基于JN338的电动机转矩转速测量系统设计

本科毕业设计（论文）通过答辩目 录摘要-1关键词-11 前言-11.1 研究的目的和意义-11.2 发展背景-22 转矩转速测量系统原理-32.1 介绍转矩转速传感器JN338-32.2 JN338转矩测量系统原理-42.3 JN338转速测量系统原理-62.3.1 转速测量的一般方法-62.3.2 转速测量原理-113 系统设计-133.1 系统功能概述-133.2 硬件设计-143.2.1 单片机的选型-143.2.2 硬件电路设计思路 -143.2.3 硬件电路设计 -153.2.4 单片机介绍及单片机控制模块-153.2.5 JN338转矩转速传感器控制模块-263.2.6 片外储存器2732-273.2.7 上机通讯模块-283.3 软件设计-313.3.1 主程序流程图-32本科毕业设计（论文）通过答辩23.3.2 数码管显示子程序流程图-323.3.3 报警子程序流程图-323.3.4 超速子程序流程图-333.3.5可存储查询子程序流程图-344 结论-34参考文献-34致谢-36附录-37元件清单-49本科毕业设计（论文）通过答辩1基于JN338的电动机转矩转速测量系统摘 要:工农业生产中，常常要求对电动机的转矩转速进行测量，以满足工农业的需求，本文说明了由 JN338 和单片机 AT89C52 构成的转矩转速测量系统的基本原理，设计该系统的硬件电路、软件系统与上位机通信关键词：单片机；测量；转速；转矩；传感器Design of The Motor Speed Measurement System Based on JN338Abstract:In the production of industry and agriculture, often calls on motor torque speed are measured, in order to meet the industrial and agricultural needs, this article illustrates by JN338and MCU AT89C52constitute the torque and rotational speed measurement system the basic principle, design of the system hardware circuit, software system and host computer communicationKeywords：Microcontroller; Measurement；peed; torque; sensor本科毕业设计（论文）通过答辩21 前 言1.1 研究的目的和意义传统的旋转动力系统转矩测试，通常是采用电阻应变桥来检测转矩信号并借助于导电滑环来实现电阻应变桥能源的输入及应变信号的输出，但是，由于被测轴在高速旋转时会产生颤振，使接触点处的接触电阻发生变化，从而使测量误差增大。此外，导电滑环属于摩擦接触，也不可避免地存在磨损及发热，因而限制了旋转轴的转速及导电滑环的使用寿命。为了更好地测量电机的输出转矩和转速，控制和调整电机，本次设计选用 JN338数字式转矩转速传感器来进行转矩的测量，并以数字量的形式送入以 AT89C52 单片机为核心构成的测试系统。由于 JN338 传感器采用两组带间隙的特殊环形旋转变压器来承担应变桥能源输入及信号输出任务，从而实现能源及信号的无接触传递，因此提高了转矩测量的精度及可靠性。此外，该传感器还可同时实现旋转轴转速的测量，并方便地计算出轴的输出功率，因此，利用该传感器可实现转矩、转速及轴功率的多参数输出。本测量仪还可完成转矩、转速、轴输出功率的测量及报警值设定和传感器调零设定，同时还可将测试数据通过 RS232 口传送到上位计算机。JN338数字式转矩转速传感器是一种采用磁场耦合来传递能源及信号的新型转矩转速传感器，该传感器取消了传统转矩传感器的滑环结构并采用数字式输出，因而具有体积小、重量轻、安装方便，转矩转速测量接口简单的特点，因而是一种有着广泛发展前景的转矩转速传感器。 此传感器与标准A型传感器转矩测量、外形尺寸相同。转速采用旋转编码器的方式，它具有高频响、分辨率能力高、抗振动、耗能低、性能稳定可靠、使用寿命长等优点，适合转速低且要求转速测量精度高和进行角度测量的场合使用。JN338数字式转矩转速的特点： 1、转速测量精度高。 2、可提高转矩、转速信号采样的同步性。 3、可进行角度测量。 4、提高测量的采样速度。 5、可方便判断旋转方向。 6、同时传送两路相位差90的信号，对需要提高测量分辨率是可对原信号进行倍频。1.2 研究背景转速是能源设备与动力机械性能测试中的一个重要的特性参量，因为动力机械的许多特性参数是根据它们与转速的函数关系来确定的，例如压缩机的排气量、轴功率、内燃机的输出功率等等，而且动力机械的振动、管道气流脉动、各种工作零件的磨损状态等都与转速密切相关。转速测量的方法很多，测量仪表的型式也多种多样，其使用条件和测量精度也各本科毕业设计（论文）通过答辩3不相同。根据转速测量的工作方式可分为两大类：接触式转速测量仪表与非接触式转速测量仪表。前者在使用时必须与被测转轴直接接触，如离心式转速表、磁性转速表与测速发电机等；后者在使用时不需要与被测转轴接触,如光电式转速表、电子数字式转速表、闪光测速仪等。测量发动机转速的传统方法是使用光电式转速表测量。用这种方法测量时,既要在发动机转动轴上粘贴光标纸，又要求测量人员把转速表与光标纸的距离控制在很近的范围,测量十分不方便。随着科学技术的迅速发展,转速测量仪表已步入现代化、电子化的行列。过去曾经使用过的接触式测量仪表, 如离心式转速表、磁性转速表、微型发电机转速表及钟表是定时转速表，均已先后受到冷落；而利用已知频率的闪光与被测轴转速同步的方法来测速的闪光测速仪，虽属非接触式仪表，目前仍有应用,但也退居次要地位。代之而起的是非接触式的电子与数字化的测速仪表。这类转速仪表大多具有体积小、重量轻、读数准确、使用方便等优点，容易实现电脑荧屏显示和打印输出，能够连续的反映转速变化，既能测定发动机稳定情况下的平均转速,也能够用来在足够小的时间间隔这一特定条件下测定发动机的瞬时转速。转速转矩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，但转速转矩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2 转矩转速测量系统原理2.1 介绍转矩转速传感器 JN338JN338 转矩转速传感器是北京三晶创业集团公司的产品，该传感器采用两组特殊环形旋转变压器来实现能源的输入及转矩信号的输出，从而解决了旋转动力传递系统中能源及信号可靠地在旋转部分与静止部分之间的传递问题。该传感器还可同时实现旋转轴转速的测量，从而可方便地计算出轴输出功率，因此，利用该传感器可实现转矩、转速及轴功率的多参数输出 8。1、JN338 转矩传感器的特性和参数：特性：检测手段为应变电测技术；测量精度高 信号检出、处理均用数字技术；抗干扰能力强，无需调零即可工作；可靠性高、信噪比高，工作寿命长；本科毕业设计（论文）通过答辩4既可以测量静止扭矩，也可测量旋转转矩；能够测量稳态扭矩，也能测量过渡过程的动态转矩；无需反复调零即可连续测量正反转矩；无集流环、电刷等磨损件，可高速超长运行；转矩信号的传递与是否旋转、转速大小及旋转方向无关；测量弹性体强度大，可承受 150%过载；体积小，重量轻，安装方便，有套装式、卡装式、联轴式等多种安装方式；输出信号以频率形式给出，便于和计算机进行接口。技术参数：JN338 传感器主要技术参数参数指标 转矩准确度 0.5%；过载能力 150%F.S；绝缘电阻 200M；工作温度 -2060；重复性 0.5%F.S；滞后 0.5%F.S；线性 0.5%F.S；相对湿度 90%RH 传感器产品规格参考：规 格转矩测量范围(N.m) 最高转速(Rpm) 100 10100 6000 200 20300 5000 500 50700 4000 1000 1001500 3000 2000 2003000 2500 5000 5005000 2000插座引脚及功能：JN338 转矩传感器采用一只五只脚的航空插座做电源输入及转矩转速信号输出，插座外形及引脚排列如下图 1 所示，各引脚功能说明如下 2：1 脚：接地端 2 脚：+15V 电源端 3 脚：-15V 电源端 4 脚：转速信号输出端 5 脚：转矩信号输出端图 1 JN338 插座引脚排列本科毕业设计（论文）通过答辩5Fig 1 the JN338socket pin arrangement2.2 JN338 转矩测量系统原理该转矩转速传感器的检测敏感元件是电阻应变桥。将专用的测扭应变片用应变胶粘贴在被测弹性轴上以组成应变电桥，只要向应变电桥提供电源即可测得该弹性轴受扭的电信号，然后将该应变信号放大，再经过压/频转换变成与扭应变成正比的频率信号。传感器的能源输入及信号输出是由两组带间隙的特殊环形旋转变压器承担的，因此可实现能源及信号的无接触传递。该应变传感器测量原理如图 2 所示 6。在一段特制的弹性上粘贴专用的测扭应变片并组成电桥，以形成基础扭矩传感器，然后在轴上再固定能源形旋转变压器的次级线圈、轴上印刷电路板和信号环旋转变压器的初级线圈。电路板上包含整流稳压电源、仪表放大电路及 V/F 变换电路。在传感器的外壳上固定着激磁电路、能源环形旋转变压器的初级线圈、信号环形变压器的次级线圈及信号处理电路。图 2 应变传感器原理图Fig 2 Schematic diagram of strain sensor传感器电路部分在工作时，由外部电源向传感器提供15V 电源，激磁电路中的晶体振荡器产生 400Hz 的方波，经过 TDA2003 功率放大即产生交流激磁功率电源，通过能源环形旋转变压器从静止的初级线圈 T1 传递至旋转的次级线圈 T2，然后将得到的交流电源通过轴上的整流、滤波电路处理后变成5V 的直流电源。再将该电源作为运算放大器 AD822 的工作电源，并由基准电源 AD589 与双运放 AD822 组成高精度稳压电源，以产生4.5V 的精密直流电源，该电源既可作为应变电桥电源，又可作为仪表放大器及 V/F 转换器的工作电源。当弹性轴受扭时，应变桥检测到的 mV 级应变信号通过仪表放大器 AD620 将其放大成 1.5 V1V 的强信号，再通过 V/F 转换器 LM331 变换成频率信号，此信号通过信号环形旋转变压器，从旋转轴传递至静止的次级线圈，再经过传感器外壳上的信号处理电路滤波、整形即可得到与弹性轴承受的扭矩成正比的频率信号输出，其转矩值与输出频率对应曲线如图 3。再经过光电隔离，把信号送到单片机 AI89C52 的 T0、T1 计数器，然后由 T0、T1 完成测频计数功能，秒脉冲闸门本科毕业设计（论文）通过答辩6由 T2 提供。这其中光耦的作用，一是电平转换，把转矩转速信号电平转换成 TTL 电平，二是提高单片机的抗干扰能力并保护单片机。由单片机完成相应的转矩值的运算后，即可将转矩及轴功率等参数保存并显示输出图 3 JN338 转矩传感器转矩值与输出频率对应曲线Fig3 the JN338torque sensor torque value and the output frequency of the corresponding curve轴输出功率轴输出功率可由转矩传感器输出的转矩及转速值经运算后得到，计算公式为：P=MN/9550 式中，P 为轴输出功率(kW)；M 为转矩(N.M)；N 为转速(r/min)。转矩传感器信号输出JN338 转矩传感器信号输出形式如下：零转矩：10kHz50Hz；正向旋转满量程：15kHz50Hz；反向旋转满量程：5kHz50Hz；信号幅值：08V；负载电流：40mA。在有效的量程范围内，传感器的转矩频率输出与对应的转矩值基本上成线性关系，实际应用中，如果测量准确度要求不超过标称值，一般不需要通过逐段参数标定来完成计算。转矩输出下面给出转矩测量计算公式：正向转矩输出值为：Mp=N(f-f0)/(fp-f0) （1）反向转矩输出值为：Mr=N(f0-f)/(f0-fr) （2）上两式中：Mp：正向转矩；Mr：反向转矩；N：转矩满量程；fp：正向满量程输出频率值(kHz)；fr：反向满量程输出频率值(kHz)；f：实测转矩输出频率值。本科毕业设计（论文）通过答辩7转速输出该装置的转速输出值为：N=60f/z （3）式中，N 为转速(r/min)；f 为实测转速输出频率值(kHz)；Z 为传感器测速齿数，这里 Z 取 60。转矩值与输出频率值的对应曲线如图 3 所示。2.3 JN338 转速测量系统原理2.3.1 转速测量的一般方法转速是指作圆周运动的物体在单位时间内所转过的圈数,其大小及变化往往意味着机器设备运转的正常与否,因此,转速测量一直是工业领域的一个重要问题。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) 、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本文介绍的采用单片机和 JN338 转矩转速传感器组成的高精度转速测量系统,其转速测量方法采用的就是电子式定时计数法 5。一般转速测量系统有以下几个部分构成，转速测量系统框图如图 4 所示。键盘图 4 转速测量系统框图Fig 4 Speed measurement system block diagram1转速信号拾取转速信号拾取是整个系统的前端通道，目的是将外界的非电参量，通过一定方式转换成电量，这一环节可以通过敏感元件、传感器或测量仪表等来实现。转速信号拾取光电隔离单片机显示接口驱动电路显示本科毕业设计（论文）通过答辩8方法如下：(1) 通过敏感元件拾取被测信号敏感元件体积小，可以根据用户及环境要求做成各矛头形状的探头，它能将被测的物理量变换成电流、电压，只要选择合适的元件参数。如 R、L、C 设计相应的电路，便能完成这种对应关系。这种方法设计难度大，信号稳定度差，在模拟处理系统中不宜采用。(2) 通过传感器拾取信号由专业人员将敏感元件和相应的测量电路、传递机构以适当的形式制成不同类型、不同用处的传感器，根据原理输出电量。该电量可以是模拟量或数字量，现代传感器还可以输出开关量，用于数字逻辑电路。(3) 通过测量仪表拾取被测信号目前有许多测量仪表用于各种测量中，有大信号输出、有 BCD 码输出等，但价格昂贵，专业性强，一般不适合通用系统。通用的转速测量系统大都采用一种俗称“码盘”的传感装置，将圆形的码盘固定在转轴上，码盘上有若干规则排列的小孔，用光电偶来输出电信号，以反映转速对应关系，即是将转轴的速度以脉冲形式反映出来，通常有两种形式：(1) 模拟量量化后经 A/D 转换，由数字量反映角度，供单片机计算处理，得出转速。(2) 直接由脉冲来反应转轴的角度，用每转产生的脉冲经单片机处理得出转速。2光电隔离光电隔离是半导体管敏感器件和发光二极管组成的一种新器件,它主要功能是实现电信号的传送.输入与输出绝缘隔离,信号单向传输,无反馈影响.抗干扰性强,响应速度快.工作时,把输入信号加到输入端,使发光管发光,光敏器件在磁光辐射下输出光电流,从而实现电光点的两次转换.而隔离的是要将两股需要与对方通信的电流隔离，可透过光电隔离耦合器将电子信号转换成光，到了另一端在将光换回电子信号。用此方法就可以将两股电流完全隔离开来继电器隔离是用电信号控制继电器的机械触电来实现隔离控制3单片机单片机是整个测量系统的主要部分，担负对前端脉冲信号的处理、计算、以及信号的同步，计时等任务，其次，将测量的数据经计算后，将得到的转速值传送到显示接口中，用数码管显示数值。在本系统中考虑到计数的范围、使用的定时，计数器的个数及 I/O 口线，预选用 AT89C52 单片机。具体工作情况在后讨论。本科毕业设计（论文）通过答辩94驱动和显示由于 LED 数码管具有亮度高、可靠性好等特点，工业测控系统中常用 LED 数码管作为显示输出。本系统也采用数码管作显示。LED 显示器是用发光二极管显示字段的，通常使用七段构成“日”字型和一只发光二极管作为小数点，称八段数码显示器。其有两种驱动方式，共阴驱动和共阳驱动，共阴驱动是各段发光二极管的阴极连在一起，并将公共端接地，在共阳结构中，将各段发光二极管阳极连在一起，并将公共端接上+5V 电源，显示字符对应字型代码发光。5. 测频法“M”法在一定测量时间 T 内，测量脉冲发生器（替代输入脉冲）产生的脉冲数 m1来测量转速，如图 5“M”法测量转速脉冲所示，设在时间 T 内，转轴转过的弧度数为 X ，则转速 n 可由下式表示：n= (4)TX260转轴转过的弧度数 X 可用下式所示 m1X (5)p图 5 “M”法测量转速脉冲Fig 5 M method for measuring rotational speed pulse将（5）式代入（4）式得转速 n 的表达式为： n= TPm160本科毕业设计（论文）通过答辩10（6） P-为转轴转一周脉冲发生器产生的脉冲数；n-转速单位：（转/分）；T-定时时间单位：（秒）。在该方法中，测量精度是由于定时时间 T 和脉冲不能保证严格同步，以及在 T 内能否正好测量外部脉冲的完整的周期，可能产生的 1 个脉冲的量化误差。因此，为了提高测量精度，T 要有足够长的时间。定时时间可根据测量对象情况预先设置。设置的时间过长，可以提高精度，但在转速较快的情况下，所计的脉冲数增大（码盘孔数已定情况下），限制了转速测量的量程。而设置的时间过短，测量精度会受到一定的影响。6. 测频法“M”法转速可以用两脉冲产生的间隔宽度 TP来决定。用以采集数据的码盘，可以是单孔或多孔，对于单孔码盘测量两次脉冲间的时间，就可测出转述数据，T P也可以用时钟脉冲数来表示。对于多孔码盘，其测量的时间只是每转的 1/N，N 为码盘孔数。如图 6“T”法脉宽测量所示。T P通过定时器测得。定时器对时基脉冲(频率为 fc)进行计数定时，在 TP内计数值若为 m2，则计算公式为： n= PT60（7）即： 260Pmfnc（8）fc-为硬件产生的基准时钟脉冲频率：单位（Hz）；n-转速单位：（转/分）；m2-时基脉冲。图 6 “T”法脉宽测量本科毕业设计（论文）通过答辩11Fig 6 T method of pulse width measurement由 “T”法脉宽测量可知“T”法测量精度的误差主要有两个方面，一是两脉冲的上升沿触发时间不一致而产生的；二是计数和定时起始和关闭不一致而产生的。因此要求脉冲的上升沿（或下降沿）陡峭和计数和定时严格同步。测周法在低转速时精度较高，但随着转速的增加，精度变差，有小于一个脉冲的误差存在。7. 测频测周法“M/T”法所谓测频测周法，即是综合了“T”法和“M”法分别对高、低转速具有的不同精度，利用各自的优点而产生的方法，精度位于两者之间，如图 7“M/T”法定时/计数测量所示。“M/T”法采用三个定时/计数器，同时对输入脉冲、高频脉冲（由振荡器产生）、及预设的定时时间进行定时和计数，m 1反映转角，m 2反映测速的准确时间，通过计算可得转速值 n。该法在高速及低速时都具有相对较高的精度。测速时间 Td由脉冲发生器脉冲来同步，即 Td等于 m1个脉冲周期。由图可见，从 a 点开始，计数器对 m1和 m2计数，到达 b 点，预定的测速时间时，单片机发出停止计数的指令，因为 Tc不一定正好等于整数个脉冲发生器脉冲周期，所以，计数器仍对高频脉冲继续计数，到达 c 点时，脉冲发生器脉冲的上升沿使计数器停止，这样，m 2就代表了 m1个脉冲周期的时间。“M/T”法综合了“T”和“M”两种方法，转速计算如下：设高频脉冲的频率为 fc，脉冲发生器每转发出 P 个脉冲，由式（5）和（8）可得M/T 法转速计算公式为：2160Pmfnc(9)n-转速值。单位：（转/分）；fc-晶体震荡频率：单位（Hz）；m1-输入脉冲数，反映转角；m2-时基脉冲数。本科毕业设计（论文）通过答辩12图 7 “M/T”法定时/计数测量Fig 7 M / T legal / count measurement2.3.2 转速测量原理一般的转速长期测量系统是预先在轴上安装一个有 60 齿的测速齿盘,用变磁阻式或电涡流式传感器获得一转 60 倍转速脉冲,再用测频的办法实现转速测量，本文采用JN338 转矩转速传感器进行测速，同样在转矩传感器在旋转轴上安装着 60 条齿缝的测速轮，在传感器外壳上安装的一只由发光二极管及光敏三极管组成的槽型光电开关架，测速轮的每一个齿将发光二极管的光线遮挡住时，光敏三极管就输出一个高电平，当光线通过齿缝射到光敏管的窗口时，光敏管就输出一个低电平，旋转轴每转一圈就可得到 60 个脉冲，把得到的脉冲信号，经过光电隔离后送入单片机的 T0、T1 计数器，然后由 T0 和 T1 完成测频计数功能，秒脉冲闸门由 T2 提供。这其中光耦的作用，一是电平转换，把转矩转速信号电平转换成 TTL 电平，二是提高单片机的抗干扰能力并保护单片机，由单片机完成相应的转速值的运算后，即可将转速等参数保存并显示输出。而临时性转速测量系统,多采用光电传感器,从转轴上预先粘贴的一个标志上获得一转一个转速脉冲,随后利用电子倍频器和测频方法实现转速测量。不论长期或临时转速测量,都可以在微处理器的参与下,通过测量转轴上预留的一转一齿的鉴相信号或光电信号的周期,换算出转轴的频率或转速。即通过速度或转矩转速传感器,将转速信号变为电脉冲,利用微机在单位时间内对脉冲进行计数,再经过软件计算获得转速数据4。即:n=N/ (mT) (10)n 转速、单位:转/ 分钟;N 采样时间内所计脉冲个数;本科毕业设计（论文）通过答辩13T采样时间、单位:分钟;m 每旋转一周所产生的脉冲个数(通常指测速码盘的齿数) 。如果 m=60, 那么 1 秒钟内脉冲个数 N 就是转速 n, 即:n=N/ (mT) =N/60 1/60=N (11)通常 m 为 60。在对转速波动较快系统或要求动态特性好而精度高的转速测控系统中,调节周期一般很短,相应的采样周期需取得很小,使得脉冲当量增高,从而导致整个系统测量精度降低,难以满足测控要求。提高采样速率通常就要减小采样时间 T, 而 T 的减小会使采到的脉冲数值 N 下降,导致脉冲当量(每个脉冲所代表的转速) 增高,从而使得测量精度变得粗糙。通过增加测速码盘的齿数可以提高精度,但是码盘齿数的增加会受到加工工艺的限制,同时会使转速测量脉冲的频率增高,频率的提升又会受到传感器中光电器或磁敏器或磁电器件最高工作频率的限制。凡此种种因素限制了常规智能转速测量方法的使用范围。而采用本文所提出的定时分时双频率采样法,可在保证采样精度的同时,提高采样速率,充分发挥微机智能测速方法的优越性及灵活性。3 系统设计3.1 系统功能概述功能：系统主要实现功能是:单片机接收 JN338 转矩转速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矩、转速送到数码管显示，同时数据传给 PC 机 16。本系统通信部分是单片机经电平转换电路 HIN232CP 之后，通过串口 RS-232 发送数据，由 PC 微机接收。应用：从实用的角度看，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。传感器电路、转矩转速测量、数码管显示、电平转换电路设计等将在以下章节作详细地设计3.2 硬件设计3.2.1 单片机的选型本科毕业设计（论文）通过答辩14单片机的选型是一件重要而费心的事情，如果单片机型号旋转的合适，那么单片机的应用系统就会经济，工作可靠；如果选择不合适，那么就会造成经济浪费，影响单片机应用系统的正常运行，甚至达不到预先设计的功能对于一个实验性的电路，尽量选型双列直插（DIP 封装）这样便于手工电路焊接和调试，还有就是选择的单片机必须达到低功耗、搞效率的要求；开发成本要求尽量选择经济适用性；正常工作运行的速度；I/O 口的接口数量；定时、计算器等；认真估计程序的存储空间；还得考虑工作的环境来选择是否低功耗单片机（如果是野外或者需要长时间独立供电的场合，则需要尽量选择低功耗的单片机）根据以上条件和本文系统情况，本文系统选用的单片机为 AT89C521.AT89C52 是一个低功耗，高性能 CMOS 8 位单片机，片内含 8k 字节 Flash 可擦写存储器（PEROM）。AT89C52 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 80C51 和 80C52 指令集及引脚布局，AT89C52 的片内 Flash 允许程序存储器通过传统编程器反复编程。由于芯片内集成了通用 8 位中央处理器和 Flash 存储单元，功能强大的微处理器 ATMEL AT89C52 可为许多嵌入式控制应用系统提供高度灵活、高性价比的解决方案。AT89C52 具有如下特点：8k Bytes Flash 存储器、256 bytes 的 RAM、32 个 I/O 口、3 个 16 位定时/计数器,6 个中断优先级 2 层中断嵌套中断、1 个全双工串行通信口、片内时钟振荡器。 此外，AT89C52 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。AT89C52 在空闲模式下，CPU 暂停工作，而 RAM、定时/计数器、串行口和外中断系统可继续工作，掉电模式冻结振荡器并保存 RAM 的数据，停止芯片其它功能直至硬件复位 13。AT89C52 具有 PDIP、TQFP、PQFP 和 PLCC 四种封装形式，以适应不同产品的需求。3.2.2 硬件电路设计思路硬件设计的任务是根据总体设计要求，在选择的机型的基础上，具体确定系统中所要使用的元器件，设计出系统的原理框图、电路原理图。AT89C52单片机通过T0和T1口输入传感器的脉冲信号，P0口P2口接LED动态显示。另由于PC系列微机串行口为RS232C标准接口，与输入、输出均为TTL电平的89C52单片机在接口规范上不一致，因此TTL 电平到RS232接口电平的转换采用HIN232CP接口芯片，该芯片可以用单电压（+5V）实现RS232接口逻辑“1”（-3V-15V）和逻辑“0”（+3V+15V）的电平转换。本科毕业设计（论文）通过答辩153.2.3 硬件电路设计硬件的功能由总体设计所规定，硬件设计的任务是根据总体设计要求，在选择的机型的基础上，具体确定系统中所要使用的元器件，设计出系统的电路原理图，必要时做一些部件实验，以确定电路图的正确性，以及工艺结构的设计加工、印制板的制作、样机的组装等 15。整个单片机测量Z转矩转速系统为单片机控制模块、JN338传感器模块、发送模块，各个模块都承担着各自的任务。设计单片机模块，考虑到单片机本身的外围电路较多，所以在单片机模块方面需要极为小心。在整个电路设计时要考虑电平转换电路 3。本系统框图如图8图 8 单片机转矩转速测量系统的硬件框图Fig 8 MCU torque and rotational speed measurement system hardware block diagram3.2.4 单片机（AT89C52）介绍及单片机控制模块执行元件：AT89C52 是一个低电压，高性能 CMOS 8 位单片机，片内含 8k bytes 的可反复擦写的 Flash 只读程序存储器和 256 bytes 的随机存取数据存储器（RAM），器件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准 MCS-51 指令系统，片内置通用 8 位中央处理器和 Flash 存储单元，功能强大的 AT89C52 单片机可为您提供许多较复杂系统控制应用场合 10。图 9 是常用的一种单片机，型号为 AT89C52，它将计算机的功能都集成到这个芯本科毕业设计（论文）通过答辩16片内部去了，就这么一个小小的芯片就能构成一台小型的电脑，因此叫做单片机图 9 AT89C52 芯片Fig9 the AT89C52 chip它有 40 个管脚，分成两排，每一排各有 20 个脚，其中左下角标有箭头的为第 1脚，然后按逆时针方向依次为第 2 脚、第 3 脚第 40 脚AT89C52 有 40 个 引 脚 ， 32 个 外 部 双 向 输 入 /输 出 （ I/O） 端 口 ， 同 时 内 含 2 个外 中 断 口 ， 3 个 16 位 可 编 程 定 时 计 数 器 ,2 个 全 双 工 串 行 通 信 口 ， 2 个 读 写 口 线 ，AT89C52 可 以 按 照 常 规 方 法 进 行 编 程 ,但 不 可 以 在 线 编 程 (S 系 列 的 才 支 持 在 线 编程 )。 其 将 通 用 的 微 处 理 器 和 Flash 存 储 器 结 合 在 一 起 ， 特 别 是 可 反 复 擦 写 的Flash 存 储 器 可 有 效 地 降 低 开 发 成 本 。AT89C52 为 40 脚双列直插封装的 8 位通用微处理器，采用工业标准的 C51 内核，在内部功能及管脚排布上与通用的 8xc52 相同，其主要用于会聚调整时的功能控制。功能包括对会聚主 IC 内部寄存器、数据 RAM 及外部接口等功能部件的初始化，会聚调整控制，会聚测试图控制，红外遥控信号 IR 的接收解码及与主板 CPU 通信等。主要管脚有：XTAL1（19 脚）和 XTAL2（18 脚）为振荡器输入输出端口，外接 12MHz 晶振。RST/Vpd（9 脚）为复位输入端口，外接电阻电容组成的复位电路。VCC（40 脚）和 VSS（20 脚）为供电端口，分别接+5V 电源的正负端。P0P3 为可编程通用I/O 脚，其功能用途由软件定义，在本设计中，P0 端口（3239 脚）被定义为 N1 功能控制端口，分别与 N1 的相应功能管脚相连接，13 脚定义为 IR 输入端，10 脚和 11脚定义为 I2C 总线控制端口，分别连接 N1 的 SDAS（18 脚）和 SCLS（19 脚）端口，12 脚、 27 脚及 28 脚定义为握手信号功能端口，连接主板 CPU 的相应功能端，用于当前制式的检测及会聚调整状态进入的控制功能 9。本科毕业设计（论文）通过答辩17图 10 AT89C52 引脚分布图Fig10 the AT89C52pin distribution mapP0 口 是 一 组 8 位 漏 极 开 路 型 双 向 I/O 口 ， 也 即 地 址 /数 据 总 线 复 用 口 。 作 为 输出 口 用 时 ， 每 位 能 吸 收 电 流 的方 式 驱 动 8 个 TTL 逻 辑 门 电 路 ， 对 端 口 P0 写 “1”时 ， 可 作 为 高 阻 抗 输 入 端 用 。在 访 问 外 部 数 据 存 储 器 或 程 序 存 储 器 时 ， 这 组 口 线 分 时 转 换 地 址 （ 低 8 位 ） 和数 据 总 线 复 用 ， 在 访 问 期 间 激 活 内 部 上 拉 电 阻 。在 Flash 编 程 时 ， P0 口 接 收 指 令 字 节 ， 而 在 程 序 校 验 时 ， 输 出 指 令 字 节 ， 校 验时 ， 要 求 外 接 上 拉 电 阻 。P1 口 是 一 个 带 内 部 上 拉 电 阻 的 8 位 双 向 I/O 口 ， P1 的 输 出 缓 冲 级 可 驱 动 （ 吸收 或 输 出 电 流 ） 4 个 TTL 逻 辑门 电 路 。 对 端 口 写 “1”， 通 过 内 部 的 上 拉 电 阻 把 端 口 拉 到 高 电 平 ， 此 时 可 作输 入 口 。 作 输 入 口 使 用 时 ， 因 为 内 部 存 在 上 拉 电 阻 ， 某 个 引 脚 被 外 部 信 号 拉 低 时 会输 出 一 个 电 流 (IIL)。 与 AT89C51 不 同 之 处 是 ， P1.0 和 P1.1 还 可 分 别 作 为 定 时/计 数 器 2 的 外 部 计 数 输 入 （ P1.0/T2） 和 输 入 （ P1.1/T2EX） ，参 见 表 1。Flash 编 程 和 程 序 校 验 期 间 ， P1 接 收 低 8 位 地 址 。表 1 P1.0 和 P1.1 的 第 二 功 能Table 1 P1.0and P1.1second function本科毕业设计（论文）通过答辩18引脚号 功能特性P1.0 T2，时钟输出P1.1 T2EX（定时/计数器2）P2 口 是 一 个 带 有 内 部 上 拉 电 阻 的 8 位 双 向 I/O 口 ， P2 的 输 出 缓 冲 级 可 驱 动（ 吸 收 或 输 出 电 流 ） 4 个 TTL 逻 辑门 电 路 。 对 端 口 P2 写 “1”， 通 过 内 部 的 上 拉 电 阻 把 端 口 拉 到 高 电 平 ， 此 时 可作 输 入 口 ， 作 输 入 口 使 用 时 ， 因 为 内 部 存 在 上 拉 电 阻 ， 某 个 引 脚 被 外 部 信 号 拉 低 时会 输 出 一 个 电 流 (IIL)。在 访 问 外 部 程 序 存 储 器 或 16 位 地 址 的 外 部 数 据 存 储 器 （ 例 如 执 行 MOVX DPTR 指 令 ） 时 ， P2 口 送 出 高 8 位 地 址 数 据 。 在 访 问 8 位 地 址 的 外 部 数 据 存 储 器 （ 如执 行 MOVX RI 指 令 ） 时 ， P2 口 输 出 P2 锁 存 器 的 内 容 。Flash 编 程 或 校 验 时 ， P2 亦 接 收 高 位 地 址 和 一 些 控 制 信 号 。P3 口 是 一 组 带 有 内 部 上 拉 电 阻 的 8 位 双 向 I/O 口 。 P3 口 输 出 缓 冲 级 可 驱 动（ 吸 收 或 输 出 电 流 ） 4 个 TTL 逻辑 门 电 路 。 对 P3 口 写 入 “1”时 ， 它 们 被 内 部 上 拉 电 阻 拉 高 并 可 作 为 输 入 端口 。 此 时 ， 被 外 部 拉 低 的 P3 口 将 用 上 拉 电 阻 输 出 电 流 （ IIL） 。P3 口 除 了 作 为 一 般 的 I/O 口 线 外 ， 更 重 要 的 用 途 是 它 的 第 二 功 能P3 口 还 接 收 一 些 用 于 Flash 闪 速 存 储 器 编 程 和 程 序 校 验 的 控 制 信 号 。RST复 位 输 入 ： 当 振 荡 器 工 作 时 ， RST 引 脚 出 现 两 个 机 器 周 期 以 上 高 电 平 将 使 单 片 机复 位 。ALE/PROG： 当 访 问 外 部 程 序 存 储 器 或 数 据 存 储 器 时 ， ALE（ 地 址 锁 存 允 许 ） 输 出脉 冲 用 于 锁 存 地 址 的 低 8 位 字 节 。 一 般 情 况 下 ， ALE 仍 以 时 钟 振 荡 频 率 的 1/6 输 出 固 定 的 脉 冲 信 号 ， 因 此 它 可 对 外 输 出 时 钟 或 用 于 定 时 目 的 。 要 注 意 的 是 ： 每 当访 问 外 部 数 据 存 储 器 时 将 跳 过 一 个 ALE 脉 冲 。 对 Flash 存 储 器 编 程 期 间 ， 该 引脚 还 用 于 输 入 编 程 脉 冲 （ PROG） 。 如 有 必 要 ， 可 通 过 对 特 殊 功 能 寄 存 器 （ SFR）区 中 的 8EH 单 元 的 D0 位 置 位 ， 可 禁 止 ALE 操 作 。 该 位 置 位 后 ， 只 有 一 条 MOVX 本科毕业设计（论文）通过答辩19和 MOVC 指 令 才 能 将 ALE 激 活 。 此 外 ， 该 引 脚 会 被 微 弱 拉 高 ， 单 片 机 执 行 外 部 程序 时 ， 应 设 置 ALE 禁 止 位 无 效 。PSEN： 程 序 储 存 允 许 （ PSEN） 输 出 是 外 部 程 序 存 储 器 的 读 选 通 信 号 ， 当 AT89C52 由 外 部 程 序 存 储 器 取 指 令 （ 或 数 据 ） 时 ， 每 个 机 器 周 期 两 次 PSEN 有 效 ， 即 输 出两 个 脉 冲 。 在 此 期 间 ， 当 访 问 外 部 数 据 存 储 器 ， 将 跳 过 两 次 PSEN 信 号 。EA/VPP： 外 部 访 问 允 许 。 欲 使 CPU 仅 访 问 外 部 程 序 存 储 器 （ 地 址 为 0000HFFFFH） ， EA 端 必 须 保 持 低 电 平 （ 接 地 ） 。 需 注 意 的 是 ： 如 果 加 密 位 LB1 被 编程 ， 复 位 时 内 部 会 锁 存 EA 端 状 态 。 如 EA 端 为 高 电 平 （ 接 Vcc 端 ） ， CPU 则 执 行内 部 程 序 存 储 器 中 的 指 令 。 Flash 存 储 器 编 程 时 ， 该 引 脚 加 上 +12V 的 编 程 允 许电 源 Vpp， 当 然 这 必 须 是 该 器 件 是 使 用 12V 编 程 电 压 Vpp。XTAL1： 振 荡 器 反 相 放 大 器 的 及 内 部 时 钟 发 生 器 的 输 入 端 。XTAL2： 振荡器反相放大器的输出端。根据系统功能要求以及单片机硬件电路设计思路，对单片机模块进行设计，要使单片机准确的测量电机转速，并且使测出的数据能显示出来，所以整个单片机部分分为传感器电路、时钟电路、复位电路、执行元件以及显示电路五个部分。振荡器特性：整个 PEROM 阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合，并保持 ALE管脚处于低电平 10ms 来完成。在芯片擦操作中，代码阵列全被写“1”且在任何非空存储字节被重复编程以前，该操作必须被执行。此外，AT89C52 设有稳态逻辑，可以在低到零频率的条件下静态逻辑，支持两种软件可选的掉电模式。在闲置模式下，CPU 停止工作。但 RAM，定时器，计数器，串口和中断系统仍在工作。在掉电模式下，保存 RAM 的内容并且冻结振荡器，禁止所用其他芯片功