基于單片機的轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)設計

1、基于單片機的霍爾測速報警系統(tǒng)的設計摘要轉(zhuǎn)速作為工程中應用的一個非常廣泛的參數(shù)，它的測量方法有很多，而模擬量的采集和模擬處理一直是轉(zhuǎn)速測量的主要方法，這種測量方法已不能適應現(xiàn)代科技發(fā)展的要求，在測量范圍以及測量精度上，已不能滿足大多數(shù)系統(tǒng)的使用。隨著大規(guī)模及超大規(guī)模集成電路技術(shù)的迅速發(fā)展，數(shù)字系統(tǒng)測量得到普遍應用，特別是單片機對脈沖數(shù)字信號的強大處理能力，使得全數(shù)字測量系統(tǒng)越來越普及，其轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)也可以用全數(shù)字化處理。本設計屬于碼盤轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)，用來測量來自于外部的不同的轉(zhuǎn)速值。實現(xiàn)轉(zhuǎn)速的實時測量和顯示。本系統(tǒng)以AT89C51單片機為核心，旋轉(zhuǎn)編碼器實時軸轉(zhuǎn)速測量，同時用八位串行段碼式LCD數(shù)

2、碼管顯示模塊顯示。旋轉(zhuǎn)編碼器輸出電壓為4.25V，8位二進制自然碼送入單片機處理后經(jīng)過計算處理，再查表轉(zhuǎn)換為10進制數(shù)，送LCD模塊顯示。本文從轉(zhuǎn)速測量原理入手，詳細闡述了轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)的工作過程，以及硬件電路的設計、顯示效果。本文吸收了硬件軟件化的思想，實現(xiàn)了題目要求的功能。關(guān)鍵詞：轉(zhuǎn)速測量, 旋轉(zhuǎn)編碼器，單片機, LCD顯示模塊ABSTRACTSpeed is a very wide range of engineering applications one parameter , the measurement method more, and collection and process

3、ing of analog simulation has been the main method of speed measurement , this measurement method can not meet the requirements of modern technology , the measurement range and the measurement accuracy, can not meet with most systems. With the scale and development of VLSI technology, digital systems

4、 have been widely used to measure , especially for single-chip digital signal processing power pulse , so that the increasing popularity of digital measuring system , the speed measurement system can also be used the whole digital processing .The design for the code wheel speed measurement system fo

5、r measuring the speed of different value from the outside. Achieve real-time measurement speed display . Specific applications AT80C51 microcontroller as the core , rotary encoder shaft speed real-time measurement , while eight serial code segment LCD display module displays . Rotary encoder output

6、4.25V, 8 -bit binary code into the microcontroller processing natural treatment has been calculated , and then converted to a decimal number look-up table , sending the LCD module .In this paper, starting from the speed measurement principle , elaborated on the work process speed measurement systems

7、, and hardware design , display effect. This article has absorbed the idea of hardware and software to achieve the requirements of the subject function.Keywords: speed measurement, rotary encoder, microcontroller, LCD display module1緒論1.1轉(zhuǎn)速測量技術(shù)簡介轉(zhuǎn)速測量是利用相關(guān)精密儀器測量運動物體的角位移的一種測量方法，常用的測量儀器為測量角位移的數(shù)字編碼器和光電軸

8、編碼器，因其具有分辨率強、測量精度高和工作可靠等特點，被廣泛用于測速系統(tǒng)中。隨著科學技術(shù)的發(fā)展，各種各樣的轉(zhuǎn)速測量儀不斷出現(xiàn)。它們的結(jié)構(gòu)不同，性能也各異。迄今為止也沒有系統(tǒng)的分類方法，在這里只按測量原理以及主要元件性質(zhì)進行分類和說明。按照測量原理主要可以分為測頻法、測周法兩種基本的方法，以此提高測量精度。由于電子計數(shù)器所特有的±1個數(shù)的誤差的存在，應根據(jù)轉(zhuǎn)速脈沖頻率的大小來恰當選擇對應的測量方法。所謂測頻法，就是測量轉(zhuǎn)速脈沖頻率的方法，它是以基準時間信號發(fā)生電路的脈沖來相應控制計數(shù)門的開閉，在單位時間內(nèi)，對來自轉(zhuǎn)速傳感器的脈沖進行計數(shù)。所謂測周法，就是測量轉(zhuǎn)速脈沖周期的方法。它用傳感

9、器的脈沖來控制計數(shù)門的開閉，在轉(zhuǎn)速脈沖周期內(nèi)對基準時間信號發(fā)生電路的脈沖進行計數(shù)，然后按f=1/T公式換算成轉(zhuǎn)速脈沖的頻率。轉(zhuǎn)速測量的方法見表1-1所示：表1-1 各種測量方法得比較目前按現(xiàn)有產(chǎn)品的主要構(gòu)成元件分類，可分為晶體管式、集成電路式和單片機式。晶體管式所采用的元件主要是晶體管，有的晶體管式轉(zhuǎn)速測量儀設有記憶電路，其數(shù)碼管無閃爍現(xiàn)象，顯示效果較好，而且測量速度較高。顧名思義集成電路式轉(zhuǎn)速測量儀，所采用的元件是集成電路元件。由于集成電路具有重量輕、體積小、功耗小等優(yōu)點，而且集成電路元件內(nèi)設有顯示電路，這使得轉(zhuǎn)速測量儀實現(xiàn)小型化。單片機的出現(xiàn)使得這種儀表的設計變得更加靈活。1.2轉(zhuǎn)速測量在

10、國內(nèi)外的研究轉(zhuǎn)速是能源設備與動力機械性能測試中的一個重要的特性參量，因為動力機械的許多特性參數(shù)是根據(jù)它們與轉(zhuǎn)速的函數(shù)關(guān)系來確定的，例如壓縮機的排氣量、軸功率、內(nèi)燃機的輸出功率等等，而且動力機械的振動、管道氣流脈動、各種工作零件的磨損狀態(tài)等都與轉(zhuǎn)速密切相關(guān)。轉(zhuǎn)速測量的方法很多，測量儀表的型式也多種多樣，其使用條件和測量精度也各不相同。根據(jù)轉(zhuǎn)速測量的工作方式可分為兩大類：接觸式轉(zhuǎn)速測量儀表與非接觸式轉(zhuǎn)速測量儀表。前者在使用時必須與被測轉(zhuǎn)軸直接接觸，如離心式轉(zhuǎn)速表、磁性轉(zhuǎn)速表與測速發(fā)電機等；后者在使用時不需要與被測轉(zhuǎn)軸接觸,如光電式轉(zhuǎn)速表、電子數(shù)字式轉(zhuǎn)速表、閃光測速儀等。測量發(fā)動機轉(zhuǎn)速的傳統(tǒng)方法是使

11、用光電式轉(zhuǎn)速表測量。用這種方法測量時,既要在發(fā)動機轉(zhuǎn)動軸上粘貼光標紙，又要求測量人員把轉(zhuǎn)速表與光標紙的距離控制在很近的范圍,測量十分不方便。隨著科學技術(shù)的迅速發(fā)展,轉(zhuǎn)速測量儀表已步入現(xiàn)代化、電子化的行列。過去曾經(jīng)使用過的接觸式測量儀表,如離心式轉(zhuǎn)速表、磁性轉(zhuǎn)速表、微型發(fā)電機轉(zhuǎn)速表及鐘表是定時轉(zhuǎn)速表，均已先后受到冷落；而利用已知頻率的閃光與被測軸轉(zhuǎn)速同步的方法來測速的閃光測速儀，雖屬非接觸式儀表，目前仍有應用,但也退居次要地位。代之而起的是非接觸式的電子與數(shù)字化的測速儀表。這類轉(zhuǎn)速儀表大多具有體積小、重量輕、讀數(shù)準確、使用方便等優(yōu)點，容易實現(xiàn)電腦熒屏顯示和打印輸出，能夠連續(xù)的反映轉(zhuǎn)速變化，既能測

12、定發(fā)動機穩(wěn)定情況下的平均轉(zhuǎn)速,也能夠用來在足夠小的時間間隔這一特定條件下測定發(fā)動機的瞬時轉(zhuǎn)速。 轉(zhuǎn)速測量的應用系統(tǒng)在工業(yè)生產(chǎn)、科技教育、民用電器等各領(lǐng)域的應用極為廣泛，往往成為某一產(chǎn)品或控制系統(tǒng)的核心部分，其各種參數(shù)在不同的應用中有其側(cè)重，但轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)作為普遍的應用在國民經(jīng)濟發(fā)展中，有重要的意義。 1.3 課題研究的目的與意義在工程測量中，轉(zhuǎn)速作為一個常用的參數(shù)，其測量方法很多，而轉(zhuǎn)速測量的主要方法是模擬量的采集和模擬處理，這種測量方法已不能滿足現(xiàn)代科技發(fā)展的要求，同時，在測量范圍和測量精度上，已不能滿足大多數(shù)系統(tǒng)的使用。隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字測量系統(tǒng)開始得到普遍的應用，尤其是單

13、片機對脈沖數(shù)字信號的強大處理能力，這種能力使得全數(shù)字測量系統(tǒng)的普及越來越廣泛，其轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)也可用全數(shù)字化處理。在測量范圍和測量精度方面都有極大的提高。因此，本課題的目的是：對各種測量轉(zhuǎn)速的基本方法予以分析，針對不同的應用環(huán)境，利用單片機設計一種全數(shù)字化測速系統(tǒng)，從提高測量精度的角度出發(fā)，分析討論其產(chǎn)生誤差的可能原因，為今后的實際使用提供借鑒。并從實際硬件電路出發(fā)，分析電路工作原理和軟件流程，根據(jù)仿真情況提出修改方案和解決辦法。本課題以單片機為中心，設計的全數(shù)字化測量轉(zhuǎn)速系統(tǒng)，在工業(yè)控制和民用電器中都有較高使用價值。其可以應用于工業(yè)控制中的某一部分，如數(shù)控車床的電機轉(zhuǎn)速檢測和控制、水泵流量控制

14、以及需要利用轉(zhuǎn)速檢測來進行控制的許多場合。如車輛的里程表、車速表等。其次該轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)由于采用全數(shù)字化結(jié)構(gòu)，因而可以很方便的和工業(yè)控制計算機進行連接，實行遠程管理和控制，進一步提高現(xiàn)代化水平。并且，幾乎不需做很大改變直接就能作為單獨的使用產(chǎn)品。因此，轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)的研究是一件非常有意義的課題。2基于單片機的轉(zhuǎn)速測量原理2.1測量原理針對測量原理而言，可以將這些原理分為三大類，第一類就是類似于測量頻率，即在單位時間里測量物體旋轉(zhuǎn)的角度，通過相應計算得到相應的速度，比如在單位時間內(nèi)累計傳感器發(fā)出脈沖數(shù)量N即為該單位時間的速度，這種以測量頻率的方法來確定轉(zhuǎn)速的方法叫測頻法，也稱作M法，第二類是在一定的

15、角位移距離內(nèi)，通過測量通過這一角位移的時間來進行測速的方法，稱測周法，也叫“T”法。這兩種測速方法各有優(yōu)點和缺點，在轉(zhuǎn)速較低時，測量誤差較大，而且，檢測裝置對轉(zhuǎn)速分辨能力也變差，因此，“M”法一般用于高速測量系統(tǒng)中； “T”法則與“M”法相反，一般用于低速測量，速度越低測量精度越高，但在測量高轉(zhuǎn)速時，誤差較大；結(jié)合這兩種測量方法就可以推出第三種測量方法，即M/T法，這種方法結(jié)合這兩種方法的優(yōu)點，一方面類似于“M”法那樣在對傳感器發(fā)出的脈沖計數(shù)的同時，也像“T”法那樣計取脈沖的時間，通過計算即可得出轉(zhuǎn)速值。2.2單片機測量轉(zhuǎn)速基本方法簡單的測速系統(tǒng)一般由以下幾個部分構(gòu)成，如圖2-1圖2-1轉(zhuǎn)速測

16、量框圖1 信號的拾取這個部分包括三個環(huán)節(jié)，第一環(huán)節(jié)，通過敏感原件拾取被測信號，由于敏感元件體積小，可以根據(jù)用戶和環(huán)境的要求做成各種形狀的探頭，敏感元件能將被測的物理量轉(zhuǎn)換成電流、電壓等信號，只需設計相應的電路即可。第二環(huán)節(jié)，就是專業(yè)人員將敏感元件和相應的測量電路和傳遞機構(gòu)通過合適的形式做成不同的類型和不同功能的傳感器，根據(jù)相關(guān)原理輸出電量，該電量可以是模擬量或數(shù)字量，現(xiàn)代傳感器還可以輸出開關(guān)量，用于數(shù)字邏輯電路。第三環(huán)節(jié)，通過測量儀表拾取被測信號，通用的轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)大都采用一種俗稱“碼盤”的傳感裝置，將圓形的碼盤固定在轉(zhuǎn)軸上，碼盤上有若干規(guī)則排列的小孔，用光電偶來輸出電信號，以反映轉(zhuǎn)速對應關(guān)系

17、，即是將轉(zhuǎn)軸的速度以脈沖形式反映出來，通常有兩種形式：1)模擬量量化后經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換，由數(shù)字量反映角度，供單片機計算處理，得出轉(zhuǎn)速。2)直接由脈沖來反應轉(zhuǎn)軸的角度，用每轉(zhuǎn)產(chǎn)生的脈沖經(jīng)單片機處理得出轉(zhuǎn)速。2.整形和倍頻由于傳感器接受到的信號都是比較微弱的，此外，外部信號的接受頻率各不相同，單片機無法接受到相應的信號，此時，必須對采集到的電流或者電壓信號進行放大，整形和倍頻就是利用集成電路的放大電路對信號進行放大，另外，有些采集的信號可能會對其他測量信號產(chǎn)生干擾，整形和倍頻電路中可以對信號進行濾波，從而讓單片機接收到需要檢測的信號。3單片機單片機是整個系統(tǒng)的核心部件，對整個測試系統(tǒng)進行控制處理。關(guān)于

18、此系統(tǒng)的單片機介紹見后文。4顯示接口單片機將接收到的信號經(jīng)過相應處理后，對信號進行顯示，把測量數(shù)據(jù)經(jīng)過編碼后顯示到顯示屏上。另外，單片機經(jīng)過處理后的信號屬于數(shù)字信號，數(shù)字信號是無法顯示到顯示設備上到，因此，要設計D/A轉(zhuǎn)換電路，將單片機發(fā)出來的信號經(jīng)過相應處理，然后經(jīng)過驅(qū)動電路，顯示到數(shù)碼管上面。超大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展和提高，使得單片機的應用技術(shù)越來越廣泛，也使得其功能越來越強大，價格越來越低廉，使得全數(shù)字化測量轉(zhuǎn)度系統(tǒng)得到廣泛的應用。同時，由于單片機在測量轉(zhuǎn)速方面具有體積小、性能強、成本低的特點，它也越來越受到企業(yè)用戶們的青睞。對測量轉(zhuǎn)速系統(tǒng)的硬件和編程進行研究，在此設計出一種以單片機為

19、主的轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)，從而保證了測量精度。2.3轉(zhuǎn)速信號采集1傳感器的選擇霍爾傳感器是對磁敏感的傳感元件，由磁鋼、霍耳元件等組成。測量系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速傳感器選用SiKO的NJK-8002D的霍爾傳感器，其響應頻率為100KHz，額定電壓為5-30（V）、檢測距離為10（mm）。其在大電流磁場或磁鋼磁場的作用下，能測量高頻、工頻、直流等各種波形電流。該傳感器具有測量精度高、電壓范圍寬、功耗小、輸出功率大等優(yōu)點，廣泛應用在高速計數(shù)、測頻率、測轉(zhuǎn)速等領(lǐng)域。輸出電壓425V，直流電源要有足夠的濾波電容，測量極性為N極。安裝時將一非磁性圓盤固定在電動機的轉(zhuǎn)軸上，將磁鋼粘貼在圓盤邊緣，磁鋼采用永久磁鐵，其磁力較強，

20、霍爾元件固定在距圓盤1-10mm處。當磁鋼與霍爾元件相對位置發(fā)生變化時，通過霍爾元件感磁面的磁場強度就會發(fā)生變化。圓盤轉(zhuǎn)動，磁鋼靠近霍爾元件，穿過霍爾元件的磁場較強，霍爾元件輸出低電平；當磁場減弱時，輸出高電平，從而使得在圓盤轉(zhuǎn)動過程中，霍爾元件輸出連續(xù)脈沖信號。這種傳感器不怕灰塵、油污，在工業(yè)現(xiàn)場應用廣泛。本系統(tǒng)采用開關(guān)型霍爾傳感器A3144以及磁鋼，由它們來檢測電機的轉(zhuǎn)速。工作方式為：將磁鋼安裝在電機的轉(zhuǎn)軸上，而霍爾傳感器則放在轉(zhuǎn)軸的旁邊，霍爾傳感器連接在電路中，當磁鋼隨轉(zhuǎn)軸經(jīng)過霍爾傳感器時，由開關(guān)型霍爾傳感器的工作原理知，此時將輸出一個低電平信號；而當磁鋼離開霍爾傳感器后，又將輸出一個高

21、電平。這樣通過高低電平的轉(zhuǎn)換，將其送入單片機后就可以測量它的轉(zhuǎn)速?；魻杺鞲衅鞯耐庑螆D和與磁場的作用關(guān)系如圖2-2所示。磁場由磁鋼提供，所以霍爾傳感器和磁鋼需要配對使用。圖2-2 霍爾傳感器及其磁鋼外形圖霍爾傳感器連線圖如圖2-3所示圖2-3 霍爾傳感器連線圖霍爾傳感器的電子特性如圖2-4所示圖2-4霍爾傳感器的電子特性2.4霍爾傳感器的測量原理霍爾轉(zhuǎn)速傳感器在測量機械設備的轉(zhuǎn)速時，被測量機械的金屬齒輪、齒條等運動部件會經(jīng)過傳感器的前端，引起磁場的相應變化，當運動部件穿過霍爾元件產(chǎn)生磁力線較為分散的區(qū)域時，磁場相對較弱，而穿過產(chǎn)生磁力線較為幾種的區(qū)域時，磁場就相對較強?；魻栟D(zhuǎn)速傳感器就是通過磁力

22、線密度的變化，在磁力線穿過傳感器上的感應元件時，產(chǎn)生霍爾電勢。霍爾轉(zhuǎn)速傳感器的霍爾元件在產(chǎn)生霍爾電勢后，會將其轉(zhuǎn)換為交變電信號，最后傳感器的內(nèi)置電路會將信號調(diào)整和放大，輸出矩形脈沖信號?；魻栟D(zhuǎn)速傳感器的測量方法霍爾轉(zhuǎn)速傳感器的測量必須配合磁場的變化，因此在霍爾轉(zhuǎn)速傳感器測量非鐵磁材質(zhì)的設備時，需要事先在旋轉(zhuǎn)物體上安裝專門的磁鐵物質(zhì)，用以改變傳感器周圍的磁場，這樣霍爾轉(zhuǎn)這樣霍爾轉(zhuǎn)速傳感器才能準確的捕捉到物質(zhì)的運動狀態(tài)。圖2-5 霍爾傳感器測速原理本系統(tǒng)采用M法（測頻法）測量電機轉(zhuǎn)速，由于轉(zhuǎn)速的定義是單位時間內(nèi)轉(zhuǎn)數(shù)，在變換的過程中，多數(shù)是有規(guī)律的重復運動。根據(jù)霍爾效應原理，將一塊永久磁鋼固定在電機

23、轉(zhuǎn)軸上的轉(zhuǎn)盤邊沿，轉(zhuǎn)盤隨側(cè)軸旋轉(zhuǎn)，磁鋼也將跟著同步旋轉(zhuǎn)，在轉(zhuǎn)盤下方安裝一個霍爾器件，轉(zhuǎn)盤隨軸旋轉(zhuǎn)時，受磁鋼所產(chǎn)生的磁場的影響，霍爾器件輸出脈沖信號，其頻率和轉(zhuǎn)速成正比。脈沖信號的周期與電機的轉(zhuǎn)速有以下關(guān)系：n為電機轉(zhuǎn)速；P為電機轉(zhuǎn)一圈的脈沖數(shù)；T為輸出方波信號周期。根據(jù)上式即可計算出直流電機的轉(zhuǎn)速。3硬件電路的設計3.1 A/D轉(zhuǎn)換電路A/D轉(zhuǎn)換器是一種能將連續(xù)的模擬信號轉(zhuǎn)換成二進制的數(shù)字量的器件。模擬量可以是電壓或電流等電信號，也可以使聲、光、壓力、溫度、濕度等隨時間連續(xù)變化的非電量的模擬量。非電量的模擬量可以通過合適的傳感器（如光電傳感器、壓力傳感器、溫度傳感器）轉(zhuǎn)換成電信號。模擬量只有被

24、轉(zhuǎn)換成數(shù)字量才能被計算機采集、分析、計算。A/D轉(zhuǎn)換器的種類有很多，按轉(zhuǎn)換原理可以分為以下4種：計數(shù)式A/D轉(zhuǎn)換器、雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器、逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器和并行式A/D轉(zhuǎn)換器。目前最常見的是雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器和逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器。雙積分式A/D轉(zhuǎn)化器的優(yōu)點主要在于精度高、抗干擾能力強且價格便宜，但轉(zhuǎn)換速度較慢，因此這種轉(zhuǎn)換器主要運用于速度要求不高的場合。逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器是一種速度較快且精度較高的轉(zhuǎn)換器，其轉(zhuǎn)換時間大約在幾微秒到幾百微妙之間。本系統(tǒng)采用的是A/D轉(zhuǎn)換芯片ADC0809，它是一個采用CMOS工藝的逐次逼近式8位A/D轉(zhuǎn)換器，片內(nèi)除A/D轉(zhuǎn)換部分外還有8路模擬開關(guān)，

25、可對8路模擬電壓量進行分時轉(zhuǎn)換，典型的轉(zhuǎn)換時間為0.1微秒，片內(nèi)還有三態(tài)輸出緩沖器，可以與單片機的數(shù)據(jù)總線直接連接。A/D內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3-1所示：圖3-1 ADC0809內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)及引腳定義引腳功能如下：IN7IN0模擬量輸入通道ALE地址鎖存允許信號。對應ALE上跳沿，A、B、C地址狀態(tài)送入地址鎖存器中。START轉(zhuǎn)換啟動信號。START上升沿時，復位ADC0809；START下降沿時啟動芯片，開始進行A/D轉(zhuǎn)換；在A/D轉(zhuǎn)換期間，START應保持低電平。本信號有時簡寫為ST。A、B、C地址線。 通道端口選擇線，A為低地址，C為高地址，引腳圖中為ADDA，ADDB和ADDC。CLK時鐘信號

26、。ADC0809的內(nèi)部沒有時鐘電路，所需時鐘信號由外界提供，因此有時鐘信號引腳。通常使用頻率500KHz的時鐘信號EOC轉(zhuǎn)換結(jié)束信號。EOC=0,正在進行轉(zhuǎn)換；EOC=1,轉(zhuǎn)換結(jié)束。使用中該狀態(tài)信號即可作為查詢的狀態(tài)標志，又可作為中斷請求信號使用。D7D0數(shù)據(jù)輸出線。為三態(tài)緩沖輸出形式，可以和單片機的數(shù)據(jù)線直接相連。D0為最低位，D7為最高OE輸出允許信號。用于控制三態(tài)輸出鎖存器向單片機輸出轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)。OE=0，輸出數(shù)據(jù)線呈高阻；OE=1，輸出轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)。Vcc+5V電源。Vref參考電源參考電壓用來與輸入的模擬信號進行比較，作為逐次逼近的基準。其典型值為+5V。3.2單片機的選擇單片

27、機我們采用AT89C51(其引腳圖如圖32)，相較于INTEL公司的8051它本身帶有一定的優(yōu)點。AT89C51是一種帶4K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存貯器的低電壓，高性能CMOS 8位微處理器，俗稱單片機。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標準的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲器組合在單個芯片中，ATMEL的AT89C51是一種高效微控制器，AT89C51單片機為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價廉的方案。一個單片機應用系統(tǒng)的硬件電路設計應包含有兩個部分內(nèi)容: 第一是系統(tǒng)擴展，即當單片機內(nèi)部的功能單元，如ROM、RAM、I/O口

28、、定時/計數(shù)器、中斷系統(tǒng)等容量不能滿足應用系統(tǒng)要求時，必須在片外進行擴展，選擇適當?shù)男酒?，設計相應的電路。第二是系統(tǒng)配置，即按照系統(tǒng)功能要求配置外圍設備，如鍵盤、顯示器、打印機、D/A、A/D轉(zhuǎn)換器等，并設計相應的接口電路。圖3-2 AT89C51單片機引腳圖主要特征：與MCS-51兼容4K字節(jié)可編程閃爍存儲器壽命：1000寫/擦循環(huán)數(shù)據(jù)保留時間：10年全靜態(tài)工作：0Hz-24Hz三級程序存儲器鎖定128*8位內(nèi)部RAM32可編程I/O線兩個16位定時器/計數(shù)器5個中斷源可編程串行通道低功耗的閑置和掉電模式片內(nèi)振蕩器和時鐘電路P0口：P0口是一組8位漏極開路型雙向I0口，也即地址數(shù)據(jù)總線復用口

29、。作為輸出口用時，每位能驅(qū)動8個TTL邏輯門電路，對端口寫“l(fā)”可作為高阻抗輸入端用。在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器或程序存儲器時，這組口線分時轉(zhuǎn)換地址（低8位）和數(shù)據(jù)總線復用，在訪問期間激活內(nèi)部上拉電阻。在F1ash編程時，P0口接收指令字節(jié)，而在程序校驗時，輸出指令字節(jié)，校驗時，要求外接上拉電阻。P1口：Pl是一個帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向IO口，Pl的輸出緩沖級可驅(qū)動（吸收或輸出電流）4個TTL邏輯門電路。對端口寫“l(fā)”，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時可作輸入口。作輸入口使用時，因為內(nèi)部存在上拉電阻，某個引腳被外部信號拉低時會輸出一個電流（IIL）。Flash編程和程序校驗期間，Pl接收低

30、8位地址。表3-1 P1口引腳功能表P2口：P2是一個帶有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向IO口，P2的輸出緩沖級可驅(qū)動（吸收或輸出電流）4個TTL邏輯門電路。對端口寫“1”，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時可作輸入口，作輸入口使用時，因為內(nèi)部存在上拉電阻，某個引腳被外部信號拉低時會輸出一個電流（IIL）。在訪問外部程序存儲器或16位地址的外部數(shù)據(jù)存儲器（例如執(zhí)行MOVXDPTR指令）時，P2口送出高8位地址數(shù)據(jù)。在訪問8位地址的外部數(shù)據(jù)存儲器（如執(zhí)行MOVXRi指令）時，P2口線上的內(nèi)容（也即特殊功能寄存器（SFR）區(qū)中P2寄存器的內(nèi)容），在整個訪問期間不改變。Flash編程或校驗時，P2亦接

31、收高位地址和其它控制信號.P3口：P3口是一組帶有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I0口。P3口輸出緩沖級可驅(qū)動（吸收或輸出電流）4個TTL邏輯門電路。對P3口寫入“l(fā)”時，它們被內(nèi)部上拉電阻拉高并可作為輸入端口。作輸入端時，被外部拉低的P3口將用上拉電阻輸出電流（IIL）.P3口除了作為一般的I0口線外，更重要的用途是它的第二功能，如下表所示:表3-2 P3口的引腳功能RST復位輸入。當振蕩器工作時，RST引腳出現(xiàn)兩個機器周期以上高電平將使單片機復位。WDT溢出將使該引腳輸出高電平，設置SFR AUXR的DISRT0位（地址8EH）可打開或關(guān)閉該功能。DISRT0位缺省為RESET輸出高電平打開狀態(tài)。

32、ALEPROG：當訪問外部程序存儲器或數(shù)據(jù)存儲器時，ALE（地址鎖存允許）輸出脈沖用于鎖存地址的低8位字節(jié)。即使不訪問外部存儲器，ALE仍以時鐘振蕩頻率的16輸出固定的正脈沖信號，因此它可對外輸出時鐘或用于定時目的。要注意的是：每當訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時將跳過一個ALE脈沖。對F1ash存儲器編程期間，該引腳還用于輸入編程脈沖（PROG）。如有必要，可通過對特殊功能寄存器（SFR）區(qū)中的8EH單元的D0 位置位，可禁止ALE操作。該位置位后，只有一條M0VX和M0VC指令ALE才會被激活。此外，該引腳會被微弱拉高，單片機執(zhí)行外部程序時，應設置ALE無效。PSEN：程序儲存允許（PSEN）輸出是外

33、部程序存儲器的讀選通信號，當AT89C51由外部程序存儲器取指令（或數(shù)據(jù)）時，每個機器周期兩次PSEN有效，即輸出兩個脈沖。當訪問外部數(shù)據(jù)存儲器，沒有兩次有效PSEN信號。EAVPP：外部訪問允許。欲使CPU 僅訪問外部程序存儲器（地址為0000HFFFFH），EA 端必須保持低電平（接地）。需注意的是：如果加密位LB1被編程，復位時內(nèi)部會鎖存EA端狀態(tài)。如EA端為高電平（接Vcc端），CPU則執(zhí)行內(nèi)部程序存儲器中的指令。F1ash存儲器編程時，該引腳加上+12V 的編程電壓Vpp即輸出兩個脈沖。當訪問外部數(shù)據(jù)存儲器，沒有兩次有效的PSEN信號。EAVPP：外部訪問允許。欲使CPU僅訪問外部程

34、序存儲器（地址為0000HFFFFH），EA端必須保持低電平（接地）。需注意的是：如果加密位LB1被編程，復位時內(nèi)部會鎖存EA端狀態(tài)。如EA端為高電平（接Vcc端），CPU則執(zhí)行內(nèi)部程序存儲器中的指令。F1ash存儲器編程時，該引腳加上+12V 的編程電壓Vpp。XTALl：振蕩器反相放大器及內(nèi)部時鐘發(fā)生器的輸入端。XTAL2：振蕩器反相放大器的輸出端。振蕩器特性：XTAL1和XTAL2分別為反向放大器的輸入和輸出。該反向放大器可以配置為片內(nèi)振蕩器。石英振蕩和陶瓷振蕩均可采用。如采用外部時鐘源驅(qū)動器件，XTAL2應不接。有余輸入至內(nèi)部時鐘信號要通過一個二分頻觸發(fā)器，因此對外部時鐘信號的脈寬無任

35、何要求，但必須保證脈沖的高低電平要求的寬度。芯片擦除：整個PEROM陣列和三個鎖定位的電擦除可通過正確的控制信號組合，并保持ALE管腳處于低電平10ms來完成。在芯片擦操作中，代碼陣列全被寫“1”且在任何非空存儲字節(jié)被重復編程以前，該操作必須被執(zhí)行。此外，AT89C51設有穩(wěn)態(tài)邏輯，可以在低到零頻率的條件下靜態(tài)邏輯，支持兩種軟件可選的掉電模式。在閑置模式下，CPU停止工作。但RAM，定時器，計數(shù)器，串口和中斷系統(tǒng)仍在工作。在掉電模式下，保存RAM的內(nèi)容并且凍結(jié)振蕩器，禁止所用其他芯片功能，直到下一個硬件復位為止。3.2時鐘電路單片機的工作過程是：取指令、執(zhí)行指令。這些工作都是在統(tǒng)一的時鐘脈沖控

36、制下一拍一拍地進行的，而這個脈沖是由單片機控制器中的時序電路發(fā)出的。單片機的時序就是CPU在執(zhí)行指令的時候所需要控制的信號的時間順序，為了保證各個部件之間的同步進行，單片機內(nèi)部電路應在唯一的時鐘脈沖信號下嚴格按時許進行工作。其時鐘電路如圖3-3所示：圖3-3 系統(tǒng)時鐘電路AT89C51單片機內(nèi)部含有一個高增益反相放大器，這個反相放大器的作用就是用于構(gòu)成振蕩器的，但是要形成時鐘，外部還需要增加一些附加電路。3.3復位電路復位是單片機的初始化操作，單片機啟動運行時，都需要先復位，其作用是使CPU和系統(tǒng)中其他部件處于一個確定的初始狀態(tài)，并從這個狀態(tài)開始工作。因而，復位是一個重要的操作方式，但單片機本

37、身是不能自動復位的，必須配合相應的外部電路才能實現(xiàn)。當單片機的復位引腳RST出現(xiàn)兩個周期以上的高電平時，單片機就執(zhí)行復位操作。如果RST持續(xù)為高電平，單片機就處于循環(huán)復位的狀態(tài)。根據(jù)應用的要求，復位操作通常有兩種基本形式：上電復位和上電或按鍵復位。其復位電路如圖3-2（a）上電復位電路（b）按鍵電平復位（c）按鍵脈沖復位3.4顯示電路顯示電路采用LED數(shù)碼管動態(tài)顯示，LED（Light-Emitting Diode）是一種外加電壓從而渡過電流并發(fā)出可見光的器件。LED是屬于電流控制器件，使用時必須加限流電阻。LED有單個LED和八段LED之分，也有共陰和共陽兩種。圖3-4七段發(fā)光數(shù)碼管結(jié)構(gòu)共陰

38、極數(shù)碼管的發(fā)光二極管陰極必須接低電平,當某發(fā)光二極管的陽極為高電平時(一般為+5V)時,此二極管點亮;共陽極數(shù)碼管的發(fā)光二極管是陽極接到高電平,對于需要點亮的發(fā)光二極管使其陰極接低電平(一般為地)即可。根據(jù)LED顯示器可知，如果希望顯示“8”字，那么除了“dp”管不要點亮以外，其余管全部點亮。同理如果要顯示“1”，只需bc兩個發(fā)光二極管點亮，其余均布點亮。通常將控制發(fā)光二極管的8位數(shù)據(jù)稱為段選碼，共陰極和共陽極的段選碼互為補碼。LED顯示器的段選碼如下表所示： 表3-1 LED數(shù)碼管段選碼顯示部分電路如圖3-5所示圖3-5 顯示部分與單片機的連接電路3.5 系統(tǒng)供電電路要取得+5V電壓，若選用

39、12V的變壓器，整流濾波后輸出往往大于12V，會使穩(wěn)壓器功耗大，自身溫度較高。故不選用輸出電壓為12V的變壓器，而選用輸出電壓為9V的變壓器。系統(tǒng)接通220V交流電源后，將220V交流電變壓到9V，經(jīng)過二極管全波整流、電解電容Cl，C2濾波，再經(jīng)一只正輸出穩(wěn)壓器LM7805，為了緩沖負載突變，改善瞬態(tài)響應，輸出端還采用了電容C3、C4，最后得到+5V的直流工作電源，用于給控制系統(tǒng)中單片機系統(tǒng)及其它外圍電路的Vcc+端供電。供電電路如圖3-5所示：圖3-5系統(tǒng)供電電路4系統(tǒng)程序設計4.1程序流程圖主程序流程圖顯示子程序流程圖：定時計數(shù)子程序流程圖：4.2系統(tǒng)的初始化系統(tǒng)自檢初始化是保證整個控制系

40、統(tǒng)能夠正常運行的重要條件，系統(tǒng)加電復位后，直接進入自檢初始化程序，完成系統(tǒng)的自檢及初始化。初始化過程主要是對一些控制寄存器(如中斷控制)、數(shù)據(jù)區(qū)和外部芯片(如時鐘芯片DS1302等)進行初始參數(shù)設置和定義。本系統(tǒng)中的自檢初始化主要指各接口芯片的檢測、芯片內(nèi)部設定參數(shù)的初始化及系統(tǒng)內(nèi)部寄存器的初始化。各接口芯片的檢測主要檢測各芯片是否己處于準備工作的就緒狀態(tài)，有無硬件故障等，如檢測各位LED是否正常顯示系統(tǒng)設置開機時的界面，檢測硬件時鐘DS1302是處于更換芯片后初次使用為起振狀態(tài)，還是處于備用電源供電振蕩保持狀態(tài)，即檢測系統(tǒng)中控制時間表的有效性，檢測人體傳感器輸出信號是否正常體現(xiàn)人體存在的信息

41、，檢測環(huán)境光是如何影響光采集電路輸出的信號等。若時鐘芯片處于啟動狀態(tài)，系統(tǒng)控制時間表無效，則需要對其進行初始化并啟動實時時鐘。系統(tǒng)內(nèi)部寄存器初始化主要是指在數(shù)據(jù)緩沖區(qū)內(nèi)，各用戶定義的數(shù)據(jù)變量的初始化賦值及部分特殊功能寄存器SFR的復位初始化，單片機復位后，程序計數(shù)器PC指向程序存儲器的入口地址0000單元，程序狀態(tài)字寄存器PSW清零，片內(nèi)存儲器選擇工區(qū)工作寄存器，用戶標志位F0為0狀態(tài)，堆棧指針SP指向07H，其它定時器、中斷允許寄存器IE、累加器ACC等皆為00H。4.3A/D轉(zhuǎn)換模塊當DAC0832芯片的片選信號，寫信號及傳送控制信號的引腳全部接地，允許輸入鎖存信號ILE引腳接+5V時，D

42、AC0832芯片就處于直通工作方式，數(shù)字量一旦輸入，就直接進入DAC寄存器，進行D/A轉(zhuǎn)換。A/D轉(zhuǎn)換程序如下：ATOD：CLR P10；轉(zhuǎn)換前條件CLRP11；CLRP13；MOVR0，#30H；轉(zhuǎn)換結(jié)果存放首地址MOVR2，#0；初始通道號MOVR3，#8；總的通道數(shù)GOON：MOVP0，R2；輸出通道號SETBP10；鎖存通道號CLRP10； SETBP11；啟動轉(zhuǎn)換CLRP11； LCALLDEL；調(diào)延時10S延時子程序SETBP12；準備讀轉(zhuǎn)換結(jié)束標志JNBP12，$；等待轉(zhuǎn)換結(jié)束SETBP13；輸出允許MOVP0，#0FFH；將P0口置為輸入口MOVR0，P0；讀入并保存數(shù)據(jù)CLR

43、P13；恢復轉(zhuǎn)換前條件INCR0；修改數(shù)據(jù)區(qū)地址INCR2；修改通道號DJNZR3，GOON；判8路轉(zhuǎn)換完否？未完繼續(xù)RET；8路轉(zhuǎn)換完，返回退出 4.4顯示驅(qū)動模塊系統(tǒng)運行過程中的數(shù)據(jù)顯示是人機交互對話的一個重要通道。通過系統(tǒng)數(shù)據(jù)的顯示，我們才可以更好的了解系統(tǒng)運行的狀態(tài)，從而便于對整個系統(tǒng)進行必要的操作。顯示驅(qū)動程序如下：#include<reg51.h>#define uchar unsigned char#define uint unsigned intsbit rs=P35;/4jiaosbit rw=P36;/5sbit e =P37;/6/*/void delay(u

44、int z) uint x,y; for(x=z;x>0;x-) for(y=110;y>0;y-);/*/void send_cmd(uchar cmd)/向液晶發(fā)送地址或指令 e=0; rs=0; /寫指令地址 rw=0; P0=cmd; delay(5); e=1;/上升沿 delay(5); e=0; /*/void send_data(uchar date)/向液晶發(fā)送數(shù)據(jù) e=0; rs=1; /寫數(shù)據(jù) rw=0; P0= date; delay(5); e=1;/上升沿 delay(5); e=0;/*/void display(uchar add,uchar dat

45、e)/第一顯示地址，第二顯示數(shù)據(jù) send_cmd(add); send_data(date);void lcd_init()/lcd初始化 send_cmd(0x38);/以1602-5*7點陣，8位數(shù)據(jù)接口 send_cmd(0x0f);/開背光。開光標，光標閃 send_cmd(0x06);/地址自動加一，整屏不移動 send_cmd(0x01);/*/void main() lcd_init(); while(1) display(0x88,'O'); display(0x89,'K'); display(0x8a,'!'); for(;

46、) 5仿真與調(diào)試5.1 Keil軟件簡介KeilC51是美國Keil Software公司出品的51系列兼容單片機C語言軟件開發(fā)系統(tǒng)。與匯編相比，C語言在功能上、結(jié)構(gòu)性、可讀性、可維護性上有明顯的優(yōu)勢，因而易學易用。用過匯編語言后再使用C來開發(fā)，體會更加深刻。KeilC51軟件提供豐富的庫函數(shù)和功能強大的集成開發(fā)調(diào)試工具，全Windows界面。另外重要的一點，只要看一下編譯后生成的匯編代碼，就能體會到KeilC51生成的目標代碼效率非常之高，多數(shù)語句生成的匯編代碼很緊湊，容易理解。在開發(fā)大型軟件時更能體現(xiàn)高級語言的優(yōu)勢。5.2應用Keil軟件進行程序調(diào)試軟件的調(diào)試必須在開發(fā)系統(tǒng)的支持下進行。先

47、分別調(diào)試通過各個模塊程序,然后調(diào)試中斷服務程序,最后調(diào)試主程序,將各部分連接進行調(diào)試。調(diào)試的范圍可以由小到大,逐步增加,必要的中間信號可以先做設定。通常交叉使用單步運行,斷點運行,連續(xù)運行等多種方式,每次執(zhí)行完畢后,檢查CPU執(zhí)行現(xiàn)場,RAM的有關(guān)內(nèi)容,I/O接口的狀態(tài)等。發(fā)現(xiàn)一個問題,解決一個問題,直至全部通過。首先新建一個工程項目文件;其次為工程選擇目標器件;再次為工程項目設置軟硬件調(diào)試環(huán)境；并創(chuàng)建源程序文件并輸入程序代碼，及保存創(chuàng)建的源程序項目文件；最后，把源程序文件添加到項目中。Keil軟件的操作界面如下圖所示：圖5-1圖5-2圖5-3圖5-4圖5-55.3軟件仿真在Proteus軟件

48、中畫出原理圖,向單片機中加入需要調(diào)試的程序的.hex文件,便可以進行調(diào)試了。其電路圖圖5-6 仿真電路圖啟動仿真后。數(shù)碼管顯示結(jié)果如圖5-7所示：圖5-7 仿真結(jié)果圖硬件實物圖如圖5-8所示：圖5-7硬件實物圖6 結(jié)束語采用單片機技術(shù)來實現(xiàn)轉(zhuǎn)速的測量，可以提高轉(zhuǎn)速的測量，可以提高轉(zhuǎn)速測量的精確度，并且加快了采樣的速率，具有較好的實時性。本文介紹的轉(zhuǎn)速方法使用于高、低轉(zhuǎn)速的測量，測量精確度與轉(zhuǎn)速無關(guān)，因而具有較寬的應用范圍和廣闊的應用的前景。 基于單片機的轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)，具有硬件電路簡單，程序簡單和運算速度快，測速范圍廣，抗干擾性能好的特點。在設計的信號處理電路中經(jīng)過濾波，能夠進一步減少誤差，是測

49、速精度得到提高。參考文獻1馮先成單片機應用系統(tǒng)設計M北京航空航天大學出版社，2009 2馬光單片機原理及應用M機械工業(yè)出版社，2006 3王曉東算法設計與分析M北京清華大學出版社，2003 4李全利單片機原理及接口技術(shù)M高等教育出版社，2009 5胡杰，吳磊，趙鳴.51單片機C語言應用與開發(fā)M北京航空航天大學出版社,20106張洪潤單片機原理及應用M清華大學出版社，2005 7蔡民文，馮先成單片機課程設計M武漢華中科技大學出版社2007 8 Ndala Co Capacitance Sensors for Measureing Single Kernal MoistureContent in

50、Corea AmSOCAg Eng,19959王幸之.單片機應用系統(tǒng)抗干擾技術(shù)M.北京:北京航空航天大學出版社,2001, 69-7810 靳濟芳.Visual C+小波變換技術(shù)與工程實踐M.北京:人民郵電出版社,2004.附錄A軟件程序#include<reg51.h>#include"juxun001.h"/=主函數(shù)=void main()time0_int0_init();/定時器0和外部中斷0的初始化while(!TR0)/上電一直未切割時就顯示 0.0.0.0 init_display();while(1)if(!change)/按下切換按鍵顯示里程d

51、elay1m(5);if(!change) flag = flag;while(!change);/=定時器0中斷函數(shù)=void time0_interrupt()interrupt 1 TL0 = (65536 - 5000) % 256;/ 12M晶振，5ms定時TH0 = (65536 - 5000) / 256;display_function();time_counter+;time_counter8+;if(time_counter8 >= 1600)/大于8s沒切割，車子視為停下了,速度為：0，但里程還記著time_counter8 = 0;speed = 0;/速度為 0

52、point1 = 0;buf13 = speed%10;buf12 = speed/10%10;buf11 = speed/100%10;buf10 = speed/1000%10;/=外部中斷0中斷函數(shù)=void int0_interrupt()interrupt 0external_counter+;if(external_counter =1 )TR0 = TR0;/第一次切割打開定時器0if(external_counter = 65535)external_counter = 0;time_counter8 = 0; /只要8秒內(nèi)有切割，車子就任在運行if(external_coun

53、ter % 2 = 0)/切割2次 更新下速度 /*5是因為中斷一次是5MSif(flag1=0)speed =(ulong)(36000)*zhouchang)/(time_counter * 5);flag1=1;else if(flag1=1)speed =(ulong)(36000)*2*zhouchang)/(time_counter * 5);/速度：單位為 m/h ,*1000的目的是不出現(xiàn)浮點數(shù)if(speed >= 100)&&(speed < 1000) /100 - 1000 3位整數(shù)point1 = 1;buf13 = speed%10;buf12 = speed/10%10;buf11 = speed/100%10;buf10 = 0;else if(