毕业设计（论文）-基于ZJ型传感器的转矩转速测量仪研制.doc

安徽工程科技学院毕业设计（论文）引 言转矩和转速是电机最重要的两个参数,要合理地选用电机,必须要准确地对转矩和转速进行测量。而且转矩转速的测量是各种机械产品的开发研究、测试分析、质量检验、型式鉴定和节能、安全或优化控制等工作中所必不可少的内容。转矩转速测量仪器是科研部门和工业生产过程中必备的测试工具。因而研制出一种数字式、高精度的转矩转速测量仪具有非常现实的意义。在以往的转矩和转速测量中,通常将电机与传感器和负载直接连接起来,这种方法构成的电机转矩转速测量仪具有结构简单,测量平稳等优点。但是其结构庞大、能耗大、价格昂贵且测量误差大，如果测量各种大转矩电机,需要加大负载,将导致测量仪体积和重量增加,且受旋转轴固有频率的影响,不适于测量高速电机。为此，本次设计以zj型传感器为基础，以单片机为核心设计了一款数字化高精度转矩转速测量仪。本次设计的转矩转速测量仪可以对各种电机进行测量，转矩的测量范围预计可达到0500.0nm，转速的测量范围可达到06000转/min。本测量仪具有测量范围广、精度高等特点。现在的测量仪正在朝着高精度、宽测量范围、小体积、低价格等方向发展。在这样的背景下，可以说本测量仪在转矩转速测量领域里具有很强的实用性和广阔的发展前景。第1章 绪 论1.1 课题背景及理论与实际意义随着生产和科学技术的迅速发展，测量和试验技术作为涉及多种学科的综合科学技术，正在形成独立的学科体系。转矩和转速是工业生产过程中的两个重要参数，为了保证生产正常进行，必须对转矩和转速进行检测和控制。转矩转速的测量是各种机械产品的开发研究、测试分析、质量检验、型式鉴定和节能、安全或优化控制等工作中所必不可少的内容。例如在各种发动机的研制和调试过程中，需要知道发动机的性能是否满足要求以及是否正常运行，这就需要对转矩和转速进行测量。其次，在各种电机的运行过程中往往需要设置一个转矩转速的上限值，以确保电机的安全运行，通过对转矩和转速的测量，当超过上限值时发出报警信号。测量转矩转速的传感器、仪器和装置已成为科研单位、院校、工厂实验室或检验部门的必备测试工具；也是电子计算机控制的生产或试验系统中提供转矩转速信息所必需的组成部分。在现代化测量仪中，数字显示仪表得到了迅速发展。这种仪表有读数直观，信号可以原传或遥传，不容易受到干扰；测量准确度高；测量结果便于自动纪录，或输入到电子计算机中进行数据处理等等优点。数字转矩转速测量仪表在现代科学试验工作中的应用日益广泛。伴随数字时代的到来，以单片机为核心的微型测控系统获得了飞速发展，现已应用于生产生活的各个方面，并且快速取代了传统的同类产品。对于大多数转矩转速测量系统而言，运行稳定可靠、操作灵活简便、节省时间、性能价格比高、扩展兼容性强和易于维护是基本的要求，然而对于大多数企业用户来说,精度和实时性并不像实验室要求那么高，中等精度的转矩转速测量系统已基本能满足使用上的要求。1.2 课题的发展状况在人们的日常生产和生活中，转矩转速的测量是随处可见的，小到微型轴承、录音机、缝纫机、洗衣机，大到汽车发动机、机床主轴、舰船推进器、飞机发动机等等，都需要测量转矩转速值。随着生产生活要求的提高，传统的低精度测量仪器已不能满足人们的需要，现在的测量仪正在朝着高精度、宽测量范围、小体积、低价格等方向发展。单片机的出现使科技发展跃进了一大步，它在家用电器及工业上的用途更为广泛，采用单片机进行控制,可以使转矩转速测量仪的控制更准确、灵活、直观，它使转矩转速测量仪电路设计更为简易，而且实现了非人工调节性能。数字时代的到来更为这些科技产品带来了更为有效、准确的数字信息。总之，现代的转矩转速测量仪是结合了前沿科技于一体的产物。在现代社会的生产和生活中，对转矩和转速测量的精度提出越来越高的要求，传统的测量仪表，由于自身的诸多缺陷，逐渐被高精度的数字式测量仪所取代，而由单片机系统组成的高精度数字式测量仪的核心部件之一传感器又显得特别重要。人们已经相继研制出了多种类型的转矩转速传感器，如zj型传感器、ws-1型智能传感器和cz型传感器等。1.3本课题的来源及设计要求和主要内容本课题来源于明光市消防器材厂消防车的转矩转速的测量。目前市场上的转矩转速测量仪器很多，既有传统的机械类产品，也有现代的高精度多功能产品，后者主要是基于现代单片机系统而设计的，本次设计的转矩转速测量仪就是基于at89c52单片机系统研制而成的。其中涉及了传感器技术，看门狗x5045保护电路，at89c52单片机应用系统，zlg7289显示驱动及键盘扫描管理等多个环节。本次设计要求及主要内容有：l 转矩的测量范围是0-500.0nm，转速的测量范围是0-6000转/min。l 以zj型传感器为对象，配合信号调理电路的研究与设计。l 单片机存储和测控电路的设计。l 看门狗电路的设计。 l 串行通信电路的设计。l 键盘输入和led显示电路的设计。l 基于汇编语言的程序设计。 第2章 总体方案论证 近年来，随着电子测量技术的迅速发展，信号的相位测量方法也日趋完善。利用相位测量原理制成的相位转矩转速测量仪，也得到了很广泛的应用。本次设计采用的zj传感器就是采用磁电转换-相位差原理制成的。为了把转矩和转速信息能够准确地从电机中提取出来,通常是由传感器将被测信息转换为电信号,并对电信号存储、传输、分析计算,最终显示测量结果。传感器是整个测量仪器的核心,对传感器的选择必须合理,并保证能够在一定的工作环境下正常地工作。电机转矩的测量方法可分为传递法、平衡力法及能量转化法。平衡力法是通过外加已知的与被测转矩方向相反的转矩,当传动轴静止或匀速转动时,外加转矩与被测转矩相等。这种方法简单,但必须通过另外一种方法测量外加的转矩或力及力臂,这样会对测量引入一定的累计误差。能量转化法是通过利用能量守恒的原理间接测量转矩,不易实现。传递法是将被测转矩传递到弹性元件上,根据弹性元件物理参数的变化来测量转矩的方法。变化的参数可以是变形、应力、或应变等,使用的弹性元件是扭轴。电机主轴旋转时, 将转矩传递到扭轴上, 扭轴上所产生的应变,通过转矩传感器的电阻应变片转换成相应的电信号,该信号通过处理后送显示器显示转矩数值。本次设计采用的zj传感器是采用磁电转换-相位差原理，将转矩转速信号转换为两路有一定相位差的电信号。系统设计框图如图2-1所示。输入部分由通道1、2及鉴相器构成。通道1、2分别是由lm258和lm339构成的放大比较电路，来自zj型传感器的两路电信号送入仪器的通道1和通道2，经过放大比较转换为矩形波，并将两路矩形波信号同时送入鉴相器。鉴相器采用与门电路，其功能是检测两路矩形波信号的相位差，并产生一连串宽度与相位差成正比的脉冲。控制部分的核心是微处理器，信号送入单片机进行处理，在单片机中处理运算后得到转矩转速测量值，送入7289显示驱动芯片，最后在led中显示。此外在电路中还加入了看门狗保护电路。微处理器显示信号2通道2鉴相器信号1通道1图2-1系统设计框图对于测量周期信号和相位差信号，有两种方案可供选择。 第一种方案是利用测频的方法。由于周期信号频率较小，不易于测量，容易导致测量结果误差较大，因此这个方案不加采用。第二种方案是利用测周的方法。对于本次设计原理，测周的方法易于实现，而且测量结果精确度高，系统也较简单，因此采用此方案。第3章 硬件电路设计3.1硬件电路总体结构及工作原理1.硬件电路总体结构本次设计是基于zj型传感器的转矩转速测量仪，主要由输入、控制、显示输出三部分组成。输入部分是由lm258构成的放大电路、lm339比较器构成的模/数转换电路和采用与门电路的鉴相器三部分组成，另外为了使系统更加稳定加入了简单的rc滤波电路和二极管保护电路。控制部分是以at89c52单片机为核心，外加看门狗x5045保护电路和max485串行通信电路构成。显示输出部分是以zlg7289为驱动的led数码管显示电路。电路总体结构框图如图3-1所示。at89c52单片机zlg7289显示接口看门狗x5045led显示max485串行通信测转矩测转速鉴相器传感器信号1传感器信号2lm258放 大lm258放 大lm339比较器lm339比较器图3-1 硬件电路总体结构图2.硬件电路的工作原理本次设计的转矩转速测量仪是采用相位差原理研制而成。通过zj传感器将电机的转矩、转速机械量转换成两路有一定相位差的电压信号，经过lm258放大以后达到易于测量的大小，将经放大的信号送入由lm339比较器构成的模/数转换电路，将模拟信号转换成适于单片机处理的ttl电平。根据转矩测量公式，对于转矩的测量是通过测量两路信号的相位差，按照公式3-1计算出转矩的值。测量相位差的具体方法是当计数从全为“1”翻转为全“0”时，定时器中断标志位tfn置位。当trn=1同时gate=0或intn=0时定时器计数，置位gate时允许由外部输入intn控制定时器，trn为tcon寄存器内的控制位。转矩测量公式： （式3-1）其中r为传感器额定转矩，f为传感器系数，t1为两信号过零点之间的相位差，t2为信号的周期。根据转速测量公式，对于转速的测量是通过测量一定时间内输入信号的脉冲数，然后按照公式3-2计算出转速的值。转速测量公式： （式3-2）其中p为传感器齿数，t为规定的测量时间，c为在t时间内输入的脉冲数。测得的各种信号值完成公式的计算，都是在单片机at89c52中通过软件来实现的，最终将计算出的值送入显示部分。zlg7289是显示接口芯片，通过它来驱动led数码管，把转矩转速的测量值显示出来。由于需要分别显示转矩和转速的测量值，本次设计需要两组8位led数码管。电路中加入的看门狗x5045是起保护和复位的作用，当转矩转速值超过一定的上限值，或者系统电压不稳定时，它会自动的发出复位信号，使整个系统复位。生产中我们不仅要测量转矩转速值，而且要利用这些值对我们的生产过程进行控制，因此在设计中利用rs-485串行通信的方式，把测量值送入计算机进行分析处理，从而控制生产过程。由于ttl电平的逻辑与rs-485总线标准不匹配，因此电路中使用了max-485接口芯片，对ttl电平进行转换，使其符合rs-485总线逻辑。3.2 zj传感器的结构及工作原理1. zj型传感器的结构zj型转矩转速传感器是根据磁电转换和相位差原理，将转矩、转速机械量转换成两路有一定相位差电压讯号的一种精密仪器，图3-2为传感器的结构示意图，它由机座、端盖、扭力轴、内齿轮、外齿轮、磁钢、线圈轴承等组成。内齿轮、磁钢固定在套筒上，线圈固定在端盖上，外齿轮固定在扭力轴上。图3-2 zj型传感器的结构示意图2. zj型传感器的工作原理内、外信号齿轮由铁磁材料制成，而磁钢是永久磁体制造的。从永久磁钢经气隙、信号齿轮再到永久磁钢，形成了闭合回路。当内、外齿轮旋转时，磁钢与齿顶、齿谷间的气隙发生改变，即磁路中的磁阻发生改变，而永磁体的磁动势一定，据磁路的欧姆定律知线圈中的磁通必然发生变化。据电磁感应定律可知，线圈中也要相应的产生近似正弦波的感应电动势e1,e2.两感应电动势的初始相位差是恒定的，考虑到正、反加载，一般设计在180度位置上，当加上扭力时，扭力轴发生扭转变形，外齿轮和内齿轮间产生相对转角，从而两感应电动势e1,e2的相位关系发生了变化，相位差为=0+。相位差的变化量与相对转角的关系为=z，z为内、外齿轮的齿数。由于在扭力轴的弹性范围内外加扭矩和机械扭转角成正比，因此，测量出就等于间接测量出轴上的外加转矩，这样就实现了将机械量转化成电子量的过程。图3-3为信号发生原理及时序波形图。图3-3 信号发生原理及时序波形图3.3信号的放大与比较电路设计1. 调理电路的设计在本次基于zj型传感器的转矩转速测量仪研制的设计中由传感器采集来的转矩转速模拟信号需要经过一系列的处理才能为单片机所用。为此设计了以lm258和lm339为基础的信号放大和比较电路，将模拟信号转换为可以为单片机运算处理用的数字信号。如图3-4所示。 由传感器采集来的两路信号比较小，不容易处理，需首先经无源rc滤波器处理后送lm258双运算放大器放大，得到方便处理的电压信号。为了防止电压过大，电路中还加入了二极管保护电路。单片机处理的是ttl电平信号，所以需要将模拟电压信号转换为ttl电平信号，lm339是四电压比较器，常用于简单的模拟/数字转换器。模拟信号经过比较器得到所需要的数字信号。本次设计转矩的测量是采取相位差的方法，根据转矩的测量公式可知需要两路信号，一路信号用来测量信号的周期，一路信号用来测量相位差，而相位差信号需要将两路信号加一个与门电路来获得。转速的测量同样需要两路信号，一路信号用来测量输入信号的脉冲数，一路信号用来测量输入信号脉冲所占用的时间。2. lm258和lm339简介lm358系列（包括lm158、lm258、lm358、lm2904）是由两个独立的高增益、内部频率补偿运算放大器组成。通过特殊设计，它可在宽电压范围的单电源下工作。当然它也能在双电源下工作。低的电源电流与电源数值大小无关。其应用领域包括转换放大器，直流增益部件和所有常规的运算放大器，这些更易于在单电源系统中实现。lm339系列（包括lm139、lm239、lm339、lm2901）是由四组独立的精密电压比较器组成，具有低失调电压的特点，所有四组比较器最大失调电压仅为2mv。它特地为在较大的电压范围内单电源工作而设计，但也在双电源下工作，它的低电源电流不受电源电压大小的影响。即使在单电源电压下工作，这些比较器的输入共模电压范围也包括低电位。应用方面包括限幅比较器、简单的模拟/数字转换器、脉冲方波和延时发生器、宽范围压控振荡器、mos时钟多谐振荡器和高电压数字逻辑门。lm339系列能直接与ttl和cmos接口。当工作于正负电源时，它们也能直接与mos逻辑电路接口，在这些应用中lm339的低功耗的特点明显比普通比较器好。图3-4 信号调理电路图3.4 主控模块单片机系统的设计3.4.1主控芯片at89c52在设计中的应用1. at89c52与外围芯片的连接根据设计任务书的要求，在基于zj传感器转矩转速测量仪的研制中，主要就是由zj传感器，放大、比较电路，核心芯片at89c52与看门狗芯片x5045构成的主控系统，键盘与显示接口芯片zlg7289构成的显示电路及串行通信驱动芯片max485构成的串行通信电路一起来实现一个完整的转矩转速测量仪，它能够测量各种电机的转矩转速。在具体的设计中，通过at89c52的p2口与zlg7289相连，这样便构成了cpu与键盘显示部分的数据/命令传送。其中p2口的p2.5、p2.6、p2.7分别与显示驱动芯片7289的spi总线片选信号/cs、spi总线时钟输入信号clk、spi总线数据信号data相连。片选信号/cs以低电平有效，时钟信号clk以上升沿有效，数据信号是双向的。p1口的p1.1、p1.2、p1.3、p1.4分别与看门狗芯片x5045的so、/cs、sck、si相连构成看门狗电路用来监控系统防止死机。p1.5 、p3.0（rxd）、p3.1（txd）分别与max485的/re和de、ro、di相连，构成串行通信。其中at89c52与外围的器件连接结构图如图3-5所示：at89c52x5045zlg7289max485图3-5 at89c52与外围器件的连接结构图2. at89c52在本设计中所用管脚的介绍主控部分采用的是atmel公司的at89c52，外接12m的石英晶振，还有复位电路，该系列单片机由先进的cmos工艺制造并带有非遗失性flash程序存储器，全部支持12时钟和6时钟操作。at89c52是一种带8k字节闪烁可编程可擦除只读存储器（fperomflash 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。该器件采用atmel高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的mcs-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位cpu和闪烁存储器组合在单个芯片中，atmel的at89c52是一种高效微控制器，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。它包含256字节ram、32条i/o口线、3个16位定时/计数器、6输入4优先级嵌套中断结构、2个串行i/o口以及片内振荡器和时钟电路。此外，由于器件采用了静态设计，可提供很宽的操作频率范围，可实现两个由软件选择的节电模式空闲模式和掉电模式，空闲模式冻结cpu，但ram、定时器、串口和中断系统仍然工作。掉电模式保存ram的内容，但是冻结振荡器，导致所有其它的片内功能停止工作，由于设计是静态的，时钟可停止而不会丢失用户数据，运行可从时钟停止处恢复。其中在该设计中所用到的一些at89c52的管脚功能介绍如下：vcc：供电电源。gnd：接地。p1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。在此次设计中，p1口主要是用来与看门狗芯片x5045一起构成系统保护电路，当转矩转速的测量值超过规定上限值时，产生复位信号，从而起到保护作用。其中p1.5作为max485串行通信的数据输入口。p2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口被写入1时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。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，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口电路中接收按键信号和发送显示驱动7289所需的控制和数据输出信号。p3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at89c52的一些特殊功能口，如下所示：表 3-1 p3口线的特殊功能口线特殊功能信号名称p3.0rxd串行数据接收p3.1txd串行数据发送p3.2/int0外部中断0申请p3.3/int1外部中断1申请p3.4t0定时器/计数器0记数输入p3.5t1定时器/计数器1记数输入p3.6/wr外部ram写选通p3.7/rd外部ram读选通设计中使用p3口主要是使用起特殊功能。p3.0和p3.1作为max485的串行通信控制信号口。p3.4接受被测转矩的相位差信号，利用gate门测量脉冲宽度，通过调用转矩测量程序运算处理得出转矩值，p1.0和p3.5分别用作定时和计数，p1.0口为定时器2的特殊功能口，用来定时1分钟，p3.5用来计数。通过调用转速测量程序运算处理得出转矩值。rst：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。设计中与x5045的复位脚相连，构成cpu的复位电路。xtal1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。xtal2：来自反向振荡器的输出。3. 其他功能的应用在这次设计中，除了用到at89c52的一些常见管脚外，还用到片内的一些存储器、定时器、计数器以及中断功能等。在设计中at89c52的定时器0和定时器1的操作由特殊功能寄存器tmod的控制位c/t进行选择，这两个定时/计数器有四种操作模式，通过tmod的m1和m0选择，两个定时/计数器的模式0、1和2都相同，模式3不同。模式0将定时器寄存器配置为13位寄存器，当计数从全为“1”翻转为全“0”时，定时器中断标志位tfn置位。当trn=1同时gate=0或intn=0时定时器计数，置位gate时允许由外部输入intn控制定时器，这样可实现脉宽测量，trn为tcon寄存器内的控制位，本次设计即采用这种方法测量两信号的相位差。该13位寄存器包含thn全部8个位及tln的低5位，tln的高3位不定可将其忽略，置位运行标志（trn）不能清零此寄存器。模式0的操作对于定时器0及定时器1都是相同的两个不同的gate位分别分配给定时器0及定时器1。模式1和模式0几乎都相同，所不同的是模式1使用了thn及tln全部16位。模式2下定时器寄存器作为可自动重装的8位计数器（tln），tln的溢出不仅置位tfn，而且将thn内容重新装入tln，thn内容由软件预置，重装时thn内容不变，模式2的操作对于定时器0及定时器1是相同的。模式3中，定时器1停止计数，效果与将tr1设置为0想同。此模式下定时器0的tl0及th0作为两个独立的8位计数器，tl0占用定时器0的控制位：c/t，gate，tr0，int0，及tf0。th0限定为定时器功能，占用定时器1的tr1及tf1。此时th0控制“定时器1”中断。模式3可用于需要一个额外的8位定时器的场合，定时器0工作于模式3时，at89c52看似有3个定时器/计数器，当定时器0工作于模式3时，定时器1可通过开关进入/退出模式3，它仍可用作串行端口的波特率发生器，或者应用于任何不要求中断的场合。定时器2是一个16位定时/计数器，通过设置特殊功能寄存器t2con中的c/t2位，可将其作为定时器或计数器，定时器2有三种操作模式：捕获、自动重新安装和波特率发生器，这三种模式由t2con中的位进行选择。4. at89c52的存储器系统介绍单片机的存储器由三部分组成，即程序存储器（包括片内程序存储器，大小与芯片型号有关）、片内数据存储器（包括内部ram存储器00hffh，共256字节；特殊功能寄存器）、外部数据存储器（0000hffffh，共64kb）。（1） 程序存储器对于带有片内rom的单片机来说，片内程序存储器和外部程序存储器地址空间重叠。如果/vpp引脚为高电平，且程序计数器pc小于等于片内rom的地址空间时，将从片内程序存储器去指令（在这种情况下，信号无效）；而当pc超出片内rom地址空间时，自动到外部程序存储器去指令，即在p0口输出低8位地址（a0a7），在p2口输出高8位地址（a15a8）。当/vpp引脚为低电平时，一律从外部程序存储器取指令。 （2）片内数据存储器片内数据存储器由内部ram和特殊功能寄存器组成。对于89c52芯片来说，内部ram的容量为256字节（00hffh）。1）片内ramat89c52芯片内部ram容量为128字节，根据用途可划分为工作寄存器区、位寻址区和用户数据存储器区（可作为用户ram和堆栈区）。工作寄存器区有32个字节组成，从00h1fh的单元，分成四个区，每个区8个字节，分别用r0r7作为这8个字节的寄存器名。20h2fh单元，共16个字节，属于位寻址区。该区域可以按字节读写，也可以按位读写。30h单元以后可作为内部用户ram区或堆栈区。对于at89c52来说为30h7fh，尚有80个字节可作用户内部ram或堆栈区。复位后，堆栈指针sp指向07h单元。因此，一般需要修改，将sp设在2fh之上。2）特殊功能寄存器由于单片机内集成了一些常用的i/o端口、串行口、定时器/计数器、中断控制器等，因此这些i/o接口单元电路内的寄存器也就位于cpu内部，统称为特殊功能寄存器（sfr，即special function registers）。at89c52cpu除了给i/o接口电路寄存器，如定时/计数器控制寄存器tcon分配字节地址外，cpu内的寄存器也有字节地址，如累加器acc字节为0e0h。此类单片机内共有27个特殊功能寄存器，其地址分散在80hffh之间。3）外部数据存储器通过p0、p2口最多可以连接64kb的外部数据存储器。3.4.2看门狗电路的设计1. x5045简介看门狗(watchdog)电路是嵌入式系统需要的抗干扰措施之一，工控系统在运行时，通常都会遇到各种各样的现场干扰，抗干扰能力是衡量工控系统性能的一个重要指标。看门狗(watchdog)电路是自行监测系统运行的重要保证，几乎所有的工控系统都包含看门狗电路。看门狗电路一般有软件看门狗和硬件看门狗两种。软件看门狗不需外接硬件电路，但系统需要出让一个定时器资源，这在许多系统中很难办到，而且若系统软件运行不正常，可能导致看门狗系统也瘫痪,硬件看门狗是真正意义上的“程序运行监视器”，所以在该设计中，我将用x5045芯片设计一种新的硬件看门狗电路，具有体积小、占用i/o口线少和编程方便的特点。图3-6 x5045引脚图2. x5045看门狗电路的设计x5045硬件连接图如图3-7所示。x5045芯片内包含有一个看门狗定时器，可通过软件预置系统的监控时间，在看门狗定时器预置的时间内若没有总线活动，则x5045将从reset输出一个高电平信号，使cpu复位。图3-7电路中，cpu的复位信号是watchdog复位。其中/cs、si、so、sck脚都与at89c52的p1口相连，/wp为写保护输入端接高电平。图3-7 看门狗电路原理图3.5键盘与显示接口芯片zlg7289的设计1. zlg7289在本次设计中的应用zlg7289 是广州周立功单片机发展有限公司自行设计的数码管显示驱动及键盘扫描管理芯片，可直接驱动8 位共阴式数码管（或64 只独立led），同时还可以扫描管理多达64 只按键。zlg7289 内部含有显示译码器，可直接接受bcd 码或16 进制码，并同时具有2 种译码方式。此外，还具有多种控制指令，如消隐闪烁左移右移段寻址等。zlg7289 采用spi 串行总线与微控制器接口，仅占用少数几根i/o 口线。利用片选号，多片zlg7289 还可以并接在一起使用，能够方便地实现多于8 位的显示或多于64 只按键的应用。zlg7289 可广泛地应用于仪器仪表，工业控制器，条形显示器，控制面板等领域。设计中at89c52的p2.5、p2.6、p2.7口分别与7289spi串行总线的/cs、clk、data相连，当p2.5口是低电平时，7289芯片被选中，此时p2.6口来到一个上升沿信号，spi总线将开始进行数据输入，输入信号从p2.7口向7289传输。数据信号经7289送到led显示。此次需要测量的有转矩和转速两个参数，其中转矩的测量范围是0-500.0nm，转速的测量范围是0-6000转/min,因此我们需要两组8位led显示，分别对转矩转速测量值进行显示。2. zlg7289简单介绍zlg7289的主要特性： 很宽的工作电压范围：2.76v； 直接驱动8 位共阴式数码管（1英寸以下）或64 只独立的led； 能够管理多达64 只按键，自动消除抖动； 段电流可达15ma 以上，字电流可达100ma； 利用功率电路可以方便地驱动1英寸以上的大型数码管； 具有左移、右移、闪烁、消隐、段点亮等强大功能； 要显示的数据提供有两种不同的译码方式（也可以选择不译码）； 不接数码管而仅使用键盘管理功能时，工作电流可降至3ma； 与微控制器之间采用spi 串行总线接口，操作方便，占用i/o 资源少； 工作温度范围：4085； 封装：sop-28，dip-28。图3-6为7289的引脚图，表3-2是对7289的引脚功能说明。图3-8 zlg7289引脚图表3-2 zlg7289引脚功能说明引脚序号引脚名称功能描述1，2vdd接电源3，5nc悬空4vss接地6/csspi 总线片选信号，低电平有效7clkspi 总线时钟输入信号，上升沿有效8dataspi 总线数据信号，双向9/key键盘中断请求信号，低电平（下降沿）有效1016sgsa数码管g a段17dp数码管dp 段1825dig0dig7数码管字选信号0726osc1晶振输出信号27osc2晶振输入信号28/res复位信号，低电平有效zlg7289 与微控制器的接口采用3 线制spi 串行总线，由cs、clk 和data 这3 根信号线组成。cs 和clk 是输入信号，由微控制器提供。data信号是双向的，必须接到微控制器上具有双向功能的i/o 上。spi 信号线的具体意义请参见表3-3。操作spi 总线的时序图请参见图3-9。表3-3 zlg7289 的spi 串行接口信号信号名称引脚序号描述cs/6spi 总线片选输入信号，低电平有效clk7spi 总线时钟输入信号，上升沿有效data8spi 总线数据信号，双向图3-9 带数据指令时序图（命令字在前，输入数据在后）3.6串行通信电路的设计 在实际的测量和控制过程中，经常需要进行信息的传输和交换。数据传送的方式可分为并行传输和串行传输，相应的通信总线被称为并行总线和串行总线。串行传输比并行传输用的导线数少，传输距离比并行传输要远的多。此次设计就采用的是串行传输，采用的总线标准是rs-485。由于rs-485规定的逻辑电平与一般的微处理器、单片机的逻辑电平是不一致的，与rs232c相类似采用的是负逻辑。其逻辑电平与ttl电平显然是不匹配的，为了实现rs-485电平与ttl电平的连接，必须进行信号电平转换。本次设计为了实现rs-485标准电平与ttl电平间相互转换采用的接口芯片是max485。其中单片机的p1.5、p3.1（rxd）、p3.2（txd）分别与max485的re/de、ro、di相连，构成串行通信电路，将系统测量得到的转矩转速数据传输出去。1rs-485标准rs-485是rs-422a的变形。rs-422a为全双工，可同时发送和接收；rs-485则为半双工，在某一时刻，一个发送另一个接收。真正的多点总线应由连接至总线的多个驱动器和接收器构成，并且其中任何一个均可发送或接收数据，也就是说两条信号线组成的单通道即可完成收发功能。rs-485是一种多发送器的电路标准，它扩展了rs-422a的性能，允许双总线上一个发送器驱动32个负载设备。负载设备可以是被动发送器、接收器或收发器。当用于多站互连时，可节省信号线，便于高速远距离传送。2驱动芯片max485介绍max485的管脚图如图3-10所示，使用于半双工通信。 图3-10 max485引脚图管脚功能如下：ro：接收器输出。当a-b+0.2v，ro=1；当a-b-0.2v，ro=0。/re：接收器输出使能。re=0时，允许接收器输出；re=1时，禁止接收器输出，ro为高阻。de：驱动器输出使能。de=0时，允许驱动器工作；de=1时，禁止驱动器工作，a、b为高阻。di：驱动器输入。di=1时，输出a为高阻，b为低；di=0时，输出a为低，b为高阻。a：接收器同相输入/驱动器同相输出。b：接收器反向输入/驱动器反向输出。vcc：电源（4.75vvcc+0.2v100-0.2v000输入开路110x高阻第4章 软件设计4.1主程序设计本设计程序主要包括：系统初始化模块、测量模块、串行通信模块、看门狗程序模块、显示模块五部分组成。系统初始化模块包括内存单元和变量缓冲区的初始化、定时器设置、中断向量设置和各芯片引脚的初始化定义等内容。测量模块主要完成对转速和转矩的测量工作，也是本次设计所要完成的主要工作。串行通信模块实现数据与计算机的相互收发，以便于计算机对过程进行控制。看门狗程序模块是对单片机系统进行保护作用，当系统跑飞或者出现其他异常现象时完成对系统的复位。显示模块是完成对测量结果的显示功能，整个测量系统所要完成的工作就是测量转矩和转速值，并将其显示出来，因此显示模块也是非常重要的部分。主程序设计首先要对这个系统进行初始化，然后开中断，开始对转矩和转速进行测量。接着调用显示子程序，将测量结果显示出来。本次设计还需要完成与计算机的数据交换，因此需要一个串行通信程序。主程序流程图如图4-1所示。图4-1 软件程序总流程图4.2 初始化程序设计系统的初始化是既复杂又很重要的工作。初始化程序主要完成对设计中使用的存储单元的初始化、串行通信的初始化、看门狗电路的初始化、zlg7289的初始化、t0、t1、t2的初始化和中断向量的设置。图4-2初始化程序流程图4.3 测量子程序设计 测量子程序主要完成转矩和转速的测量。转速的测量是根据公式n=60c/(tp)所得，利用定时器t2定时测量时间1分钟，t1对1分钟内信号脉冲个数进行计数，再根据转速测量公式计算出转速值。转矩的测量是根据公式t=5rft1/t2所得，利用t0的gate门来测量信号的相位差，即t1，根据前面转速测量时得出的值可计算出信号的周期，即t2=60/c，然后再根据转矩测量公式计算出转矩的值。转速和转矩的程序流程图分别如4-3和4-4所示。 4-3转速测量程序流程图 图4-4 转矩测量程序流程图4.4 串口通信程序设计串口通信程序主要包括两个部分，一个是将计算机发来的数据传给单片机，另一部分是将单片机传来的数据通过串口发给计算机，在主程序里直接调用即可。下面给出这个子程序流程图。图4-5 串口中断服务程序流程图4.5 看门狗程序设计本文的看门狗程序设计的框图如下图所示 图4-6 看门狗程序设计框图看门狗电路的定时时间长短可由具体应用程序的循环周期决定，通常比系统正常工作时最大循环周期的时间略小即可。编程时，可在软件的合适的地方加一条喂狗指令，使看门狗的定时时间永远达不到预置时间，系统就不会复位而正常工作。当系统跑飞，用软件陷阱等别的方法无法捕捉回程序时，则看门狗定时时间很快增长到预置时间，迫使系统复位。看门狗定时器的预置时间是通过x5045的状态寄存器的相应位来设定的。 x5045状态寄存器共有6位有含义，其中wdl，wd0和看门狗电路有关，其余位和eeprom的工作设置有关。 w dl= 0， wd0=0， 预置时间为1.4s w dl= 0， wd0=1， 预置时间为0.6s w dl= 1， wd0=0， 预置时间为0.2sw d1=1， wd0=1， 禁止看门狗工作。 4.6 八位led动态显示子程序设计译码显示模块是建立在内部系统和观测人之间的桥梁。通过译码显示，使输出结果可视化，界面友好化。 该模块由led译码组成，主要是将各信息量转换成相应的显示代码。led译码模块是将数字量转换为bcd码来驱动数码管。采用动态显示，共分为八个状态，即八个数码管的位码依次选通点亮数码管。程序流程图如图4-7所示。图4-7 8位led动态显示子程序流程图结论与展望本文设计的基于zj型传感器的转矩转速测量仪采用了相位差测量技术，结合了单片机处理技术，完成了对转矩转速的高精度测量，并且采用数字化显示功能。解决了传统转矩转速测量仪结构庞大、能耗大、容易产生误差且测量范围受限制等问题。用单片机实现的转矩转速测量系统不仅可以高精度的测量转矩转速值的大小，而且在加入了串行通信后还能方便的与计算机进行数据发送和接收，以实现智能化控制。本次课题采用的以zj型传感器为基础、at89c52单片机系统为核心的设计方案,与以往的转矩转速测量系统相比有以下几个优点：l 智能化设计，精度高，能够对转矩转速进行较准确地测量；l 控制电路简单易懂；l 增强了系统的抗干扰功能；l 附加其它功能简单、方便。本次设计使用的zj型传感器由于本身工艺的限制，测量精确度以及测量范围等还受到一定程度的限制，所以本次设计的转矩转速测量仪还有一些不足。但随着现代传感器技术发展越来越快，各种新型的、智能化的传感器将会不断被研制出来。所以我们将可以选择更好的传感器来代替设计中的传感器，以使测量系统功能更加完善。现在的测量仪正在朝着高精度、宽测量范围、小体积、低价格等方向发展，而本次设计的转矩转速测量仪就是一种精度高、测量范围宽的数字化测量系统。因此本次课题研究具有很广阔的发展前景和价值。随着技术的不断发展，可以在本次课题研制的转矩转速测量系统中选择更精良的传感器以增加其测量精度和测量范围。还可以添加报警电路和更好的抗干扰系统，以提高整个测量系统的稳定性、安全性和抗干扰功能。致 谢本次毕业设计之所以能够顺利完成，我要感谢的是我的指导老师王冠凌老师。在我整个毕业设计过程中，王老师都给予了悉心的指导。在毕业设计过程中，我深深的被王老师严谨的治学态度、开明的学术思想、事必躬亲的工作精神和宽人律己的高尚品德所打动。值此设计完成之际，谨向王老师致以最崇高的谢意! 本次毕业设计即将结束，同时也预示着大学四年的学习生活接近尾声。我要感谢这四年来院、系各级领导对我们的关心以及所有的授课老师对我的谆谆教导。毕业在即，相处四年的同学将各自奔赴自己的工作岗位。在此，我想对四年来帮助过我的同学说一声：谢谢！最后，向在百忙中抽出宝贵时间参与设计评审和答辩的老师和评委们，表示由衷的感谢。作者：07年 6月 17 日参考文献1 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eb/ol./dyn/products/product_card.asp. 2003附录a 硬件原理图附录b 外文文献及译文lm339 datasheetdescripionthe lm339 series consists of four independent voltage comparators. these were designed specifically to operate from a single power