基于單片機(jī)的電機(jī)轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、基于單片機(jī)的電機(jī)轉(zhuǎn)速測速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)摘要在工程實(shí)踐中，經(jīng)常會(huì)遇到各種需要測量轉(zhuǎn)速的場合，測量轉(zhuǎn)速的方法分為模擬式和數(shù)字式兩種。模擬式采用測速發(fā)電機(jī)為檢測元件，得到的信號(hào)是模擬量。數(shù)字式通常采用光電編碼器，霍爾元件等為檢測元件，得到的信號(hào)是脈沖信號(hào)。隨著微型計(jì)算機(jī)的廣泛應(yīng)用，特別是高性能價(jià)格比的單片機(jī)的出現(xiàn)，轉(zhuǎn)速測量普遍采用以單片機(jī)為核心的數(shù)字式測量方法。本文便是運(yùn)用AT89C51單片機(jī)控制的智能化轉(zhuǎn)速測量儀。電機(jī)在運(yùn)行過程中，需要對(duì)其進(jìn)行監(jiān)控，轉(zhuǎn)速是一個(gè)必不可少的一個(gè)參數(shù)。本系統(tǒng)就是對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行測量，并可以和PC機(jī)進(jìn)行通信，顯示電機(jī)的轉(zhuǎn)速，并觀察電機(jī)運(yùn)行的基本狀況。本設(shè)計(jì)主要用AT89C51作

2、為控制核心，由霍爾傳感器、LED數(shù)碼顯像管、HIN232CPE電平轉(zhuǎn)換、及RS232構(gòu)成。詳細(xì)介紹了單片機(jī)的測量轉(zhuǎn)速系統(tǒng)及PC機(jī)與單片機(jī)之間的串行通訊。充分發(fā)揮了單片機(jī)的性能。本文重點(diǎn)是測量速度并顯示在5位LED數(shù)碼管上。其優(yōu)點(diǎn)硬件是電路簡單，軟件功能完善，測量速度快、精度高、控制系統(tǒng)可靠，性價(jià)比較高等特點(diǎn)。關(guān)鍵詞MSC-51（單片機(jī)）；轉(zhuǎn)速；傳感器-I-89C51basedonthespeedmeasurementsysteminthedesignAbstractIntheprojectpractice,wewillmeeteachkindtoneedfrequentlytosurveyth

3、erotationalspeedthesituation,thesurveyrotationalspeedmethoddividesintothesimulationtypeandthedigitaltwokinds.Thesimulationtypeusesmeasuredthatthefastgeneratoristhedetectingelement,obtainsthesignalsimulatesthequantity.Digitalusuallyusestheelectro-opticalencoder,theHallpartandsoonisthedetectingelement

4、,obtainsthesignalisthesignalimpulse.Alongwithmicrocomputer'swidespreadapplication,speciallyhighperformancepricecomparedtomonolithicintegratedcircuit'sappearance,thetachometricsurveyusesgenerallytakethemonolithicintegratedcircuitasthecoredigitalmeasuringtechniqueIgraduatedfromtheDesignoftheis

5、sueiscontroloftheintelligentuseofSCMspeedmeasuringinstrument.Thesystemisthemotorspeedmeasurement,andPCandcancommunicatethatthemotorspeed,andtoobservethemotorrunningthebasicsituation.ThemaindesignAT89C51controlasthecore,bytheHallsensor,LEDdigitalCRT,HIN232CPE-levelconversion,andaRS232.Detailedmeasure

6、mentsofthespeedoftheSCMsystemandPCandtheserialcommunicationbetweenthemicrocontroller.GivefullplaytotheperformanceoftheSCM.ThispaperistomeasurethespeedanddisplayedinfiveLEDdigitalpipe.Theadvantageofasimplehardwareandsoftwarecapabilitiesimprove,measuringspeed,highprecisionandcontrolsystemreliable,cost

7、-effectiveandsoon.KeywordsSC-51(One-chipcomputer)；sensor；Tachometer-3-目錄摘要IAbstractII第1章緒論51.1課題背景51.2國內(nèi)外發(fā)展水平51.3單片機(jī)測控系統(tǒng)61.4轉(zhuǎn)速測量在國民經(jīng)濟(jì)中的應(yīng)用71.5幾種常見的轉(zhuǎn)速測量方法81.6主要內(nèi)容9第2章硬件電路設(shè)計(jì)102.1系統(tǒng)總體功能概述102.2硬件電路設(shè)計(jì)112.3單片機(jī)模塊112.3.1處理執(zhí)行元件122.3.2時(shí)鐘電路162.3.3復(fù)位電路162.3.4顯示電路172.4霍爾傳感器簡介202.4.1霍爾器件概述202.4.2霍爾傳感器的應(yīng)用212.4.3AH4

8、1霍爾開關(guān)212.5發(fā)送模塊222.6本章小結(jié)25第3章軟件設(shè)計(jì)263.1單片機(jī)轉(zhuǎn)速程序設(shè)計(jì)級(jí)思路過程263.1.1單片機(jī)程序設(shè)計(jì)思路263.1.2單片機(jī)轉(zhuǎn)速計(jì)算程序273.1.3二-十進(jìn)制轉(zhuǎn)換程序273.2程序設(shè)計(jì)303.3本章小結(jié)31第4章系統(tǒng)調(diào)試324.1硬件調(diào)試324.2軟件調(diào)試324.3綜合調(diào)試344.4故障分析與解決方案344.5本章小結(jié)35結(jié)論36致謝37參考文獻(xiàn)38附錄39附錄1電路原理圖39附錄2元器件清單40-IV-第1章緒論11課題背景轉(zhuǎn)速是工程中應(yīng)用非常廣泛的一個(gè)參數(shù)，其測量方法較多，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(yīng)現(xiàn)代科技發(fā)展的

9、要求，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)模及超大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字系統(tǒng)測量得到普遍應(yīng)用，特別是單片機(jī)對(duì)脈沖數(shù)字信號(hào)的強(qiáng)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。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(duì)各種測量轉(zhuǎn)速的基本方法予以分析，針對(duì)不同的應(yīng)用環(huán)境，利用80C51系列單片機(jī)設(shè)計(jì)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(shí)際使用提供借鑒。并從實(shí)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。課題以單片機(jī)為中心，設(shè)計(jì)的全數(shù)字化

10、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(jià)值。其可以應(yīng)用于工業(yè)控制中的某一部分，如數(shù)控車床的電機(jī)轉(zhuǎn)速檢測和控制、水泵流量控制以及需要利用轉(zhuǎn)速檢測來進(jìn)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(jì)算機(jī)進(jìn)行連接，實(shí)行遠(yuǎn)程管理和控制，進(jìn)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(dú)的使用產(chǎn)品?？傊D(zhuǎn)速測量系統(tǒng)的研究是一件非常有意義的課題。1.2國內(nèi)外發(fā)展水平數(shù)字單片機(jī)的技術(shù)進(jìn)步反映在內(nèi)部結(jié)構(gòu)、功率消耗、外部電壓等級(jí)以及制造工藝上。在這幾方面，較為典型地說明了數(shù)字單片機(jī)的水平。在目前，用戶對(duì)單片機(jī)的需要越來越多，

11、但是，要求也越來越高。下面分別就這四個(gè)方面說明單片機(jī)的技術(shù)進(jìn)步狀況。單片機(jī)在內(nèi)部已集成了越來越多的部件，這些部件包括一般常用的電路，例如：定時(shí)器，比較器，A/D轉(zhuǎn)換器，D/A轉(zhuǎn)換器，串行通信接口，Watchdog電路，LCD控制器等。有的單片機(jī)為了構(gòu)成控制網(wǎng)絡(luò)或形成局部網(wǎng)，內(nèi)部含有局部網(wǎng)絡(luò)控制模塊CAN。例如，Infineon公司的C505C，C515C，C167CR,C167CS-32FM，81C90；Motorola公司的68HC08AZ系列等。特別是在單片機(jī)C167CS-32FM中，內(nèi)部還含有2個(gè)CAN。因此，這類單片機(jī)十分容易構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)。特別是在控制，系統(tǒng)較為復(fù)雜時(shí)，構(gòu)成一個(gè)控制網(wǎng)絡(luò)十分

12、有用。為了能在變頻控制中方便使用單片機(jī)，形成最具經(jīng)濟(jì)效益的嵌入式控制系統(tǒng)。有的單片機(jī)內(nèi)部設(shè)置了專門用于變頻控制的脈寬調(diào)制控制電路，這些單片機(jī)有Fujitsu公司的MB89850系列、MB89860系列；Motorola公司的MC68HC08MR16、MR24等。在這些單片機(jī)中，脈寬調(diào)制電路有6個(gè)通道輸出，可產(chǎn)生三相脈寬調(diào)制交流電壓，并內(nèi)部含死區(qū)控制等功能。1.3單片機(jī)測控系統(tǒng)單片機(jī)可以構(gòu)成各種工業(yè)控制系統(tǒng)、適應(yīng)控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等。在這個(gè)領(lǐng)域中，有不少是采用通用CPU單板機(jī)或通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。隨著單片機(jī)技術(shù)的發(fā)展，大部分都可以用單片機(jī)系統(tǒng)或單片機(jī)加通用機(jī)系統(tǒng)來代替。如氣輪機(jī)電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)、調(diào)速

13、系統(tǒng)等。典型的應(yīng)用系統(tǒng)是單片機(jī)要完成工業(yè)測控功能所必須具備的硬件結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，它包括系統(tǒng)擴(kuò)展和系統(tǒng)配置兩部分內(nèi)容。應(yīng)用系統(tǒng)如圖1-1所示，整個(gè)系統(tǒng)由基本部分和測控增強(qiáng)部分及外設(shè)增強(qiáng)部分構(gòu)成。基本部分是外圍芯片的擴(kuò)展及功能鍵盤、顯示器配置，通過總線連接而成，測控增強(qiáng)部分主要是傳感器接口與伺服驅(qū)動(dòng)控制接口。它們直接與工業(yè)現(xiàn)場相連，是干擾進(jìn)入的主要通道，一般要采取隔離措施對(duì)于數(shù)字量（頻率、周期、相位、計(jì)數(shù)）的采集后可通過I/O口輸入，數(shù)字脈沖可直接作為計(jì)數(shù)輸入、測試輸入、I/O口輸入或中斷源輸入進(jìn)行事件計(jì)數(shù)、定時(shí)計(jì)數(shù)、實(shí)現(xiàn)脈沖的頻率、相位及計(jì)數(shù)測量。對(duì)于模擬量的采集，則應(yīng)。圖1-1單片機(jī)典型應(yīng)用系統(tǒng)通過

14、A/D變換后送入總線口，I/O口或擴(kuò)展I/O口，并配以相應(yīng)的A/D轉(zhuǎn)換控制信號(hào)及地址線。對(duì)于開關(guān)量的采集則一般通過I/O口或擴(kuò)展I/O口線。應(yīng)用系統(tǒng)可根據(jù)任何一種輸入條件或內(nèi)部運(yùn)行結(jié)果進(jìn)行輸出控制。開關(guān)量輸出控制有時(shí)序開關(guān)、邏輯開關(guān)、信號(hào)開關(guān)陣列等，通常，這些開關(guān)量也是通過I/O口或擴(kuò)展I/O口輸出。模擬量的輸出常為伺服驅(qū)動(dòng)控制，控制輸出通過D/A變換后送入伺服驅(qū)動(dòng)電路。1.4轉(zhuǎn)速測量在國民經(jīng)濟(jì)中的應(yīng)用轉(zhuǎn)速測量的應(yīng)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(yīng)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(yīng)用中有其側(cè)重，但轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)作為普遍的應(yīng)用在國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中，有重

15、要的意義。下面列舉二例加以說明。直流電機(jī)具有良好的起、制動(dòng)性能，易于在寬廣范圍內(nèi)平滑調(diào)速，所以長期以來在要求調(diào)速指標(biāo)較高的場合獲得了廣泛應(yīng)用。隨著電力電子技術(shù)和控制技術(shù)的發(fā)展，交流調(diào)速系統(tǒng)日趨完善，其性能可與直流調(diào)速系統(tǒng)相媲美，其變頻調(diào)速的應(yīng)用范圍日益擴(kuò)大，但它的控制技術(shù)相對(duì)復(fù)雜，整個(gè)控制系統(tǒng)造價(jià)較高，在某些領(lǐng)域短時(shí)間內(nèi)還難以取直流調(diào)速系統(tǒng)，調(diào)速系統(tǒng)便應(yīng)運(yùn)而生了。調(diào)速系統(tǒng)主電路線路簡單，所用的功率元件少；開關(guān)頻率高，可達(dá)到10004000Hz,電流易連續(xù)，諧波少，脈動(dòng)小，電機(jī)損耗和發(fā)熱都較??；低速性能好，穩(wěn)態(tài)精度高，因而調(diào)速范圍寬；調(diào)速系統(tǒng)頻帶寬，快速響應(yīng)性能好，動(dòng)態(tài)抗擾能力強(qiáng)；主電路元件工作

16、在開關(guān)狀太。道統(tǒng)損耗小，裝置效率高；直流電源采用三相整流時(shí)，電網(wǎng)功率因數(shù)高，可廣泛用于交通、工礦企業(yè)等電力傳動(dòng)系統(tǒng)中。轉(zhuǎn)速測量部分本測量系統(tǒng)采用89C51單片機(jī)控制，利用霍爾元件由轉(zhuǎn)速產(chǎn)生的脈沖，對(duì)轉(zhuǎn)速進(jìn)行測量，原理框圖如圖1-2所示。轉(zhuǎn)速由單片機(jī)的P0口輸出，同時(shí)當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速超過設(shè)定值時(shí)，通過單片機(jī)的P1口輸出信號(hào)，驅(qū)動(dòng)響鈴報(bào)警。性能特點(diǎn)：1. 89C51配合晶體管的雙極式可逆PWM變換器構(gòu)成直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，可獲得咼性能的調(diào)速性能指標(biāo)；2. 直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，省去了復(fù)雜的換流裝置，因此體積小，成本低，加之采用硬軟件結(jié)合的微機(jī)控制方式，提高了系統(tǒng)的可靠性和抗干擾性。鍵盤單片機(jī)存儲(chǔ)器圖1

17、-2調(diào)速系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)速測量框圖3. 轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)采用軟件實(shí)現(xiàn)，動(dòng)態(tài)顯示容易，超限報(bào)警方便，提高了系統(tǒng)的靈活性。4. 由變換器構(gòu)成直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，可有效克服以往的直流調(diào)速中的諧波大、功率因數(shù)低的問題，是一種節(jié)能的調(diào)速方案。1.5幾種常見的轉(zhuǎn)速測量方法轉(zhuǎn)速測量的方法有很多，根據(jù)工作原理可分為計(jì)數(shù)式、模擬式、同步式。計(jì)數(shù)式方法是用某種方式讀出一定時(shí)間內(nèi)的總轉(zhuǎn)數(shù)；模擬式方法是測出由瞬時(shí)轉(zhuǎn)速引起的某種物理量的變化；同步式是用利用已知的頻率與旋轉(zhuǎn)體的旋轉(zhuǎn)同步來測量轉(zhuǎn)速，根據(jù)不同的轉(zhuǎn)換方式，測試方法參看表1-1所示。一般的轉(zhuǎn)速測試可用機(jī)械式轉(zhuǎn)速表、發(fā)電機(jī)式轉(zhuǎn)速表以及頻閃式測速表，但在有些情況下，其測量精度，

18、瞬時(shí)穩(wěn)定度不能滿足更高的要求，因此，在測量方法和傳感器的選擇上顯得尤為重要。常用的傳感器種類有光電傳感器、電磁式傳感器、電容式傳感器等，而測量方法上有測量轉(zhuǎn)速周期、轉(zhuǎn)速頻率等。如表1-1所示表1-1各種測速方法比較-48-類型測量方法適用范圍特點(diǎn)備注計(jì)算式機(jī)電式光電式電磁式機(jī)械式發(fā)電機(jī)式電容式通過齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)數(shù)字輪來自被測旋轉(zhuǎn)體上的光線使光電管產(chǎn)生電脈沖利用磁電轉(zhuǎn)換器將轉(zhuǎn)速變換成電脈沖利用離心力與轉(zhuǎn)速成平方正比的關(guān)系利用電機(jī)電源或交流電壓與轉(zhuǎn)速成正比關(guān)系利用電容充電放電與轉(zhuǎn)速成正比關(guān)系中低速簡單低廉中高速中高速中低速簡單高速可遠(yuǎn)程指示中高速數(shù)字式數(shù)字式測試發(fā)電同步式機(jī)械式轉(zhuǎn)動(dòng)帶槽的圓盤，觀察旋轉(zhuǎn)體

19、的同步關(guān)系中速光電式用已知頻率閃光測出旋轉(zhuǎn)體同步的頻率中高速就轉(zhuǎn)速測量原理而言，大體可分為三大類，一是用單位時(shí)間內(nèi)測得物體的旋轉(zhuǎn)角度來計(jì)算速度，例如在單位時(shí)間內(nèi)，累計(jì)轉(zhuǎn)速傳感器發(fā)出的N個(gè)脈沖，即為該單位時(shí)間的速度。這種以測量頻率來實(shí)現(xiàn)測量轉(zhuǎn)速的方法，稱測頻法。即“M”法；另一類是在給定的角位移距離內(nèi)，通過測量這一角位移的時(shí)間來進(jìn)行測速的方法，稱測周法，即“T”法，如給定的角位移，傳感器便發(fā)出一個(gè)電脈沖周期，以晶體震蕩頻率而產(chǎn)生的標(biāo)準(zhǔn)脈沖來度量這一周期時(shí)間，再經(jīng)換算可得轉(zhuǎn)速。這兩種測速方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，“M”法一般用于高速測量在轉(zhuǎn)速較低時(shí)，測量誤差較大，而且，檢測裝置對(duì)轉(zhuǎn)速分辨能力也變差；而“T”

20、法一般用于低速測量，速度越低測量精度越高，但在測量高轉(zhuǎn)速時(shí)，誤差較大；結(jié)合這兩種測量方法就可以地出第三種測量方法，即'M/T'法結(jié)合這兩種方法的優(yōu)點(diǎn)，一方面象“M”法那樣在對(duì)傳感器發(fā)出的脈沖計(jì)數(shù)的同時(shí)，也象“T”法那樣計(jì)取脈沖的時(shí)間，通過計(jì)算即可得出轉(zhuǎn)速值。在實(shí)際測量中，還須設(shè)定定時(shí)時(shí)間，兼顧高、低轉(zhuǎn)速時(shí)的精度影響，適時(shí)調(diào)節(jié)采樣時(shí)間。16主要內(nèi)容本設(shè)計(jì)主要用AT89C51作為控制核心，由霍爾傳感器、LED數(shù)碼顯像管、HIN232CPE電平轉(zhuǎn)換、及RS232構(gòu)成。詳細(xì)介紹了單片機(jī)的測量轉(zhuǎn)速系統(tǒng)及PC機(jī)與單片機(jī)之間的串行通訊。充分發(fā)揮了單片機(jī)的性能。本文重點(diǎn)是測量速度并顯示在5位L

21、ED數(shù)碼管上。第2章硬件電路設(shè)計(jì)2.1系統(tǒng)總體功能概述系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)功能是：AT89C51單片機(jī)接收霍爾傳感器傳來的脈沖信號(hào)，單片機(jī)根據(jù)外部中斷，以及內(nèi)部定時(shí)器進(jìn)行記數(shù)計(jì)算出電機(jī)轉(zhuǎn)速送到LED顯示，同時(shí)數(shù)據(jù)傳給PC機(jī)，并在PC機(jī)屏幕上顯示出來。記錄各時(shí)段的轉(zhuǎn)速，畫出V-T坐標(biāo)圖。系統(tǒng)主要完成以下功能：測量系統(tǒng)：1. 設(shè)計(jì)并制作單片機(jī)的轉(zhuǎn)速測量的硬件系統(tǒng)；2. 用匯編語言完成轉(zhuǎn)速測量的軟件系統(tǒng)；3要求把轉(zhuǎn)速顯示在5位LED上，精度為0.1%；4. 能向上位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)；5. 用9針RS-232即可；通信部分：1. 在微機(jī)部分采用VisualBasic編制RS232通信軟件；2. 通信軟件具有數(shù)據(jù)接受

22、編輯框；3通信軟件要適時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)的記錄，用時(shí)間曲線表示；根據(jù)系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)的功能以及要求，要實(shí)現(xiàn)單片機(jī)的轉(zhuǎn)速測量主要是各個(gè)模塊的設(shè)計(jì)，定時(shí)器記數(shù)功能、以及LED驅(qū)動(dòng)、電平轉(zhuǎn)換及PC機(jī)之間的通信。單片機(jī)可通過編程控制外圍部件，能實(shí)現(xiàn)較高的自動(dòng)化程度。以它為系統(tǒng)核心的控制模塊可實(shí)現(xiàn)主從控制，完成預(yù)定的任務(wù)。系統(tǒng)要求及主要內(nèi)容：將霍爾傳感器產(chǎn)生的脈沖信號(hào)輸出入到單片機(jī)的外部中斷0口，單片機(jī)工作在內(nèi)部定時(shí)器工作方式0,對(duì)周期信號(hào)進(jìn)行內(nèi)部記數(shù)，調(diào)用計(jì)算公式算出轉(zhuǎn)速，調(diào)用顯示程序顯示在LED上，同時(shí)通過串口向上位機(jī)發(fā)送轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)。主要內(nèi)容：1. 單片機(jī)部分主要完成電機(jī)轉(zhuǎn)速的測量2. LED部分主要是把轉(zhuǎn)速顯示出來

23、，顯示范圍60-36000r/min3. 發(fā)送部分主要是完成電平轉(zhuǎn)換，送RS-232向PC發(fā)送數(shù)據(jù)。4. PC機(jī)部分主要完成將數(shù)據(jù)顯示在界面并描繪出V-T圖。系統(tǒng)組成及框圖：本系統(tǒng)通信部分是單片機(jī)經(jīng)電平轉(zhuǎn)換電路HIN232CP之后，通過串口RS232發(fā)送數(shù)據(jù)，由PC微機(jī)接收，微機(jī)部分用VisualBasic軟件編寫的界面作為PC機(jī)部分與單片機(jī)進(jìn)行串口之間通信。傳感器電路、轉(zhuǎn)速測量、LED顯示、電平轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)等將在以下章節(jié)作詳細(xì)地設(shè)計(jì)。傳感器電平轉(zhuǎn)換電路LED顯示驅(qū)動(dòng)電路送PC機(jī)界面單片機(jī)AT89C51圖2-1系統(tǒng)硬件電路2.2硬件電路設(shè)計(jì)硬件設(shè)計(jì)的任務(wù)是根據(jù)總體設(shè)計(jì)要求，在選擇的機(jī)型的基礎(chǔ)上

24、，具體確定系統(tǒng)中所要使用的元器件，設(shè)計(jì)出系統(tǒng)的原理框圖、電路原理圖。89C51單片機(jī)通過INTO輸入傳感器的脈沖信號(hào)，P0口P2口接LED動(dòng)態(tài)顯示。另由于PC系列微機(jī)串行口為RS232C標(biāo)準(zhǔn)接口，與輸入、輸出均為TTL電平的89C51單片機(jī)在接口規(guī)范上不一致，因此TTL電平到RS-232接口電平的轉(zhuǎn)換采用HIN232CP接口芯片，該芯片可以用單電壓（+5V）實(shí)現(xiàn)RS232接口邏輯“1”（-3V-15V）和邏輯“0”（+3V+15V）的電平轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)速測量部分的硬件設(shè)計(jì)思路：本次設(shè)計(jì)單片機(jī)部分的硬件框圖如圖2-2所示。復(fù)位電路時(shí)鐘電路2.3單片機(jī)模塊根據(jù)系統(tǒng)功能要求以及單片機(jī)硬件電路設(shè)計(jì)思路（如圖

25、2-2）對(duì)單片機(jī)模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)，要使單片機(jī)準(zhǔn)確的測量電機(jī)轉(zhuǎn)速，并且使測出的數(shù)據(jù)能顯示出來，所以整個(gè)單片機(jī)部分分為傳感器電路、時(shí)鐘電路、復(fù)位電路、執(zhí)行元件以及顯示電路五個(gè)部分。231處理執(zhí)行元件單片機(jī)我們采用AT89C51(其引腳圖如圖2-3)，相較于INTEL公司的8051它本身帶有一定的優(yōu)點(diǎn)。AT89C51是一種帶4K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存貯器(FPEROMFalshProgrammableandErasableReadOnlyMemory)的低電壓，高性能CMOS8位微處理器，俗稱單片機(jī)。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲(chǔ)器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。

26、由于將多功能8位CPU和閃爍存儲(chǔ)器組合在單個(gè)芯片中，ATMEL的AT89C51是一種高效微控制器，AT89C單片機(jī)為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價(jià)廉的方案。P1.0Vcq.P1.1P0.0/AD0P1.2P0.1/AD1P1.3P0.2/AD2P1.4P0.3/AD3PMP0.4/AD4P1.6P0.5/AD5P1.?P0.6/AD6RSTP0.7/AD7RXD)P3.0EA.'VppTXD/P3.1M9C51ALE/PROGINT0/P3.2PSENINT1/P3J.P2;7/A15T0/PS.4P2.6/A14T1/P3.5P2:5/A13WRJP3.6P2.4/A12R

27、D/P3.7-P2.3/A11XTAL2P2.-2/A10XTAL1P2.1/A9Vss.P2.0/AS圖2-3AT89C51引腳圖主要特性：與MCS-51兼容4K字節(jié)可編程閃爍存儲(chǔ)器壽命：1000寫/擦循環(huán)數(shù)據(jù)保留時(shí)間：10年全靜態(tài)工作：0Hz-24Hz三級(jí)程序存儲(chǔ)器鎖定128*8位內(nèi)部RAM32可編程I/O線兩個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器5個(gè)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(shí)鐘電路管腳說明：1. VCC：供電電壓；2. GND:接地；3. P0口：P0口為一個(gè)8位漏極開路雙向I/O口，每腳可吸收8TTL門電流。當(dāng)P1口的管腳第一次寫1時(shí)，被定義為高阻輸入。P0能夠用于外部程

28、序數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，它可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的第八位。在FIASH編程時(shí)，P0口作為原碼輸入口，當(dāng)FIASH進(jìn)行校驗(yàn)時(shí)，P0輸出原碼，此時(shí)P0外部必須被拉咼；4. P1口：P1口是一個(gè)內(nèi)部提供上拉電阻的8位雙向I/O口，P1口緩沖器能接收輸出4TTL門電流。P1口管腳寫入1后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入，P1口被外部下拉為低電平時(shí)，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在FLASH編程和校驗(yàn)時(shí)，P1口作為第八位地址接收。5. P2口：P2口為一個(gè)內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2口緩沖器可接收，輸出4個(gè)TTL門電流，當(dāng)P2口被寫“1”時(shí)，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時(shí)，P2口

29、的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。P2口當(dāng)用于外部程序存儲(chǔ)器或16位地址外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行存取時(shí)，P2口輸出地址的高八位。在給出地址“1”時(shí)，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢(shì)，當(dāng)對(duì)外部八位地址數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行讀寫時(shí)，P2口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。P2口在FLASH編程和校驗(yàn)時(shí)接收高八位地址信號(hào)和控制信號(hào)；6. P3口：P3口管腳是8個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的雙向I/O口，可接收輸出4個(gè)TTL門電流。當(dāng)P3口寫入“1”后，它們被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平，P3口將輸出電流（ILL）這是由于上拉的緣故。P3口也可作為AT89C51的一些特殊功能口，如下表2-1所示

30、：表2-1P3口的第二功能引腳第二功能信號(hào)名稱P3.0RXD串行數(shù)據(jù)接收P3.1TXD串行數(shù)據(jù)發(fā)送P3.2INTO外部中斷0請(qǐng)求P3.3INT1外部中斷1請(qǐng)求P3.4T0定時(shí)器/計(jì)數(shù)器0計(jì)數(shù)輸入P3.5T1定時(shí)器/計(jì)數(shù)器1計(jì)數(shù)輸入P3.6WR外部RAM寫選通P3.7RD外部RAM讀選通RST：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器復(fù)位器件時(shí),要保持RST腳兩個(gè)機(jī)器周期的高電平時(shí)間。8. ALE/PR0G:當(dāng)訪問外部存儲(chǔ)器時(shí)，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)。在FLASH編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時(shí)，ALE端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號(hào)，此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此它可用作對(duì)外部輸出的

31、脈沖或用于定時(shí)目的。然而要注意的是：每當(dāng)用作外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，將跳過一個(gè)ALE脈沖。如想禁止ALE的輸出可在SFR8EH地址上置0；9. /PSEN：外部程序存儲(chǔ)器的選通信號(hào)。在由外部程序存儲(chǔ)器取指期間，每個(gè)機(jī)器周期兩次/PSEN有效。但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，這兩次有效的/PSEN信號(hào)將不出現(xiàn)；10. /EA/VPP:當(dāng)/EA保持低電平時(shí)，則在此期間外部程序存儲(chǔ)器(0000H-FFFFH)，不管是否有內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。注意加密方式1時(shí)，/EA將內(nèi)部鎖定為RESET；當(dāng)/EA端保持高電平時(shí)，此間內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。在FLASH編程期間，此引腳也用于施加12V編程電源(VPP)；11. XTAL1：反

32、向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時(shí)鐘工作電路的輸入。12. XTAL2:來自反向振蕩器的輸出。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(shí)鐘源驅(qū)動(dòng)器件，XTAL2應(yīng)不接。有余輸入至內(nèi)部時(shí)鐘信號(hào)要通過一個(gè)二分頻觸發(fā)器，因此對(duì)外部時(shí)鐘信號(hào)的脈寬無任何要求，但必須保證脈沖的高低電平要求的寬度。芯片擦除：整個(gè)PEROM陣列和三個(gè)鎖定位的電擦除可通過正確的控制信號(hào)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(chǔ)字節(jié)被重復(fù)編程以前，該操作必須被執(zhí)行。此外，AT89C51

33、設(shè)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(shí)器，計(jì)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(gè)硬件復(fù)位為止。2.3.2時(shí)鐘電路時(shí)鐘電路是計(jì)算機(jī)的心臟，它控制著計(jì)算機(jī)的工作節(jié)奏。MCS-51單片機(jī)允許的時(shí)鐘頻率是因型號(hào)而異的典型值為12MHZ。MCS-51內(nèi)部都有一個(gè)反相放大器，XTAL1、XTAL2分別為反相放大器輸入和輸出端，外接定時(shí)反饋元件以后就組成振蕩器，產(chǎn)生時(shí)鐘送至單片機(jī)內(nèi)部的各個(gè)部件。AT89C51是屬于CMOS8位微處理器，它的時(shí)鐘電路在結(jié)構(gòu)上

34、有別于NMOS型的單片機(jī)。CMOS型單片機(jī)內(nèi)部（如AT89C51）有一個(gè)可控的負(fù)反饋反相放大器，外接晶振（或陶瓷諧振器）和電容組成振蕩器，圖2-4為CMOS型單片機(jī)時(shí)鐘電路框圖。振蕩器工作受/PD端控制，由軟件置“1”PD（即特殊功能寄存器PCON.1）使/PD=0,振蕩器停止工作，整個(gè)單片機(jī)也就停止工作，以達(dá)到節(jié)電目的。清“0”PD，使振蕩器工作產(chǎn)生時(shí)鐘，單片機(jī)便正常運(yùn)行。圖中SYS為晶振或陶瓷諧振器，振蕩器產(chǎn)生的時(shí)鐘頻率主要由SYS參數(shù)確定（晶振上標(biāo)明的頻率）。電容C1和C2的作用有兩個(gè)：其一是使振蕩器起振，其二是對(duì)振蕩器的頻率f起微調(diào)作用（C1、C2大，f變?。?，其典型值為30pF。2.

35、3.3復(fù)位電路計(jì)算機(jī)在啟動(dòng)運(yùn)行時(shí)都需要復(fù)位，使中央處理器CPU和系統(tǒng)中的其它部件都處于一個(gè)確定的初始狀態(tài)，并從這個(gè)狀態(tài)開始工作。MCS-51單片機(jī)有一個(gè)復(fù)位引腳RST,它是史密特觸發(fā)輸入（對(duì)于CHMOS單片機(jī)，RST引腳的內(nèi)部有一個(gè)拉低電阻），當(dāng)振蕩器起振后該引腳上出現(xiàn)2個(gè)機(jī)器周期（即24個(gè)時(shí)鐘周期）以上的高電平，使器件復(fù)位，只要RST保持高電平，MCS-51保持復(fù)位狀態(tài)。此時(shí)ALE、PSEN、PO、P1、P2、P3口都輸出高電平。RST變?yōu)榈碗娖胶?，退出?fù)位，CPU從初始狀態(tài)開始工作。單片機(jī)采用的復(fù)位方式是自動(dòng)復(fù)位方式。對(duì)于MOS（AT89C51）單片機(jī)只要接一個(gè)電容至VCC即可（見圖2-5

36、）。在加電瞬間，電容通過電阻充電，就在RST端出現(xiàn)一定時(shí)間的高電平，只要高電平時(shí)間足夠長，就可以使MCS-51有效的復(fù)位。RST端在加電時(shí)應(yīng)保持的高電平時(shí)間包括VCC的上升時(shí)間和振蕩器起振的時(shí)間，Vss上升時(shí)間若為10ms，振蕩器起振的時(shí)間和頻率有關(guān)。10MHZ時(shí)約為1ms，1MHZ時(shí)約為10ms，所以一般為了可靠的復(fù)位，RST在上電應(yīng)保持20ms以上的高電平。RC時(shí)間常數(shù)越大，上電RST端保持高電平的時(shí)間越長。若復(fù)位電路失效，加電后CPU從一個(gè)隨機(jī)的狀態(tài)開始工作，系統(tǒng)就不能正常運(yùn)轉(zhuǎn)。圖2-5上電復(fù)位電路2.3.4顯示電路顯示電路采用LED數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示，LED（Light-EmittingD

37、iode）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(shí)必須加限流電阻。LED有單個(gè)LED和八段LED之分，也有共陰和共陽兩種。顯示器結(jié)構(gòu)：常用的七段顯示器的結(jié)構(gòu)如圖2-6所示。發(fā)光二極管的陽極連在一起的稱為共陽極顯示器,陰極連在一起的稱為共陰極顯示器。1位顯示器由八個(gè)發(fā)光二極管組成，其中七個(gè)發(fā)光二極管a-g控制七個(gè)筆畫（段）的亮或暗，另一個(gè)控制一個(gè)小數(shù)點(diǎn)的亮和暗，這種筆畫式的七段顯示器能顯示的字符較少，字符的開頭有些失真，但控制簡單，使用方便。此外，要畫出電路圖，首先還要搞清楚他的引腳圖的分布，在了解了正確的引腳圖后才能進(jìn)行正確的字型段碼編碼。才能顯示出正確的

38、數(shù)字來，如圖2-7所示，為七段數(shù)碼管的管腳圖。圖2-6七段發(fā)光顯示器的結(jié)構(gòu)9圖2-7七段發(fā)光顯示器管腳的結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)方式：采用的數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)為7407，它的全名為7407TTL集電極開路六正相高壓驅(qū)動(dòng)器，其結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，圖2-8為7407的圖以及各個(gè)引腳的分布功能介紹。1AVCC1Y2A2Y3A3Y1413126A6Y5A740711105Y4A4YGND圖2-87407管腳的結(jié)構(gòu)顯示方式：為了節(jié)省I/O口線，我們采用的動(dòng)態(tài)顯示方式。所謂動(dòng)態(tài)顯示，就一位一位地輪流點(diǎn)亮各位顯示器（掃描），對(duì)于每一位顯示器來說，每隔一段時(shí)間點(diǎn)亮一次。顯示器的亮度既與導(dǎo)通電流有關(guān)，也與點(diǎn)亮?xí)r間和間隔時(shí)間的比例有關(guān)。

39、調(diào)整電流和時(shí)間參數(shù)，可實(shí)現(xiàn)亮度較高較穩(wěn)定的顯示。若顯示器的位數(shù)不大于8位，則控制顯示器公共極電位只需8位口（稱為掃描口），控制各位顯示器所顯示的字形也需一個(gè)8位口（稱為段數(shù)據(jù)口）。本次設(shè)計(jì)要求的轉(zhuǎn)速測量范圍60r/min-36000r/min，所以只需要5位數(shù)碼管即可。5位共陰極顯示器和AT89C51的接口邏輯如圖2-8所示。AT89C51的P0口作為段數(shù)據(jù)口，接上拉電阻到顯示器的各個(gè)段；P2口作為掃描口，經(jīng)同相驅(qū)動(dòng)器7407接顯示器公共極。對(duì)于圖2-9中的5位顯示器，在AT89C51RAM存貯器中設(shè)置五個(gè)顯示緩沖器單元30H-35H，分別存放5位顯示器的顯示數(shù)據(jù)，AT89C51的P2口掃描輸

40、出總是只在一位為低電平，即5位顯示器中僅有一位公共陰極為低電平，其它位為高電平，AT89C51的P0口相應(yīng)位（陰極為低）的顯示數(shù)據(jù)的段數(shù)據(jù)，使該位顯示出一個(gè)字符，其它們?yōu)榘担来蔚馗淖働2口輸出為高的位，P0口輸出對(duì)應(yīng)的段數(shù)據(jù)，5位顯示器就顯示出由緩沖器中顯示數(shù)據(jù)所確定的字符。尸moPO.1FO,2PO.3BD.4PD.5陀EPO.TAT89C5L2.2.Z.E2.ppFFP圖2-9五位動(dòng)態(tài)顯示電路2.4霍爾傳感器簡介霍爾元件是一種基于霍爾效應(yīng)的磁傳感器，已發(fā)展成一個(gè)品種多樣的磁傳感器產(chǎn)品族，并已得到廣泛應(yīng)用。霍爾元件是一種磁傳感器。要他們可以檢測磁場及其變化，可以在各種與磁場有關(guān)的場合中?；?/p>

41、爾器件以霍爾效應(yīng)為其工作基礎(chǔ)。霍爾期間具有許多優(yōu)點(diǎn)，他們的結(jié)構(gòu)牢固，體積小，重量輕，壽命長，安裝方便，功耗小，頻率高（可達(dá)1MHZ），耐震動(dòng)，不怕灰塵、水汽及煙霧等污染或腐蝕?；魻柧€性器件的精度高、線性度好；霍爾開關(guān)器件無觸點(diǎn)、無磨損、輸出波形清晰、無抖動(dòng)、無回調(diào)、位置重復(fù)精度高（可達(dá)um級(jí)）。采用了各種補(bǔ)償措施的霍爾器件的工作溫度范圍廣，可達(dá)55-150度。按照霍爾器件的功能可將他們分為：霍爾線性器件和霍爾開關(guān)器件。前者輸出模擬量，后者輸出數(shù)字量。按被檢測的對(duì)象的性質(zhì)可將它們分為：直接應(yīng)用和間接應(yīng)用。前者是直接檢測出被測對(duì)象本身的磁場或磁特性，后者是檢測被檢測對(duì)象上人為設(shè)置的磁場，用這個(gè)磁場

42、作為被檢測信息的載體，通過它，將許多非電、非磁的物理量例如力、力矩、壓力、應(yīng)力、位置、位移、加速度、角度、角速度、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)數(shù)以及工作狀態(tài)發(fā)生變化的時(shí)間等，轉(zhuǎn)換成電量來進(jìn)行檢測和控制。集成霍爾傳感器是利用硅集成電路工藝將霍爾元件和測量線路集成在一起的一種傳感器。它取消了傳感器和測量電路之間的界限，實(shí)現(xiàn)了材料、元件、電路三位一體。集成霍爾傳感器與分立相比，由于減少了焊點(diǎn)，因此顯著地提高了可靠性。此外，它具有體積小、重量輕、功耗低等優(yōu)點(diǎn)，正越來越愛到眾的重視。集成霍爾傳感器的輸出是經(jīng)過處理的霍爾輸出信號(hào)。按照輸出信號(hào)的形式，可以分為開關(guān)型集成霍爾傳感器和線性集成霍爾傳感器兩種類型。開關(guān)型集成霍爾傳感

43、器是把霍爾元件的輸出經(jīng)過處理后輸出一個(gè)高電平或低電平的數(shù)字信號(hào)。霍爾開關(guān)電路又稱霍爾數(shù)字電路，由穩(wěn)壓器、霍爾片、差分放大器，斯密特觸發(fā)器和輸出級(jí)組成2.4.2霍爾傳感器的應(yīng)用使用霍爾器件檢測磁場的方法極為簡單，將霍爾器件做成各種形式的探頭，放在被測磁場中，因霍爾器件只對(duì)垂直于霍爾片表面的磁感應(yīng)強(qiáng)度敏感，因而必須令磁力線和器件表面垂直，通電后即可由輸出電壓得到被測磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度。若不垂直，則應(yīng)求出其垂直分量來計(jì)算被測磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度值。而且，因霍爾元件的尺寸極小，可以進(jìn)行多點(diǎn)檢測，由計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，可以得到場的分布狀態(tài)，并可對(duì)狹縫，小孔中的磁場進(jìn)行檢測用磁場作為被傳感物體的運(yùn)動(dòng)和位置信息載

44、體時(shí)，一般采用永久磁鋼來產(chǎn)生工作磁場。例如，用一個(gè)5X4X2.5(mm3)的釹鐵硼II號(hào)磁鋼，就可在它的磁極表面上得到約2300高斯的磁感應(yīng)強(qiáng)度。在空氣隙中，磁感應(yīng)強(qiáng)度會(huì)隨距離增加而迅速下降。為保證霍爾器件，尤其是霍爾開關(guān)器件的可靠工作，在應(yīng)用中要考慮有效工作氣隙的長度。在計(jì)算總有效工作氣隙時(shí)，應(yīng)從霍爾片表面算起。在封裝好的霍爾電路中，霍爾片的深度在產(chǎn)品手冊(cè)中會(huì)給出。因?yàn)榛魻柶骷枰ぷ麟娫?，在作運(yùn)動(dòng)或位置傳感時(shí)，一般令磁體隨被檢測物體運(yùn)動(dòng)，將霍爾器件固定在工作系統(tǒng)的適當(dāng)位置，用它去檢測工作磁場，再從檢測結(jié)果中提取被檢信息。2.4.3AH41霍爾開關(guān)AH41霍爾開關(guān)電路最適于響應(yīng)變化斜率陡峭的

45、磁場并在磁通密度較弱的場合使用，適用于單極或多對(duì)磁環(huán)工作，它由反向電壓保護(hù)器、電壓調(diào)整器、霍爾電壓發(fā)生器、信號(hào)放大器、史密特觸發(fā)器和集電極開路的輸出級(jí)組成。工作溫度范圍為-40150°C(存儲(chǔ)溫度為150°C)，可適用于各種機(jī)及機(jī)電一體化領(lǐng)域。電參數(shù)：參數(shù)符號(hào)測試條件量值單位最小典型最大電源電壓VCC4.5-24V輸出低電平電壓VoutIout=20mAB>B0P-200-400mV輸出高電平電流IOFFVout=24VB電源電流ICCVCC=24V輸出端開路10mA輸出上升時(shí)間trVcc=12VRL=1.1KQCL=20Pf0.12pS輸出下降時(shí)間tfVcc=12V

46、RL=1.1KQCL=20Pf0.18pS產(chǎn)品特點(diǎn)：1. 電源電壓范圍寬2可用市售的小磁環(huán)來驅(qū)動(dòng)3無可動(dòng)部件、可靠性高4. 尺寸小5. 抗環(huán)境應(yīng)力6. 可直接同雙極和MOS邏輯電路接口應(yīng)用：1.咼靈敏的無觸點(diǎn)開關(guān)2直流無刷電機(jī)3.直流無刷風(fēng)機(jī).霍爾開關(guān)元件的電路圖：5V10K霍爾開關(guān)圖2-10霍爾傳感器的電路圖2.5發(fā)送模塊根據(jù)系統(tǒng)功能要求，要使單片機(jī)測量的轉(zhuǎn)速能夠向上位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)，硬件電路中必須要考慮到單片機(jī)的發(fā)送部分，由于單片機(jī)通過串口發(fā)送出來的是TTL邏輯電平（0V和5V）,而計(jì)算機(jī)RS-232總線上輸入、輸出數(shù)據(jù)和控制信號(hào)為+12V左右的電壓，單片機(jī)要和PC的上位機(jī)通信就必須是電平一致

47、，所以發(fā)送部分關(guān)鍵的部分是電平轉(zhuǎn)換和串口發(fā)送，電平轉(zhuǎn)換可以用模擬器件進(jìn)行轉(zhuǎn)換，但是為了方便起見，本次設(shè)計(jì)采用的是集成芯片，一個(gè)芯片加上它的外圍電路即可完成電平的轉(zhuǎn)換的工作。結(jié)構(gòu)簡單、方便容易，精確度高。本次所采用的是HIN232CP，我們要對(duì)其外圍電路進(jìn)行設(shè)計(jì)，下面我們將詳細(xì)的敘述。數(shù)據(jù)的傳輸：當(dāng)電路工作于發(fā)送數(shù)據(jù)狀態(tài)時(shí)，PC機(jī)的RTS端輸出高電平，經(jīng)IC1電平轉(zhuǎn)換打開IC3(74LS08)的與門B1,使PC機(jī)TXD端輸出的數(shù)據(jù)經(jīng)紅外發(fā)射電路發(fā)射出去；RTS信號(hào)IC1反相后作為CTS信號(hào)送入計(jì)算機(jī)，同時(shí)還關(guān)閉與門B2；使計(jì)算機(jī)不接收其它數(shù)據(jù)信號(hào)。該必發(fā)器的數(shù)據(jù)傳輸速率最好設(shè)在9600b/s為宜

48、，以確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?。器件的介紹：1. RS-232CRS-232C是美國電氣工業(yè)協(xié)會(huì)推廣使用的一種串行通信總路線標(biāo)準(zhǔn)，是DCE(數(shù)據(jù)通信設(shè)備，如微機(jī))和DTE(數(shù)據(jù)終端設(shè)備，如CRT)間傳輸串行數(shù)據(jù)的接口總線。RS-232C最大傳輸距離為15m，最高傳輸速率約20kbps，信號(hào)的邏輯0電平為+3V+15V。邏輯1電平為-3V-15V。電氣特性：EIA-RS-232C對(duì)電器特性、邏輯電平和各種信號(hào)線功能都作了規(guī)定；在TxD和RxD上：邏輯1(MARK)=-3V-15V邏輯0(SPACE)=+3-15V在RTS、CTS、DSR、DTR和DCD等控制線上：信號(hào)有效(接通，ON狀態(tài)，正電壓)=+

49、3V+15V信號(hào)無效(斷開，OFF狀態(tài)，負(fù)電壓)=-3V-15V2. RS-232連接器DB-9DB-9是RS-232信號(hào)線的連接器，其連接器的機(jī)械特性見圖(2-11)，表2-1所示RS-232信號(hào)線名稱、符號(hào)以及對(duì)應(yīng)在DB-9上的針腳號(hào)。DCDTXDftxi)DTRGND圖2-11連接器的機(jī)械特性表2-1RS-232信號(hào)線和DB-9引腳關(guān)系符號(hào)名稱引腳DCD接收信號(hào)載波檢測1RXD數(shù)據(jù)接收線2TXD數(shù)據(jù)發(fā)送線3DTRDTE裝置數(shù)據(jù)就緒4GND公共地5DSRDCE裝置就緒6RTS請(qǐng)求發(fā)送7CTS清除發(fā)送8RI振鈴指示91LE圖2-12電平轉(zhuǎn)換電路原理圖3、電平轉(zhuǎn)換器HIN232CPE由于RS-

50、232C總線上傳輸?shù)男盘?hào)邏輯電平與TTL邏輯電平差異很大，所以就存在這兩種電平的轉(zhuǎn)換問題，下面就介紹一下電平轉(zhuǎn)換器HIN232CPE。HIN232CPE能將RS-232C電平轉(zhuǎn)換成TTL電平，也能將TTL電平轉(zhuǎn)換成RS-232C電平，只需單+5V供電，由內(nèi)部升高電路產(chǎn)生10V+12V。內(nèi)部有兩個(gè)發(fā)送器（TTL電平轉(zhuǎn)換為RS-232C電平）和兩個(gè)接收器（RS-232電平轉(zhuǎn)換為TTL電平）。HIN232CPE芯片引腳排列和外部元件連接線路如圖2-13所示。UFOnnunnu123161514接地一DP10UF131211_T_RS-232電平+5V接地JRS-232電平血電平圖2-13HIN232

51、CPE電平轉(zhuǎn)換器及外接元件2.6本章小結(jié)本章節(jié)主要闡述了系統(tǒng)的總體功能，硬件電路設(shè)計(jì)的思路及過程，單片機(jī)模塊和霍爾傳感器。第3章軟件設(shè)計(jì)31單片機(jī)轉(zhuǎn)速程序設(shè)計(jì)級(jí)思路過程單片機(jī)測量轉(zhuǎn)速可以分為若干模塊，然后在主程序中調(diào)用各個(gè)模塊，流程圖如下圖所示。圖3-1主程序流程圖311單片機(jī)程序設(shè)計(jì)思路計(jì)算轉(zhuǎn)速公式：n=60/NTc(r/min)。其中，N是內(nèi)部定時(shí)器的計(jì)數(shù)值，為三字節(jié)，分別由TH0，TL0，VTT構(gòu)成；Tc為時(shí)基，由于采用11.0592M的晶振，所以Tc不在是1um，而是12M/11.0592M約為1.08um,帶入上面公式，即可得到轉(zhuǎn)速的精確計(jì)算公式：N=60*11059200/12N=

52、55296000/N。再將55296000化為二進(jìn)制存入單片機(jī)的內(nèi)存單元。下面我們將介紹除數(shù)是如何獲得的：單片機(jī)的轉(zhuǎn)速測量完成，定時(shí)器T0作為內(nèi)部定時(shí)器，外部中斷來的時(shí)候讀取TH0，TL0，并同時(shí)清零THO、TL0，使定時(shí)器再次循環(huán)計(jì)內(nèi)部脈沖。此外，對(duì)于低速情況下，我們還要設(shè)定一個(gè)軟件計(jì)數(shù)器VTT，當(dāng)外部中斷還沒來而內(nèi)部定時(shí)器已經(jīng)溢出，產(chǎn)生定時(shí)器0中斷時(shí)，增加VTT，作為三字節(jié)中的高字節(jié)。三字節(jié)組成除數(shù)，上面的常數(shù)為四字節(jié)，所以計(jì)算程序?qū)嶋H上就是調(diào)用一個(gè)四字節(jié)除三字節(jié)商為兩字節(jié)（最高轉(zhuǎn)速36000r/min足夠）的程序。為數(shù)碼管能夠顯示出來，需將二進(jìn)制轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制，在將十進(jìn)制轉(zhuǎn)換為非壓縮BCD

53、碼后，才能調(diào)用查表程序，最后送顯示。312單片機(jī)轉(zhuǎn)速計(jì)算程序由于本次設(shè)計(jì)的系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)的功能是將霍爾傳感器的信號(hào)送到單片機(jī)的外部中斷口，再對(duì)周期方波進(jìn)行內(nèi)部計(jì)數(shù)，調(diào)用計(jì)算程序把轉(zhuǎn)速測出來?？梢哉f是核心部分，流程圖如圖所示：圖32計(jì)算程序流程圖計(jì)算程序中又再次調(diào)用了除法程序，這里的除法為四字節(jié)除三字節(jié)商為兩字節(jié)，除法的程序的編程思想可以和手工計(jì)算的除法相似，比較減法的思想，流程圖如圖3-3所示具體程序見附錄。313二-十進(jìn)制轉(zhuǎn)換程序計(jì)算程序計(jì)算出來的數(shù)據(jù)為二進(jìn)制，存到50H、51H單元中以便發(fā)送程序中調(diào)用傳送數(shù)據(jù)到計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)可識(shí)別二進(jìn)制，然而，我們需要在LED上顯示，查表程序需要拆分的BCD碼

54、，所以二進(jìn)制必須先轉(zhuǎn)換成BCD后才能拆分。這里介紹將（R2R3）中的16位二進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為壓縮BCD碼十進(jìn)制整數(shù)送R4、R5、R6。圖33除法程序流程圖按照數(shù)制轉(zhuǎn)換方法可以畫出流程圖圖34雙字節(jié)整數(shù)二翻十程序流程圖單片機(jī)顯示部分可以用來顯示計(jì)算出來的數(shù)據(jù)的。在程序設(shè)計(jì)中，在AT89C51RAM存貯器中的四個(gè)顯示緩沖器單元30H34H，分別存放著由計(jì)算出來的轉(zhuǎn)速的BCD碼進(jìn)行拆分后的非壓縮BCD碼數(shù)據(jù)，AT89C51的P1口掃描輸出總是只有一位為低電平、其它位為高電平，AT89C51的P0口相應(yīng)位的顯示數(shù)據(jù)的段數(shù)據(jù)，使該位顯示出一個(gè)字符，其它們?yōu)榘?，依次地改變P1口輸出為低高的位，P0口輸出對(duì)應(yīng)的

55、段數(shù)據(jù)，5位LED顯示器就顯示出由緩沖器中顯示數(shù)據(jù)所確定的字符。顯示部分程序分為兩部分：十進(jìn)制BCD轉(zhuǎn)換成非壓縮BCD碼；查表程序顯示數(shù)據(jù)。雙字節(jié)整數(shù)拆分程序流程圖如圖3-5：圖35雙字節(jié)整數(shù)拆分程序流程圖3.2程序設(shè)計(jì)根據(jù)以上設(shè)計(jì)思路和各個(gè)模塊的流程圖編寫出本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的程序，完成程序設(shè)計(jì)的任務(wù)，寫出初始的程序后，在硬件上運(yùn)行程序，進(jìn)行上機(jī)調(diào)試，調(diào)試的具體方法在下章進(jìn)行詳細(xì)的敘述。本文設(shè)計(jì)的測速系統(tǒng)，是軟硬結(jié)合的系統(tǒng)，核心部分是主體硬件，而運(yùn)行在單片機(jī)上的軟件程序則是完成控制硬件運(yùn)行、測速計(jì)算以及顯示控制等工作的主體。本章的主要內(nèi)容是說明了軟件設(shè)計(jì)的思想，給出了系統(tǒng)軟件的主體流程圖，以及各個(gè)

56、功能模塊的流程圖，用以說明各個(gè)模塊的設(shè)計(jì)思想。開始圖36顯示程序流程圖3.3本章小結(jié)本章主要介紹了程序設(shè)計(jì)原理以及程序的設(shè)計(jì)思路。第4章系統(tǒng)調(diào)試電路調(diào)試是整個(gè)系統(tǒng)功能否實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵步驟，我們將整個(gè)調(diào)試過程分為三大部分：硬件調(diào)試、軟件調(diào)試和綜合調(diào)試。4.1硬件調(diào)試硬件調(diào)試主要是針對(duì)我的轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)的單片機(jī)硬件電路分別進(jìn)行調(diào)試。這一部分硬件調(diào)試主要分成兩大塊：上電前的調(diào)試和上電后的調(diào)試。1上電前的調(diào)試在上電前，我們必須確保電路中不存在斷路或短路情況，這一工作是整個(gè)調(diào)試工作的第一步，也是非常重要的一個(gè)步驟。在這部分調(diào)試中主要使用的工具是萬用表，用來完成檢測電路中是否存在斷路或者短路情況等。特別是數(shù)碼管的連接部分，有PROTEL制作的PCB確保要和原理圖上的圖一致，有些在電路板上沒法連接的線路，要用短接線把接好，對(duì)照著原理圖部分，一部分一部分地用萬用表測量，注意焊點(diǎn)之間，確保焊點(diǎn)沒有短接在一起，同時(shí)注意焊點(diǎn)的美觀，確保沒