直流电机的转速检测及电路设计.doc

摘 要在电气时代的今天，电动机在工农业生产与人们日常生活中都起着十分重要的作用。直流电机作为最常见的一种电机，具有非常优秀的线性机械特性、较宽的调速范围、良好的起动性以及简单的控制电路等优点，因此在社会的各个领域中都得到了十分广泛的应用。系统主要功能是：AT89C51单片机接受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计数计算出电机转速送到LED并显示，外部装有蜂鸣器电路，在超速或低俗过低都会停止电动机，蜂鸣器发音，显示器不显示，从实用角度看，评价一个系统实用价值的重要标准，就是这个系统对社会生活和科技观念有多大的贡献。本设计以单片机为核心设计一个电动机转速测定及数据显示控制系统，要求对转速范围在0-3000r/min的直流调速电动机进行测量并显示，转速数据显示精度要达到转速个位数，有转速高、低限报警提示。本设计使用6V直流电机。将霍尔传感器产生的脉冲信号输入到单片机外部中断0口，单片机工作在内部定时器工作方式0，对周期信号进行计数，调用计算公式计算出转速，调用显示程序在LED上，其主要内容是单片机部分主要完成电机转速的测量，LED显示部分主要是把转速显示出来，显示范围在0-3000r/min之间。本设计主要研究直流电机的控制和测量方法，效率高，电路简单，使用也比较广泛，测速系统采用集成霍尔传感器敏感速率信号，具有频率响应快、抗干扰能力强等特点。从而对电机的控制精度、响应速度以及节约能源等都具有重要意义。关键词：单片机 霍尔IC传感器 , DAC0832 直流电动机 转速 流程图A/D 和D/A转换器目 录摘 要2第一章：引言5第二章：系统功能分析72.1 系统功能概述72.2 系统要求及主要内容72.3 系统技术指标7第三章：系统总体设计83.1 硬件电路设计思路83.2 软件设计思路9第四章：硬件电路设计94.1 单片机描述94.1.1 AT89C51引脚及作用94.1.2 ULN2003引脚图及功能134.2 外围电路设计144.2.1时钟电路144.2.2复位电路144.2.3测速电路154.2.4报警电路164.2.5显示电路164.2.6 74HC573引脚图及功能18第五章：软件电路设计20第六章：系统调试236.1 硬件调试236.2 软件调试246.3 综合调试246.4 故障分析与解决方案246.4.1 故障出现情况246.4.2 解决方案25第七章：结论26参考文献27致 谢28附 录29第一章 引言电子技术的高速发展，促使直流电机调速逐步从模拟化向数字化转变，特别是单片机技术的应用，使直流电机调速技术进入到一个新的阶段。直流电动机具有良好的起动、制动性能，宜于在大范围内平滑调速，在许多需要调速或快速正反向的电力拖动领域中得到了广泛的应用。从控制的角度来看，直流调速还是交流拖动系统的基础。早期直流电动机的控制均以模拟电路为基础，采用运算放大器、非线性集成电路以及少量的数字电路组成，控制系统的硬件部分非常复杂，功能单一，而且系统非常不灵活、调试困难，阻碍了直流电动机控制技术的发展和应用范围的推广。随着单片机技术的日新月异，使得许多控制功能及算法可以采用软件技术来完成，为直流电动机的控制提供了更大的灵活性，并使系统能达到更高的性能。采用单片机构成控制系统，可以节约人力资源和降低系统成本，从而有效的提高工作效率。在传统生产行业中，经常遇到各种需要测量转速的场合，例如发动机，电动机，机床主轴等旋转设备的运转和控制中，常需要分时或连续测量，显示其转速及瞬时转速。在现代化工业生产过程中，为了实现各种生产工艺过程，需要各种各样的生产机械。拖动各种生产机械运转，可以采用气动，液压传动和电力拖动。由于电力拖动具有控制简单调节性能好耗损小经济，能实现远距离控制和自动控制等一系列优点，因此大多数生产机械都采用电力拖动。按照电动机的种类不同，电力拖动系统分为直流电力拖动系统和交流电力拖动系统两大类。 纵观电力拖动的发展过程，交、直流两种拖动方式并存于各个生产领域。在交流电出现以前，直流电力拖动是唯一的一种电力拖动方式，19世纪末期，由于研制出了经济实用的交流电动机，致使交流电力拖动在工业中得到了广泛的应用，但随着生产技术的发展，特别是精密机械加工与冶金工业生产过程的进步，对电力拖动在起动，制动，正反转以及调速精度与范围等静态特性和动态响应方面提出了新的，更高的要求。由于交流电力拖动比直流电力拖动在技术上难以实现这些要求，所以20世纪以来，在可逆，可调速与高精度的拖动技术领域中，相当时期内几乎都是采用直流电力拖动，而交流电力拖动则主要用于恒转速系统。 直流电机作为执行机构被广泛地应用于各类控制系统中，其驱动与转速精度是电机能够稳定工作的关键。为此，我们提出了一种直流电机驱动与转速测量系统的设计方法，为直流电机制造、定型以及应用提供一些借鉴。同时对电机驱动及其速度测量的研究，也我们系统掌握了电源驱动电路和速度测量电路的连接，以及其中用的到的诸如：LM317，8253，8051 等芯片的功能及其各个引脚的功能，同时通过用面包板搭建临时电路，加强了我们的动手能力，提高了我们解决实际问题的能力，充分的体现了理论与实践结合。利用电子信息技术改造传统产业，可以提高生产效率，提升产品的市场竞争力。在这种时代背景下，如果应用现代化手段对电机转速进行科学改变，精确测量，并辅以数码显示，超速报警等装置，对工业，生活中的一些旋转设备的速度以及需要控制其速度的仪器和用品加以控制和测量，会给工业生产和生活带来看得到的方便,为了能精确的测量转速，还要保证测量的实时性，要求能测得瞬时转速。随着计算机的广泛应用，特别是高性能/价格比的单片机涌现，转速测量普遍采用了以单片机为核心数字法，智能化微电脑代替了一半的机械式或模拟量结构。经历了100多年的技术发展，电动机自身的理论基本成熟。随着电工技术的发展，对电能的转换、控制以及高效使用的要求越来越高。电磁材料的性能不断提高，电工电子技术的广泛应用，为电动机的发展注入了新的活力，未来电动机将会沿着体积更小、机电能量转换效率更高、控制更灵活的方向继续发展。设计以单片机为中心，霍尔传感器为测量器件，全数字化的测速仪器。这在工业控制和民用电器中都有较高的使用价值。转速是工程中应用非常广泛的一个参数,其测量方法很多,而模拟量的采集和模拟处理一直是转速测量的主要方法,目前这种测量方法已经不适应现代科技的发展要求.随着大规模及超大规模集成电路的发展, 使得全数字测量仪器越来越普及,其转速测量仪器也可以用全数字化处理.在测量范围和测量精度方面都有很大提高。本文的研究任务是研究电动机转速测定系统的设计。通过对AT89C51相关芯片的了解，实现对该系统的硬件与软件设计。要求以单片机作为核心器件，单片机通过对负脉冲计数，可计算出电机的转速，在超高时、低速限时，有报警提示，其优点时硬件电路简单，软件功能完善，测量速度快，精度高，控制系统可靠，性价比较高等特点。第2章 系统功能分析1系统功能概述系统主要功能是：AT89C51单片机接受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计数计算出电机转速送到LED并显示，外部装有蜂鸣器电路，在超速或低俗过低都会停止电动机，蜂鸣器发音，显示器不显示，从实用角度看，评价一个系统实用价值的重要标准，就是这个系统对社会生活和科技观念有多大的贡献，转速测量系统具有大范围、高精度等优点、测量速度快，这种系统将会有良好的应用。2.1系统要求及主要内容以单片机为核心设计一个电动机转速测定及数据显示控制系统，要求对转速范围在0-3000r/min的直流调速电动机或交流变频调速电动机进行测量并显示，转速数据显示精度要达到转速个位数，有转速高、低限报警提示。本设计使用6V直流电机。将霍尔传感器产生的脉冲信号输入到单片机外部中断0口，单片机工作在内部定时器工作方式0，对周期信号进行计数，调用计算公式计算出转速，调用显示程序在LED上，其主要内容是单片机部分主要完成电机转速的测量，LED显示部分主要是把转速显示出来，显示范围在0-3000r/min之间。2.2系统技术指标系统主要完成的功能是设计并制作单片机的转速测量的硬件系统，用汇编语言完成转速测量的软件系统，要求把转速显示四位LED数码管上，精度为0.1。根据系统要实现的功能以及要求，要实现单片机转速测量主要是各个模块的设计，定时器计数功能、以及LED驱动，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，完成预定任务。第三章 系统总体设计1硬件电路设计思路硬件设计的任务是根据总体设计要求，确定系统中所使用的元器件，设计出系统的电路原理图。89C51单片机通过INT0输入传感器信号，P2口接LED动态显示，转速测量部分硬件设计电路本主要由两部分组成：1霍尔传感器测速部分。测量转速的霍尔传感器和被测物体通州连接，机轴每转一周，产生一定量的脉冲个数，由霍尔器件电路部分输出。2测得的脉冲处理和显示部分，测速主要由霍尔传感器完成。脉冲处理部分主要经放大信号后对脉冲进行处理，由单片机P1.1口输入，经由AT89C51处理后使电动机转速显示在数码管上。并且使得转速测量误差小于20转/秒。其系统设计框图如图3-1所示。图3-1 系统设计框图3.1软件设计思路软件需要解决的是定时器0的记数外部中断0的设定，由于测量转速范围大，所以低速和高速都要考虑在内，关键在于一个四字节除三字节程序的实现，显示部分、需要有一个二进制到十进制的转换程序，以及转换成非压缩BCD的程序后，才能进行调用查表程序送到显示。软件工作流程：霍尔传感器利用磁电效应产生一周期脉冲向单片机的外部中断0（P3.2）口发送一个中断信号，定时器工作在内部定时，THO、THL设定初值为0，作为除数的低两字节，利用软件计数器，定时器0中断的次数作为除数高字节，中断完毕读取内部计数值作为除数，调用除法程序计算转速，再对二进制数进行一系列变换后调用查表程序，显示在LED上。转速部分软件设计思路：AT89C51单片机的P3.2口接收传感器信号，主要编写一个外部中断服务程序INT0,读取计数值的三个字节，并再次清0记数初值以便下次的记数和计算，调用两字节二进制-三字节十进制转换子程序BCD，再调用十进制转换成非压缩BCD程序，最后调用查表程序送到显示。第四章 硬件电路设计1模数（A/D）转换电路1模数（A/D）转换电路。由3000系列的霍尔IC器件及外围器件组成测速电路，将直流电动机转速转换成数字脉冲信号，送入8051单片机的定时计数器显示。2数模（D/A）转换电路。DAC0832是具有两个输入数据寄存器的8位电流输出型DAC，它可以和8051直接相接。其主要由三大部分组成：一个8位输入寄存器，一个8位DAC寄存器和一个8位D/A转换器，在8位的D/A转换器中所采用的是R2RT型电阻网络，两个8位数据寄存器可以分别进行控制，根据需要换成多种工作方式，在使用时具有极大的灵活性。DAC0832芯片与8051芯片进行连接的方法是采用直通、双缓冲和单缓冲等三种工作方式。其中单缓冲工作方式是使输入寄存器和DAC寄存器中的任意一个始终工作于直通（跟随）状态。另一个处于受控的锁存器状态。在MCS51的实际应用系统中，当只有一路模拟量输出，或几路模拟量不需要同时输出时，可采用单缓冲方式。我们把DAC0832芯片与MCS51的接口电路设计成一种单缓冲方式的典型接口电路，用P2.7接DAC0832的和，故接口地址为7FFFH。a) 功放电路 DAC0832的模拟电压输出电路采用单极性输出方式，其输出电压功率太小无法去控制电动机，通过功放电路把DAC0832输出的模拟电压转换成具有一定输出功率的电动机控制电压去控制电动机的转速，因此，我们可采用LF356运算放大器作为输出。b) 电源电路 DAC0832的参考电源采用能隙恒压源。如5G1403组成的电路。这种电路结构中，其简单稳压电路具有电路简单，所提供的参考电压为固定值，但负载电流变化时对电压特性有一定的影响，其输出电压低温度系数低等优点，故采用能隙恒压源作为稳压电源。c) 系统原理图其硬件电路主要有8051芯片，霍尔IC电路，DAC0832芯片，能隙恒压源电路和功放电路组成。其电路组成如图（1）所示。三、程序流程图开始栈指针初始化给转速设定值将0送入50H地址中将7FH送入60H地址中将40H地址中内容送入7FFFH中延时定时器初始化T0方式1、定时100msT1外部计数方式允许T0中断（50H）1启动T0、T1计数将0送入T1延时将0送入50H结束 系统程序的流程图如图主程序main中断服务程序现场进栈禁止T0、T1计数恢复T0计数初值转速大于定值？转速小于定值？N将60H地址中存放的内容减1送入40H地址中将1送入30H单元N将40H地址中存放的内容加1送入40H地址中Y将40H地址中存放的内容送入7FFFH地址中恢复现场返回 此程序的功能是用8051单片机的定时器/计数器T0、T1测出电动机的实际转换，并与设定值进行比较。根据比较结果使DAC0832芯片的输出控制电压增大或减小。P2.7和DAC0832的端相连，故可得出DAC0832的地址为7FFFH。同时8051设定内部50H单元存放实际转速与设定值是否相等的标志。如果为“1”表示相等，为“0”表示不相等。60H单元存放送入DAC0832芯片的电压调整数据。在DAC0832进行调整的过程中，8051根据电动机实际转速与设定转速之差电压调整量的数据，进行D/A转换并输出调整电压，并考虑到电动机的机电系统惯性，必须对输出电压调整量进行一定时间的保持，以便电动机转速能稳步达到设定值，对于延时时间的确定，则要根据实际情况进行测定和调整。通过对程序流程图和实际电路的分析，我们可用汇编语言或C语言对此程序进行编程，并用单片机的仿真软件EMU进行仿真调试，测试结果符合理论的要求。而且这种控制方法能使电动机在 一般状况下都保持稳定的转速，这样可以减少人的操作强度，减少手工控制中存在的许多缺点，减少故障的发生率， 提高精度。因此，这种自动控制电路在许多电动机要求运行非常稳定的场合都可以广泛应用。4.1单片机的描述4.1 AT89C51引脚及作用AT89C51是一种带4K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。其引脚图如图4-1所示。图4-1 AT89C51引脚图AT89C51各端口功能如下：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：引脚口备选功能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（记时器0外部输入）P3.5 T1（记时器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地位字节。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。程序存储器的某些单元是保留给系统使用的：0000H0002H单元是所有执行程序的入口地址，复位以后，CPU总是丛0000H单元开始执行程序。0003H002AH单元均匀地分为五段，用做五个中断服务程序的入口。用户程序不应进入上述区域。数据存储器RAM也有64KB寻址区，在地址上是和ROM重叠的。8051通过不同的信号来选通ROM或RAM：当从外部ROM取指令时用选通信号PSEN，而从外部RAM读写数据时采用读写信号RD或WR来选通。因此不会因地址重叠而出现混乱。AT89C51的RAM虽然字节数不很多，但却起着十分重要的作用。256个字节被分为两个区域：00H7FH时真正的RAM区，可以读写各种数据。而80HFFH是专门用于特殊功能寄存器（SFR）的区域。对于AT89C51安排了21个特殊功能寄存器，每个寄存器为8位，所以实际上128个字节并没有全部利用。内部RAM的各个单元，都可以通过直接地址来寻找，对于工作寄存器，则一般都直接用R0R7，对特殊功能寄存器，也是直接使用其名字较为方便。AT89C51内部特殊功能寄存器都是可以位寻址的，并可用“寄存器名.位”来表示，如ACC.0，B.7等。这些寄存器分别用于以下各个功能单元：CPU：ACC，B，PSW，SP，DPTR（由两个8位寄存器DPL和DPH组成）；并行口：P0，P1，P2，P3；中断系统：IE，IP；定时器/计数器：TMOD，TCON，T0，T1（分别由两个8位寄存器TL0和THO，TL1和TH1组成）；串行口：SCON，SBUF，PCON。4.2 ULN2003引脚图及功能ULN2003 是高耐压、大电流、内部由七个硅NPN 达林顿管组成的驱动芯片经常在以下电路中使用，作为： 1显示驱动2继电器驱动3照明灯驱动4电磁阀驱动5伺服电机、步进电机驱动等电路中。 ULN2003 的每一对达林顿都串联一个2.7K 的基极电阻，在5V 的工作电压下它 能与TTL 和CMOS 电路直接相连，可以直接处理原先需要标准逻辑缓冲器来 处理的数据,ULN2003 工作电压高，工作电流大，灌电流可达500mA，并且能够在关态时承受 50V 的电压，输出还可以在高负载电流并行运行,ULN2003 的封装采用DIP16 或SOP16，ULN2003A在各种控制电路中常用它作为驱动继电器的芯片，其芯片内部做了一个消线圈反电动势的二极管。ULN2003的输出端允许通过IC 电流200mA，饱和压降VCE 约1V左右，耐压BVCEO 约为36V。输出电流大，故可以直接驱动继电器或固体继电器(SSR)等外接控制器件，也可直接驱动低泡，ULN2003可以驱动7个继电器,具有高电压输出特性，并带有共阴极的续流二极管使器件可用于开关型感性负载。每对达林顿管的额定集电极电流是500mA，达林顿对管还可并联使用以达到更高的输出电流能力,ULN2003A中每对达林顿管的基极都串联有一个2.7k的电阻，可直接与TTL或5V CMOS器件连接。ULN2003可以并联使用，在相应的OC输出管脚上串联几个欧姆的均流电阻后再并联使用，防止阵列电流不平衡,在输入口输入高电平时，输出口为低电平，但是在输入端输入低电平时，输出端怎么还是低电平，ULN2003A的输出结构是集电极开路的，所以要在输出端接一个上拉电阻，在输入低电平的时候输出才是高电平。在驱动负载的时候，电流是由电源通过负载灌入ULN2003A的。4.2外围电路的设计4.2.1时钟电路 单片机新片内部设有一个由反方向放大器构成的振荡器反向放大器的输出端。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，电容的大小起到频率微调的作用，时钟电路如图4-2 所示。图4-2 时钟电路图4.2.2复位电路AT89C51的复位时由外部的复位来实现的，复位电路通常采用商店复位和按钮复位两种方式，本设计采用的是按钮复位，其电路如图4-3 所示。本设计时钟频率为6MHz，电容22uF，电阻1K。4.2.3测速电路测量电动机转速的第一步就是要将电动机转速表示为单片机可识别的的脉冲信号，从而进行脉冲计数，本模块主要对两种方法进行论证及选择。方案一：通过霍尔传感器测量转速的霍尔传感器和被测物体通州连接，机轴每转一周，产生一定量的脉冲个数，由霍尔器件电路部分输出。控制计数时间，即可实现计数器的计数值对应机轴的转速值。单片机将该值数据处理后，在数码管上显示出来。 方案二：通过高精度光电编码器码盘从光电对管中间穿过，码盘上与很多细线，细线将码盘均匀的分开。本系统采用的码盘有48条阻隔线，所以电机每转过7.5度系统就获得一个脉冲。经由单片机信号处理后在数码管上显示。以上两种方案中，方案一中的霍尔传感器是比较常用的电子原器件。购买方便使用简单。而方案二当中的高精度光电编码器精度要求较高，且不常用，所以本课题采用方案一来实现对电动机的测速。速度检测部分由霍尔传感器和磁钢组成。其结构如图4-4所示。霍尔传感器图4-4 霍尔传感器与磁钢图霍尔器件作为一种转速测量系统的传感器，具有结构牢固、体积小、重量轻、寿命长、安装方便等优点，当电动机转动时，带动传感器，产生对应频率的脉冲信号，经过信号处理后计数器或其他的脉冲计数装置，进行转速测量。在实际使用中，需要一个圆形塑料板，厚度大约4mm即可，将之固定在电动机转速轴上所谓磁钢，就是带有磁性的钢铁。在传感器检测电路中将磁钢嵌入固定到塑料板上，而霍尔传感器则放在转轴旁边。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，由霍尔传感器原理可知，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。4.2.4报警电路蜂鸣器俗称喇叭，是广泛应用于各种电子产品的一种元器件，它用于提示、报警、音乐等许多应用场合。蜂鸣器与家用电器上面的喇叭在用法上也有相似的地方，通常工作电流比较大，电路上的TTL电平基本上驱动不了蜂鸣器，需要增加一个电流放大的电路才可以，这一点与家用电器中的功放有相似之处。蜂鸣器的正极性的一端联接到5V电源上面，另一端联接到三极管的集电极，三极管的基级由单片机的P1.5管脚通过一个与非门来控制，当P1.5管脚为低时，与非门输出高电平，三极管导通，这样蜂鸣器的电流形成回路，发出声音。当P1.5管脚为高时，与非门输出低电平，三极管截止，蜂鸣器不发出声音。在这里与非门是作为非门来用的，这里采用一个非门的作用是为了防止系统上电时峰鸣器发出声音，以为系统复位以后，I/O口输出的是高电平，用户可以通过程序控制P1.5管脚的置低和置高来使蜂鸣器发出声音和关闭。蜂鸣器的声音大小及音调可以通过调整P1.5管脚的置高时间及输出的波形进行控制，这一点可以在调试程序的时候来试验。4.2.5显示电路市场上比较多见的数码管是LED数码管，它有亮度高，售价低等特点。非常适合本电路的制作。数码管课分为共阴数码管和共阳数码管，其区分方法如下：用一个万用表，将万用表调至二极管档（有个二极管符号的，也作通路档使用），黑表笔接公共脚红笔接任意非公共脚，若有某一段变亮则说明是共阳，反之如果红表笔接公共脚，黑表笔接任意非公共脚，发现有某一段变亮则说明是共阴，本设计中用到的是共阴数码管。共阴数码管内部构造如图4-5所示。a b c d e f g dp电源负端4-5 阴极数码显示管内部结构图它由8段发光二极管组成，可以显示a-g为7个可发光段的不同组合，可以显示0-9这几个数字。共阴极结构把8个发光二极管阴极连在一起。其显示数字与断码之间关系如表4-1所示。显示字符共阴极断码显示字符共阴极断码03FH56DH106H682H25BH7F8H34FH87FH466H96FH表4-1 数码管断码显示显示电路如图4-6所示。图 4-6 显示电路4.2.6 74HC573引脚图及功能74HC573 为八进制3 态非反转透明锁存器，同时也是高性能硅门CMOS 器件当锁存使能端为高时，这些器件的锁存对于数据是透明的（也就是说输出同步）。当锁存使能变低时，符合建立时间和保持时间的数据会被锁存。输出能直接接到CMOS，NMOS 和TTL 接口上，操作电压范围：2.0V-6.0V，低输入电流：1.0uA，CMOS 器件的高噪声抵抗特性，主要用于数码管、按键等的控制。74HC573包含八路D 型透明锁存器，每个锁存器具有独立的D 型输入，以及适用于面向总线的应用的三态输出。所有锁存器共用一个锁存使能（LE）端和一个输出使能（OE）端，当LE为高时，数据从Dn输入到锁存器，在此条件下，锁存器进入透明模式，也就是说，锁存器的输出状态将会随着对应的D的变化而改变。当输入每次LE为低时，锁存器将存储D输入上的信息一段就绪时间，直到LE的下降沿来临，当OE为低时，8个锁存器的内容可被正常输出；当OE为高时，输出进入高阻态。OE端的操作不会影响锁存器的状态。作用如下：1. 就是输出既不是高电平,也不是低电平,而是高阻抗的状态；在这种状态下,可以多个芯片并联输出；但是,这些芯片中只能有一个处于非高阻态状态,否则会将芯片烧毁。2. 当输入的数据消失时,在芯片的输出端,数据仍然保持，这个概念在并行数据扩展中经常使用到。3. 在数据缓冲方面可以加强驱动能力，管脚图如图4-7所示。图4-7 74HC573管脚功能图输入输出输出使能锁存使能DQLHHHLHLLLLX不变HXXZ表4-2 74HC573功能表 X=不用关心；Z=高阻抗74HC573功能表如表4-2所示。1脚是输出使能，11脚是锁存使能，D是输入，Q是输出，H是高电平，L是低/OE是1脚 LE是11脚/OE 接低电平，使芯片内部数据保持器输出端与芯片8位输出端之间连通。LE 端的作用是通过高低电平控制8位输入与内部数据保持器输入端的连通与断开。当 LE=0 时，P0端口的8位数据线与74HC573内部数据保持器的输入端断开。当 LE=1 时，P0端口的8位数据线与74HC573内部数据保持器的输入端连通9。电路原理图见附录I。第五章 软件电路设计1定时服务程序本章重点阐述测量转速的汇编语言，以及软件设计的过程，软件需要解决的是单片机中断程序的设计，计算程序的设计、显示部分的程序的程序设计以及在我们这里非重点介绍的通信程序设计。计算转速公式 n=60/NTC(r/min) (5-1)其中，N是内部定时器的计数值，为三字节，分别由TH0、TLO、VTT构成：TC为时基，由于采用11.0592M晶振，所以TC不再是1um，而是12M/11.0592约为1.08um,代入上面公式，即可得到转速精确计算公式 N=60*11059200/12N=55296000/N （5-2）再将55296000转化为二进制存入单片机的内存单元，下面介绍除数是如何获得的。单片机的转速测量完成，定时器T0作为内部定时器，外部中断来的时候读取THO和TLO,使定时器再次循环计内部脉冲。此外，对于低速情况下，我们还要设计一个软件计数器VTT,当外部中断还没来而内部定时器已经溢出，产生定时器0中断时，增加VTT,作为三字节中的高字节，三字节组成除数，上面的常数为四字节，所以计算程序实际上就是调用一个四字节除三字节商为两字节的程序。为了数码管能够显示出来，需将二进制转换为十进制，再将十进制转换成非压缩BCD码后，才能调用查表程序，最后送给显示电路10。1定时服务程序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，该程序主要是完成10ms的定时任务，并且对变量buf-min进行加一处理，其中在对T0进行赋初始值时，选择为10236而不是10000。主要是c语言在经过反汇编后，一条c语句将会编译成几条语句，这样就增加了指令执行的时间，使定时产生误差，而在经过多次调试后，选择10236为T0初始值最接近10ms。定时服务程序流程图如图5-1所示。关闭定时器TH0,TL0赋值Buf-min+1Buf-min+1开启定时器T0进入定时中断时退出中断图5-1 定时服务程序流程图 2脉冲计数程序该程序思路是给定的10ms支内，用单片机自带的计数器T1对外部脉冲进行计数。该流程图如图5-2所示。初始化T0,T1开始定时T0等待50ms 开启计数器T1Buf-min=10NY关闭计数器处理TH1,TH2数据显示数据开始结束图5-2 脉冲计数流程图汇编语言源程序见附录II。第六章 系统调试1硬件调试电路调试是是整个系统功能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、综合调试。硬件调试主要是针对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。上电前调试：在上电前，必须保证电路中不存在断路或短路的情况，这一工作是整个调试工作的第一步，也是非常重要的一步，在这部分调试中主要使用的是万用表，用来完成检测电路中是否存在短路或断路情况等，特别是数码管连接部分，有PROTEL制作的PCB确保要和原理图一致，有些电路板上没法连接线路，要用短接线接好，对照着原理图部分，一部分一部分用万用表测量，注意焊点之间，确定焊点没有短接在一起，同时注意焊点的美观，确保没有开路以及断路的现象出现。上电后的调试：在确保硬件电路正常，无异常情况方可上电调试，上电调试目的是检验电路是否接错，同时还要检验原理是否正确，在本次课题设计中，上电调试主要对转速测量系统的单片机控制部分、数码管点亮部分、和上位机通信的电平转换和出口通信部分的硬件调试。单片机控制部分硬件调试：这一部分调试主要是检测时钟电路、复位电路是否接对，单片机的电源以及地是否接好，以及其它的一些管脚的接法，看单片机通电后是否能正常工作等一系列问题。接上电源，使电路通电，检查各个芯片上的工作电压是否正常供电，以保证芯片正常工作。霍尔传感器1脚电压为5V、AT89C51的1脚31脚电压均为5V、uln2003的9脚电压5V则一切正常。数码管LED电路调试：由于数码管采用的是动态扫描的方式点亮的，数码管的公共端接在74HC573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74HC573是否接上电源和地让其正常工作，在这一前提下，查看数码管能否点亮，只需要接仿真机上编写一个小程序让4位LED全亮，或者让它们其中某个亮，也可以显示不同的数字，根据要求给P0口、P2口分别赋值。即可检查数码管硬件电路是否正确，即可判断显示驱动电路整个完整首先排除这里的故障。6.1软件调试单片机程序调试思路：主要应用LCA51来完成，这一部分工作首先将转速测量系统中的各个模块调试，不断调试，不断修改直到正确为止，LCA软件是一种非常实用的多窗口编辑、调试软件。 调试过程如下：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数，而除数是测量计数的值，当各个模块调试时，我们可以先对除数赋值，利用查看内部数据的数据窗口观察并计算出来的结果和用计算器算的结果是否一致。其次是二进制到十进制的转换，我们可以用上述举例方法，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。最后观察30H-40H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。6.2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，计算出转速值并储存；3通过LED数码管把测量的数据显示出来；4在超速或低速会停止电动机，蜂鸣器是否发音。6.4故障分析与解决方案6.2.1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计数功能不对；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，按电机不稳定；7通信时单片机接收数据不正常，PC机接收乱码。6.2.2解决方案1硬件电路中霍尔传感器工作在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些磁钢，利用霍尔效应产生方波，利用万用表检查时接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，外部中断没有执行跟没有中断信号加入有关系，在前面没有解决的时候，我们暂时用信号发生器来代替外部中断9输入，由于中断执行我们无法知道，可以用设置中断点的方法或者利用滤波器，在终端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，要先读取反应转速的TH0、TLO,再去清0，软件记数的高字节VTT应该在定时中断0中的服务程序自增的，同时清TH0、TLO,在外部中断程序中要读取三字节的记数值后同时清三个计数器，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，再用寄存器R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再调用之后再显示这里死循环，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，在为选信号这里出现了问题，在左移的时候出现了问题，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现象，由此可以推断，在传感器输入的信号不是理想方波，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。第七章 结论本设计完成了以单片机为核心设计一个电动机转速测定及数据显示控制系统，对转速范围在0-3000r/min的直流调速电动机或交流变频调速电动机进行测量并显示，转速数据显示精度要达到转速个位数，有转速高、低限报警提示。精度也在0.1，都达到了比较理想状态。根据系统要实现的功能以及要求，本设计实现单片机转速测量主要是各个模块的设计，定时器计数功能、以及LED驱动，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，完成预定任务。本设计主要研究直流电机的控制和测量方法，效率高，电路简单，使用也比较广泛，测速系统采用集成霍尔传感器敏感速率信号，具有频率响应快、抗干扰能力强等特点。从而对电机的控制精度、响应速度以及节约能源等都具有重要意义。参 考 文 献1 唐介. 电机与拖动M. 北京：高等教育出版社，2003.2 陈伯时. 电力拖动自动控制系统M. 北京：机械工业出版社，1997.3 成辉传感器的理论与设计基础及其应用北京：国防工业出版社，1999.4 胡汉才. 单片机原理及其接口技术M. 北京：清华大学出版社，1996.5 杨靖. 单片机控制的直流电机调速系统 机床电路 2008.6 楼然苗，李光飞. 51单片机设计实例M. 北