机械毕业设计（论文）-基于单片机的智能测速仪设计（全套图纸） .docx

中原工学院2011届毕业设计（论文）说明书摘要在工程实际中，电机在运行过程中，需要对其监控，转速是一个必不可少的参数，需要对其进行测量。测量转速的方法分为模拟式和数字式两种。模拟式采用测速发电机为检测元件，得到的信号是模拟量。数字式通常采用光电传感器等为检测元件，得到的信号是脉冲信号。随着微型计算机的广泛应用，特别是高性能价格比的单片机的出现，转速测量普遍采用以单片机为核心的测量方法。 本文设计的是运用at89c51单片机控制的智能化转速测量仪。本设计基于at89c51单片机平台，采用光电传感器实施电机转速测量的方法，硬件系统包括脉冲信号产生，脉冲信号放大、波形变换、波行整形和显示模块，以及pc机与单片机之间的串行通讯。充分发挥了单片机的性能。本文的软件重点是采用c语言编程，测量速度并显示在4位led数码管上。本设计的优点是具有硬件电路简单，软件功能完善，测量速度快、精度高、控制系统可靠，性价比较高等特点。关键词 转速测量；单片机；光电传感器；电机，led。全套图纸，加153893706abstract in engineering practice, the motor needs to monitor when it is working. because the speed is an essential parameter to the motor, the speed of the motor must be measured. the methods of speed measurement are classified into two kinds: analog and digital. the former adopt tachometer generator as the components of detection, the result of it is an analog signal. the later adopt photoelectric sensors as the components of detection, the result of it is a pulse signal. with the wide development of micro-computer, especially the emergence of high-performance and cheap mcu, the measurement of speed commonly based on the mcu. the design of this article is using at89c51 microcontroller to control the speed of monitor. this design is based on at89c51 microcontroller platform, using photoelectric sensors as the main method of the motor speed measure.the hardware system, including pulse generation, pulse amplification, waveform conversion, wave-line shaping and display modules, the communication between pc and mcu . the performance of micro-computer is perfect. the software of this article mainly adopt c language program, the measured speed displayed on four led digital tube.the advantages of this design is the hardware circuit very simple , software function very perfect ,react very fast , high precision ,control system reliable and good performance.key words: speed measurement ,micro-computer photoelectric, sensor, motor，led.ii目录一、概述11.1转速测量系统的发展背景及现状11.2本次毕业设计的意义2二、转速测量系统的原理32.1转速测量方法32.2转速测量原理3三、系统方案提出和论证53.1方案一采用霍尔传感器53.2方案二采用光电传感器6四、系统硬件设计94.1 at89c51单片机介绍94.2转速信号采集124.3转速信号处理电路设计134.4电压转换电路134.5最小系统的设计144.5.3外部中断电路164.6 显示部分设计174.7 串口通讯设计194.8系统的仿真设计20五、系统软件设计225.1主程序235.2子程序24六、系统调试266.1硬件调试266.2软件调试26六、总结28七、致谢29八、参考文献30附录一 智能测速仪电路原理图31附录二 元器件明细表32附录三 智能测速仪控制程序3332一、概述1.1转速测量系统的发展背景及现状转速测量在国民经济的各个领域，都是必不可少的。转速检测仪器到目前可分为以下几类：1. 离心式测速仪，利用离心力与拉力的平衡来指示转速。 它是最传统的转速测量工具，是利用离心力原理的机械式转速表；测量精度一般在12级，一般就地安装。一只优良的离心式转速表不但有准确直观的特点，还具备可靠耐用的优点，它是机械力学的成果，但是结构比较复杂。2. 磁性测速仪，利用旋转磁场，在金属罩帽上产生旋转力，利用旋转力与游丝力的平衡来指示转速。磁性测速仪，是成功利用磁力的一个典范，是利用磁力原理的机械式转速表；一般就地安装，用软轴可以短距离异地安装。磁性测速仪，因结构较简单，目前较普遍用于摩托车和汽车以及其它机械设备。它是运用磁力和机械力的一个典范，异地安装时软轴易损坏。3. 电动式测速仪，由小型交流发电机、电缆、电动机和磁性表头组成。小型交流发电机产生交流电，交流电通过电缆输送，驱动小型交流电动机，小型交流电动机的转速与被测轴的转速一致。磁性测速仪表头与小型交流电动机同轴连接在一起，磁性表头指示的转速自然就是被测轴的转速；电动式测速仪，异地安装非常方便，抗振性能好，它巧妙运用微型发电机和微型电动机将旋转运动异地拷贝，但结构相对复杂，体积相对庞大。4.电子式测速仪，以现代电子技术为基础，设计制造的转速测量工具。它一般有传感器和显示器，有的还有信号输出和控制。随着微型计算机的广泛应用，特别是高性能单片机的不断推陈出新，转速测量普遍采用以单片机为核心的数字化、电子化、智能化的系统。电子技术的千变万化，给了我们今天五彩缤纷的世界，同样也造就了满足人们各种需要的转速测量仪表。将电子类测速仪从传感器和二次仪表分开来分类。转速传感器从原理（或器件）上来分，有磁电感应式、光电效应式、霍尔效应式、磁阻效应式、介质电磁感应式等。另外还有间接测量转速的转速传感器：如加速度传感器（通过积分运算，间接导出转速），位移传感器通过微分运算，间接导出转速），等等。测速发电机和某些磁电传感器在线性区域，可以直接通过交流有效值转换，来测量转速 ；大多数都输出脉冲信号（近似正弦波或矩形波）。针对脉冲信号测转速的方法有：频率积分法（也就是f/v转换法，其直接结果是电压或电流），和频率运算法（其直接结果是数字）。测速显示仪从指示形式来分有指针式、数字式、图形及其混合式和虚拟仪表等；动圈式：线圈、游丝指针联于一旋转轴上，给线圈输入电流，线圈感应出磁力，且互成正比；磁力与游丝的扭力平衡，扭力与指针转角成正比，指针的角度也就反映出输入电流的大小；动磁式：正交线圈中电流的变化，导致合成磁场方向的变化，而指针附着在单对极的永磁体上，指针反映电流的变化。电动式：双向旋转的马达带动电位器的旋转，电位器的取样值与输入信号电压比较，决定双向旋转马达正转、反转或停止，与电位器联动的指针正确反映输入信号的大小。数字式、图形及其混合式：主要是从器件来区分，有数码管、字段式液晶、液晶屏、荧光管、荧光屏、等离子屏和el屏等。.虚拟转速表：随着计算机的普及，利用计算机做显示和操作平台的虚拟仪表，也越来越被广泛运用。随着电子技术发展，单片机技术和大规模可编程数字逻辑电路的普及，为转速仪表结构简单化提供了技术基础。智能芯片的运用，使同一仪表硬件，具有多种不同功能的软件，为多样化系列化带来了便利。 智能仪表的软件，可为不同需求量身定做，使得智能仪表又具个性化的特点。电子类测速仪表结构简单化，品种多样化与系列化，将进一步要向人性化发展，具有广泛的应用前景。1.2本次毕业设计的内容本设计有单片机控制，主要包括硬件部分设计和软件部分设计，如下框图所示。时钟电路复位电路硬件设计显示电路发送电路c语言编程软件设计提出方案图1.1设计内容框图二、转速测量系统的原理2.1转速测量方法转速是指作圆周运动的物体在单位时间内所转过的圈数，其大小及变化往往意味着机器设备运转的正常与否，因此，转数测量一直是工业领域的一个重要问题。按照不同的理论方法，先后产生过模拟测速法（如离心式转速表）、同步测速法（如机械式或闪光式频闪测速仪）以及技术测速法。计数测速法又可分为机械式定时计数法和电子式定时计数法。本文介绍的采用单片机和传感器组成的高精度转速测量系统，其转速测量方法采用的就是电子式定时计数法。对转速的测量实际上是对转子旋转引起的周期脉冲信号的频率进行测量。在频率的工程测量中，电子式定时计数测量频率的方法一般有三种：（1）测频率法：在一定时间间隔t内，计数被测信号的重复变化次数n，被测信号的频率f可表示为 f=n/t（2）测周期法：在被测信号的一个周期内，计数时钟脉冲m0，则被测信号频率f可表示为 f=fc/m0 其中，fc为时钟脉冲信号频率。（3）多周期测频法：在被测信号m1个周期内，计数时钟脉冲数m2，从而得到被测信号频率f，则f可表示为 f=fc*m1/m2 其中，fc为时钟脉冲信号频率。2.2转速测量原理本次设计转速测量系统采用光电传感器，从转轴上预先粘贴一个标记上获得一转一个转速脉冲，随后通过单片机实现转速测量并在led上表示出来。即通过光电传感器，将转速信号变为电脉冲，利用微机在单位时间内对脉冲进行计数，再经过软件计算获得转速数据。即 n=n/（m*t）n转速，单位：转/分钟；n采样时间内所计脉冲个数；t采样时间，单位：分钟；m每旋转一周所产生的脉冲个数。在本次设计中m为1，t为1分钟，n即为所测脉冲个数。 图2.1 系统原理图各部分模块的功能：传感器：用来对信号的采样。放大、整形电路：对传感器送过来的信号进行放大和整形，在送入单片机前进行数据的处理转换。单片机：是整个测量系统的主要部分，对处理过的信号进行转换成转速的实际值，送入led。在本系统中考虑到计数的范围、使用的定时器/计数器的个数及i/o口线数，选用at89c51单片机。led显示：用来对所测量到的转速进行显示。三、系统方案提出和论证转速测量的方案选择，一般要考虑传感器的结构、安装以及测速范围与环境条件等方面的适用性。本说明书中给出两种转速测量方案，经过我查找资料，咨询老师，从实现难度、熟悉程度、器件用量等方面综合考虑，最终选择了其中一种。下面就对两种方案作简要论述。3.1方案一采用霍尔传感器霍尔效应：在半导体薄片两端通以控制电流i，并在薄片的垂直方向施加磁感应强度为b的匀强磁场，则在垂直于电流和磁场的方向上，将产生电势差为uh的霍尔电压。如下图1-1。 图3-1 霍尔效应原理图霍尔传感器是利用霍尔效应进行工作的，其核心元件是根据霍尔效应原理。制成的霍尔元件。霍尔传感器分为线性霍尔传感器和开关型霍尔传感器两种。（一）线性霍尔传感器有霍尔元件、线性放大器和射极跟随器组成，它输出模拟量。（二）开光型霍尔传感器由稳压器、霍尔元件、差分放大电路，施密特触发器和输出级组成，它输出数字量。霍尔转速传感器由磁钢，开关型集成霍尔元件ugn3020和电平转换电路组成。磁钢通常采用永久磁铁分割成的小磁块，粘于转动部件的边缘（n极向外），霍尔元件应固定在距磁块正面13mm处，如下图所示。当转动部件转动时，磁块与霍尔元件的相对位置发生变化，通过霍尔元件感磁面的场强发生变化。当磁块靠近霍尔元件时，场强增强，霍尔元件导通，输出低电平。当磁块远离霍尔元件时，输出高电平。因此，当转动部件转动时，霍尔元件输出连续脉冲信号。其脉冲频率正比于转速。图3-2霍尔转速传感器示意图1.转动部件2.磁块3.霍尔元件4.引出线霍尔器件具有许多优点，他们结构牢固，体积小，重量轻，功耗小，耐震动，不怕灰尘、水汽及烟雾等污染或腐蚀。其缺点是采用霍尔传感器在信号采样的时候，会出现采样不精确，因为它是靠磁性感应才采集脉冲的，使用时间长了会出现磁性变小，影响脉冲的采样精度。3.2方案二采用光电传感器光电传感器是采用光电元件作为检测元件的传感器。它首先把被测量的变化转换成光信号的变化，然后借助光电元件进一步将光信号转换成电信号。光电传感器一般有光源、光学通路和光电元件三部分组成。光电检测方法具有精度高、反应快、非接触等优点，而且可测参数多，传感器的结构简单，行式灵活多样，因此，光电式传感器在检测和控制中应用非常广泛。光电式传感器是以光电器件作为转换元件的传感器。它可用于检测直接引起光量变化的非电量，如光强、光照度、辐射测温、气体成分分析等；也可用来检测能转换成光量变化的其他非电量，如零件直径、表面粗糙度、应变、位移、振动、速度，以及物体的形状、工作状态的识别等。近年来，新的光电器件不断涌现，特别是ccd图像传感器的诞生，为光电传感器的进一步应用开创了新的一页。由光通量对光电元件的作用原理不同所制成的光学测控系统是多种多样的，按光电元件（光学测控系统）输出量性质可分为两类，即模拟式光电传感器和脉冲（开关）式光电传感器。模拟式光电传感器是将被测量转换成连续变化的光电流，它与被测量间呈单值关系。模拟式光电传感器按被测量（检测目标物体）方法可分为透射（吸收）式，漫反射式，遮光式（光束阻挡）三大类。所谓漫反射式是指恒光源发出的光投射到被测物上，再从被测物表面反射后投射到光电元件上。在本设计中就是采用的漫反射式，光电传感器的发光端照射到光电标记处，转速变化引起光电标记相应变化，从而使光电传感器的接收端产生波形信号。光敏二极管是最常见的光电传感器，光敏二极管的外型与一般二极管一样，只是它的管壳上开有一个嵌着玻璃的窗口，以便光线输入，为增加受光面积，pn结的面积做得较大，光敏二极管工作在反向偏置的工作状态下，并与负载电阻相串联，当无光照时，它与普通二极管一样，反向电流很小，称为暗电流；当有光照时载流子被激发，产生电子-空穴，称为光电载流子。在外电场的作用下，光电载流子参与导电，形成比暗电流大得多的反相电流，该反向电流称为光电流。光电流的大小与光照强度成正比，于是就能得到随光照强度变化而变化的电信号。故在设计中要考虑到光电传感器对外光源的接收情况。在本设计中整个测量系统的组成框图如下图所示。从图中可见，转子由待测电机通过联轴器驱动。转速信号有光电传感器拾取，使用时应先在转子上做好光电标记，具体办法可以是：将转子表面擦干净后用黑漆（或黑色布头）全部涂黑，再将一块反光材料贴在其上作为光电标记，然后将光电传感器固定在光电头与接收反射光端相对与光电标记的垂直线夹角相等处。光电头采用低功耗高亮度led，发出的光源为高靠性可见光，无论黑夜还是白天，或是背景光强有大范围改变都不影响接收效果。光电头包含有前置电路，输出05v的脉冲信号。接到8051的相应管脚上，通过8051内部定时器/计数器t0、t1及相应的程序设计，组成一个数字式转速测量系统。图3-3 测量系统的组成框图优点：使用光电传感器具有采样精确，采样速度快，范围广的特点。综上所述，使用方案二作为本设计的最佳选择方案。四、系统硬件设计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及其功能强大，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。出于单片机在测量转速方面具有体较小、性能强、成本低、可靠性高、控制功能强等优点，越来越受到企业和用户的青睐。对测量转速系统的硬件和编程进行研究，设计出一种以单片机为主的转速测量系统，保证了测量精度。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。at89c51单片机通过t1输入传感器的脉冲信号，p1口p2口接led动态显示。另由于pc系列微机串行口为rs-232c标准接口，与输入、输出均为ttl电平的at89c51单片机在接口规范上不一致，因此ttl 电平到rs232c接口电平的转换采用max232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。次设计单片机部分的硬件框图如下： cpu执行单元显示电路复位电路发送电路时钟电路图4-1 单片机部分硬件框图根据系统功能要求以及单片机硬件电路设计思路（如上框图）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，所以整个单片机部分分为传感器电路、时钟电路、复位电路、执行元件以及显示电路五个部分。4.1 at89c51单片机介绍单片机我们采用at89c51，相较于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（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at89c51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at89c51是一种高效微控制器， at89c单片机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。at89c51单片机的实物如下图所示。图4-2 at89c51单片机at89c51单片机的功能：1.主要特性：与at89c51 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：0hz-24hz三级程序存储器锁定128*8位内部ram32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2.at89c51单片机的引脚图如下所示。图4-3 at89c51引脚图3.at89c51单片机的优点有：（1）该单片机与mcs-51系列单片机完全兼容，在使用mcs-51单片机的系统中，可直接使用具有相同引脚的at89c51,容易使用,且成本低廉；（2）内部存储器采用可反复擦写的epeprom，有利于反复修改程序；（3）具有低耗能工作方式和能够实现掉电自动保护：（4）具有较强的抗干扰性，大大提高了低抵御外界的电磁干扰能力。4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置为片内振荡器。石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱动器件，xtal2应不接。有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。5芯片擦除：整个perom阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合，并保持ale管脚处于低电平10ms 来完成。在芯片擦操作中，代码阵列全被写“1”且在任何非空存储字节被重复编程以前，该操作必须被执行。此外，at89c51设有稳态逻辑，可以在低到零频率的条件下静态逻辑，支持两种软件可选的掉电模式。在闲置模式下，cpu停止工作。但ram，定时器，计数器，串口和中断系统仍在工作。在掉电模式下，保存ram的内容并且冻结振荡器，禁止所用其他芯片功能，直到下一个硬件复位为止。4.2转速信号采集在设计中采用光电传感器采集信号，这种传感器是把旋转轴的转速变为相应频率的脉冲，然后用测量电路测出频率，由频率值就可知道所测转速值。这种方法具有传感器结构简单、可靠、测量精度高的特点。是目前常用的一种测量转速的方法。前已介绍，将光电传感器固定在相对光电标记合适位置，电机每转一周，对接收光源信号端来说明暗变化经历一个周期，接收一次，从而产生波形脉冲信号。光电传感器的选取，对测量转速的准确性有很大影响。本设计采用奥托尼克斯光电传感器ben10m-tfr型，其为电压输出传感器。本设计测量转速的范围为0-9999r/min，而此传感器的响应时间小于2ms，其每分钟最小响应次数为三万次，频率为38khz。故满足此设计的要求。奥托尼克斯光电传感器ben10m-tfr如下图所示：此传感器的特点如下：1）对漫反射检测距离sn（可调）为80cm。指向角度：对回归反向型15，对射型320。2）采用密封结构性能稳定。3）光源用红外发光管，功耗小，寿命长，有指示灯。4）工作电压为dc 1030 ，ac20250v 。5）控制输出0.5v电压。图4-4 光电传感器通过联轴器与被测转速轴连接，当转轴旋转时，光电传感器ben10m-tfr将转速转换成电脉冲信号，供二次仪表计数使用。具备短路/极性保护。工作环境：温度25+55，相对湿度85% 无腐蚀性气体。4.3转速信号处理电路设计转速信号处理电路包括放大电路、整形及滤波电路。由于产生的电压信号小，且为非方波信号所以要进行处理。信号放大电路如下图所示。首先通过反相放大电路进行电压放大，使其电压幅值发生放大。反相运算放大器采用12v双电源供电，由于电源的供电电压在一定范围内有幅值上的波动，形成干扰信号。为起到消除干扰，实现滤波作用，故供电电源需接10uf的接地，电容选择金属化聚丙乙烯膜电容。 根据运算放大器可知放大倍数为ir4/ir3=20，即经放大后电压为0（-5v）的波形脉冲。整形电路的主要作用是将波形脉冲信号转化方波脉冲信号，经反相比例运算放大后，波形信号最大幅值约为-5v左右，最小幅值为0v。整形电路设计采用过零电压比较器，当输入为0v时，显示为低电平，当输入为低于0v电压时，开始显示高电平，在此双向稳压二极管作限幅作用。电容c5到的作用是阻止其它信号的干扰，并且将放大的信号进行滤波用。故有此可得出不断变化的高电平和低电平这种方波信号。故可将其输入到单片机的t0端口，进行脉冲计数。图4-5信号处理电路4.4电压转换电路由于单片机的供电电压为5v，光电传感器需要+12v的电源，反相比例放大电路需要要使用+12v和-12v的电压，由此设计了以下电路为系统各部分实现供电。如下图电压转换电路所示：图4-6 电压转换电路先将交流220v通过变压器进行变压，变压器的原边副边的匝数比为:l1/l2=l1/l3=44/3,l1/l4=55/2，使得l2和l4两边的输出电压为15v，l3两边的电压为8v，经过桥式整流后，加在稳压器（7812, 7805，7912）的电压为副边线圈（l2，l3，l4）两端电压的0.9倍，经稳压器后变为相应的输出电压，极性电容c1，c5，c9起滤波作用，电容c2，c7和c11可抵消电感效应，防止产生自激振荡，电路中的发光二极管，可以显示电路的通电情况,fu为熔断器起过流保护作用，这样一个完美的电路，可以很好的为单片机和其它部件供电。计算过程如下，以转化为+12v为例：加在l2两边的交流电压为u2，即u2=(l2/l1)*220=(3/44)*220=15v加在稳压器7812的vin端的直流电压为u2=15*0.9=13.5v压器的输出端口直流电压vout=12v4.5最小系统的设计4.5.1复位电路 at89c51单片机复位电路是指单片机的初始化操作。单片机启运运行时，都需要先复位，其作用是使cpu和系统中其它部件处于一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作。因而，复位是一个很重要的操作方式。但单片机是不能自动进行复位的，必须配合相应的外部电路才能实现。图4-7 at89c51的复位电路复位功能复位电路的基本功能是：系统上电时提供复位信号，直至系统电源稳定后，撤销复位信号。为可靠起见，电源稳定后还要经过一定的延时才撤销复位信号，以防电源开关或电源插头分-合过程中引起的抖动而影响复位。单片机的复位是由外部的复位电路来实现的。片内复位电路是复位引脚rst通过一个施密特触发器与复位电路相连，施密特触发器用来抑制噪声，它的输出在每个机器周期的s5p2，有复位电路采样一次。以得到内部复位操作信号。复位电路有两种接法：上电（或加电）时实现复位的电路和按键复位电路。而本设计采用的是上电时实现复位。图4-8左为上电复位，右为按键复位复位状态复位是单片机系统的初始化操作，其主要功能是把pc初始化为0000h，使单片机从0000h单元开始执行程序。另外，系统复位还使一些特殊功能寄存器恢复到复位状态。下表为复位操作对一些特殊功能寄存器的影响。4.5.2时钟电路时钟电路就是单片机的心脏，它控制着单片机的工作节奏。at89c51单片机允许的时钟频率是因型号而异的，其典型值为12mhz，本设计中采用此种型号。at89c51单片机内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器。引脚xtal1和xtal2分别是此放大器的输入端和输出端。这个放大器与作为反馈元件的片外晶体谐振器一起构成一个自激振荡器。外接晶体谐振器以及电容c1和c2构成并联谐振电路，接在放大器的反馈回路中。对外接电容的值虽然没有严格的要求，但电容的大小会影响振荡器频率的高低、振荡器的稳定性、起振的快速性和温度的稳定性。电容c1和c2的作用有两个：其一是使振荡器起振，其二是对振荡器的频率f起微调作用，其典型值为30pf。图4-9 时钟电路图 4.5.3外部中断电路 8051提供5个外部中断服务，即外部中断int0、外部中断int1、定时器/计数器中断tf0、定时器/计数器中断tf1与串行口中断uart（ri/ti）。外部中断有int0与int1两个，cpu通过int0引脚（即12脚，也就是p3.2复用引脚）及int1引脚（即13脚，也就是p3.3复用引脚）即可接收外部中断的请求。外部中断信号的采样方式可分为电平触发（低电平触发）及边沿触发（负边沿触发）两种。若要采用电平触发，必须将tcon寄存器中的it0(或it1)设置为0，则只要int0引脚（int1引脚）为低电平，即视为外部中断请求。若要采用边沿触发，必须将tcon寄存器中的it0（或it1）设置为1，则只要int0引脚（int1引脚）的信号有高电平转化为低电平瞬间，将视为外部中断请求。本次设计采用的是电平触发方式，当按钮按下时，int0端高电平变为低电平，中断系统开放，单片机开始定时。图4-10外部中断电路图4.6 显示部分设计许多电子产品都有用跳动的数码来指示电器的工作状态，其实数码管显示的数码是由八个发光二极管构成的，每段加合适的电压，该端就点亮。led（light emitting diode）发光二极管。数码管是由8个发光二极管构成的显示器件其实物如下图。 图4-11 数码管若将发光二极管的阳极连接在一起，称为共阳极数码管，若将二极管的阴极连接在一起，称为共阴极数码管。如下图所示。图4-12共阳/阴数码管ag和h为8个发光二极管，其中ag控制七个笔画（段）的亮或暗；另一个控制小数点的亮与暗。数码管显示器有两种工作方式，即静态显示方式和动态显示方式。在静态显示方式下，每位数码管的ag和h端与一个8位的i/o端口相连。要在某一位数码管上显示字符时，只要从对应的i/o端口输出并锁存其显示代码即可。其特点为：数码光中的发光二极管恒定地导通或截止，直到显示字符改变为止。在动态显示方式中，各位数码管的ah端并连在一起，与单片机系统的一个i/o端口相连，从该端口输出显示代码，每只数码管的共阳极或共阴极则与另一个i/o端口相连，控制被点亮的位。动态显示的特点是：每一时刻只能有1位数码管被点亮，各位依次轮流被点亮；对于每一位来数，每隔一段时间点亮一次。为了每位数码管能够充分被点亮，二极管应持续发光一段时间。利用发光二极管的余辉和人眼的驻留效应，通过适当地调整每位数码管被点亮的时间间隔，可以观察到稳定的显示输出。下表为共阴极七段led数码管驱动信号编码。表4-3 七段led数码管驱动信号编码数字（dp）gfedcba十六进位0001111110x3f1000001100x062010110110x5b3010011110x4f4011001100x665011011010x6d6001111000x3c7000001110x078011111110x7f9011001110x37共阳极七段led数码管的驱动信号与共阴极七段led数码管的驱动信号刚好反相，本次设计采用的是共阳极数码管动态显示。如下图所示。图4-13 led显示电路4.7 串口通讯设计根据系统功能要求，要使单片机测量的转速能够向上位机发送数据，硬件电路中要考虑到单片机的发送部分，单片机与计算机之间通过串口通讯。rs-232是一种可长距离传输的串行通信方式。rs-232是美国电子工业协会正式公布的串行总线标准，也是目前最常用的串行接口标准，用来实现计算机与计算机之间、计算机与外设之间的数据通信。rs-232串行接口总线适用于：设备之间的通讯距离不大于15m，传送速率最大为20kbps。rs-232协议以-5v15v表示逻辑1；以+5v-+15v表示逻辑0.我是用max232芯片将rs-232电平转化为ttl电平的。一个完整的rs-232接口有22根线，采用标准的25芯插头座。我们在这里使用的是简化的9芯插头座db-9。其如下图： 图4-14 db-9表4-4符号名称引脚dcd接收信号载波检测1rxd数据接收线2txd数据发送线3dtrdte装置数据就绪4gnd公共地5dsrdce装置就绪6rts请求发送7cts清除发送8ri振铃指示9串行通讯电路图如下：图4-185串口通讯电路4.8系统的仿真设计因为光电传感器不好仿真，在这里我们采用555芯片构成一个施密特触发器，作为脉冲发生器。由光电传感器得到的脉冲由2,5脚输入，经3脚输出接到单片机的t1（p3.5）作为脉冲信号输入。经89c51编程处理后由p1口输出通过led数码管显示出其频率变化，脉冲频率的变化次数其实就是待测电机转速。仿真电路图如下：图4-196仿真设计图五、系统软件设计硬件电路完成以后，进行系统软件设计。首先要分析系统对软件的要求，然后进行软件的总体设计，包括程序的总体设计和对程序的模块化设计。按整体功能分为多个不同的模块，单独设计、编程、调试，然后将各个模块装配联调，组成完整的软件。根据设计的要求，单片机的任务是：内部进行计数，在计算出速度后进行显示。软件编程用c语言完成，需要掌握c语言，还要熟练at89c51单片机。从程序流程图、编写程序、编译，到最后的调试，是很复杂的。下面做简单介绍：系统软件主程序的功能是完成系统的初始化、显示程序。软件设计的思路为：因为光电传感器输出电压经放大整形后以为ttl电平，将其直接输入到单片机的t1脚，将t1脚作为计数器，计算脉冲频率的变换，将外部开关接到int0引脚，作为外部中断，t1为计数器，t0为定时器，采用工作方式1。此时给t0赋初值使其每次定时时间为0.05s，对t0中断的次数进行累加，当其达到20次对计数器实行中断，而此时计数器所计脉冲变化次数就是1s内电机产生的脉冲变化频率，将其值除以电机一转内脉冲变化的频率就是电机的转速。将此所计变化次数存储到寄存器中，当把按钮按上时，开始扫描信号，由于数码管一位一位的点亮，根据人眼的视觉停留时间合理设置延迟函数，从而将其在led上显示，并送往pc机。 程序流程框图如下：开始5.1主程序 声明变量与函数pb0=0noyes状态标志=0测量函数串行通讯函数数显示函数 状态标志=0？noyes图5-1 主程序流程图首先对函数声明变量，当按钮开关按下时，状态标志表示为0，表示处于测量阶段，此时串行函数通讯函数和显示函数处于关闭状态，而当计数器达到定时要求时，状态标志转化为1，此时测量函数中断，当按钮按下时，开始进入子程序进入显示和通信函数。5.2子程序 显示函数 测量函数 关闭显示器串行口禁止中断 扫描信号初始值 设置 timer启动 timer输出显示函数输出扫描信号下一个扫描信号延迟4ms 返回返回返回图5-2 测量程序流程图 图5-3 显示程序流程图 t-1s串行通讯函数重设定时值设置波特率与串行口mode220次？ no输入扫描先放入sbufyes重新计数状态标志=1关闭t0与t1读取计数值输入完成？noyes填入显示区清除ri标志，将sbuf输出清除t1标志t_1s 图5-4 t0中断子程序流程图 图5-5通信函数程序流程图根据流程图编写程序， 具体程序见附录3六、系统调试电路调试是整个系统功能否实现的关键步骤，我们将整个调试过程分为两部分：硬件调试、软件调试。6.1硬件调试主要是针对我的转速测量系统的单片机硬件电路分别进行调试。这一部分硬件调试主要分成两大块：上电前的调试和上电后的调试。上电前的调试在上电前，我们必须确保电路中不存在断路或短路情况，这一工作是整个调试工作的第一步，也是非常重要的一个步骤。在这部分调试中主要使用的工具是万用表，用来完成检测电路中是否存在断路或者短路情况等。上电后的调试在确保硬件电路正常，无异常情况(断路或短路)方可上电调试，上电调试的目的是检验电路是否接错，同时还要检验原理是否正确，在本次课程设计中，上电调试主要只转速测量系统的单片机控制部分、数码管点亮部分、和上位机通信是的电平转换和串口通信部分的硬件调试。1、单片机控制部分硬件调试：这一部分调试主要是检查时钟电路、复位电路是否接对，单片机的电源以及地是否接好，以及其他的一些管脚的接法。看单片机通电后能否可以正常工作等这一系列问题。2、数码管led电路调试：由于数码管采用的是动态扫描的方式点亮的。数码管的公共端（com）在外部电压的驱动下，连接单片机的p1口作为位选信号，字型是接在p2口，检查电路导通的情况下，查看数码管能否点亮。只需要接仿真机上编写一个小程序让4位led全亮，或者让它们其中的某位点亮，也可以显示不同的数字，根据要求给p1口，p2口分别赋值。即可检查数码管的硬件电路是否正确，即可判断显示驱动电路整个完整，首先排除这里的故障。3、发送部分硬件电路调试：这一部分电路硬件调试主要完成任务是使得通过max232电平转换器转换前后的电平关系。可以用示波器和万用表检查电平转换前后的关系.6.2软件调试主要在keil软件上进行，keil软件是目前最流行开发的51系列单片机的软件。keil提供了包括c编译器、宏汇编、连接器、库管理和一个功能强大的仿真调试器等在内的完整开发方案，通过一个集成开发环境将这些部分组合在一起。调试主要方法和技巧：通常一个调试程序应该具备至少四种性能：跟踪、断电、查看变量、更改数值。1.跟踪调试，调试应用程序所提供的重要性能也许就是跟踪应用程序。跟踪应用程序使用户能够在运行时，看到pc指针在应用源代码程序中的确切位置。2.断点调试，如果已知程序中某块代码实际运行正常的情况下，仍用跟踪调试方法，将大大浪费时间，而且很枯燥，因此调试中第二个重要工具是在源代码中预定处设置断点，大多数调试程序通过使用断点中止程序执行。3.查看变量，显然，通过一系列指令查看应用程序，了解导致某一错误的执行也是一种非常有效的方法。4.更改数值，如果用户在调试过程中了解到变量的内容（超值、未定义等）会对程序性能产生影响或引起异常时，立即更改变量的内容是很有效的方法，以确保该值在正确范围内不会产生错误。整个程序是一个主程序调用各个子程序实现功能的过程，要使主程序和整个程序都能平稳运行，各个模块的子程序的正确与平稳运行必不可少。所以在软件调试的最初阶段就是把程序模块进行分别调试。在硬件和软件单独调试成功后进行软硬件综合调试，它可以分成以下几个步骤：1. 使光电传感器有方波信号输出；2. 使单片机或得中断信号，计算出转速值并存储；3. 通过led数码管把测量的数据显示出来；4. 通过通信使得pc机与单片机之间的通信成功。六、总结本文介绍的是应用单片机系统在测量电机转速这一领域的应用，具有硬件电路简单，成本低廉、编程方便、通信可靠性高的特点，实现了单片机对电机转速的测量以及和pc通信的数据传输。可以对电机的转速的平稳性做分析。对于本次毕业设计感受颇多。总的来说是相当富有收获的，尽管其中充满了艰辛与困难。但看到自己的成果时，所有的艰辛与疲倦都抛到九霄云外，一种成就感在心头油然而生。不仅端正了自己学习的态度，锻炼了自己独立动手的能力。在实践中，也发现了自己的一些不足的地方，有待进一步提高与改善。整个毕业设计过程是对自己大学四年所学知识的