安徽工程科技学院基于zj型传感器的转矩转速测量仪
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机械毕业设计
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安徽工程科技学院基于zj型传感器的转矩转速测量仪,机械毕业设计
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安徽工程科技学院毕业设计（论文） - 1 - 引 言 转矩和转速是电机最重要的两个参数 ,要合理地选用电机 ,必须要准确地对转矩和转速进行测量。而且 转矩转速的测量是各种机械产品的开发研究、测试分析、质量检验、型式鉴定和节能、安全或优化控制等工作中所必不可少的内容。转矩转速测量仪器是科研部门和工业生产过程中必备的测试工具。 因而研制出一种数字式、高精度的转矩转速测量仪具有非常现实的意义。 在以往的转矩和转速测量中 ,通常将电机与传感器和负载直接连接起来 ,这种方法构成的电机转矩转速测量仪具有结构简单 ,测量平稳等优点 。 但是其结构庞大、能耗大、价格昂贵且测量误差大 ，如果测量各种大转矩电机 ,需要加大负载 ,将导致测量仪体积和重量增加 ,且受旋转轴固有频率的影响 ,不适于测量高速电机。为此，本次设计以 ZJ型传感器为基础，以单片机为核心设计了一款数字化高精度转矩转速测量仪。 本 次 设计的转矩转速测量仪可以对各种电机进行测量，转矩的测量范围预计可达到0500.0Nm，转速的测量范围可达到 06000 转 /min。本测量仪具有测量范围广、精度高等特点。 现在的测量仪正在朝着高精度、宽测量范围、小体积、低价格等方向发展。在这样的背景下，可以说本测量仪在转矩转速测量领域里具有很强的实用性和 广阔的发展前景。 nts李冬：基于 ZJ 型传感器的转矩转速测量仪研制 - 2 - 第 1 章 绪 论 1.1 课题背景及理论与实际意义 随着生产和科学技术的迅速发展，测量和试验技术 作为涉及多种学科的综合科学技术，正在形成独立的学科体系。 转矩和转速是工业生产过程中的两个重要参数，为了保证生产正常进行，必须对转矩和转速进行检测和控制。 转矩转速的测量是各种机械产品的开发研究、测试分析、质量检验、型式鉴定和节能、安全或优化控制等工作中所必不可少的内容。例如在各种发动机的研制和调试过程中，需要知道发动机的性能是否满足要求以及是否正 常运行，这就需要对转矩和转速进行测量。其次，在各种电机的运行过程中往往需要设置一个转矩转速的上限值，以确保电机的安全运行，通过对转矩和转速的测量，当超过上限值时发出报警信号。 测量转矩转速的传感器、仪器和装置已成为科研单位、院校、工厂实验室或检验部门的必备测试工具；也是电子计算机控制的生产或试验系统中提供转矩转速信息所必需的组成部分。 在现代化测量仪中，数字显示仪表得到了迅速发展。这种仪表有读数直观，信号可以原传或遥传，不容易受到干扰；测量准确度高；测量结果便于自动纪录，或输入到电子计算机中进行数据处理等等 优点。数字转矩转速测量仪表在现代科学试验工作中的应用日益广泛。 伴随数字时代的到来，以单片机为核心的微型测控系统获得了飞速发展，现已应用于生产生活的各个方面，并且快速取代了传统的同类产品。对于大多数转矩转速测量系统而言，运行稳定可靠、操作灵活简便、节省时间、性能价格比高、扩展兼容性强和易于维护是基本的要求，然而对于大多数企业用户来说 ,精度和实时性并不像实验室要求那么高，中等精度的转矩转速测量系统已基本能满足使用上的要求。 1.2 课题的发展状况 在人们的日常生产和生活中，转矩转速的测量是随处可见的， 小到微型 轴承、录音机、缝纫机、洗衣机，大到汽车发动机、机床主轴、舰船推进器、飞机发动机等等，都需要测量转矩转速值。 随着生产生活要求的提高，传统的低精度测量仪器已不能满足人们的需要， 现在的测量仪正在朝着高精度、宽测量范围、小体积、低价格等方向发展。单片机的出现使科技发展跃进了一大步，它在家用电器及工业上的用途更为广泛，采用单片机进行控制 ,可以使转矩转速测量仪的控制更准确、灵活、直观，它使转矩转速测量仪电路设计更为简易，而且实现了非人工调节性能。数字时代的到来更为这些科技产品带来了更为有效、准确的数字信息。总之，现代的 转矩转速测量仪是结合了前沿科技于一体的产物。 在现代社会的生产和生活中，对转矩和转速测量的精度提出越来越高的要求，传统的测量仪表，由于自身的诸多缺陷，逐渐被高精度的数字式测量仪所取代，而由单片机系统组成的高精度数字式测量仪的核心部件之一 传感器又显得特别重要。人们已经相继研制出了多种类型的转矩转速传感器，如 ZJ 型传感器、 WS-1 型智能传感器和 CZ型传感器等。 1.3 本课题的来源及设计要求和主要内容 本课题来源于明光市消防器材厂消防车的转矩转速的测量。 nts安徽工程科技学院毕业设计（论文） - 3 - 目前市场上的转矩转速测量仪器很多，既有传统的机械类产品 ，也有现代的高精度多功能产品，后者主要是基于现代单片机系统而设计的，本次设计的转矩转速测量仪就是基于 AT89C52 单片机系统研制而成的。其中涉及了传感器技术，看门狗 X5045 保护电路， AT89C52 单片机应用系统， ZLG7289 显示驱动及键盘扫描管理等多个环节。 本次设计要求及主要内容有： 转矩的测量范围是 0-500.0Nm，转速的测量范围是 0-6000 转 /min。 以 ZJ 型传感器为对象，配合信号调理电路的研究与设计。 单片机存储和测控电路的设计。 看门狗电路的设计。 串行通信电路的设计。 键盘输入和 LED 显示电路的设计。 基于汇编语言的程序设计。 nts李冬：基于 ZJ 型传感器的转矩转速测量仪研制 - 4 - 第 2 章 总体方案论证 近年来，随着电子测量技术的迅速发展，信号的相位测量方法也日趋完善。利用相位测量原理制成的相位转矩转速测量仪，也得到了很广泛的应用。本次设计采用的 ZJ传感器就是采用磁电转换 -相位差原理制成的。 为了把转矩和转速信息能够准确地从电机中提取出来 ,通常是由传感器将被测信息转换为电信号 ,并对电信号存储、传输、分析计算 ,最终显示测量结果。传感器是整个测量仪器的核心 ,对传感器的选择必须合理 ,并保证能够在一定的工作 环境下正常地工作。 电机转矩的测量方法可分为传递法、平衡力法及能量转化法。平衡力法是通过外加已知的与被测转矩方向相反的转矩 ,当传动轴静止或匀速转动时 ,外加转矩与被测转矩相等。这种方法简单 ,但必须通过另外一种方法测量外加的转矩或力及力臂 ,这样会对测量引入一定的累计误差。能量转化法是通过利用能量守恒的原理间接测量转矩 ,不易实现。传递法是将被测转矩传递到弹性元件上 ,根据弹性元件物理参数的变化来测量转矩的方法。变化的参数可以是变形、应力、或应变等 ,使用的弹性元件是扭轴 。 电机主轴旋转时 , 将转矩传递到扭轴上 , 扭轴上 所产生的应变 ,通过转矩传感器的电阻应变片转换成相应的电信号 ,该信号通过处理后送显示器显示转矩数值。 本次设计采用的 ZJ传感器是采用磁电转换 -相位差原理，将转矩转速信号转换为两路有一定相位差的电信号。系统设计框图如图 2-1所示。输入部分由通道 1、 2及鉴相器构成。通道 1、 2分别是由 LM258和 LM339构成的放大比较电路，来自 ZJ型传感器的两路电信号送入仪器的通道 1和通道 2，经过放大比较转换为 矩形波 ，并将两路矩形波信号同时送入鉴相器。鉴相器采用与门电路，其功能是检测两路矩形波信号的相位差，并产生一连串宽度与相位 差成正比的脉冲。控制部分的核心是微处理器，信号送入单片机进行处理，在单片机中处理运算后得到转矩转速测量值，送入 7289显示驱动芯片，最后在 LED中显示。此外在电路中还加入了看门狗保护电路。 图 2-1 系统设计框图 对于测量周期信号和相位差信号，有两种方案可供选择。 第一种方案是利用测频的方法。由于周期信号频率较小，不易于测量，容易导致测量结果误差较大，因此这个方案不加采用。 第二种方案是利用测周的方法。对于本次设计原理，测周的方法易于实现，而且测量结果精确度高，系统也较简单，因此采用此方案。 微处理器 显示 信号 2 通道 2 鉴相器 信号 1 通道 1 nts安徽工程科技学院毕业设计（论文） - 5 - AT89C52 单片机 ZLG7289 显示接口 看门狗 X5045 LED 显示 MAX485 串行通信 测转矩 测转速 鉴相器 传感器 信号 1 传感器 信号 2 LM258放 大 LM258放 大 LM339 比较器 LM339 比较器 第 3 章 硬件电路设计 3.1 硬件电路总体结构及工作原理 1.硬件电路总体结构 本次设计是基于 ZJ 型传感器的转矩转速测量仪，主要由输入、控制、显示输出三部分组成。输入部分是由 LM258 构成的放大电路、 LM339 比较器 构成的模 /数转换电路和采用与门电路的鉴相器三部分组成，另外为了使系统更加稳定加入了简单的 RC 滤波电路和二极管保护电路。控制部分是以 AT89C52 单片机为核心，外加看门狗 X5045 保护电路和 MAX485 串行通信电路构成。显示输出部分是以 ZLG7289 为驱动的 LED 数码管显示电路。电路总体结构框图如图 3-1 所示。 图 3-1 硬件电路总体结构图 2.硬件电路的工作原理 本次设计的转矩转速测量仪是采用相位差原理研制而成。通过 ZJ 传感器将电机的转矩、转速机械量转换成两路有一定相位差的电压信号，经过 LM258 放大以后达到易于测量的大小，将经放大的信号送入由 LM339 比较器构成的模 /数转换电路，将模拟信号转换成适于单片机处理的 TTL 电平。 根据转矩测量公式，对于转矩的测量是通过测量两路信号的相位差，按照公式 3-1计算出转矩的值。测量相位差 的具体方法是 当计数从全为“ 1”翻转为全“ 0”时，定时器中断标志位 TFn 置位。当 TRn=1 同时 GATE=0 或 INTn=0 时定时器计数，置位 GATE时允许由外部输入 INTn 控制定时器， TRn 为 TCON 寄存器内的控制位。 转矩测量公式： 12R 5 F TT= T （式 3-1） nts李冬：基于 ZJ 型传感器的转矩转速测量仪研制 - 6 - 其中 R 为传感器额定转矩， F 为传感器系数， T1 为两信号过零点之间的相位差， T2为信号的周期。 根据转速测量公式，对于转速的测量是通过测量一定时间内输入信号的脉冲数，然后 按照公式 3-2 计算出转速的值。 转速测量公式： 60 CN=TP （式 3-2） 其中 P 为传感器齿数， T 为规定的测量时间， C 为在 T 时间内输入的脉冲数。 测得的各种信号值完成公式的计算，都是在单片机 AT89C52 中通过软件来实现的，最终将计算出的值送入显示部分。 ZLG7289 是显示接口芯片，通过它来驱动 LED 数码管，把转矩转速的测量值显示出来。由于需要分别显示转矩和转速的测量值，本次设计需要两组 8 位 LED 数码管。电路中加入的看门狗 X5045 是起保护和复位的作用，当转矩转速值超过一定的上限值，或者系统电压不稳定时，它会自动的发出复位信号，使整个系统复位。生产中我们不仅要测量转矩转速值，而且要利用这些值对我们的生产过程进行控制，因此在设计中利用 RS-485 串行通信的方式，把测量值送入计算机进行分析处理，从而控制生产过程。由于 TTL 电平的逻辑与 RS-485 总线标准不匹配，因此电路中使用了 MAX-485 接口芯片，对 TTL 电平进行转换，使其符合 RS-485 总线逻辑。 3.2 ZJ 传感器的结构及工作原理 1. ZJ 型传感器的结构 ZJ 型转矩转速 传感器是根据磁电转换和相位差原理，将转矩、转速机械量转换成两路有一定相位差电压讯号的一种精密仪器，图 3-2 为传感器的结构示意图，它由机座、端盖、扭力轴、内齿轮、外齿轮、磁钢、线圈轴承等组成。内齿轮、磁钢固定在套筒上，线圈固定在端盖上，外齿轮固定在扭力轴上。 图 3-2 ZJ 型传感器的结构示意图 2. ZJ 型传感器的工作原理 内、外信号齿轮由铁磁材料制成，而磁钢是永久磁体制造的。从永久磁钢经气隙、信号齿轮再到永久磁钢，形成了闭合回路。当内、外齿轮旋转时，磁钢与齿顶、齿谷间nts安徽工程科技学院毕业设计（论文） - 7 - 的气隙发生改变，即磁路中的磁阻发 生改变，而永磁体的磁动势一定，据磁路的欧姆定律知线圈中的磁通必然发生变化。据电磁感应定律可知，线圈中也要相应的产生近似正弦波的感应电动势 e1,e2.两感应电动势的初始相位差 是恒定的，考虑到正、反加载，一般设计在 180 度位置上，当加上扭力时，扭力轴发生扭转变形，外齿轮和内齿轮间产生相对转角 ，从而两感应电动势 e1,e2 的相位关系发生了变化，相位差为 =0+ 。相位差的变化量 与相对转角 的关系为 =Z， Z 为内、外齿轮的齿数。由于在扭力轴的弹性范围内外加扭矩和机械扭转角成正比，因此，测量出 就等于 间接测量出轴上的外加转矩，这样就实现了将机械量转化成电子量的过程。图 3-3 为信号发生原理及时序波形图。 图 3-3 信号发生原理及时序波形图 3.3 信号的放大与比较电路设计 1. 调理电路的设计 在本次基于 ZJ 型传感器的转矩转速测量仪研制的设计中由传感器采集来的转矩转速模拟信号需要经过一系列的处理才能为单片机所用。为此设计了以 LM258 和 LM339为 基础的信号放大和比较电路，将模拟信号转换为可以为单片机运算处理用的数字信号。如图 3-4 所示。 由传感器采集来的两路信号比较小，不容易处理，需首先经无源 RC 滤波器处理后送 LM258 双运算放大器放大，得到方便处理的电压信号。为了防止电压过大，电路中还加入了二极管保护电路。单片机处理的是 TTL 电平信号，所以需要将模拟电压信号转换为 TTL 电平信号， LM339 是四电压比较器，常用于简单的模拟 /数字转换器。模拟信号经过比较器得到所需要的数字信号。 本次设计转矩的测量是采取相位差的方法，根据转矩的测量公式可知需要两路信号，一路信号用来测量信号的周期，一路 信号用来测量相位差，而相位差信号需要将两路信号加一个与门电路来获得。转速的测量同样需要两路信号，一路信号用来测量输入信号的脉冲数，一路信号用来测量输入信号脉冲所占用的时间。 2. LM258 和 LM339 简介 LM358 系列（包括 LM158、 LM258、 LM358、 LM2904）是由两个独立的高增益、内部频率补偿运算放大器组成。通过特殊设计，它可在宽电压范围的单电源下工作。当然它也能在双电源下工作。低的电源电流与电源数值大小无关。其应用领域包括转换放大器，直流增益部件和所有常规的运算放大器，这些更易于在单电源 系统中实现。 LM339 系列（包括 LM139、 LM239、 LM339、 LM2901）是由四组独立的精密电压nts李冬：基于 ZJ 型传感器的转矩转速测量仪研制 - 8 - 比较器组成，具有低失调电压的特点，所有四组比较器最大失调电压仅为 2mV。它特地为在较大的电压范围内单电源工作而设计，但也在双电源下工作，它的低电源电流不受电源电压大小的影响。即使在单电源电压下工作，这些比较器的输入共模电压范围也包括低电位。应用方面包括限幅比较器、简单的模拟 /数字转换器、脉冲方波和延时发生器、宽范围压控振荡器、 MOS 时钟多谐振荡器和高电压数字逻辑门。 LM339 系列能直接与 TTL 和 CMOS 接口。当工作于正负电源时，它们也能直接与 MOS 逻辑电路接口，在这些应用中 LM339 的低功耗的特点明显比普通比较器好。 1 2 3 4 5 6 7 8ABCD87654321DCBAT i t l eN um be r R e vi s i onS i z eA3D a t e : 23 - J un - 20 07 S he e t of F i l e : G : 我的论文 李冬 .dd b D r a w n B y :3 4U 1B74 L S 14567U 14 BL M 25 8R21KR31KI N 1R1100KC10.1 U+ 15 V- 15 VC5R420K452312U 5AL M 33 9BR 12100KR 13100KR 14100KR 15100KR 16100KR55.1 KD1I N 41 483 4U 2B74 L S 14567U 13 BL M 25 8R71KR81KI N 2R6100KC20.1 U+ 15 V- 15 VR920K452312U 6AL M 33 9BR 18100KR 19100KR 20100KR 21100KR 22100KR 105.1 KD2I N 41 48R 115.1 KR 175.1 K123U 3A74 L S 00V C CV C C图 3-4 信号调理电路图 3.4 主控模块单片机系统的设计 3.4.1 主控芯片 AT89C52 在设计中的应用 1. AT89C52 与外围芯片的连接 根据设计任务书的要求，在 基于 ZJ 传感器转矩转速测量仪的研制 中，主要就是由ZJ 传感器，放大、比较电路， 核心芯片 AT89C52 与 看门狗芯片 X5045 构成的主控系统 ，键盘与显示 接口 芯片 ZLG7289 构成的显示电路 及 串行通信 驱动芯片 MAX485 构成的 串行通信电路 一起 来实现一个完整的 转矩转速测量仪 ，它能 够测量各种电机的转矩转速。 在具体的设计中，通过 AT89C52 的 P2 口与 ZLG7289 相连，这样便构成了 CPU 与键盘显示部分的数据 /命令传送。其中 P2 口的 P2.5、 P2.6、 P2.7 分别与显示驱动芯片 7289的 SPI 总线片选信号 /CS、 SPI 总线时钟输入信号 CLK、 SPI 总线数据信号 DATA 相连。片选信号 /CS 以低电平有效，时钟信号 CLK 以上升沿有效，数据信号是双向的。 P1 口的 P1.1、 P1.2、 P1.3、 P1.4 分别与看门狗芯片 X5045 的 SO、 /CS、 SCK、 SI 相连构成看门狗电路用来监控系统防止死机。 P1.5 、 P3.0（ RXD）、 P3.1（ TXD） 分别 与 MAX485的 /RE 和 DE、 RO、 DI 相连，构成串行通信。 其中 AT89C52 与外围的器件连接结构图如 图 3-5 所示 ： nts安徽工程科技学院毕业设计（论文） - 9 - 图 3-5 AT89C52 与外围器件的连接结构图 2. AT89C52 在本设计中所用管脚的介绍 主控部分采用的是 ATMEL 公司的 AT89C52，外接 12M 的石英晶振，还有复位电路，该系列单片机由先进的 CMOS 工艺制造并带有非遗 失性 Flash 程序存储器，全部支持 12 时钟和 6 时钟操作。 AT89C52 是一种带 8K 字节闪烁可编程可擦除只读存储器（ 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，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 AT89C52 是一种高效微控制器，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。 它包含 256 字节 RAM、 32 条 I/O 口线、 3 个 16 位定时 /计数器、 6 输入 4 优先级嵌套中断结构、 2 个串行 I/O 口以及片内振荡器和时钟电路。此外，由于器件采用了静态设计，可提供很宽的操作频率范围，可实现两个由软件选择的节电模式 空闲模式和掉电模式，空闲模式冻结 CPU，但 RAM、定时器、串口和中断系统仍然工作。掉电模式保存 RAM 的内容，但是冻结振荡器，导致所有其它的片内功能停止工作，由于设计是静态的，时钟可停止而不会丢失用户数据，运行可从时钟停止处恢复。 其中在该设计中所用到的一些 AT89C52 的管脚功能介绍如下： VCC：供电 电源 。 GND：接地。 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。 在此次设计中， P1 口主要是用来与看门狗芯片 X5045 一起构成系统保护电路，当转矩转速的测量值超过规定上限值时，产生复位信号，从而起到保护作用。其中 P1.5 作为 MAX485 串行通信的数据输入口。 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 入 1 时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。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。AT89C52 X5045 ZLG7289 MAX485 nts李冬：基于 ZJ 型传感器的转矩转速测量仪研制 - 10 - 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 电路中接收按键信号和发送显示驱动 7289 所需的控制和数据输出信号。 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 AT89C52 的一些特殊功能口，如下所示： 表 3-1 P3 口线的特殊功能 口线 特殊功能 信号名称 P3.0 RXD 串行数据接收 P3.1 TXD 串行数据发送 P3.2 /INT0 外部中断 0 申请 P3.3 /INT1 外部中断 1 申请 P3.4 T0 定时器 /计数器 0 记数输入 P3.5 T1 定时器 /计数器 1 记 数输入 P3.6 /WR 外部 RAM 写选通 P3.7 /RD 外部 RAM 读选通 设计中使用 P3 口主要是使用起特殊功能。 P3.0 和 P3.1 作为 MAX485 的串行通信控制信号口。 P3.4 接受被测转矩的相位差信号，利用 GATE 门测量脉冲宽度，通过调用转矩测量程序运算处理得出转矩值， P1.0 和 P3.5 分别用作定时和计数， P1.0 口为定时器2 的特殊功能口，用来定时 1 分钟 ， P3.5 用来计数。 通过调用转速测量程序运算处理得出转矩值。 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 。设 计中与 X5045 的复位脚相连，构成 CPU 的复位电路。 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。 3. 其他功能的应用 在这次设计中，除了用到 AT89C52 的一些常见管脚外，还用到片内的一些存储器、定时器、计数器以及中断功能等。 在设计中 AT89C52 的定时器 0 和定时器 1 的操作由特殊功能寄存器 TMOD 的控制位 C/T 进行选择，这两个定时 /计数器有四种操作模式，通过 TMOD 的 M1 和 M0 选择，两个定时 /计数器的模式 0、 1 和 2 都相同，模式 3 不同。 模式 0 将定时器寄 存器配置为 13 位寄存器，当计数从全为“ 1”翻转为全“ 0”时，定时器中断标志位 TFn 置位。当 TRn=1 同时 GATE=0 或 INTn=0 时定时器计数，置位GATE 时允许由外部输入 INTn 控制定时器，这样可实现脉宽测量， TRn 为 TCON 寄存器内的控制位，本次设计即采用这种方法测量两信号的相位差。该 13 位寄存器包含 THn全部 8 个位及 TLn 的低 5 位， TLn 的高 3 位不定可将其忽略，置位运行标志 （ TRn）不能清零此寄存器。模式 0 的操作对于定时器 0 及定时器 1 都是相同的两个不同的 GATE位分别分配给定时器 0 及定时器 1。 模式 1 和模式 0 几乎都相同，所不同的是模式 1 使用了 THn 及 TLn 全部 16 位。 模式 2 下定时器寄存器作为可自动重装的 8 位计数器（ TLn）， TLn 的溢出不仅置nts安徽工程科技学院毕业设计（论文） - 11 - 位 TFn，而且将 THn 内容重新装入 TLn， THn 内容由软件预置，重装时 THn 内容不变，模式 2 的操作对于定时器 0 及定时器 1 是相同的。 模式 3 中，定时器 1 停止计数，效果与将 TR1 设置为 0 想同。此模式下定时器 0的 TL0 及 TH0 作为两个独立的 8 位计数器 ， TL0 占用定时器 0 的控制位： C/T， GATE，TR0， INT0，及 TF0。 TH0 限定为定时器功能，占用定时器 1 的 TR1 及 TF1。此时 TH0控制“定时器 1”中断。模式 3 可用于需要一个额外的 8 位定时器的场合，定时器 0 工作于模式 3 时， AT89C52 看似有 3 个 定时器 /计数器，当定时器 0 工作于模式 3 时 ，定时器 1 可通过开关进入 /退出模式 3，它仍可用作串行端口的波特率发生器，或者应用于任何不要求中断的场合。 定时器 2 是一个 16 位定时 /计数器，通过设置特殊功能寄存器 T2CON 中的 C/T2位，可将其作为定时器或计数器，定时器 2 有三种操作模式：捕获、自动重新安装和波特率发生器，这三种模式由 T2CON 中的位进行选择。 4. AT89C52 的存储器 系统介绍 单片机的存储器由三部分组成，即程序存储器（包括片内程序存储器，大小与芯片型号有关）、片内数据存储器（包括内部 RAM 存储器 00H FFH，共 256 字节；特殊功能寄存器）、外部数据存储器（ 0000H FFFFH，共 64KB）。 （ 1） 程序存储器 对于带有片内 ROM 的单片机来说，片内程序存储器和外部程序存储器地址空间重叠。如果 EA /Vpp 引脚为高电平，且程序计数器 PC 小于等于片内 ROM 的地址空间时，将从片内程序存储器去指令（在这种情况下， PSEN 信号无效）；而当 PC 超出片内 ROM地址空间时，自动到外部程序存储器去指令，即在 P0 口输出低 8 位地址（ A0 A7） ，在 P2 口输出高 8 位地址（ A15 A8） 。当 EA /Vpp 引脚为低电平时，一律从外部程序存储器取指令。 （ 2） 片内数据存储器 片内数据存储器由内部 RAM 和特殊功能寄存器组成。对于 89C52 芯片来说，内部RAM 的容量为 256 字节 （ 00H FFH） 。 1） 片内 RAM AT89C52 芯片内部 RAM 容量为 128 字节，根据用途可划分为工 作寄存器区、位寻址区和用户数据存储器区（可作 为用户 RAM 和堆栈区）。 工作寄存器区有 32 个字节组成，从 00H 1FH 的单元，分成四个区，每个区 8 个字节，分别用 R0 R7 作为这 8 个字节的寄存器名。 20H 2FH 单元，共 16 个字节，属于位寻址区。该区域可以按字节读写，也可以按位读写。 30H 单元以后可作为内部用户 RAM 区或堆栈区。对于 AT89C52 来说为 30H 7FH，尚有 80 个字节可作用户内部 RAM 或堆栈区。 复位后，堆栈指针 SP 指向 07H 单元。因此，一般需要修改，将 SP 设在 2FH 之上。 2） 特殊功能寄存器 由于单片机内集成了一些常用的 I/O 端口、串行口、定时器 /计数器、中断控制器等，因此这些 I/O 接口单元电路内的寄存器也就位于 CPU 内部，统称为特殊功能寄存器（ SFR，即 Special Function Registers） 。 AT89C52CPU 除了给 I/O 接口电路寄存器，如定时 /计数器控制寄存器 TCON 分配字节地址外， CPU 内的寄存器也有字节地址，如累加器 Acc 字节为 0E0H。此类单片机内共有 27 个特殊功能寄存器，其地址分散在 80H FFH 之间。 nts李冬：基于 ZJ 型传感器的转矩转速测量仪研制 - 12 - 3） 外部数据存储器 通过 P0、 P2 口最多可以连接 64KB 的 外部数据存储器。 3.4.2 看门狗电路的设计 1. X5045 简介 看门狗 (Watchdog)电路是嵌入式系统需要的抗干扰措施之一，工控系统在运行时，通常都会遇到各种各样的现场干扰，抗干扰能力是衡量工控系统性能的一个重要指标。看门狗 (Watchdog)电路是自行监测系统运行的重要保证，几乎所有的工控系统都包含看门狗电路。看门狗电路一般有软件看门狗和硬件看门狗两种。软件看门狗不需外接硬件电路，但系统需要出让一个定时器资源，这在许多系统中很难办到，而且若系统软件运行不正常，可能导致看门狗系统也瘫痪 ,硬件看门狗 是真正意义上的 “程序运行监视器 ”，所以在该设计中，我将用 X5045 芯片设计一种新的硬件看门狗电路，具有体积小、占用I/O 口线少和编程方便的特点。 1 2 3 4 5 6 7 8ABCD87654321DCBAT i t l eN um be r R e vi s i onS i z eA3D a t e : 2- J un - 20 07 S he e t of F i l e : C : D oc um e nt s a nd S e t t i ng s xi a ok a i k a i 桌面 毕业设计 李冬 我的论文 消防车 1.d dbD r a w n B y :CS1SO2WP3V S S4V C C8R E S7S C K6SI5U 12X 25 04 5图 3-6 X5045 引脚图 2. X5045 看门狗电路的设计 X5045 硬件连接图如图 3-7 所示。 X5045 芯片内包含有一个看门狗定时器，可通过软件预置系统的监控时间，在看门狗定时器预置的时间内若没有总线活动，则 X5045将从 RESET 输出一个高电平信号，使 CPU 复位。图 3-7 电路中， CPU 的复位信号 是Watchdog 复位。其中 /CS、 SI、 SO、 SCK 脚 都与 AT89C52 的 P1 口相连， /WP 为写保护输入端接高电平。 nts安徽工程科技学院毕业设计（论文） - 13 - 1 2 3 4 5 6 7 8ABCD87654321DCBAT i t l eN um be r R e vi s i onS i z eA3D a t e : 21 - J un - 20 07 S he e t of F i l e : G : 我的论文 李冬 .dd b D r a w n B y :CS1SO2WP3V S S4V C C8R E S7S C K6SI5U 12X 50 45+ 5V+ 5VE A / V P31X119X218R E S E T9RD17WR16I N T 012I N T 113T014T115P 101P 112P 123P 134P 145P 156P 167P 178P 0039P 0138P 0237P 0336P 0435P 0534P 0633P 0732P 2021P 2122P 2223P 2324P 2425P 2526P 2627P 2728P S E N29A L E / P30T X D11R X D10U9 89 C 52R 2510K图 3-7 看门狗电路原理图 3.5 键盘与显示接口芯片 ZLG7289 的设计 1. ZLG7289在本次设计中的应用 ZLG7289 是广州周立功单片机发展有限公司自行设计的数码管显示驱动及键盘扫描管理芯片，可直接驱动 8 位共阴式数码管（或 64 只独立 LED），同时还可以扫描管理多达 64 只按键。 ZLG7289 内部含有显示译码器，可直接接受 BCD 码或 16 进制码，并同时具有 2 种译码方式。此外，还具有多种控制指令，如消隐闪烁左移右 移段寻址等。 ZLG7289 采用 SPI 串行总线与微控制器接口，仅占用少数几根 I/O 口线。利用片选号，多片 ZLG7289 还可以并接在一起使用，能够方便地实现多于 8 位的显示或多于 64 只按键的应用。 ZLG7289 可广泛地应用于仪器仪表，工业控制器，条形显示器，控制面板等领域。 设计中 AT89C52的 P2.5、 P2.6、 P2.7口分别与 7289SPI串行总线的 /CS、 CLK、 DATA相连，当 P2.5口是低电平时， 7289芯片被选中，此时 P2.6口来到一个上升沿信号， SPI总线将开始进行数据输入，输 入信号从 P2.7口向 7289传输。数据信号经 7289送到 LED显示。此次需要测量的有转矩和转速两个参数，其中转矩的测量范围是 0-500.0Nm，转速的测量范围是 0-6000转 /min,因此我们需要两组 8位 LED显示，分别对转矩转速测量值进行显示。 2. ZLG7289简单介绍 ZLG7289的主要特性： 很宽的工作电压范围： 2.7 6V； 直接驱动 8 位共阴式数码管（ 1英寸以下）或 64 只独立的 LED； 能够管理多达 64 只按键，自动消除抖动； nts李冬：基于 ZJ 型传感器的转矩转速测量仪研制 - 14 - 段电流可达 15mA 以上，字电流可达 100mA； 利用功率电路可以方便地驱动 1英寸以上的大型数码管； 具有左移、右移、闪烁、消隐、段点亮等强大功能； 要显示的数据提供有两种不同的译码方式（也可以选择不译码）； 不接数码管而仅使用键盘管理功能时，工作电流可降至 3mA； 与微控制器之间采用 SPI 串行总线接口，操作方便，占用 I/O 资源少； 工作温度范围： 40 85 ； 封装： SOP-28， DIP-28。 图 3-6为 7289的引脚图，表 3-2是对 7289的引脚功能说明。 1 2 3 4 5 6 7 8ABCD87654321DCBAT itleN um be r R e vi s ionS izeA3D a te : 2- J un - 20 07 S he e t of F ile : C :D oc um e nt s a nd S e tting s xi a ok a ika i桌面 毕业设计 李冬 我的论文 消防车 1.d dbD r a w n B y :VDD1VDD2NC3V S S4NC5/C S6C L K7D A T A8/K E YSG10SF11SE12SC14SD13SB15SA16DP17D I G 018D I G 119D I G 220D I G 321D I G 422D I G 523D I G 624D I G 725O S C 126O S C 227/R E S28U7Z L G 72 89L E D D A T AL E D C L KL E D C S图 3-8 ZLG7289 引脚图 表 3-2 ZLG7289 引脚功能说明 引脚序号 引脚名称 功能描述 1， 2 VDD 接电源 3， 5 NC 悬空 4 VSS 接地 6 /CS SPI 总线片选信号，低电平有效 7 CLK SPI 总线时钟输入信号，上升沿有效 8 DATA SPI 总线数据信号，双向 9 /KEY 键盘中断请求信号，低电平（下降沿）有效 10 16 SG SA 数码管 g a 段 17 DP 数码管 dp 段 18 25 DIG0 DIG7 数码管字选信号 0 7 26 OSC1 晶振输出信号 27 OSC2 晶振 输入信号 28 /RES 复位信号，低电平有效 nts安徽工程科技学院毕业设计（论文） - 15 - ZLG7289 与微控制器的接口采用 3 线制 SPI 串行总线，由 CS、 CLK 和 DATA 这 3 根信号线组成。 CS 和 CLK 是输入信号，由微控制器提供。 DATA信号是双向的，必须接到微控制器上具有双向功能的 I/O 上。 SPI 信号线的具体意义请参见表 3-3。操作 SPI 总线的时序图请参见图 3-9。 表 3-3 ZLG7289 的 SPI 串行接口信号 信号名称 引脚序号 描述 CS/ 6 SPI 总线片选输入信号，低电平有效 CLK 7 SPI 总 线时钟输入信号，上升沿有效 DATA 8 SPI 总线数据信号，双向 图 3-9 带数据指令时序图（命令字在前，输入数据在后） 3.6 串行通信电路的设计 在实际的测量和控制过程中，经常需要进行信息的传输和交换。数据传送的方式可分为并行传输和串行传输，相应的通信总线被称为并行总线和串行总线。串行传输比并行传输用的导线数少，传输距离比并行传输要远的多。 此次设计就采用的是串行传输，采用的总线标准是 RS-485。由于 RS-485 规定的逻辑电平与一般的微处理器、单片机的 逻辑电平是不一致的，与 RS232C 相类似采用的是负逻辑。其逻辑电平与 TTL 电平显然是不匹配的，为了实现 RS-485 电平与 TTL 电平的连接，必须进行信号电平转换。本次设计为了实现 RS-485 标准电平与 TTL 电平间相互转换采用的接口芯片是 MAX485。其中单片机的 P1.5、 P3.1（ RXD）、 P3.2（ TXD） 分别与 MAX485 的 RE/DE、 RO、 DI 相连，构成串行通信电路，将系统测量得到的转矩转速数据传输出去。 1 RS-485 标准 RS-485 是 RS-422A 的变形。 RS-422A 为全双工，可同时发送和接收 ； RS-485 则为半双工，在某一时刻，一个发送另一个接收。 真正的多点总线应由连接至总线的多个驱动器和接收器构成，并且其中任何一个均可发送或接收数据，也就是说两条信号线组成的单通道即可完成收发功能。 RS-485 是一种多发送器的电路标准，它扩展了 RS-422A 的性能，允许双总线上一个发送器驱动32 个负载设备。负载设备可以是被动发送器、接收器或收发器。当用于多站互连时，可节省信号线，便于高速远距离传送。 2驱动芯片 MAX485 介绍 nts李冬：基于 ZJ 型传感器的转矩转速测量仪研制 - 16 - MAX485 的管脚图如图 3-10 所示，使用于半双工通信。 DE3DI4V C C8B7ROREAGND1256图 3-10 MAX485 引脚图 管脚功能如下： RO： 接收器输出。当 A-B+0.2V， RO=1；当 A-B+0.2V 1 0 0 -0.2V 0 0 0 输入开路 1 1 0 X 高阻 nts安徽工程科技学院毕业设计（论文） - 17 - 第 4 章 软件设计 4.1 主程序设计 本设计程序主要包括：系统初始化模块、测量模块、串行通信模块、看门狗程序模块、显示模块五部分组成。系统初始化模块 包括内存单元和变量缓冲区的初始化、定时器设置、中断向量设置和各芯片引脚的初始化定义等内容。测量模块主要完成对转速和转矩的测量工作，也是本次设计所要完成的主要工作。串行通信模块实现数据与计算机的相互收发，以便于计算机对过程进行控制。看门狗程序模块是对 单片机系统进行保护作用，当系统跑飞或者出现其他异常现象时完成对系统的复位。显示模块是完成对测量结果的显示功能，整个测量系统所要完成的工作就是测量转矩和转速值，并将其显示出来，因此显示模块也是非常重要的部分。 主程序 设计 首先 要对这个系统进行初始化，然后开中断，开始对转矩和转速进行测量。接着调用显示子程序，将测量结果显示出来。本次设计还需要完成与计算机的数据交换，因此需要一个串行通信程序。 主程序流程图如图 4-1 所示。 开 始系 统 初 始 化开 中 断开 始 测 量调 显 示 子 程 序完 成 与 P C 机 的数 据 交 换结 束图 4-1 软件程序总流程图 nts李冬：基于 ZJ 型传感器的转矩转速测量仪研制 - 18 - 4.2 初始化程序设计 系统的初始化是既复杂又很重要的工作。初始化程序主要完成对设计中使用的存储单元的初始化、串行通信的初始化、看门狗电路的初始化、 ZLG7289 的初始化、 T0、T1、 T2 的初始化和中断向量的设置。 图 4-2 初始化 程序 流程图 4.3 测量子程序设计 测量子程序主要完成转矩和转速的测量。转速的测量是根据公式 N=60C/(TP)所得，利用定时器 T2 定时测量时间 1 分钟， T1 对 1 分钟内信号脉冲个数进行计数，再根据转速测量公式计算出转速值。转矩的测量是根据公式 T=5RFT1/T2 所得，利用 T0的 GATE 门来测量信号的相位差，即 T1，根据前面转速测量时得出的值可计算出信号的周期，即 T2=60/C，然后再根据转矩测量公式计算出转矩的值。转速和转矩的程序流程图分别如 4-3 和 4-4 所示。 nts安徽工程科技学院毕业设计（论文） - 19 - 4-3 转速测量程序流程图 图 4-4 转矩测量程序流程图 4.4 串口通信程序设计 串口通信程序主要包括两个部分，一个是将计算机发来的数据传给单片机，另一部分是将单片机传来的数据通过串口发给计算机，在主程序里直接 调用即可。下面给出这个子程序流程图。 nts李冬：基于 ZJ 型传感器的转矩转速测量仪研制 - 20 - 图 4-5 串口中断服务程序流程图 4.5 看门狗程序设计 本文的看门狗程序设计的框图如下图所示 图 4-6 看门狗程序设计框图 nts安徽工程科技学院毕业设计
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