智能转速测量系统的软件设计毕业论文.docx
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智能转速测量系统的软件设计毕业论文
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本业科毕设计（论文）
题目：
智能转速测量系统的软件设计
院（系）：
光电工程学院
专业：
测控技术与仪器
班级：
050105
学生：
牟红宇
指导教师：
杜玉军
2009年06月
智能转速测量系统的软件设计
摘要
转速是工程中应用非常广泛的一个参数，其测量方法较多，随着单片机对脉冲数字信号的处理能力越来越强大，使得全数字量系统越来越普及，并且使转速测量系统也可以用全数字化处理。
本文在对了解转速测量理论与掌握单片机原理的基础上，根据硬件设计，提出系统程序设计方案，构建软件系统，以实现智能转速测量与显示的功能。
本设计根据基于AT89C51单片机的测速测量电路，设计出转速测量软件系统，此系统包含系统初始化程序的设计、键盘扫描程序的设计、数据接收和处理程序的设计、显示程序的设计四个模块。
对所设计的软件系统通过μVision3软件对其进行程序调试。
最后，对构建的系统利用设计的电路进行调试，对测量指标进行了分析、比较并提出改进方案。
在设计中测量方法采用M法进行测量，编译语言采用C语言进行编译。
本课题完成了软件系统的设计，实现了智能转速系统的转速计算、显示功能，同时实现键盘的开始停止功能，完成了设计的要求。
关键词：
单片机转速测量软件设计
Intelligentrotationalspeedmeasurementsystemofsoftwaredesign
Abstract
Rotationalspeedistheengineeringofaverywiderangeofparameters,itsmeasurementmore,withtheSCMdigitalsignalonthepulseofmoreandmorepowerfulprocessingcapability,makingthevolumeofall-digitalsystemisbecomingincreasinglypopular,andsorotationalspeedmeasurementsystemcanbeusedtodealwithall-digital.
Inthispaper,theunderstandingofthetheoryandmasterrotationalspeedmeasurementbasedontheprincipleofSCM,thesystemprogramdesign,tobuildsoftwaresystems,compiler,inordertoachieveintelligentRotationalspeedmeasurementanddisplayfunctions.Inthispaper,accrodingtothetachometricsurveysystembasedontheSCMofAT89C51,Idesignedthesoftwarepartofit.Thissystemincludesfourmodule:
theinitializercodedesign,thekeyboardscanningcodedesign,thedatareceivingandprocessingcodedesignandthedisplayingcodedesign.IsetupthemusingthesoftwareofμVision3.Atlast,thebuildedsystemissettedupthroughcircuit.Themeasuredindexwereanalysedandcomparedandtheimprovedprogrammeswereproposed.MmethodwasadoptinthemeasuringandthelanguageofCwasadopttocomple.
Thedesignofsoftwaresystemofthisprojectiscompleted.Thefunctionofcalculatinganddisplayingthespeedofrotationandthebeginningandstopingofkeyboardarefinished.FinallyIachevietherequirmentofdesign.
Keywords:
SCMtachometricsurveySoftwareDesign
目录
中文摘要I
英文摘要II
1绪论1
1．1课题研究目的和意义1
1．2转速测量在国内外研究情况1
1．3主要内容和存在的问题2
1．3．1研究的主要内容2
1．3．2需解决的问题2
2基于单片机的转速测量方法及原理3
2.1单片机测量转速的方法3
2.2转速测量原理4
2.2.1测周期法“T法”4
2.2.2测频法“M法”4
2.2.3测频测周法MT法5
3智能转速测量系统的硬件结构7
3.1系统的硬件结构7
3.2硬件电路中主要部件的介绍9
4智能转速测量系统的软件设计11
4.1单片机C51的介绍11
4.1.1单片机C语言与汇编语言11
4.1.2C51对标准C语言的扩展12
4.2程序设计12
4.2.1工作方式及控制字设置12
4.2.2变量分配及程序的初始化14
4.2.3显示功能的实现15
4.2.4键盘的功能的实现与设计17
4.3系统流程17
5程序调试及固化18
5．1单片机开发平台简介18
5．2本系统开发平台18
5.2.1keilC51软件集成开发环境18
5.2.2程序调试18
6结论22
6.1主要研究结论22
6.2研究展望23
参考文献24
致谢26
附录1电路图29
附录2源程序30
1绪论
1．1课题研究目的和意义
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。
常用的检测方法有机械式，光电式，霍尔式，频闪法，高压油管应变法等，本课题主要是针对智能转速测量系统的软件系统的设计。
运用51系列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。
同时从实际硬件电路出发，分析电路的工作原理，根据仿真情况提出修改方案和解决办法。
本课题以单片机为核心，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。
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。
总之，转速测量系统的研究是一件非常有意义的课题[1]。
1．2转速测量在国内外研究情况
转速是能源设备与动力机械性能测试中的一个重要的特性参量，因为动力机械的许多特性参数是根据它们与转速的函数关系来确定的，例如压缩机的排气量、轴功率、内燃机的输出功率等等，而且动力机械的振动、管道气流脉动、各种工作零件的磨损状态等都与转速密切相关。
转速测量的方法很多，测量仪表的型式也多种多样，其使用条件和测量精度也各不相同。
根据转速测量的工作方式可分为两大类：
接触式转速测量仪表与非接触式转速测量仪表。
前者在使用时必须与被测转轴直接接触，如离心式转速表、磁性转速表与测速发电机等；后者在使用时不需要与被测转轴接触,如光电式转速表、电子数字式转速表、闪光测速仪等。
测量发动机转速的传统方法是使用光
电式转速表测量。
用这种方法测量时,既要在发动机转动轴上粘贴光标纸，又要求测量人员把转速表与光标纸的距离控制在很近的范围,测量十分不方便。
随着科学技术的迅速发展,转速测量仪表已步入现代化、电子化的行列。
过去曾经使用过的接触式测量仪表,如离心式转速表、磁性转速表、微型发电机转速表及钟表是定时转速表，均已先后受到冷落；而利用已知频率的闪光与被测轴转速同步的方法来测速的闪光测速仪，虽属非接触式仪表，目前仍有应用,但也退居次要地位。
代之而起的是非接触式的电子与数字化的测速仪表。
这类转速仪表大多具有体积小、重量轻、读数准确、使用方便等优点，容易实现电脑荧屏显示和打印输出，能够连续的反映转速变化，既能测定发动机稳定情况下的平均转速,也能够用来在足够小的时间间隔这一特定条件下测定发动机的瞬时转速。
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[2]。
1．3主要内容和存在的问题
1．3．1研究的主要内容
1.详细分析转速的测量理论，对转速的周期测量法“T”法、频率测量法“M”法以及周期频率“MT”测量法，三种具体测量方法的转速计算、各自的测量精度和误差进行阐述。
定性地比较三种方法所针对的转速特征，分析高、中、低转速情况下各自的适用状况，从而，在保持一定的测量精度情况下，应用“M”法，说明转速测量原理[3]。
2.根据单片机硬件系统的设计，构建软件系统，分别对硬件系统的配置予以估计，使其能够对转速进行测量。
同时分析接口电路，显示转速。
3.对单片机定时计数器进行设置，设计和说明定时计数器在“M”法测量中的作用和使用方法，讨论测量精度的问题。
4.根据系统要求设置各控制字，用A51汇编语言编制程序，包括主程序流程，显示中断程序流程。
并用软件的方法对计数和定时进行同步，力求在不增加硬件的条件下，使同步达到满意的效果。
5.利用Keil51软件的μVision3集成环境对系统对工作软件进行编译、调试和仿真。
1．3．2需解决的问题
1．单片机在系统运行过程中，中断设置问题；
2．转速测量及LED显示的实现；
3．键盘功能的实现；
4．软件的调试。
2基于单片机的转速测量方法及原理
2.1单片机测量转速的方法
转速是工程中应用非常广泛的一个参数，早期模拟量的模拟处理一直是作为转速测量的主要方法，这种测量方法在测量范围和测量精度上，已不能适应现代科技发展的要求。
而随着大规模及超大规模集成电路技术的发展，数字测量系统得到普遍应用，利用单片机对脉冲数字信号的强大处理能力，应用全数字化的结构，使数字测量系统的越来越普及。
在测量范围和测量精度方面都有极大的提高。
下面对测量系统进行探讨[4]。
一般转速测量系统有以下几个部分构成，转速测量框图如图2.1所示。
图2.1转速测量框图
1．转速信号拾取
转速信号拾取是整个系统的前端通道，目的是将外界的非电参量，通过一定方式转换成电量，这一环节可以通过敏感元件、传感器或测量仪表等来实现。
2．整形和倍频
前向通道中，将传感器输出的信号转换成计算机输入要求的信号。
3．单片机
单片机是整个测量系统的主要部分，担负对前端脉冲信号的处理、计算、以及信号的同步，计时等任务，其次，将测量的数据经计算后，将得到的转速值传送到显示接口中，用数码管显示数值。
在本系统中考虑到计数的范围、使用的定时计数器的个数及IO口线，选用AT89C51单片机。
4．驱动和显示
由于LED数码管具有亮度高、可靠性好等特点，工业测控系统中常用LED数码管作为显示输出。
本系统也采用数码管作显示。
2.2转速测量原理
2.2.1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1N，N为码盘孔数。
如图2.2“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=60PTp（2.1）
即：
n=60fcPm2（2.2）
P-为转轴转一周脉冲发生器产生的脉冲数；
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。
输入脉冲
时基脉冲
图2.2“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[5]。
2.2.2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2.3“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=60Xτ2πT（2.3）
转轴转过的弧度数Xτ可用下式所示
Xτ=2πm1p（2.4）
图2.3“M”法测量转速脉冲
将（2-4）式代入（2-3）式得
转速n的表达式为：
n=60m1TP（2.5）
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[6]。
2.2.3测频测周法MT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“MT”法定时计数测量所示。
“MT”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，计算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[7]。
“MT”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（2.2）和（2.5）可得MT法转速计算公式为：
n=60fcm1pm2（2.6）
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“MT”法定时计数测量
通过误差和精度分析可知，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。
MT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MT的测量方法，即所谓变MT法，在MT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法进行测量，误差和精度的具体分析过程在此不做复述[8]。
3智能转速测量系统的硬件结构
3.1系统的硬件结构
本转速测量系统有以下几个部分构成，如图3.1转速测量系统方框图所示。
图3.1转速测量系统方框图
本系统的硬件主要由光电传感器、信号处理电路、单片机AT89C51、键盘、LED显示等组成。
如图3.1，当测速齿盘转动时，将会产生正弦脉冲电信号，然后把信号送入放大电路、整形及三极管整形电路进行处理，将正弦波信号转化为TTL电平输出到单片机进行转速计数，最后通过数码管显示其数值。
硬件电路图如图附件1所示[9]。
1．转速信号拾取的结构
本设计中采集信号部分是通过光电传感器来实现，利用测速圆盘将光信号转变成单片机能够处理的电信号。
测速圆盘位于红外线发光二极管（规格HG11）和红外线接收三级管（规格3DU5C）之间，采用+5V电压供电，选用合适的电阻值来配合该其工作。
红外线发光二极管发出的光信号通过测速圆盘的孔，到达红外线接收三级管表面，它将接收到的光信号转变成电信号输出。
通过改变测速圆盘的旋转速度来控制输出电信号的频率值，并将其输出。
如图3.2转速传感器电路图所示。
图3.2转速传感器电路图
2.显示部分的结构
本系统采用四位LED共阳极型数码管作为显示部分，AT89C51单片机的IO口输出特性是有较大的灌入电流能力，但只有很弱的“吐”电流的能力，因此本系统中选用共阳极数码管。
P2口的P2.0～P2.7口作为数码管的段驱动，中间通过缓冲器74LS245进行数据缓冲。
74LS245是8路3态双向缓冲驱动,也叫做总线驱动门电路或线驱动，主要使用在数据的双向缓冲，常见51的数据接口电路，使用一片245作为数据缓冲电路，增强驱动能力。
P0口的P0.0～P0.3口通过反向驱动器74LS04构成位驱动。
将所有位的段选线相应地并联在一起，由一个8位IO控制，形成段选线的多路复用。
而各位的共阳极分别由相应的IO线控制，实现各位的分时选通。
由于各位的段选线并联，段选码的输出对各位都是相同的。
因此，同一个时刻，某一位的显示与该位的位选线选通状态有关，若要各位LED能够显示出与本位相应的显示字符，就必须采用扫描显示方式[10]。
3.单片机与PC机数据的传输
基于单片机的测控系统在获取传感器的数据后，还需要将所得数据传送到PC上。
因此，本系统在设计时，做了一些考虑，在硬件设计时增加了串行通信口，采用MAX232电平转换芯片，将PC机串行口的RS-232电平与AT89C51单片机使用的TTL电平进行转换，实现了单片机和PC机之间的数据传送。
如图3.3MAX232引脚图所示、3.4AT89C51管脚图所示[11]。
图3.3MAX232引脚图图3.4AT89C51管脚图
4.键盘功能的实现
本设计使用的键盘主要为完成一个功能—转速测量的启动停止；我们将开关直接与AT89C51单片机的P1.0接口相连，通过读IO口，判定各IO线的电平状态，即可识别出按下的按键。
操作员通过键盘可以输入数据或指令，实现简单的人机通信[12]。
5.复位功能的实现
单片机除本身需要复位以外，外部扩展的IO接口电路等也需要复位。
因此，为了控制的方便，本设计中采用人工按钮复位的方式。
AT89C51单片机的RST端通过10kΩ电阻接地，10μ电容直接和一个接有按键的200Ω电阻并联接入电源端，上电按钮复位电路。
当开关未按下时，由于电容的滤波作用，干扰信号不会进入到单片机中，起到抗干扰的作用；当按下开关一定时间就能使RST引脚端变为高电平，从而使单片机复位[13]。
3.2硬件电路中主要部件的介绍
a.AT89C51：
随着智能仪表的发展，用单片机构成的多路数据采集系统已经普及，该系统它不仅采集数据而且还能对采集到的模拟信号进行数据处理。
AT89C51是一款低功耗高性能的CMOS8-bits微处理器，它具有4KB的可编程或擦除的闪存（EPROM）。
该器件使用ATMEL公司的高密度非易失性存储器制造技术，并且与工业标准MCS-51TM的指令系统和管脚配置兼容。
片内闪存的存在使程序存储器能够在系统中或者使用专门的程序烧录器来重新写入[20]。
这一器件将通用的8bitsCPU和闪存结合起来，集成在一个芯片上，使该芯片成为不少控制系统的高度灵活和经济的解决方案。
AT89C51是ATMEL公司生产的一款51单片机，它有如下的特点：
（1）与MCS-51TM系列产品兼容；
（2）4K片内可编写程序存储器（FLASH），可以被重写1000次；
（3）存储数据保存时间为10年；
（4）宽工作电压范围为:
VCC2.7V～6V；
（5）工作主时钟频率在0HZ～24MHZ之间；
（6）128×8bits内部RAM；
（7）程序存储器具有3级加密保护；
（8）32条可编程的IO引脚；
（9）2个16bits可编程定时器计数器；
（10）6个中断源；
（11）可编程全双工串行通信；
（12）低功耗空闲状态和低功耗停机状态；
b.MAX232：
RS-232（ANSIEIA-232标准）是IBM-PC及其兼容机上的串行连接标准。
可用于许多用途，比如连接鼠标、打印机或者Modem，同时也可以接工业仪器仪表。
用于驱动和连线的改进，实际应用中RS-232的传输长度或者速度常常超过标准的值。
RS-232只限于PC串口和设备间点对点的通信。
RS-232串口通信最远距离是50英尺。
计算机的串口采用的是RS-232电平，是12V的电压，而我们单片机系统则采用的是TTL电平，是0～+5V的电压。
因此需要将TTL电平转换成RS-232电平。
在我们的硬件图里使用互换器MAX232来进行TTL电平和RS-232电平的转换。
+5V电平RS-232传送发送模块，包含TTLCMOS到RS-232电平的转换以及RS-232到TTLCMOS电平的转换器各2个。
MAX232的引脚说明为：
VCC：
供电电压；
GND：
地；
C+、C-：
外围电容；
T1IN：
第一路TTLCMOS驱动电平输入；
T1OUT：
第一路RS-232电平输出；
R1IN：
第一路电平输入；
R1OUT：
第一路TTLCOMS驱动电平输出；
T2IN：
第二路TTLCMOS驱动电平输入；
T2OUT：
第二路RS-232电平的输出；
R2IN：
第二路RS-232电平输入；
R2OUT：
第二路TTLCOMS驱动电平输出。
MAX232的主要性能参数如下：
①工作电压：
单电源+5V；
②双通道接收和发送；
③与所有EIATIA-232E以及V.28协议兼容；
④三态门接收和发送。
4智能转速测量系统的软件设计
4.1单片机C51的介绍
4.1.1单片机C语言与汇编语言
在单片机的开发应用中，逐渐引入了高级语言，C语言
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