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单片机的码盘转速测量论文资料
第一章绪论
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]。
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[4]。
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）负跳变次数。
每产生一次负跳变，计数器自动加1。
如图2-2及表2-2
图2-2TMOD寄存器用于定时/计数的操作方式及工作模式指令格式
表2-2操作方式选择位
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2-3MAX813L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3-380C51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3-1P1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3-2P3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SFRAUXR的DISRT0位（地址8EH）可打开或关闭该功能。
DISRT0位缺省为RESET输出高电平打开状态。
·ALE／
：
当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE（地址锁存允许）输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。
即使不访问外部存储器，ALE仍以时钟振荡频率的1／6输出固定的正脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时
目的。
要注意的是：
每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE脉冲。
对F1ash存储器编程期间，该引脚还用于输入编程脉冲（PROG）。
[8]
如有必要，可通过对特殊功能寄存器（SFR）区中的8EH单元的D0位置位，可禁止ALE操作。
该位置位后，只有一条M0VX和M0VC指令ALE才会被激活。
此外，该引脚会被微弱拉高，单片机执行外部程序时，应设置ALE无效。
·
：
程序储存允许（
）输出是外部程序存储器的读选通信号，当AT89S51由外部程序存储器取指令（或数据）时，每个机器周期两次
有效，即输出两个脉冲。
当访问外部数据存储器，没有两次有效的
信号。
·EA／VPP：
外部访问允许。
欲使CPU仅访问外部程序存储器（地址为0000H－FFFFH），EA端必须保持低电平（接地）。
需注意的是：
如果加密位LB1被编程，复位时内部会锁存EA端状态。
如EA端为高电平（接Vcc端），CPU则执行内部程序存储器中的指令。
F1ash存储器编程时，该引脚加上+12V的编程电压Vpp。
·XTALl：
振荡器反相放大器及内部时钟发生器的输入端。
·XTAL2：
振荡器反相放大器的输出端。
3.2旋转编码器的选择
码盘分为绝对式编码器和增量编码器两种，前者能直接给出与角位置相对应的数字码；后者利用计算系统将旋转码盘产生的脉冲增量针对某个基准数进行加减以求得角位移[9]。
本次设计采用实验室提供的长春三峰PALD6615-256-C05E光电轴角编码器。
3.2.1PALD6615-256-C05E简介
该旋转编码器主要由光栅、光源、检读器、信号转换电路、机械传动等部分组成。
光栅面上刻有节距相等的辐射状透光缝隙，相邻两个透光缝隙之间代表一个增量周期；分别用两个光栅面感光。
由于两个光栅面具有90°的相位差，因此将该输出输入数字加减计算器，就能以分度值来表示角度[10]。
如图3-3所示
图3-3PALD6615-256-C05E旋转编码器外观
表3-3机械参数
电源电压DC（V）
输出形式
输出码制
放大整形
分割数
5±0.5
电压
自然二进制码
有
256
电流
自然二进制码
有
表3-4机械参数
允许最大机械转数
启动力矩（25℃）
允许轴负载
径向
轴向
200r/min
≤1.5×10-2N·m
100N
10N
表3-5环境参数
工作环境
储存温度
耐振动
耐冲击
构造
防护等级
重量
-20~+50
-30~+70
30m/S2
（10~200Hz）（X、Y、Z三个方向各2小时）
30m/S2
（X、Y、Z三个方向各2次）
防尘
IP54
0.9KG（电缆除外）
3.2.2PALD6615-256-C05E编码器的应用
近十几年来，光电编码器发展为一种成熟的多规格、高性能的系列工业化产品，在数控机床、机器人、雷达、光电经纬仪、地面指挥仪、高精度闭环调速系统、伺服系统等诸多领域中得到了广泛的应用
下表为PALD6615-256-C05E编码器的接线表
表3-6接线表
航空插头脚位
电缆颜色
输出功能
备注
1
浅蓝色
八位2进制码的第1位最低位
单圈基础码（每转脉冲）
2
深蓝色
八位2进制码的第1位
3
紫色
八位2进制码的第1位
4
橙色
八位2进制码的第1位
5
灰色
八位2进制码的第1位
6
绿色
八位2进制码的第1位
7
黄色
八位2进制码的第1位
8
浅紫色
八位2进制码的第1位
17
红色
编码器电源DC5V
18
黑色
编码器0V
19
白色
清0（用于0位设定）
外部输入5~30V正脉冲
其余脚
空脚
第四章显示部分
在单片机系统中，常用的显示器有：
发光二极管显示器，简称LED；液晶显示器，简称LCD；荧光管显示器。
4.1LED显示器
LED电子显示屏是由几万--几十万个半导体发光二极管像素点均匀排列组成。
利用不同的材料可以制造不同色彩的LED像素点。
目前应用最广的是红色、绿色、黄色。
而蓝色和纯绿色LED的开发已经达到了实用阶段。
LED显示屏（LEDpanel）：
LED就是lightemittingdiode，发光二极管的英文缩写，简称LED。
它是一种通过控制半导体发光二极管的显示方式，用来显示文字、图形、图像、动画、行情、视频、录像信号等各种信息的显示屏幕［11］。
LED显示块是由发光二极管显示字段组成的显示器，有7段和“米”字段之分，这种显示块有共阳极和共阴极两种。
LED显示器有静态显示和动态显示。
但是，LED显示位数增多时，静态显示就无法适应。
动态显示时，LED的二极管从导通到发光要有一定的延时，导通时间太小，发光太弱人眼无法看清，但也不能太大，因为毕竟要受限于临界闪烁频率，而且此时间越长，占用CPU时间也越多，另外，显示位增多，也将占用大量的CPU时间，因此动态实质是以牺牲CPU空间换取时间和能耗减少。
LED显示屏可以显示变化的数字、文字、图形和图像；不仅可以用于室内环境还可以用于室外环境，具有投影仪、电视墙、液晶显示屏无法比拟的优点。
LED之所以受到广泛重视而得到迅速发展，是与它本身所具有的优点分不开的。
这些优点概括起来是：
亮度高、工作电压低、功耗小、小型化、寿命长、耐冲击和性能稳定。
LED的发展前景极为广阔，目前正朝着更高亮度、更高耐气候性、更高的发光密度、更高的发光均匀性，可靠性、全色化方向发展。
4.2LCD显示器
液晶显示器简称LCD（LiquidCrystalDiodes）是利用液晶经过处理后能够改变光线传输方向的特性，达到显示字符或者图形的目的。
其特点是体积小、重量轻、功耗极低、显示内容丰富等特点，在单片机应用系统中有着日益广泛的应用。
4.2.1LCD的分类及特点
分类：
笔段式和点阵式（可分为字符型和图像型）。
4.2.1笔段式LCD液晶显示器的驱动
在LCD的公共极（一路为背电极）加上恒定的交变方波信号，通过控制段极的电压变化，在LCD两极间产生所需的零电压或二倍幅值的交变电压，以达到LCD亮、灭的控制。
在笔段式LCD的段电极与背电极间施加周期地改变极性的电压（通常为4V或5V），可使该段呈黑色。
4.2.2LCD显示模块LCDM（LiquidCrystalDisplayModule）
在实际应用中，用户很少直接设计LCD显示器驱动接口，一般是直接使用专用的LCD显示驱动器和LCD显示模块LCDM。
LCDM是把LCD显示屏、背景光源、线路板和驱动集成电路等部件构造成一个整体，作为一个独立部件使用。
其特点是功能较强、易于控制、接口简单，在单片机系统中应用较多。
其内部结构如下页图所示。
LCDM一般带有内部显示RAM和字符发生器，只要输入ASCII码就可以进行
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