毕业设计（论文）-基于51单片机测电机转速的设计.doc

基于基于 5151 单片机测电机转速的设计单片机测电机转速的设计 摘摘 要要 本课题设计了一种基于单片机的电子测速仪 测速仪以 89C51 为数据处理主控 芯片 测速仪的主要组成部分 霍尔传感器 以 89C51 芯片为核心的密码锁的 数据处理与控制电路 输出显示电路 另外系统还有 LED 报警灯 单片机复位 电路等 测速电路的关键问题是物理信号到电信号的转换 以及脉冲的产生 报警与复位 同时该测速仪具有低能耗 体积小 使用方便 非接触等优点 具有很强的使用价值 关键词关键词 单片机 测速仪 51 singlechip design of measurement of motor speed based on Abstract This project is to design a kind of electronic measurement instrument based on single chip microcomputer velocimetry using 89C51 as main control chip data processing Main components Holzer velocimetry sensors taking the 89C51 chip as the core cryptographic data processing and control circuit the lock output display circuit Another system and LED warning lamp microprocessor reset circuit etc The key problem of conversion speed measuring circuit is a physical signal to electrical signal and the pulse generation alarm and reset At the same time the instrument has the advantages of low energy consumption small volume convenient use non contact and other advantages has the very strong use value Keywords MCU velocimetry 目目 录录 第一章 绪论 1 1 1 测速仪的背景与分类 1 1 2 测速仪的运用于发展 1 1 3 本设计的意义与要求 1 第二章 单片机测速仪的主要元件介绍 2 2 1 单片机 89c51 的介绍 2 2 2 霍尔元件的介绍 5 2 3 比较器 LM393 的介绍 6 第三章 基于单片机测速的工作概述以及原理分析 9 3 1 基于单片机测速的工作概述 9 3 2 系统硬件总电路图 9 3 3 检测电路模块 9 3 4 复位电路模块 10 3 5 晶振电路模块 11 3 6 电源电路模块 11 3 7 显示电路模块 12 3 8 报警电路模块 12 第四章 单片机测速系统组成 13 4 1 转速测量系统原理框图 13 4 2 系统软件框图 13 第五章 系统软件设计 14 5 1 系统流程序 14 5 1 1 系统主程序流程图 14 5 1 2 测速程序流 15 5 1 3 显示流程图 16 5 2 程序 21 第六章 单片机测速电路实物运行 22 6 1 实物整体图 22 6 2 测速显示 23 6 2 1 转速显示 23 6 2 2 低速报警显 24 6 2 3 高速报警显示 25 小结 26 致谢 27 附录一 单片机测速 PCB 原理图 28 附录二单片机测速元器件清单 29 参考文献 3 0 第一章第一章 绪论绪论 1 1 测速仪的分类 目前测量电机转速的方法很多 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 用电机转矩或者电机电枢电动势计算所得 同步测速 法 如 机械式或闪光式频闪测速仪 以及计数测速法 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 传统的电机转速检测多采用测速发电机或 光电数字脉冲编码器 也有采用电磁式 利用电磁感应原理或可变磁阻的霍尔元 件等 电容式 对高频振荡进行幅值调制或频率调制 等 还有一些特殊的测速 器是利用置于旋转体内的 1 2 测速仪的运用与发展 在工程实践中 经常会遇到各种需要测量转速的场合 例如在发动机 电动 机卷扬机 机床主轴等旋转设备的试验 运转和控制中 常需要分时或连续测量 和显示其转速及瞬时转速 要测速 首先要解决是采样问题 在使用模技术制 作测速表时 常用测速发电机的方法 即将测速发电机的转轴与待测轴相连 测速发电机的电压高低反映了转速的高低 为了能精确地测量转速外 还要保证 测量的实时性 要求能测得瞬时转速方法 因此转速的测试具有重要的意义 1 3 本设计的意义与要求 运用霍尔元件与单片机构成的单片机测速系统 采用的是非接触式传感器 它可以方便的进行使用 只要将磁铁与旋转体相连靠近霍尔传感器即可 根据 设定的程序当转速低于 50 绿报警灯亮显示报警 当转速高于 500 红报警灯亮显 示报警 同时四位数码管显示当前转速 第二章第二章 单片机测速仪的主要元件介绍单片机测速仪的主要元件介绍 2 1 单片机 89c51 的介绍 AT89C51 简介 AT89C51 是一种带 4K 字节 FLASH 存储器 FPEROM Flash 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 AT89C2051 是一种带 2K 字节闪存可编程可擦除只读存储器的单片机 单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除 1000 次 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 AT89C51 是一 种高效微控制器 AT89C2051 是它的一种精简版本 AT89C51 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 外形及引脚排列如图所示 2 1 所示 图 2 1 外形及引脚排列 特性概述 AT89C51 提供以下标准功能 4k 字节 Flash 闪速存储器 128 字节内部 RAM 32 个 I O 口线 两个 16 位定时 计数器 一个 5 向量两级中断结构 一 个全双工串行通信口 片内振荡器及时钟电路 同时 AT89C51 可降至 0Hz 的 静态逻辑操作 并支持两种软件可选的节电工作模式 空闲方式停止 CPU 的工 作 但允许 RAM 定时 计数器 串行通信口及中断系统继续工作 掉电方式保 存 RAM 中的内容 但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件 复位 管脚说明 VCC 供电电压 GND 接地 P0 口 P0 口为一个 8 位漏级开路双向 I O 口 每脚可吸收 8TTL 门电流 当 P0 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 地址的低八位 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 外部必须接上拉电阻 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 FLASH 编程和校验时 P1 口作为低八位地址接收 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 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 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 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 AT89C51 的一些特殊功能口 如下表所示 口管脚 备选功能 P3 0 RXD 串行输入口 P3 1 TXD 串行输出口 P3 2 INT0 外部中断 0 P3 3 INT1 外部中断 1 P3 4 T0 计时器 0 外部输入 P3 5 T1 计时器 1 外部输入 P3 6 WR 外部数据存储器写选通 P3 7 RD 外部数据存储器读选通 P3 口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号 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 ALE PROG 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 的低位字节 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 PSEN 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 信号将不出现 EA VPP 当 EA 保持低电平时 则在此期间外部程序存储器 0000H FFFFH 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 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 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 2 2 霍尔元件的介绍 霍尔位置传感器原理和应用 一 霍尔位置传感器的特点 霍尔位置传感器是一种检测物体位置的磁场传感器 用它们可以检测磁场 及其变化 可在各种与磁场有关的场合中使用 霍尔位置传感器以霍尔效应原 理为其工作基础 霍尔位置传感器具有许多优点 它们的结构牢固 体积小 重量轻 寿命 长 安装方便 功耗小 频率高 可达 1MHZ 耐震动 不怕灰尘 油污 水 汽及盐雾等的污染或腐蚀 霍尔位置传感器开关型输出的具有无触点 无磨损 输出波形清晰 无抖 动 无回跳 位置重复精度高 可达 m 级 采取了各种补偿和保护措施的霍 尔位置传感器的工作温度范围可达到 55 150 按照霍尔位置传感器的功能可将它们分为 霍尔线性型传感器和霍尔开关型 传感器 前者输出模拟量 后者输出数字量 霍尔位置传感器通过它对磁场变化的测量 将许多非电 非磁的物理量例 如力 力矩 压力 应力 位置 位移 速度 加速度 角度 角速度 转数 转速以及工作状态发生变化的时间等 转变成电量来进行检测和控制 因而有 着广泛的用途 二 霍尔位置传感器的原理 2 1 1 霍尔效应和霍尔元件 在一块通电的半导体薄片上 加上和片子表面垂直的磁场 B 在薄片的横向两 侧会出现一个电压 如图 1 中的 VH 这种现象就是霍尔效应 是由科学家爱德 文 霍尔在 1879 年发现的 VH 称为霍尔电压 这种现象的产生 是因为通电半导体片中的载流子在磁场产生的洛仑兹力 的作用下 分别向片子横向两侧偏转和积聚 因而形成一个电场 称作霍尔电 场 霍尔电场产生的电场力和洛仑兹力相反 它阻碍载流子继续堆积 直到霍 尔电场力和洛仑兹力相等 这时 片子两侧建立起一个稳定的电压 这就是霍 尔电压 这个半导体薄片称为霍尔元件 霍尔元件可用多种半导体材料制作 如 Ge Si InSb GaAs InAs InAsP 等等 2 3 比较器 LM393 的介绍 LM393 主要特点如下 工作电源电压范围宽 单电源 双电源均可工作 单电源 2 36V 双电源 1 18V 消耗电流小 Icc 0 8mA 输入失调电压小 VIO 2mV 共模输入电压范围宽 Vic 0 Vcc 1 5V 输出与 TTL DTL MOS CMOS 等兼容 输出可以用开路集电极连接 或 门 LM393 引脚图及内部框图 采用双列直插 8 脚塑料封装 DIP8 和微形的双列 8 脚塑料封装 SOP8 LM393 内部结构图 LM393 封装形状 LM393 引脚功能排列表 引出端序号功能符号引出端序号功能符号 1输出端 1OUT15正向输入端 21N 2 2反向输入端 11N 1 6反向输入端 21N 2 3正向输入端 11N 1 7输出端 2OUT2 4地GND8电源VCC LM393 主要参数表 参数名称符号数值单位 电源电压VCC 18 或 36 V 差模输入电压VID 36V 共模输入电压VI 0 3 VCCV 功耗Pd570mW 工作环境温度Topr0 to 70 贮存温度Tstg 65 to 150 电特性 除非特别说明 VCC 5 0V Tamb 25 参数名称符号测试条件最小典型最大单位 输入失调电压VIOVCM 0 to VCC 1 5 VO P 1 4V Rs 0 1 0 5 0 mV 输入失调电流IIO 5 50 nA 输入偏置电流Ib 65250nA 共模输入电压VIC 0 VCC 1 5V RL 0 61 0mA 静态电流ICCQ RL Vcc 30V 0 82 5mA 电压增益AVVCC 15V RL 15k 200 V mV 灌电流lsinkVi 1V Vi 0V Vo p 1 5V616 mA 输出漏电流IOLEVi 0V Vi 1V VO 5V 0 1 nA 应用说明 LM393 是高增益 宽频带器件 象大多数比较器一样 如果输出端到输入端有寄 生电容而产生耦合 则 很容易产生振荡 这种现象仅仅出现在当比较器改变状态 时 输出电压过渡的间隙 电源加旁路滤波并不能解决这个问题 标准 PC 板的设 计对减小输入 输出寄生电容耦合是有助的 减小输入电阻至小于 10K 将减小反 馈信号 而且增加甚至很小的正反馈量 滞回 1 0 10mV 能导致快速转换 使得不 可能产生由于寄生电容引起的振荡 除非利用滞后 否则直接插入 IC 并在引脚上 加上电阻将引起输入 输出在很短的转换周期内振荡 如果输入信号是脉冲波形 并 且上升和下降时间相当快 则滞回将不需要 比较器的所有没有用的引脚必须接地 LM393 偏置网络确立了其静态电流与电源电压范围 2 0 30V 无关 通常电源不需要加旁路电容 差分输入电压可以大于 Vcc 并不损坏器件 保护部分必须能阻止输入电压向负 端超过 0 3V LM393 的输出部分是集电极开路 发射极接地的 NPN 输出晶体管 可以用多集电 极输出提供或 OR ing 功能 输出负载电阻能衔接在可允许电源电压范围内的任何电源电压上 不受 Vcc 端电压值的限制 此输出能作为一个简单的对地 SPS 开路 当不用负载电阻 没被运用 输出部分的陷电流被可能得到的驱动和器件的 值所限制 当达到 极限电流 16mA 时 输出晶体管将退出而且输出电压将很快上升 输出饱和电压 被输出晶体管大约 60ohm 的 SAT 限制 当负载电流很小时 输出晶体管的低 失调电压 约 1 0mV 允许 输出箝位在零电平 第三章第三章 基于单片机测速的工作概述以及原理分析基于单片机测速的工作概述以及原理分析 3 1 基于单片机测速的工作概述 运用霍尔元件与单片机构成的单片机测速系统 采用的是非接触式传感器 它 可以方便的进行使用 只要将磁铁与旋转体相连靠近霍尔传感器即可 根据设 定的程序当转速低于 50 绿报警灯亮显示报警 当转速高于 500 红报警灯亮显示 报警 同时四位数码管显示当前转速 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 在送入单片机进 行数据的处理转换 单片机 对处理过的信号进行转换成转速的实际值 送入 LED LED 显示 用来对所测量到的转速进行显示 3 2 系统硬件总电路图 传感器传感器 放大 整形 放大 整形 滤波电路滤波电路单片机单片机 LED 显显 示示 图 3 1 总电路模块 3 3 检测电路模块 由霍尔传感器与比较器 lm393 构成的检测电路 可实现非接触式电机转速 的测量 图 3 2 检测电路模块 3 4 复位电路模块 单片机复位是使 CPU 和系统中其他功能部件的处在一个确定的初始状态 并 从这个状态开始工作 图 3 3 复位电路原理图 3 5 晶振电路模块 晶振是晶体振荡器的简称 在电气上它可以等效成一个电容和一个电阻并 联再串联一个电容的二端网络 电工学上这个网络有两个谐振点 以频率的高 低 分其中较低的频率是串联谐振 较高的频率是并联谐振 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 小会影响震荡器频率的高低 震荡器的稳定性 起振的快速性和温度的稳定性 因此 此系统电路的晶体振荡器的值为 12MHz 电容应尽可能的选择陶瓷电容 电容值约为 30 F 在焊接刷电路板时 晶体振荡器和电容应尽可能安装得与 单片机芯片靠近 以减少寄生电容 更好地保证震荡器稳定和可靠地工作 图 3 4 晶振电路模块 3 6 电源电路模块 采用 USB 接口供电 方便简单 图 3 5 电源电路模块 3 7 显示电路模块 采用的是八段四位数码管显示 图 3 6 显示电路模块 3 8 报警电路模块 当转速低于 50r min 绿色报警灯亮 当转速高于 500r min 红色报警灯亮 图 3 7 报警电路模块 第四章第四章 单片机测速系统组成单片机测速系统组成 4 1 转速测量系统原理框图 系统由传感器 信号预处理电路 处理器 显示器和系统软件等部分组成 传感器部分采用霍尔传感器 负责将电机的转速转化为脉冲信号 信号预处理 电路包含待测信号放大 波形变换 波形整形电路等部分 其中放大器实现对 待测信号的放大 降低对待测信号的幅度要求 实现对小信号的测量 波形变换 和波形整形电路实现把正负交变的信号波形变换成可被单片机接受的 TTL CMOS 兼容信号 处理器采用 STC89C51 单片机 显示器采用 8 位 LED 数码管动态显 示 系统原理框图如图 4 1 所示 图 4 1 转速测量系统原理框图 4 2 系统软件框图 系统软件主要包括测量初始化模块 信号频率测量模块 浮点数算术运算 模块 浮点数到 BCD 码转换模块 显示模块 按键功能模块 定时器中断服务 模块 系统软件框图如图 2 2 所示 频率测量模块 显示模块 初始化模块 浮点数算术运算模块 浮点数到BCD码转换模块 图 4 2 系统软件框图 第五章第五章 系统软件设计系统软件设计 本系统软件设计由主程序 计数程序 显示程序组成 信号处理 RAM 串口 霍尔传感器 按钮 电机 LED显示 单片机 5 1 系统流程图 5 1 1 系统主程序流程图 开始 LED显示缓存 初始化 时钟寄存器初始化 定时器中断初始化 LED显示初始化 调用数据处理程序 调用显示子程序 调用按键处理程序 图 5 1 系统主程序流程图 5 1 2 显示子程序流程图 图 5 2 显示子程序流程图 5 1 3 计数子程序流程图 图 5 3 计数子程序流程图 5 2 程序 include include juxun001 h 主函数 void main time0 int0 init 定时器 0 和外部中断 0 的初始化 while TR0 上电一直未切割时就显示 0 0 0 0 init display while 1 定时器 0 中断函数 void time0 interrupt interrupt 1 TL0 65536 1000 256 12M 晶振 1ms 定时 TH0 65536 1000 256 interval time time counter5ms if time counter5ms 5 每位数码管扫描间隔时间 5ms time counter5ms 0 display function time counter65 if time counter65 65000 大于 65s 没切割 视为停下了 显示 time counter65 0 buf 0 10 buf 1 10 buf 2 10 buf 3 10 if external counter 2 每切割 2 次更新显示 1 圈 speed 60000 interval time 单位 转 分钟 buf 0 speed 1000 10 buf 1 speed 100 10 buf 2 speed 10 10 buf 3 speed 10 if buf 0 0 buf 0 11 if buf 0 11 控制不需要显 示的数据 0 if buf 1 11 if interval time 1200 green 0 else green 1 转速小于 50 转 分钟 green 亮 if interval time 120 red 0 else red 1 转速大于 500 转 分钟 red 亮 if interval time 60 转速大于 1000 转 分钟 显示 视为 超速 buf 0 12 buf 1 12 buf 2 12 buf 3 12 interval time 0 external counter 0 flag 1 防止再次关闭定时器 外部中断 0 中断函数 void int0 interrupt interrupt 0 external counter if external counter 1 interval time 0 if external counter 1 第一次切割打开定时器 0 之后一直打开着 time counter65 0 只要有切割就将它清零 显示函数 void display function switch num case 4 led 0 xff wei bitcode num 1 led display1 buf num break case 3 led 0 xff wei bitcode num 1 led display1 buf num break case 2 led 0 xff wei bitcode num 1 led display1 buf num break case 1 led 0 xff wei bitcode num 1 led display1 buf num break default break if num 0 num 4 定时器 0 和外部中断 0 的初始化函数 void time0 int0 init TMOD 0 x01 TMOD 定时器 0 工作于方式 1 TL0 65536 1000 256 12M 晶振 1ms 定时 TH0 65536 1000 256 IT0 1 外部中断 0 负跳变触发方式 TR0 0 ET0 EX0 EA 1 ms 级延时函数 void delay1m uchar x uchar i j for i 0 i x i 连数 x 次 约 x ms for j 0 j 120 j 数 120 次 约 1 ms 开电源就显示的数据 void init display uchar i for i 0 i 4 i wei bitcode num 1 led display1 buf num delay1m 4 if num 0 num 4 ifndef JUXUN001 H define JUXUN001 H define led P0 段选 define wei P2 位选 typedef unsigned char uchar typedef unsigned int uint typedef unsigned long ulong uchar code display1 0 xc0 0 xf9 0 xa4 0 xb0 0 x99 0 x92 0 x82 0 xf8 0 x80 0 x90 0 xbf 0 xff 0 x7f 数码管驱动信号 0 9 灭 点 uchar code bitcode 0 x7f 0 xbf 0 xdf 0 xef 数码管位选扫描信号 1110 1111 uchar buf 0 0 0 0 数码管该显示的数字 高 低 速度 uchar num 4 数码管第 num 位 uint time counter65 65s 定时 uchar time counter5ms 5ms 定时 uint external counter 0 外部中断计数 uint speed 转速 uint interval time 2 次切割时间 sbit red P1 0 red sbit green P1 1 green bit flag 0 标记 void init display 初始显示函数 void time0 int0 init 定时器 0 和外部中断 0 的初始化函数 void delay1m uchar x MS 级延时函数声明 void display function 显示函数声明 endif 第六章第六章单片机测速电路实物运行单片机测速电路实物运行 6 1 实物整体图 6 2 测速显示 6 2 1 转速显示 图 6 1 测得转速 181r min 6 2 2 低速报警显 图 6 2 测得转速 23r min 低于 50r min 绿灯亮低速报警 6 2 3 高速报警显示 图 6 3 测得转速 697r min 高于 505r min 红灯亮高速报警 小结小结 以上就是本次毕业设计期间所做的毕业论文 单片机测速的设计与制作 随着毕业设计的完成 也就意味着大学的生活即将结束 在制作毕业设计的过 程中 学到了很多 有过烦躁 压力 也获得了快乐与满足 只有用心的做事 才能收获 从初期的确定毕业设计课题 到之后的收集资料 制定设计方案 到最后 实物的采购 安装 调试 由于对专业知识的生疏 对课题的研究经验不足 在