基于AT89C51单片机控制的智能化转速测量仪毕业论文

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1、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

2、数码显像管、NE555、L298N、运算放大器等构成。详细介绍了单片机的测量转速系统。充分发挥了单片机的性能。本文重点是测量速度并显示。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。关键字：MSC-51（单片机）；转速检测；传感器。55 / 59AbstractIn the project practice, we will meet each kind to need frequently to survey the rotational speed the situation, the survey rotational speed method

3、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 uses the electro-optical encoder, the Hall part and so on is the detecting element, obtains the s

4、ignal is the signal impulse. Along with microcomputers widespread application, specially high performance price compared to monolithic integrated circuits appearance, the tachometric survey uses generally take the monolithic integrated circuit as the core digital measuring technique I graduated from

5、 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 motor running the basic situation. The main design AT89C51 control as the core, by the Hall sen

6、sor, LED digital CRT, NE555, and L298. Detailed measurements of the speed of the SCM system. Give full play to the performance of the SCM. This paper is to measure the speed and displayed in four LED digital pipe.The advantage of a simple hardware and software capabilities improve, measuring speed,

7、high precision and control system reliable, cost-effective and so on.Keyword：MSC-51(One-chip computer)；Speed Detection；Tachometer目录第1章绪论11.1 课题研究的开发背景11.2 课题设计的意义31.3 设计容和要求4第2章系统设计52.1控制器设计52.2测转速传感器的设计52.3电机驱动调速模块的设计：62.4A/D转换模块的设计：62.5显示模块设计72.6系统设计综述7第3章系统硬件设计93.1系统主要硬件简介93.1.1 AT89C51单片机简介93.1.

8、2设计系统中所用其他芯片简介163.1.3光电传感器简介193.1.4 TLC2543介绍203.2电机驱动电路设计223.2.1 L298N的介绍22第4章系统软件设计与调试244.1测速系统设计244.1.1测速程序设计264.1.2 A/D转换程序设计274.1.3电机驱动程序设计294.1.4键盘程序的设计304.1.5显示程序的设计304.2统测试结论314.3 系统调试314.3.1 硬件调试314.3.2 软件调试334.3.3 综合调试344.3.4 故障分析与解决方案35第5章总结与展望375.1设计总结375.2 展望38参考文献39致40附录：411.外文资料译文412.

9、外文资料原文48第1章 绪 论1.1 课题研究的开发背景单片机是一种集成电路芯片。它采用超大规模技术将具有数据处理能力的微处理器(CPU)、存储器（含程序存储器ROM和数据存储器RAM）、输入、输出接口电路(I/O接口)集成在同一块芯片上，构成一个即小巧又很完善的计算机硬件系统，在单片机程序的控制下能准确、迅速、高效地完成程序设计者事先规定的任务。所以说，一片单片机芯片就具有了组成计算机的全部功能。由此来看，单片机有着一般微处理器（CPU）芯片所不具备的功能，它可单独地完成现代工业控制所要求的智能化控制功能，这是单片机最大的特征。然而单片机又不同于单板机（一种将微处理器芯片、存储器芯片、输入输

10、出接口芯片安装在同一块印制电路板上的微型计算机），单片机芯片在没有开发前，它只是具备功能极强的超大规模集成电路，如果对它进行应用开发，它便是一个小型的微型计算机控制系统，但它与单板机或个人电脑(PC机)有着本质的区别。单片机的应用属于芯片级应用，需要用户（单片机学习者与使用者）了解单片机芯片的结构和指令系统以与其它集成电路应用技术和系统设计所需要的理论和技术，用这样特定的芯片设计应用程序，从而使该芯片具备特定的功能。不同的单片机有着不同的硬件特征和软件特征，即它们的技术特征均不尽一样，硬件特征取决于单片机芯片的部结构，用户要使用某种单片机，必须了解该型产品是否满足需要的功能和应用系统所要求的特

11、性指标。这里的技术特征包括功能特性、控制特性和电气特性等等，这些信息需要从生产厂商的技术手册中得到。软件特征是指指令系统特性和开发支持环境，指令特性即我们熟悉的单片机的寻址方式，数据处理和逻辑处理方式，输入输出特性与对电源的要求等等。开发支持的环境包括指令的兼容与可移植性，支持软件(包含可支持开发应用程序的软件资源)与硬件资源。要利用某型号单片机开发自己的应用系统，掌握其结构特征和技术特征是必须的。单片机控制系统能够取代以前利用复杂电子线路或数字电路构成的控制系统，可以以软件控制来实现，并能够实现智能化，现在单片机控制畴无所不在，例如通信产品、家用电器、智能仪器仪表、过程控制和专用控制装置等等

12、，单片机的应用领域越来越广泛。诚然，单片机的应用意义远不限于它的应用畴或由此带来的经济效益，更重要的是它已从根本上改变了传统的控制方法和设计思想。是控制技术的一次革命，是一座重要的里程碑。单片机广泛应用于仪器仪表、家用电器、医用设备、航空航天、专用设备的智能化管理与过程控制等领域，大致可分如下几个畴：在智能仪器仪表上的应用：单片机具有体积小、功耗低、控制功能强、扩展灵活、微型化和使用方便等优点，广泛应用于仪器仪表中，结合不同类型的传感器，可实现诸如电压、功率、频率、湿度、温度、流量、速度、厚度、角度、长度、硬度、元素、压力等物理量的测量。采用单片机控制使得仪器仪表数字化、智能化、微型化，且功能

13、比起采用电子或数字电路更加强大。例如精密的测量设备（功率计，示波器，各种分析仪）。在工业控制中的应用：用单片机可以构成形式多样的控制系统、数据采集系统。例如工厂流水线的智能化管理，电梯智能化控制、各种报警系统，与计算机联网构成二级控制系统等。在家用电器中的应用：可以这样说，现在的家用电器基本上都采用了单片机控制，从电饭褒、洗衣机、电冰箱、空调机、彩电、其他音响视频器材、再到电子秤量设备，五花八门，无所不在。在计算机网络和通信领域中的应用：现代的单片机普遍具备通信接口，可以很方便地与计算机进行数据通信，为在计算机网络和通信设备间的应用提供了极好的物质条件，现在的通信设备基本上都实现了单片机智能控

14、制，从手机，机、小型程控交换机、楼宇自动通信呼叫系统、列车无线通信、再到日常工作中随处可见的移动，集群移动通信，无线电对讲机等。单片机在医用设备领域中的应用：单片机在医用设备中的用途亦相当广泛，例如医用呼吸机，各种分析仪，监护仪，超声诊断设备与病床呼叫系统等等。此外，单片机在工商，金融，科研、教育，国防航空航天等领域都有着十分广泛的用途。1.2 课题设计的意义在传统生产行业中，经常遇到各种需要测量转速的场合，例如发动机，电动机，机床主轴等旋转设备的运转和控制中，常需要分时或连续测量，显示其转速与瞬时转速。直流电机作为执行机构被广泛地应用于各类控制系统中，其驱动与转速精度是电机能够稳定工作的关键

15、。为此，我们提出了一种直流电机驱动与转速测量系统的设计方法，为直流电机制造、定型以与应用提供一些借鉴。与此同时，调速系统的电路结构和有关理论发展非常迅速，随着可控关断的电力电子器件的出现，由它实现的斩波与PWM 技术的应用也越来越广泛。但在具体的系统设计上，由于集成度太低而使电路非常复杂，速度调试应用十分不便。利用电子信息技术改造传统产业，可以大幅提高生产效率，提升产品的市场竞争力。在这种时代背景下，如果应用现代化手段对电机转速进行科学改变，精确测量，并辅以数码显示，对工业，生活中的一些旋转设备的速度以与需要控制其速度的仪器和用品加以控制和测量，会给工业生产和生活带来看得到的方便。为了能精确的

16、测量转速，还要保证测量的实时性，要求能测得瞬时转速。随着微型计算机的广泛应用，特别是高性能/价格比的单片机的涌现，转速测量普遍采用了以单片机为核心的数字法，智能化微电脑代替了一半的机械式或模拟量结构。同时对电机驱动与其速度测量的研究，系统掌握了电源驱动电路和速度测量电路的连接，以与其中用的到的诸如：L298，LM311,TI607,8051等芯片的功能与其各个引脚的功能，同时通过用面包板搭建临时电路，加强了动手能力，提高了解决实际问题的能力，充分的体现了理论与实践结合，对毕业后走向社会，做了进一步的准备。1.3 设计容和要求容：利用单片机做主控制器，设计一个电机转速检测与波形记录系统，通过单片

17、机能检测电机的转速，并且绘制转速曲线图。要求：（1）用单片机做核心芯片，设计电机驱动器，实现电机精确控制；（2）利用传感器检测电机的转速，并且绘制转速变化图形。（3）控制器应有按键，数码显示等配置。（4）达到一定的检测精度。第2章 系统设计2.1控制器设计单片机控制器是CPU的神经中枢，它包括定时控制逻辑电路、指令寄存器、译码器、地址指针DPTR与程序计数器PC、堆栈指针SP等。对单片机控制器的选择有以下方案。方案一：51系列的单片机，即最常用的AT89C51，优点是可靠性高、便于扩展、控制功能强、实用性好:体积小,功耗低,价格便宜,易于产品化.部结构简单，缺点在于：无PWM 输出功能，采用定

18、时器配合软件使用。方案二：AVR系列的单片机，特点是：速度快性能价格比高统从新编程(ISP In-System Programming)功能AVR单片机的定时和计数器功能大大增强，有3个PWM输出口。AVR的单片机的部结构有硬件通道可直接产生方波信号。所以采用了方案一，因为AT89C51是我们最熟悉的器件，用起来可以很好地控制和调试。2.2测转速传感器的设计选用哪一种传感器作为测速传感器设计合适，需要根据电机转速的速度围大小选择，以与对传感器体积大小的要求和抗干扰能力，下面将详细介绍三种传感器作比较之后选择。方案一：增量式旋转编码器：通过部的两个光敏接受管转化其角度码盘的时序和相位的关系，得到

19、其角度码盘角度位移量增加和减少。优点是：可直接准确的产生方波，精确性很高，但价格昂贵。方案二：光电传感器 。耐久性高、寿命长，两个传感器的并排安装，可以在交替频率下操作，所以把两个传感器安装在很近的距离。改善了稳定检测功能PRO功能: PZ2-61的光轴系统的发射器透过水平偏光镜后只发射光波的水平分量、而其接收器透过垂直偏光镜后则只接受垂直分量。方案三：C-C2513 脉冲表专用模块。它利用直射式双光速光电传感器进行采样，该型号脉冲取样板主要有以下功能：能有效消除抖动误差，在采集脉冲是不会因转盘抖动和上下电多计或少计脉冲数。有多种输出脉冲宽度可供选择，能自动判别转盘的转动方向，分别输出正转脉冲

20、信号和反转脉冲信号。且价格相对便宜。光电传感器具有体积小,响应频率快,电压围宽,重复精度高,抗干扰能力强使用寿命长等特点.。所以选用光电传感器做为测速传感器设计的选择。2.3电机驱动调速模块的设计：方案一：采用电阻网络或数字电位器调整电动机的分压，从而达到调速的目的。但是电阻网络只能实现有级调速，而数字电阻的元器件价格比较昂贵。更重要的问题在于一般电动机的电阻很小，但电流很大，分压不仅降低效率，而且实现起来很困难。方案二：采用继电器对电动机的开或关进行控制，通过开关的切换对电机的转速的调整。此方案的优点是电路比较简单，缺点是继电器的响应时间慢，机械结构易损坏，可靠性不好。方案三：采用有达林顿管

21、组成的H型PWM电路，用单片机控制达林顿管使之工作在占空比可调的开关状态，精确调整电机的转速。这种电路由于工作在管子的饱和截止模式下，效率非常高，H型电路保证了可以简单地实现转速和方向的控制，稳定性极强，是一种被广泛采用的PWM 调速技术，承受负载能力大。方案四：采用专用电机驱动芯片L298N。由于L298可以直接通过电源来调节输出电压；可以直接用单片机的I/O口提供信号；而且电路简单，使用方便。所以在这里采用了L298做为电机驱动电路的模块。2.4A/D转换模块的设计：A/D转换是控制系统重要的环节，它负责将传感器输出的模拟量转换为控制器可以处理的数字量。合理选择A/D转换芯片对于确保控制系

22、统的控制精度有着重要意义。方案一：采用AD0809，AD0809是带有8位A/D转换器、8路多路开关以与微处理机兼容的控制逻辑的CMOS组件。方案二：采用TLC2543，TLC2543是TI公司的12位串行模数转换器，使用开关电容逐次逼近技术完成A/D转换过程。由于TLC2543是串行输入结构，能够节省51系列单片机I/O资源，且价格适中，分辨率较高，所以选用TLC2543。2.5显示模块设计用单片机驱动LED数码管有很多方法，按显示方式分，有静态显示和动态（扫描）显示。方案一：静态显示，就是显示驱动电路具有输出锁存功能，单片机将所要显示的数据送出后就不再管，直到下一次显示数据需要更新时再传送

23、一次新数据，显示数据稳定，占用很少的CPU时间。方案二：动态显示需要CPU时刻对显示器件进行数据刷新，显示数据有闪烁感，占用的CPU时间多。动态显示虽然有闪烁感，占用的CPU时间多，但使用的硬件少，能节省线路板空间。所以采用了动态显示。2.6系统设计综述综上述文字对测速系统各部分的讨论选择后，系统设计可以初步确定，对电机转速检测就有了整体框图。其结构图如2-1所示：A/D转换电路键盘80C51单片机L298N直流电机稳压电源数码显示电路图2-1 系统整体框图第3章 系统硬件设计3.1系统主要硬件简介3.1.1 AT89C51单片机简介1.AT89C51单片机的基本组成AT89C51单片机由CP

24、U和8个部件组成，它们都通过片单一总线连接，其基本结构依然是通用CPU加上外围芯片的结构模式，但在功能单元的控制上采用了特殊功能寄存器的集中控制方法。其基本组成如图3-1所示：震荡电路程序存储器定时器串行口并行I/O口中断系统数据存储器CPU特殊功能寄存器图3-1 AT89C51组成结构图2.CPU与8个部件的作用功能介绍如下：中央处理器CPU：它是单片机的核心，完成运算和控制功能。部数据存储器：AT89C51芯片中共有256个RAM单元，能作为存储器使用的只是前128个单元，其地址为00H7FH。通常说的部数据存储器就是指这前128个单元，简称部RAM。特殊功能寄存器：是用来对片各部件进行管

25、理、控制、监视的控制寄存器和状态寄存器，是一个特殊功能的RAM区，位于部RAM的高128个单元，其地址为80HFFH。部程序存储器：AT89C51芯片部共有4K个单元，用于存储程序、原始数据或表格，简称部ROM。并行I/O口：AT89C51芯片部有4个8位的I/O口（P0，P1，P2，P3），以实现数据的并行输入输出。串行口：它是用来实现单片机和其他设备之间的串行数据传送。定时器：AT89C51片有2个16位的定时器，用来实现定时或者计数功能，并且以其定时或计数结果对计算机进行控制。中断控制系统：该芯片共有5个中断源，即外部中断2个，定时/计数中断2个和串行中断1个。振荡电路：它外接石英晶体和

26、微调电容即可构成89C51单片机产生时钟脉冲序列的时钟电路。系统允许的最高晶振频率为12MHz。3.AT89C51单片机引脚如图3-2所示：图3-2 AT89C51引脚图P0口：P0口是一组位漏极开路型双向I/O口，也即地址数据总线复用口。作为输出口用，每位能吸收电流的方式驱动个TTL逻辑门电路，对端口写“”可作为高阻抗输入端用。在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地址（低位）和数据总线复用，在访问期间激活部上拉电阻。在Flash编程时，P0口接收指令字节，而在程序校验时，输出指令字节，校验时，要求外界上拉电阻。P1口：P1是一个带部上拉电阻的位双向I/O口，P1的输出缓冲级可

27、驱动（吸收或输出电流）个TTL逻辑门电路。对端口写“”，通过部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口。作输入口使用时，因为部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流（IIL）。Flash编程和程序校验期间，P1接收低位地址。P2口：P2是一个带有部上拉电阻的位双向I/O口，P2的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）个TTL逻辑门电路。对端口写“”，通过部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口，作输入口使用时，因为部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流（IIL）。在访问外部程序存储器位地址的外部数据存储器（例如执行MOVX DPTR指令）时，P2口送出高位地址数

28、据。在访问位地址的外部数据存储器（如执行MOVX RI指令）时，P2口线上的容（也即特殊功能寄存器（SFR）区中R寄存器的容），在整个访问期间不改变。Flash编程或校验时，P2亦接收高位地址和其它控制信号。P3口：P3口是一组带有部上拉电阻的位双向I/O口。P3口输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）个TTL逻辑门电路。对P3口写入“”时，它们被部上拉电阻拉高并可作为输入端口。作输入端时，被外部拉低的P3口将用上拉电阻输出电流（IIL）。P3口除了作为一般的I/O口线外，更重要的用途是它的第二功能，如下表3-1所示。P3口还接收一些用于Flash闪速存储器编程和程序校验的控制信号。RST：复位输

29、入。当振荡器工作时，RST引脚出两个机器周期以上高电平将使单片机复位。ALE/PROG：当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE(地址锁存允许)输出脉冲用于锁存地址的低位字节。即使不访问外部存储器，ALE仍以时钟振荡频率的输出固定的正脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。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。表3-1 P3口功能表端口引脚第二功能P3.0（串行输入口）P3.1（串行输出口）P3.2（外中断0）P3.3（外中断1）P3.4（定时/计数器0）P3.5（定时/计数器1）P3.6（外部数据存储器写选通）P3.7（外部数据存储器读选通）对Flash存储器编程

30、期间，该引脚还用于输入编程脉冲。如有必要，可通过对特殊功能寄存器（SFR）区中的8EH单元的D0位置位，可禁止ALE 操作。该位置位后，只有一条MOVX和MOVC指令ALE才会被激活。此外，该引脚会被微弱拉高，单片机执行外部程序时，应该置ALE无效。PSEN:程序储存允许（PSEN）输出是外部程序存储器的读选信号，当AT89C51由外部程序存储器取指令（或数据）时，每个机器周期两次PSEN有效，即输出两个脉冲。在此期间，当访问外部数据存储器，这两次有效的PSEN信号不出现。EA/VPP:外部访问允许。欲使CPU仅访问外部程序存储器（地址为0000H-FFFFH），EA端必须保持电平（接地）。需

31、注意的是：如果加密位LB1被编程，复位时部会锁存EA端状态。如EA端为高电平，CPU执行部程序存储器中的指令。Flash存储器编程时，该引脚加上12V的编程允许电源 ，当然这必须是该器件是使用12V编程电压 。XTAL1:振荡器反相放大器与部时钟发生器的输入端。XLAT2: 振荡器反相放大器的输出端。振荡器特性：XTAL1和XTAL2分别为反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。芯片擦除：整个P

32、EROM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，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。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。本设计单片机采用的时钟频率是8MHZ。MCS-51部都有一个反相放大器，XTAL1

33、、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CMOS 8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3-3为CMOS型单片机时钟电路框图。振荡器工作受PD端控制，由软件置“1”PD（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“0”PD，使振荡器工作产生时钟，单片机便正常运行。图中Y1为晶振或瓷谐振器，振荡器产生的时钟频率主要由Y1参

34、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）。图3-3 CMOS型单片机时钟电路框图复位电路：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-51单片机有一个复位引脚RST，它是史密特触发输入(对于CHMOS单片机，RST引脚的部有一个拉低电阻)，当振荡器起振后该引脚上出现2个机器周期(即24个时钟周期)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

35、。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(AT89C51)单片机只要接一个电容至VCC即可(见图34)。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，VCC上升时间若为10ms，振荡器起振的时间和频率有关。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

36、后CPU从一个随机的状态开始工作，系统就不能正常运转。图3-4上电复位电路显示电路：显示电路采用LED数码管动态显示，LED（Light-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：常用的七段显示器管。发光二极管的阳极连在一起的称为共阳极显示器,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 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

37、制简单，使用方便。图3-5七段发光显示器管脚的结构此外，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3-5所示，为七段数码管的管脚图显示方式：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

38、据口）。3.1.2设计系统中所用其他芯片简介1.NE555定时器NE555是一个能产生精确定时脉冲的高稳度控制器，其输出驱动电流可达200mA。在多谐振荡器工作方式时，其输出的脉冲占空比由两个外接电阻和一个外接电容确定；在单稳态工作方式时，其延时时间由一个外接电阻和一个外接电容确定，可延时数微秒到数小时。工作电压围：4.5VVCC16V。引脚图如图3-6所示：图3-6 NE555电路引脚图NE555为8脚时基集成电路，各脚主要功能：1地 2触发3输出 4复位5控制电压 6门限(阈值)7放电 8电源电压应用十分广泛，可装如下几种电路：1.单稳类-作用：定延时，消抖动，分（倍）频，脉冲输出，速率检

39、测等。2.双稳类-作用：比较器，锁存器，反相器，方波输出与整形等。3.无稳类-作用：方波输出，电源变换，音响报警，玩具，电控测量，定时等。在本次设计中应用脉冲启动单稳，它的特点是：引脚2端输入，外脉冲启动输入带RC微分电路。公式：Td=1.1RTCT。用途：定（延）时、消抖动、分（倍）频、脉冲输出、L、C速率等检测。2.比较器lm311Lm311能工作于5.0到30伏单个电源或15伏分离电源，如通常的运算放大器运用一样，使lm311成为一种真正通用的比较器。该设备的输入可以是与系统地隔离的，而输出则可以驱动以地为参考或以VCC，或以 电源为参考的负载此灵活性使之可以驱动DTL、RTL、TTL或

40、MOS逻辑。在电流达50毫安时，该输出还可以把电压切换到50伏。管脚图如3-7所示:图3-7 LM311管脚图3.四路JFET输入运放TL084TL084输入级JFET为结构，接频率补偿电路和短路保护电路，四个运放之间具有良好的匹配性能和隔离性能，通道隔离度为120dB，转换速率为13V/S，单位增益带宽乘积为4MHz，开环电压增益为150V/mV，输入失调电流为5mA，可用于高速数据采集系统、高速A/D转换系统、数据通讯传输系统、阻抗变换与匹配电路、采样/保持电路、医疗器械设备、精密测量系统以与自动控制系统等领域。管脚图如3-8所示：图3-8 TL084引脚图4.TL607MOS器件模拟开关

41、TL607的特点：开关 10 V模拟信号。TTL逻辑能力。5至30 V电源围。低（100 ）通态电阻。高（ 10 11 ）断态电阻。8引脚功能。它的引脚图如图3-9所示。TL607是P - MOS器件模拟开关，提供快速的开关速度比率，没有偏移电压P沟道增强型MOS管开关接受模拟信号高达 10 V与控制的TTL兼容的逻辑输入。整体结构所带来的BI - MOS管技术，它结合了P沟道MOS管的标准双极晶体管。这些开关是特别有用的军事，工业和商业应用，如数据采集，多路复用器，A/D和D/A转换器，调制解调器，采样保持系统，信号复用，集成，可编程运算放大器，可编程稳压器，交叉点交换网络，逻辑接口，以与许

42、多其他的模拟系统。TL607是一个SPDT开关与一个逻辑控制输入和一个使能输入。图3-9 TL607管脚图3.1.3光电传感器简介传感器是将感受的物理量、化学量等信息，按一定规律转换成便于测量和传输的信号的装置。 电信号易于传输和处理，所以大多数的传感器是将物理量等信息转换成电信号输出的。例如传声器(话筒)就是一种传感器，它感受声音的强弱，并转换成相应的电信号。又如电感式位移传感器能感受位移量的变化，并把它转换成相应的电信号。传感器感受一种量并把它转换成另一种量，这种转换也可以看成是能量的转换，因此在某些领域如生物医学工程等中，也称为换能器。传感器主要用于测量和控制系统，它的性能好坏直接影响系

43、统的性能。在自动测量过程或控制系统中，首先由传感器感受被测量，而后把它转换成电信号，供显示仪表指示或用以控制执行机构。如果传感器不能灵敏地感受被测量，或者不能把感受到的被测量精确地转换成电信号，其他仪表和装置的精确度再高也无意义。光电传感器是指能够将可见光转换成某种电量的传感器。光电二极管的外型与一般二极管一样，只是它的管壳上开有一个嵌着玻璃的窗口，以便于光线射入，为增加受光面积，PN结的面积做得较大，光电二极管工作在反向偏置的工作状态下，并与负载电阻相串联，当无光照时，它与普通二极管一样，反向电流很小，称为光电二极管的暗电流；当有光照时，载流子被激发，产生电子-空穴，称为光电载流子。在外电场

44、的作用下，光电载流子参与导电，形成比暗电流大得多的反向电流，该反向电流称为光电流。光电流的大小与光照强度成正比，于是在负载电阻上就能得到随光照强度变化而变化的电信号。光敏三极管除了具有光敏二极管能将光信号转换成电信号的功能外，还有对电信号放大的功能。光敏三级管的外型与一般三极管相差不大，一般光敏三极管只引出两个极发射极和集电极，基极不引出，管壳同样开窗口，以便光线射入。为增大光照，基区面积做得很大，发射区较小，入射光主要被基区吸收。工作时集电结反偏，发射结正偏。在无光照时管子流过的电流为暗电流Iceo=（1+）Icbo（很小），比一般三极管的穿透电流还小；当有光照时，激发大量的电子-空穴对，使

45、得基极产生的电流Ib增大，此刻流过管子的电流称为光电流，集电极电流Ic=（1+）Ib，可见光电三极管要比光电二极管具有更高的灵敏度。在本次设计中采用的是光电对管用来作为对电机转速检测的传感器也就是光电传感器。被测转轴上涂有黑白相间的标志，被测转轴旋转时，黑白条变化一次，光电元件由导通变为不导通，因而对应检测一个脉冲。通过光电脉冲输入频率计计数，即可得到其转速。3.1.4 TLC2543介绍TLC2543也是TI公司的产品，它是12位开关电容逐次逼近A/D转换器。每个器件有三个控制输入端：片选(CS)、输入/输出时钟(I/O CLOCK)以与数据输入端(DATA INPUT)。通过一个串行三态输

46、出端与主处理器或其外围的串行口通信，可与主机高速传输数据，可编程输出数据长度和格式。片含有一个14通道多路器，可从11个模拟输入和三个部自测电压中选择一个。片设有采样保持电路。用“转换结束”信号EOC指示转换的完成。系统时钟由片产生并由I/O CLOCK同步。正、负基准电压(REF，REF)由外部提供，通常为VCC或地，两者差值决定输入电压围。片转换器使器件有高速(10s转换时间)，高精度(12位分辨率，最大1LSB的线性误差)和低噪声的特点。TLC2543的引脚排列如图3-10所示。采用20脚DIP封装.TLC2543的工作过程分为两个周期：I/O周期和实际转换周期。1.I/O周期I/O周期

47、由外部提供的I/O CLOCK定义，延续8、12或16个时钟周期，决定于选定的输出数据长度。器件进入I/O周期后同时进行两种操作。(1)在I/O CLOCK的前8个脉冲的上升沿，以MSB前导方式从DATA INPUT端输入8位数据流到输入寄存器。其中前4位为模拟通道地址，控制14通道模拟多路器从11个模拟输入和三个部测电压中选通一路送到采样保持电路，该电路从第4个I/O CLOCK脉冲的下降沿开始对所选信号进行采样，直到最后一个I/O CLOCK脉冲的下降沿。I/O周期的时钟脉冲个数与输出数据长度(位数)同时由输入数据的D3、D2位选择为8、12或16。当工作于12或16位时，在前8个时钟脉冲

48、之后，DATA INPUT无效。(2)在DATA OUT端串行输出8、12或16位数据。当CS保持为低时，第一个数据出现在EOC的上升沿。若转换由CS控制，则第一个输出数据发生在CS的下降沿。这个数据串是前一次转换的结果，在第一个输出数据位之后的每个后续位均由后续的I/O时钟下降沿输出。2.转换周期在I/O周期的最后一个I/O CLOCK下降沿之后，EOC变低，采样值保持不变，转换周期开始，片转换器对采样值进行逐次逼近式A/D转换，其工作由与I/O CLOCK同步的部时钟控制。转换完成后EOC变高，转换结果锁存在输出数据寄存器中，待下一个I/O周期输出。I/O周期和转换周期交替进行，从而可减小

49、外部的数字噪声对转换精度的影响。图3-10 TLC2543引脚图3.2电机驱动电路设计从控制模块产生的波形需要加载到直流电机，才能控制直流电机的转速。一般情况下，不经过处理的信号是无法直接驱动直流电机的。因此需要将信号进行放大，工程上也叫做驱动。对于无特殊用途的直流电机，不需要特别的驱动器件进行信号放大。本设计采用L298N驱动电机。3.2.1 L298N的介绍L298是SGS公司的产品，比较常见的是15脚Multiwatt封装的L298N，部同样包含4通道逻辑驱动电路。可以方便的驱动两个直流电机，或一个两相步进电机。L298N芯片可以驱动两个二相电机，也可以驱动一个四相电机，输出电压最高可达

50、50V，可以直接通过电源来调节输出电压，可以直接用单片机的IO口提供信号，而且电路简单，使用比较方便。L298N可接受标准TTL逻辑电平信号VSS，VSS可接457 V电压。4脚VS接电源电压，VS电压围VIH为2546 V。输出电流可达25 A，可驱动电感性负载。1脚和15脚下管的发射极分别单独引出以便接入电流采样电阻，形成电流传感信号。L298可驱动2个电动机，OUT1，OUT2和OUT3，OUT4之间可分别接电动机，本实验装置我们选用驱动一台电动机。5，7，10，12脚接输入控制电平，控制电机的正反转。，接控制使能端，控制电机的停转。表3-2是L298N功能逻辑图。表3-2 L298功能

51、逻辑图In1In2运转状态0停止110正转101反转111刹停100停止In3，In4的逻辑图与表1一样。由表1可知为低电平时，输入电平对电机控制起作用，当为高电平，输入电平为一高一低，电机正或反转。同为低电平电机停止，同为高电平电机刹停。如图3-11所示为L298N的引脚图。图3-11 L298N的引脚图第4章 系统软件设计与调试本章重点阐述测量转速的汇编语言、软件设计以与调试的过程。软件需要解决的是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。电路调试是整个系统功能否实现的关键步骤，我们将整个调试过程分为三大部分：硬件调试、软件调试和综合调试。4.1测速系统设计本设计的单片

52、机控制采用51汇编语言编写，在编写的过程中，尽量向结构化、模块化的方向编写，整个设计调用程序的清单见附录。本章将对该直流电机测速系统的设计做具体分析。首先分析主设计的流程，其程序流程图如图4-1所示。如上图显示，本设计方法比较简单。首先是对P1口送初值，即给AT89C51送取一个占空比为50%的数据。跟着对数据和中断进行初始化：对控制电机的选通信号与方向信号的引脚置0（通电时电机不启动，直到按下启动键后再启动，启动后的转向是正转）；对显示子程序中用到的数据寄存单元与测速子程序中用到的时间寄存器、速度数据寄存器清零；设定T0的工作方式与定时时间，开中断，并让T0开始工作。接着就按顺序循环调用显示

53、电路设计、测速电路设计和键盘扫描电路设计。图4-1 系统主设计流程图4.1.1测速程序设计测速是本系统实现的主要功能，通过对速度的测量并显示出数值来，能让人直观地看出调速的结果和性能。实现测速功能的设计流程图如图4-2所示。图4-2 测速程序设计流程图转速的检测，实际上是应用了两个中断服务子程序，T0中断和INT0中断。INT0中断执行的功能十分简单，就是外部每输入一个脉冲，R0寄存器就加1。T0中断的作用就是给定一个时间间隔T，在T应用INT0中断对外部脉冲进行计数，时间到就送出R0的数值，并对其清零。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

54、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。4.1.2 A/D转换程序设计TLC2543和80C51控制接口和其它微处理器接口一样，P1.2配置为输入端。P1.0、P1.1和P1.3编程为输出端。设定P1.3使TLC2543片选端为高。TLC25

55、43被调用。这个程序包含合成SPI操作，在TLC2543和微处理器间交换数据的指令。检测最低位前导标志，即跳到选择/方式数据字节的位为1，以决定转换结果的哪个字节最先传送。TLC2543程序如下：org 0000hljmp mainmain:mov sp,#60hloop1:lcall tcl2543lcall bcdlcall dirajmp loop1tcl2543:mov r4,#04hmov a,r4msb:mov r5,#8loop:mov p1,#02hmov c,p1.1rlc amov p1.2,csetb p1.3nopclr p1.3djnz r5,loopmov r2,a

56、retbcd:mov a,r2mov b,#100div abmov 50h,amov a,#10xch a,bdiv abmov 51h,amov 52h,bretdir:mov r0,#50h mov r3,#0fehld1: MOV P2,r3 mov a,r0 inc r0 mov dptr,#tab movc a,a+dptr mov p0,a acall dl11 mov a,r3 rl a mov r3,a acc.6,ld1 rettab:db 3fh,06h,5bh,4fh,66h db 6dh,7dh,07h,7fh,6fh db 00h,0ffhdl11:mov r7,#

57、02h dl:mov r6,#0ffh dl6:djnz r6,dl6 djnz r7,dl retend4.1.3电机驱动程序设计图4-3电机驱动程序流程图本设计中，直接应用AT89C51用软件的方法模拟输出PWM信号，其设计流程图如图4-3。在本设计中，我们应用单片机每100个机器周期为PWM波形的基本周期（AT89C51采用12MHz的晶体，即PWM波形的周期为100uS，其频率为10KHz），采用定频调宽的方法。定时器T0确定PWM波的频率，T1确定高电平的时间，这样改变T1的初值就可以改变占空比。4.1.4键盘程序的设计在初始状态下，列输出端口输出低电平，然后持续检测行输入端口的状态

58、是不是高电平，如果没有键盘按下，输入端口位高电平，如果有按键按下，则被按下的按键对应的行输入端口的电平就会被拉低，对行输入端口电平的检测即位对按键的检测，只要检测到有低电平出现就转到查询程序。4.1.5显示程序的设计LED显示的动态显示方式，全部数码管公用一套断码驱动电路，各位数码管同段引脚短接后再接到对应段码的驱动线上。显示时通过位控信号采用扫描的方法逐位地循环点亮各位数码管。下面是数码管的驱动程序：disp1:mov dptr,#tbbmov a,r0movc a,a+dptrmov sbuf,ajnb ti,$clr tiinc r0djnz r2,disp1retTBB DB 011H

59、;0 DB 0F9H;1 DB 023H;2 DB 061H;3 DB 0C9H;4 DB 045H;5 DB 005H;6 DB 0F1H;7 DB 001H;8 DB 041H;94.2统测试结论测试结果如表4-1所示：表4-1转速测试结果预设转速值/(r/min)实测转速值(r/min)误差（）720960138018002220306075099014101830225030604.173.132.171.671.350.98结论：本测速系统采用光电传感器敏感速率信号，具有频率响应快，抗干扰能力强等特点。光电传感器的输出信号经信号调理后，通过单片机对连续脉冲记数来实现转速测控，并且充分

60、利用了单片机的部资源，有很高的性价比。经过测试并对误差进行分析发现，该系统的测量误差在5%以，并且在测量围转速越高测量精度越高。所以该系统在一般的转速检测和控制中均可应用。4.3 系统调试电路调试是整个系统功能否实现的关键步骤，我们将整个调试过程分为三大部分：硬件调试、软件调试和综合调试。4.3.1 硬件调试硬件调试主要是针对我的转速测量系统的单片机硬件电路分别进行调试。这一部分硬件调试主要分成两大块：上电前的调试和上电后的调试。上电前的调试：在上电前，我们必须确保电路中不存在断路或短路情况，这一工作是整个调试工作的第一步，也是非常重要的一个步骤。在这部分调试中主要使用的工具是万用表，用来完成

61、检测电路中是否存在断路或者短路情况等。别是数码管的连接部分，有PROTEL制作的PCB确保要和原理图上的图一致，有些在电路板上没法连接的线路，要用短接线把接好，对照着原理图部分，一部分一部分地用万用表测量，注意焊点之间，确保焊点没有短接在一起，同时注意焊点的美观，确保没有开路以与短路的现象出现。上电后的调试：确保硬件电路正常，无异常情况(断路或短路)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，上电调试主要指转速测量系统的单片机控制部分、数码管点亮部分、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、外围

62、电路是否接对，单片机的电源以与地是否接好，以与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LED电路调试：由于数码管采用的是动态扫描的方式点亮的。数码管的公共端（COM）接在74164驱动再接到单片机的P2口作为位选信号，字型是接在P0口。电路上电检查74164是否接上电源和地让其正常工作。在这一前提下，查看数码管能否点亮。只需要接仿真机上编写一个小程序让4位LED全亮，或者让它们其中的某位点亮，也可以显示不同的数字，根据要求给P0口，P2口分别赋值。即可检查数码管的硬件电路是否正确，即可判断显示驱动电路整个完整首先排除这里的故障。3、发送部分硬件电路调试：这一部分电路