数字式高精度宽范围转速表的设计

1、题目 数显转速表的设计主要内容、基本要求、主要参考资料等1、主要内容：根据单片机课程所学内容，结合其他相关课程知识，设计一个数显转速表，以加深对单片机知识的理解，锻炼实践动手能力，为以后的毕业设计和工作打下 坚实基础。2、基本要求：以STC89C51RC型单片机为核心，实时测量并显示电机的转速。测速范围：0-99999rpm。3、主要参考资料：1 柴钰单片机原理及应用M.西安：西安电子科技大学出版社，2009.2 张毅坤，陈善久单片微型计算机原理及应用M.西安：西安电子科技大 学出版社，2002.3 冯建华，赵亮.单片机应用系统设计与产品开发M.北京：人民邮电出版 社，2004.3 张洪润，刘

2、秀英，张亚凡等单片机应用设计200例M.北京：北京航空 航天大学出版社，2006.4 杨振江，杜铁军，李群流行单片机实用子程序及应用实例M.西安：西 安电子科技大学出版社，2002.5 顾绳谷.电机及拖动基础M.北京：机械工业出版社，2003.完成期限 2010.3.15-2010.7.27指导教师柴钰专业负责人李安来2010年7月27日目录第一章 概 述 2第二章 硬件设计 32.1 系统组成结构框图 32.2 具体硬件电路及工作原理 32.3 其他外围硬件电路 42.3.1 红外传感器 42.3.2 5 位串行静态显示电路 5第三章 软件设计 63.1 软件设计方案论证 63.2 主程序设

3、计 63.2夕卜中断INTO, T1以及TO定时溢出中断服务子程序设计 73.3 系统完整源程序 10第四章 实验结果与数据分析 114.1 实验数据 114.2 实验结果分析 11总 结 15致 谢 15参考文献 16附录 17附录 1 整体电路图 17附录 2 源程序 181第一章 概 述转速表在自动化生产设备和旋转运动装置中应用十分广泛。 传统的转速表是 机械式的， 典型的机械式转速表连接一根软轴， 软轴内有一根钢丝缆， 软轴的另 一端与设备旋转部件相连， 带动转速表内的磁铁旋转而产生磁力线， 使指针偏转， 指针偏转的角度与旋转设备的转速成正比。这种转速表的特点是结构简单实用， 被广泛用

4、于汽车上。随着电子技术的发展， 现在大多采用电子数字式转速表， 常见的是由光电或 霍尔传感器获取信号， 通过对脉冲进行计数而推算出转速， 并由数字显示器件直 接显示，单位为rpm,即每分钟多少转。下面将介绍一款由STC89C51RC系列单片机组成的数显转速表的设计与制作。2第二章硬件设计2.1系统组成结构框图根据功能要求，首先要进行的是总体方案的设计于论证， 构思一个符合实际 要求的系统，如图2.1所示。系统由测量模块、显示模块、供电模块和单片机小系统构成。启动测量后， 大片及实时采集、处理后显示。I563I56#图2.1系统组成结构框图2.2具体硬件电路及工作原理具体硬件电路如图2.2，图2

5、.3所示。1234I56#I56#VCCR12 22uFSW-PB22pFC2十22pFVCCRST/VPDF3.0F3.1F3.2F3.3F3.4F3.5F3.6F3.7XTAL2XTAL1GNDVCCP0.0P0.1P0.2P0.3P0.4P0.5P0.6P0.7EAVPPALE/PROGPSENP2.7P2.6P2.5P2.4P2.3P2.2P2.1P2.014QAQBQCQDQEQFQGQHVCCR?U?R?174LS164BIUECARes Pack 420014-9U?R?VCCQAQBCLKABGND7TLS1TABGND74LS164QCQDQEQFQGQH200bBLUECA

6、QAQBQCQDQEQFQGQH3|1!詣 I2 3-力I I5_11-*_ 12i U，L13三 LRes Pack 4200dfg dpBLUECAI564I56#TitleSizeNumberBDate:2010-6-25File:桌面系统总图SchDocRevisionSheet ofDrawn By :图2.2系统硬件电路原理图1（INT0输入）34I56#（0KR12VCCVCCVCCCLR QBCLK QCQDAQEBQFQGGNDQHU?141CLRCLKABQBQCQDQEQFQGGND QHC1P1.0P1.1P1.2P1.3P1.4P1.5P1.6P1.7 RST/VPD

7、P3.0P3.1P3.2P3.3P3.4P3.5P3.6P3.7XTAL2XTAL1GNDVCCP0.0P0.1P0.2P0.3P0.4P0.5P0.6P0.7EAVPPP2.7P2.6P2.5P2.4P2.3P2.2P2.1P2.0丄亠亠亠亠亠亠亠亠亠一兰亠亠三U?14QBQCQDQEQFQGQHU?141VCC QACLR QBCLK QCQDAQEBQFQGGNDQH图2.3系统硬件电路原理图2 （T0输入）TitleSizeBDate:File:5baS ，bCdpBLUECAI;dpBLUECA口 i二=gdpRes Pack200g dpf Tb f e d c dpR?4Numb

8、er2010-7-26Sheet1.SchDoc200f g b e d C dpBLUECAbf g lb:E dpgdpBIUECAdBLUECARevisionSheet ofDrawn By65#2.3其他外围硬件电路2.3.1红外传感器#6图2.4红外光电传感器接线图D#TiSiDaFil5#VCCVCCVCCU?CLRCLKABGNDQBQCQDQEQFQGQHiffig dp149U?f be: dcpBLUECAQBQCQDQEfgdpd f bBLUECARST/VPDF3.0F3.1F3.2F3.3F3.4F3.5F3.6F3.7XTAL2XTAL1GNDF0.0F0.1F

9、0.2F0.3F0.4F0.5F0.6F0.7EAVPPF2.7F2.6F2.5F2.4F2.3F2.2F2.1F2.0VCC-T5A-CLRQBCLKQC1QDAQEBQFQGGNDQHU?U?CLRQBCLKQCQDAQEBQFQGGNDQHU?VCCQACLRQBCLK QCQDAQEBQFQGGNDQH图2.55位串行静态显示电路原理图Title232 5位串行静态显示电路SizeBDate:三三fgdpBLUECA4至bad f b e ecB4gdpBLUECAdp9BLUECANumberRevision2010-6-25Fb:桌面系统总图.SchDoc5Sheet ofDraw

10、n By7当单片机的UART 口部进行串行通信时，可设置其工作于同步移位寄存器 方式0,以输出显示信息，实现n位LED的静态显示，这样做只占用了很少的 I/O 口线。系统中，5个共阳极得LED数码管和4片74LS164构成5位数字显 示电路，74LS164将串行输入的显示信息转换成并行输出，驱动数码管显示。 74LS164在低电平输出时允许通过的电流为 8mA，故不必添加驱动电路即可获 取理想亮度。与动态扫描方式相比较，该方式无须CPU做不停的扫描，频繁地为显示服务，节省了 CPU的时间，软件设计也比较简单。显示电路如图 2.5所 示O第三章 软件设计3.1 软件设计方案论证方案一：采用记数的

11、方法。具体是通过单片机记单位时间S （秒）内的脉冲数N,每分钟的转速：M=N/S 30。方案二：采用定时的方法。是通过定时器记录脉冲的周期T,这样每分钟的转速： M=30/T。目前大多数的转速测量装置均采用两种方案之一。比较这两种方案,各有利 弊。其中方案一适合测高速,但在低速时相对误差较大；方案二适合测低速,但 在高速时相对误差较大。 为此该装置引入了方案三, 该方案结合了方案一与方案 二的优点,并且克服了它们的缺点,是一个不错的方案。方案三：高速时采用计数的方法,低速时采用定时的方法。具体采用哪种方 法,由软件根据转速实时采集值自动判断与决定。3.2 主程序设计主程序流程图见图 3.1。开

12、机后系统初始化,正常时 LED 显示 “00000”,同时等待电机转动。电机开 始转动后,系统进行记录和计算,并显示数值。8开始图3.1主程序流程图3.2外中断INTO , T1以及TO定时溢出中断服务子程序设计9INTO中断10#关计时读时间1TO重赋初值1r清计时空间1计数单元+11r重新计时1r中断返回图3.2夕卜中断INTO中断服务子程序#中断返回图3.3定时器T1溢出中断服务子程序123.3系统完整源程序如附录21F计时单元+11r重赋定时初值1r中断返回TO中断图3.4定时器TO溢出中断服务子程序14第四章实验结果与数据分析4.1实验数据如表4.1、表4.2所示:U /V0.51.

13、01.52.02.53.03.5Ia/A0.210.250.290.330.370.430.50n / rpm2100465070209510118801431016680表4.1实验数据（未考虑线路压降，且R取0.4 Q）U /V0.51.01.52.02.53.03.5Ia/A0.200.230.270.320.360.410.48n / rpm26405340828011040142501776020550表4.2实验数据（考虑压降，且R取0.2927 Q ）4.2实验结果分析直流电机转速与电枢电压的关系如式 4.1所示:(4.1 )其中u为电枢两端的电压；Ra为电枢回路的电阻，经万用表

14、测量，约为 0.4Q （后经复测约为0.2927 Q ）; Ce为电动势常数；门为气隙磁通。由于所用电动机为永磁式电机，气隙磁通与电枢电压无关，因此，在该式中,Ce可看成一个常数。、由第一组数据第一个值计算Cj：- （R暂取为0.4 Q）:Ceu -Raian0.5-0.21 0.42100二 0.0002(4.2 )将其代人公式4.1计算0.53.0V时的转速与实测值对比:U /V0.51.01.52.02.53.03.5*n /rpm2100450069009350117501415016500n / rpm2100468071409600119401440016860表4.3将式4.2算

15、出的Ce代人式4.1算出的转速值与实测值对比注：该表中的U未考虑导线压降将表4.2数据绘制成坐标图如图4.1所示:直流电机U-n关系曲线0+ n*亠n1701234U/V图4.1直流电机U-n关系曲线1由图4.1可知，该实验数据基本满足式 4.1所确定的直流电机的U-n特性。、由第二组数据第一个值计算Cj：Ce：；JU -Raia0.5 -0.20 0.29272640-0.000167(4.3)将其代人公式4.1计算0.53.0V时的转速与实测值对比:U /V0.51.01.52.02.53.03.5*n /rpm26405577849811400143201722320090n / rpm

16、26405340828011040142501776020550表4.3将式4.3算出的Ce代人式4.1算出的转速值与实测值对比直流电机U-n曲线18#图4.2 直流电机U-n关系曲线2由图4.2可知，该实验数据基本满足式 4.1所确定的直流电机的U-n特性。主要问题总结： 一，为什么中未考虑线路压降，而测出来的趋势却跟相符呢？经过仔细分析，原因有二：一是，虽然中存在线路压降，未考虑进来，但是线路压降相对来说不是很大；二是，随着电枢电压的增大，线路压降也在增大,因而它们之间的比例基本恒定,这样对CJ-的计算影响较大，但是对转速与电枢电压之间的变化趋势影响较小 二，为什么中Ra取0.4 Q和中R

17、a取0.2927 Q的结果（电机U-n关系曲线）相差不大？经过分析以及查阅电机学的相关资料，得出结论：直流电机在空载运行时， 其电枢电流很小， 因而在空载运行时其与电枢电阻的乘积在整个计算中所占的比 重很小，因此电枢电阻的取值只要不是相差太远对实验结果的影响较小， 并且该 影响随着负载的增大而增大。19总结本设计以 STC89C51RC 为核心，通过光电传感器来检测电机的运转情况进 而实现电机转速的计算，最后用 5位的 LED 能直观的将转速显示给用户。这次课程设计使我掌握了很多实践知识， 在老师和同学的帮助下对单片机有 了进一步的了解。通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，

18、只有理论知识是远远不够的， 只有把所学的理论知识与实践相结合起来， 从理论 中得出结论， 进而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。 整个设计过程可 以说不是很顺利， 因为有很多知识已经淡忘， 还有很多新的东西没有掌握， 所以 这次设计在不断的复习、 学习中度过， 使我受益匪浅， 也使我对单片机的运用有 了进一步的了解和掌握，也为今后的学习生活和工作打下良好的基础。致谢 在此首先感谢柴钰老师，柴老师在整个设计过程中给我的帮助最大，从方案 指导到波形分析， 到最终完成设计， 都凝聚着柴老师的汗水和心血。 在柴老师的 帮助和教导下，我顺利完成了设计，导师深厚的学识和专业知识使我受益匪浅。 其次感

19、谢我的师兄师姐，他们在本设计中也给我提出了宝贵的意见和建议。 最后感谢所有帮助过我的同学。20参考文献1 柴钰.单片机原理及应用 M. 西安：西安电子科技大学出版社， 2009.2 张毅坤，陈善久 .单片微型计算机原理及应用 M. 西安：西安电子科技大 学出版社， 2002.3 冯建华，赵亮 .单片机应用系统设计与产品开发 M. 北京：人民邮电出版 社， 2004.3 张洪润，刘秀英，张亚凡等单片机应用设计200例M.北京：北京航空 航天大学出版社， 2006.4 杨振江，杜铁军，李群 .流行单片机实用子程序及应用实例 M. 西安：西 安电子科技大学出版社， 2002.顾绳谷 .电机及拖动基础

20、 M. 北京：机械工业出版社， 2003.21附录22#附录1整体电路图123#TitleDSizeNumberRevisionBDate:2010-7-27Sheet ofFile:桌面系统总图SchDocDrawn By:56#附录 2 源程序ORG0000HAJMPSTARTORG0003HAJMPINTEX0ORG000BHAJMPIT10ORG001BHAJMPIT11ORG0030HSTART:MOVSP,#75HMOVSCON,#00HACALLCLEARRAMSTLOOP:MOVR6,#14HLOOP1:MOVNOPR7,#0F8HLOOP2:DJNZR7,LOOP2DJNZR

21、6,LOOP1ACALLPANDUANMOVA,11HJNZLOP1ACALLYUNSUAN1SJMPLOP2LOP1:ACALLYUNSUAN2LOP2:ACALLHEX3BCDACALLXIANSHISJMPSTLOOP/主程序 /系统准备显示初始化子程序 /设置堆栈指针串行口工作方式 调用系统准备显示初始化子程序 延时 10ms循环显示CLEARRAM:MOV11H,#01HMOVTMOD,#11HMOVTH1,#0B1HMOVTL1,#0E0HMOVTH0,#0FFHMOVTL0,#06HMOV10H,#32HCLRAPUSH ACCPUSH PSWT0,T1 用于定时，工作于模式 1

22、 定时 20ms 初始值定时 250us 初始值中断 50（）次相应内 RAM 空间清零24MOV74H,A ;显示00000MOV73H,A ;MOV72H,A ;MOV71H,AMOV70H,AMOV5CH,#1EH ;60s( 30S )MOV54H,A ;清计时空间MOV55H,AMOV56H,AMOV57H,AMOV24H,AMOV25H,AMOV26H,AMOV27H,AMOV41H,A ;清计数空间MOV42H,AMOV46H,AMOV47H,ASETBIT0 ;设置外中断为边沿触发方式SETBPT1 ;T1 优先级高SETBPT0 ;T0 优先级高SETBEA ;开总中断SET

23、BEX0SETBET1 ;开 T1 中断SETBET0SETBTR1SETBTR0POPPSWPOPACCRET/外中断 0服务子程序 /INTEX0: PUSHACC; 累加器堆栈保护PUSHPSW; 状态字堆栈保护CLRTR0; 关计时，读轮子转半圈的时间MOV24H,54HMOV25H,55HMOV26H,56HMOV27H,57HMOVTH0,#0FFH; 定时器 T1 重付初值MOVTL0,#06HCLRA25清计时空间重新计时 状态字恢复 累加器恢复 中断返回MOVMOVMOVMOVINCMOVCJNEINCNOP3: SETBPOPPOPRETI54H,A55H,A56H,A57

24、H,A41HA,41HA,#00H,NOP342HTR0PSWACC26#IT10:PUSHACCPUSHPSWINC1:INC54HMOVA,54HCJNEA,#00H,SUBT1INC55HMOVA,55HCJNEA,#00H,SUBT1INC56HMOVA,56HCJNEA,00H,SUBT1INC57HSUBT1:MOVTH0,#0FFH/T0 定时器溢出时中断服务子程序 /堆栈保护定时 250us 溢出次数读一圈定时的次数#MOV TL0,#06H SETB TR0 POP PSW POP ACCRETI#IT11:PUSHACCPUSHPSWDJNZ10H,TTMOV10H,#32

25、HMOV46H,41HMOV47H,42HMOV41H,#00HMOV42H,#00H/T1 定时器溢出时中断服务子程序 /堆栈保护27CLRCMOVA,57HSUBBA,27HJCTTJNZGENXINMOVA,56HSUBBA,26HJCTTJNZ GENXINMOV A,55HSUBB A,25HJC TTJNZ GENXINMOVA,54HSUBBA,24HJCTTJZTTGENXIN:MOV24H,54HMOV25H,55HMOV26H,56HMOV27H,57HTT:MOVTH1,#0B1HMOVTL1,#0E0HSETBTR1POPPSWPOPACCRETI/判断子程序 /PAN

26、DUAN:PUSHACCPUSHPSWCLRC;转速小于 1830 转，则置位 11HMOVA,47HJNZNOP1MOVA,46HSUBBA,#3DHJNCNOP1MOV11H,#01HSJMPNOP2NOP1:MOV11H,#00HNOP2:POPPSWPOPACCRET/算转速十六进制值子程序 （测频法） /YUNSUAN1: PUSHPUSHMOVMOVMULMOVMOVMOVMOVMULADDMOVMOVADDCMOVMOVPOPPOPRETACC PSW A,46H B,5CH AB 58H,A R2,B A,47H B,5CH AB A,R2 59H,A A,B A,#00H 5

27、AH,A 5BH,#00H PSW ACC/算转速十六进制值子程序（测周法） /YUNSUAN2: PUSH ACCPUSH PSWMOV5BH,#00HMOV5AH,#01HMOV59H,#0D4HMOV58H,#0C0HCLRAMOV50H,AMOV51H,AMOV52H,AMOV53H,AMOVR5,#20HDIV1:CLRCMOVA,58HRLCAMOV58H,AMOVA,59HRLCAMOV59H,AMOVA,5AHRLCAMOV5AH,AMOVA,5BHRLCAMOV5BH,AMOVA,50HRLCAMOV50H,AMOVA,51HRLCAMOV51H,AMOVA,52HRLCAM

28、OV52H,AMOVA,53HRLCAMOV53H,ADIV2:MOVA,50HSUBBA,24HMOVR2,AMOVA,51HSUBBA,25HMOVR3,AMOVA,52HSUBBA,26HMOVR4,AMOVA,53HSUBBA,27HJCNEXTINC58HMOV53H,AMOVA,R4MOV52H,AMOVA,R3MOV51H,AMOVA,R2MOV50H,ANEXT:DJNZR5,DIV1MOVA,53HCLRCSUBBA,#80HJNCADD1CLRCMOVA,50HRLCAMOV50H,AMOVA,51HRLCAMOV51H,AMOVA,52HRLCAMOV52H,AMOVA,53HRLCASUBBA,27HJCNOOVERJNZADD1MOVA,52HSUBBA,26HJCNOOVERJNZADD1MOVA,51HSUBBA,25HJCNOOVERJNZADD1MOVA,50HSUBBA,24HJCNOOVERADD1: MOVA,58HADDA,#01HMOV58H,AMOVA,59HADDCA,#00HMOV59H,AMOVA,5AHADDCA,#00HMOV5AH,AMOVA,5BHADDCA,#00HMOV5BH,ANO