單片機(jī)基于89C51電機(jī)測速設(shè)計(jì)_第1頁
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單片機(jī)系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)單片機(jī)系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)成績評定表設(shè)計(jì)課題:基于89C51的電機(jī)轉(zhuǎn)速計(jì)設(shè)計(jì)學(xué)院名稱:電氣工程學(xué)院專業(yè)班級:學(xué)生姓名:學(xué)號:指導(dǎo)教師:設(shè)計(jì)地點(diǎn):設(shè)計(jì)時間:2013-12-16~指導(dǎo)教師意見:成績:簽名:年月日 單片機(jī)系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)名稱:基于89C51的電機(jī)轉(zhuǎn)速計(jì)設(shè)計(jì)專業(yè)班級:學(xué)生姓名:學(xué)號:指導(dǎo)教師:課程設(shè)計(jì)地點(diǎn):課程設(shè)計(jì)時間:2013-12-16單片機(jī)系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)任務(wù)書學(xué)生姓名專業(yè)班級學(xué)號題目基于89C51的電機(jī)轉(zhuǎn)速計(jì)設(shè)計(jì)課題性質(zhì)工程設(shè)計(jì)課題來源自擬指導(dǎo)教師主要內(nèi)容(參數(shù))利用89C51單片機(jī)設(shè)計(jì)電機(jī)轉(zhuǎn)速計(jì),可以實(shí)現(xiàn)如下功能:1.能夠在LED顯示器上顯示轉(zhuǎn)速;2.能夠在較短時間內(nèi)更新顯示的轉(zhuǎn)速;3.能夠在轉(zhuǎn)速較小時延時測量時間以保持測量精度;4.利用定時/計(jì)數(shù)器的功能能夠分別得到轉(zhuǎn)數(shù)和時間,計(jì)算得到轉(zhuǎn)速。任務(wù)要求(進(jìn)度)第1-2天:熟悉課程設(shè)計(jì)任務(wù)及要求,查閱技術(shù)資料,確定設(shè)計(jì)方案。第3-4天:按照確定的方案設(shè)計(jì)單元電路。要求畫出單元電路圖,元件及元件參數(shù)選擇要有依據(jù),各單元電路的設(shè)計(jì)要有詳細(xì)論述。第5-6天:軟件設(shè)計(jì),編寫程序。第7-8天:實(shí)驗(yàn)室調(diào)試。第9-10天:撰寫課程設(shè)計(jì)報(bào)告。要求內(nèi)容完整、圖表清晰、文理流暢、格式規(guī)范、方案合理、設(shè)計(jì)正確,篇幅合理。主要參考資料[1]張迎新.單片微型計(jì)算機(jī)原理、應(yīng)用及接口技術(shù)(第2版)[M].北京:國防工業(yè)出版社,2004[2]偉福LAB6000系列單片機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)使用說明書[3]閻石.?dāng)?shù)字電路技術(shù)基礎(chǔ)(第五版).北京:高等教育出版社,2006審查意見系(教研室)主任簽字:年月日目錄1概述 41.1研究背景 41.2設(shè)計(jì)思想及基本功能 52總體方案設(shè)計(jì) 52.1方案選取 52.2系統(tǒng)框圖 82.3總體方案設(shè)計(jì) 93硬件電路設(shè)計(jì) 93.1硬件電路設(shè)計(jì)概述 93.2電源電路 103.3晶振電路 103.4復(fù)位電路 113.5光電編碼器電路 123.6脈沖整形電路 133.6顯示電路 144系統(tǒng)程序設(shè)計(jì) 154.1主程序設(shè)計(jì) 154.2定時程序設(shè)計(jì) 174.3數(shù)值轉(zhuǎn)換程序設(shè)計(jì) 184.4顯示程序設(shè)計(jì) 195總結(jié) 19參考文獻(xiàn) 21附錄1系統(tǒng)原理圖 22附錄2源程序 23附錄3機(jī)器碼 251概述1.1研究背景轉(zhuǎn)速是工程中應(yīng)用非常廣泛的一個參數(shù)。在工程實(shí)踐中,經(jīng)常會遇到各種需要測量轉(zhuǎn)速的場合,例如在發(fā)動機(jī)、電動機(jī)、卷揚(yáng)機(jī)、機(jī)床主軸等旋轉(zhuǎn)設(shè)備的試驗(yàn)、運(yùn)轉(zhuǎn)和控制中,常需要測量和顯示其轉(zhuǎn)速。電機(jī)轉(zhuǎn)速是判斷電機(jī)運(yùn)行狀況的重要標(biāo)志之一,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,但是這種測量方法已不能適應(yīng)現(xiàn)代科技發(fā)展的要求。目前國內(nèi)外常用的測量轉(zhuǎn)速的方法有離心式轉(zhuǎn)速表測速法、微電機(jī)測速法、光電碼盤測速法以及霍爾元件測速法。離心式轉(zhuǎn)速表和微電機(jī)測速都有現(xiàn)成的測速儀表,容易得到。但轉(zhuǎn)速表或測速機(jī)都要與電機(jī)同軸連接,增加了電機(jī)機(jī)組安裝難度,另一方面有些電機(jī)功率很小,轉(zhuǎn)速表或測速機(jī)消耗的功率占了電機(jī)大部分,這些方法都對有些電機(jī)的正常運(yùn)行產(chǎn)生了不小的影響,所以對有些電機(jī)的測速,這二種方法并不適用。然而隨著大規(guī)模及超大規(guī)模集成電路技術(shù)的快速發(fā)展,數(shù)字系統(tǒng)測量得到普遍應(yīng)用,特別是高性能價格比的單片機(jī)的出現(xiàn),還有單片機(jī)對脈沖數(shù)字信號的強(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。霍爾元件和光電碼盤的測速方法基本類似,都是在電機(jī)轉(zhuǎn)軸上安裝一個很輕巧的傳感器,將電機(jī)的轉(zhuǎn)動信號通過霍爾元件或光電碼盤轉(zhuǎn)換為電脈沖信號,從而通過計(jì)算電脈沖的個數(shù)與時間的的比值來測速。現(xiàn)在的轉(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。1.2設(shè)計(jì)思想及基本功能本次課程設(shè)計(jì)采用89C51系列單片機(jī)設(shè)計(jì)一種數(shù)字化測速系統(tǒng),在選取設(shè)計(jì)方案和采用元器件方面,本著簡單實(shí)用經(jīng)濟(jì)的思想,盡量簡化電路設(shè)計(jì),采用元器件使用較少的方案并選用最經(jīng)濟(jì)實(shí)用的元器件來達(dá)到設(shè)計(jì)要求。單片機(jī)通過在一定時間內(nèi)得到的傳感器發(fā)出的電脈沖信號個數(shù)來計(jì)算電機(jī)轉(zhuǎn)速。功能上應(yīng)具在盡量不影響電機(jī)的實(shí)際運(yùn)行的情況下測得電機(jī)轉(zhuǎn)速并及時送到顯示器進(jìn)行顯示,還要能及時更新測得的新轉(zhuǎn)速。測得的電機(jī)轉(zhuǎn)速應(yīng)有足夠大的測量范圍及在測量精度也應(yīng)滿足實(shí)際應(yīng)用中的需要。2總體方案設(shè)計(jì)2.1方案選取轉(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間內(nèi)的總轉(zhuǎn)數(shù);模擬式方法是測出由瞬時轉(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,瞬時穩(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。表1-1各種測速方法比較型式測量方法適用范圍特點(diǎn)備注計(jì)數(shù)式機(jī)械式通過齒輪轉(zhuǎn)動數(shù)字輪中、低速簡單、價廉光電式來自被測旋轉(zhuǎn)體上的光線使光電管產(chǎn)生電脈沖中、高速數(shù)字式電磁式利用磁電轉(zhuǎn)換器將轉(zhuǎn)速變換成電脈沖中、高速數(shù)字式模擬式機(jī)械式利用離心力與轉(zhuǎn)速成平方成正比的關(guān)系中、低速簡單發(fā)電機(jī)式利用電機(jī)電流或交流電壓與轉(zhuǎn)速成正比關(guān)系高速可遠(yuǎn)距指示測速發(fā)電機(jī)電容式利用電容充、放電與轉(zhuǎn)速成正比的關(guān)系中、高速同步式機(jī)械式轉(zhuǎn)動帶槽的圓盤,觀察旋轉(zhuǎn)體的同步關(guān)系中速閃光式用已知頻率閃光測出旋轉(zhuǎn)體同步的頻率中、高速傳統(tǒng)的電機(jī)轉(zhuǎn)速測量方法是采用直流測速機(jī),其原理是由被測電機(jī)拖動測速發(fā)電機(jī),再對測速發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電壓進(jìn)行測量,在將電壓換算成轉(zhuǎn)速。輸出電動勢與轉(zhuǎn)速成比例的微特電機(jī)。測速發(fā)電機(jī)的繞組和磁路經(jīng)精確設(shè)計(jì),其輸出電動勢E和轉(zhuǎn)速n成線性關(guān)系,即E=Kn,K是常數(shù)。改變旋轉(zhuǎn)方向時輸出電動勢的極性即相應(yīng)改變。在被測機(jī)構(gòu)與測速發(fā)電機(jī)同軸聯(lián)接時,只要檢測出輸出電動勢,就能獲得被測機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)速。采用測速發(fā)電機(jī)測速主要缺點(diǎn)如下:首先,測速發(fā)電機(jī)作為被測電機(jī)的負(fù)載,必然對轉(zhuǎn)速產(chǎn)生影響,在一定情況下影響測量精度;其次,測速發(fā)電機(jī)電壓作為模擬量,無法直接與數(shù)字控制系統(tǒng)連接,必須經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換,增加系統(tǒng)控制的復(fù)雜程度;最后,由于制造工藝的限制,測速發(fā)電機(jī)的性能很難有大的提高,在某些場合測速發(fā)電機(jī)甚至影響整個系統(tǒng)的性能。數(shù)字測速法按照脈沖信號與標(biāo)準(zhǔn)頻率信號的相互關(guān)系,分別是測頻法(M法)測周期法(T法)和M/T法(測頻率周期法):(1)在一定的時間Tc內(nèi)測取編碼器輸出的脈沖個數(shù)M1,用以計(jì)算這段時間內(nèi)的平均轉(zhuǎn)速,稱作M法測速。在測量上有±1脈沖的誤差,低速時誤差較大,適用于測量高的轉(zhuǎn)速。(2)在編碼器兩個相鄰輸出脈沖的間隔時間內(nèi),用一個計(jì)數(shù)器對已知頻率為f0的高頻時鐘脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù),并由此來計(jì)算轉(zhuǎn)速,稱作周期法測速。有±1個時間單位的誤差,在高速時,誤差也很大,適用于測量低的轉(zhuǎn)速。(3)把M法和T法結(jié)合起來,既檢測Tc時間內(nèi)編碼器輸出的脈沖個數(shù)M1,又檢測同一時間間隔的高頻時鐘脈沖個數(shù)M2,用來計(jì)算轉(zhuǎn)速,稱作M/T法測速。在實(shí)際測量中,還須設(shè)定定時時間,兼顧高、低轉(zhuǎn)速時的精度影響,適時調(diào)節(jié)采樣時間。由于電機(jī)運(yùn)行時的轉(zhuǎn)速大小影響測得電機(jī)轉(zhuǎn)速的精度,電機(jī)轉(zhuǎn)速影響測取方法的選擇。表格1-2羅列了常用的工業(yè)機(jī)械的轉(zhuǎn)速范圍:表1-2常用工業(yè)機(jī)械的轉(zhuǎn)速范圍設(shè)備名稱速度范圍(r/min)設(shè)備名稱速度范圍(r/min)減速機(jī)0~500直流電機(jī)0~20000氣動馬達(dá)0~150000發(fā)動機(jī)0~10000渦輪增壓器0~100000交流電機(jī)15000~3000綜合考慮上面三種方法的優(yōu)缺點(diǎn)及測量要求并結(jié)合電機(jī)實(shí)際運(yùn)行時的轉(zhuǎn)速,本次課程設(shè)計(jì)采用M法,即一定采樣時間內(nèi)測出傳感器發(fā)出的脈沖個數(shù),計(jì)算得到電機(jī)轉(zhuǎn)速。數(shù)字式通常采用光電編碼器、圓光柵、霍爾元件等為檢測元件,得到的信號是脈沖信號。霍爾元件和光電碼盤的測速方法基本類似,都是在轉(zhuǎn)軸上安裝一個很輕巧的傳感器,將電機(jī)的轉(zhuǎn)動信號通過霍爾元件或光電碼盤轉(zhuǎn)換為電脈沖,從而通過計(jì)算電脈沖的個數(shù)來測速。其中光電元件的測量精度相對較高,本次課程設(shè)計(jì)利用光電編碼器對電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行測量并且采用的光柵盤為在一定直徑的圓板上等分地開通30個長方形孔的編碼盤。光電編碼器的檢測原理如圖2-1。圖2-1光電編碼器原理在轉(zhuǎn)速顯示方面,由于LED數(shù)碼管具有亮度高、可靠性好等特點(diǎn),工業(yè)測控系統(tǒng)中常用LED數(shù)碼管作為顯示輸出。本次設(shè)計(jì)采用數(shù)碼管作顯示。LED顯示器是用發(fā)光二極管顯示字段的,通常使用七段構(gòu)成“日”字型和一只發(fā)光二極管作為小數(shù)點(diǎn),稱八段數(shù)碼顯示器。其有兩種驅(qū)動方式,共陰驅(qū)動和共陽驅(qū)動,共陰驅(qū)動是各段發(fā)光二極管的陰極連在一起,并將公共端接地,在共陽結(jié)構(gòu)中,將各段發(fā)光二極管陽極連在一起,并將公共端接上+5V電源,顯示字符對應(yīng)字型代碼發(fā)光。2.2系統(tǒng)框圖采用測頻法及光電編碼器的轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)框圖如2-2。圖2-2系統(tǒng)框圖2.3總體方案設(shè)計(jì)電機(jī)轉(zhuǎn)速計(jì)系統(tǒng)的總體方案設(shè)計(jì)是基于滿足設(shè)計(jì)要求的前提并且根據(jù)理論上的可實(shí)現(xiàn)性和硬件上的經(jīng)濟(jì)實(shí)用性,而進(jìn)行設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)。從設(shè)計(jì)要求已給的系統(tǒng)功能需求為根本點(diǎn),在綜合考慮各種因素的情況下,設(shè)計(jì)出電機(jī)轉(zhuǎn)速計(jì)系統(tǒng)的總體構(gòu)架,并且在滿足基本功能需求的基礎(chǔ)上盡可能考慮系統(tǒng)的可擴(kuò)展性。轉(zhuǎn)速測量電路有光電編碼器和脈沖整形電路組成。電機(jī)轉(zhuǎn)速計(jì)系統(tǒng)的總體框圖如圖2-3所示。圖2-3電機(jī)轉(zhuǎn)速計(jì)結(jié)構(gòu)框圖電機(jī)運(yùn)行時,加在轉(zhuǎn)軸上的傳感器的被感應(yīng)物件跟隨轉(zhuǎn)軸做同步轉(zhuǎn)動。于此同時傳感器的敏感部件檢測到被檢測量變化時做出反應(yīng),從輸出端發(fā)出周期而有一定規(guī)則電信號。電信號經(jīng)過脈沖整形,輸出相應(yīng)的脈沖信號。單片機(jī)從引腳取得脈沖信號并進(jìn)行計(jì)數(shù),定時時間到時計(jì)算得到電機(jī)轉(zhuǎn)速。單片機(jī)將轉(zhuǎn)速的相應(yīng)段碼輸出給顯示電路并顯示。3硬件電路設(shè)計(jì)3.1硬件電路設(shè)計(jì)概述一個單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)應(yīng)包含有兩個部分內(nèi)容:第一是系統(tǒng)擴(kuò)展,即當(dāng)單片機(jī)內(nèi)部的功能單元,如ROM、RAM、I/O口、定時/計(jì)數(shù)器、中斷系統(tǒng)等容量不能滿足應(yīng)用系統(tǒng)要求時,必須在片外進(jìn)行擴(kuò)展,選擇適當(dāng)?shù)男酒?設(shè)計(jì)相應(yīng)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(shè)備,如鍵盤、顯示器、打印機(jī)、D/A、A/D轉(zhuǎn)換器等,并設(shè)計(jì)相應(yīng)的接口電路。因此,系統(tǒng)的擴(kuò)展和配置應(yīng)遵循下列原則:盡可能選擇典型電路,并符合單片機(jī)的常規(guī)用法。系統(tǒng)的擴(kuò)展與外圍設(shè)備配置應(yīng)滿足系統(tǒng)功能的要求,并留有適當(dāng)?shù)挠嗔恳员氵M(jìn)行二次開發(fā)。硬件結(jié)構(gòu)應(yīng)與應(yīng)用軟件方案統(tǒng)一考慮,軟件能實(shí)現(xiàn)的硬件功能盡可能用軟件來實(shí)現(xiàn),但需注意的是軟件實(shí)現(xiàn)占用CPU的時間,而且響應(yīng)時間比硬件長。單片機(jī)外接電路較多時,應(yīng)考慮其驅(qū)動能力,減少芯片功耗,降低總線負(fù)載。3.2電源電路單片機(jī)正常工作電壓為5V,因此設(shè)計(jì)的電源電路主要是提供單片機(jī)工作電壓。圖3-1是為單片機(jī)提供電壓的電源電路。在這個電路中采用了三端集成穩(wěn)壓器LM7805,可以輸出5V的直流電壓以供給單片機(jī)。圖3-1單片機(jī)電源電路圖3.3晶振電路電路中的晶振即石英晶體震蕩器。由于石英晶體震蕩器具有非常好的頻率穩(wěn)定性和抗外界干擾的能力,所以,石英晶體震蕩器可以用來產(chǎn)生基準(zhǔn)頻率。通過基準(zhǔn)頻率來控制電路中的頻率的準(zhǔn)確性。同時,它還可以產(chǎn)生振蕩電流,向單片機(jī)發(fā)出時鐘信號。圖3-2是單片機(jī)的晶振電路。片內(nèi)電路與片外器件就構(gòu)成一個時鐘產(chǎn)生電路,CPU的所有操作均在時鐘脈沖同步下進(jìn)行。片內(nèi)振蕩器的振蕩頻率非常接近晶振頻率,一般多在1.2MHz~24MHz之間選取。C1、C2是反饋電容,其值在20pF~100pF之間選取,典型值為30pF。本電路選用的電容為30pF,晶振頻率為12MHz。XTAL1接外部晶體的一個引腳,XTAL2接外晶體的另一端。在單片機(jī)內(nèi)部,接至上述振蕩器的反相放大器的輸出端。在石英晶體的兩個管腳加交變電場時,它將會產(chǎn)生一定頻率的機(jī)械變形,而這種機(jī)械振動又會產(chǎn)生交變電場,上述物理現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。一般情況下,無論是機(jī)械振動的振幅,還是交變電場的振幅都非常小。但是,當(dāng)交變電場的頻率為某一特定值時,振幅驟然增大,會產(chǎn)生共振,稱之為壓電振蕩。這一特定頻率就是石英晶體的固有頻率,也稱諧振頻率。石英晶振起振后要能在XTAL2線上輸出一個3V左右的正弦波,以便片內(nèi)的OSC電路按石英晶振相同頻率自激振蕩。圖3-2單片機(jī)的晶振電路圖3.4復(fù)位電路復(fù)位電路的主要功能是使單片機(jī)進(jìn)行初始化,復(fù)位后的單片機(jī)地址初始化為0000H,然后繼續(xù)從0000H單元開始執(zhí)行程序。復(fù)位電路中提供復(fù)位信號后,等到系統(tǒng)電源穩(wěn)定后,再撤銷復(fù)位信號。但是為了在復(fù)位按鍵穩(wěn)定的前提下,電源穩(wěn)定后還要經(jīng)一定的延時才撤銷復(fù)位信號,以防在按鍵過程中引起的抖動而影響復(fù)位。89C51的RST端通過電阻和電容直接和電源端相連實(shí)現(xiàn)上電復(fù)位,理論上只要復(fù)位管腳出現(xiàn)2個機(jī)器周期以上的高電平即可完成復(fù)位,阻容元件的時間常數(shù)可以很小,但考慮到開機(jī)時,電源有個上升過程,以及振蕩電路尚未完全起振等因素,這里選用的電阻為lKΩ,電容為10uF。上電瞬間,RESET端的電位與VCC相同,隨著充電電流減小,RESET端的電位逐漸下降,按電路參數(shù)可選擇電阻為1kΩ,電容為10uF。則時間常數(shù)T=RC=10×10-6×l×103=10ms,這個時間常數(shù),足以完成復(fù)位操作。圖3-3所示的RC復(fù)位電路可以實(shí)現(xiàn)上述基本功能。圖3-3單片機(jī)復(fù)位電路圖3.5光電編碼器電路光電編碼器,是一種通過光電轉(zhuǎn)換將輸出軸上的機(jī)械幾何位移量轉(zhuǎn)換成脈沖或數(shù)字量的傳感器。這是目前應(yīng)用最多的傳感器,光電編碼器是由光柵盤和光電檢測裝置組成。光柵盤是在一定直徑的圓板上等分地開通若干個長方形孔。由于光電碼盤與電動機(jī)同軸,電動機(jī)旋轉(zhuǎn)時,光柵盤與電動機(jī)同速旋轉(zhuǎn),經(jīng)發(fā)光二極管等電子元件組成的檢測裝置檢測輸出若干脈沖信號,通過計(jì)算每秒光電編碼器輸出脈沖的個數(shù)就能反映當(dāng)前電動機(jī)的轉(zhuǎn)速。根據(jù)檢測原理,編碼器可分為光學(xué)式、磁式、感應(yīng)式和電容式。根據(jù)其刻度方法及信號輸出形式,可分為增量式、絕對式以及混合式三種。光電編碼器是利用光柵衍射原理實(shí)現(xiàn)位移-數(shù)字變換,通過光電轉(zhuǎn)換,將輸出軸上的機(jī)械幾何位移量轉(zhuǎn)換成脈沖數(shù)字量的傳感器。常見的光電編碼器由光柵盤,發(fā)光元件和光敏元件組成。光柵實(shí)際上是一個刻有規(guī)則透光和不透光線條的圓盤,光敏元件接收的光通量隨透光線條同步變化,光敏元件輸出波形經(jīng)整形后,變?yōu)槟M脈沖信號,每轉(zhuǎn)一圈,輸出一定個數(shù)的脈沖。根據(jù)脈沖的變化,可以精確測量和控制設(shè)備位移量。光電編碼傳感器電路如圖3-4。圖3-4光電編碼傳感器電路圖3.6脈沖整形電路從光電編碼器輸出的信號必須轉(zhuǎn)換成單片機(jī)輸入要求的信號,由于信號調(diào)節(jié)電路與傳感器的選擇,現(xiàn)場干擾程度等,都會影響信號的質(zhì)量。而脈沖信號的上升沿和下降沿對數(shù)字電路的觸發(fā)尤為重要,若要將轉(zhuǎn)速脈沖信號直接加到計(jì)數(shù)器或外部中斷的輸入端,并利用其下降沿來觸發(fā)進(jìn)行計(jì)數(shù),則必須要求輸入的信號有陡峭的上升沿或下降沿。在光電編碼器的輸出信號處理中本次使用74HC164作為脈沖整形器。74HC14是一款高速CMOS器件,其引腳兼容低功耗肖特基TTL(LSTTL)系列。74HC14遵循JEDEC標(biāo)準(zhǔn)no.7A。74HC14實(shí)現(xiàn)了6路施密特觸發(fā)反相器,可將緩慢變化的輸入信號轉(zhuǎn)換成清晰、無抖動的輸出信號。74HC14的引腳圖如圖3-5,共包含六路,本次只使用一路,與光電編碼器的連接見圖3-4。圖3-574HC14引腳圖3.6顯示電路顯示電路主要是用于顯示電機(jī)轉(zhuǎn)速。本次采用LED數(shù)碼管進(jìn)行顯示因?yàn)長ED數(shù)碼管具有以下幾個優(yōu)點(diǎn):(1)能在低電壓、小電流條件下驅(qū)動發(fā)光,能與CMOS、TTL電路兼容。(2)發(fā)光響應(yīng)時間極短(<0.1μs),高頻特性好,單色性好,亮度高。(3)體積小,重量輕,抗沖擊性能好。

數(shù)碼管有共陰極和共陽極兩種類型,其公共端主要進(jìn)行位控制,筆畫端則是進(jìn)行字符控制,數(shù)碼管有靜態(tài)顯示和動態(tài)顯示兩種方法,說明如下:(1)靜態(tài)顯示驅(qū)動:

靜態(tài)驅(qū)動也稱直流驅(qū)動。靜態(tài)驅(qū)動是指每個數(shù)碼管的每一個段碼都由一個單片機(jī)的I/O進(jìn)行驅(qū)動,或者使用如BCD碼二—十進(jìn)位器進(jìn)行驅(qū)動。靜態(tài)驅(qū)動的優(yōu)點(diǎn)是編程簡單,顯示亮度高,缺點(diǎn)是占用I/O,故實(shí)際應(yīng)用時必須增加驅(qū)動器進(jìn)行驅(qū)動,增加了硬件電路的復(fù)雜性。(2)動態(tài)顯示驅(qū)動:數(shù)碼管動態(tài)顯示是單片機(jī)中應(yīng)用最為廣泛的一種顯示方式之一,動態(tài)驅(qū)動是將所有數(shù)碼管的8個顯示筆劃的同名端連在一起,另外為每個數(shù)碼管的公共極COM增加位元選通控制電路,位元選通由各自獨(dú)立的I/O線控制,當(dāng)單片機(jī)輸出字形碼時,所有數(shù)碼管都接收到相同的字形碼,被選通的數(shù)碼管會顯示出字形,不被選通的數(shù)碼管不顯示字形。通過分時輪流導(dǎo)通各個LED數(shù)碼管,就使各個數(shù)碼管輪流受控顯示。在輪流顯示過程中,每位元數(shù)碼管的點(diǎn)亮?xí)r間為1~2ms,由于人的視覺暫留現(xiàn)象及發(fā)光二極體的余輝效應(yīng),盡管各位數(shù)碼管沒有同時點(diǎn)亮,但只要掃描的速度足夠快,動態(tài)顯示的效果和靜態(tài)顯示效果是一樣的,這不僅能夠節(jié)省大量的I/O口,而且功耗更低。本次設(shè)計(jì)采用5位LED數(shù)碼管的靜態(tài)顯示電路來達(dá)到顯示的目的。由于數(shù)碼管的顯示需要驅(qū)動器來驅(qū)動。驅(qū)動器4511不僅能夠直接驅(qū)動七段共陰極數(shù)碼管還具有BCD轉(zhuǎn)換功能。單片機(jī)AT89C51的P0、P1和P2口來控制LED數(shù)碼管的顯示。其中一位數(shù)碼管的顯示電路圖如3-6所示。圖3-6顯示電路電路圖在實(shí)際模擬調(diào)試過程中電脈沖信號的產(chǎn)生有脈沖發(fā)生器代替模擬,其可以方便的設(shè)定脈沖頻率,能夠滿足單片機(jī)對脈沖型號的要求。4系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)主要包括主程序、定時子程序、數(shù)值轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換子程序和顯示程序。本章系統(tǒng)地介紹了電機(jī)轉(zhuǎn)速計(jì)的主程序和各主要功能子程序的設(shè)計(jì)流程,具體的源程序代碼及其機(jī)器碼見附錄2與附錄3。4.1主程序設(shè)計(jì)主程序主要用于完成單片機(jī)的初始化工作,在本次設(shè)計(jì)中用到了定時/計(jì)數(shù)器T0和T1。T0用于計(jì)數(shù),我們當(dāng)然希望計(jì)數(shù)量大越大越好,這樣,可以獲得較大的測量范圍,因此,T0選定為工作方式l(16位的計(jì)數(shù)方式)。設(shè)計(jì)中,沒有使用外部控制端,僅使用指令置位/清零TR0來進(jìn)行計(jì)數(shù)的啟動/停止,T0采用自由計(jì)數(shù)的方式,不用預(yù)置初值。T1用于定時,定時時間為一秒或兩秒,本次設(shè)計(jì)使用12M的晶振,故一次不能完成定時工作,必須另設(shè)一個軟件計(jì)數(shù)器用于循環(huán)計(jì)數(shù)。當(dāng)一秒定時時間到時,判斷轉(zhuǎn)速是否大于某一轉(zhuǎn)速,大于時直接轉(zhuǎn)到轉(zhuǎn)速計(jì)算程序;否則重新進(jìn)行定時計(jì)數(shù),延長定時時間,時間到時,進(jìn)行轉(zhuǎn)速計(jì)算。由于計(jì)算得出的轉(zhuǎn)速為為二進(jìn)制數(shù),不能直接用于顯示器顯示,我們必須把二字節(jié)二進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為壓縮BCD碼。因?yàn)樵陲@示電路中使用了4511,不用將壓縮BCD碼轉(zhuǎn)換為非壓縮BCD碼,也不需使用查表子程序得到數(shù)碼管段碼。最后,直接將得到的壓縮BCD碼輸出到顯示電路顯示轉(zhuǎn)速。當(dāng)然,電機(jī)轉(zhuǎn)速會變化的,所以說我們要循環(huán)測取電機(jī)的轉(zhuǎn)速并顯示。主程序流程圖如圖4-1。圖4-1主程序流程圖4.2定時程序設(shè)計(jì)由于一次定時時間達(dá)不到一秒,本次一次定時時間為50ms,循環(huán)20次或40次來達(dá)到定時一秒或兩秒。因定時計(jì)數(shù)器T0工作在方式1,TMOD初值應(yīng)為15H,TH1,TL1的處置分別為3CH,0B0H,軟件計(jì)數(shù)值用片內(nèi)50H單元,初值為20或40。定時程序流程圖如圖4-2。圖4-2定時程序流程圖4.3數(shù)值轉(zhuǎn)換程序設(shè)計(jì)由于電機(jī)的轉(zhuǎn)速值為十六位二進(jìn)制數(shù),無法直接用于顯示,我們要使其轉(zhuǎn)化為壓縮BCD碼。將待轉(zhuǎn)換的二字節(jié)數(shù)據(jù)存在R6,R7中,得到的三字節(jié)壓縮BCD碼存放在R3、R4、R5中。因?yàn)楸舅惴ㄐ枰h(huán)16次,R2初值為10H。數(shù)值轉(zhuǎn)換流程圖如圖4-3。圖4-3數(shù)值轉(zhuǎn)換程序流程圖4.4顯示程序設(shè)計(jì)顯示程序要將數(shù)值轉(zhuǎn)換得到的壓縮BCD碼輸出給顯示電路。顯示電路中的4511芯片得到BCD碼后,可以直接輸出數(shù)碼管段碼,也可以直接驅(qū)動其顯示。顯示部分程序如下:MOVP0,R5MOVP1,R4MOVP2,R35總結(jié)本次課程設(shè)計(jì)為設(shè)計(jì)電機(jī)轉(zhuǎn)速計(jì),經(jīng)過proteus軟件模擬仿真,系統(tǒng)已基本能滿足測量電機(jī)轉(zhuǎn)速的實(shí)際需要。其中電機(jī)轉(zhuǎn)速值能夠每一秒或兩秒更新一次,在測量范圍與測量精度方面也能滿足大多數(shù)測量要求。電機(jī)轉(zhuǎn)動時,轉(zhuǎn)軸上的光柵盤也跟隨同步轉(zhuǎn)動,光電編碼器感應(yīng)后輸出模擬脈沖信號。經(jīng)過整形電路整形后,輸出數(shù)字脈沖信號。定時時間到時,單片機(jī)將P3.4計(jì)量數(shù)字脈沖個數(shù)與定時時間相除得到電機(jī)轉(zhuǎn)速。轉(zhuǎn)速值轉(zhuǎn)換為BCD碼后送顯示電路顯示。經(jīng)過兩周的時間,通過查找相關(guān)資料設(shè)計(jì)并努力仿真調(diào)試,最終在老師的指導(dǎo)下獨(dú)立地完成了本次課程設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)過程中,不僅對單片機(jī)有了更深的了解,還學(xué)到了不少實(shí)用的知識。學(xué)習(xí)單片機(jī)課程時,只是分散的明白各個部分的作用,在匯編指令上也沒有整體的理解。設(shè)計(jì)過程中,明白了硬件電路要有機(jī)的結(jié)合在一起才能夠工作而不能有絲毫錯誤,軟件上要整體聯(lián)系起來才能執(zhí)行下去并得到正確結(jié)果。在畫電路圖和軟件調(diào)試過程中還學(xué)會使用Proteus、Keil和Visio來幫助完成設(shè)計(jì)。這幾個軟件對于以后單片機(jī)的更深層次的學(xué)習(xí)或是其他一些方面的學(xué)習(xí)都有或多或少的幫助。參考文獻(xiàn)[1]楊家成.單片機(jī)原理與應(yīng)用及C51程序設(shè)計(jì).北京:清華大學(xué)出版社,2007[2]夏路易石宗義.Protel99se電路原理圖與電路板設(shè)計(jì)教程.北京:北京希望電子出版社,2004[3]閻石.?dāng)?shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ).北京:高等教育出版社,2009[4]鄧興成.單片機(jī)原理與實(shí)踐指導(dǎo).北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2010[5]瞿貴榮.電動窗簾紅外遙控電路.家庭電子,2005[6]朱玉璽.計(jì)算機(jī)控制技術(shù).北京:電子工業(yè)出版社,2010附錄1系統(tǒng)原理圖附錄2源程序ORG0000HMOV50H,#20MOVTMOD,#15HMOVTH1,#3CHMOVTL1,#0B0HMOVTH0,#00HMOVTL0,#00HSETBTR1SETBTR0L2:JBCTF1,L

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