基于单片机的电机转速测量仪表设计.doc

常州大学本科生毕业设计 学号： 常 州 大 学 毕业设计（论文）（2012届）题 目 学 生 学 院 专业班级 校内指导教师 专业技术职务 校外指导老师 专业技术职务 二一二年六月第1页 共35页基于单片机的电机转速测量仪表设计摘 要：转速测量在实践中是非常常用的，例如在发动机、电动机、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、显示其转速及瞬时速度。为了能精确地测量转速，还要保证测量的实时性，有时还要求能测得瞬时转速。可见转速测量在生产生活中具有重要的意义。 本文介绍了单片机、电机测速系统及其原理，设计了系统的硬件电路和软件。本设计以STC89C52RC单片机为核心，由霍尔传感器、1602显示屏、直流电机组成。利用霍尔传感器采集脉冲信号，通过调用定时计数算法程序，将计算得到的转速数据实时显示出来。同时，将测量结果存入存储器，并实现与上位机的数据通信。运行试验表明，系统结构简单，工作稳定可靠，满足电机的测速要求。 电机转速测量仪表设计的研究成果，可以应用于工业控制中的某一部分，如数控车床的电机转速检测和控制、水泵流量控制以及需要利用转速检测来进行控制的许多场合。如车辆的里程表、车速表等。关键词：单片机；霍尔传感器；电机测速系统；数据通信A Measuring Instrument Design upon Rotational Speed of Motors Based on SCMAbstract：Speed measurement is wildly used in practice. For example, time-sharing or continuously measuring and displaying the speed and instantaneous velocity is often required in the operation and controling of engines, motors, machines and other rotating equipment. In order to accurately measure rotating speed and ensure the real-time feature of measurement, it is also important to do real-time measurement. We can see that speed measurement is of great significance in yielding and living. This article describes features of SCM, motor speed measurement system and its principles. Designs the system hardware and software. This design is based on STC89C52RC microcontroller, composed by the Hall sensor, the 1602 display, DC motor. Hall sensor acquires pulse signals, by calling the timing and counting programs and algorithm program, the rotating speed can be calculated. And the results are real-timely display. At the same time, the measurement results can be stored in memory and data communication is done with the host computer. By runing the tests, we can see that the system is simple, stable and reliable to meet the motor rotating speed measuring requirements. The research of motor speed measurement instrument design can be applied to a part of the industrial control, such as CNC lathe motor speed detection and control, the pump flow control and a number of occasions where speed detection is needed.Key words：SCM; Hall sensor; Motor Speed System; Data Communication目录摘要IAbstractII1 绪论11.1 课题背景及国内外发展水平11.2 单片机测控系统21.3 转速测量在国民经济中的应用22 系统构建方案32.1 系统总体功能概述32.2 方案原理42.3 方案介绍43 硬件电路设计53.1 转速检测模块53.1.1 开关型霍尔电路53.1.2 传感检测电路63.2单片机模块73.2.1 主控器STC89C52的介绍83.2.2 时钟电路93.2.3 复位电路103.3 键盘按键模块113.4 显示模块113.4.1 LCD1602特征及应用113.4.2 LCD1602的特性113.4.3 LCD1602管脚功能123.4.4 LCD1602显示码123.5 通信模块133.6 数据存储模块164 软件设计174.1 主程序设计174.2 转速计算模块184.3 显示模块软件设计184.4 存储模块软件设计194.5 通信模块软件设计205 系统调试215.1硬件调试215.2软件调试215.3综合调试225.4故障分析与解决方案22结论24致 谢26附 录 A27附 录 B291 绪论1.1 课题背景及国内外发展水平转速是工程中应用非常广泛的一个参数，其测量方法较多，而模拟量的采集和模拟处理一直是转速测量的主要方法，这种测量方法已不能适应现代科技发展的要求，在测量范围和测量精度上，已不能满足大多数系统的使用。随着大规模及超大规模集成电路技术的发展，数字系统测量得到普遍应用，特别是单片机对脉冲数字信号的强大处理能力，使得全数字测量系统越来越普及，其转速测量系统也可以用全数字化处理。在测量范围和测量精度方面都有极大的提高。因此，本课题的目的是：对各种测量转速的基本方法予以分析，针对不同的应用环境，利用 80C51 系列单片机设计一种全数字化测速系统，从提高测量精度的角度出发，分析讨论其产生误差的可能原因，为今后的实际使用提供借鉴。并从实际硬件电路出发，分析电路工作原理和软件流程，根据仿真情况提出修改方案和解决办法。 课题以单片机为中心，设计的全数字化测量转速系统，在工业控制和民用电器中都有较高使用价值。其可以应用于工业控制中的某一部分，如数控车床的电机转速检测和控制、水泵流量控制以及需要利用转速检测来进行控制的许多场合。如车辆的里程表、车速表等。其次该转速测量系统由于采用全数字化结构，因而可以很方便的和工业控制计算机进行连接，实行远程管理和控制，进一步提高现代化水平。并且，几乎不需做很大改变直接就能作为单独的使用产品。总之，转速测量系统的研究是一件非常有意义的课题。数字单片机的技术进步反映在内部结构、功率消耗、外部电压等级以及制造工艺上。在这几方面，较为典型地说明了数字单片机的发展水平。在目前，用户对单片机的需要越来越多，但是，要求也是越来越高。下面分别就这四个方面来说明单片机的技术进步状况。单片机在内部已集成了越来越多的部件，这些部件包括一般常用的电路，例如：定时器，比较器，A/D转换器，D /A转换器，串行通信接口，Watchdog电路，LCD控制器等。 有的单片机为了构成控制网络或形成局部网，内部含有局部网络控制模块CAN。例如，Infineon公司的C 505C，C515C，C167CR，C167CS-32FM，81C90；Motorola公司的68HC08AZ 系列等。特别是在单片机C167CS-32FM中，内部还含有2个CAN。因此，这类单片机十分容易构成网络。特别是在控制，系统较为复杂时，构成一个控制网络十分有用。 为了能在变频控制中方便使用单片机，形成最具经济效益的嵌入式控制系统。有的单片机内部设置了专门用于变频控制的脉宽调制控制电路，这些单片机有Fujitsu公司的MB89850系列、MB89860系列；Motorola 公司的MC68HC08MR16、MR24等。在这些单片机中，脉宽调制电路有6个通道输出，可产生三相脉宽调制交流电压，并内部含死区控制等功能。在国内，随着集成块国产化的成熟和电子技术的飞速发展，转速仪表结构简单化，品种多样化与系列化。未来要进一步要向人性化发展，在满足使用的同时，为使用者带来方便与舒适。1.2 单片机测控系统单片机可以构成各种工业控制系统、适应控制系统、数据采集系统等。在这个领域中，有不少是采用通用 CPU 单板机或通用计算机系统。随着单片机技术的发展，大部分都可以用单片机系统或单片机加通用机系统来代替。如气轮机电液调节系统、调速系统等。典型的应用系统是单片机要完成工业测控功能所必须具备的硬件结构系统，它包括系统扩展和系统配置两部分内容。应用系统如图1.1 所示，整个系统由基本部分和测控增强部分及外设增强部分构成。基本部分是外围芯片的扩展及功能键盘、显示器配置，通过总线连接而成，测控增强部分主要是传感器接口与伺服驱动控制接口。它们直接与工业现场相连，是干扰进入的主要通道，一般要采取隔离措施对于数字量（频率、周期、相位、计数）的采集后可通过 I/O 口输入，数字脉冲可直接作为计数输入、测试输入、I/O 口输入或中断源输入进行事件计数、定时计数、实现脉冲的频率、相位及计数测量。对于模拟量的采集，则应通过 A/D 变换后送入总线口，I/O 口或扩展 I/O 口，并配以相应的 A/D 转换控制信号及地址线。对于开关量的采集则一般通过 I/O 口或扩展 I/O口线。应用系统可根据任何一种输入条件或内部运行结果进行输出控制。开关量输出控制有时序开关、逻辑开关、信号开关阵列等，通常，这些开关量也是通过 I/O 口或扩展 I/O 口输出。模拟量的输出常为伺服驱动控制，控制输出通过 D/A 变换后送入伺服驱动电路。图1.1 单片机典型应用系统1.3 转速测量在国民经济中的应用转速测量的应用系统在工业生产、科技教育、民用电器等各领域的应用极为广泛，往往成为某一产品或控制系统的核心部分，其各种参数在不同的应用中有其侧重，但转速测量系统作为普遍的应用在国民经济发展中，有重要的意义。例如直流电机具有良好的起、制动性能，易于在宽广范围内平滑测速，所以长期以来在要求转速指标较高的场合获得了广泛应用。随着电力电子技术和控制技术的发展，交流测速系统日趋完善，其性能可与直流测速系统相媲美，其测速的应用范围日益扩大，但它的控制技术相对复杂，整个控制系统造价较高，在某些领域短时间内还难以取直流调速系统。测速系统主电路线路简单，所用的功率元件少；开关频率高，可达到10004000，电流易连续，谐波少，脉动小，电机损耗和发热都较小；低速性能好，稳态精度高，因而测速范围宽；测速系统频带宽，快速响应性能好，动态抗扰能力强；主电路元件工作在开关状太。道统损耗小，装置效率高；直流电源采用三相整流时，电网功率因数高，可广泛用于交通、工矿企业等电力传动系统中。 随着技术成熟和飞速发展，转速仪表结构简单化，品种多样化与系列化。未来要进一步要向人性化发展，在满足使用的同时，为使用者带来方便与舒适。测速应用的普及，为仪表结构简化提供了技术基础。且通过智能芯片的运用，将在未来使同一仪表硬件，具有多种可量身定做的功能。 2 系统构建方案2.1 系统总体功能概述系统主要实现功能是:AT89C51单片机接收霍尔传感器传来的脉冲信号,单片机根据外部中断,以及内部定时器进行记数计算出电机转速送到LED显示，同时数据传给PC机,并在PC机屏幕上显示出来。记录各时段的转速，画出V-T坐标图。 系统主要完成以下功能：1 采用高性价比的单片机。2 编写数据采集、存储和通信程序。3 采用结构化程序设计方案。4 可保存测量数据，可与PC机通信。根据系统要实现的功能以及要求，要实现单片机的转速测量主要是各个模块的设计，以及LCD显示及PC机之间的通信。单片机可通过编程控制外围部件，能实现较高的自动化程度。以它为系统核心的控制模块可实现主从控制，完成预定的任务。 将霍尔传感器产生的脉冲信号输出入到单片机的外部中断0口，单片机工作在内部定时器工作方式0，对周期信号进行内部记数，调用计算公式算出转速，调用显示程序显示在LCD上，同时通过串口向上位机发送转速数据。2.2 方案原理 基于单片机的电机转速测量仪表设计主要是利用STC89C52RC单片机和传感器来设计电机测速系统。利用传感器采集脉冲信号，通过定时计数算法程序，将转速结果实时显示出来。其测速原理框图如图2.1所示：图2.1 电机测速系统原理图2.3 方案介绍霍尔传感器及磁钢：将磁钢安装在电机的转轴上，而霍尔传感器则放在转轴的旁边，霍尔传感器连接在电路中，当磁钢随转轴经过霍尔传感器时，由开关型霍尔传感器的工作原理知，此时将输出一个低电平信号；而当磁钢离开霍尔传感器后，又将输出一个高电平。这样通过高低电平的转换，将其送入单片机后就可以测量它的转速。这种传感器体积小、无触点、动态特性好，在工作温度区内精度优于1%。且当原边电流超负荷，模块达到饱和，可自动保护，即使过载电流是额定值的20倍也不会损坏模块，过载能力强。灵敏度较高，能够区分在“高分量”上的弱信号。测频方式：频率是周期性信号在单位时间变化的次数。电子计数器是严格按照fN/T的定义进行测频，从其对应的测频原理方框图和工作时间波形可以看出测量过程：输入待测信号经过脉冲形成电路形成计数的窄脉冲，时基信号发生器产生计数闸门信号，待测信号通过闸门进入计数器计数，即可得到其频率。显示器采用LED数码管，是一种能够将电能转化为可见光的固态的半导体器件，它可以直接把电转化为光。实际上是由七个发光管组成8字形构成的，加上小数点就是8个。通过这一器件可以将测得的转速显示出来。单片机STC89C52RC是新一代高速/低功耗/超强抗干扰的单片机，指令代码完全兼容传统8051单片机，12时钟/机器周期和6时钟/机器周期可以任意选择。 用户应用程序空间为8K字节，片上集成512字节 RAM，通用I/O口（32个）复位后为：P1/P2/P3/P4 是准双向口/弱上拉，P0口是漏极开路输出，作为总线扩展用时，不用加上拉电阻，作为I/O口用时，需加上拉电阻。共3个16位定时器/计数器。即定时器 T0、T1、T2。存储数据所用6264静态RAM，容量为8KB，是28引脚双列直插式芯片，采用CMOS工艺制造。具备兼容TTL、完全静态的特性，功耗小，存取时间短。为了实现与上位机通信，本设计选用串口通信方式。串口是一种非常通用的设备通信的协议，大多数计算机包含两个基于RS232的串口，RS-232是美国电子工业协会EIA制定的一种串行物理接口标准,有25条信号线，包括一个主通道和一个辅助通道。 在多数情况下主要使用主通道，对于一般通信，仅需几条信号线就可实现，如一条发送线、一条接收线及一条地线。 本设计基于RS232方式，实现单片机与上位机的通信。3 硬件电路设计3.1 转速检测模块3.1.1 开关型霍尔电路霍尔传感器是利用霍尔效应原理制成的一种磁敏传感器。它是近年来为适应信息采集的需要而迅速发展起来的一种新型传感器，这类传感器具有工作频带宽，响应快、面积小、灵敏度高、无缺点、便于集成化、多功能化等优点，且易与计算机和其它数字仪表接口，因此被广泛用于自动监测、自动测量、自动报警、自动控制、信息传递、生物医学等各个领域。此处主要介绍开关型霍尔传感器。开关型霍尔传感器由稳压器A、硅霍尔片B、差分放大器C、施密特触发器D和OC门输出E五部分组成，如图3.11所示从输入端1输入电压Vcc，经稳压器A稳压后加在硅霍尔片B的两端，以提供恒定不变的工作电流。在垂直于霍尔片的感应面方向施加磁场，产生霍尔电势差Vw，该n信号经差分放大器c放大后送至施密特触发器D整形当磁场达到“工作点”(即B)时，触发器D输出高电压(相对于地电位)，使三极管E导通，输出端V。输出低电位，此状态称为“开”。当施加的磁场达到“释放点”(即B)时，触发器D输出低电压，使三极管E截止，输出端y。输出高电位，此状态称为“关”。这样2次高低电位变换，使霍尔传感器完成了1次开关动作。开关型霍尔传感器构成图如图3.1所示：图3.1 开关型霍尔传感器构成图开关型霍尔集成传感器(以下简称开关型霍尔传感器)主要被应用于周期和频率的测量、转速的测量、液位控制等方面。常用的开关型霍尔传感器有美国sPRAG1 公司的UGN3000系列如UGN3020、UGN3O3O等。它们并没有输入端，因为磁场仅仅是由空间输入的。规定用磁铁的S极接近开关型霍尔传感器正面时形成的B为正值，从图4.2曲线看：当B =0时， 0为高；B=Bop时， 0立即变低，这点称为“工作点”。继续升高B， 0不变。降低B到BRp时，Vo又回升。这点称为“释放点”。如图3.2所示，B 一 B 称为磁滞。在此差值内，输出电位 。保持高电位或低电位不变，因而输出稳定可靠。 图3.2 开关型霍尔传感器输出电压与外加磁感应强度关系3.1.2 传感检测电路速度检测电路其电路图如图3.3所示。当电机转动时，带动传感器，产生对应频率的脉冲信号，经过电路将信号处理后输出到一个单片机可以识别的信号发送到计数器或其他的脉冲计数装置，进行转速的测量。在实际的使用中，一般需要一个铁质的测速齿轮，齿厚大于2 mm即可，将之固定在待测转速的轴上。所谓磁钢，就是磁钢就是一种有磁性的钢铁。在传感检测电路中将磁钢安装在电机的转轴上，而霍尔传感器则放在转轴的旁边，霍尔传感器连接在电路中，当磁钢随转轴经过霍尔传感器时，由开关型霍尔传感器的工作原理知，此时将输出一个低电平信号；而当磁钢离开霍尔传感器后，又将输出一个高电平。这样通过高低电平的转换，将其送入单片机后就可以测量它的转速。其电路如图3.3所示。T0图3.3 检测电路部分电路图3.2单片机模块单片机最小系统电路如图3.4所示，由主控器STC89C52、时钟电路和复位电路三部分组成。单片机STC89C52作为核心控制器控制着整个系统的工作，而时钟电路负责产生单片机工作所必需的时钟信号，复位电路使得单片机能够正常、有序、稳定地工作。本设计基于这个最小系统，进行单片机模块设计。图3.4 单片机最小系统3.2.1 主控器STC89C52的介绍本系统采用单片机STC8952RC作为主控制器，使用霍尔传感器测量电机的转速，最终在LED上显示测试结果。此外，还可以根据需要调整制电机的转速，硬件组成由图3.5所示。单片机(Micro Controller Unit)，又称为微控制器,是指在一块芯片上集成了中央处理器CPU、随机存储器RAM、程序存储器ROM、定时器/计数器、中断控制器以及串行和并行I/0 接口等部件，构成一个完整的微型计算机。目前，新型单片机内还有A/D(D/A)转换器、高速输入输出部件、DMA 通道、浮点运算等特殊功能部件。由于它的结构和指令功能都是按工业控制要求设计的，特别适用于工业控制及其数据处理场合。STC89C52RC是拥有256字节的RAM，8K的片内ROM，3个16位定时器，6个中断源的微处理器,也就是俗称的单片机。89系列单片机的内核是8031，所以其指令与Intel 8051 系列单片机完全兼容并且具有以下优点：（1）内部含有Flash 存储器（STC89C52RC 有8k）。因此在系统的开发过程中可以十分容易进行程序的修改，这就大大缩短了系统的开发周期。同时，在系统工作过程中，能有效地保存一些数据信息，即使外界电源损坏也不影响到信息的保存。（2）插座与80C51兼容。89系列单片机的引脚和80C51是一样的，当用89系列单片机取代80C51时，可以直接进行代换。（3）静态时钟方式。89系列单片机采用静态时钟方式，可以节省电能，这对于降低便携式产品的功耗十分有用。（4）错误编程亦无废品产生。因为89系列单片机内部采用了Flash 存储器，所以，错误编程之后仍可以重新编程，直到正确为止，故不存在废品。（5）可反复进行系统试验。用89系列单片机设计的系统，可以反复进行系统试验，每次试验可以编入不同的程序，这样可以保证用户的系统设计达到最优。而且随着用户的需要和发展，还可以进行修改，使系统不断能追随用户的最新要求。（6）具有看门狗功能； STC89C52RC 单片机的工作模式： 掉电模式：典型功耗0.1A,可由外部中断唤醒，中断返回后，继续执行原程序 空闲模式：典型功耗 2mA 典型功耗 正常工作模式：典型功耗 4Ma7mA 典型功耗 掉电模式可由外部中断唤醒，适用于水表、气表等电池供电系统及便携设备。图3.5 STC89C52RC单片机引脚图 STC89C52RC引脚图如图3.5所示，此芯片共40引脚，每个引脚的功能如下：1-8脚: 通用I/O接口p1.0p1.7 9脚: rst复位键 10.11脚:RXD串口输入 TXD串口输出 12-19:I/O p3接口 (12,13脚 INT0中断0；INT1中断1；14,15 : 计数脉冲T0 T1； 16,17: WR写控制 RD读控制输出端) 18,19: 晶振谐振器 20：地线 21-28：p2 接口 高8位地址总线 29: psen 片外rom选通端，单片机对片外rom操作时 29脚(psen)输出低电平 30:ALE/PROG 地址锁存器 31:EA rom取指令控制器 高电平片内取 低电平片外取 32-39:p0.0p0.7(注意此接口的顺序与其他I/O接口不同 与引脚号的排列顺序相反) 40:电源：+5V3.2.2 时钟电路STC89C52 单片机芯片内部设有一个由反向放大器所构成的振荡器。19脚(XTAL1)为振荡器。反相放大器和内部时钟发生电路的输入端，18脚(XTAL2)为振荡器反相放大器的输出端。在XTAL1和XTAL2引脚上外接定时元器件，内部振荡电路就会产生自激振荡。本系统采用的定时元器件为石英晶体（晶振）和电容组成的并联谐振回路。晶振频率为6MHz，电容大小为1530pF，电容的大小可以起到频率微调的作用，时钟电路如图3.6所示。 图3.6 时钟电路（晶振）3.2.3 复位电路STC89C52的复位是由外部的复位电路来实现的,复位电路通常采用上电复位和按钮复位两种方式,本设计采用的是最简单的上电自动复位电路,其电路图如图3.7所示。上电自动复位是通过外部复位电路的电容充电实现的，当电源接通时只要VCC的上升时间不超过1毫秒,就可以实现自动上电复位。本设计时钟频率选用6MHZ,电容取22微法,电阻取1千欧。 图3.7 复位电路3.3 键盘按键模块本设计使用的单片机按键板，可以与单片机系统核心板进行连接，板子小巧，做工优良，按键齐全，同时带有外扩展插针。使用6*4的按键键盘，可以对系统输入各种定义好的指令。其元件图如图3.8所示。图3.8 键盘元件电路图 3.4 显示模块3.4.1 LCD1602特征及应用微功耗、体积小、显示内容丰富、超薄轻巧，常用在袖珍式仪表和低功耗应用系统中。3.4.2 LCD1602的特性+5V电压，对比度可调；内含复位电路；提供各种控制命令,如：清屏、字符闪烁、光标闪烁、显示移位等多种功能；有80字节显示数据存储器DDRAM；内建有192个5X7点阵的字型的字符发生器CGROM；8个可由用户自定义的5X7的字符发生器CGRAM。3.4.3 LCD1602管脚功能 1602采用标准的16脚接口，其中： 第1脚：VSS为电源地 第2脚：VDD接5V电源正极 第3脚：V0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）。 第4脚：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。 第5脚：RW为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。 第6脚：E(或EN)端为使能(enable)端。 第714脚：D0D7为8位双向数据端。 第1516脚：空脚或背灯电源。15脚背光正极，16脚背光负极。图3.9为LCD1602引脚图。图3.9 LCD1602引脚图3.4.4 LCD1602显示码 1602液晶模块内部的字符发生存储器（CGROM)已经存储了160个不同的点阵字符图形，这些字符有：阿拉伯数字、英文字母的大小写、常用的符号、和日文假名等，每一个字符都有一个固定的代码。 因为1602识别的是ASCII码，试验可以用ASCII码直接赋值，在单片机编程中还可以用字符型常量或变量赋值。 图3.10为1602的16进制ASCII码表地址。读的时候，先读左边那列，再读上面那行。LCD1602的具体电路图如图3.11所示。图3.10 1602的16进制ASCII码表地址A14A15A13P0.0P0.1P0.2P0.3P0.4P0.5P0.7P0.6图3.11 LCD显示器电路图3.5 通信模块根据系统功能要求，要使单片机测量的转速能够向上位机发送数据，硬件电路中必须要考虑到单片机的发送部分，由于单片机通过串口发送出来的是TTL逻辑电平（0V和5V），而计算机RS-232总线上输入、输出数据和控制信号为+12V左右的电压，单片机要和PC的上位机通信就必须是电平一致，所以发送部分关键的部分是电平转换和串口发送，电平转换可以用模拟器件进行转换。为了方便起见，本设计采用的是MAX232芯片，一个芯片加上它的外围电路即可完成电平的转换的工作。结构简单、方便容易，精确度高。我们要对其外围电路进行设计，下面我们将详细的叙述。 数据的传输：当电路工作于发送数据状态时，PC机的RTS端输出高电平，经IC1电平转换打开IC3（74LS08）的与门B1，使PC机TXD端输出的数据经红外发射电路发射出去；RTS信号IC1反相后作为CTS信号送入计算机，同时还关闭与门B2；使计算机不接收其它数据信号。该必发器的数据传输速率最好设在9600b/s为宜，以确保数据传输的可靠性。器件的介绍： 1.RS-232CRS-232C是美国电气工业协会推广使用的一种串行通信总路线标准，是DCE(数据通信设备，如微机)和DTE(数据终端设备，如CRT)间传输串行数据的接口总线。RS-232C最大传输距离为15m，最高传输速率约20kbps，信号的逻辑0电平为+3V+15V。逻辑1电平为-3V-15V。其特性为： EIA-RS-232C对电器特性、逻辑电平和各种信号线功能都作了规定； 在TxD和RxD上：逻辑1(MARK) =-3V-15V 逻辑0(SPACE)=+315V 在RTS、CTS、DSR、DTR和DCD等控制线上： 信号有效（接通，ON状态，正电压）+3V+15V 信号无效（断开，OFF状态，负电压）-3V-15V2.RS-232连接器DB-9DB-9是RS-232信号线的连接器，其连接器的机械特性见图3.12，表3.1所示RS-232信号线名称、符号以及对应在DB-9上的针脚号。表3.1 RS-232信号线和DB-9引脚关系符 号名 称引 脚DCDRXDTXDDTRGNDDSRRTSCTSRI接收信号载波检测数据接收线数据发送线DTE装置数据就绪公共地DCE装置就绪请求发送清除发送振铃指示123456789 图3.12 连接器的机械特性3. MAX232芯片MAX232芯片是美信（MAXIM）公司专为RS-232标准串口设计的单电源电平转换芯片，使用+5v单电源供电。其特点是1、符合所有的RS-232C技术标准；2、只需要单一 +5V电源供电；3、片载电荷泵具有升压、电压极性反转能力，能够产生+10V和-10V电压V+、V-；4、功耗低，典型供电电流5mA；5、内部集成2个RS-232C驱动器；6、高集成度，片外最低只需4个电容即可工作。其电路图如图3.13所示。TxDRxD图3.13 通讯模块电路图3.6 数据存储模块存储存储器AT24C02是一个2K位串行CMOS E2PROM， 内部含有256个8位字节，CMOS技术实质上减少了器件的功耗。AT24C02有一个16字节页写缓冲器。该器件通过IIC总线接口进行操作，有一个专门的写保护功能。其引脚图如图3.12所示。图3.14 AT24C02引脚图其电路图如图3.15所示。A8A9图3.15 存储模块电路图表3.2 AT24C02管脚功能表管脚名称功能A0、A1、A2SDLSCLWPVCCVSS器件地址选择串行数据、地址串行时钟写保护+1.8V6.0V工作电压地AT24C02的存储容量为2Kb，内容分成32页，每页8B，共256B，操作时采用芯片寻址的方式：AT24C02的芯片地址为1010，其地址控制字格式为1010A2A1A0R/W。其中A2，A1，A0可编程地址选择位。A2，A1，A0引脚接高、低电平后得到确定的三位编码，与1010形成7位编码，即为该器件的地址码。R/W为芯片读写控制位，该位为0，表示芯片进行写操作。 4 软件设计4.1 主程序设计单片机测量转速可以分为若干模块，然后再主程序中实现整个模块的调用。主程序的流程图如图4.1所示。图4.1 主程序流程图4.2 转速计算模块由于本次设计的系统要实现的功能是将霍尔传感器的信号送到单片机的外部中断口，再对周期方波进行内部计数，调用计算程序把转速测出来。可以说是核心部分，流程图如图4.2所示：图4.2 计算程序流程图计算程序中所调用的除法程序的为四字节除三字节商为两字节，除法的程序的编程思想可以和手工计算的除法相似，比较减法的思想，具体程序见附录。4.3 显示模块软件设计显示模块的功能是要实现在LCD上将检测计算后得到的转速数据显示出来。液晶显示模块是一个慢显示器件，所以在执行每条指令之前一定要确认模块的忙标志为低电平，表示不忙，否则此指令失效。要显示字符时要先输入显示字符地址，也就是告诉模块在哪里显示字符。 在对液晶模块的初始化中要先设置其显示模式，在液晶模块显示字符时光标是自动右移的，无需人工干预。每次输入指令前都要判断液晶模块是否处于忙的状态。向LCD输入的数据有两种，一种是指令，一种是数据。指令是负责初始化LCD与LCD显示字符是什么位置。数据是告诉该显示什么。命令与数据是RS端的高低电平来确定。数据开始的时候是由LCDCS高电平开始，低电平结束。同时要在每一次显示后对模块进行初始化，再进行字符的调用。并将获得的时间值格式化成字符型，并设定时间单位为0.1s。其具体功能流程图如图4.3所示。图4.3 显示模块流程图4.4 存储模块软件设计存储模块所要实现的功能是将经测量计算后的转速数据存储于芯片中。AT24C02是2K位串行CMOS E2PROM，内部含有256个8位字节，有一个16字节页写缓冲器。通过IIC总线接口进行操作，有一个专门的写保护功能。故而首先启动驱动，并进行信号的发送和接受。由于AT24C02支持总线数据传送协议I2C，总线协议规定任何将数据传送到总线的器件作为发送器。任何从总线接收数据的器件为接收器。即数据传送是由产生串行时钟和所有起始停止信号的主器件控制的。主器件和从器件都可以作为发送器或接收器，但由主器件控制传送数据（发送或接收）的模式，通过器件地址输入端A0、A1和A2可以实现将最多8个AT24C02器件连接到总线上。然后向IIC器件发送字节数据。其功能流程图如图4.4所示。图4.4 存储模块流程图4.5 通信模块软件设计通信模块所要实现的功能是将系统测的转速数据向上位机传输，其程序设计流程图如图4.5所示。图4.5 通信模块流程图5 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三大部分：硬件调试、软件调试和综合调试。5.1硬件调试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。 1）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。特别是硬件的连接部分，有PROTEL制作的PCB确保要和原理图上的图一致，有些在电路板上没法连接的线路，要用短接线把接好，对照着原理图部分，一部分一部分地用万用表测量，注意焊点之间，确保焊点没有短接在一起，同时注意焊点的美观，确保没有开路以及短路的现象出现。 2）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）LCD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）接在7407驱动再接到单片机的P2口作为位选信号，字型是接在P0口。电路上电检查LCD是否接上电源和地让其正常工作。在这一前提下，查看屏幕能否点亮。只需要接仿真机上编写一个小程序让LCD点亮，根据要求给P0口，P2口分别赋值。即可检查显示器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）通信部分硬件电路调试：这一部分电路硬件调试主要完成任务检测通过串口数据线输入指令后单片机的执行情况是否完好，可以用一些软件进行检测。5.2软件调试单片机程序调试思路：单片机部分调试工作的完成主要应用LCA51软件来完成，这一部分工作首先将转速测量系统中的各个模块计算程序中的除法程序、双字节的二-十进制数制转换程序，压缩BCD码十进制数转换为非压缩BCD码的程序以及显示部分程序调试好，不断调试，不断修改直到正确为止。LCA51软件是一种非常实用的多窗口编辑、调试软件。 LCA51软件全面支持汇编语言，C51语言，PL/M51语言的编译/连接、调试。软件支持单文件方式和工程化管理两种模式。用户可自定义各种语言的关键词.软件完全支持源语句级在线调试。高级语言还支持源文件调试和汇编语言指令行对照调试。用户可同时打开多个窗体编辑、调试、变量观察.用户可在线对原文件直接编辑、编译、连接、加载和调试，软件支持编译错误源文件定位。调试时用户可动态观察、修改设定变量（包括CPU片内寄存器、特殊寄存器及外部寄存器、内存）的值。程序调试过程： 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各个子程序模块进行分别调试。首先要对计算程序进行调试，其中关键就是那个四字节除三字节的程序显得尤为重要，在整个程序中，四字节的被除数是确定的常数，而除数是测量记数的值，当各个模块调试时，我们可以先对除数先赋不同的值，利用查看内部数据的数据窗口观察出计算出来的结果和用计算器算得的结果是否一致，可以举例多次数据，确保程序正确，才能得到想得到的数据。其次、二进制到十进制的转换，我们依然可以利用上述列举的方法，多次给出数据，然后运行程序，可以设置观察变量，观察出程序转换的结果。最后、拆分压缩BCD码十进制以及最后的显示程序，可以利用上述提到的各种方法，观察30-34H内部的数据，缓冲数据的观察检查完毕后，调用显示程序，观察数码管上显示的数据是否是内存缓冲中需要显示的数据。5.3综合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.使霍尔传感器有方波信号输出；2.使单片机获得中断信号，计算出转速值并存储；3.通过LCD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。5.4故障分析与解决方案故障出现情况：1.霍尔传感器不能产生有效的TTL电平，产生波形不稳2.单片机的中断服务程序不能执行，不管是定时中断还是外部中断；3.中断执行低速情况也就是软件记数功能不对；4.测得的转速不准确，而且在波形频率变化下显示转速却不变5.单片机显示部分无法工作，显示不稳定；6.信号发生器模拟转速测量正确，接电机不稳定7.通信时单片机接收显示数据不正常，PC机接收乱码； 解决方案（针对上述故障一一对应的解决方案）：1.硬件电路中霍尔传感器应工作在5V电压，中间引脚接地，数据线接单片机的外部中断0。在电机的转轴上还要贴上一粒磁钢，利用霍尔效应产生方波。利用万用表检查时发现接5V和地的PCB上的线都坏了，重新用线接在电路板上。当波形出来后，显示的波形不稳，而且不够理想，后来在信号线与地之间接了472的瓷片电容滤波。波形得到了大大改善；2.首先检查程序中的开头，中断入口地址，发现中断定时0的地址写成中断定时1的入口地址了。外部中断没有执行跟没有中断信号加入有关系。在前面还没有解决的时候，我们暂时用信号发生器来代替外部中断9的输入，由于中断执行与否我们没法看到，可以用设置中断点的方法或者利用示波器，在中断服务程序中重新编写一些程序观察单片机的某一输出口的波形变换或者中断程序中让数码管点亮等直观可以看到的方法来检查中断的执行情况；3.中断服务程序中程序设计有问题，要先读去反映转速的TH0，TL0，再去清0，软件记数的高字节VTT应该在定时中断0中的服务程序中自增的同时清TH0，TL0，在外部中断程序中要读取三字节的记数值后同时清三个记数器，再从中断返回；4.在确定转速计算程序的正确性的 条件下出现了转速不准确，就是在调用转换程序时出现了问题，观察程序时发现调用子程序是传送的参数不对，在用寄存器R的时候出现了重复现象，导致转换过程中出现了混乱。在波形频率改变而转速不改变由于在调用显示程序时候在调用之后在显示这里死循环，不能适时进行计算了。5.由于显示部分的程序是动态显示，是一位一位的显示，在位选信号这里出现了问题，在左移的时候出现问题，以及显示完一个字型后调用的延时时间不合理导致显示不稳定，出现闪烁现象，改变时间到1毫秒左右就差不多对了。6.后来在接信号发生器时候要是接正弦波时候一样发生不稳定跳转的现象，由此可以推测，在传感器输入的信号不是理想的方波，而且电平值不够大，所以在霍尔传感器信号输出端接滤波电容以及一个10K的上拉电阻就可以解决问题了。7.由于单片机与PC机之间的设置以及电平转换不一致具体参见通信部分的毕业设计。结论通过各方面努力，本次毕业设计任务完成，系统各部分功能均已实现，单片机能够测量出电机的转速并能显示在LCD液晶屏上，并能向上位机发送数据；测量范围也是比较宽的0r/min-6000r/min，精度也在5转，都达到了比较理想的状态。本次设计得出以下经验：1.由于本系统采用5V直流电源供电，霍尔传感器要选用工作电压的范围包含5V电压的可以省去再