基于单片机的转速测量

1、 淮阴工学院毕业设计说明书（论文） 第 44 页 共 44 页1 绪 论1.1 单片机的应用单片微型计算机（简称单片机）也叫做微型控制器，自从20世纪70年代问世以来，得到了快速发展，从早期的8位机到现在的32位机，其硬件资源和软件资源在不断丰富与完善。单片机由于其集成度高、体积小、抗干扰能力强和价格低廉、具有独特的控制功能，它已经成为计算机世界中的重要成员。在一个应用系统中，只用一个单片机，这是目前应用最多的方式，主要应用领域有：（1）.测控系统。用单片机可构成各种工业控制系统、自适应系统、数据采集系统等。（2）.智能仪表。用单片机改造原有的测量、控制仪表，能够数字化、智能化、多功能化、综合

2、化、柔性化发展。（3）.机电一体化产品。单片机与传统的机械产品结合，使系统机械产品结构简化，控制智能化。（4）.智能接口。在计算机控制系统（特别是较大型的工业测控系统）中，普遍采用单片机进行接口的控制与管理，因单片机与主机是并行工作，故大大提高了系统的运行速度。（5）.智能民用产品。在家用电器、玩具、游戏机、声像设备、电子秤、收银机、办公设备等产品中引入单片机，不仅使产品的功能大大增强，而且获得了良好的使用效果。但是单片机应用的意义绝不仅限于它的广阔范围以及所带来的经济效益上，更重要的意义还在于：单片机的应用正从根本上改变着传统的控制系统设计思想和设计方法。从前必须由模拟电路或数字电路实现的大

3、部分控制功能，现在已能使用单片机通过软件（编程序）方法实现了。这种以软件取代硬件并能提高系统性能的控制技术必将随着单片机应用的推广普及而不断发展完善。在工业过程实时控制中，转速的检测与控制一般占有很大的比重，它对系统的稳态误差及动态响应性能都有着至关重要的影响1。特别在自动控制中，常常需要监视机器的运转情况并将其反馈给控制装置。所以对于此类应用来讲，一个在较大速度范围内具有高分辨率的快捷而准确的测速系统是必不可少的。传统的模拟式测速仪受非线性、温度变化和元件老化等因素的影响，在转速检测过程中很难满足快速性和准确性的要求。为此，一种可与计算机直接接口，具有高性能的数字式测速器件旋转式光电编码器便

4、应运而生2。它是一种通过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量的光电传感器。它具有体积小，精度高，线性度好，工作可靠,接口数字化等优点，它已广泛应用于数控机床、回转台、伺服传动、机器人、雷达、军事目标测定等装置和设备中。它以成为目前应用最多的传感器之一。正是基于上面的论述，看到了单片机在测量和控制系统中的广泛应用。于是，在这种背景下，本文介绍了在单片机的控制下，利用光电编码器，采用适当的测量方法对电机转速进行测量。1.2 转速测量在国民经济中的应用转速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

5、有其侧重，但转速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。下面列举二例加以说明3。1.2.1 转速测量在调速系统中的应用直流电机具有良好的起、制动性能，易于在宽广范围内平滑调速，所以长期以来在要求调速指标较高的场合获得了广泛应用。随着电力电子技术和控制技术的发展，交流调速系统日趋完善，其性能可与直流调速系统相媲美，其变频调速的应用范围日益扩大，但它的控制技术相对复杂，整个控制系统造价较高，在某些领域短时间内还难以取直流调速系统，调速系统便应运而生了。调速系统主电路线路简单，所用的功率元件少；开关频率高，可达到10004000Hz，电流易连续，谐波少，脉动小，电机损耗和发热都较小；低

6、速性能好，稳态精度高，因而调速范围宽；调速系统频带宽，快速响应性能好，动态抗扰能力强：主电路元件工作在开关状态，导通损耗小，装置效率高；直流电源采用三相整流时，电网功率因数高，可广泛用于交通、工矿企业等电力传动系统中。1.2.2 变M/T法在风力发电机并网控制中的应用发电机叶轮吸收的功率，一部分用来克服叶轮旋转的阻力矩，其余部分转变为电能。叶轮通过硬质齿面增速齿轮箱带动4极200kw异步发电机。主叶轮转速达到40rpm时，发电机转速达到同步转速，应并入电网发电，发电机转速低于同步转速时应脱离电网。对合闸时具有大电流冲击特性的异步发电机来说，除采用软切入并网技术外，还应满足在同步转速点切入的严格

7、要求。自然界的风速风向变化是难以预测的随机变量，加上叶轮转动时的巨大惯量和强电磁干扰。因此，风力发电机的安全并脱电网是风机控制的关键技术。自动并脱电网的主要根据是发电机的实时转速，采用准确、快速的转速测量方法尤为重要。用变M厂r法测速，以4个转速计数脉冲（mI=4）为一个测算周期。在风力发电机并入电网控制中，变MT法能够较好地满足并网对发电机转速的精度要求。同时，随着电机转速不断的提高，4个转速脉冲之间的时间总和相应减少，测算周期也相也就是应缩短，这也正好满足发电机并网时对转速测量快速性的要求。有效地防止了在高风速起动时，风机因超过并网而飞车造成的并网失败。1.3 测速系统的发展1.3.1 系

8、统的概述一系统的概念系统一般是指为实现某些特定功能，由硬件、软件、固件、智件和操作者按一定的方式组成的一个集合体。二单片机系统我们应该看到，单片机只是一个芯片，它单独并不能完成任何功能，而只有在单片机芯片的基础上，通过扩展其它电路或芯片构成具有一定应用功能的系统，即单片机系统，才能实现某种特定的功能。通常我们所说的单片机系统都是为实现某一控制应用需要由用户设计的，是一个围绕单片机芯片而组建的计算机应用系统。在单片机系统中，单片机处于核心地位，是构成单片机系统的硬件和软件基础。1.3.2 早期测速系统的简介 早期的测速系统无论是结构上还是测量方法上都比较简单，大多数情况下就是使用一些简单的仪表，

9、完全由人来进行转速测量，整个系统的成本较低，但可靠性不高，实现的功能很单一。在转速测量技术中研究最早的要数机械式和电磁式技术，如多齿分度台和圆磁栅等，这些传统的转速测量方法的主要缺点大多为手工测量，不容易实现自动化，测量精度受到很大的限制，即便是对部分转速的测量精确度较高，但也无法对整个转速范围实施高精确度测量，其根本原因是测量的起始和停止时刻的随机性，从而引起误差。但是这些测量方法的优点也是显而易见的，那就是简单实用。目前在一些测量精度要求不是很高的场合下，这些传统的测量方法仍在被使用。1.3.3 现代测速系统的介绍随着电子技术、计算机技术、现代控制技术等技术的迅猛发展，测速系统得到了不断的

10、发展与完善，功能更强大。特别是转速测量技术发展到现在，已经发生了很大的变化，尤其是计算机和各种测量手段的综合运用使测量准确度达到了很高的水平。现在，在一个测速系统中，主要采用一些光学技术、光电技术等现代技术进行转速测量。利用这些技术而产生的测速方法也多种多样，有光电编码器法，衍射法，自准直法，光纤法，声光调制法，圆光栅法，光学内反射法，激光干涉法，平行干涉图法，以及环形激光法等。这些方法中的很多方法在小角度的精密测量中已经得到了成功的应用，并得到了较高的测量精度和测量灵敏度。但是，目前采用单片机及其外围电路，依靠光电传感器技术，以数字脉冲式测速为发展的主流。这种方法可以实现对整个转速范围的高精

11、确度测量，信号检出、处理均采用数字技术，也便于和计算机接口，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，可连续测量。1.4 设计内容1.本次设计讨论以单片机为核心的光电式转速测量系统。2.设计采用反射式或遮断式光电传感器的转速测量系统。3.系统设计要求在单片机的控制下完成转速的采样工作，并根据不同的转速，能自动采用M法和T法进行计算，并显示测量的转速。4.系统在单片机的控制下完成光电编码器预置。1.5 设计目的和意义转速是工程中应用非常广泛的一个参数，其测量方法较多，而模拟量的采集和模拟处理一直是转速测量的主要方法，这种测量方法已不能适应现代科技发展的要求，在测量范围和测量

12、精度上，已不能满足大多数系统的使用。随着大规模及超大规模集成电路技术的发展，数字系统测量得到普遍应用，特别是单片机对脉冲数字信号的强大处理能力，使得全数字测量系统越来越普及，其转速测量系统也可以用全数字化处理。在测量范围和测量精度方面都有极大的提高。因此，本课题的目的是：对各种测量转速的基本方法予以分析，针对不同的应用环境，利用AT89C51系列单片机设计一种全数字化测速系统，从提高测量精度的角度出发，分析讨论其产生误差的可能原因，为今后的实际使用提供借鉴。并从实际硬件电路出发，分析电路工作原理和软件流程，根据仿真情况提出修改方案和解决办法。课题以单片机为中心，设计的全数字化测量转速系统，在工

13、业控制和民用电器中都有较高使用价值。其可以应用于工业控制中的某一部分，如数控车床的电机转速检测和控制、水泵流量控制以及需要利用转速检测来进行控制的诲多场合。如车辆的里程表、车速表等。其次该转速测量系统由于采用全数字化结构，因而可以很方便的和工业控制计算机进行连接，实行远程管理和控制，进一步提高现代化水平。并且，几乎不需做很大改变直接就能作为单独的使用产品。总之，转速测量系统的研究是一件非常有意义的课题。这次设计内容包含知识全面，对传感器测量电机的方法和原理设计的介绍，在测量系统中能学到关于测量转速的传感器采样问题，单片机部分的内容，显示部分等各个模块的通信和联调。全面了解单片机和信号放大的具体

14、内容。进一步锻炼我们在信号采集，处理，显示方面的实际工作能力。2 转速仪2.1 离心式转速仪离心式转速表属于机械式转速表中的代表种类，特别是手持式离心转速表，在转速表的使用者中有着较高的认同度。目前，离心式转速表被广泛的应用在各行各业，如电机、洗衣机、汽车、轮船和飞机等制造行业。2.1.1 离心式转速表的工作原理离心式转速表是最传统的一类转速测量仪表，它的发展时间较长，工作原理也较为简单。离心式转速表的工作原理主要是离心力和拉力之间的相互作用，通过传动系统带动指示部件，来对被测物体的转速进行指示。离心式转速表在测量机械设备的转速时，转轴会随着被测对象转动，并带动离心器上的重物进行旋转运动，而重

15、物在惯性离心力的作用下就会离开轴心，传动系统受重物的拉力后，就会带动指针从零刻度开始移动。离心式转速表的弹簧会对受离心力作用的重物施加反作用力，当离心力和拉力之间达到平衡时，传动系统的受力不再增加，指针的移动也就停止，当指针稳定后所指示的刻度值，既是被测对象的转速值。2.1.2 离心式转速表的优缺点离心式转速表多采用就地安装方式或手持方式使用。离心式转速表的优点是，对测量结果的指示直观，运行可靠、坚固耐用。离心式转速表的缺点是，其本身的测量原理简单，测量精度相对较低，一般测量精度是在1到2级，且离心式转速表的结构比较复杂，不利于制造和维修。2.2 磁性式转速仪磁性转速仪，利用旋转磁场，在金属罩

16、帽上产生旋转力，利用旋转力与游丝力的平衡来指示转速。 磁性转速表，是成功利用磁力的一个典范，是利用磁力原理的机械式转速仪；一般就地安装，用软轴可以短距离异地安装。磁性转速仪，因结构较简单，目前较普遍用于摩托车和汽车以及其它机械设备。异地安装时软轴易损坏。2.3 电动式转速仪电动式转速仪，由小型交流发电机、电缆、电动机和磁性表头组成。小型交流发电机产生交流电，交流电通过电缆输送，驱动小型交流电动机，小型交流电动机的转速与被测轴的转速一致。磁性转速头与小型交流电动机同轴连接在一起，磁性表头指示的转速自然就是被测轴的转速；电动式转速，异地安装非常方便，抗振性能好，广泛运用于柴油机和船舶设备。2.4

17、磁电式转速仪磁电式转速仪是磁电传感器加电流表，异地安装非常方便。2.5 闪光式转速仪闪光式转速仪利用视觉暂留的原理。闪光式转速仪，除了检测转速（往复速度）外，还可以观测循环往复运动物体的静像，对了解机械设备的工作状态，是一必不可少的观测工具。2.6 电子式转速仪电子技术的不断进步，使这一类转速仪有了突飞猛进的发展。 电子式转速仪是一个比较笼统的概念：以现代电子技术为基础，设计制造的转速测量工具。它一般有传感器和显示器，有的还有信号输出和控制。因为传感器和显示器件方面的多种多样，还有测量方法的多样性，很难像前五种一样来归类。这里将电子类转速计，从传感器和二次仪表分开来分类。如果从安装使用方式上来

18、分，还有就地安装式、台式、柜装式和便携式以及手持式。2.6.1 转速传感器 转速传感器从原理（或器件）上来分，有磁电感应式、光电效应式、霍尔效应式、磁阻效应式、介质电磁感应式等。另外还有间接测量转速的转速传感器：如加速度传感器（通过积分运算，间接导出转速），位移传感器通过微分运算，间接导出转速），等等。测速发电机和某些磁电传感器在线性区域，可以直接通过交流有效值转换，来测量转速；大多数都输出脉冲信号（近似正弦波或矩形波）。针对脉冲信号测转速的方法有：频率积分法（也就是F/V转换法，其直接结果是电压或电流），和频率运算法（其直接结果是数字）。2.6.2 转速显示仪显示仪从指示形式来分有指针式、数

19、字式、图形及其混合式和虚拟仪表等； 一、指针式1. 动圈式：线圈、游丝指针联于一旋转轴上，给线圈输入电流，线圈感应出磁力，且互成正比；磁力与游丝的扭力平衡，扭力与指针转角成正比，指针的角度也就反映出输入电流的大小。 2. 动磁式：正交线圈中电流的变化，导致合成磁场方向的变化，而指针附着在单对极的永磁体上，指针反映电流的变化。 3. 电动式：双向旋转的马达带动电位器的旋转，电位器的取样值与输入信号电压比较，决定双向旋转马达正转、反转或停止，与电位器联动的指针正确反映输入信号的大小。 上述三式指针类表头中，电动式表头属于电子类，动磁式表头和动圈式表头本身不属于电子类，当与表头配套的传感器或表头驱动

20、需要供电电源时，且依赖现代电子技术时，这里就把它归为电子类。 二、数字式、图形及其混合式 主要是从器件来区分，有数码管、字段式液晶、液晶屏、荧光管、荧光屏、等离子屏和EL屏等。显示技术是一门专门的技术，本文会涉及一些显示技术，但不做展开阐述。 三、虚拟转速仪 随着计算机的普及，利用计算机做显示和操作平台的虚拟仪表，也越来越被广泛运用，目前主流的开发平台是NI公司的LabVIEW。有关开发运用技术，可以浏览NI公司的网站。 上述六种转速仪，具有各自独特的结构和原理，既代表着不同时期的技术发展水平，也体现人类认识自然的阶段性发展过程。时代在不断前进，有些东西将会成为历史；但留心回顾一下，不禁要惊叹

21、前贤的匠心！综上所得图表2.1。表2.1 常用转速测量方法的比较类型测量方法适用范围特点测速仪测速发电机直流激磁一定，发电机输出电压与转速成正比中、高速、最高达10000转/分可远距离指示交直流测速发电机交流磁电式转轴带动磁性体旋转产生计数电脉冲，其脉冲数与转速成比例中、高速、最高达48000转 /分机构复杂，精度高数字式磁电转速计光电式利用转动圆盘的光线使光电元件产生电脉冲中、高速、最高达48000转/分没有扭矩损失机构简单光电脉冲转速计同步闪光式用已知频率的闪光来测出与旋转体同步的频率（即旋转体转速）中、高速没有扭矩损失闪光测速仪旋转编码盘把码盘中反映转轴位置的码值转换成电脉冲输出低、中、

22、高速数字输出，精度高光电式码盘3 硬件设计思路及方案对于一个转速检测系统来说，其关键在于能够使测速结果在整个转速范围内的准确性和分辨率为最佳，并能满足快速的动态响应要求。在硬件电路设计过程中，考虑的主要问题是经济合理、安全可靠、抗干扰性强，同时应具有一定的智能化。目前国内外测量转速的方法分为模拟式和数字式两种，模拟式得到的是模拟量，数字式得到的信号是脉冲信号。传感器的发展越来越向着抗干扰能力强测量精度高的方向发展，在目前测量转速所用的传感器主要有两种：第一种是霍尔转速传感器，第二种是光电码转速传感器。本设计的组成主要有三大模块，第一模块是传感器部分，主要负责采集转速信号，并把采集到的信号转化为

23、电信号传递到下一个模块。第二模块是主电路，主要由单片机负责处理信号。第三个模块是显示电路，主要负责显示转速。本设计采取的主要方法是利用传感器采集信息之后由单片机进行处理最后由LED进行显示。系统硬件原理框图：如图3-1所示。 图3-1 系统硬件原理框图其设计思想为：将光电编码器与电机主轴直接联接，当电机旋转后，编码盘随着电机转动，通过光电编码器产生脉冲信号，脉冲波形经整形后送入单片机。在单片机的控制下完成对脉冲信号的采样工作，并根据电机的不同转速，通过程序控制，自动采用M法或T法对转速进行计算，并最终显示测量的电机转速。3.1 硬件组成3.1.1 光电编码器单片机虽然在整个系统设计当中处于核心

24、地位，但传感器作为信息采集系统的前端单元、系统中的一个重要组成部分，其作用也是不能忽视的。光电编码器是一种角度（角速度）检测装置，它将输入给轴的角度量，利用光电转换原理转换成相应的电脉冲或数字量，具有体积小，精度高，工作可靠,接口数字化等优点。光电编码器可以通过光的强弱或通断对信号信号进行编码，其实编码的方式有很多中，光电编码器主要是受外界干扰小，而且电路之间没有电器连接，可以不用考虑阻抗匹配之类的东西。光电编码器，是一种通过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器4。它是目前应用最多的传感器。光电编码器的工作原理如图3-2所示。在圆盘上有规则地刻有透光和不透光的线条，在圆

25、盘两侧，安放发光元件和光敏元件。当圆盘旋转时，光敏元件接收的光通量随透光线条同步变化，光敏元件输出波形经过整形后变为脉冲，码盘上有之相标志，每转一圈输出一个脉冲。此外，为判断旋转方向，码盘还可提供相位相差90º的两路脉冲信号。 图3-2 光电编码器工作原理及输出波形在计算机调速系统中大都采用光电编码器来测量转速，由于它的输出为数字（脉冲）量，可以与计算机的接口直接相连。根据检测原理，编码器可分为光学式、磁式、感应式和电容式。根据其刻度方法及信号输出形式，可分为增量式、绝对式以及混合式三种。1.增量式编码器是直接利用光电转换原理输出三组方波脉冲A、B和Z相；A、B两组脉冲相位差90&#

26、186;，从而可方便地判断出旋转方向，而Z相为每转一个脉冲，用于基准点定位。它的优点是原理构造简单，机械平均寿命可在几万小时以上，抗干扰能力强，可靠性高，适合于长距离传输。其缺点是无法输出轴转动的绝对位置信息。2.绝对式编码器是利用自然二进制或循环二进制（葛莱码）方式进行光电转换的。绝对式编码器与增量式编码器不同之处在于圆盘上透光、不透光的线条图形，绝对编码器可有若干编码，根据读出码盘上的编码，检测绝对位置。编码的设计可采用二进制码、循环码、二进制补码等。它的特点是：（1）.可以直接读出角度坐标的绝对值（2）.没有累积误差；（3）.电源切除后位置信息不会丢失。但是分辨率是由二进制的位数来决定的

27、，也就是说精度取决于位数，目前有10位、14位等多种。3.混合式绝对值编码器，它输出两组信息：一组信息用于检测磁极位置，带有绝对信息功能；另一组则完全同增量式编码器的输出信息。因为光电编码器是一种角度（角速度）检测装置，它能将输入给轴的角度量，利用光电转换原理转换成相应的电脉冲或数字量，具有体积小，精度高，工作可靠,接口数字化等优点。所以它广泛应用于数控机床、回转台、伺服传动、机器人、雷达、军事目标测定等需要检测角度的装置和设备中。本次设计中并没有直接使用真正的光电编码器，而只是一个红外发射接收管，它仅仅是将一个发光二极管与一个光敏三极管封装在一起。所使用的是普通型GK102，如图3-3所示，

28、其主要性能参数如下：正向电压： 1.3V最大正向电流： 60mA反向截止电流： 0.1uA饱和压降： 0.4V最大耗散功率： 100mW电流传输比： 30工作温度： 最高可达100；频率响应： 200KHz 图3-3 光电耦合器光电编码器与电机主轴直接联接，从而使编码盘转速与电机完全一致。若电机正转，则带动光电编码器顺时针旋转，通道B输出波形超前通道A输出波形90°；假设电机反转，则带动光电编码器逆时针旋转，通道B输出波形比通道A输出波形延迟90°。将两路波形同时送入施密特触发器，从施密特触发器输出的波形再送至单片机输入端T0，进行计数。电机正/反转波形示意图如图3-4所示

29、。电机正转电机反转 图3-4 电机正/反转波形示意图3.1.2 单片机系统ATMEL89系列单片机（简称89系列单片机）是ATMEL公司的8位FLASH单片机系列。这个系列单片机的最大特点就是在片内含有FLASH存储器。因此，有着十分广泛的用途，特别是在便携式、省电和特殊信息保存的仪器系统中显得更为有用5。89系列单片机是以8031为核心构成的。所以，它和8051系列单片机是兼容的系列。这个系列对于8051为基础的系统来说，是十分容易进行取代和构成的。一、89系列单片机的特点：（1）.内部含FLASH存储器。（2）.和AT80C51插座兼容。（3）.静态时钟方式。（4）.错误编程亦无废品产生。

30、（5）.可反复进行系统试验。二、89系列单片机结构简况89系列单片的内部结构和80C51相近，主要含有如下一些部件。（1）.8031CPU。（2）.振荡电路。（3）.总线控制部件。（4）.中断控制部件。（5）.片内Flash存储器。（6）.片内RAM。（7）.并行I/O接口。（8）.定时器。（9）.串行I/O接口。本次设计采用的是AT89C51单片机。我们从系统硬件原理框图可以看到，在该系统中，单片机AT89C51是该系统的核心，它将完成脉冲的读取与传送。AT89C51是一种低功耗 、低电压、高性能的8位单片机，片内带有一个4KB的Flash可编程、可擦除、只读存储器，它采用了CMOS工艺和A

31、TMEL公司的高密度非易失性存储器技术,而且其输出引脚和指令系统都与MCS-51兼容。AT89C51主要性能：4KB可改编程序Flash存储器（可经受1000次的写入/擦除）。全静态工作：0Hz24MHz。3级程序存储器保密。128×8字节内部RAM。32条可编程I/O线。2个16位定时器/计数器。6个中断源。可编程串行通道。片内时钟振荡器。另外，AT89C51是用静态逻辑来设计的，其工作频率可下降到0Hz，并提供两种可用软件来选择的省电方式空闲方式（Idle Mode）和掉电方式（Power Down Mode）6。在空闲方式中，CPU停止工作，而RAM、定时器/计数器、串行口和中

32、断系统都继续工作。在掉电方式中，片内振荡器停止工作，由于时钟被“冻结”，使一切功能都暂停，故只保存片内RAM中的内容，直到下一次硬件复位为止。1. 单片机AT89C51的封装方式有双列直插封装（DIP）方式和方形封装方式。对于双列直插封装方式，AT89C51引脚排列如图3-5所示7。图3-5 AT89C51的引脚排列2. 引脚功能说明：（1）.主电源引脚：VCC：电源端。GND：接地端。（2）.外接晶体引脚：XTAL1：接外部晶体的一个引脚。在单片机内部，它是构成片内振荡器的反相放大器的输入端。当采用外部振荡器时，该引脚接收振荡器的信号，即把此信号直接接到内部时钟发生器的输入端。XTAL2：接

33、外部晶体的另一个引脚。在单片机内部，它是上述振荡器的反相放大器的输出端。采用外部振荡器时，此引脚应悬浮不连接。AT89C51中有一个用于构成内部振荡器的高增益反相放大器，引脚XTAL1和XTAL2分别是该放大器的输入端和输出端。这个放大器与作为反馈元件的片外石英晶体或陶瓷振荡器一起构成自激振荡器，内部振荡电路（如图3-6），其功能是为单片机提供一个稳定的时钟脉冲。图3-6 内部振荡电路外接石英晶体（或陶瓷振荡器）及电容C1、C2接在放大器的反馈回路中构成并联振荡电路。对外接电容C1、C2虽然没有什么十分严格的要求，但电容容量的大小会轻微影响振荡频率的高低，振荡器工作的稳定性，起振的难易程度及温

34、度稳定性，如果使用石英晶体，则推荐电容使用20pF±10pF,而如使用陶瓷振荡器建议选择30pF±10pF。（3）.控制或其他电源复用引脚：RESET：复位输入端。当振荡器运行时，在该引脚上出现两个机器周期的高电平将使单片机复位。ALE/PROG：当访问外部存储器时，ALE（地址锁存允许）的输出用于锁存地址的低位字节。即使不访问外部存储器，ALE端仍以不变的频率（此频率为振荡器频率的1/6）周期性地出现正脉冲信号。因此，它可用作对外输出的时钟或用于定时目的。然而要注意的是：每当访问外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。在对Flash存储器编程其期间，该引脚还用于输入编程脉

35、冲（PROG）。PSEN：程序存储允许（PSEN）输出是外部程序存储器的读选通信号；EA/Vpp：外部访问允许端；当EA端保持高电平（接Vcc端）时，CPU则执行内部程序存储器的程序。在Flash存储器编程期间，该引脚也用于施加12V的编程允许电源Vpp（如果选用12V编程）。 （4）.输入/输出引脚：P0.0P0.7，P1.0P1.7，P2.0P2.7和P3.0P3.7P0端口（P0.0P0.7）：P0口是一个8位漏极开路的双向I/O口。作为输出口，每位能驱动8个TTL逻辑电平。对P0端口写“1”时，引脚用作高阻抗输入。当访问外部程序和数据存储器时，P0口也被作为低8位地址/数据复用。在这种

36、模式下，P0具有内部上拉电阻。在Flash编程时，P0端口接收指令字节；而在校验程序时，则输出指令字节。验证时，要求外接上拉电阻。P1端口（P1.0P1.7）：P1 口是一个具有内部上拉电阻的8 位双向I/O 口，p1 输出缓冲器能驱动4 个TTL 逻辑电平。对P1 端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。在对Flash编程和程序校验时，P1接收低8位地址。P2端口（P2.0P2.7）：P2 口是一个具有内部上拉电阻的8 位双向I/O 口，P2 输出缓冲器能驱动4 个TTL 逻辑电平。对P2 端口

37、写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。在访问外部程序存储器或用16位地址读取外部数据存储器（例如执行MOVX DPTR）时，P2 口送出高八位地址。在这种应用中，P2 口使用很强的内部上拉发送1。在使用8位地址（如MOVX RI）访问外部数据存储器时，P2口输出P2锁存器的内容。在对Flash编程和程序校验时，P2也接收高位地址和一些控制信号。P3端口（P3.0P3.7）：P3 口是一个具有内部上拉电阻的8 位双向I/O 口，P3 输出缓冲器能驱动4 个TTL 逻辑电平。对P3 端口写“1”时，内部

38、上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。在对Flash编程和程序校验时，P3还接收一些控制信号。在AT89C51中，P3端口还用于一些复用功能。其复用功能如表3.1所示。表3.1 P3各端口引脚与复用功能表端口引脚复用功能P3.0RXD（串行输入口）P3.1TXD（串行输出口）P3.2INT0（外部中断0）P3.3INT1（外部中断1）P3.4T0（定时器0 外部输入）P3.5T1（定时器1 外部输入）P3.6WR（外部数据存储器写选通）P3.7RD（外部数据存储器读选通）以AT89C51单片机为中心构成的控制系统，

39、由于程序存储器在单片机内部，四个口都可以作为IO使用，大大简化了外围电路，提高了系统的可靠性。在我设计的系统中，将AT89C51设计为多功能可编程接口，其相关程序固化在片内的Flash ROM中。在本次设计当中，P2口工作在基本输入输出方式，控制EEPROM的读写，串行EEPROM电路用了一块X25045，它既能存储编码器的参数，防止掉电丢失，又担当了监控CPU的看门狗。P1口的P1.0P1.3工作在输出状态，控制LED显示；P1.4P1.7用于操作键盘输入信息。其中，计数传感信号连到外部中断INT0端，它是正确编码的关键信号。复位电路和晶振电路比较简单，此处不再赘述。3.1.3 施密特触发器

40、整形电路我们知道获得矩形脉冲波形的途径不外乎有两种：一种是利用各种形式的多谐振荡器电路直接产生所需要的矩形脉冲；另一种则是通过各种整形电路把已有的同周期性变化波形变化为符合要求的矩形脉冲。当然，在采用整形的方法获取矩形脉冲时，是以能够找到频率和幅度都符合要求的一种已有电压信号为前提的。在脉冲整形电路中，最常用的两类整形电路施密特触发器和单稳态触发器电路。施密特触发器（Schmitt Trigger）是脉冲波形变换中经常使用的一种电路8。它在性能上有两个重要的特点：（1）.输入信号从低电平上升的过程中，电路状态转换时对应的输入电平，与输入信号从高电平下降过程中对应的输入转换电平不同。（2）.在电

41、路状态转换时，通过电路内部的正反馈过程使输出电压波形的边沿变得很陡。利用这两个特点不仅能将边沿变化缓慢的信号波形整形为边沿陡峭的矩形波，而且可以将叠加的矩形脉冲高、低电平上的噪声有效地清除。基于施密特触发器的上述特点，本次设计我使用的是CMOS集成的CD40106BE施密特触发器，其CD40106BE引脚排列如图3-7所示。它可以将我的两路脉冲信号进行必要的脉冲整形。这里需要说明的一点，从理论上讲，从光电编码器出来的脉冲信号是比较规整的，可以不经过整形，直接送入单片机中。但是，考虑到光敏三极管之间的性能差异，例如通断时间，特别是在低速时，可能某些光敏三极管导通时间会比较长，不仅影响了脉冲波形，

42、还影响了单片机的采样；另外还要考虑可能还存在的一些外界干扰，例如使波形上出现毛刺等。那么，为了保证系统的可靠性，所以我在设计时加入了这个整形电路（如图3-8）。图3-7 CD40106BE的引脚排列其管脚1，3，5，9，11，13为输入端；管脚2，4，6，8，10，12为输出端。其推荐工作条件如表3.2所示。表3.2 CD40106BE工作条件参数最小额定最大电源电压Vcc4.5V5V5.5V输入高电平电压VIH1.4V1.6V1.9V输入低电平电压 VIL0.5V0.8V1V输出高电平电流  IOH-400uA输出低电平电流  IOL4mA滞

43、后电压 VT0.4V0.8V图3-8 施密特触发器的整形电路3.1.4 D触发器（D Trigger） 触发器是指能够记忆一位二值信号的基本逻辑单元，也是构成各种数字系统的基本逻辑单元8。触发器触发器（trigger）是个特殊的存储过程，它的执行不是由程序调用，也不是手工启动，而是由个事件来触发，比如当对一个表进行操作（insert，delete， update）时就会激活它执行。触发器经常用于加强数据的完整性约束和业务规则等。那么为了实现记忆1位二值信号的功能，触发器必须具备以下两个基本特点：（1）.具有两个能自行保持的稳定状态，用来表示逻辑状态的0和1，或二进制数的0和1。（2）

44、.根据不同的输入信号可以置成1或0状态。到目前为止，人们已经研制出了许多种触发器电路。按结构形式分有基本RS触发器、时钟RS触发器、主从结构触发器、边沿触发器等；按功能分有RS触发器、JK触发器、D触发器和T触发器等。D触发器的动作特点：是输出端状态的转换发生在CP的上升沿，而且被触发器所保存下来的状态仅仅取决于CP上升沿到达时的输入状态。D触发器功能表如表3.3所示。表3.3 D触发器功能表D Qn+1 说明 0 0 置0 1 1 置1 特性方程 Qn+1 = Dn 本次设计我使用的是CMOS集成的双D触发器GD4013B（上升沿触发），其GD4013B引脚排列如图3-6所示。将脉冲信号A作

45、为D触发器的输入端，脉冲信号B作为D触发器的时钟与将脉冲信号B作为D触发器的输入端，脉冲信号A作为D触发器的时钟，这两种情况通过D触发器后，其输出是不同的。我们可以由此来判断电机的正反转。 我将输出端接到一数码显示器上，若电机正转，显示器上无任何显示；若电机反转，显示器上的g被点亮。图3-9 GD4013B的引脚排列3.1.5 X25045简介目前，在一些测控系统中，存在电源开断、瞬时电压不稳等不安全因素，将会造成系统死机、信息丢失、运行不稳定等故障。为解决这些问题，实现系统安全可靠、稳定、实时运行，可以采用可编程看门狗、电压监控、E2PROM等功能的X25045芯片。本次设计中使用的X250

46、45芯片是美国Xior公司推出的可编程up监控串行EEPROM器件，它把三种常用的功能：看门狗定时器，电压监视和EEPROM组合在单个封装之内，使其具有独立定时保护系统、低电压保护系统、简单的三线（SPI）接口、页写操作方式、低电压和小封装的特点，既节省了I/O口线和电路板空间，又降低了系统成本（如图3-10）。X25045具有较高的数据传送速率，不需要专用的串行总线，其写保护提供了防止异常事件对存储器进行写操作的硬件保护，这些特点为电子技术提供新的方案和途径，因此，该芯片是性价比极好的组合芯片。 图3-10 看门狗及电压监控电路.性能和特点：（1）.可编程的看门狗（Watchdog）定时器：

47、当系统出现故障时，在可选超时周期之后，X25045看门狗将以RESET信号作出响应，用户可以从三个预置的值中选择此周期。（2）.低电压Vcc检测：X25045可以保护系统使之免受低电压状况的影响。当Vcc降到最小转换点以下时，系统复位。复位一直保持到Vcc返回稳定为止。（3）.存储器：存储器部分是CMOS的4096位串行EEPROM，它在内部按512×8来组织，4字节页写方式。（4）.低功耗器件：用2.7V至5.5V电压工作，静态电流10微安，工作电流3毫安。（5）.块锁定：保护1/4，1/2或所有的EEPROM阵列。（6）.内建异常事件的写保护：有上电/掉电保护电路，写锁存和写保护

48、。（7）.高可靠性：10万次使用周期，保存数据100年。所有引脚静电放电保护达2000V。.引脚功能：（1）.引脚排列：如图3-11所示图3-11 X25045的引脚排列（2）.引脚说明：SO：串行输出。SO是一个推/拉串行数据输出引脚，数据由此引脚移出，串行时钟（SCK）的下降沿同步输出数据。SI：串行输入。SI是串行数据输入端。所有操作码、字节地址及写入的数据在此引脚上输入。数据由串行时钟的上升沿锁存。SCK：串行时钟。串行时钟控制用于数据输入和输出的串行总线定时。操作码，地址或出现在SI引脚上的数据在时钟输入的上升沿锁存，而SO引脚上的数据在时钟的下降沿之后发生改变。CS：片选。当CS为

49、高电平时，X25045不被选择，串行输出引脚处于高阻状态，除非内部写操作正在进行，否则X25045将处于静态备用方式。CS为低电平时，X25045工作把它置于工作方式。应该注意，在上电之后，在任何操作开始之前需要CS从高电平至低电平的跳变，同时将复位看门狗定时器。WP：写保护。当WP为低电平时，对X25045的非易失性写操作被禁止，但是器件的其他功能仍正常。当WP为高电平时，所有功能正常，包括非易失性写操作都正常。如果在CS是低的时候，WP变为低电平，则会中断向X25045中写的操作。但是，如果此时内部的非易失性写周期已经初始化了，则WP变为低电平不起作用。 RESET：复位。X25045的R

50、ESET是高电平有效。当Vcc下降至低于最小Vcc检测电平时，RESET便变为高电平。它将保持高电平直至Vcc上升到最小Vcc检测电平200ms为止。如果允许看门狗超定时器工作且CP保持高电平或低电平的时间长于看门狗超时周期、那么RESET也变成高电平。CS的下降沿复位看门狗定时器。Vss：地。 Vcc：电源电压。有两种电压规格的芯片，一种是4.55.5V，另一种是2.75.5V。.工作原理：X25045的功能方框图，见图3-12所示。图3-12 X25045的功能方框图X25045内部有一个8位指令寄存器，该寄存器可以通过引脚SI来访问，数据在串行时钟输入的上升沿由时钟同步输入。另外，对芯片

51、的所有操作都需要通过对该寄存器的写命令来完成。其中操作主要有设置写使能锁存器允许写，复位写使能锁存器禁止写，读写状态寄存器，从所选地址开始的存贮器中读出数据，把数据写入所选地址开始的存贮器中。在执行写操作之前写使能锁存器必须被置位，在写操作完成后该寄存器必须被复位。其指令格式这里不再详细介绍。上电复位当器件通电并超过Vtrip时，X25045内部的复位电路将会提供一个约位200MS的复位脉冲，让微处理器能够正常复位。降压检测工作过程中，X25045监测Vcc端的电压下降，并且在VCC电压跌落到Vtrip以下时会产生一个复位脉冲，这个复位脉冲一直有效，直到VCC降到1V以下。如果Vcc在降落到V

52、trip后上升，则在Vcc超过Vtrip后延时约200ms，复位信号消失，使得微处理器可以继续工作。3.1.6 键盘与显示器接口1.键盘接口：键盘是一组开关的集合，是单片机系统中最常用的输入设备之一，键盘接口必须解决以下一些问题：（1）.检测是否有键按下；（2）.如有键按下，判定是哪一个键；（3）.确定被按键的读数；（4）.反弹跳（去抖动）；（5）.不管一次按键持续的时间有多长，仅采用一个数据；（6）.处理同时按键；键盘功能主要有按键识别、去抖、重键处理、发送扫描码、自动重发、接收键盘命令、处理命令等7。键盘可以分为独立联接式和矩阵式两类，每一类按其译码方法又都可分为编码及非编码两种形式。编码

53、键盘程序设计简单，但硬件电路复杂，价格较高；非编码键盘用软件来实现识别键、编码转换、去抖等功能，硬件电路简单，价格便宜。现代微机系统中广泛采用非编码键盘，采用行扫描法识别按下的按键。矩阵式键盘（也称行列式键盘）适合于按键数目较多的场合，它由行线和列线组成，按键位于行列的交点上。一个3×3的行列结构可以构成一个有9个按键的键盘。同理，一个4×4的行列结构构成一个16键的键盘，很明显，在按键数量较多的场合，矩阵式键盘于独立式键盘相比，要节省很多的I/O口线。按键设置在行列线交点上，行列线分别接到按键开关两端。行线通过上拉电阻接到+5V上。平时无按键按下时，行线处于高电平状态，而

54、当有按键按下时，行线电平状态将由于此行线相连的列线电平决定。列线电平如果为低电平，则行线电平为低电平，列线电平如果为高电平，则行线电平为高电平。这是识别矩阵键盘按键是否按下的关键所在。由于矩阵键盘中行列线多键公用，各按键均影响该键所在行列的电平。因此各按键彼此将相互发生影响，所以必须将行列信号配合起来做适当的处理，才能确定闭合键的位置。独立式按键就是各按键相互独立，每个按键各接入一根输入线，一根输入线上的按键工作状态不会影响其他输入线上的工作状态。因此，通过检测输入线的电平状态可以很容易判断哪个按键按下了。独立式按键电路配置灵活，软件简单。但每个按键需要占用一个输入口线，在按键数量较多时，需要

55、较多的输入口线且电路结构复杂，故此种键盘适用于按键较少或操作速度较高的场合。在本次设计中我采用的是独立联接式非编码键盘。这是最简单的键盘结构，每一键互相独立地各自接通一条输入数据线，如图3-13所示。任何一个键按下时，与之相联的输入数据线即被置0（低电平），而平时该线为1（高电平）。要判别是否有键按下，用单片机的位处理指令，十分简单和方便。图3-13 独立联接式非编码键盘在这次系统设计当中，我预先设置了四个按键，1键作为数据写入，2键实现1功能，3键实现1功能，4键作为备用，为系统将来可能进一步的完善作准备。2.显示器接口：在单片机系统中，最常用的两种显示器是发光二极管显示器（LED）和液晶显

56、示器（LCD）9。本次设计，我采用发光二极管显示器。七段LED有共阴极与共阳极两种，我们这里用的是共阴极的七段LED。为了在七段LED上显示字母或数字，必须将其转换可通过硬件译码或软件来实现。LED显示器工作于静态显示方式时，各位的共阴极（或共阳极）连接在一起并接地（或+5V）；每位的段选线（adp）分别与一个8位的锁存器输出相连。所以称为静态显示。各个LED的显示字符一经确定，相应锁存器的输出将维持不变，直到显示另一个字符为止。也正因为如此，静态显示器的亮度都较高。这种显示方式接口编程容易。付出的代价是占用口线较多。如果显示位数增多，则静态显示方式更是无法适应，因此在显示位数较多的情况下，一般都采用动态显示方式。在多位LED显示时，为了简化硬件电路，通常将所有位的段选线相应的并联在一起，有一个8位I/O口控制，形成段选线的多路复用。而各位的共阳极或共阴极分别由相应的I/O线控制，形成各位的分时选通。其中段选线占用一个8位I/O口，而位选线占用一个4位I/O口。由于各位的段选线并联，段码的输出对各位来说都是相同的，因此，同一时刻，如果各位位选线都处于选通状态的话，4位LED将显示相同的字符。若要各位LED能够显示出与本位相应的显示字符，就必须采用扫描显示方式，即在某一时刻，只让某一位的位选线状态，而其他各位的位选线处于关闭状态，同时，段选线上输出