毕业设计-基于磁电传感器的电机转速自动检测系统设计

毕业设计（2014届）题目基于磁电传感器的电机转速自动检测系统设计二一三年六月基于磁电传感器的电机转速自动检测系统设计摘要在工程实践中，经常会遇到测量转速的情况。因此，转速的测量具有一定的工程意义。本文开发了基于单片机的电机转速自动检测系统。选用的磁电传感器将电机的转速信号转换成电压信号，所设计的放大电路将磁电传感器输出的电压信号放大，经过整形电路将正弦信号转换为方波，由单片机进行脉冲计数，并且通过LCD显示电机的转速。文中首先阐述了该设计的总体方案、实验的步骤，并讨论合适的测量方法。其次，介绍选用的单片机和LCD显示等电子元件，并分析电路图各部分的功能。最终，编写程序调试运行，分析实验结果。本设计主要用单片机作为控制核心，由磁电传感器、LCD显示组成。其优点是电路简单，软件功能完善，具有测量速度快、精度高、控制可靠、性价比高等特点。关键词转速测量；磁电传感器；单片机；LCD显示DESIGNOFAUTOMATICMOTORSPEEDDETECTIONSYSTEMBASEDONMAGNETOELECTRICITYSENSORABSTRACTINENGINEERINGPRACTICE,WEOFTENENCOUNTERTHESITUATIONOFSPEEDMEASUREMENT,THEREFORE,SPEEDMEASUREMENTHASACERTAINENGINEERINGSIGNIFICANCETHISPAPERHASDEVELOPEDMOTORSPEEDDETECTIONSYSTEMBASEDONSINGLECHIPMICROCOMPUTERTHEMAGNETOELECTRICSENSORSELECTED,THESPEEDSIGNALOFMOTORINTOVOLTAGESIGNALTHEDESIGNEDAMPLIFIERCIRCUIT,WILLAMPLIFYTHEVOLTAGESIGNALOFMAGNETOELECTRICSENSOROUTPUT,AFTERSHAPINGCIRCUIT，SINESIGNALWILLBECONVERTEDINTOSQUAREWAVE,PULSECOUNTINGBYSINGLECHIPMICROCOMPUTER,ANDTHROUGHTHELCDDISPLAYOFTHEMOTORSPEEDTHISPAPERFIRSTEXPOUNDSTHEDESIGNOFOVERALLSCHEME,EXPERIMENTSTEPS,ANDDISCUSSTHEAPPROPRIATEMEASUREMENTMETHODSECONDLY,THISPAPERINTRODUCESTHESELECTIONOFSINGLECHIPMICROCOMPUTERANDLCDDISPLAYSANDOTHERELECTRONICCOMPONENTS,ANDANALYZESTHEFUNCTIONSOFTHEPARTSOFTHECIRCUITDIAGRAMINTHEEND,WRITEPROGRAMSDEBUGGINGANDRUNNING,ANALYZETHERESULTSOFEXPERIMENTALTHISDESIGNMAINLYUSEDSINGLECHIPMICROCOMPUTERASCONTROLCORE,ANDCONSISTSOFMAGNETOELECTRICSENSOR,LCDDISPLAYITSADVANTAGEISSIMPLECIRCUIT,SOFTWAREFUNCTIONISPERFECT,MEASURINGSPEED,HIGHPRECISION,RELIABLECONTROL,HIGHCOSTPERFORMANCE,ETCKEYWORDSSPEEDMEASUREMENT；MAGNETICSENSORSSINGLECHIPMICROCOMPUTERLCDDISPLAY摘要目次1绪论111课题研究的目的和意义112磁电传感器的研究现状及发展趋势113电机转速自动检测的研究现状及发展趋势214转速测量主要内容32转速测量系统的总体方案321电机测速的方案322电机转速测量台装置示意图323软件设计思路43系统硬件设计531转速测量原理5311测频法“M法”5312测周期法“T法”6313测频测周法“M/T法”6314转速测量系统中应用的方法732磁电传感器的简介7321磁电感应8322磁电传感器结构8323磁电传感器的应用9324二次电路原件933单片机及其接口的设计11331STC12C5A60S2单片机简介11332复位电路14333时钟电路14334显示电路15335按键电路17336报警电路174硬件调试和软件设计1841硬件调试1841单片机转速程序设计思路及过程19421单片机程序设计思路1943子程序的设计20431单片机转速计算程序20432二十进制转换程序20433显示程序215转速测量系统的转速分析2351测速范围2352测速误差2453测速分析2554故障分析与解决方案26参考文献28致谢29附录A30附录B31附录C321绪论11课题研究的意义在工业生产和实验过程中，经常会遇到各种转速的测量和控制问题。在这种情况下，我们可以通过磁电的方法，将转速测量转变为频率测量。频率测量的方法很多，不同的方法有各自适用的范围。近年来随着电子技术的迅速发展，工业测控设备的不断更新，频率测量的方法和设备也有新的进展。在实际应用中，选择不同的转速检测设计方案，得到的效果也不尽相同。电机在运行的过程中，需要对其运行的平稳性进行监测，适时对转速进行测量可以有效地反应电机的状况。另一方面，在运动控制系统中，转速检测也是电机速度或位置控制的基础。磁电式传感器主要是通过电磁感应的原理，将输入运动速度变换成感应的电势输出的一种传感器。它不需要外加电源，就能把被测对象的机械能变换成便于测量的电信号，是一种有源的传感器。它广泛的用于建筑工业等领域中振动、速度、加速度，转速、转数等非电量的测量。因此研究基于磁电传感器的电机转速的自动检测系统有一定的实际意义。单片机,也可以称单片微型计算机或单片微电脑。它是一种微型计算机，并集成了中央处理器CPU、输入/输出端口I/0、只读存储器ROM、随机存取存储器RAM等主要计算机功能部件在一块集成电路芯片上。单片机诞生于20世纪70年代末，经历了三个阶段，即SCM、MCU、SOC。因为单片机具有低功耗，小体积，大容量，高性能，低价格等特点，所以单片机广泛存在于我们的生活中。在我们的现实生活中，单片机的应用无时无刻不在改变我们的生活，小到手机、水表、遥控，大到导弹导航、飞机控制，单片机的应用都在影响着我们身边的一切。本设计中，运用单片机对磁电传感器测量得到的脉冲进行计数，再通过一定的计算公式，将转速通过LCD显示屏显示出来。以此来实现，对电机转速的测量。12磁电传感器的研究现状及发展趋势磁电式传感器有时也称作电动式或感应式传感器，它只适合进行动态测量。由于它有较大的输出功率，故配用电路较简单；零位及性能稳定；工作频带一般为101000HZ。磁电式传感器具有双向转换特性，利用其逆转换效应可构成力矩发生器和电磁激振器等。磁电式传感器直接输出感应电势,且传感器通常具有较高的灵敏度,所以一般不需要高增益放大器。但磁电式传感器是速度传感器,若要获取被测位移或加速度信号,则需要配用积分或微分电路。磁电阻传感元件是利用磁性材料的磁电阻效应,采用半导体工艺制成,还可进一步和半导体电路集成在一块芯片上,做成专用性器件。由于它是强磁性合金材料制成,物理化学性能稳定,具有长寿命、高可靠、高灵敏度、温度系数小、范围宽、线性度好等特点1。现在有一种81NIFE/CR多层膜制作的磁电阻式传感器的新应用2。一对易磁化轴相互垂直的磁电阻元件构成二维磁场探头，用它检测钢板上人工微裂缝附近的磁场分布。磁电阻元件与永磁块组合构成力矩传感器，用于人体重心摇摆检测。动平衡是中小型电机转子生产和制造过程中必须解决的问题。随着全自动动平衡修正研究技术的发展,全自动平衡机成为高品质电机转子生产的必要设备。磁电式振动速度传感器用于测量转子的振动量,是全自动平衡机的关键部件,而全自动平衡机是全天候长周期的工作设备,因此要求传感器有很好的稳定性和可靠性。传统的动圈型磁电传感器由于其固有的结构缺陷,经常产生断线故障,严重影响了设备的日常使用。针对传统动圈型磁电传感器的缺点,需要研究一种改进的差动动磁铁型磁电传感器。我们的主要工作在于1差动动磁铁型磁电速度传感器结构设计2有限元软件分析3传感器结构参数影响分析4实验验证3。目前,技术先进国家的冶金厂,在自动化程度上的进展很迅速,其中对检测钢管的在线速度所采用的装置大都是压辊接触式的测速仪表,这种装置有丢转现象,造价较高,且寿命较短,现场维护不便。近年我国从日本、意大利引进的几套机组就采用了这种测速装置。考虑到上述因素,我们试验研制一种非接触式磁电测速传感器,同时采用了峰峰值电路,在二次仪表上可直观地获得钢管的在线速度,为实现微机自动控制提供可靠依据4。13电机转速自动检测的研究现状及发展趋势电机在各行各业中发挥着重要的作用，而电机转速是电机重要的性能指标之一，因而需要测量电机转速，使它满足人们的各种需求。转速是电机运转的一个很重要的状态参数,在运动系统的一般测量中,大多需要测量电机的转速,然而直接影响系统控制情况的因素是转速测量的精度,它是影响测控结果的一个因素。不论是交流调速系统还是直流调速系统,只有高精度转速的检测才能得到高精度的控制系统5。随着微电子技术不断的发展,尤其是出现了高性价比的新型单片机,为测量电机的转速提供了广阔的空间。在一般情况下,基于霍尔传感器、光电传感器的转速测量系统都可以准确的测量电机的转速。但在机床侧面、粉尘环境等恶劣的情况下,光电传感器测量转速的方法存在较大误差。无线电机转速测量方法,给出了各个单元模块。基于加速度计的电机转速测量方法,给出了硬件电路的设计和测试原理。通过对比研究可以看出,本测试方法具有一定的应用价值6。电机转速是判断电机运行状况的重要标志之一。目前,实验室电机转速一般通过转速表来测量,通常采用测周法和测频法。这两种方法的测量精度与记录的脉冲个数有关,随着被测电机的转速变化,在极端的情况下会产生1个字的误差。针对传统电机转速检测方法的不足,阐明了利用等精度测量方法对实验室电机转速进行测量和监控报警的具体原理。以FPGA（FIELDPROGRAMMABLEGATEARRAY，即现场可编程门阵列）控制芯片为核心,设计了相应的电路系统,并通过MAXPLUSH进行了仿真分析7。在异步电机矢量控制等电机控制的研制过程中，为了得到电机的运行工况，更好地研究异步电机矢量控制方案和记录、分析实际运行效果，需要对异步电机的各种信号进行采集、存储、分析、显示。为了达到上述目的，需要同步、长时间地采集异步电机端部电压信号、电流信号、电机转速等多路信号，并对采得的信号进行实时存储、动态回放和分析处理，采用传统测量仪器已经不能满足这些要求，采用数字存储示波器记录数据，存在存储深度不够及数据分析处理的问题。如果采用计算机技术同仪器技术相结合的虚拟仪器技术，可以更好地实现上述功能。针对异步电机控制系统的测试要求，需要研制基于虚拟仪器技术的异步电机运行工况测试系统8。14转速测量主要内容1详细分析转速的测量理论，对转速的周期测量法“T”法、频率测量法“M”法以及周期频率“M/T”测量法，三种具体测量方法的转速计算、各自的测量精度和误差进行阐述。定性地比较三种方法所针对的转速特征，分析高、中、低转速情况下各自的适用状况，从而，在保持一定的测量精度情况下，应用“M”法，说明转速测量原理。2根据单片机硬件系统的设计，构建软件系统，分别估计对硬件系统的配置，使其能够准确的测量转速。同时分析电路中的接口部分，显示转速。3对单片机的定时器/计数器进行设置，设计、说明定时器/计数器在“M”法测量中的作用和使用方法，并且讨论测量转速的精度问题。4根据系统的具体要求设置控制字，用汇编语言或C语言编制程序，包括主程序，转速计算程序，中断程序，同时并写出其具体的程序。2转速测量系统的总体方案21电机测速的方案电机测速的系统框图如图1所示，它由测量台、磁电传感器、二次仪表电路、单片机以及显示屏组成。测量台用于测量电机的转速，把磁电传感器采集到的电机转速信号送入二次电路，因为磁电传感器采集的正弦信号比较小，所以需要放大电路将采集到的正弦信号放大，再经过施密特触发器将正弦信号整形为方波，才可以送入单片机，单片机通过在一定时期内计数脉冲的次数，再通过计算公式转换为转速并显示。单片机上连接有LCD数码管和报警器。其中，LCD数码管用于显示电机的转速，当转速比设定值高时，蜂鸣器报警。图1电机转速检测的系统框图22电机转速测量台装置示意图LCD显示报警器单片机电机转速信号采集电机二次电路磁电传感器测量电机转速的安装示意图如图2所示，被测电机主轴通过联轴器连接一安装12只磁钢电机转盘平台，电机转动过程中，电机转盘平台随电机一起转动，电机旋转一周有12次磁钢与磁电传感器测头相对，根据磁电传感器的工作原理，电机旋转一周使磁电传感器的输出电压变化12次，转速和磁电传感器输出电压变化频率的关系是N60F/12。图2磁电转速传感器安装示意图电机转盘平台由电机的转动而运转，平台上有12个磁钢，如图3所示。磁电传感器的测头通过对12个磁钢的旋转的测量，产生变化的电压正弦信号。图3电机转盘平台和磁钢23软件设计思路软件需要解决的是定时器0的记数和外部中断0的设定、由于测量的转速范围大，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化程序，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。PC机串口和单片机串行口的工作方式，包括串行口的通讯速率、奇偶校验位、停止位等均由通信部分的软件部分实现。软件工作流程磁电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（P32）口发送一个中断信号，定时器工作在内部定时，TH0、TL0设定初值为0，作为除数的低两字节，利用软件记数器、定时器0中断的次数作为除数高字节。中断完毕读取内部记数值作为除数，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显示程序，显示在LCD上。转速部分软件设计思路STC12C5A60S2单片机的P20口接收传感器的信号。主要编写一个外部中断服务程序INT_0，读取记数值的三个字节，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（BCD）转换子程序BCD，再调用十进制转换成非压缩BCD程序CBCD、最后调用查表程序送显示。为了和PC通信，系统要求单片机晶振110592MHZ。软件的具体设计我们将在下面的章节中作详细介绍。3系统硬件设计31转速测量原理在实时控制中的应用，数字测速方案必须在很短的检测时间内有高分辨率和高精度的特征。转速的测量有三种方法，三种方法各有各的特点。其中，最常用的数字方法被称为T法,M法,和M/T法9。311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4“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N31X260转轴转过的弧度数X可用下式所示M1X32P1图4“M”法测量转速脉冲将（32）式代入（31）式得转速N的表达式为N（3TPM1603）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。312测周期法“T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，TP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5“T”法的脉宽测量所示。TP由定时器测量得到。定时器对频率为FC的时基脉冲计数并定时，在TP时期内计数值若为M2，那么计算公式为N（3PT604）即260MFNC（35）FC为硬件基准时钟的脉冲频率单位（HZ）；N转速单位（转/分）；M2时基脉冲。图5“T”法脉宽测量由“T”法脉宽测量可知，“T”法测量的精度误差主要有两个方面，一是由于两脉冲上升沿的触发时间不同而产生的；二是计数、定时的起始和关停不同而产生的。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。313测频测周法“M/T法”测频测周法，就是结合了“T”法和“M”法分别对高、低转速具有不同的精度，利用各自的优点而结合的方法，测量的精度在两者之间，如图6“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）和预设的定时时间进行定时和计数，M1对应转角，M2对应测速的准确时间，通过计算可知转速值N。此法在高速和低速时都具有比较高的精度。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。由图可知，从A点开始，计数器对M1、M2计数，到达B点，预定的测速时间时，单片机发出指令停止计数，因为TC不一定等于整数个脉冲发生器的脉冲周期，所以计数器继续对高频脉冲继续计数，当到达C点，脉冲发生器的脉冲上升沿使计数器停止，如此，M2就代表了M1个脉冲周期的时间。“M/T”法结合了“T”法和“M”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（32）和（35）可得M/T法转速计算公式为362160FNCN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。图6“M/T”法定时/计数测量314转速测量系统中应用的方法T法。电机的速度是通过连续两个脉冲编码器之间时间的倒数测量的。解决这个高分辨率要在较低的速度范围，但代价是检测时间长；然而，随着速度的增加，分辨率会降低。M方法。速度通过计数脉冲编码器在一个固定的时间间隔来测定；计数器的值和速度是成正比的。因此，需要足够长的检测时间计数足够数量的编码器脉冲来获得高精度，尤其是在低转速范围。由于上述限制而难以实现高精度和快速响应。M/T方法。这种方法是结合M和T方法的优势；高频时钟在速度检测周期用于实现数字化脉冲编码器。这个阶段，就是检测的时间，由同步的第一脉冲编码器之后的规定时间确定。在比较与T和M方法，检测时间与法M/T中具有不同的特点。如果在规定的期限被指定，那么，速度检测时间由实际速度决定。在低转速范围，它比T方法具有较长的时间。数字回路系统往往需要等速采样率；然而，这种方法由于变量检测时间有实际的限制。为此，基于M法测量速度，电路和程序均较为简单，且可以在一定的条件下满足精度的要求，所以本设计中采用M法进行测量。32磁电传感器的简介图7磁电传感器示意图本次设计所用的磁电传感器为实验室原有的磁电传感器，如图7所示。实验台输入的电压时520V，本磁电传感器相对12个磁钢显示的电压是042V。321磁电感应磁电感应式传感器也称为电动式传感器，它是通过导体和磁场发生相对的运动而在导体两端输出感应电势。因此它是一种机电能量变换型传感器，不需要外加电源，电路简单，性能稳定，输出阻抗很小，而且具有一定的频率响应范围（一般为10HZ200HZ），适用于转速、振动、扭矩等测量10。根据电磁感应定律,当W匝线圈在恒定磁场内运动时,设穿过线圈的磁通为,则线圈内的感应电势E与磁通变化率D/DT有如下关系EWD/DT。322磁电传感器的结构常见的磁电传感器有变磁通式和恒磁通式两种，如图8、图9所示图8变磁通式磁电传感器结构图图9恒磁通式磁电传感器结构图323磁电传感器的应用磁电式转速传感器的工作方式决定了它有很强的抗干扰性，能够在烟雾、油气、水汽等环境中工作。磁电式转速传感器输出的信号强，测量范围广，齿轮、曲轴、轮辐等部件，及表面有缝隙的转动体都可测量。磁电式转速传感器的工作维护成本较低，运行过程无需供电，完全是靠磁电感应来实现测量，同时磁电式转速传感器的运转也不需要机械动作，无需润滑。磁电式转速传感器的结构紧凑、体积小巧、安装使用方便，可以和各种二次仪表搭配使用。磁电式传感器直接输出感应电势，且传感器通常具有较高的灵敏度，所以一般不需要高增益放大器。但磁电式传感器是速度传感器，若要获取被测位移或加速度信号，则需要配用积分或微分电路。实验室所用的磁电传感器输出的信号偏小，不足以让单片机准确的读取。因此需要二次电路对磁电传感器采集的信号进行放大、整形。如下图10所示，磁电传感器采集的信号首先传入放大电路，经过9013的NPN型三极管，将磁电传感器采集的正弦信号进行放大。因为磁电传感器出来的是正弦信号，因此需要施密特触发器对放大的正弦信号进行整形再送入单片机进行计数。图10二次电路的系统方框图324二次电路元件A9013NPN三极管119013型三极管如图11所示，此三极管的最大消耗功率是0625W，最大集电极电流是05A，集电极基极击穿电流是45V。图119013三极管示意图9013三极管的其他参数如图12所示采集的信号放大电路整形电路单片机图129013三极管参数B施密特触发器二次电路中通过运用元器件74LS00与非门搭建了一个施密特触发器，用于对放大的正弦信号整形为方波，再由单片机对脉冲进行计数。74LS00的引脚如图13所示图1374LS00引脚33单片机及其接口的设计STC12C5A60S2/AD/PWM系列单片机是宏晶科技生产的单时钟/机器周期1T的单片机，是高速/低功耗/超强抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051,但速度快812倍。如图14所示，内部集成MAX810专用复位电路,2路PWM,8路高速10位A/D转换250K/S,针对电机控制，强干扰场合。图14STC12C5A60S2单片机示意图331STC12C5A60S2单片机简介12主要特点（1）增强型8051CPU，1T，单时钟/机器周期，指令代码完全兼容传统8051（2）工作电压STC12C5A60S2系列工作电压33V55V（5V单片机）（3）工作频率范围035MHZ，相当于普通8051的0420MHZ（4）用户应用程序空间8K/16K/20K/32K/40K/48K/52K/60K/62K字节（5）片上集成1280字节RAM（6）通用I/O口（36/40/44个），复位后为准双向口/弱上拉（普通8051传统I/O口）可设置成四种模式准双向口/弱上拉，推挽/强上拉，仅为输入/高阻，开漏，每个I/O口的驱动能力都可达20MA，但是整个芯片不要大于55MA（7）ISP（在系统可编程）/IAP（在应用可编程），无需编程器，无需仿真器。可以通过串口（P30/P31）直接下载用户所需的程序，数秒即可完成一片（8）有E2PROM功能STC12C5A62S2/AD/PWM无内部E2PROM（9）看门狗（10）内部集成MAX810专用复位电路（外部晶体12M以下时，复位脚可直接1K电阻到地）（11）外部掉电检测电路在P46口有一个低压门槛比较器，5V单片机为132V，误差为/5；33V单片机为130V，误差为/3（12）时钟源外部高精度晶体/时钟，内部R/C振荡器温漂为/5到/10以内1用户在下载用户程序时，可选择是使用内部R/C振荡器还是外部晶体/时钟常温下内部R/C振荡器频率为50V单片机为11MHZ155MHZ；33V单片机为8MHZ12MHZ。精度要求不高时，可选择使用内部时钟，但因为有制造误差和温漂，以实际测试为准（13）共4个16位定时器，两个与传统8051兼容的定时器/计数器,16位定时器T0和T1，没有定时器2，但有独立波特率发生器；做串行通讯的波特率发生器，再加上2路PCA模块可再实现2个16位定时器（14）2个时钟输出口，可由T0的溢出在P34/T0输出时钟，可由T1的溢出在P35/T1输出时钟（15）外部中断I/O口7路,传统的下降沿中断或低电平触发中断,并新增支持上升沿中断的PCA模块，POWERDOWN模式可由外部中断唤醒，INT0/P32,INT1/P33,T0/P34,T1/P35,RXD/P30,CCP0/P13也可通过寄存器设置到P42,CCP1/P14也可通过寄存器设置到P43（16）PWM2路）/PCA（可编程计数器阵列,2路）也可用来当2路D/A使用也可用来再实现2个定时器也可用来再实现2个外部中断上升沿中断/下降沿中断均可分别或同时支持（17）A/D转换,10位精度ADC，共8路，转换速度可达250K/S每秒钟25万次（18）通用全双工异步串行口UART，由于STC12系列是高速的8051，可再用定时器或PCA软件实现多串口（19）STC12C5A60S2系列有双串口，后缀有S2标志的才有双串口，RXD2/P12可通过寄存器设置到P42，TXD2/P13可通过寄存器设置到P43（20）工作温度范围4085工业级/075商业级图15STC12C5A60S2单片机管脚图管脚说明1）VCC供电电压；2）GND接地；3）P0P0口既可作为输入/输出口，也可作为地址/数据复用总线使用。当P0口作为输入/输出口时，P0是一个8位准双向口，内部有弱上拉电阻，无需外接上拉电阻。当P0作为地址/数据复用总线使用时，是低8位地址线A0A7，数据线的D0D7。4）P1标准I/O口。P13和P14外部信号捕获（频率测量或当外部中断使用）、高速脉冲输出及脉宽调制输出。5）P20P27P2口内部有上拉电阻，既可作为输入/输出口，也可作为高8位地址总线使用（A8A15）。当P2口作为输入/输出口时，P2是一个8位准双向口。6）P30P37标准I/O口。P34定时器/计数器0的外部输入，定时器0下降沿中断。P35定时器/计数器1的外部输入，定时器1下降沿中断。7）P40P47标准I/O口。P46第二复位功能脚。P47复位脚。8）P50P53标准I/O口。9）XTAL1内部时钟电路反相放大器输入端，接外部晶振的一个引脚。当直接使用外部时钟源时，此引脚是外部时钟源的输入端。10）XTAL2内部时钟电路反相放大器输出端，接外部晶振的另一端。当直接使用外部时钟源时，此引脚可浮空，此时XTAL2实际将XTAL1输入的时钟进行输出。332复位电路计算机在启动运行时都需要复位，使中央处理器CPU和系统中的其它部件都处于一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作。单片机复位如图16所示图16STC12C5A60S2单片机复位图外部RST引脚复位就是从外部向RST引脚施加一定宽度的复位脉冲，从而实现单片机的复位。P47/RST管脚出厂时配置为RST复位管脚，要将其配置为I/O口，需在STCISP编程器中设置。如果P47/RST未在STCISP编程器中被设置I/O口，那P47/RST就是芯片复位的输入脚。将RST复位管脚拉高并维持至少24个时钟加10US后，单片机会进入复位状态，将RST复位管脚拉回低电平后，单片机结束复位状态并从用户程序区的0000H处开始正常工作。333时钟电路时钟电路是计算机的心脏，它控制着计算机的工作节奏。STC12C5A60S2单片机允许的时钟频率是因型号而异的典型值为12MHZ。STC12C5A60S2内部都有一个反相放大器，XTAL1、XTAL2分别为反相放大器输入和输出端，外接定时反馈元件以后就组成振荡器，产生时钟送至单片机内部的各个部件。电路中的电容C1和C2典型值通常选择为22PF左右。对外接电容的值虽然没有严格的要求，但电容的大小会影响振荡器的频率的高低，振荡器的稳定性和起振的快速性。晶振的振荡频率的范围通常是在12MHZ12MHZ之间。晶振频率越高，那么系统时钟频率相对也就越高，单片机运行速度的也就越快。逆向思考，运行速度快那么存储器的速度也就要求高，对印制电路板工艺的要求也高，即要求线间寄生的电容要小；电容和晶振应尽可能靠近单片机芯片安装，以减少寄生电容，更好地保证振荡器稳定，可靠地工作。综合考虑，本设计采用22PF的电容,其晶振电路图如图13所示。图17STC12C5A60S2单片机晶振图334显示电路因为微功耗、体积小、显示内容丰富、超薄轻巧等特点，所以我们选用了LCD1602液晶显示屏。LCD1602液晶显示屏。工业字符型液晶，能够同时显示16X02即32个字符。（16列2行）如图18所示图18LCD1602显示屏注为了表示的方便，后文皆以1表示高电平，0表示低电平。1602液晶也叫1602字符型液晶，它是一种专门用来显示字母、数字、符号等的点阵型液晶模块。它由若干个5X7或者5X11等点阵字符位组成，每个点阵字符位都可以显示一个字符，每位之间有一个点距的间隔，每行之间也有间隔，起到了字符间距和行间距的作用，正因为如此所以它不能很好地显示图形（用自定义CGRAM，显示效果也不好）。1602LCD是指显示的内容为16X2,即可以显示两行，每行16个字符液晶模块（显示字符和数字）。其管脚如图19所示图19LCD1602显示屏管脚管脚定义1602采用标准的16脚接口，其中第1脚VSS为电源地第2脚VCC接5V电源正极第3脚V0是液晶显示器的对比度调整端，当接正电源时对比度最弱，当接地电源时对比度最高（对比度高会产生“鬼影”，使用时接一个10K的电位器来调整对比度）。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1时进行读操作，低电平0时进行写操作。第6脚E或EN端为使能ENABLE端,高电平（1）时读取信息，负跳变时执行指令。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。单片机和LCD1602的接线图如图20所示，图20单片机和LCD接线图335按键电路本设计装有报警装置。实验台输入的电压是520V，相对应的转速为1043转/秒。单片机实验板设置的初始值为50转/秒，K1和K2两个按键用来对初始值进行加减，按一下K1时，初始值减1；按一下K2时，初始值加1。一旦电机的转速超过了单片机设定的警戒值，蜂鸣器将发出报警。按键电路如图21所示图21按键电路图336报警电路蜂鸣器是一种电子讯响器，它是一体化的结构，用直流电压进行供电，广泛的应用在报警器、计算机、复印机、打印机、汽车电子设备、电子玩具、定时器、电话机等电子产品中作为发声器件。蜂鸣器分为电磁式蜂鸣器和压电式蜂鸣器两种。蜂鸣器在电路中用字母“H”或“HA”（旧标准用“FM”、“LB”、“JD”等）表示。有源蜂鸣器直接接上额定电源新的蜂鸣器在标签上都有注明就可连续发声；而无源蜂鸣器则和电磁扬声器一样，需要接在音频输出电路中才能发声。有源蜂鸣器和无源蜂鸣器如图22所示图22有源蜂鸣器和无源蜂鸣器由于蜂鸣器的工作电流一般比较大，以致于单片机的I/O口是无法直接驱动的（但AVR可以驱动小功率蜂鸣器），所以要利用放大电路来驱动，一般使用三极管来放大电流就可以了。蜂鸣器驱动电路一般都包含以下几个部分一个三极管、一个蜂鸣器、一个续流二极管和一个电源滤波电容。图23蜂鸣器电路原理图蜂鸣器的电路原理图如图23所示，当单片机流过的电压足够让基极击穿时，电流流过基极集电极，蜂鸣器才能实行报警。其中，二极管的作用是提供续流，电容的作用是滤波，防止5V电压波动较大。4硬件调试和软件设计41硬件调试硬件调试是对测量系统的单片机及LCD显示电路进行调试。硬件调试部分分为上电前的调试和上电后的调试两部分。上电前的调试在上电前，我们必须确保电路中不存在短路或断路情况，如若发生短路或断路，轻则不能正常显示电机转速，重则烧毁单片机，破坏整个硬件。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。根据PROTEL软件自动生成PCB电路板，对照PROTEL制作的PCB确保要和原理图上的图一致，对于LCD数码管的连接部分，特别是LCD引脚和排阻之间的焊接，更要仔细，确保不发生短路现象。对照着原理图的部分，一部分一部分地用万用表测量各个焊点，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。上电后的调试在确保硬件电路正常，无异常情况时方可上电调试，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，单片机的电源以及接地是否接好，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、数码管LCD电路调试LCD数码管使用的型号是液晶显示屏1602，其中D0D7的8个引脚连接排阻的8个引脚。检查8个对接的焊接部分是否短路，上电后LCD数码管能否正常显示。42单片机转速程序设计思路及过程单片机测量转速可以分为若干模块，然后在主程序中调用各个模块，流程图如图24所示。开始返回初始化显示程序计算程序图24计算程序流程图421单片机程序设计思路计算转速公式N60/NTCR/MIN其中，N是内部定时器的计数值，为三字节，分别由TH0，TL0，VTT构成；TC为时基，由于采用110592M的晶振，所以TC不在是1UM，而是12M/110592M约为108UM，带入上面公式，即可得到转速的精确计算公式N6011059200/12N55296000/N再将55296000化为二进制存入单片机的内存单元。下面我们将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TH0，TL0，并同时清零TH0、TL0，使定时器再次循环计内部脉冲。此外，对于低速情况下，我们还要设定一个软件计数器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（最高转速36000R/MIN足够）的程序。为数码管能够显示出来，需将二进制转换为十进制，在将十进制转换为非压缩BCD码后，才能调用查表程序，最后送显示。43子程序设计431单片机转速计算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，流程图如图25所示开始返回被除数初始化调用除法程序读取定时值图25计算程序流程图432二十进制转换程序计算程序计算出来的数据为二进制，存到50H、51H单元中以便发送程序中调用传送数据到计算机，计算机可识别二进制，然而，我们需要在LED上显示，查表程序需要拆分的BCD码，所以二进制必须先转换成BCD后才能拆分。这里介绍将（R2R3）中的16位二进制数转换为压缩BCD码十进制整数送R4、R5、R6。除法移位次数计数器上商1，减去除数被除数左移一位上商0计数器减1计数器0被除数除数YNNY返回图26除法程序流程图433显示程序单片机显示部分可以用来显示计算出来的数据的。在程序设计中，在STC12C5A60S2RAM存贮器中的四个显示缓冲器单元30H34H，分别存放着由计算出来的转速的BCD码进行拆分后的非压缩BCD码数据，STC12C5A60S2的P1口扫描输出总是只有一位为低电平、其它位为高电平，STC12C5A60S2的P0口相应位的显示数据的段数据，使该位显示出一个字符，其它们为暗，依次地改变P1口输出为低高的位，P0口输出对应的段数据，4位LED显示器就显示出由缓冲器中显示数据所确定的字符。显示部分程序分为两部分十进制BCD转换成非压缩BCD码；查表程序显示数据。双字节整数拆分程序流程图如图27所示。开始返回高字节R4送30HR5与0F0H相与交换后送31HR6与0F0H相与交换后送33HR5与0FH相与后送32HR6与0FH相与后送34H图27双字节整数拆分程序流程图显示程序流程图如图28所示结束开始INCR0，A（R1）（R1）P1，（R1）A，RLAADPTR赋值给P0（R0）赋值给A30HR0，表首地址DPTR，（R1）0FEH（R1）0DFHNY图28显示程序流程图5转速测量系统的转速分析本转速测量系统设计采用M法进行电机的测速，硬件电路较简单，具有可靠性高，精度高等特点。这种测量方法所适用的测速范围下面将分析，测量精度在本设计中可以通过设置和选择的磁电传感器加以控制。51测速范围软件设计中，采用的闸门时间是1S，T0的最大计数值是65536，因此，最大的计数量应该是在LS内不超过65535，这样，即可算出最高计数频率L。设计数频率为F，其周期为L/F，计到65535个数据时，所用时间为T655351/F1按上述要求当T1S时，为极大值，即L65535L/F所以F65535HZ2本设计在实现时，设采用了12个磁钢的转盘，即轴每转一周，产生L2个脉冲，因此，轴实际输出频率为F65535/125460HZ，折算到转速NF60327600R/MIN3用这种方法可以测量的转速是很高的。如果这样的转速仍不能满足要求，那么还可以采用软件计数器的方法，进一步扩大其上限，这样，其上限仅取决于定时/计数器的最大允许输入频率，而采用110592MHZ的晶振，定时/计数器的最大允许频率约可达到500KHZ，考虑到测量的对象的特性，因此，可以认为，采用M法进行测量，其上限足够使用。这种测速方式的下限理论上也可以很低，但是当转速低到一定程度时，其误差已较大，因此，其测速下限与允许的测量误差有关。52测量误差由转速公式N给出TPM160因M1的量化误差是一个脉冲，故转速变化NPTMPT601601NN（51）其相对误差为（52）1（53）601NPTM（54）相对误差N加入一个脉冲后的转速值N转速误差由式54可知NPT160这里T1S，P12，如果我们设定01，那么可以计算出，N60/00125000时，可以满足此要求，当N小于5000时，误差将超出允许范围之外。实际测量工作中，如果测量范围超过这个范围，可以加一个软件计数器，编写T0的中断程序，在中断程序中对软件计数器加1，这样，可以把计数范围扩大256倍。除了被测量量的一些系数（如码点数）会对系统的测量产生影响外，闸门时间也是一个重要的因素，本程序中仅提供了一个LS固定的闸门时间，实际工程中，可根据需要，灵活地选择闸门时间，兼顾动态、性能等各方面的要求，以取得最好的效果。从以上的分析可以看到，使用M法测量速度，电路和程序均较为简单，且可以在一定的条件下满足精度的要求。当然，如果要制作全量程专用测速计，这样的电路还是无法完全满足需要，此时，就要用到其他的一些方法。53测量分析实验台的安装如图29所示图29实验台的安装图实验台的安装1）首先取下支架，将磁电传感器安装在支架上，磁电传感器的测头向下，以便于测头与转盘上的磁钢相对，当转盘转动时，测头能测量磁钢的运转2）按照安装图，实验架接入520V的可控电压，当输入的电压不同时，电机的转动速度也不同3）单片机的安装如图，单片机上有四根引出线，其中两根是供电线，和实验台的5V电压相连接；另外两根红色黑色线连接磁电传感器的对应的红色黑色线。作用是把磁电传感器采集的电压信号经过放大整形电路输入单片机4）磁电传感器采集的信号经过放大整形电路送入单片机，STC12C5A60S2单片机对整形的方波进行脉冲计数，然后通过计算公式，LCD液晶显示屏显示电机的转速根据实验室固有的磁电传感器，以及设计的电机测速系统方案，我们可以测量输入的电压和转速之间的关系，如表1所示表1电压和转速之间关系的对应表电压V68101214161820转速转/秒1015212631364043输入的电压和电机的转速入图30所示，基本成正比关系。图30电压和转速的关系图54故障分析与解决方案故障出现情况1）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；2）中断执行低速情况也就是软件记数功能不对；3）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4）单片机显示部分无法工作，显示不稳定；5）信号发生器模拟转速测量正确，接电机不稳定解决方案（1）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；（2）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；（3）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。（4）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。（5）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，所以在磁电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。参考文献1范立成,付永华磁电阻传感元件的性能及应用J传感器技术,1987,212陈慧余,马书炳,罗有泉,刘明成,李志超磁电阻式传感器及其应用J物理,1994,103沈海平用于全自动平衡机的差动动磁铁型磁电速度传感器研究D浙江大学,20114郑延才一种磁电式传感器在测速中的应用J工业仪表与自动化装置,1986,65于炳亮电机转速测量方法研究J山东科学,2005,56姚伟鹏,韩党群,王天鹏基于单片机无线电机转速测量系统J西安航空技术高等专科学校学报,2009,17周红军实验室电机转速测量及监控报警系统的设计J重庆科技学院学报自然科学版,2007,18潘伟峰基于虚拟仪器技术的异步电机运行工况测试系统的研制D重庆大学,20039MSKHANNICHE,YIFENGGUOAMICROCONTROLLERBASEDREALTIMESPEEDMEASUREMENTFORMOTORDRIVESYSTEMSJJOURNALOFMICROCOMPUTERAPPLIC