数字转速检测软硬件框架设计.doc

电力拖动自动控制课程设计报告电力拖动自动控制课程设计报告 专 业 电气工程及其自动化 学 生 姓 名 xxxxx 学 号 xxxxxxx 指 导 教 师 xxx 题 目 名 称 数字测速软硬件框架设 计 完成日期 2012 年 12 月 28 日 II 目 录 1 设计任务 1 2 设计方案 1 2 1 任务分析 1 2 2 方案设计 1 3 系统硬件设计 2 3 1 单片机的最小系统 2 3 2 显示电路设计 4 3 3 转速测量电路设计 5 4 系统软件设计 6 5 心得体会 8 参考文献 8 附录 1 系统原理图 9 附录 2 程序清单 10 1 1 1 设计任务设计任务 1 选择一款微处理器 2 增量式旋转编码器每周脉冲数 600 1024 2048 任选 3 要求 1 硬件电路设计 尽量具体到管脚 最好使用 protel 软件 2 软件设计 结合自己的硬件原理图 给出 M T 算法的流程 2 2 设计方案设计方案 2 1 任务分析 本次设计选用增量式旋转编码器 光栅数为 1024 的 旋转编码器与电动机相连 当电动机转动时带动码盘旋转 通过光栅的作用 持续不断地开放或封闭通路 因此 在接收装置的输出端便得到频率与转速成正比的方波序列 从而可以计算转速 本次 设计用的是 M T 算法测速 由于 M T 算法的计数值 M1 和 M2 都随着转速的变化而变化 高速时 相当于 M 法测速 最低速时 M1 1 自动进入 T 法测速 因此 M T 法测速能 适用的转速范围明显高于前两种 是目前广泛应用的一种测速方法 转速计算公式为 N 60M1F ZM2 2 2 方案设计 按照系统设计的功能的要求 初步确定设计系统由增量式旋转编码器 AT89S51 单 片机 液晶 LCD1602 显示器和系统软件组成 其中增量式旋转编码器输出的脉冲经 74HC14 与单片机的 P3 5 口连接 通过单片机的设置可使 P3 5 引脚能够对计数器 T1 的工作进行控制 这样能精确地测出加到 T1 引脚的脉冲数 速度显示部分采用液晶 LCD1602 显示器 系统软件包括单片机和液晶模块的初始化模块 液晶模块的写数据 命令子模块 周期测量模块 速度里程计算模块 数据显示模块以及实时中断服务模 块等 该设计能实时地将所测的速度显示出来 该速度表能将传感器输入到单片机的脉 2 冲信号数量实时地测量出来 然后通过单片机计算出速度 再将所得的数据由 1602 显 示器实时显示出所测速度 单片机利用定时器 计数器 T1 的控制功能测出输入脉冲信 号的数量 M2 后 再利用单片机的算术运算功能将周期转换成速度 最后将得出的速度 用 1602 显示 3 3 系统硬件设计系统硬件设计 3 1 单片机的最小系统 AT89S51 是一个低功耗 高性能 CMOS 8 位单片机 片内含 4k Bytes ISP In system programmable 的可反复擦写 1000 次的 Flash 只读程序存储器 器件采用 ATMEL 公司的高密度 非易失性存储技术制造 兼容标准 MCS 51 指令系统及 80C51 引 脚结构 芯片内集成了通用 8 位中央处理器和 ISP Flash 存储单元 功能强大的微型 计算机的 AT89S51 可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案 AT89S51 具 有如下特点 40 个引脚 4kBytes Flash 片内程序存储器 128Bytes 的随机存取数据 存储器 RAM 32 个外部双向输入 输出 I O 口 5 个中断优先级 2 层中断嵌套中 断 2 个 16 位可编程定时计数器 2 个全双工串行通信口 看门狗 WDT 电路 片内 时钟振荡器 此外 AT89S51 设计和配置了振荡频率可为 0Hz 并可通过软件设置省电模 式 空闲模式下 CPU 暂停工作 而 RAM 定时计数器 串行口 外中断系统可继续工作 掉电模式冻结振荡器而保存 RAM 的数据 停止芯片其它功能直至外中断激活或硬件复 位 同时该芯片还具有 PDIP TQFP 和 PLCC 等三种封装形式 以适应不同产品的需求 AT89S52 单片机为 40 引脚双列直插芯片 有四个 I O 口 P0 P1 P2 P3 MCS 51 单片机共 有 4 个 8 位的 I O 口 P0 P1 P2 P3 每一条 I O 线都能独立地作输出或输入 7 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 P1 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 地址的第八位 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 外部必须被拉高 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 为第八位地址接收 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 3 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 I O 口作为输入口时有两种工作方式 即所谓的读端口与读引脚 读端口时实际上 并不从外部读入数据 而是把端口锁存器的内容读入到内部总线 经过某种运算或变 换后再写回到端口锁存器 只有读端口时才真正地把外部的数据读入到内部总线 输 入缓冲器 CPU 将根据不同的指令分别发出读端口或读引脚信号以完成不同的操作 这 是由硬件自动完成的 不需要我们操心 1 然后再实行读引脚操作 否则就可能读入出 错 如果不对端口置 1 端口锁存器原来的状态有可能为 0Q 端为 0Q 为 1 加到场效应 管栅极的信号为 1 该场效应管就导通对地呈现低阻抗 此时即使引脚上输入的信号为 1 也会因端口的低阻抗而使信号变低使得外加的 1 信号读入后不一定是 1 若先执行 置 1 操作 则可以使场效应管截止引脚信号直接加到三态缓冲器中实现正确的读入 由于在输入操作时还必须附加一个准备动作 所以这类 I O 口被称为准双向口 89C51 的 P0 P1 P2 P3 口作为输入时都是准双向口 时钟晶振电路和复位电路连接如图 3 1 和图 3 2 图 3 1 单片机系统的时钟晶振电路 4 图 3 2 单片机系统的复位电路 3 2 显示电路设计 本设计显示模块用液晶 LCD1602 显示 该显示器为工业字符型液晶 能够同时显 示 16x02 即 32 个字符 16 列 2 行 采用 1602 液晶显示器 单片机 P0 口通过 10K 的 上拉电阻作为数据输出口 RS E 分别连接到单片机的 P2 6 P2 7 R W 接地 是只向 1602 写数据 VDD 接 5V 电源 VSS 接地 VEE 为液晶显示器对比度调整端 接正电源 时对比度最弱 接地电源时对比度最高 对比度过高时会产生 鬼影 使用时可以通 过一个 10K 的电位器调整对比度 RS 为寄存器选择 高电平 1 时选择数据寄存器 低 电平 0 时选择指令寄存器 R W 为读写信号线 高电平 1 时进行读操作 低电平 0 时 进行写操作 E 或 EN 端为使能 enable 端 下降沿使能 DB0 DB7 为双向数据总线 同时最高位 DB7 也是忙信号检测位 以下是 1602 与单片机的连接图 5 图 3 3 液晶 1602 与单片机的连接图 3 3 转速测量电路设计 转速测量电路由光电编码器及脉冲整形电路组成 如图 3 4 所示 其中编码盘加 在电机转轴上 随电机同步转动 光电编码器由脉冲编码盘 发光二极管和光敏三极 管组成 其中 光电编码器有直射式和反射式两种 图 3 4 所示即为直射式 发光二 极管了出的光通过编码盘的孔射到光敏三极管上后 三极管导通输出一个电平 当二 极管了出的光被编码盘遮住时 三极管截止输出一个高电平 因此 当编码盘转动时 三极管集电极输出一系列脉冲 脉冲经 74hc14 整形后输入 T1 脚 故计数器 T1 中的数 据除以编码盘的孔数再除以定时时间 即得到了电机的转速 光电编码器的特点是输 出精高 抗干扰能力强 受温度变化影响小 因此使得该测量仪的测量精度很高 本 次设计选用每周脉冲数为 1024 的增量式旋转编码器 6 图 3 4 光电编码器的原理 4 4 系统软件设计系统软件设计 主电路采用 ATMEL 公司生产的 AT89S51 单片机 其中 TO 和 T1 都工作在模式 1 T0 用作定时器 T1 用作计数器 当 T1 引脚出现一个 1 到 0 的跳变时 计数器加 1 用查询法不断的查询计数器 T1 溢出标志位 TF1 若 TF1 1 则计数器 T1 计满 设置标 志 flag falg 1 并用软件将 TF1 清零 直到 T0 定时时间到 进入中断程序 然后对 T1 中的数据进行处理 对 T0 T1 进行重新装载 设置中断后 中断返回 编码器选用 1024 的 编码器输出脉冲连接单片机的 P3 5 口 虚线是中断处理程序 图 4 1 系统主程序流程图 7 Y N N Y 初始化液晶 1602 设置 TMOD 0 x51h TO 和 T1 都 工作在模式 1 T0 用作定时器 定时 0 8ms T1 用 作外部计数器 频率选择用 12MHz flag 0 开始 定时是否到了 0 8ms M1 800 入中断 读取 TH1 TL1 计算脉 冲数 M2 计数器清零 M2 flag 65536 TH1 256 TL1 定时器初始化 计算速度 n 60M1f ZM2 用液晶 LCD1602 显 示 计数器加 1 中断处理程序 显示速度 检测计数器 T1 的溢 出标志位 TF1 是否 为 1 进入 if 函数 flag flag 1 将 TF1 清零 8 5 5 心得体会心得体会 本设计以 AT89S51 为核心 利用单片机的运算和控制功能 并采用 1602 显示模块 实时显示所测速度的设计方案 论文主要是在参考各种资料和相关的专业文献的基础上完成的 所参考的专业文 献在论文中已经列单出来 但还有部分来源资料参差不齐不能在论文中详细列出 在 这里也说明一下 论文的整个制作过程的确不容易 现在回想一下那段时日 有艰辛 的一面 亦有喜悦的一面 但整个过程总结来说还是蛮充实的 毕竟在整个设计的过 程中 自己又对已经学过的专业课知识梳理了一下 而且对于实际的应用和需求也参 考了各个方面的资料 所以整个设计过程下来 自己整体的专业知识水平又进行了一 次升华 参考文献参考文献 1 余发山主编 单片机原理及应用技术 中国矿业大学出版社 2003 12 21 32 2 董爱华主编 检测与转换技术 中国电力出版社 2007 12 3 康华光主编 电子技术基础数字部分 第五版 2006 137 153 430 460 4 朱经利 蒋玉亮等编著 海尔家用洗衣机原理和维修 人民邮电出版社 1999 63 152 5 孟庆龙 张鸿海等编著 小鸭家用洗衣机原理和维修 人民邮电出版社 1999 31 45 6 谢自美主编 电子线路设计 实验 测试 华中理工大学出版社 2000 7 11 15 7 张友汉主编 电子线路设计应用手册 福建科学技术出版社 2000 7 9 附录附录 1 系统原理图系统原理图 10 附录附录 2 2 程序清单程序清单 include define uchar unsigned char define uint unsigned int uchar qian bai shi ge uint aa flag 0 speed flag 为计数器 T1 计数已满的标志 long int M2 sbit RS P2 6 sbit EN P2 7 unsigned char code str1 SPEED void delay1ms unsigned int ms 延时 1 毫秒 不够精确的 unsigned int i j for i 0 i ms i for j 0 j 100 j void wr com unsigned char com 写指令 delay1ms 1 RS 0 EN 0 P0 com delay1ms 1 EN 1 delay1ms 1 EN 0 void wr dat unsigned char dat 写数据 delay1ms 1 RS 1 EN 0 P0 dat 11 delay1ms 1 EN 1 delay1ms 1 EN 0 void lcd init 初始化设置 delay1ms 15 wr com 0 x38 delay1ms 5 wr com 0 x08 delay1ms 5 wr com 0 x01 delay1ms 5 wr com 0 x06 delay1ms 5 wr com 0 x0c delay1ms 5 void display unsigned char p 显示 while p 0 wr dat p p delay1ms 1 init play 初始化显示 lcd init wr com 0 x80 只用第一行显示 display str1 void display Speed long int f 速度显示函数 qian f 1000 0 x30 bai f 1000 100 0 x30 shi f 100 10 0 x30 12 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