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） .pdf

中原工学院 2011 届毕业设计（论文）说明书 i 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，加全套图纸，加 153893706 中原工学院 2011 届毕业设计（论文）说明书 ii abstract 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. 中原工学院 2011 届毕业设计（论文）说明书 i 目录目录 一、概述 1 1.1 转速测量系统的发展背景及现状 1 1.2 本次毕业设计的意义 2 二、转速测量系统的原理 3 2.1 转速测量方法 3 2.2 转速测量原理 3 三、系统方案提出和论证 5 3.1 方案一采用霍尔传感器 5 3.2 方案二采用光电传感器 6 四、系统硬件设计 9 4.1 at89c51 单片机介绍 . 9 4.2 转速信号采集 12 4.3 转速信号处理电路设计 13 4.4 电压转换电路 13 4.5 最小系统的设计 14 4.5.3 外部中断电路 16 4.6 显示部分设计 17 4.7 串口通讯设计 19 4.8 系统的仿真设计 . 20 五、系统软件设计 22 5.1 主程序 23 5.2 子程序 24 六、系统调试 26 6.1 硬件调试 . 26 6.2 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. 错误！未定义书签。错误！未定义书签。 中原工学院 2011 届毕业设计（论文）说明书 1 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 中原工学院 2011 届毕业设计（论文）说明书 2 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。 图 1.1 设计内容框图 提 出 方 案 硬件设计 软件设计 时钟电路 复位电路 显示电路 发送电路 c 语言编程 中原工学院 2011 届毕业设计（论文）说明书 3 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m ，则被测信号 频率 f 可表示为 f=f /m 其中，f 为时钟脉冲信号频率。 （3）多周期测频法：在被测信号m 个周期内，计数时钟脉冲数m ，从而得 到被测信号频率 f，则 f 可表示为 f=f *m /m 其中，f 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。 中原工学院 2011 届毕业设计（论文）说明书 4 图 2.1 系统原理图 各部分模块的功能： 1 传感器：用来对信号的采样。 2 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。 3 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。 4 led 显示：用来对所测量到的转速进行显示。 中原工学院 2011 届毕业设计（论文）说明书 5 三、系统方案提出和论证三、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u 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。 中原工学院 2011 届毕业设计（论文）说明书 6 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， 中原工学院 按光电元件（光学测控系统） 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 法可分为透射（吸收）式，漫反射式 式是指恒光源发出的光投射到被测物上 上。在本设计中就是采用的漫反射式 转速变化引起光电标记相应变化 敏二极管是最常见的光电传感器 的管壳上开有一个嵌着玻璃的窗口 面积做得较大， 光敏二极管工作在反向偏置的工作状态下 当无光照时，它与普通二极管一样 流子被激发，产生电子-空穴， 子参与导电，形成比暗电流大得多的反相电流 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 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 电机通过联轴器驱动。转速信号有光电传感器拾取 电标记， 具体办法可以是： 将转子表面擦干净后用黑漆 再将一块反光材料贴在其上作为光电标记 收反射光端相对与光电标记的垂直线夹角相等 发出的光源为高靠性可见光， 不影响接收效果。光电头包含有前置电路 的相应管脚上，通过 8051 内部定时器 一个数字式转速测量系统。 图 3-3 测量系统的组成框图 中原工学院2011届毕业设计（论文）说明书 7 输出量性质可分为两类，即模拟式光电传感器和脉 模拟式光电传感器是将被测量转换成连续变化的光电 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 漫反射式，遮光式（光束阻挡）三大类。所谓漫反射 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 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 相应变化，从而使光电传感器的接收端产生波形信号 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， 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 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 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 ，称为光电载流子。在外电场的作用下，光电载流 形成比暗电流大得多的反相电流，该反向电流称为光电流。 于是就能得到随光照强度变化而变化的电信号 设计中要考虑到光电传感器对外光源的接收情况。 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 转速信号有光电传感器拾取，使用时应先在转子上做好光 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 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 无论黑夜还是白天，或是背景光强有大范围改变都 光电头包含有前置电路，输出 05v 的脉冲信号。接到 内部定时器/计数器 t0、t1 及相应的程序设计 测量系统的组成框图 即模拟式光电传感器和脉 模拟式光电传感器是将被测量转换成连续变化的光电 检测目标物体）方 所谓漫反射 再从被测物表面反射后投射到光电元件 光电传感器的发光端照射到光电标记处， 从而使光电传感器的接收端产生波形信号。光 只是它 pn 结的 并与负载电阻相串联， 当有光照时载 光电载流 光电流 于是就能得到随光照强度变化而变化的电信号。故在 转子由待测 使用时应先在转子上做好光 全部涂黑， 然后将光电传感器固定在光电头与接 光电头采用低功耗高亮度 led， 或是背景光强有大范围改变都 接到 8051 及相应的程序设计，组成 中原工学院 2011 届毕业设计（论文）说明书 8 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。 中原工学院 2011 届毕业设计（论文）说明书 9 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： 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， cpu 执行单 元 复位电路 时钟电路 显示电路 发送电路 中原工学院 2011 届毕业设计（论文）说明书 10 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 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 2.at89c51 单片机的引脚图如下所示。 中原工学院 2011 届毕业设计（论文）说明书 11 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。 中原工学院 2011 届毕业设计（论文）说明书 12 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s （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。 中原工学院 2011 届毕业设计（论文）说明书 13 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i /i =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： 中原工学院 2011 届毕业设计（论文）说明书 14 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=12v 4.5 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。 中原工学院 1 复位功能 复位电路的基本功能是： 撤销复位信号。为可靠起见， 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 通过一个施密特触发器与复位电路相连 在每个机器周期的 s5p2，有复位电路采样一次 复位电路有两种接法：上电 而本设计采用的是上电时实现复位 图 4-8 左为上电复位 2 复位状态 复位是单片机系统的初始化操作 中原工学院2011届毕业设计（论文）说明书 15 图 4-7 at89c51 的复位电路 系统上电时提供复位信号，直至系统电源稳定后 电源稳定后还要经过一定的延时才撤销复位信号 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 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 有复位电路采样一次。以得到内部复位操作信号 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。 左为上电复位，右为按键复位 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 直至系统电源稳定后， 电源稳定后还要经过一定的延时才撤销复位信号， 片内复位电路是复位引脚 rst 它的输出 以得到内部复位操作信号。 和按键复位电路。 0000h，使 中原工学院 2011 届毕业设计（论文）说明书 16 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 中原工学院 2011 届毕业设计（论文）说明书 17 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。 中原工学院 2011 届毕业设计（论文）说明书 18 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 （d ）gfedcba 十六进位 0 00111111 0x3f 1 00000110 0x06 2 01011011 0x5b 中原工学院 3 01001111 4 01100110 5 01101101 6 00111100 7 00000111 8 01111111 9 01100111 共阳极七段led数码管的驱动信号与共阴极七段 反相，本次设计采用的是共阳极数码管动态显示 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 路中要考虑到单片机的发送部分 是一种可长距离传输的串行通信方式 串行总线标准， 也是目前最常用的串行接口标准 计算机与外设之间的数据通信 距离不大于 15m， 传送速率最大为 中原工学院2011届毕业设计（论文）说明书 19 01001111 0x4f 01100110 0x66 01101101 0x6d 00111100 0x3c 00000111 0x07 01111111 0x7f 01100111 0x37 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 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 要使单片机测量的转速能够向上位机发送数据， 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。 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 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 传送速率最大为 20kbps。 rs-232 协议以-5v15v 表示逻辑 数码管的驱动信号刚好 硬件电 rs-232 是美国电子工业协会正式公布的 用来实现计算机与计算机之间、 设备之间的通讯 表示逻辑 1； 中原工学院 2011 届毕业设计（论文）说明书 20 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 1 rxd 数据接收线 2 txd 数据发送线 3 dtr dte 装置数据就绪 4 gnd 公共地 5 dsr dce 装置就绪 6 rts 请求发送 7 cts 清除发送 8 ri 振铃指示 9 串行通讯电路图如下： 图 4- 185 串口通讯电路 中原工学院 4.8 系统的仿真设计 因为光电传感器不好仿真 作为脉冲发生器。由光电传感器得到的脉冲由 机的 t1（p3.5）作为脉冲信号输入 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 路图如下： 中原工学院2011届毕业设计（论文）说明书 21 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 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 作为脉冲信号输入。经 89c51 编程处理后由 p1 口输出通过 脉冲频率的变化次数其实就是待测电机转速。 图 4- 196 仿真设计图 芯片构成一个施密特触发器， 脚输出接到单片 口输出通过 led 仿真电 中原工学院 2011 届毕业设计（论文）说明书 22 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： 中原工学院 2011 届毕业设计（论文）说明书 23 5.1 主程序 no yes no yes 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。 pb0=0 显示函数 状态标志=0？ 状态标志=0 测量函数 串行通讯函数数 开始 声明变量与函数 中原工学院 2011 届毕业设计（论文）说明书 24 5.2 子程序 图 5- 2 测量程序流程图 图 5- 3 显示程序流程图 测量函数 关闭显示器串行口 禁止中断 设置 timer 启动 timer 返回 显示函数 扫描信号初始值 输出显示函数 输出扫描信号 下一个扫描信号 延迟 4ms 返回 中原工学院 2011 届毕业设计（论文）说明书 25 no yes no yes 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 t- 1s 重设定时值 20 次？ 重新计数 状态标志=1 关闭 t0 与 t1 读取计数值 填入显示区 t_1s 串行通讯 函数 设置波特率 与 串 行 口 mode2 输入扫描先 放入 sbuf 输 入 完 成？ 清除 t1 标志 清除 ri 标志， 将 sbuf 输出 中原工学院 2011 届毕业设计（论文）说明书 26 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 中原工学院 2011 届毕业设计（论文）说明书 27 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