基于AT89C52单片机的转速测控系统设计VIP

中文摘要 I 摘 要 本文是基于 AT89C52 单片机的转速测控系统设计，本文主要研究对伺服 电机的转速进行测量、显示、控制等。 本设计利用单片机实现对伺服电机转速进行测量和控制的系统。该系统采 用编码器把转速采集并采用脉冲的形式输出，并由单片机进行脉冲的采集，同 时显示在 LCD 上；并通过键盘进行伺服电机的速度控制，使其转速达到预期 的值。文中首先阐述了构成该系统的原理、硬件的实现方法，在该系统中对转 速的脉冲信号测量和对伺服电机的转速控制方面是此次设计的重点。其次，在 软件设计部分，此系统包含系统初始化程序的设计、数据接收和处理程序的设 计、显示程序的设计、速度控制几个模块。最终，给出各部分的原理框图、电 路图及单片机的程序流程图，并编出其具体的程序。 总之，本课题完成了硬件和软件系统的设计，实现了转速测控系统的设计， 转速计算、显示功能，同时实现键盘进行转速的控制，完成了设计的要求。 关键词：单片机，LCD，转速测控，编码器，伺服电机 Abstract II Abstract This article is Based on AT89C52 speed measurement and control system design, this study to measure the speed of the servo motor show control. This design uses the MCU on the motor speed measurement and control system. The system uses the speed of collection and output in the form of the pulse the pulse acquisition by the MCU encoder, at the same time displayed on the LCD; servo motor speed control via the keyboard, and speed to achieve the desired value. Constitute the principle of the system, first described the hardware implementation, the speed pulse signal in the system measurement and servo motor speed control is the focus of the design19. Secondly, in the software design section, this system includes the design of the system initialization procedure, data receiving and processing procedures are designed to display the program design, speed control of several modules20. Ultimately, given the various parts of the block diagram, schematic, and micro- controller programming flowcharts, and compile their specific program. In short, the subject has completed the design of hardware and software systems to achieve the speed control system design, speed calculation, display, keyboard speed control, complete design requirements. Keywords： micro-controller，LCD，speed monitoring and control，encoder，servo mo 目 录 III 目 录 摘 要I Abstract.II 目 录 .III 第一章 绪论 .1 1.1 课题研究的目的和意义 .1 1.2 转速测控在国内外的研究 .1 1.3 主要内容 .2 第二章 转速测控系统的总体方案.3 2.1 转速测控的一般方法 .3 2.2 硬件设计总体方案 .5 2.3 软件设计思路 .6 第三章 系统硬件设计 .7 3.1 转速测量原理分析 .7 3.1.1 测频法7 3.1.2 测周期法8 3.1.3 测频测周法8 3.1.4 系统中转速测量应用的方法9 3.2 编码器的简介.10 3.3 转速控制原理.12 3.4 单片机及其接口的设计.16 3.4.1 AT89C52 单片机的简介16 3.4.2 复位电路 .18 3.4.3 时钟电路 .19 3.4.4 显示电路 .20 3.4.5 键盘电路 .24 3.4.6 报警电路 .25 3.4.7 USB 通信电路 26 目 录 IV 第四章 系统软件设计.27 4.1 单片机转速测控程序设计思路及过程.27 4.2 子程序设计.28 4.2.1 初始化子程序 .28 4.2.2 中断服务程序 .29 4.2.3 LCD 显示子程序 31 4.2.4 键盘扫描程序 .32 4.2.5 报警程序 .33 4.2.6 转速控制程序 .34 4.2.7 USB 通信程序 35 结 论.36 参考文献.37 致 谢.38 附录一.39 第一章 绪论 - 1 - 第一章 绪论 1.1 课题研究的目的和意义 转速作为工程中的一个重要的参数，实现对其的测量和控制在现实的工业 生产应用中具有非常重要的价值。随着超大规模的集成电路技术的提高，特别 是单片机功能强大、价格便宜，加上单片机具有处理脉冲数字信号的强大功能， 使得转速测量向着全数字化的方向发展，并在实际的应用中越来越普及。随着 全数字化技术的发展，在测量范围和测量精度以及控制方面都有极大的提高1。 使单片机在工程中的应用受到企业用户的青睐。伺服电机作为应用广泛的控制 电机，具有高精度，高稳定性，高灵敏度的显著特点，实现对其的转速测量和 控制具有很重要的现实意义。 本课题的目的是：对伺服电机的转速测量和控制的基本方法和原理进行分 析，并以单片机为中心，设计出伺服电机的转速测控系统，并根据实际的硬件 电路，对系统的工作原理和软件的实现过程进行分析，并根据实验情况分析并 修改方案、解决问题。设计出具有实际应用价值的转速测控系统。 这次设计的内容包含全面，不仅包含对转速测速的不同方法以及原理设计 的许多介绍，而且包含转速控制方面的具体介绍。实现对伺服电机的认识，并 对转速的测量和控制有了进一步的学习和研究。进一步锻炼我们在信号采集， 处理，显示以及控制方面的实际工作能力。总之，本次设计实现的对伺服电机 的转速进行测量和控制具有重要的使用价值。 1.2 转速测控在国内外的研究 现如今，自动化控制系统已经在各行各业得到了广泛的应用和发展，电机 特别是伺服电机在工业中有举足轻重的地位。由此对电机转速的测量和控制也 有着重要的意义。 目前国内外测量转速的方法有很多，不同的测量方法对应的使用条件和测 量的精度各你相同。根据工作方式的不同我们可以大体分为两大类：接触式转 第一章 绪论 - 2 - 速测量与非接触式转速测量。接触式在安装和使用时要与被测转轴直接相接触， 如测速发电机等；非接触式在安装和使用的时候不需要与被测转轴直接接触， 如光电式等3。 伺服电机作为各行各业中应用广泛的高精度、高灵敏度的控制电机，其市 场需求将稳步增长，特别现代交流伺服系统，经历了从模拟到数字化的转变， 数字控制环已经无处不在，比如换相、电流、速度和位置控制2。随着系统功 率驱动装置中电力电子器件不断向高频化发展和微处理器嵌入式平台技术的成 熟，伺服电机向高精度、高灵敏度、智能化、模块化、通用化发展，伺服电机 的控制也有了新的发展。 总之，随着科学技术的迅速发展，测量器件的高灵敏和高精度以及伺服电 机的发展，转速的测量和控制被广泛应用于各行业。具有广泛的应用和发展前 景。 1.3 主要内容 1.详细分析转速的测量方法和理论，对于转速的测量的各方法进行阐述的 和比较，包括周期法，频率法等； 2.详细分析伺服电机控制的方法和理论，对于伺服电机的不同控制模式下 的控制方式进行阐述和分析。 3.根据单片机的硬件电路，设计系统功能流程图，实现单片机的硬件功能， 完成对伺服电机的转速的测量、控制、显示等功能。 4.对单片机各单元电路进行编程调试，并进行单元电路的汇总和程序的拼 接，实现其总体功能。 第二章 转速测控系统的总体方案 - 3 - 第二章 转速测控系统的总体方案 2.1 转速测控的一般方法1 一般伺服电机的转速测控系统有以下几个部分构成，转速测控框图如图 2- 1 所示： 伺服电 机电机 转速测 量 单 片 机 显示电 路 转速控 制 键盘控 制 图 2.1 一般转速测控框图 1.转速测量 转速测量就是通过一定的方式将转速的非电量的转速信号转换成单片机能 够测量和处理的电量信号。这一测量过程可以通过以下方式实现： (1) 敏感元件的转速测量5 采用敏感元件进行转速的测量，由于元件体积小，并可以根据不同的环境 和用户的要求做成不同的形状，将转速转换成能被测的物理量如电流、电压等 参数。但是一般这种设计方法难度比较大，而且信号的稳定性比较差，由此可 第二章 转速测控系统的总体方案 - 4 - 知在单片机这样的模拟处理系统中不宜采用。 (2) 传感器的转速测量4 利用转速传感器将转速信号转换成电量信号，该电量可以是模拟量也可以 是数字量，伴随着科技的发展，现代传感器还可以输出开关电量，然后由单片 机对信号进行处理。 (3) 编码器的转速测量5 利用绝对式或者相对式的编码器将转速转换成脉冲信号。利于单片机的脉 冲计数，能够实现转速的高精度的测量，编码器抗干扰能力强，更适合于工业 中的使用。 2单片机 单片机作为本次毕业设计整个系统的主要核心部分，实现的功能是对所测 得的脉冲信号进行处理、计算和中断服务程序的功能(包含着定时器中断和计数 器中断)，其次，还要将测得的转速值进行计算，将转速值进行实时显示，与此 同时单片机还要实现对电机转速的控制的作用。作为本次设计的核心器件单片 机具有非常重要的作用。 3.显示电路 本设计要实现对转速的显示，有两种基本的方法，一种是 LED 数码管的显 示，另一种是 LCD 液晶的显示。 LED 数码管显示电路具有高亮度、高性能、价格便宜的特点，有共阴极和 共阳极两种驱动方式。LED 应用领域广泛。 LCD 液晶显示相对于 LED 来说功能上更加丰富，具有丰富的字符库，显 示程序简单易于操作。具有广泛的现实实用价值。 4.转速控制 本设计实现的是对伺服电机转速控制，伺服电机有三种控制模式：位置控 制，转矩控制，转速控制三种模式。对转速的控制有三种方法： (1) 在位置控制模式下，通过向伺服驱动器发送脉冲实现对电机的位置的 第二章 转速测控系统的总体方案 - 5 - 控制，也就可以实现对伺服电机的脉冲控制转速。 (2) 在转速控制模式下，通过模拟模拟速度指令（0-10V DC）可对伺服电 机的速度进行控制。 (3)在转速控制模式下，通过参数设置的内部设定（最大 7 速）对伺服电机 的速度进行控制。 2.2 硬件设计总体方案 根据设计课题的任务，设计出总体的方案，在系统工作原理的基础上设计 出系统的原理框图、电路原理图。系统的流程框图如图 2.2 所示： 复位电路 伺服电机编码器 光电 耦合 单 片 机 LCD 显示 报警电路 键盘输入 USB 接口 上 位 机 伺服驱动 器 光电 耦合 图 2.2 系统流程框图 第二章 转速测控系统的总体方案 - 6 - 系统的可行性分析：如流程框图所示，通过编码器将伺服电机的转速转换 成脉冲信号，通过光耦与单片机相连接，由单片机对脉冲进行计数处理，并将 转速值显示在 LCD 上；与此同时，通过设定伺服驱动器的内部速度指令，由 键盘输入来实现伺服电机的转速控制；并通过 USB 与上位机进行通信；当转速 值不复合设定值的时候进行报警。 2.3 软件设计思路 根据设计要求可知要实现对伺服电机的转速的测量和控制。根据系统的硬 件设计总体方案，软件设计的目的就是实现硬件的功能。因此，软件设计的软 件要完成对系统的中断服务程序的定义和完成，既要完成利用定时器中断来完 成对测频法时间的精确定义，也要完成计数器中断的功能。在实现测量转速数 值基础上要实现对转速值的显示，并对当前转速值进行实时的监控。与此同时 完成伺服电机的转速控制。 软件设计的流程：利用编码器将转速信号转换成单片机可以处理的脉冲信 号，通过单片机内部计数器(P3.2 口)进行脉冲的计数，然后利用单片机定时器 实现频率的测速法。利用单片机对 LCD 的写命令和写数据将转速显示在 LCD 上。然后通过键盘设定伺服电机的转速，根据键扫描调节伺服电机的转速。实 现伺服电机的转速的测控设计。 第三章 系统硬件设计 - 7 - 第三章 系统硬件设计 3.1 转速测量原理分析1 3.1.1 测频法 在时间 T 内，测量编码器或者转速传感器产生的脉冲数 m1 来测量转速， 如图 3.1 所示，假设测量设备在时间 T 内，转轴转过的弧度为 X，则转速 n 可 表示为1： (3-1) 60 2 X n T 转轴转过的弧度数 X 可表示为 (3-2) 12 m X P 图 3.1 测频法测量转速脉冲 根据上面两个公式，我们可以推出下来转速的表达公式： （3-3） 160m n TP 在测频法中，由于时间 T 和转速脉冲信号不能保持严格的同步，还有就是 在 T 内不能确定测量外部脉冲是完整的周期，因此在测量中可能会产生一定的 量化误差。要提高测量的精度，要保证 T 有足够长的时间。如果时间太长，虽 然可以提高精度，但在转速较快的情况下，脉冲个数太多，超过了单片机的脉 第三章 系统硬件设计 - 8 - 冲计数量程（65536） 。所以时间 T 的选择要适中。 3.1.2 测周期法 根据测周期法我们可以用两脉冲产生的间隔宽度 TP 来决定转速。如图 3.2 所示。通过定时器对脉冲进行计数定时，在 TP 的时间内计数值为 m2，其中 fc 为脉冲时基，则计算公式为2： （3-4） 60 P n PT 即： （3-5） 图 3.2 测周期法脉宽测量 由测周期法脉宽测量法的应用可知，由于定时器的脉冲和由编码器发出的 计数脉冲开始不严格同步，造成实际的测量会有一定测量误差。因此我们在实 际的测量的时候要严格的控制定时器和计数器的开启同步和关闭同步。测周法 适合于低速时对转速进行测量，随着转速的增加，会出现一定的量化误差。 3.1.3 测频测周法2 所谓测频测周法，即是综合了测频法和测周期法两种方法，不仅对高转速 具有较高的精度，而且对低转速也具有较高的精度，兼具两者的有点，使得测 量精度有所提高，如图 3.3 测频侧周法定时/计数测量所示。 在测频测周法中为了提高测量的准确性，我们要同时对输入脉冲、高频脉 冲（由振荡器产生） 、及预设的定时时间进行定时和计数，在这里我们采用三 个定时/计数器，其中 m1 表示反映转角，m2 表示反映测速的准确时间，通过 第三章 系统硬件设计 - 9 - 计算可得转速值 n。因为兼具两法的有点，无论在高速还是低速都具有较高的 测量精度。在这种测量方法中我们利用脉冲发生器来同步系统的测量开启和关 闭。如下图测量脉冲图所示，从脉冲发生器开启（即 a 点）开始，单片机利用 内部的计数器对两个脉冲（m1 和 m2）进行计数。当到达单片机内部定时器设 定的时间（即 b 点）时，单片机发出系统停止计数的指令，可能定时器设定的 时间不是整数个脉冲周期，此时单片机仍然对脉冲进行计数，到此个周期完成 （即 c 点）时，计数器停止计时。这样，m2 代表着整数个脉冲（即 m1 个）的 时间。 测频测周法综合了以上两种方法，因此转速计算也要结合两种方法进行计 算，计算过程如下： 设 fc 为高频脉冲下的频率，测量设备旋转一周发出的脉冲数为 P，由式 （3-2）和（3-5）可得此法转速计算公式为： (3-6) 图 3.3 测频测周法定时/计数测量 3.1.4 系统中转速测量应用的方法 由上述三种转速测量方法的分析可知，测频法适合用于高速测量，转速过 低的时候产生的误差会更大些。测周期法适合用于低速测量，随着转速的增加， 测量精度会变差。测频测周法综合了前两种方法的优点，适合于各种转速下的 第三章 系统硬件设计 - 10 - 测量。本次设计由于对测量精度要求不是很严格，并且测频率法测量速度，电 路和程序均较为简单，且可以在一定的条件下满足精度的要求，所以本设计中 采用测频率法进行测量。 3.2 编码器的简介 编码器的功能是将转速转换成脉冲信号，从而用测频率法测伺服电机的转 速。编码器是将非电量信号进行编制、转换，转换成可以进行应用的电量信号 的设备6。按照编码器安装方式可以分为接触式和非接触式两种7按照工作 原理编码器可分为增量式和绝对式两类。 1、增量式编码器是通过编码器将转速信号转换成周期电量信号，然后再 将其转换成单片机能处理的脉冲信号7。 2、绝对式编码器是指在编码器中的码盘设定了每个对应位置的数字码， 读出的数码值就代表着所处的位置。本次设计采用 KOYO TRD-J 系列的编码器 6。 表 3.1 光洋编码器类型 由表 3.1 可以看出 TRD-J 系列的编码器。本次设计采用 TRD-J-S 系列的编 码器，具体型号为 TRD-J100-S。 第三章 系统硬件设计 - 11 - 图 3.4 编码器插座阵配置图 本次设计采用 TRD-J-S 系列的编码器。这系列编码器是一相输出的编码器， 更利于单片机对脉冲信号的处理。其插座针配置图如图 3.4 所示由上到下依次 为 outA,B C 都不接，D 接电源，E 接 0V，F 不接。 TRDJS 系列的编码器为推拉输出，其输出电路为图 3.5 所示： 图 3.5 输出电路 图 3.6 输出波形 电源为 4.7530VDC，流出的最大电流为 10mA，流入的最大电流为 30mA。 其输出波形为图 3.6 所示。 本次设计采用 TRD-J100-S 增量型旋转编码器。此种编码器每转一圈输出 100 个脉冲，利用单片机计数器 0 进行脉冲计数，通过单片机的内部定时器进 行精确的时间设定进行测频法测量转速。如图 3.7,为了防止干扰信号，连接一 个光耦在编码器信号输出和单片机之间，起到隔离作用。 第三章 系统硬件设计 - 12 - 图 3.7 脉冲输入连接图 3.3 转速控制原理 伺服电机作为工业自动化控制中应用广泛的控制电机，实现对其转速的控 制有着重要的意义。伴随着伺服驱动器的发展，伺服电机向着高精度、高灵敏 度、智能化、模块化、通用化发展。本次采用三菱的 MR-J2S-100A 系列的伺服。 伺服电机有三种控制模式：位置控制模式，转矩控制模式，转速控制模式 9。 位置控制模式： 可以通过高频的脉冲来控制电机的转速，同时也可以控制电机的方向。位 置控制的分辨率 131072 脉冲/转8。 速度控制模式 通过模拟的速度指令和设置内部参数来实现对伺服电机的转速的高精度控 制。以通过 0v 直流模拟量来改变电机的转速，10v 对应着伺服电机的最大转速。 同时也可以通过伺服电机的内部速度参数指令来设定其转速，再利用 PLC 或单 片机来选择伺服电机对应的转速值10。 转矩控制模式 第三章 系统硬件设计 - 13 - 同速度控制模式的选择控制方式一样，也可以通过模拟量和内部参数的设 定来实现对伺服电机的转矩进行控制。方法同速度控制9。 要实现对伺服电机的控制，有三种方法可以实现： 1. 在转速控制模式下，通过（0-10V DC）的模拟量指令来实现对伺服电 机的速度控制。 2. 在转速控制模式下，通过参数设置的内部设定（最大 7 速）然后利用 单片机来对伺服电机的速度进行控制。 3. 在位置控制模式下通过脉冲和内部设定的电子齿轮进行速度的精确控 制。 本次设计是基于自动切砖机的控制上，综合考虑系统的简单、易控等方面 因素。采用第二种方法实现对伺服电机转速的控制。 第三章 系统硬件设计 - 14 - 图 3.8 伺服硬件连接图 如图 3.8 所示即为伺服电机的硬件连接电路图。 表 3.2 速度选择 如表 3.2 所示要实现七段速控制，要让速度选择SP3 有效。 表 3.3 针脚定义 第三章 系统硬件设计 - 15 - 我们需要设定参数 NO.43NO.48 来选定 SP3 有效。我们将 NO.48 设 定为 00A0。同时在速度控制模式下我们还需要设定其他一些参数，还要设 定内部速度指令的数值。 NO.19 设定为 000E。 NO.0 因为速度模式，将参数设定为 0002 NO.1 用于选择输入信号滤波器、CN1B-19 针脚的功能和选择绝对位置系 统。设定为 0012。 NO.2 用于设定自动调整的时间，设定为 0105. N0.8 内部速度指令 1，设定为 0000r/min. NO.9 内部速度指令 2，设定为 500r/min. NO.10 内部速度指令 3，设定为 1000r/min. NO.72 内部速度指令 4，设定为 1500r/min. NO.73 内部速度指令 5，设定为 2000r/min. NO.74 内部速度指令 6，设定为 2500r/min. 第三章 系统硬件设计 - 16 - NO.75 内部速度指令 7，设定为 3000r/min. 3.4 单片机及其接口的设计 3.4.1 AT89C52单片机的简介11 这次毕业设计采用的是 AT89C52，是一款高性能 8 位单片机，它是由美国 ATMEL 公司采用可靠的 CMOS 工艺技术生产制造的11。 它不仅利用了 CMOS 的 高速和高密度技术，而且兼具了 CMOS 的低功耗特点，它以标准的 MCS-51 单 片机体系结构和指令系统为基础，因此可以说它是 89 C51 增强型的单片机版 本。它不仅集成了时钟输出，而且具有向上或向下计数器等更多的功能，适合 在类似马达控制等应用的场合进行应用。 AT89 C52 中内置了一些重要的组成 部分，例如它拥有一个八位的中央处理单元，它内部的数据存储器 RAM 的大小 为 256 字节，内部的程序存储器 ROM 的大小为 8 k，具有的 32 个输入/输出口 （ I/ O 口）是双向的，16 位的定时/计数器有三个，两级中断的结构有五个， 还有一个全双工的能够串行的通信的端口。除此之外，AT89C52 还具有低功耗 的模式11。低功耗的模式又被分为空闲模式还有掉电模式两种，这两种模式可 以使用两种软件进行选择。当单片机处于空闲模式的状态下时，CPU 将会被冻 结，但是会继续维持 RAM 定时器、串行口和中断系统的功能。当处于掉电模式 时，RAM 中存储的数据会被保存下来，这时会停止时钟振荡，同时单片机内其 第三章 系统硬件设计 - 17 - 余的功能会停止。 图 3.9 单片机针脚图 管脚说明11： 1.VCC：电源电压输入引脚； 2.GND：电源地； 3.P0 口：是一个 8 位的 I/O 口，是属于漏极开路的端口。在编写程序的时 候，我们可以利用这一端口来接收指令代码。同时，在程序校验的时候也能够 起到传输指令字节的作用。在使用片外存储器或外扩 I/O 口的时候，不仅可以 作为数据线还可以复用为地址线。P0 口可以加上上拉电阻来作为通用 I/O 口使 用。P0 口同时可以启动 8 个 TTL 负载。 4.P1 口：与 P0 口不同，P1 口自身含有上拉电阻，即这一端口即为准双向 口。在用作编程和程序的校验时，这一端口起着接收地址（低 8 位）的作用。 这一输入过程锁存器必须置 1。P1 口也具有启动 4 个 TTL 负载 5.P2 口：同 P1 口一样也是自身含有上拉电阻，是一个准双向的 I/O 口。 P2 口也可以作为通用 I/O 口使用，在作输入使用时必须让输出锁存器置 1。在 程序的编程和程序的校验过程，可以接收高字节的地址，还有就是接收一些控 制信号。使用外扩 I/O 口或者外存储器时，可以输出高 8 位的地址。P2 口也具 有启动 4 个 TTL 负载的功能。 6.P3 口：同口，P3 口也是自身含有上拉电阻，是一个准双向的 I/O 口。基 本管脚功能和 P1、P2 相同。同时，这一端口提供第二功能。 第三章 系统硬件设计 - 18 - P3 口也可作为 AT89C52 的一些特殊功能口，如下表 3.4 所示： 表 3.4 P3 口的第二功能 7.RST：上电复位端。当有保持两个机器周期的高电平输入的时候，单片 机系统就可以进行复位。 8.ALE/PROG：其中 ALE 是低字节地址锁存信号端。在程序扩展时，P0 口 输出的低 8 位地址字节被 ALE 的下降沿锁存在片外接的地址锁存器里，由这个 过程来完成地址和数据的分时传送。同时可以作为外部的定时脉冲，这时 ALE 端必须输出持续的正向脉冲。在编程时，这一端口也起着输入编程脉冲的作用。 9./PSEN：这一端口为外部程序存储器的片选端口。当单片机在访问外部的 RAM 的时候，这一端口是无效的。当为低电平的时候，单片机选通外部程序 存储器，并将其内容送到 P0 口。 10./EA/VPP：其中/EA 是外部程序存储器访问权限开关。当为低电平的时 候，只可以访问 0000H-FFFFH 的外部存储器。当为高电平的时候，既可以访 问内部的存储器，同时也可以进行读操作外部的存储器。 11.XTAL1 和 XTAL2：是单片机最小系统时钟电路的连接端口，用于系统 的起振。 12.P3.0：RXD，串行数据的接收。 第三章 系统硬件设计 - 19 - 13.P3.1：TXD，串行数据的发送。 3.4.2 复位电路 单片机系统在启动运行之前都需要复位，使 MCU 和其他部件都处于一个 已设定好的初始状态，并从这个状态开始工作12。 复位电路在单片机上电或复位过程中，让 MCU 保持复位状态，不是一上 电或者一复位就开始工作，可以有效的防止 CPU 发出错误的指令、执行错误的 操作，同时也提高了系统的电磁兼容的性能。 89 系列单片机是通过 RST 引脚与复位按钮相连接，将按键的的复位信号 从 RST 引脚输入到芯片内的施密特触发器。如果复位按钮给 RST 引脚触发一 个保持 2 个机器周期以上的高电平，单片机系统即可完成复位操作13。 本设计采用手动按钮复位的方法。电路图如 3.10 所示： 图 3.10 复位电路 如上图的复位电路所示，当单片机需要复位时，只要按下手动复位按钮， 单片机的 RST 接通高电平 Vcc，即可完成复位功能。 3.4.3 时钟电路14 时钟电路起着控制 MCU 工作节奏的作用，可以说是计算机的心脏。单片 机的时钟电路分为：内部时钟方式和外部时钟方式。在单片机的最小系统中最 常用的是内部时钟方式。MCS-51 单片机允许的振荡晶体可在 1.224MHz 之间 第三章 系统硬件设计 - 20 - 选择，典型值是 12MHz。作为晶振的辅助器件，电容的选择也至关重要的作用， 电容的大小会影响到晶振的频率的高低、振荡器的稳定性和起振的速度。可在 20100pF 之间选择，典型值为 30pF。时钟电路要与单片机的 XTAL1 和 XTAL2 相连接。晶振的频率越高，时钟频率越高，单片机运行的速度也就越快。 综上考虑，本次毕业设计采用 30pF 的电容，晶振采用 12MHz。电路图如下图 所示： 图 3.11 时钟电路图 3.4.4 显示电路 显示电路采用 LCD1602 液晶显示，1602 是一种专门用来显示字母、数字、 符号等的点阵型液晶模块，它属于工业字符型液晶，能够同时显示 16x02 即 32 个字符15。 图 3.12 1602 液晶的正面 LCD1602 的引脚功能如下表所示： 表 3.5 LCD1602 针脚功能图 第三章 系统硬件设计 - 21 - LCD1602 的特性 1. +5V 电压供电，液晶显示的对比度可以手动调节。 2.液晶内含复位电路。 3.液晶 LCD 有丰富的控制命令,如：清屏、字符闪烁、光标闪烁、显示移 位等多种功能 4.有 80 字节显示数据存储器 DDRAM 5.内建有 192 个 5X7 点阵的字型的字符发生器 CGROM 6.功耗低、体积小、具有丰富的显示内容 基本操作时序： 1 读状态：输入：RS=L,RW=H,E=H输出：D0-D7=状态字 2 写指令：输入：RS=L,RW=L, D0-D7=指令码，E=高脉冲 输出：无 3 读数据：输入：RS=H,RW=H,E=H输出：D0-D7=数据 4 写数据：输入：RS=H,RW=L, D0-D7=数据，E=高脉冲 输出：无 初始化设置：对 LCD 初始化的设置包含着对显示模式设置和显示光的设 置。 显示模式设置 表 3.6 显示模式设置 第三章 系统硬件设计 - 22 - 表 3.7 显示开/关及光标设置 数据控制 控制器内部设有一个数据地址指针，用户可通过它们来访问内部 80 字节 RAM。 表 3.8 数据指针设置 表 3.9 其他设置 读操作时序 图 3.13 读操作时序图 第三章 系统硬件设计 - 23 - 写操作时序 图 3.14 写操作时序图 液晶具有显示内容丰富的特点，表3.10 是 1602 字符库的字符内容。 表 3.10 1602 字符库 第三章 系统硬件设计 - 24 - 图 3.15 LCD 电路图 3.4.5 键盘电路 本次设计要实现对转速的控制，我们将采用键盘来通过单片机进行对伺服 电机的转速进行控制。键盘分为：独立键盘和矩阵键盘16。独立键盘适用于按 键较少的系统，独立式键盘是直接用一个 I/O 口线来构成单独的一个按键电路。 每个按键独自占用一个 I/O 口，且每个按钮工作时候不影响其他的 I/O 的操作 12。 图 3.16 独立键盘电路图 第三章 系统硬件设计 - 25 - 在需要按键较多的场合，为了减少 I/O 的占用，来节约硬件资源，我们通 常采用矩阵键盘来实现。如图 3.17 所示每个水平和垂直的交叉处不直接连接， 而是采用一个按键来连接的。当键盘扫面后读出 P1 口的状态值的时候，我们 就可以计算出键值。采用矩阵式的键盘我们可以节省单片机的 I/O 端口，如果 采用独立键盘的话 P1 口只能有 8 个按键，而采用矩阵式我们可以有 16 个按键， 相比可以多出一倍。由以上我们可以知道，我们采用矩阵键盘更适合。 矩阵键盘的接口电路如下图 3.17 所示： 图 3.17 矩阵键盘电路图 综上两种键盘输入方法，由于本设计中需要按键较多，采用矩阵式键盘更 为合理。 3.4.6 报警电路 在转速不符合转速要求的时候要及时进行报警，并做出相应的处理。报警 电路具有很重要的作用，能及时让工作人员知道并进行相应的操作18。 伺服驱动器具有过流、再生制动过压、过载、伺服电机过热、编码器异常、 再生制动异常、欠压、超速等的保护措施。当电机出现堵转或者是转速过高的 第三章 系统硬件设计 - 26 - 时候，伺服驱动器会做出相应的措施来保护电机设备8。 。 图 3.18 报警电路图 3.4.7 USB通信电路 本毕业设计要实现与上位机的数据通信，并且要用 USB 来实现。我们可 以采用 CH375 来实现与上位机的 USB 通信的功能。但是考虑到本次应用的单 片机的 I/O 有限，我们可以采用串口通信，然后利用 USB 转接线，将信号从串 口传输给单片机17。如下图 3.19 所示即为串口通信硬件电路图。 第三章 系统硬件设计 - 27 - 图 3.19 串行通信电路图 第四章 系统软件设计 本章主要阐述转速测控系统的 C 程序设计和软件设计。主要解决单片机的 中断程序，显示部分，控制部分的程序设计。 第三章 系统硬件设计 - 28 - 4.1 单片机转速测控程序设计思路及过程 初始化 开始 设定？ 转速设定 转速测量 显示程序 报警？ 报警程序 返回 N Y Y N 如上图所示为单片机转速测控的主程序流程图，包含初始化子程序、显示 子程序、键盘扫描子程序等若干模块。主程序的功能就是调用各子程序实现转 速的测控系统的功能。 第三章 系统硬件设计 - 29 - 4.2 子程序设计 4.2.1 初始化子程序 开始 变量归零 LCD 初始化 TMOD 设定 开中断 返回 在程序运行的开始要进行初始化操作，将各定义的变量、标志位置初值。 当程序运行时候使单片机运行于已设置的状态下。初始化程序包含着变量、中 断计时器计数器的赋初值等。 4.2.2 中断服务程序 在处于中断服务程序阶段，首先进行关中断设置。其次是进行对 INTO 位 第三章 系统硬件设计 - 30 - 进行的脉冲计数的数值读取，再对 INT0，T0 进行赋初值并且进行关中断设置。 最后进行中断返回。 外部中断 INT0 中断服务程序： 关中断 开始 计数器+1 是否旋转 一圈？ 初始化计数 器 转圈计数+1 开中断 INT0 返回 N Y 外部中断 0 实现的是对脉冲的计数的功能。通过单片机对编码器脉冲计数。 定时器中断 T0 程序图： 第三章 系统硬件设计 - 31 - 关 T0 中断 开始 重新载入计数数值 是否 20 次即 1s？ 关 INT0，将转速 值赋给数据处理参 数 LCD 显示 开中断 返回 N Y 计时次数+1 定时器中断 T0 实现的是定时器的功能，通过单片机的中断程序实现精确 第三章 系统硬件设计 - 32 - 的时间控制。 4.2.3 LCD显示子程序 开始 LCD 写指 令令 LCD 写数据 返回 LCD 的显示程序包括：写命令和写数据两部分。首先要对 LCD 进行写指 令，确定要显示的数据的位置和显示方式，然后再对 LCD 写数值，让数值显 示在 LCD 上。 第三章 系统硬件设计 - 33 - 4.2.4 键盘扫描程序 P1 口置位 开始 读取 P1 口 值 低位清 0 有键按下？ 延时 5ms 读取 P1 口 低位清 0 有键按下？ 计算键值 闭合键释 放？ 返回 返回键值 N Y N Y N Y 第三章 系统硬件设计 - 34 - 矩阵键盘的扫描需要先把 P1 口置位（如 P1=0x3e），然后读取 P1 口的数 值，进行低三位的清零处理，看是否有键按下，如果有键按下延时一段时间再 进行判断一次（为了消除抖动即为软件消抖），最后找出哪个键按下并返回键 值。 4.2.5 报警程序 开始 n=3000? 返回 Y N Y 报警 当转速低于（或高于）一定值要进行报警，并及时通知工作人员进行处 理，防止损坏伺服电机和设备。 第三章 系统硬件设计 - 35 - 4.2.6 转速控制程序 开始 返回键值 num=7 ? num=0 ? num=1 ? num=2 ? num=3 ? num=6 ? num=8 ? num=4 ? num=5 ? n=0 n=500 n=1000 n=1500 n=3000 n=2500 n=2000 返回 Y Y Y Y Y Y Y Y Y N N N N N N 对伺服电机的控制是采用通过参数设置的内部设定转速来实现的。由键盘 返回的键值来通过单片机选择伺服电机的转速值。 第三章 系统硬件设计 - 36 - 4.2.7 USB通信程序 开始 串口初始化 启动定时器 发送数据 等待发送数据 清数据传送标志 关闭定时器 N 返回 转速测 量 结论 - 37 - 结 论 本次设计主要是对单片机用于伺服电机的转速测量和控制的理论、原理、 方法的分析。并对各种测控进行了比较和阐述，设计出了显示、测量、键盘、 控制等的单元电路，并完成了软件的设计。以下从几个方面进行总结： 1. 硬件电路 基于 AT89C52 的转速测控系统设计，实现对转速的测量和控制电路种类 繁多，特别是测量电路。实现由单片机作为系统的核心具有价格便宜、高灵敏 的特点。再加上伺服电机的应用越来越广泛，对伺服电机进行转速控制意义深 远。在工业控制中有一定的实用价值和较高的性价比。 2. 软件设计 软件设计含括了单片机的中断服务程序、单片机的键盘扫描以及单片机在 控制电路中的应用。充分展现了单片机的优势。 3测控方法 在测量原理上采用先进的测频率法的测量方法，保证了高转速的测量中获 得较高的精度。应用范围广泛，可通过扩展进行二次开发。在对伺服电机的控 制上采用了参数设置的内部设定来实现对伺服电机转速的控制。控制简单，方 便，使用于较简单的工业控制中。 总之，通过这次毕业设计，让我学会了很多知识，让理论和实践相结合， 让我受益匪浅。 致谢 - 38 - 参考文献 1 王知平. 基于 89c51 的转速测量系统设计. 南京：东南大学 2009 2 孙欢庆. 基于 DSP 的 PMSM 伺服系统关键技术研发. 南京：南京航空航天大学 2010 3 李红丽. 基于光电传感器技术的转速测量系统. 大众科技 2011 年 9 期 4 温秀兰. 传感器原理与检测技术. 北京：国防工业出版社潘雪涛 2003 5 张宏建，黄志尧等. 自动检测技术与装置. 北京：化学工业出版社 2005 6 丁新丽. 编码器在工业上的应用. 有色金属加工2011 年 40 卷 4 期 7 王鹏. 编码器的原理特性及应用. 重工与起重技术 2011 年 3 期 8 张彦启. 永磁同步电机交流伺服系统的研究. 南京：南京航天大学出版社 2008 9 张米雅. 动态力矩测试系统中 PLC 对交流伺服电机的控制. 制造业自动化2010 年 10 李伟. 89C51 单片机在直流电动机转速测控中的应用. 林业机械与木工设备2010 年 11 黄劼. 单片机原理及接口技术. 北京：国防工业出版社 2009 12 张文祥. 单片机系统设计与开发教程. 北京：电子工业出版社 2002 13 王广祥. 单片机及外围接口芯片的复位问题. 石家庄经济学院学报 2000 年 6 期 14 于建勇. 浅谈时钟电路在单片机中的作用.硅谷 2011 年 8 期 15 黄子强. 液晶显示原理. 北京：国防工业出版社 2003 16 任万强. 单片机原理与应用. 北京：中国电力出版社 2005 17 王敏. 基于 USB 总线通信数据采集器的设计与实现.电气传动 2005 年 7 期 18 SU Xue,Zhang Hui. Specialistic English for Electronic InformationE