毕业论文_基于AT89C51单片机的转速测量仪设计

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1、理工大学毕业论文 题目：基于AT89C51单片机的转速测量仪设计学生：学生_院系名称： 机电工程系 专业_ 机电一体化107班 指导20XX6月15日45 / 50摘 要在工程实践中,经常会遇到各种需要测量转速的场合,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。数字式通常采用光电编码器、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,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。本文便是运用AT89C51单片机控制的智能化转速测量仪。电机在运行过程中,需要对其进行监控,转速是一个必不可少的一

2、个参数。本系统就是对电机转速进行测量,并可以和PC机进行通信,显示电机的转速,并观察电机运行的基本状况。本设计主要用AT89C51作为控制核心,由霍尔传感器、LED数码显像管、HIN232CPE电平转换及RS232构成。详细介绍了单片机的测量转速系统及PC机与单片机之间的串行通讯。充分发挥了单片机的性能。本文重点是测量速度并显示在5位LED数码管上。其优点硬件是电路简单,软件功能完善,测量速度快、精度高、控制系统可靠,性价比较高等特点。关键词：MSC-51单片机,转速,传感器ABSTRACTIn the project practice, we will meet each kind to n

3、eed frequently to survey the rotational speed the situation, the survey rotational speed method divides into the simulation type and the digital two kinds. The simulation type uses measured that the fast generator is the detecting element, obtains the signal simulates the quantity. Digital usually u

4、ses the electro-optical encoder, the Hall part and so on is the detecting element, obtains the signal is the signal impulse. Along with microcomputers widespread application, specially high performance price compared to monolithic integrated circuits appearance, the tachometric survey uses generally

5、 take the monolithic integrated circuit as the core digital measuring technique I graduated from the Design of the issue is control of the intelligent use of SCM speed measuring instrument. The system is the motor speed measurement, and PC and can communicate that the motor speed, and to observe the

6、 motor running the basic situation. The main design AT89C51 control as the core, by the Hall sensor, LED digital CRT, HIN232CPE-level conversion, and a RS232. Detailed measurements of the speed of the SCM system and PC and the serial communication between the microcontroller. Give full play to the p

7、erformance of the SCM. This paper is to measure the speed and displayed in five LED digital pipe. The advantage of a simple hardware and software capabilities improve, measuring speed, high precision and control system reliable, cost-effective and so on.KEY WORDS：MSC-51One-chip computer,Sensor,Tacho

8、meter目 录摘要IABSTRACTII前言1第1章绪论21.1课题的研究背景21.2课题研究的目的和意义21.3转速测量在国外的研究31.4 主要容4第2章系统功能分析52.1 系统功能概述52.2系统要求及主要容52.3系统技术指标6第3章系统总体设计73.1转速测量的一般方法73.2 硬件电路设计思路93.3 软件设计思路9第4章硬件电路设计114.1单片机模块114.1.1处理执行元件114.1.2时钟电路144.1.3复位电路154.1.4显示电路164.1.5HD7279接口184.1.6键盘电路214.2霍尔传感器简介224.2.1霍尔器件概述224.2.2霍尔传感器的应用22

9、4.2.3AH41霍尔开关234.3发送模块24第5章软件设计285.1 单片机转速程序设计思路及过程285.1.1 单片机程序设计思路285.1.2单片机转速计算程序295.1.3二-十进制转换程序305.2程序设计32第6章系统调试346.1 硬件调试346.2 软件调试356.2.1调试主要方法和技巧：356.2.2 程序调试过程：366.3 综合调试376.4故障分析与解决方案376.5 结论与经验38参考文献40致41附录42前 言智能化转速测量可以对电机的转速进行测量,电机在运行的过程中,需要对其平稳性进行监测,适时对转速的测量有效地可以反映电机的状况。本系统主要由传感器,单片机A

10、T89C51构成。可以对大围转速进行测量,测量的转速精度高,还可以和PC机时时通信,实现对电机转速的测量。单片机的英文名称是Micro Controller unit,缩写为MCU,又称为微控制器,它是一种面向控制的大规模集成电路芯片。它具有功能强、体积小、可靠性高、应用简单灵活,因而使用非常广泛,有力地推动各行业的技术发展和更新换代。 本文首先在第1章绪论介绍了此系统的功能、技术指标以及主要容等；在第2章论述了总体设计过程,确定了技术指标及器件的选择；第3章着重描述了系统硬件电路设计、硬件设计框图及所使用的各种芯片功能与特性；在第4章中重点剖析了软件设计的过程；最后在第5章中具体论述单片机、

11、电平转换电路、通信的处理及调试。第1章 绪论1.1 课题的研究背景目前国外测量电机转速的方法很多,按照不同的理论方法,先后产生过模拟测速法、同步测速法以及计数测速法。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。传统的电机转速检测多采用测速发电机或光电数字脉冲编码器,也有采用电磁式、电容式等,还有一些特殊的测速器是利用置于旋转体的放射性材料来发生脉冲信号。其中应用最广的是光电式,光电式测系统具有低惯性、低噪声、高分辨率和高精度的优点。加之激光光源、光栅、光学码盘、CCD器件、光导纤维等的相继出现和成功应用,使得光电传感器在检测和控制领域得到了广泛的应用。而采用光电传感器的电机转速测量系

12、统测量准确度高、采样速度快、测量围宽和测量精度与被测转速无关等优点,具有广阔的应用前景。1.2 课题研究的目的和意义随着超大规模集成电路技术提高,尤其是单片机应用技术以其功能强大,价格低廉的显著特点,使全数字化测量转速系统得以广泛应用。由于单片机在测量转速方面具有体积小、性能强、成本低的特点,越来越受到企业用户的青睐。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,这种测量方技术已不能适应现代科技发展的要求,在测量围和测量精度上,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

13、数字信号的强大处理能力,使得全数字量系统越来越普及,其转速测量系统也可以用全数字化处理。在测量围和测量精度方面都有极大的提高。常用的检测方法有机械式,光电式,霍尔式,频闪法,高压油管应变法等,本课题主要是针对转速测量系统的硬件和软件系统的设计。运用51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。同时从实际硬件电路出发,分析电路的工作原理,根据设计具体情况提出修改方案和解决办法。在工程实践中,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,常需要分时或连续测量和显示其转速及瞬时转速。要测速,

14、首先要解决是采样问题。在使用模技术制作测速表时,常用测速发电机的方法,即将测速发电机的转轴与待测轴相连,测速发电机的电压高低反映了转速的高低。为了能精确地测量转速外,还要保证测量的实时性,要求能测得瞬时转速方法。因此转速的测试具有重要的意义。这次设计容包含知识全面,对传感器测量发电机转速的不同的方法及原理设计有较多介绍,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容。进一步锻炼我们在信号采集、处理、显示等方面的实际工作能力。本课题以单片机为核心,设计的全数字化测量转速系统,在工业控制和民用电器中都有较高使用价值。

15、一方面它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许多场合,如车辆的里程表、车速表等。另一方面由于该转速测量系统采用全数字结构,因而可以很方便的和工业控制机进行连接,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就能直接作为单独的产品使用。总之,转速测量系统的研究是一件非常有意义的课题。1.3 转速测量在国外的研究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、燃机的输出功率等等,而且动力机械的振动、管道气流脉动

16、、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

17、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

18、在不同的应用中有其侧重,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。1.4 主要容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。2.根据单片机硬件系统的设计,构建软件系统,分别对硬件系统的配置予以估计,使其能够对转速进行测量。同时分析接口电路,显示转速。3.对单片机定时/计数器进行设置,设计和说明定时/计数器在M法测量中的作用和使用方法,讨论测量精度的问题。4.根据系统要求设置各控制字,用汇编语言编制

19、程序,包括主程序流程,转速计算程序,显示中断程序流程,同时并写出其具体程序。第2章 系统功能分析2.1 系统功能概述系统主要实现功能是AT89C51单片机接收霍尔传感器传来的脉冲信号,单片机根据外部中断,以及部定时器进行记数计算出电机转速送到LED显示,同时数据传给PC机,并在PC机屏幕上显示出来。记录各时段的转速,画出V-T坐标图。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,微机部分用Visual Basic软件编写的界面作为PC机部分与单片机进行串口之间通信。传感器电路、转速测量、LED显示、电平转换电路设计等将在以下章节作详细地

20、设计。 传感器 单 片 机 AT89C51 电 平 转 换 电 路 LED显示 驱动电路 送PC机界面 图2.1 系统硬件电路从实用的角度看,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围、高精度等优点、测量速度快,这种系统将会有良好的应用。2.2 系统要求及主要容将霍尔传感器产生的脉冲信号输出入到单片机的外部中断0口,单片机工作在部定时器工作方式0,对周期信号进行部记数,调用计算公式算出转速,调用显示程序显示在LED上,同时通过串口向上位机发送转速数据。系统包含主要容如下：1单片机部分主要完成电机转速的测量2LED部分主要是把转速显示出来,

21、显示围60-36000r/min3发送部分主要是完成电平转换,送RS232向PC发送数据。4PC机部分主要完成将数据显示在界面并描绘出V-T图2.3 系统技术指标系统主要完成测量和通信两部分功能：1设计并制作单片机的转速测量的硬件系统；2用汇编语言完成转速测量的软件系统；3要求把转速显示在5位LED上,精度为0.1%；4能向上位机发送数据；5用9针RS-232即可；6在微机部分采用Visual Basic编制RS232通信软件；7通信软件具有数据接受编辑框；8通信软件要适时对数据的记录,用时间曲线表示。根据系统要实现的功能以及要求,要实现单片机的转速测量主要是各个模块的设计,定时器记数功能、以

22、及LED驱动、电平转换及PC机之间的通信。单片机可通过编程控制外围部件,能实现较高的自动化程度。以它为系统核心的控制模块可实现主从控制,完成预定的任务。第3章 系统总体设计3.1 转速测量的一般方法一般转速测量系统有以下几个部分构成,转速测量框图如图3.1所示。转速信号拾取整型倍频单片机显示接口芯片显示键盘驱动电路图3.1 转速测量框图1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。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

23、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。1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。2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

24、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：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。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整形和倍频前向通道中,从传感器输出的信号必须转换成单片机输入要求的信号,由于信号调节电路与传感器的选择,现场干扰程度等,都会影响信号的质量。而脉冲信号的上升沿和下降沿对数字电路的触发尤为重要,若要将转速脉冲信号直接加到计数器或外部中断的输入端,并利用其上升沿来触发进行计数,则必须要求输入的信号有陡峭的上升沿或下降沿。处理方法上可以用触发器电路来整形；而倍频电路主要用于解决

25、低转速时测量精度问题及码盘的刻度误差而造成的精度下降问题。方法是在每转中增加脉冲的个数来提高精度。但在高转速时,由于脉冲个数的增加,限制了最高转速测量量程,这个问题可用单片机控制来动态处理解决,兼顾高低转速的测量精度。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围、使用的定时,计数器的个数及I/O口线,预选用89C51单片机。具体工作情况在后讨论。4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

26、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。3.2 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。转速是工程中应用非常广泛的一个参数,早期模拟量的模拟处理一直是作为转速测量的主要方法,这种测量方法在测量围和测量精度上,已不能

27、适应现代科技发展的要求。而随着大规模及超大规模集成电路技术的发展,数字测量系统得到普遍应用,利用单片机对脉冲数字信号的强大处理能力,应用全数字化的结构,使数字测量系统的越来越普及,在测量围和测量精度方面都有极大的提高。89C51单片机通过INT0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89C51单片机在接口规上不一致,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。转速测量部分的硬件设计思

28、路：本次设计单片机部分的硬件框图如图3.2所示。具体详细的叙述将在下面的章节中逐一介绍。复位电路CPU执行单元显示电路时钟电路发送电路图3.2 单片机部分硬件框图3.3 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、由于测量的转速围大,所以低速和高速都要考虑在,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、停止位等均由通信软件实现。软件工作流程：霍尔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0P3.2

29、口发送一个中断信号,定时器工作在部定时,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LED上。转速部分软件设计思路： AT89C51单片机的P3.2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11.0592M

30、HZ。软件的具体设计我们将在下面的章节中作详细介绍。第4章 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。整个单片机测量转速系统为单片机控制模块、霍尔传感器模块、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,具体每一部分的设计将在以下章节中详细分析。4.1 单片机模块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

31、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。4.1.1 处理执行元件单片机我们采用AT89C51,相对于INTEL公司的8051它本身带有一定的优点。AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存贮器FPEROMFalsh Programmable and Erasable Read Only Memory的低电压,高性能CMOS 8位微处理器,俗称单片机。图4.1 AT89C51引脚图主要特性：与MCS-51 兼容4K字节可编程闪烁存储器寿命：1000写/擦循环数据保留时间：10年全静态工作：0Hz-

32、24Hz三级程序存储器锁定128*8位部RAM32可编程I/O线两个16位定时器/计数器5个中断源 可编程串行通道低功耗的闲置和掉电模式片振荡器和时钟电路管脚说明：1.VCC：供电电压；2.GND：接地；3.P0口：P0口为一个8位漏极开路双向I/O口,每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时,被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器,它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时,P0 口作为原码输入口,当FIASH进行校验时,P0输出原码,此时P0外部必须被拉高。4.P1口：P1口是一个部提供上拉电阻的8位双向I/O口,P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口

33、管脚写入1后,被部上拉为高,可用作输入,P1口被外部下拉为低电平时,将输出电流,这是由于部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时,P1口作为第八位地址接收。5.P2口：P2口为一个部上拉电阻的8位双向I/O口,P2口缓冲器可接收,输出4个TTL门电流,当P2口被写1时,其管脚被部上拉电阻拉高,且作为输入。并因此作为输入时,P2口的管脚被外部拉低,将输出电流。这是由于部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时,P2口输出地址的高八位。在给出地址1时,它利用部上拉优势,当对外部八位地址数据存储器进行读写时,P2口输出其特殊功能寄存器的容。P2口在FLASH编程和校验

34、时接收高八位地址信号和控制信号。6.P3口：P3口管脚是8个带部上拉电阻的双向I/O口,可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入1后,它们被部上拉为高电平,并用作输入。作为输入,由于外部下拉为低电平,P3口将输出电流ILL这是由于上拉的缘故。P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口,如为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。如下表4-1所示。表4-1 P3口的第二功能引 脚第二功能信 号 名 称P3.0P3.1P3.2P3.3P3.4P3.5P3.6P3.7RXDTXDINT0INT1T0T1WRRD串行数据接收串行数据发送外部中断0请求外部中断1请求定时器/计数器0计数输入定时器/计数器1

35、计数输入外部RAM写选通外部RAM读选通7.RST：复位输入。当振荡器复位器件时,要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。8.ALE/PROG：当访问外部存储器时,地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间,此引脚用于输入编程脉冲。在平时,ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号,此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时,将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时,ALE只有在执行MOVX,MOVC指令是ALE才起作用。另外,该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态

36、ALE禁止,置位无效。9.PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间,每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时,这两次有效的/PSEN信号将不出现。10./EA/VPP：当/EA保持低电平时,则在此期间外部程序存储器0000H-FFFFH,不管是否有部程序存储器。注意加密方式1时,/EA将部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时,此间部程序存储器。在FLASH编程期间,此引脚也用于施加12V编程电源VPP。 11.XTAL1：反向振荡放大器的输入及部时钟工作电路的输入。 12.XTAL2：来自反向振荡器的输出。l 振荡器特性：XTAL1和XTAL2分别为反

37、向放大器的输入和输出。该反向放大器可以配置为片振荡器。石英振荡和瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱动器件,XTAL2应不接。有余输入至部时钟信号要通过一个二分频触发器,因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求,但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。l 芯片擦除：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,AT89C51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,

38、串口和中断系统仍在工作。在掉电模式下,保存RAM的容并且冻结振荡器,禁止所用其他芯片功能,直到下一个硬件复位为止。4.1.2 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。MCS-51单片机允许的时钟频率是因型号而异的典型值为12MHZMCS-51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部的各个部件。AT89C51是属于CMOS8位微处理器,它的时钟电路在结构上有别于NMOS型的单片机。CMOS型单片机部如AT89C51有一个可控的负反馈反相放大器,外接晶振或瓷谐振器和电容组成振荡器,图4.2为C

39、MOS型单片机时钟电路框图。振荡器工作受/PD端控制,由软件置1PD即特殊功能寄存器PCON.1使/PD0,振荡器停止工作,整个单片机也就停止工作,以达到节电目的。清0PD,使振荡器工作产生时钟,单片机便正常运行。图中SYS为晶振或瓷谐振器,振荡器产生的时钟频率主要由SYS参数确定晶振上标明的频率。电容C1和C2的作用有两个：其一是使振荡器起振,其二是对振荡器的频率f起微调作用C1、C2大,f变小,其典型值为30pF。图4.2 CMOS型单片机时钟电路框图4.1.3 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。MCS

40、-51单片机有一个复位引脚RST,它是史密特触发输入,当振荡器起振后该引脚上出现2个机器周期以上的高电平,使器件复位,只要RST保持高电平,MCS-51保持复位状态。此时ALE、PSEN、P0、P1、P2、P3口都 输出高电平。RST变为低电平后,退出复位,CPU从初始状态开始工作。单片机采用的复位方式是自动复位方式。对于MOS单片机只要接一个电容至VCC即可。在加电瞬间,电容通过电阻充电,就在RST端出现一定时间的高电平,只要高电平时间足够长,就可以使MCS-51有效的复位。RST端在加电时应保持的高电平时间包括VCC的上升时间和振荡器起振的时间,Vss上升时间若为10ms,振荡器起振的时间

41、和频率有关。10MHZ时约为1ms,1MHZ时约为10ms,所以一般为了可靠的复位,RST在上电应保持20ms以上的高电平。RC时间常数越大,上电RST端保持高电平的时间越长。若复位电路失效,加电后CPU从一个随机的状态开始工作,系统就不能正常运转。图4.3 上电复位电路4.1.4 显示电路显示电路采用LED数码管动态显示,LEDLight-Emitting Diode是一种外加电压从而渡过电流并发出可见光的器件。LED是属于电流控制器件,使用时必须加限流电阻。LED有单个LED和八段LED之分,也有共阴和共阳两种。显示器结构：常用的七段显示器的结构如图4.4所示。发光二极管的阳极连在一起的称

42、为共阳极显示器,阴极连在一起的称为共阴极显示器。1位显示器由八个发光二极管组成,其中七个发光二极管ag控制七个笔画段的亮或暗,另一个控制一个小数点的亮和暗,这种笔画式的七段显示器能显示的字符较少,字符的开头有些失真,但控制简单,使用方便。此外,要画出电路图,首先还要搞清楚他的引脚图的分布,在了解了正确的引脚图后才能进行正确的字型段码编码。才能显示出正确的数字来,如图4.5所示,为七段数码管的管脚图。图4.4 七段发光显示器的结构图4.5 七段发光显示器管脚的结构l 驱动方式：采用的数码管驱动为7407,它的全名为7407 TTL 集电极开路六正相高压驱动器,其结构简单,使用方便,图4.6为74

43、07的图以及各个引脚的分布功能介绍。图4.6 7407管脚的结构l 显示方式：为了节省I/O口线,我们采用的动态显示方式。所谓动态显示,就一位一位地轮流点亮各位显示器扫描,对于每一位显示器来说,每隔一段时间点亮一次。显示器的亮度既与导通电流有关,也与点亮时间和间隔时间的比例有关。调整电流和时间参数,可实现亮度较高较稳定的显示。若显示器的位数不大于8位,则控制显示器公共极电位只需8位口称为扫描口,控制各位显示器所显示的字形也需一个8位口称为段数据口。本次设计要求的转速测量围60r/min-36000r/min,所以只需要5位数码管即可。5位共阴极显示器和AT89C51的接口逻辑如图4-7所示。A

44、T89C51的P0口作为段数据口,接上拉电阻到显示器的各个段；P2口作为扫描口,经同相驱动器7407接显示器公共极。对于图4.7中的5位显示器,在AT89C51RAM存贮器中设置五个显示缓冲器单元30H35H,分别存放5位显示器的显示数据,AT89C51的P2口扫描输出总是只在一位为低电平,即5位显示器中仅有一位公共阴极为低电平,其它位为高电平,AT89C51的P0口相应位阴极为低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P2口输出为高的位,P0口输出对应的段数据,5位显示器就显示出由缓冲器中显示数据所确定的字符。图4.7 五位动态显示电路4.1.5 HD7279接口1引

45、脚介绍HD7279A是一款具有简单SPI串行接口的器件,可直接驱动8位共阴式数码管,管理多达64键键盘,单片即可完成LED显示和键盘接口的全部功能,大大简化电路设计,占用单片机资源极少,完全免调试,外围电路更简单。HD7279A部含有译码器可直接接收BCD码或16进制码,也可不译码,并同时具有两种译码方式。此外,该器件还具有多种控制指令,诸如消隐,闪烁,左移,右移和段寻址等,显示控制方式灵活,其段寻址能力可用于独立的LED显示或信息指示灯控制。图3-14为HD729A的引脚配置,其各引脚功能描述如表3-3所列。HD7279A具有片选信号,可方便实现高于8位的显示或高于64键的键盘接口,采用多片

46、级联,对片选信号进行译码即可实现。当应用系统中只有一片HD7279A时,片选端CS可直接接地。图4.8 HD7279引脚配置表4-2 HD7279引脚功能介绍引脚名称功能描述1,2VDD正电源3,5NC无连接,必须悬空4VSS接地6片选输入端,此引脚为低电平,可向器件发送指令及读取键盘数据7CLK同步时钟输入端,向器件发送数据及读取键盘数据时,此引脚电平上升沿表示数据有效8DATA串行数据输入/输出端,当器件接收指令时,此引脚为输入端；当读取键盘数据时,此引脚在读指令最后一个时钟的下降沿变为输出端9按键有效输出端,平时为高电平,当检测到有效按键时,此引脚为低电平1016SGSA段g 段a驱动输

47、出17DP小数点驱动输出1825DIG0-DIG7数字0 数字7 驱动输出26CLKORC振荡器连接端27RC复位端28复位端2HD7279A的工作原理HD7279A最显著的优点是与单片机的接口简单,最多只需5条连接线,分别是复位端RESET,片选输入端CS,同步时钟输入端CLK,数据输入输出端DATA和按键有效输出端KEY。在一般应用系统中,RESET可直接接电源,当应用系统中只有一片HD7279A器件时,CS也可以直接接地,此时只需占用3条单片机的IO端口线,如果应用系统中没有键盘,仅具有显示功能,或者即使有键盘,但单片机软件任务不复杂,均可不接KEY线,使用定时读取键盘键值代码的方法,则

48、此时只需占用2条单片机的I/0端口线。3HD7279A接口的具体设计根据HD7279A的特点与优点,我们选择该器件来驱动数码管,实现数码显示,其具体电路如下图所示：图4.9 HD7279驱动显示器的具体电路4.1.6 键盘电路本设计使用的键盘主要为完成一个功能转速测量的启动/停止；我们将开关直接与AT89C51单片机的P1.1接口相连,通过读I/O口,判定各I/O线的电平状态,即可识别出按下的按键。操作员通过键盘可以输入数据或指令,实现简单的人机通信。我们采用了独立式键盘电路,按键均采用了上拉电阻,这是为了保证在按键断开时,个I/O口有确定的高电平,同时,还备用两个按键方便扩展,其具体电路如下

49、所示：图4.10 键盘电路4.2 霍尔传感器简介4.2.1 霍尔器件概述霍尔元件是一种基于霍尔效应的磁传感器,已发展成一个品种多样的磁传感器产品族,并已得到广泛应用。霍尔元件是一种磁传感器。要他们可以检测磁场及其变化,可以在各种与磁场有关的场合中。霍尔器件以霍尔效应为其工作基础。霍尔期间具有许多优点,他们的结构牢固,体积小,重量轻,寿命长,安装方便,功耗小,频率高可达1MHZ,耐震动,不怕灰尘、水汽及烟雾等污染或腐蚀。霍尔线性器件的精度高、线性度好；霍尔开关器件无触点、无磨损、输出波形清晰、无抖动、无回调、位置重复精度高可达um级。采用了各种补偿措施的霍尔器件的工作温度围广,可达55-150度

50、。按照霍尔器件的功能可将他们分为：霍尔线性器件和霍尔开关器件。前者输出模拟量,后者输出数字量。按被检测的对象的性质可将它们分为：直接应用和间接应用。前者是直接检测出被测对象本身的磁场或磁特性,后者是检测被检测对象上人为设置的磁场,用这个磁场作为被检测信息的载体,通过它,将许多非电、非磁的物理量例如力、力矩、压力、应力、位置、位移、加速度、角度、角速度、转速、转数以及工作状态发生变化的时间等,转换成电量来进行检测和控制。集成霍尔传感器是利用硅集成电路工艺将霍尔元件和测量线路集成在一起的一种传感器。它取消了传感器和测量电路之间的界限,实现了材料、元件、电路三位一体。集成霍尔传感器与分立相比,由于减

51、少了焊点,因此显著地提高了可靠性。此外,它具有体积小、重量轻、功耗低等优点,正越来越爱到众的重视。集成霍尔传感器的输出是经过处理的霍尔输出信号。按照输出信号的形式,可以分为开关型集成霍尔传感器和线性集成霍尔传感器两种类型。开关型集成霍尔传感器是把霍尔元件的输出经过处理后输出一个高电平或低电平的数字信号。霍尔开关电路又称霍尔数字电路,由稳压器、霍尔片、差分放大器,斯密特触发器和输出级组成。4.2.2 霍尔传感器的应用使用霍尔器件检测磁场的方法极为简单,将霍尔器件做成各种形式的探头,放在被测磁场中,因霍尔器件只对垂直于霍尔片表面的磁感应强度敏感,因而必须令磁力线和器件表面垂直,通电后即可由输出电压

52、得到被测磁场的磁感应强度。若不垂直,则应求出其垂直分量来计算被测磁场的磁感应强度值。而且,因霍尔元件的尺寸极小,可以进行多点检测,由计算机进行数据处理,可以得到场的分布状态,并可对狭缝,小孔中的磁场进行检测用磁场作为被传感物体的运动和位置信息载体时,一般采用永久磁钢来产生工作磁场。例如,用一个542.5mm3的钕铁硼号磁钢,就可在它的磁极表面上得到约2300高斯的磁感应强度。在空气隙中,磁感应强度会随距离增加而迅速下降。为保证霍尔器件,尤其是霍尔开关器件的可靠工作,在应用中要考虑有效工作气隙的长度。在计算总有效工作气隙时,应从霍尔片表面算起。在封装好的霍尔电路中,霍尔片的深度在产品手册中会给出

53、。因为霍尔器件需要工作电源,在作运动或位置传感时,一般令磁体随被检测物体运动,将霍尔器件固定在工作系统的适当位置,用它去检测工作磁场,再从检测结果中提取被检信息。4.2.3 AH41霍尔开关AH41霍尔开关电路最适于响应变化斜率陡峭的磁场并在磁通密度较弱的场合使用,适用于单极或多对磁环工作,它由反向电压保护器、电压调整器、霍尔电压发生器、信号放大器、史密特触发器和集电极开路的输出级组成。工作温度围为-40 150存储温度为150,可适用于各种机及机电一体化领域。 电参数： 参数 符号 测试条件 量值 单位 最小 典型 最大电源电压VCC4.5-24V输出低电平电压 Vout Iout=20mA

54、 BBOP-200-400mV输出高电平电流 IOFF Vout=24V B 电源电流ICCVCC=24V 输出端开路 10 mA输出上升时间trVcc=12V RL=1.1K CL=20Pf-0.12S输出下降时间tfVcc=12V RL=1.1K CL=20Pf-0.18S产品特点:.电源电压围宽.可用市售的小磁环来驱动.无可动部件、可靠性高.尺寸小.抗环境应力.可直接同双极和MOS逻辑电路接口应用:.高灵敏的无触点开关.直流无刷电机.直流无刷风机.霍尔开关元件的电路图：图4.11 霍尔传感器的电路图4.3 发送模块根据系统功能要求,要使单片机测量的转速能够向上位机发送数据,硬件电路中必须

55、要考虑到单片机的发送部分,由于单片机通过串口发送出来的是TTL逻辑电平0V和5V,而计算机RS-232总线上输入、输出数据和控制信号为+12V左右的电压,单片机要和PC的上位机通信就必须是电平一致,所以发送部分关键的部分是电平转换和串口发送,电平转换可以用模拟器件进行转换,但是为了方便起见,本次设计采用的是集成芯片,一个芯片加上它的外围电路即可完成电平的转换的工作。结构简单、方便容易,精确度高。本次所采用的是HIN232CP,我们要对其外围电路进行设计,下面我们将详细的叙述。数据的传输：当电路工作于发送数据状态时,PC机的RTS端输出高电平,经IC1电平转换打开IC374LS08的与门B1,使

56、PC机TXD端输出的数据经红外发射电路发射出去；RTS信号IC1反相后作为CTS信号送入计算机,同时还关闭与门B2；使计算机不接收其它数据信号。该必发器的数据传输速率最好设在9600b/s为宜,以确保数据传输的可靠性。模块所用器件如下：1、RS-232CRS-232C是美国电气工业协会推广使用的一种串行通信总路线标准,是DCE和DTE间传输串行数据的接口总线。RS-232C最大传输距离为15m,最高传输速率约20kbps,信号的逻辑0电平为+3V+15V。逻辑1电平为-3V-15V。电气特性：EIA-RS-232C对电器特性、逻辑电平和各种信号线功能都作了规定；在TxD和RxD上：逻辑1 =-

57、3V-15V 逻辑0=+315V在RTS、CTS、DSR、DTR和DCD等控制线上：信号有效接通,ON状态,正电压+3V+15V信号无效断开,OFF状态,负电压-3V-15V2、RS-232连接器DB-9DB-9是RS-232信号线的连接器,其连接器的机械特性见图,表 4-3所示RS-232信号线名称、符号以及对应在DB-9上的针脚号。图4.12 连接器的机械特性表4-3 RS-232信号线和DB-9引脚关系符 号名 称引 脚DCDRXDTXDDTRGNDDSR RTS CTS RI接收信号载波检测数据接收线数据发送线DTE装置数据就绪公共地DCE装置就绪请求发送清除发送振铃指示1234567

58、89图4.13电平转换电路原理图3、电平转换器HIN232CPE由于RS-232C总线上传输的信号逻辑电平与TTL逻辑电平差异很大,所以就存在这两种电平的转换问题,下面就介绍一下电平转换器HIN232CPE。HIN232CPE能将RS-232C电平转换成TTL电平,也能将TTL电平转换成RS-232C电平,只需单+5V供电,由部升高电路产生10V+12V。部有两个发送器和两个接收器。HIN232CPE芯片引脚排列和外部元件连接线路如图4.14所示。图 4.14 HIN232CPE 电平转换器及外接元件图第5章 软件设计本章重点阐述测量转速的汇编语言。以及软件设计的过程。软件设计部分需要解决的是

59、单片机中断服务程序的设计、计算程序的设计、显示部分的程序设计以及在我们这里非重点介绍的通信程序设计。5.1 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, 流程图如下图所示。开始初 始 化计算程序BCD码转换非压缩BCD转换显 示 程 序返 回图 5.1 主程序流程图5.1.1 单片机程序设计思路计算转速公式： n=60/NTc 其中,N是部定时器的计数值,为三字节,分别由TH0,TL0,VTT构成；Tc为时基,由于采用11.0592M的晶振,所以Tc不在是1um,而是12M/11.0592M约为1.08um,带入上面公式,即可得到转速的精确计算公式：

60、 N=60*11059200/12N=55296000/N再将55296000化为二进制存入单片机的存单元。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

61、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。5.1.2 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,流程图如图所示：开 始被除数初始化读取定时值调用除法程序返 回图5.2 计算程序流程图计算程序中又再次调用了除法程序,这里的除法为四字节除三字节商为两字节,除法的程序的编程思想可以和手工计算的除法相似,比较减法的思想,流程图如图5-3所示具体程序见附录。5.1.3 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