毕业论文-基于at89c51单片机的转速测量仪设计

毕业论文-基于at89c51单片机的转速测量仪设计内容摘要：

系统技术指标 系统主要完成测量和通信两部分功能： （ 1）设计并制作单片机的转速测量的硬件系统； （ 2）用汇编语言完成转速测量的软件系统； （ 3）要求把转速显示在 5 位 LED 上，精度为 %； （ 4）能向上位机发送数据； （ 5）用 9 针 RS232 即可； （ 6）在微机部分采用 Visual Basic 编制 RS— 232 通信软件； （ 7）通信软件具有数据接受编辑框； （ 8）通信软件要适时对数据的记录，用时间曲线表示。 根据系统要实现的功能以及要求，要实现单片机的转速测量主要是各个模块的设 计，定时器记数功能、以及 LED 驱动、电平转换及 PC机之间的通信。 单片机可通过编程控制外围部件，能实现较高的自动化程度。 以它为系统核心的控制模块可实现主从控制，完成预定的任务。 青岛理工大学毕业论文 第 7 页 第 3 章 系统总体设计 转速测量的一般方法 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 所示。 图 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。 方法如下： （ 1）通过敏感元件拾取被测信号 敏感元件体积小，可以根据用户及环境要求做成各矛头形状的探头，它能将被测的物理量变换成电流、电压，只要选择合适的元件参数。 如 R、 L、 C设计相应的电路，便能完成这种对应关系。 这种方法设计难度大，信号稳定度差，在模拟处理系统中不宜采用。 （ 1）通过传感器拾取信号 由专业人员将敏感元件和相应的测量电路、传递机构以适当的形式制成不同类型、不同用处的传感器，根据原理输出电量。 该电量可以是模拟量或数字量，现代传感器还可以输出开关量，用于数字逻辑电路。 （ 2）通过测量 仪表拾取被测信号 目前有许多测量仪表用于各种测量中，有大信号输出、有 BCD 码输出等，但价格昂贵，专业性强，一般不适合通用系统。 通用的转速测量系统大都采用一种转速 信号拾取 整 型 倍频 单 片机 显示 接口 芯片 显示 键盘 驱动电路 青岛理工大学毕业论文 第 8 页 俗称“码盘”的传感装置，将圆形的码盘固定在转轴上，码盘上有若干规则排列的小孔，用光电偶来输出电信号，以反映转速对应关系，即是将转轴的速度以脉冲形式反映出来，通常有两种形式：①模拟量量化后经 A/D 转换，由数字量反映角度，供单片机计算处理，得出转速。 ②直接由脉冲来反应转轴的角度，用每转产生的脉冲经单片机处理得出转速。 2．整形和倍频 前向通道中，从传感器输出 的信号必须转换成单片机输入要求的信号，由于信号调节电路与传感器的选择，现场干扰程度等，都会影响信号的质量。 而脉冲信号的上升沿和下降沿对数字电路的触发尤为重要，若要将转速脉冲信号直接加到计数器或外部中断的输入端，并利用其上升沿来触发进行计数，则必须要求输入的信号有陡峭的上升沿或下降沿。 处理方法上可以用触发器电路来整形；而倍频电路主要用于解决低转速时测量精度问题及码盘的刻度误差而造成的精度下降问题。 方法是在每转中增加脉冲的个数 (码盘的线程数 )来提高精度。 但在高转速时，由于脉冲个数的增加，限制了最高转速测量量程 ，这个问题可用单片机控制来动态处理解决，兼顾高低转速的测量精度。 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 I/O 口线，预选用 89C51 单片机。 具体工作情况在后讨论。 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。 LED 显示器是用发 光二极管显示字段的，通常使用七段构成“日”字型和一只发光二极管作为小数点，称八段数码显示器。 其有两种驱动方式，共阴驱动和共阳驱动，共阴驱动是各段发光二极管的阴极连在一起，并将公共端接地，在共阳结构中，将各段发光二极管阳极连在一起，并将公共端接上 +5V 电源，显示字符对应字型代码发光。 青岛理工大学毕业论文 第 9 页 硬件电路设计思路 硬件设计的任务是根据总体设计要求，在选择的机型的基础上，具体确定系统中所要使用的元器件，设计出系统的原理框图、电路原理图。 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。 89C51单片机通过 INT0输入传感器的脉冲信号， P0口 P2口接 LED动态显示。 另由于 PC系列微机串行口为 RS232C标准接口，与输入、输出均为 TTL电平的 89C51单片机在接口规范上不一致，因此 TTL 电平到 RS－ 232接口电平的转换采用HIN232CP接口芯片，该芯片可以用单电压 （ +5V） 实现 RS232接口逻辑 “1” （ 3V～15V） 和逻辑 “0” （ +3V～ +15V） 的电平转换。 转速测量部分的硬件设计思路：本次设计单片机部分的硬件框图如图 示。 具体详细的叙述将在下面的章节中逐一介绍。 图 单片机部分硬件框图 软件设计思路 软件需要解决的是 定时器 0的记数和外部中断 0 的 设定 、由于测量的转速范围大，所以低速和高速都要考虑在内，关键在于一个四字节除三字节程序的实现。 显示 部分、需要有一个二进制到十进制的转化程序，以及转换成非压缩 BCD 的程序后、才能进行调用查表程序送到显示。 PC 机 串口 和单片机串行口 的工作方复位电路 CPU 执行单元 显示电路 时钟电路 发送电路 青岛理工大学毕业论文 第 10 页 式，包括串 行 口的通讯速率、奇偶校验位、停止位等 均由通信软件实现。 软件工作流程： 霍尔传感器利用磁电效应产生一周期脉冲向单片机的外部中断 0（ ） 口 发送一个 中断 信号， 定时器工作在内部定时， TH0、 TL0 设定初值为 0，作为除数的低两字节，利用软件记数器、定时器 0 中断的次数作为除数高字节。 中断完毕读取内部记数值作为除数，调用除法程序计算转速，再对二进制数进行一系列变换后调用 查表显示程序，显示在 LED 上。 转速部分软件设计思路： AT89C51单片机的。 主要编写一个外部中断服务程序 INT_0，读取记数值的三个字节，并再次清 0记数初值以便下次的记数和计算。 调用两字节二进制 三字节十进制 （ BCD） 转换子程序 BCD，再调用十进制转换成非压缩 BCD程序 CBCD、 最后调用查表程序送显示。 为了和 PC通信，系统要求单片机晶振。 软件的具体设计我们将在下面的章节中作详细介绍。 青岛理工大学毕业论文 第 11 页 第 4 章 硬件电路设计 硬件的功能由总体设计所规定，硬件设计的任务是根据总 体设计要求，在选择的机型的基础上，具体确定系统中所要使用的元器件，设计出系统的电路原理图，必要时做一些部件实验，以确定电路图的正确性。 整个单片机测量转速系统为单片机控制模块、霍尔传感器模块、发送模块，各个模块都承担着各自的任务。 设计单片机模块，考虑到 单片机本身 的外围电路较多，所以在单片机模块方面需要极为小心。 在整个电路设计时要考虑电平转换电路，具体每一部分的设计将在以下章节中详细分析。 单片机模块 根据系统功能要求以及单片机硬件电路设计思路对单片机模块进行设计，要使单片机准确的测量电机转速，并且 使测出的数据能显示出来，所以整个单片机分为传感器电路、时钟电路、复位电路、执行元件以及显示电路五个部分。 处理执行元件 单片机我们采用 AT89C51(其引脚图如图 )，相对于 INTEL 公司的 8051它本身带有一定的优点。 AT89C51 是一种带 4K 字节闪烁 可编程可擦除只读存贮器 （ FPEROM— Falsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压，高性能 CMOS 8 位微处理器，俗称单片机。 图 AT89C51 引脚图 青岛理工大学毕业论文 第 12 页 主要特性： 与 MCS51 兼容 4K字节可编程闪烁存储器 寿命： 1000写 /擦循环 数据保留时间： 10年 全静态工作： 0Hz24Hz 三级程序存储器锁定 128*8位内部 RAM 32可编程 I/O线 两个 16位定时器 /计数器 5个中断源 可编程串行通道 低功耗的闲置和掉电模式 片内振荡器和时钟电路 管脚说明： ：供电电压 ； ：接地 ； 口： P0 口为一个 8位漏 极 开路双向 I/O 口，每脚可吸收 8TTL 门电流。 当 P1 口的管脚第一次写 1 时，被定义为高阻输入。 P0 能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据 /地址的第八位。 在 FIASH 编程时， P0 口作为原码输入口，当 FIASH 进行校验时， P0输出原码，此时 P0 外部必须被拉高。 口： P1 口是一个内部提供上拉电阻的 8 位双向 I/O 口， P1 口缓冲器能接收输出 4TTL 门电流。 P1 口管脚写入 1 后，被内部上拉为高，可用作输入， P1口被外部下 拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。 在 FLASH编程和校验时， P1 口作为第八位地址接收。 口： P2 口为一个内部上拉电阻的 8位双向 I/O 口， P2口缓冲器可接收，输出 4个 TTL 门电流，当 P2 口被写 “1” 时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。 并因此作为输入时， P2 口的管脚被外部拉低，将输出电流。 这是由于内部上拉的缘故。 P2 口当用于外部程序存储器或 16 位地址外部数据存储器进行存取时， P2 口输出地址的高八位。 在给出地址 “1” 时，它利用内部上拉优势，青岛理工大学毕业论文 第 13 页 当对外部八位地址数据存储器进行读写时， P2 口 输出其特殊功能寄存器的内容。 P2口在 FLASH 编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。 口： P3 口管脚是 8个带内部上拉电阻的双向 I/O 口，可接收输出 4个TTL 门电流。 当 P3 口写入 “1” 后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。 作为输入，由于外部下拉为低电平， P3口将输出电流（ ILL）这是由于上拉的缘故。 P3 口也可作为 AT89C51 的一些特殊功能口， 如 为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。 如下表 41 所示。 表 41 P3 口的第二功能 引 脚 第二功能 信 号 名 称 RXD TXD INT0 INT1 T0 T1 WR RD 串行数据接收 串行数据发送 外部中断 0 请求 外部中断 1 请求 定时器 /计数器 0 计数输入 定时器 /计数器 1 计数输入 外部 RAM 写选通 外部 RAM 读选通 ：复位输入。 当振荡器复位器件时，要保持 RST 脚两个机器周期的高电平时间。 ：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。 在 FLASH 编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。 在平时， ALE 端以不变的频 率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的 1/6。 因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。 然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个 ALE 脉冲。 如想禁止 ALE 的输出可在 SFR8EH 地址上置 0。 此时， ALE 只有在执行 MOVX， MOVC指令是 ALE 才起作用。 另外，该引脚被略微拉高。 如果微处理器在外部执行状态ALE 禁止，置位无效。 ：外部程序存储器的选通信号。 在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次 /PSEN 有效。 但在访问外部数据存储器时，这两次有效的 /PSEN 信青岛理工大学毕业论文 第 14 页 号将不出现。 10./EA/VPP：当 /EA 保持 低电平 时，则 在此期 间外 部程序 存储器（ 0000HFFFFH），不管是否有内部程序存储器。 注意加密方式 1 时， /EA 将内部锁定为 RESET；当 /EA 端保持高电平时，此间内部程序存储器。 在 FLASH 编程期间，此引脚也用于施加 12V 编程电源（ VPP）。 ：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。 ：来自反向振荡器的输出。  振 荡器特性： XTAL1 和 XTAL2 分别为反向放大器的输入和输出。 该反向放大器可以配。