光电传感器、电磁式传感器、电容式传感器等，而测量方法上有测量转速周期、转速频率等。
如表2-1所示
表2-1 各种测速方法比较[5]
形式
测量方法
适用范围
特点
备注
计数式
机械式
通过齿轮转动数字轮
中、低速
简单、价廉
光电式
来自被测旋转体上的光线使光电管产生电脉冲
中、高速
数字式
电磁式
利用磁电转换器将转速变换成电脉冲
中、高速
数字式
模拟式
机械式
利用离心力与转速成平方成正比的关系
中、低速
简单
发电机式
利用电机电流或交流电压与转速成正比关系
高速
可远距离指示
测速发电机
电容式
利用电容充、放电与转速成正比的关系
中、高速
同步式
机械式
转动带槽的圆盘，观察旋转体的同步关系
中速
闪光式
用已知频率闪光测出旋转体同步的频率
中、高速
2.2方案选择
就转速测量原理而言，大体可分为二大类，一是用单位时间内测得物体的旋转角度来计算速度，例如在单位时间内，累计转速传感器发出的N个脉冲，即为该单位时间的速度。
这种以测量频率来实现测量转速的方法，称测频法。
即“M”法;另一类是在给定的角位移距离内，通过测量这一角位移的时间来进行测速的方法，称测周法，即“T”法，如给定的角位移AO，传感器便发出一个电脉冲周期，以晶体震荡频率而产生的标准脉冲来度量这一周期时间，再经换算可得转速。
这两种测速方法各有优缺点，“M”法一般用于高速测量，在转速较低时，测量误差较大，而且，检测装置对转速分辨能力也变差;而“T”法一般用于低速侧量，速度越低测量精度越高，但在测量高转速时，误差较大。
从测速设备的工作性质考虑，本设计使用测频法，即“M”法。
2.3方案原理
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2-1所示
图2-1 “M”法测量转速脉冲
设在时间T内，转轴转过的弧度数为Xτ，则的转速n可由下式表示：
n=60Xτ/2πT（2-1）
转轴转过的弧度数Xτ，可用下式所示
Xτ=2πm1/p（2-2）
将（2-1）式代入（2-2）式，得
转速n的表达式为:
n=60m1/Tp（2-3）
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和脉冲的不能保证严格同步，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转速测量参数及电路参数分析
选定方案中m1的值为旋转编码器前后两次读数之差，定时时间初步选定为100ms。
2.4.1MCS-51的定时器/计数器简介
2个16位的定时/计数器，有多种工作方式。
定时/计数器工作在定时模式时，计数脉冲信号来自单片机的内部，计数速率是晶振频率的1/12，当计数器启动后，每个机器周期计数器自动加1。
定时/计数器工作在计数模式时，计数器对外部脉冲进行计数，计数器计P3.4（T0脚）P3.5（T1脚）负每产生一次负跳变，计数器自动加1。
如图2-2
图2-2 TMOD寄存器用于定时/计数的操作方式及工作模式指令格式。
2.4.2定时器模式选择位
C/T＝0，定时器模式，每一个机器周期计数器自动加1。
C/T＝1，计数器模式，在单片机T0引脚上每发生一次负跳变，计数器自动加1。
GATE＝0，定时/计数器工作不受外部控制。
GATE＝1，定时/计数器T0的起停受INT0引脚的控制。
1.计算计数初始值
因为系统的晶振频率为fosc=12MHz，则机器周期Tm=12/fosc=1μs。
设计数初始值为X：
X=216-td/Tm=216-1×105/1=15535
则（TH0）=00111100B＝3CH，（TL0）=10101111B=AFH
2.设置工作方式
方式0：
M1M0=01；定时器模式：
C/T=1；
定时/计数器启动不受外部控制：
GATE=0；
因此，（TMOD）=05H。
关于测速电路的参数，本次设计采用了如下方案：
AT80C51单片机属于CMOS型8位单片机，其在片内的振荡器电路由晶体控制的单极线性反相器组成，同HMOS型所用方法一样，要求用晶体控制的感性阻抗方波振荡器，但也存在一些差别，其一为80C51可在软件的控制下关闭振荡器，其二为80C51的内部时钟电路由XTAL2引脚上的信号来驱动。
本次设计中的振荡器可用晶体作为感性电抗与外部电容组成并联共振槽路。
晶体的特性与电容值的大小（C1、C2）并不严格，高质量的晶体对任何频率都可取用30pF的电容，对于廉价应用中，可采用陶瓷共振器，这时C1、C2一般取47pF；这里选取频率12MHZ晶振，电容C1、C2为30pF。
看门狗电路电路参见图2-3
图2-3 MAX813L看门狗电路
图中，电阻R1和R2分压产生1.25V电源门限值。
当此脚的电压低于1.25V时，即电源电压低于额定值时，PFO将产生一个脉冲信号，可以用于向CPU发出中断申请，使CPU完成应急处理。
此功能可完成电源电压的监测。
P1.0喂狗信号，在软件的编制中通过对P1.0的位操作向MAX813L的看门狗输入端输入一个负脉冲。
如果程序出现“跑飞”现象，程序将不能正常运行，这个定时发出的脉冲也得不到保障。
当单片机超过1.6秒未向MAX813L的看门狗输入端发脉冲信号，MAX813L内部的定时器将会强制将WDO拉到低电平，这个低电平通过MR产生复位信号。
单片机复位后从初始状态开始运行，从而保证系统的可靠性，起到了看门狗的作用。
此电路同时兼有上电复位和按键复位功能。
第三章 硬件电路的设计
3.1单片机的选择
随着大规模集成电路（LSI）制造技术的飞速发展，单片机也随之迅猛发展，其发展历史大致分为三个阶段：
第一阶段（1976年—1978年）：
初级单片微处理器阶段。
以Intel公司的MCS-48为代表。
此系列的单片机具有8位CPU，并行I/O端口，8位时序同步计数器，寻址范围不大于4KB，但是没有串行口。
第二阶段（1978年—现在）：
高性能单片机微处理器阶段，如Intel公司MCS-5，Motorola公司的6801和Zilog公司的Z8等，该类型单片机具有串行I/O端口，有多种中断处理系统，16位时序同步计数器，RAM，ROM容量加大，寻址范围可达64KB，有的芯片甚至还有A/D转换接口。
由于该系列单片机应用领域极其广泛，各公司正大力改进其结构与性能。
第三阶段（1982年—现在）：
8位单片机，经处理器改良型及16位单片机微处理器阶段。
在本次设计中，有多种型号的单片机可供选择，具体型号如89C2051，89C51，89C52，80C51，89S52单片机都可以较好地完成本次设计的要求，因此设计者选用了近来应用较为广泛的80C51型单片机。
一个单片机应用系统的硬件电路设计应包含有两个部分内容:
第一是系统扩展，即当单片机内部的功能单元，如ROM、RAM、I/O口、定时/计数器、中断系统等容量不能满足应用系统要求时，必须在片外进行扩展，选择适当的芯片，设计相应的电路。
第二是系统配置，即按照系统功能要求配置外围设备，如键盘、显示器、打印机、D/A、A/D转换器等，并设计相应的接口电路。
因此，系统的扩展和配置应遵循下列原则[6]:
1.尽可能选择典型电路，并符合单片机的常规用法。
2.系统的扩展与外围设备配置应满足系统功能的要求，并留有适当的余量，
以便进行二次开发。
3.硬件结构应与应用软件方案统一考虑，软件能实现的硬件功能尽可能用
软件来实现，但需注意的是软件实现占用CPU的时间，而且，响应时间
比硬件长。
4.单片机外接电路较多时，应考虑其驱动能力，减少芯片功耗，降低总线负载。
根据上述原则，设计系统如图3-1所示:
图3-1 单片机系统测量转速原理框图
程序框图如图3-2所示：
图3-2 程序框图
3.1.180C51的介绍[6]
80C51是美国ATMEL公司生产的低功耗，高性能CMOS8位单片机，片内含4kbytes的可系统编程的Flash只读程序存储器,器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准8051指令系统及引脚。
它集Flash程序存储器既可在线编程（ISP）也可用传统方法进行编程及通用8位微处理器于单片芯片中，ATMEL公司的功能强大，低价位AT80C51单片机可为您提供许多高性价比的应用场合，可灵活应用于各种控制领域。
AT80C51提供以下标准功能：
4k字节Flash闪速存储器，128字节内部RAM，32个I／O口线，看门狗（WDT），两个数据指针，两个16位定时／计数器，一个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。
同时，AT80C51可降至0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。
空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM，定时／计数器，串行通信口及中断系统继续工作。
掉电方式保存RAM中的内容，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位。
主要性能参数：
·与MCS-51产品指令系统完全兼容
·4k字节在系统编程（ISP）Flash闪速存储器
·1000次擦写周期
·4.0－5.5V的工作电压范围
·全静态工作模式：
0Hz－33MHz
·三级程序加密锁
·128×8字节内部RAM
·32个可编程I／O口线
·2个16位定时／计数器
·6个中断源
·全双工串行UART通道
·低功耗空闲和掉电模式
·中断可从空闲模唤醒系统
·看门狗（WDT）及双数据指针
·掉电标识和快速编程特性
·灵活的在系统编程（ISP字节或页写模式）图3-3 80C51芯片引脚图
·Vcc：
电源电压
·GND：
地
·P0口：
P0口是一组8位漏极开路型双向I／0口，也即地址／数据总线复用口。
作为输出口用时，每位能驱动8个TTL逻辑门电路，对端口写“l”可作为高阻抗输入端用。
在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地址（低8位）和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。
在F1ash编程时，P0口接收指令字节，而在程序校验时，输出指令字节，校验时，要求外接上拉电阻。
·P1口：
Pl是一个带内部上拉电阻的8位双向I／O口，Pl的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。
对端口写“l”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口。
作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流（IIL）。
Flash编程和程序校验期间，Pl接收低8位地址。
表3-1 P1口引脚功能表
端口引脚
第二功能
P1.5
MOSI（用于ISP编程）
P1.6
MISO（用于ISP编程）
P1.7
SCK（用于ISP编程）
·P2口：
P2是一个带有内部上拉电阻的8位双向I／O口，P2的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。
对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口，作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流（IIL）。
在访问外部程序存储器或16位地址的外部数据存储器（例如执行MOVX@DPTR指令）时，P2口送出高8位地址数据。
在访问8位地址的外部数据存储器（如执行MOVX@Ri指令）时，P2口线上的内容（也即特殊功能寄存器（SFR）区中P2寄存器的内容），在整个访问期间不改变。
Flash编程或校验时，P2亦接收高位地址和其它控制信号[7]。
·P3口：
P3口是一组带有内部上拉电阻的8位双向I／0口。
P3口输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。
对P3口写入“l”时，它们被内部上拉电阻拉高并可作为输入端口。
作输入端时，被外部拉低的P3口将用上拉电阻输出电流（IIL）。
P3口除了作为一般的I／0口线外，更重要的用途是它的第二功能，如下表所示：
P3口还接收一些用于Flash闪速存储器编程和程序校验的控制信号。
表3-2 P3口引脚功能表
端口引脚
第二功能
P3.0
RXD（串行输入口）
P3.1
TXD（串行输出口）
P3.2
（外中断0）
P3.3
（外中断1）
P3.4
T0（定时／计数器0外部输入）
P3.5
T1（定时／计数器1外部输入）
P3.6
（外部数据存储器写选通）
P3.7
（外部数据存储器读选通）
·RST：
复位输入。
当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上高电平将使单片机复位。
WDT溢出将使该引脚输出高电平，设置SFRAU
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