基于avr测转速设计

淮安信息职业技术学院毕业设计毕业论文题目基于AVR单片机测转速测量系统设计学生姓名李慧芳学号71081010系部通信系专业电子信息工程班级710810指导教师沙祥二一年十月基于AVR测转速2摘要转速是发动机重要的工作参数之一,也是其它参数计算的重要依据。转速测量控制普遍采用了以单片机为核心的数字化、智能化的系统。针对现在日常生活中常见的发动机设计了以单片机ATMAGE16为控制核心的转速测量系统。系统利用霍尔传感器作为转速检测元件，并利用设计的调理电路对霍尔转速传感器输出的信号进行滤波和整形,将得到的标准方波信号送给单片机进行处理。实际测试表明,该系统能满足发动机转速测量要求。关键词转速测量，霍尔传感器，信号处理，数据处理淮安信息职业技术学院毕业设计论文3ABSTRACTTHEROTATESPEEDISONEOFTHEIMPORTANTPARAMETERSFORTHEENGINE,ANDITISALSOTHEIMPORTANTFACTORTHATCALCULATESOTHERPARAMETERSTHEROTATESPEEDMEASUREMENTSYSTEMFORTHECOMMONENGINEISDESIGNEDWITHTHESINGLECHIPATMAGE16THESIGNALOFTHEROTATESPEEDISSAMPLEDBYTHEHALLSENSOR,ANDITISTRANSFORMEDINTOSQUAREWAVEWHICHWILLBESENTTOSINGLECHIPCOMPUTERTHERESULTOFTHEEXPERIMENTSHOWSTHATTHEMEASUREMENTSYSTEMISABLETOSATISFYTHEREQUIREMENTOFTHEENGINEROTATESPEEDMEASUREMENTKEYWORDSROTATESPEEDMEASUREMENT,HALLSENSOR,SIGNALPROCESSING,DATAPROCESSING基于AVR测转速4目录ABSTRACT3第一章前言5第二章系统概述621系统组成622处理方法723系统工作原理7231霍尔传感器7232转速测量原理8第三章系统硬件电路设计1031单片机主控电路设计1033定时器/计数电路1434数据显示电路设计163411602液晶显示结构和显示原理1635稳压电源设计18第四章系统软件设计21第五章制作调试2351硬件调试2352软件调试23第六章测试结果分析24结论25致谢26参考文献27淮安信息职业技术学院毕业设计论文5第一章前言在工业生产和日常生活中，经常会遇到各种需要测量转速的场合，例如在发动机、电动机、卷扬机、机床主轴等旋转设备的试验、运转和控制中，常需要测量和显示其转速。要测速，首先要解决的是采样问题。测量转速的方法分为模拟式和数字式两种。模拟式采用测速发电机为检测元件，得到的信号是模拟量。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。数字式通常采用光电编码器、圆光栅、霍尔元件等为检测元件，得到的信号是脉冲信号。随着微型计算机的广泛应用，单片机技术的日新月异，特别是高性能价格比的单片机的出现，转速测量普遍采用以单片机为核心的数字式测量方法，使得许多控制功能及算法可以采用软件技术来完成，智能化微电脑代替了一般机械式或模拟式结构，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。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。测速电机的电压高低反映了转速的高低，在许多需要调速或快速正反向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。本文介绍一种用ATMAGE16单片机测量小型电动机转速的方法。系统以单片机ATMAGE16为控制核心，用NJK8002D霍尔集成传感器作为测量小型直流电机转速的检测元件，经过单片机数据处理，用8位LED数码管动态显示小型直流电机的转速。基于AVR测转速6第二章系统概述21系统组成系统由传感器、处理器、显示器和系统软件等部分组成。传感器部分采用霍尔传感器，负责将转速转化为脉冲信号。处理器采用ATMAGE16单片机，显示器采用1602字符点阵液晶显示模块。系统原理框图如图21所示图21转速测量系统原理框图系统软件主要包括测量初始化模块、显示模块、定时器计数模块。系统软件框图如图22所示。图22系统软件框图霍尔传感器单片机信号1602液晶显示初始化模块定时器计数模块显示模块淮安信息职业技术学院毕业设计论文722处理方法系统的设计以ATMAGE16单片机为核心，利用它内部的定时/计数器完成待测信号频率的测量。测速实际上就是测频，通常可以用计数法、测脉宽法和等精度法来进行测试。所谓计数法，就是给定一个闸门时间，在闸门时间内计数输入的脉冲个数；测脉宽法是利用待测信号的脉宽来控制计数门，对一个高精度的高频计数信号进行计数。由于闸门与被测信号不能同步，因此，这两种方法都存在1误差的问题，第一种方法适用于信号频率高时使用，第二种方法则在信号频率低时使用。等精度法则对高、低频信号都有很好的适应性。此系统采用计数法测速。单片机ATMAGE16内部具有2个8位定时/计数器,定时/计数器的工作可以由编程来实现定时、计数和产生计数溢出中断要求的功能。在构成为定时器时,每个机器周期加1使用12MHZ时钟时,每1US加1,这样以机器周期为基准可以用来测量时间间隔。在构成为计数器时,在相应的外部引脚发生从1到0的跳变时计数器加1,这样在计数闸门的控制下可以用来测量待测信号的频率。外部输入每个机器周期被采样一次,这样检测一次从1到0的跳变至少需要2个机器周期24个振荡周期,所以最大计数速率为时钟频率的1/24使用12MHZ时钟时,最大计数速率为500KHZ。定时/计数器的工作由相应的运行控制位TR控制,当TR置1时,定时/计数器开始计数，当TR清0时,停止计数。23系统工作原理转速是工程上一个常用的参数，旋转体的转速常以每分钟的转数来表示。其单位为RMIN。由霍尔元件及外围器件组成的测速电路将电动机转速转换成脉冲信号，送至单片机ATMAGE16的计数器T0进行计数，用T1定时测出电动机的实际转速。此系统使用单片机进行测速，采用脉冲计数法，使用霍尔传感器获得脉冲信号。其机械结构也可以做得较为简单，只要在转轴的圆盘上粘上两粒磁钢，让霍尔传感器靠近磁钢，机轴每转一周，产生两个脉冲，机轴旋转基于AVR测转速8时，就会产生连续的脉冲信号输出。由霍尔器件电路部分输出，成为转速计数器的计数脉冲。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CPU将该数据处理后，通过LED显示出来。231霍尔传感器霍尔传感器是对磁敏感的传感元件，由磁钢、霍耳元件等组成。测量系统的转速传感器选用SIKO的NJK8002D的霍尔传感器，其响应频率为100KHZ，额定电压为530（V）、检测距离为10（MM）。其在大电流磁场或磁钢磁场的作用下，能测量高频、工频、直流等各种波形电流。该传感器具有测量精度高、电压范围宽、功耗小、输出功率大等优点，广泛应用在高速计数、测频率、测转速等领域。输出电压425V，直流电源要有足够的滤波电容，测量极性为N极。安装时将一非磁性圆盘固定在电动机的转轴上，将磁钢粘贴在圆盘边缘，磁钢采用永久磁铁，其磁力较强，霍尔元件固定在距圆盘110MM处。当磁钢与霍尔元件相对位置发生变化时，通过霍尔元件感磁面的磁场强度就会发生变化。圆盘转动，磁钢靠近霍尔元件，穿过霍尔元件的磁场较强，霍尔元件输出低电平；当磁场减弱时，输出高电平，从而使得在圆盘转动过程中，霍尔元件输出连续脉冲信号。这种传感器不怕灰尘、油污，在工业现场应用广泛。232转速测量原理霍尔器件是由半导体材料制成的一种薄片，器件的长、宽、高分别为L、。若在垂直于薄片平面（沿厚度）方向施加外磁场，在沿方向的两个端面加一外电场，则有一定的电流流过。由于电子在磁场中运动，所以将受到一个洛仑磁力，其大小为QVBF式中F洛仑磁力，载流子电荷，载流子运动速度，磁感应强度。这样使电子的运动轨迹发生偏移，在霍尔元器件薄片的两个侧面分别产生电子积聚或电荷过剩，形成霍尔电场，霍尔元器件两个侧面间的电位差称为HU霍尔电压。霍尔电压大小为MVHURDBI/式中霍尔常数，元件厚度，磁感应强度，控制电HR淮安信息职业技术学院毕业设计论文9流设,则MVHKRD/HUKDBI/为霍尔器件的灵敏系数MV/MA/T，它表示该霍尔元件在单位磁感应强度和单位控制电流下输出霍尔电动势的大小。应注意，当电磁感应强度反向时，霍尔电动势也反向。图23为霍耳元件的原理结构图。若控制电流保持不变，则霍尔感应电压将随外界磁场强度而变化，根据这一原理，可以将两块永久磁钢固定在电动机转轴上转盘的边沿，转盘随被测轴旋转，磁钢也将跟着同步旋转，在转盘附近安装一个霍尔元件，转盘随轴旋转时，霍尔元件受到磁钢所产生的磁场影响，输出脉冲信号。传感器内置电路对该信号进行放大、整形，输出良好的矩形脉冲信号，测量频率范围更宽，输出信号更精确稳定，已在工业，汽车，航空等测速领域中得到广泛的应用。其频率和转速成正比，测出脉冲的周期或频率即可计算出转速。图23霍耳元件的原理结构图基于AVR测转速10图24霍尔元器件第三章系统硬件电路设计31单片机主控电路设计系统选用ATMAGE16作为转速信号的处理核心。ATMAGE16包含32个8位通用工作寄存器、两个具有独立预分频器和比较器功能的8位定时器/计数器、一个具有预分频器、比较功能和捕捉功能的16位定时器/计数器、并具有独立振荡器的实时计数器RTC、四通道PWM32个和可编程的I/O口。它的最大特点是低功耗和高速度，其掉电方式、闲置方式至工作方式下的耗电约为1A25A。ATMEGA16成为一个功能强大的单片机，为许多嵌入式控制应用提供了灵活而低成本的解决方案。ATMEGA16具有一整套的编程与系统开发工具，包括C语言编译器、宏汇编、程序调试器/软件仿真器、仿真器及评估板。ATMAGE16单片机是在一块芯片中集成了CPU、定时器/计数器、多功能I/O口、AD转换器、EEPROM、模拟比较器、PWM定时计数器等多种功能部件。其基本结构框图如图31，包括32个8位通用工作寄存器4个8位并行I/O口两个8位定时器/计数器；一个内部时钟电路；一条8位数据总线2个时钟周期的硬件乘法器1个状态控制器1个看门狗定时器淮安信息职业技术学院毕业设计论文11图31ATMAGE16单片机结构框图ATMAGE16系列单片机中HMOS工艺制造的芯片采用双列直插DIP方式封装,有40个引脚。ATMAGE16单片机40条引脚说明如下1电源引脚。V正常运行为5V电源,V为接地端。CS（2）I/O总线。PA0PA7（PA口），PB0PB7（PB口），PC0PC7（PC口），PD0PD7（PD口）为输入/输出引线。基于AVR测转速12（3）时钟。XTAL1反向振荡放大器与片内时钟操作电路的输入端。XTAL2反向振荡放大器的输出端。（4）AVCC端口A与A/D转换器的电源。不使用ADC时，该引脚应直接与VCC连接。使用ADC时应通过一个低通滤波器与VCC连接。AREFA/D的模拟基准输入引脚。图32ATMAGE16单片机管脚图（5）复位端RESET复位端，用于在电路出现问题时使电路恢复。为了使可靠复位，再加一只01UF的电容以消除干扰、杂波。在AVR单片机工作期间，按下S1（复位按钮）开关再松开时，将在复位脚产生一个低电平的复位脉冲信号，触发AVR单片机复位。淮安信息职业技术学院毕业设计论文13图33ATMAGE16单片机复位电路基于AVR测转速1433定时器/计数电路ATMEGAL6内部有3个通用定时器/计数器2个8位的定时器/计数器TCO、TC2，1个16位的定时器/计数TC1。3个通用定时器/计数器除了能够实现通常的定时计数功能外，还具有捕获，比较、脉宽调制输出（PWM）实时时钟等超强功能；我们这一节主要介绍定时计数的基本原理及应用。计数器原理框图如图图35计数器原理框图当外部发送来一个有效脉冲时，在S1闭合的情况下，计数器会加1，即表示计数器记录了一次外部事件。当外部脉冲为连续的脉冲时，计数器将不断地加1，直到计数器溢出如8位计数器从00到FFH就溢出。计数器溢出时计数器自动回“0”，同时向溢出标志TF进位，计数器又从“0”开始继续计数。淮安信息职业技术学院毕业设计论文15与TIMER1有关的几个寄存器基于AVR测转速1634数据显示电路设计3411602液晶显示结构和显示原理液晶显示器以其微功耗、体积小、显示内容丰富、超薄轻巧的诸多优点，在各类仪表和低功耗系统中得到广泛的应用。根据显示内容可以分为字符型液晶，图形液晶。根据显示容量又可以分为单行16字，2行16字，两行20字等等。这里介绍常用的字16字X2行的字符型液晶模块的使用方法。这是一种通用模块。与数码管相比该模块有如下优点1位数多，可显示32位，32个数码管体积相当庞大了2显示内容丰富，可显示所有数字和大、小写字母3程序简单，如果用数码管动态显示，会占用很多时间来刷新显示，而1602自动完成此功能。LCD1602字符点阵液晶显示模块的管脚定义如图所示图36管脚定义LCD1602本身带有内部字符发生存储器（CGROM），这里面存储了常用的标点符号、数字、大小写字母以及日文假名等，若要显示某个字符，查出对应的代码即可。但是要示其他的内容如汉字、图形等就要用到用户自定义字符存储器（CGRAM）字符型LCD通常有14条引脚线或16条引脚线的LCD，多出来的2条线是背光电源线VCC15脚和地线GND16脚，其控制原理与14脚的LCD完全一样，定义如下表所示淮安信息职业技术学院毕业设计论文17图37字符型LCD的引脚定义在LCD模块上也固化了字模存储器，这就是CGROM和CGRAM。HD44780内置了192个常用字符的字模，存于字符产生器CGROMCHARACTERGENERATORROM中，另外还有8个允许用户自定义的字符产生RAM，称CGRAMCHARACTERGENERATORRAM。下图说明了CGROM和CGRAM与字符的对应关系。基于AVR测转速18本次的设计利用LCD1602液晶显示通过霍尔器件的信号的转速35稳压电源设计如图37所示为512V连续可调稳压电源，采用L4960芯片制作的输出电流可达10A，输出电压在512V间连续可调，是一个实用的开关型稳压电源。其工作原理为220V交流电源经变压器T1降压，桥堆VD1整流，C1、C2滤波后得到一直流电压。IC第、脚为直流电压输入端，其最高输入电压为40V。该直流电压经淮安信息职业技术学院毕业设计论文19IC内部的振荡器调制为200KHZ左右的高频开关电压，振荡器的开关频率由外接振荡电容器C4决定。当C4的值取为3300PF时，电源的开关频率约为200KHZ；R3、C6为环路调节放大器的频率补偿网络，由第7脚输入。IC第脚为抑制输入端，其闭锁电压的阈值为07V，输出电压经取样电阻R2反馈至第脚后与R1比较，当阈值电压大于07V时，输出关闭，起到短路过流保护作用。第6脚为输出电压调节控制端，由电位器RP1及电阻R4将输出电压分压后得到调节电压检测值，调节电位器RP1可控制输出电压的大小，输出电压值可由公式VOVREF进行估算。其中，VREF为基准电压，为4/1RLH21V。IC为专用开关型稳压集成电路L4960，其外壳接地并接散热器。IC外围电路中，除振荡电容C4选择高频电容器外，电阻R1、R2应选择允许偏差1的高精度金属膜电阻外，其余元件无特殊要求，按图中参数选取小型器件即可。由于输出电压为高频开关式，因此IC和功率三极管VT所需的散热器仅为普通稳压电源的三分之一，且性能远远高于普通的稳压电源。图37512V连续可调稳压电源电路基于AVR测转速20图39系统总电路3020淮安信息职业技术学院毕业设计论文21第四章系统软件设计本设计软件主要为主程序、数据处理显示程序、按键程序设计、定时器中断服务程序四个部分。（1）主程序主要完成初始化功能，包括LED显示的初始化，中断的初始化，定时器的初始化，寄存器、标志位的初始化等。主程序流程图如图41所示。（2）数据处理显示模块程序。此模块中单片机对在1秒内的计数值进行处理，转换成R/MIN送显示缓存以便显示。具体算法如下设单片机每秒计数到N个值，即N/2R/S圆盘贴两个磁钢。则N/2R/S30NR/MIN。即只要将计数值乘以30便可得到每分钟电机的转速。数据处理显示模块流程图如图42所示。图41主程序流程图秒标志位FLAG1处理转速，转换成R/MIN转速的16进制数转换成10进制BCD码送显示缓冲器返回图42数据处理显示模块流程图基于AVR测转速22（4）定时器1计数服务程序设计。定时器1完成计时功能，定时50MS，进行定时计数并每隔1S更新一次显示数据。重置定时初值入栈保护50MS计数标志TIMECOUNT加1TIMECOUNT20读取TH0计数值出栈恢复返回NY图44定时器1中断服务程序流程图淮安信息职业技术学院毕业设计论文23第五章制作调试51硬件调试硬件调试时先分步调试硬件中各个功能模块，调试成功后再进行统调。安装固定电机和霍尔传感器时，粘贴磁钢需注意，霍尔传感器对磁场方向敏感，粘贴之前可以先手动接近一下传感器，如果没有信号输出，可以换一个方向再试。霍尔传感器探头要对准转盘上的磁钢位置，安装距离要在10MM以内才可灵敏的感应磁场变化。在磁场增强时霍尔传感器输出低电平，指示灯亮；磁场减弱时输出高电平，指示灯熄灭。当电机转动时，感应电压指示灯高频闪烁，所以视觉上指示灯不会有多大的闪烁感。当给NJK8002D型霍尔传感器施加15V电压时其输出端可以输出4V的感应电压。输出幅值为4V的矩形脉冲信号。52软件调试在进行软件编程调试时需要用到单片机的集成开发环境ICCAVR是一个完整的AVR集成开发环境，是主要针对ATMELAVR单片机开发的工具、熟悉的WINDOWS开发环境,完全的仿VC界面工程管理文件管理也和VC差不多、集成GNU编译器,在IDE中可以很轻松的设置编译条件和参数、支持软件仿真。可在WINDOWS9X/NT下工作源文件全部被组织到工程之中文件的编辑和工程的构筑也在这个环境中完成编译错误显示在状态窗口中并且当你用鼠标单击编译错误时光标会自动跳转到编辑窗口中引起错误的那一行这个工程管理器还能直接产生您希望得到的可以直接使用的INTELHEX格式文件INTELHEX格式文件可被大多数的编程器所支持用于下载程序到芯片中去。ICCAVR是一个32位的程序支持长文件名ICCAVR具有的强大的编译调试功极大地方便了对软件部分的调试。在具体调试过程中，系统将各功能模块如数据处理程序、LED显示程序分别分开进行调试，最后进行主程序的整体调试。编译无误后生成目标代码COF文件采用JTAG下载软件将其下载到实验板的单片机中,保持实验板的串行通信线及电源线与PC机连接良好，并且实验板的电源开关处于关闭状态，再打开实验板电源开关，此时软件将自动完成程序下载。最后将硬件和软件结合起来整体调试实现系统的测速功能。基于AVR测转速24第六章测试结果分析设计基本完成题目中的各项要求，其中电机转速的测量比较精确，与实际转速相差10转/分左右，精度在全量程范围内优于10转/分，存在一定的误差，经分析主要是由以下原