基于单片机的电机测速显示系统设计

黄冈职业技术学院黄冈职业技术学院毕业设计说明书课题名称：电机测速显示系统设计系 别 专 业 班 级 姓 名 学 号 2 指导教师 时间：2010 年10月10日2010年 10月 25日（共2 周） 目录摘要IAbstract II第1章 绪论1第2章 转速测量系统的总体方案22.1 硬件设计方案22.2 软件设计方案2第3章 主程序的设计说明43.1 主程序说明4第4章 单片机的转速测量方法及原理54.1单片机测量转速的方法5 4.1.1 测频法“M法”的工作原理5 4.1.2 转速传感器的简介64.2 速度检测电路的软件设计7第5章LED显示电路的软件设计95.1显示接口电路的程序设计95.2显示器的显示方式10 5.2.1 静态显示10 5.2.2 动态显示105.3 系统的数码管连接方式10第6章 键盘电路的软件设计116.1键盘的工作原理116.2键盘扫描方式和接口电路126.3键盘键值分配及按键功能设定12第7章 报警电路的软件设计147.1 报警电路功能的介绍147.2 报警电路软件设计14总 结15参考文献16附录1 总体控制电路原理图：17摘要转速是工程中应用非常广泛的一个参数，其测量方法很多，随着单片机对脉冲数字信号的处理能力越来越强大，使得全数字量系统越来越普及，并且使转速测量系统也可以用全数字化处理。 本论文是基于51单片机的转速测量系统，本设计利用光电传感器对旋转物体进行检测的转速测量系统。该系统采用光电传感器把转速信息转化为电脉冲信号, 将其输入信号送入AT89C51单片机进行数据处理并用四位7段LED显示器显示测量结果。文中首先阐述了该系统测量转速的意义、优势，以及硬件的实现方法，在该系统中对信号频率进行测量是首要任务，而经过分析，基于测频法“M法” 测量速度，电路和程序均较为简单，且可以在一定的条件下满足精度的要求，故本设计中采用M法进行测量。其次，在软件设计部分，此系统包含数据接收和处理程序的设计、显示程序的设计，键盘扫描程序的设计及报警电路程序的设计四个模块。此次课题完成了硬件和软件系统的设计，实现了转速测量系统的测量，转速计算、显示功能，以及键盘的高低速报警的功能，完成了设计的要求。关键词：单片机 转速测量 软件设计AbstractSpeed is widely applied in engineering is a parameter, the measurement method of pulse, along with many MCU of digital signal processing ability more powerful, make whole digital system is becoming more and more popular, and make speed measuring system can also use digital processing.This paper is based on the speed of the 51 SCM system, the design of measuring using photoelectric sensor of a rotating object detection speed measuring system. The system adopts photoelectric sensor information into the speed, the electrical signal input signals are sent AT89C51 data processing and seven LED display four measurements. Firstly expounds the significance of measuring speed, advantages, and method of realization of hardware, the system of signal in frequency measurements are primary task, and through the analysis of frequency measurement method, based on the M measuring speed, circuit and procedures are relatively simple, and can satisfy certain conditions, so the precision requirement of design of measuring method using M. Secondly, in the software design of the system, data processing program includes reception and the design, display design, the program design of the keypad scanning routines and alarm circuit design program four modules.The subjects completed the hardware and software design of the system, realized the speed measuring system of measurement, calculation, display, speed and high speed of the keyboard function, completed the alarm design requirements.Keywords: SCM Speed measuring Software design第1章 绪 论目前单片机在工业控制、数据采集、智能化仪表等领域应用越来越广泛，极大地提高了这些领域的技术水平和自动化程度。单片机的开发应用已成为高科技和工程领域的一项重要内容。同时，单片机相关的技术、技能业已成为我们大学生必修的科目之一。单片机其优良的性价比，决定了它在各个相关领域都有极大的发展，它的发展正处于方兴未艾的时期。转速是工程中应用非常广泛的一个参数，它的测量方法有很多，而模拟量的采集和模拟处理一直是转速测量的主要方法，这种测量已不能适应科技发展的要求，在测量范围和测量精度上，已不能满足大多数系统的使用。而随着大规模集成电路的高速发展，特别是单片机对脉冲数字信号的强大处理能力，可以增大电机转速的测量范围及提高其精确度。所以转速测量系统用全数字化处理比以前的测量方法更优越。常用的检测方法有机械式，光电式，霍尔式，频闪法等，本课题主要是采用AT89C51单片机进行转速测量，它以MCS-51为内核与MCS-51系列的软硬件兼容。设计成的一种全数字化测量系统在测量范围与精度上都有很大的提高。 本课题以单片机技术为核心，设计成的全数字化测量系统在工业控制和生活电器方面都有极大的应用。在工业方面，它可以作为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、水泵流量控制以及其它需要利用转速检测来进行控制的地方。在电器方面，由于是全数字化处理所以能很方便的和工业控制机进行连接，实行远程管理和控制。总而言之，转速测量系统的研究是一件非常有意义的课题，它的研究结果可以应用于我们的实际生活。第2章 转速测量系统的总体方案2.1 硬件设计方案根据要求，设计硬件系统结构如下图2.1所示。光电传感器信号处理 单 片 机 LED显示键盘 报警 图2.1硬件系统结构框图当电动机转速测量范围在0-3000r/m时，该测试系统可以正常工作，并可以通过键盘设定低速、高速报警。同时准确显示转速值，并且精确到个位数（每分钟1转）。AT89C5 1系列单片机是美国ATMEL公司的8位Flash单片机产品。它以MCS-51为内核与MCS-51系列的软硬件兼容。它具备低成本、体积小，运算速度快,损耗低,采用精简指令,性能稳定等特点.本设计采用AT89C51单片机进行设计。直接应用AT89C51的I/O口进行设计，其P1口作键盘输入，P0和P2口低四位作LED显示输出，P3.5输入转速采样信号，P3.0输出报警信号。时钟采用内部振荡方式获得，时钟频率范围0-16MHz，采用上电自动复位和按键复位都有效的复位方式。32个可编程双向I/O口 128x8bit内部RAM(可扩充64kB外部存储器) 2个16位可编程定时/计数器，5.0V工作电压，可编程全双工串行通信口，PDIP和PLCC封装形式 兼容TTL和CMOS逻辑电平。2.2 软件设计方案本设计的软件部分分为多个模块，每个模块实现的功能又由多个子程序来实现。其程序与程序之间的关系如图2.2所示。输定转速入设范围子程序import主程序报警BJLED显示十进制调整HTX返回主程序TON 中断键盘扫描延时NYojing YN是否报警图2.2 软件结构框图先根据实际需要先用键盘设置好最低转速0r/m和最高转速3000r/m，电动机开始工作的时间，每转一圈测速传感器就记录一次，每5S显示更新一下转速，其具体的速度由数码管来体现并显示。工作时当电机的转速超过了实际设定的数值，工作程序就会自动跳转到报警程序，报警电路开始工作，进行报警提示，这样既保护了电机，又显示了电机的转速数值，如果没有超过这个设定的转速范围，则进行下一轮的循环测试。第3章 主程序的设计说明3.1 主程序说明 程序开始首先输入子程序import输入高低限参数。然后退出输入子程序开始测速，循环测速时间为5S。每次测得的转速分别与上下限值比较，然后调用HTX子程序将转速值转换为BCD码形式的显示数，再调用LED显示子程序将转速输出显示。结束后进行下一次测速，不停的对转速进行检测下面的设计包含单片机的转速测量方法及原理，LED显示电路的软件设计，键盘电路的软件设计以及报警电路的软件设计。其中LED显示电路的软件设计是完成数字的显示功能，从P0口输出段选信号控制LED各段将其点亮，P2口低四位输出位选信号，同一时刻只有一位被选中。从P2口输出依次从高到低，选中某一位时从P0口输出显示代码和显示相应位的数字。四位输出完毕后结束程序。 主程序设计流程图如图3.1所示。开始中断是否报警报警返回主程初始化设置定时器计算转速值存入30H，31H中调用输入子程序设置转速高低限键盘扫描LED显示是否 图3.1主程序设计流程框图第4章 单片机的转速测量方法及原理4.1单片机测量转速的方法一般转速测量系统有以下几个部分构成，如图4.1所示 转速信号拾取信号整理单片机显示接口芯片显示键盘驱动电路 图4.1转速测量框图(1) 转速信号拾取目的是将外界的非电量信号转化成电量信号，这一环节可通过敏感元件、传感器等来实现。(2) 信号整理将传感器输出的信号转换成单片机要求输入的信号。(3) 单片机单片机是测量系统的主要部分，主要是对脉冲信号进行处理、计算以及计时等任务，其次，将整理的数据传送到显示接口中，由数码管显示。 (4) 驱动和显示由于LED数码管具有亮度高、可靠性好等特点，所以该系统也采用LED数码管显示。(5) 键盘用来实现电机的启动与停止，以及高、低速的报警。4.1.1 测频法“M法”的工作原理在一定测量时间T内，测量脉冲发生器产生的脉冲数m1来测量转速，如图4.2 “M”法测量转速脉冲所示。设在时间T内，转轴转过的弧度数为X，则转速n为：n= (4-1)转轴转过的弧度数X可用下式表示：X (4-2)图4.2 “M”法测量转速脉冲为了使数码管显示数N既为电机转速，应取测量时间为： (4-3)式中t的单位为S。 因为当NT t =60时，测速仪显示的读数N即为时间t内电机的平均转速n。因此，NT越大，测量时间t越小时，所测的转速值也就越接近瞬时速度值。4.1.2 转速传感器的简介转速传感器包含光电式、磁电式等多种型式的传感器。本设计选用的是光电传感器。它的结构很简单，由光源、光栅圆盘和光电三极管组成。在测频法中，为了使测速仪显示的读数N即为t时间内电机的平均转速n ，光栅圆盘上的圆孔数NT应满足下列关系：即孔数NT与测量时间“t”之乘积等于60。4.2 速度检测电路的软件设计本测速系统是由光栅圆盘和光电三极管组成的。当直流电机通过传动部分带动光栅圆盘转动时，测速光敏管把获得的非电信号转化为电脉冲信号并把信号传给单片机。在与单片机的接口处用TLP521-1光电耦合器进行隔离，处理光敏管传输的脉冲数据。其原理框图如图4.3所示。图4.3 光电式传感器与单片机连接原理框图这些脉冲信号通过单片机定时/计数器T1计数，定时/计数器T0定时。定时器T0完成100次溢出中断的时间为T ，测得的脉冲数为m，经过单位换算，则直流电机转速计算公式为： (4-4)其中：n为直流电机转速, NT为栅格数，N1为T0中断次数，m为定时器T1在规定时间内测得的脉冲数，T为定时器T0定时溢出时间本设计圆盘上孔数为12，即由公式(4-3)可计算出测量时间：测量时间为：下边的程序定义T0定时溢出时间为50ms ，中断次数为100次，转换为16进制数为#64H，加起来测量时间正好是5S。溢出时间由寄存器TH0、TL0初值决定，中断次数由工作寄存器R0进行计数，到一百次时，计算计数器T1计数值即为转速值。T0中断程序名：T0_INT占用资源：工作寄存器R0、RAM 30H 、31H 、35H 累加器 A 、B出口参数：当R0计数到100次时，将转速值存入 30H、31H中，同时置位20.0，否则无出口参数程序存放地址：内部ROM0100H光电式传感器与单片机连接软件框图如图4.4所示检测电路光电耦合控制器中断显示电路图4.4 光电式传感器与单片机连接软件框T0中断程序如图4.5所示 TO中断入口TO中断中断返回值存入开TO中断置TO始数值中断R0等于64H吗?图4.5 T0中断程序框图第5章LED显示电路的软件设计5.1显示接口电路的程序设计此程序完成本次设计的显示功能，从P0口输出段选信号控制LED显示器并将各段点亮，P2口低四位输出位选信号，同一时刻只有一位被选中。从P2口输出依次从高到低，选中某一位时从P0口输出显示代码和显示相应位的数字，四位输出完毕后结束程序。LED显示子程序名：LED程序存放地址：0200H占用资源：P0口，P2口底四位 ，寄存器 R0 ，R1 累加器A 片内RAM 45H-48H入口参数：45H-48H分别存入 显示数据的千位，百位，十位和个位以BCD码形式存放。LED显示程序框图如图5.1所示。开始表首址存入R0-1，R1左移的值A值从P1输出显示片选码送R1中断返回取值放入A中四位是否显示完毕图5.1 LED显示程序框图5.2显示器的显示方式5.2.1 静态显示静态显示，是指当数码管显示某一字符时，相应的发光二极管恒定导通或截止。这种显示方式的各位数码管的公共端恒定接地（共阴极）或+5V的电源（共阳极）。只要I/O端口有显示字型码输出，数码管就显示相应字符并保持不变，直到I/O端口输出变化。采用多片74LS373扩展并行I/O端口，各片74LS373的口地址是由AT89C51的P2端口的输出决定的。可以直接由P2口作位选，也可以通过硬件译码后得到位选信号。静态显示时，较小的电流就能得到较高的显示亮度，所以可由接口芯片直接驱动。但它占用单片机的I/O端口线多，限制了单片机接LED的个数。5.2.2 动态显示 需要接多个数码管、输出显示多位数时，就可以采用动态显示。动态显示就是一种按位轮流点亮各位数码管的显示方式，即在某一时段，只让其中一位数码管的“位选端”有效 。对于显示器的每一位而言，每隔一段时间点亮一次。虽然在同一时刻只有一位显示器点亮，但由于视觉错误我们看到的却是多个字符“同时”显示。显示器亮度既与点亮时的导通电流有关，也和点亮时间与间隔时间的比例有关。调整电流和时间参数，可以实现一理想的显示。 5.3 系统的数码管连接方式由于静态显示电路较小的电流就可以获得较高的显示亮度并且无需对LED显示器循环输出显示，占用的CPU时间又少，易于编程、监测和控制，所以本次设计数码管采用的是并行输出的静态显示方式。本系统用89C51的P0口输出作为LED显示的段选码，P2口低四位输出四位LED显示的位选控制信号。用四片74LS373集成块作数据锁存，LED显示器采用共阳极接法。P2口的低四位同时只有一位输出为1，其余三位锁定。 第6章 键盘电路的软件设计6.1键盘的工作原理(1) 按其结构不同键盘可分为独立式键盘和矩阵式键盘，它们都有各自的特点：a) 独立式键盘是指直接用单片机的I/O口线P1.0- P1.7控制按键，每个按键单独占用一根I/O端口线，相互独立，每个按键的工作不会影响其他I/O端口线的工作状态。但其每个按键都必须占用一根I/O端口线，所以在按键数量多时，最好不采用这种按键电路。b) 在矩阵式键盘中，通常键盘的列线是由单片机输出口控制，行线连接单片机的输入口。而为了减少I/O口的占用，所以在按键数量多时通常采用矩 阵形式按键电路。(2) 矩阵式键盘的原理：确定矩阵式键盘上某个键是否被按下有如下方法：编程扫描法、时序扫描法及中断方式。本次设计采用的是中断方式。中断方式扫描具体如下：AT89C51单片机的P1口作为键盘I/O口，键盘的列线接到P1口的低4位，键盘的行线接到P1口的高4位。列线P1.0-P1.3分别接有4个上拉电阻，外接电源+5V，并把列线P1.0-P1.3和行线P1.4-P.17分别设置成输入线、输出线。 a) 检测当前是否有键被按下： P1.4-P1.7输出全为“0”，若P1.0-P1.3都为“1”，则无键闭合，否则有键闭合。 b) 去除键抖动。当检测到有键按下后，延时一段时间再做下一步的检测判断。 c) 若有键被按下，应识别出是哪一个键闭合。方法是对键盘的行线进行扫描。 d) 在每组行输出时读取P1.0-P1.3，若全为“1”，则表示为“0”这一行没有键闭合，否则有键闭合。由此得到闭合键的行值和列值，然后可采用计算法或查表法将闭合键的行值和列值转换成所定义的键值 e) 为了保证键每闭合一次CPU仅作一次处理，必须却除键释放时的抖动。f) 键盘上的每个键都有一个键值。键值赋值的最直接办法是将行，列线按二进制顺序排列，当某一键按下时，键盘扫描程序执行到给该列置0电平，读出各行状态为非全1状态，这时的行、列数据组合成键值。 6.2键盘扫描方式和接口电路本设计用到的按键较多，所以采用矩阵式键盘。这种键盘电路，可直接用单片机I/O口进行设计，并且采用中断扫描工作方式。不仅方便还提高了CPU的工作效率。本键盘设计把单片机P1口高四位作输出扫描，低四位输入组成44中断扫描工作方式键盘。其接口电路如图6.1所示：图6.1接口电路6.3键盘键值分配及按键功能设定根据图6.1和相应键的键值定义各个键的功能如下：0-9号键 为数字键分别代表相应的数字10号键 无定义11号键 确定并保存设定参数12号键 显示报警下限参数13号键 显示报警上限参数14号键 退出输入子程序开始测速15号键 清除设定高低报警参数输入子程序完成高低限报警参数设定及一些功能键。在程序开始T0中断，清F0然后判断F0位为1时向下执行，否则等待有键按下。有键按下后采用多条CJNE指令进行判断所按键是否是指令中所指的功能键值，是则执行相应的功能程序，不是则进行下一次判断。若不是功能键执行数字键相应程序，将显示数据左移显示。在按下14号功能键时退回到主程序。占用内存地址空间： 0450H占用资源：工作寄存器 R0、R1、R2、R3、6累加器 A第7章 报警电路的软件设计7.1 报警电路功能的介绍电机工作时，每转一圈测速传感器就记录一次，每隔5S由数码管显示更新的转速。工作时，当电机的转速超过了设定的数值，工作程序就会自动跳转到报警程序，报警电路开始工作。如果没有超过设定的转速范围，则进行下一轮的循环测试。7.2 报警电路软件设计 该报警电路，是以NE555集成电路快为核心组成的报警音频信号振荡器。通过一个与门和单片机P3.0口输出相与控制扬声器发声。在单片机复位后，P3.0口输出为1，经过非门后为0送到与门和音频信号相与，与门锁定无输出。在转速超出设定值后，通过软件将P3.0口输出为0，情况与上边所述相反扬声器发声报警。报警电路框图如图7.1所示。软件设计子程序名：BJ 程序功能：将R6和R7所指定的四个字节的BCD码数比较，前者小于后者时报警。占用资源：工作寄存器R5、R6、R7及累加器A入口参数：两个四字节比较数首地址分别放入R6、R7中 调用程序是否报警 初始化开始返回主程序报警图7.1报警电路框图总 结 通过对此次课题的设计，我从中学到了不少东西。不仅巩固了专业知识，还对其加以延伸。在做设计的时候，不可避免要用到已经学过的一些专业知识，如：模拟电路，数字电路，信号与系统以及单片机、C语言等。在遇到不懂的时候我必然会去想办法弄清楚上网，去图书馆等，在这个过程中，对以前学过的知识有了一个重温的阶段，而在这个阶段中就巩固了所学的知识。 在设计中必然也会用到其它与课题相关的知识，这些是课本上没有涉及到的，但在做设计的过程中我可以去慢慢摸索，去学习，以至于掌握它。即为对知识的延伸、扩展。 在本次设计中，单片机的应用是电机测速系统智能化的关键。由于单片机对脉冲数字信号的强大的处理能力，使得该系统得以全数字化，大大提高了其测量的精确度以及增大了它的测量范围。满足了现代科学技术对转速参数的要求。系统通过硬件和软件的设计，实现了转速测量系统的测量，转速计算、显示功能，以及键盘的高低速报警的功能。先用键盘设置好最低转速0r/m和最高转速3000r/m。当电动机开始工作时，光电传感器把收集到的非电量信号转化为电脉冲信号，经过光电耦合器的整理后再输送给AT89C51单片机，其具体转速数值由数码管来体现并显示。当工作时电机的转速超过了实际设定的数值，工作程序就会自动跳转到报警程序，报警电路开始工作，进行报警提示。如果没有超过这个设定的转速范围，则进行下一轮的循环测试。在整个的设计过程中要有信心、耐心。要自信，相信自己能很好的完成这次的设计任务。设计的时候挫折是不可避免的，这个时候需要的就是耐心，不厌其烦的去查错、改正。不断发现问题进而解决问题，这是一个再学习的过程，不仅学到了知识，也锻炼了自己的耐心。同时也培养了自己独立思考，动手解决问题的能力。从而从知识与性格两方面提高、完善了自己，使自己提高到了一个新的台阶，为以后的工作打下基础。在本次毕业设计中，要特别感谢指导老师以及其他老师和同学的热心帮助、鼓励，才使得我的毕业设计能够顺利的完成。参考文献【1】 张文灼，单片机应用技术.北京：机械工业出版社，2009【2】 何立民，MCS-51系列单片机应用系统设计系统配置与接口技术【M】.北京：北京航空航天大学出版社，1990【3】 殷淑英，传感器应用技术.北京：冶金工业出版社，2008【4】 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