基于单片机的转速温度智能测控系统设计毕业设计(论文)

毕业设计(论文)题目名称： 基于单片机的转速温度智能测控系统设计 毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。作 者 签 名： 日 期： 指导教师签名： 日期： 使用授权说明本人完全了解 大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。作者签名： 日 期： 目 录长江大学毕业设计(论文)任务书III毕业设计（论文）开题报告V长江大学毕业论文(设计)指导教师评审意见X长江大学毕业论文(设计)评阅教师评语XI长江大学毕业论文(设计)答辩记录及成绩评定XII中文摘要XIIIAbstractXIV第1章 绪 论11.1课题的背景及其意义11.2课题研究的内容及要求21.3课题的研究方案2第2章 设计理论基础32.1 AT89C51系列单片机介绍32.2调速原理92.3测速原理92.4转速的理论计算102.5数字温度计DS18B20102.6光电传感器122.7电机驱动芯片L298122.8放大器UA74113第3章 系统硬件电路的设计143.1 单片机最小系统电路设计（主控电路）143.2电机驱动电路设计143.3测速电路的设计153.4温度测量设计电路163.5显示电路的设计163.6键盘接口设计17第4章 系统软件设计184.1程序总体设计184.2键盘扫描的初始化194.3 数据与算法19第5章 系统调试及结论分析215.1硬件调试215.2软件调试22第6章 总结与展望246.1 总结246.2 展望25参考文献26致 谢27附录一28附录二44第IV页长江大学毕业设计(论文)任务书学院（系） 电信学院 专业 电气 班级 109013 学生姓名 蔡信鹏 指导教师/职称 李金/实验师 1.毕业设计(论文)题目：基于单片机的转速温度智能测控系统设计2.毕业设计（论文）起止时间： 2012年12月19日2013年6月10日3毕业设计(论文)所需资料及原始数据（指导教师选定部分） 直流电机及控制原理,温度检测及常用传感器原理，单片机设计原理及应用知识。熟悉运用单片设计测控电路的能力。主要参考资料是来自网上检索的单片机对直流电机控制的设计原理的相关知识和温度检测中常用的传感器，以及单片机原理及应用，仪器总线与接口技术，测控系统原理与设计中有关的设计原理知识。运用单片机作为核心控制单元，设计一套转速温度智能控制系统。4毕业设计(论文)应完成的主要内容（1）仔细阅读指导教师提供的相关链接及重点内容下，检索的30篇以上的学术论文。（2）掌握单片机的设计原理，直流电机控制系统设计原理，温度测控原理。（3）查阅相应的学术论文及相关资料，选定电路设计方案。（4）设计一套转速温度控制系统电路原理图和PCB印刷电路板图以及软件管理系统。5毕业设计(论文)的目标及具体要求（1）单片机能测量直流电机转速，单片机能测量温度，并通过12864液晶屏显示出来（2）系统配置输入，能设置转速和温度，单片机控制电机及执行机构使得转速和温度能达到设定值。（3）应用Protel设计出完整的电路原理图和PCB印刷电路板图。（4）电路仿真运行。（5）根据设计内容编写不少于2万字的论文。6、完成毕业设计(论文)所需的条件及上机时数要求 单片机开发系统、直流电机、温度传感器、上机时间120小时以上任务书批准日期 2012 年 12 月 15 日 教研室(系)主任(签字) 任务书下达日期 2013 年 2 月 19 日 指导教师(签字) 完成任务日期 2013 年 6 月 10 日 学生（签名） 毕业设计（论文）开题报告题 目 名 称 基于单片机的转速温度智能测控系统设计 院 （系） 电 子 信 息 工程 学 院 专 业 班 级 电气109013班 学 生 姓 名 蔡 信鹏 指 导 教 师 李 金 辅 导 教 师 李 金 开题报告日期 2013年3月23日 基于单片机的转速温度智能测控系统设计学 生：蔡信鹏，电子信息工程学院指导老师：李金，电子信息工程学院一、题目来源结合教学以及生产社会实践二、研究目的及意义在实际应用中，转速是工程中应用非常广泛的一个参数，其测量方法较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，这种测量方法已不能适应现代科技发展的要求，在测量范围和测量精度上，已不能满足大多数系统的使用。随着大规模及超大规模集成电路技术的发展，数字系统测量得到普遍应用，特别是单片机对脉冲数字信号的强大处理能力，使得全数字测量系统越来越普及，其转速测量系统也可以用全数字化处理。在各类机电系统中，由于直流电机具有良好的启动、制动和调速性能，直流电机调速系统已广泛运用于工业、航天领域的各个方面。最常用的直流调速技术是脉宽调制（PWM）直流调速技术，具有调速精度高、响应速度快、调速范围宽和损耗低的特点。对直流调速控制电路进行设计来实现对速度的控制、检测、显示；再对直流调速控制主回路进行设计，电动机的控制部分已由模拟控制逐渐让位于以单片机为主的微处理器控制，形成数字和模拟的混合控制系统和纯数字控制的应用，并曾向全数字化控制方向快速发展。三、阅读的主要参考文献及资料名称1 何立民.单片机应用技术选编.北京：北京航空航天大学出版社，1997，102 徐爱钧.智能化测量控制仪表原理与设计. 北京：北京航空航天大学出版社，1995.113 张家定，林幅严，崔宏月.基于MCS-51单片机的直流小电机PWM调速设计J.中国科技论文在线，2007.4 李广弟,朱月秀,王秀山.单片机基础M .北京北京航空航天出版社,2001.5 蔡美琴, 张雅民.Mcs- 51 单片机系统及其应用 M.北京: 高等教育出版社, 1992.6 刘丽,王翔.基于MCS-51单片机的转速测量系统期刊论文-测量测试技术 2007(03)7 张磊,孙国良.电机控制卡设计期刊论文-电子测量技术 2005(06)8 李彩云，胡洪波.PWM 技术在直流电机调速中的应用J.南昌高专学报，2008.9 金发庆等编. 传感器技术与应用.北京机械工业出版社,200210 王锦标，方崇智过程计算机控制北京：清华大学出版社，1997；364011 邵惠鹤工业过程高级控制上海：上海交通大学出版社，1997；5862，7810112 胡寿松自动控制原理北京：国防工业出版社，2000；10312413 C语言程序设计 （第四版） 谭浩强 著四、 国内外现状和发展趋势与研究的主攻方向在目前的传动系统中，尽管交流电机在调速领域取得了飞速的发展，在许多领域取代了直流电机。直流电动机拥有良好的起动、制动性能,适用在大范围内的平滑调速,在许多需要调速或快速正反向的电力拖动系统中得到了广泛应用。随着单片机应用技术日新月异发展,许多控制功能及算法都可以采用软件的技术来完成,不但为直流电动机的控制提供了更大的灵活性,而且使系统达到更高的性能,大大节约了人力资源，降低了系统成本，更有效地提高了系统工作效率。随着电力开关半导体器件的发展，直流电机脉宽调制（PWM）直流调速技术得到了飞速发展，它具有的调速精度高、响应速度快、调速范围宽和耗损低等特点，使之成为直流电机应用的主要调速方式。DS18B20 数字温度计提供9至12位温度读数，指示器件的温度。信息经过单线接口送入DS18B20或送出，因此从中央处理器到DS18B20仅需连接一条（和地）。读、写和完成温度变换所需的电源可以有数据线本身提供，而不需要外部电源。因为每一个DS18B20有唯一的系列号，因此多个DS18B20可以存在于同一条单线总线上。这允许在许多不同的地方放置温度灵敏器件。此特性的应用范围包括HVAC环境控制，建筑物、设备或机械内的温度检测，以及过程监视和控制中的温度检测。五、主要研究内容、需重点研究的关键问题及解决思路这个课题主要涉及以51单片机作为核心控制芯片，利用PWM控制原理来调节电动机的转速， 同时利用光电感器来采集电机转速，用温度传感器采集温度数据，并经单片机检测后在显示器上显示出转速值和温度值，而单片机则根据传感器输出的脉冲信号来分析转速的过程量。硬件接法根据定义，单线总线只有一根线：这一点很重要的，即线上的第一个器件能在适当的时间驱动该总线。为了做到这一点第一个连接到总线上的器件必须具有漏极开路或三态输出。DS18B20的单线接口。多站总线由单线总线和多个与之相连的从属器件组成。单线总线要求近似等于5k。单线总线的空闲状态是高电平。不管任何原因，如果执行需要被挂起，那么，若要重新恢复执行，总线必须保持在空闲状态。如果不满足这一点且总线保持在低电平时间大于480微秒，那么总线上所有的器件均被复位。1、 系统总体方案框图光电传感器信号处理数据采集接口单片机89c51程序数据显示数据传输按键调速温度传感器 图1 测控系统原理图2、传感器 传感器部分是为了实现对电机转速的检测以及温度的检测，选用光电传感器和温度传感器。3、 人机交互界面选择了点阵式 57 型 LCD ，以分别显示当前电机转速与设定速度。4、 MCU这一部分采用Atmel公司的89C51单片机。六、工作条件计算机一台 光电测速传感器：tp805 温度传感器：ds18b20 单片机：AT89C51 显示：lcd1602 放大器：UA741 电机驱动：L298N 少量导线 图书馆及网络 参考资料七、进度安排 4周 6周、查找资料7周10周、熟悉系统及开发环境10周12周、熟悉硬件及焊接13周14周、程序设计15周16周、系统调试及完善17周18周、毕业设计及答辩八、 指导教师审查意见长江大学毕业论文(设计)指导教师评审意见学生姓名蔡 信鹏专业班级电气109013班毕业论文(设计)题目基于单片机的转速温度智能测控系统设计指导教师李金职 称实验师评审日期评审参考内容：毕业论文(设计)的研究内容、研究方法及研究结果，难度及工，质量和水平，存在的主要问题与不足。学生的学习态度和组织纪律，学生掌握基础和专业知识的情况，解决实际问题的能力，毕业论文(设计)是否完成规定任务，达到了学士学位论文的水平，是否同意参加答辩。评审意见： 指导教师签名： 评定成绩（百分制）：_分第XVI页长江大学毕业论文(设计)评阅教师评语学生姓名蔡 信鹏专业班级电气109013班毕业论文(设计)题目基于单片机的转速温度智能测控系统设计评阅教师职 称评阅日期评阅参考内容：毕业论文(设计)的研究内容、研究方法及研究结果，难度及工作量，质量和水平，存在的主要问题与不足。学生掌握基础和专业知识的情况，解决实际问题的能力，毕业论文(设计)是否完成规定任务，达到了学士学位论文的水平，是否同意参加答辩。评语：评阅教师签名： 评定成绩（百分制）：_分长江大学毕业论文(设计)答辩记录及成绩评定学生姓名蔡信鹏专业班级电气109013班毕业论文(设计)题目基于单片机的转速温度智能测控系统设计答辩时间 年 月 日 时答辩地点一、答辩小组组成答辩小组组长：成 员：二、答辩记录摘要答辩小组提问（分条摘要列举）学生回答情况评判三、答辩小组对学生答辩成绩的评定（百分制）：_分 毕业论文(设计)最终成绩评定(依据指导教师评分、评阅教师评分、答辩小组评分和学校关于毕业论文(设计)评分的相关规定)等级(五级制)：_答辩小组组长(签名) ： 秘书(签名)： 年 月 日院(系)答辩委员会主任(签名)： 院(系)(盖章)基于单片机的速度与温度智能测控系统设计中文摘要学 生：蔡信鹏，电子信息工程学院指导老师：李金，电子信息工程学院摘 要近年来随着计算机在社会领域的渗透, 单片机的应用正在不断地走向深入，同时带动传统控制检测日新月益更新。在实时检测和自动控制的单片机应用系统中，单片机往往是作为一个核心部件来使用，仅单片机方面知识是不够的，还应根据具体硬件结构，以及具体应用对象特点的软件结合，以作完善。本设计系统的直流电机测速系统由微控制器、信号采集电路、显示电路、电机驱动电路、按键及温度采集模块等部分组成。处理器采用单片机AT89C51，信号采集部分使用光电传感器和码盘构成的码盘式转速测量传感器，用LCD1602液晶作为显示器。光电传感器和码盘构成转速测量传感器，将转速信号转变为脉冲信号，经过整形电路后送给单片机处理，单片机把转速数据送到LCD1602进行显示；温度传感器DS18B20传感器，将所采集的温度数据传送给单片机处理，单片机把数据转换并传递给LCD1602进行显示。按键用来对电机进行调速，并采用L298作为直流电机驱动的核心部分。本系统还具有对直流电机控速的功能。关键字单片机 光电传感器 LCD1602 DS18B20 L298 UA741Based on single chip microcomputer speed- temperature control system designAbstractSudent：Cai xinpeng，School of electionic informationTeacher：Li Jin，School of electionic information Abstract:In recent years, with the computer penetration in the social field, the application of SCM is to keep at the same time, traditional control testing update on Crescent benefits. In real-time detection and automatic control system of single-chip applications, often as a single-chip core component to use only single-chip is not enough knowledge, but also the specific hardware structure and the specific features of application software objects combine to make perfect. this design the dc motor speed system by the microcontroller, signal acquisition circuit, display circuit and infrared remote control module, motor drive circuit, buttons, etc parts. Processor USES the single chip microcomputer AT89C51, signal acquisition part using photoelectric tube and encoder code disc rotation speed measuring sensor, used LCD1602 LCD display. Photoelectric tube and encoder a speed measuring sensor, the speed signal into pulse signal, after shaping circuit to single chip processing, microcontroller send speed data LCD1602 display, buttons and infrared remote control used for motor speed, this system also has the function of dc mechanical control speed. key words: single chip microcomputer photoelectric tube LCD1602 DS18B20 L298参考文献第1章 绪 论1.1课题的背景及其意义二十一世纪是科技高速发展的信息时代，电子技术、微型单片机技术的应用更是空前广泛，伴随着科学技术和生产的不断发展，需要对各种参数进行温度测量。因此温度一词在生产生活之中出现的频率日益增多，与之相对应的，温度控制和测量也成为了生活生产中频繁使用的词语，同时它们在各行各业中也发挥着重要的作用。如在日趋发达的工业之中，利用测量与控制温度来保证生产的正常运行。在农业中，用于保证蔬菜大棚的恒温保产等。温度是表征物体冷热程度的物理量，温度测量则是工农业生产过程中一个很重要而普遍的参数。温度的测量及控制对保证产品质量、提高生产效率、节约能源、生产安全、促进国民经济的发展起到非常重要的作用。由于温度测量的普遍性，温度传感器的数量在各种传感器中居首位。而且随着科学技术和生产的不断发展，温度传感器的种类还是在不断增加丰富来满足生产生活中的需要。在可调速传动系统中，按照传动电动机的类型来分，可分为两大类：直流调速系统和交流调速系统。交流电动机直流具有结构简单、价格低廉、维修简便、转动惯量小等优点，但主要缺点为调速较为困难。相比之下，直流电动机虽然存在结构复杂、价格较高、维修麻烦等缺点，但由于具有较大的起动转矩和良好的起、制动性能以及易于在宽范围内实现平滑调速，因此直流调速系统在一些对调速性能要求较高的系统中有很大的使用价值。1964年A.Schonung和H.stemmler首先提出把PWM技术应用到电机传动中从此为电机传动的推广应用开辟了新的局面。进入70年代以来，体积小、耗电少、成本低、速度快、功能强、可靠性高的大规模集成电路微处理器已经商品化，把电机控制推上了一个崭新的阶段，以微处理器为核心的数字控制（简称微机数字控制）成为现代电气传动系统控制器的主要形式。PWM常取代数模转换器（DAC）用于功率输出控制，其中，直流电机的速度控制是最常见的应用。1.2课题研究的内容及要求本次的毕业设计的题目是单片机速度温度智能控制系统设计。它是多种技术知识的结合，不仅涉及到软件的设计，而且还将应用电子技术与单片机的应用技术有机结合，使其具有精度高、测量误差小、稳定性好等特点。电路板的设计技术和机械加工工艺的巧妙结合，使其具备了显示直观、体积做工精细等特点，能为它在其它领域的广泛应用打下良好的基础。因为经过我们调查发现许多应用场合原来就有测温控温仪器，只是随着对生产质量与生产需要的要求在不断地提高，以往的那些测温控温的仪器根本不能满足现在的要求。其中，有部分应用场合对精度提高的幅度要求也不是特别高。因此，为了提高性价比，我所设计的系统提出在原有系统的基础上进行一些简单的改良，以此为出发点，主要阐述的是水温自动控制系统的一种实现方法。本文所要研究的课题是基于单片机速度温度智能控制系统的设计，主要是介绍了对运转电机速度与温度的显示和控制，实现了速度温度的实时显示及控制。温度控制部分，提出了用DS18S20和LCD1602的硬件电路完成对水温的实时检测及显示，利用DS18S20与单片机连接由软件与硬件电路配合来实现对加热电阻丝的实时控制及超出设定的上下限温度的报警系统。速度部分，提出用光电传感器，L298，UA741和LCD1602的硬件电路完成对速度信息的采集，对电机的驱动和速度数据的显示。1.3课题的研究方案按照系统的设计功能要求，我们设计的直流电机测速系统采用单片机软件系统实现，用单片机的自动控制能力配合按键，来控制电机转速的设定和检测及显示。确定设计系统由单片机主控模块、电机驱动模块、测速模块、显示模块、键盘接口模块和测温模块共六个模块组成。 第44页（共44页）第2章 设计理论基础2.1 AT89C51系列单片机介绍2.1.1 AT89C51系列基本组成及特性AT89C51是一种带4k字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROMFalsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。而在众多的51系列单片机中，要算 ATMEL 公司的AT89C51更实用，也是一种高效微控制器，因为它不但和8051指令、管脚完全兼容，而且其片内的4K程序存储器是FLASH工艺的，这种工艺的存储器，用户可以用电的方式达到瞬间擦除、改写。而这种单片机对开发设备的要求很低，开发时间也大大缩短。AT89C51基本功能描述如下：AT89C51是一种低损耗、高性能、CMOS八位微处理器，而且在其片种还有4k字节的在线可重复编程快擦快写程序存储器，能重复写入/擦除1000次，数据保存时间为十年。它与MCS-51系列单片机在指令系统和引脚上完全兼容，不仅可完全代替MCS-51系列单片机，而且能使系统具有许多MCS-51系列产品没有的功能。AT89C51可构成真正的单片机最小应用系统，缩小系统体积, 增加系统的可靠性，降低了系统成本。只要程序长度小于4k, 四个I/O口全部提供给用户。可用5V电压编程，而且写入时间仅10毫秒, 仅为8751/87C51 的擦除时间的百分之一，与8751/87C51的12V电压擦写相比, 不易损坏器件, 没有两种电源的要求，改写时不拔下芯片，适合许多嵌入式控制领域。AT89C51 芯片提供三级程序存储器锁定加密， 提供了方便灵活而可靠的硬加密手段, 能完全保证程序或系统不被仿制。另外,AT89C51 还具有MCS-51系列单片机的所有优点。1288 位内部RAM, 32 位双向输入输出线, 两个十六位定时器/计时器, 5个中断源, 两级中断优先级, 一个全双工异步串行口及时钟发生器等。AT89C51有间歇、掉电两种工作模式。间歇模式是由软件来设置的, 当外围器件仍然处于工作状态时, CPU可根据工作情况适时地进入睡眠状态, 内部RAM和所有特殊的寄存器值将保持不变。这种状态可被任何一个中断所终止或通过硬件复位。掉电模式是VCC电压低于电源下限, 当振荡器停止振动时, CPU 停止执行指令。该芯片内RAM和特殊功能寄存器值保持不变, 一直到掉电模式被终止。只有VCC电压恢复到正常工作范围而且在振荡器稳定振荡后，通过硬件复位、掉电模式可被终止。2.1.2 AT89C51系列引脚功能AT89C51有40引脚双列直插（DIP）形式。其与80C51引脚结构基本相同，其逻辑引脚图如图2-1。 图1 AT89C51逻辑引脚图各引脚功能叙述如下：1电源和晶振VCC运行和程序校验时加+5VGND接地XTAL1输入到振荡器的反向放大器XTAL2反向放大器的输出，输入到内部时钟发生器（当使用外部振荡器时，XTAL1接地，XTAL2接收振荡器信号）RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时， ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。2I/O（4个口，32根）P0口8位、漏极开路的双向I/O口。当使用片外存储器（ROM、RAM）时，作地址和数据分时复用。在程序校验期间，输出指令字节（需加外部上拉电路）。P0口（作为总线时）能驱动8个LSTTL负载。P1口8位、准双向I/O口。在编程/校验期间，用于输入低位字节地址。P1口可驱动4个LSTTL负载。对于80C51，P1.0T2，是定时器的计数端且位输入；P1.1T2EX，是定时器的外部输入端。这时，读两个特殊输入引脚的输出锁存器应由程序置1。P2口8位、准双向I/O口。当使用片外存储器（ROM及RAM）时，输出高8位地址。在编程/校验期间，接收高位字节地址。P2口可以驱动4个LSTTL负载。P3口8位、准双向I/O口，具有内部上拉电路。P3口提供各种替代功能。在提供这些功能时，其输出锁存器应由程序置1。P3口可以输入/输出4个LSTTL负载。3串行口P3.0RXD（串行输入口），输入。P3.1TXD（串行输出口），输出。4中断P3.2INT0外部中断0，输入。P3.3INT1外部中断1，输入。5定时器/计数器P3.4T0定时器/计数器0的外部输入，输入。P3.5T1定时器/计数器1的外部输入，输入。6数据存储器选通P3.6WR低电平有效，输出，片外存储器写选通。P3.7RD低电平有效，输出，片外存储器读选通。7控制线(共4根)输入：RST复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。EA/Vpp片外程序存储器访问允许信号，低电平有效。在编程时，其上施加21V的编程电压。注意：在加密方式1时，EA将内部锁定为RESET；当EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。输入、输出：ALE/PROG地址锁存允许信号，输出。ALE以1/6的振荡频率稳定速率输出，可用作对外输出的时钟或用于定时。在EPROM编程期间，作输入，输入编程脉冲（PROG）。ALE可以驱动8个LSTTL负载。当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的低位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。注意：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时， ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。输出：PSEN片外程序存储器选通信号，低电平有效。在从片外程序存储器取址期间，在每个机器周期中，当PSEN有效时，程序存储器的内容被送上P0口（数据总线）。PSEN可以驱动8个LSTTL负载。2.1.3 AT89C51系列单片机的功能单元1并行I/O接口：单片机芯片内有一项主要功能就是并行I/O口。51系列共有4个8位的并行I/O口，分别记作P0、P1、P2、P3每个口都包含一个锁存器，一个输出驱动器和输入缓冲器。实际上，它们已被归入专用寄存器之列，并且具有字节寻址和位寻址功能。在访问片外扩展存储器时，低八位地址和数据由P0口分时传送，高八位地址由P2口传送。2定时器/计数器定时器/计数器（timer/counter）是单片机中的重要部件，其工作方式灵活、编程简单，使用它对减轻CPU的负担和简化外围电路都大有好处。C51系列包含有两个16位的可编程定时器/计数器分别称为定时器/计数器T0和定时器/计数器T1；在C51部分产品中，还包含有一个用做看门狗的8位定时器。定时器/计数器的核心是一个加1计数引脚上施加器，其基本功能是加1功能。在单片机的定时器T0或T1中，有一个定时器发生由0到1的跳变时，计数器增1，即为计数功能；在单片机内部对机器周期或其分频进行计数，从而得到定时，这就是定时功能。在单片机中，定时功能和计数功能的设定和控制都是通过软件来进行的。（2.1）定时器/计数器内部结构及其原理：由定时器0、定时器1、定时器方式寄存器TMOD和定时器控制寄存器TCON组成。当定时器/计数器设置为定时工作方式时，计数器对内部机器周期计数，每过一个机器周期，计数器加1，直至计满溢出。定时器的定时时间与系统的振荡频率紧密相关，因为C51系列单片机的一个机器周期由12个振荡脉冲组成，所以，计数频率fc=fosc/12。如果单片机系统采用12MHz晶振，则计数周期为:这是最短的定时周期，适当选择定时器的初值可获取各种定时时间。当定时器/计数器设置为计数工作方式时，计数器对来自输入引脚T0（P3.4）和T1（P3.5）的外部信号计数，外部脉冲的下降沿将触发计数。在每个机器周期的S5P2期间采样引脚输入电平，若前一个机器周期采样值为1，后一个机器周期采样值为0，则计数器加1。新的计数值是在检测到输入引脚电平发生1到0的负跳变后，于下一个机器周期的S3P1期间装入计数器中的，可见，检测一个由1到0的负跳变需要两个机器周期，所以最高检测频率为振荡频率的1/24。计数器对外部输入信号的占空比没有特别的限制，但必须保证输入信号的高电平与低电平的持续时间在一个机器周期以上。3振荡器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内振荡器。石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。当输入至内部时钟信号时要通过一个二分频触发器，而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。4芯片擦除整个PEROM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。在芯片擦除操作中，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。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的内容并且冻结振荡器，禁止所用其他芯片功能，直到下一个硬件复位为止。5中断系统中断系统是单片机的重要组成部分。实时控制、故障自动处理、单片机与外围设备间的数据传送往往采用中断系统。中断系统大大提高了系统的效率。C51系统有关中断的寄存器有4个，分别为中断源寄存器TCON和SCON、中断允许控制寄存器IE和中断优先级控制寄存器IP；中断源有5个，分别为外部中断0请求INT0、外部中断1请求INT1、定时器0溢出中断请求TF0、定时器1溢出中断请求TF1和串行中断请求R1或T1。5个中断源的排列顺序由中断优先级控制寄存器IP和顺序查询逻辑电路共同决定，5个中断源分别对应5个固定的中断入口地址。中断的特点是分时操作，实时处理和故障处理。简单介绍一下本次设计所需的单片机芯片AT89C51的中断系统中要用到的中断类型。（1） 外部中断源AT89C51有INT0和INT1两条外部中断请求输入线,用于输入两个外部中断源的中断请求信号,并允许外部中断源以低电平或负边沿两种中断触发方式来输入中断请求信号。AT89C51究竟工作于哪种中断触发方式,可由用户对定时器控制寄存器TCON中IT0和IT1位状态的设定来选取。AT89C51在每个机器周期的S5P2时对INT0、线上中断请求信号进行一次检测,检测方式和中断触发方式的选取有关。若AT89C51设定为电平触发方式(IT0=0或IT1=0),则CPU检测到INT0、INT1上低电平时就可认定其上中断请求有效;若设定为边沿触发方式(IT0=1或IT1=1),则CPU需要两次检测INT0、INT1线上电平方能确定其上中断请求是否有效,即前一次检测为高电平和后一次检测为低电平时中断请求才有效。（2） 定时器溢出中断源定时器溢出中断由AT89C51内部定时器分的中断源产生,故它们属于内部中断。AT89C51内部有两个16位定时器/计数器,受内部定时脉冲(主脉冲经12分频后)或T0/T1引脚上输入的外部定时脉冲计数。定时器T0/T1在定时脉冲作用下从全“1”变成全“0”时可以自动向CPU提出溢出中断请求,以表明定时器T0或T1的定时时间已到。 （3） 串行口中断源串行口中断由AT89C51内部串行口的中断源产生,也是一种内部中断。串行口中断分为串行口发送中断和串行口接收中断两种。在串行口进行发送/接收数据时,每当串行口发送/接收完一组串行数据时串行口电路自动使串行口控制寄存器SCON中的RI或TI中断标志位置位，并自动向CPU发出串行口中断请求,CPU响应串行口中断后便立即转入串行口中断服务程序执行。因此,只要在串行口中断服务程序中安排一段对SCON中RI和TI中断标志位状态的判断程序,便可区分串行口发生了接收中断请求还是发送中断请求。（4） 中断标志AT89C51在S5P2时检测(或接收)外部(内部)中断源发来的中断请求信号后先使相应中断标志位置位,然后便在下个机器周期检测这些中断标志位状态,以决定是否响应该中断。2.2调速原理对于直流电机的控制无非是控制其转向以及速度，转向的控制方法比较简单只要改变电机的通电极性就可改变其旋转方向，拟重点讨论如何对其速度进行控制及对其调速可采用的办法。此次设计中我们采用PWM控制调速，PWM控制是指在保持周期不变的情况下通过调节开关导通的时间对脉冲宽度进行调制从而达到调节电机转速的目的。2.3测速原理电子式定时计数测量频率的方法一般有三种：测频率法:在一定时间间隔t内，计数被测信号的重复变化次数N，则被测信号的频率可表示为 （1）测周期法：在被测信号的一个周期内，计数时钟脉冲数，则被测信号频率，其中，为时钟脉冲信号频率。多周期测频法:在被测信号个周期内，计数时钟脉冲数，从而得到被测信号频率，则可以表示为，由测量准确度确定。本次设计中我们将测周发和测频法结合使用，在低转数的时候我们采用测周法，其他时候采用测频法，这样可以大大提高转速测量精度。 图2 测速图2.4转速的理论计算光电对管和码盘构成转速测量传感器将转速信号转变为脉冲信号 ,通过单片机测得脉冲信号的周期为T，我们使用的码盘上有8个孔，由此可以计算出电机的转速r。周期T和转速r的关系如下： r=60/8T 单位为转/每分钟。 2.5数字温度计DS18B20在传统的模拟信号远距离的温度测量系统中，需要很好的解决引线误差补偿问题、多点切换误差问题和放大电路零点漂移误差问题等技术。另外考虑到一般的测量现场的电磁环境非常的恶劣，各种干扰信号较强，模拟信号很容易受到干扰而产生测量误差，影响测量精度。因此，在温度测量系统中，采用抗干扰能力较强的新型数字温度传感器是解决这些问题的最有效的方案。在实际的温度测量过程中被广泛应用，同时也取得了良好的测量效果。2.5.1DS18S20数字温度计的主要特性：1DS18S20的适应电压范围更宽，其范围为：3.0-5.5V，而且它能够直接由数据线获取电源(寄生电源)，无需外部工作电源。2DS18S20提供了9位摄氏温度测量，具有非易失性、上下触发门限用户可编程的报警功能。3DS18S20通过1-Wire总线与中央微处理器通信，仅需要单根数据线(或地线)。同时，在使用过程中，它不需要任何的外围的元件，全部的传感元件和转换电路集成在形状如一只三极管的集成电路内。 4DS18S20具有-55C至+125C的工作温度范围，在-10C至+85C温度范围内精度为0.5C。5每片DS18S20具有唯一的64位序列码，这些码允许多片DS18S20在同一条1-Wire总线上工作，因而，可方便地使用单个微处理器控制分布在大范围内的多片DS18S20器件。6DS18S20的测量结果直接输出数字温度信号，以“一线总线”串行传送给CPU，同时还可以传送给CRC校验码，它具有极强的抗干扰纠错的能力。 图 3 管脚图7DS18S20具有负载特性，当电源极性接反时，芯片不会因发热而烧毁，但是不能正常的工作。图4 原理图根据以上这些特性而从中受益的应用包括：HVAC环境控制、室内，设备或者机器内部的温度监测系统、过程监控和控制系统。2.6光电传感器光电传感器是通过把光强度的变化转换成电信号的变化来实现控制的。光电传感器在一般情况下，有三部分构成，它们分为：发送器、接收器和检测电路。发送器对准目标发射光束，发射的光束一般来源于半导体光源，发光二极管(LED)、激光二极管及红外发射二极管。光束不间断地发射，或者改变脉冲宽度。接收器有光电二极管、光电三极管、光电池组成。在接收器的前面，装有光学元件如透镜和光圈等。在其后面是检测电路，它能滤出有效信号和应用该信号。此外，光电开关的结构元件中还有发射板和光导纤维。三角反射板是结构牢固的发射装置。它由很小的三角锥体反射材料组成，能够使光束准确地从反射板中返回，具有实用意义。它可以在与光轴0到25的范围改变发射角，使光束几乎是从一根发射线，经过反射后，还是从这根反射线返回。图5 实物图 图6 逻辑功能图2.7电机驱动芯片L298L298N是SGS公司的产品，内部包含4通道逻辑驱动电路。是一种二相和四相电机的专用驱动器，即内含二个H桥的高电压大电流双全桥式驱动器，接收标准TTL逻辑电平信号，可驱动46V、2A以下的电机。L298是一款单片集成的高电压、高电流、双路全桥式电机驱动，设计用于连接标准TTL逻辑电平，驱动电感负载（诸如继电器、线圈、DC和步进电机）。L298提供两个使能输入端，可以在不依赖于输入信号的情况下，使能或禁用L298器件。L298低位晶体管的发射器连接到一起，而其对应的外部端口则可用来连接一个外部感应电阻。L298还提供一个额外的电压输入，所以其逻辑电路可以工作在更低的电压下。2.8放大器UA741uA741M，uA741I，uA741C（单运放）是高增益运算放大器，用于军事，工业和商业应用.这类单片硅集成电路器件提供输出短路保护和闭锁自由运作。 这些类型还具有广泛的共同模式，差模信号范围和低失调电压调零能力与使用适当的电位。 uA741M，uA741I，uA741C芯片引脚和工作说明：1和5为偏置(调零端)，2为正向输入端，3为反向输入端，4接地，6为输出，7接电源 8空脚。图7 引脚图物理量的感测在一般应用中，经常使用各类传感器将位移、角度、压力、与流量等物理量转换为电流或电压信号，之后再由量测此电压电流信号间接推算出物理量变化，以达成感测、控制的目的。但有时传感器所输出的电压电流信号可能非常微小，以致信号处理时难以察觉其间的变化，故需要以放大器进行信号放大以顺利测得电流电压信号，而放大器所能达成的工作不仅是放大信号而已，尚能应用于缓冲隔离、准位转换、阻抗匹配、以及将电压转换为电流或电流转换为电压等用途。现今放大器种类繁多，一般仍以运算放大器(OperationalAmplifier,OpAmp)应用较为广泛。 第3章 系统硬件电路的设计3.1 单片机最小系统电路设计（主控电路） 图8 单片机最小系统3.2电机驱动电路设计 图9 电机驱动电路设计L298有两路电源分别为逻辑电源和动力电源，上图中6V为逻辑电源，12V为动力电源。J4接入逻辑电源，J69接入动力电源，J1与J2分别为单片机控制两个电机的输入端，J3与J5分别与两个电极的正负极相连。ENA与ENB直接接入6V逻辑电源也就是说两个电机时刻都工作在使能状态，控制电机的运行状态只有通过J1与J2两个接口。由于我们使用的电机是线圈式的，在从运行状态突然转换到停止状态和从顺时针状态突然转换到逆时针状态时会形成很大的反向电流，在电路中加入二极管的作用就是在产生反向电流的时候进行泄流，保护芯片的安全。3.3测速电路的设计 测速电路主要由采集电路和整形电路两部分。采集电路中应用了比较常见的光电测速方法来实现，其具体做法是将电机轴上固定一圆盘，圆盘上绕中心均匀对称分布着4个圆孔，在圆盘的一侧固定一个发光二极管，其位置对准圆孔，在另一侧和发光二极管平行的位置固定一光敏三极管，如果电机转到圆孔处时，发光二极管通过圆孔将光照射到光敏三极管上，三极管导通，反之三极管截止，示意图如图5所示。转盘的圆孔的个数决定了测量的精度，个数越多，精度越高。图10 演示图 这样就可以在单位时间内尽可能多地得到脉冲数，从而避免了因为两个过孔之间的距离过大，而正好在过孔之间或者是在下个过孔之前停止了，造成较大的误差。设计中转盘的圆孔的 实际个数受到技术的限制。为了达到预定的效果设计在转盘过孔的设计上采用4个过孔，从而留下了4个同等的间距。这样在以后的软件设计中能够较为方便的计算出脉冲频率。 图11 采集电路示意图整形电路中我们使用低成本精密 CMOS 运算放大器 ua741构成单限比较器，对采集电路的信号进行整形得到标准的脉冲波信号。整形电路图如图12所示:图12 比较器整形电路 图13 温度传感器接口3.4温度测量设计电路DS18B20温度传感器只有三根外引线：单线数据传输总线端口DQ ，外供电源线VDD，共用地线GND。DS18B20有两种供电方式：一种为数据线供电方式，此时VDD接地，它是通过内部电容在空闲时从数据线获取能量，来完成温度转换，相应的完成温度转换的时间较长。这种情况下，用单片机的一个I/O口来完成对DS18B20总线的上拉。另一种是外部供电方式(VDD接+5V)，相应的完成温度测量的时间较短。在本设计中采用外部供电方式实现DS18B20传感器与单片机的连接，其接口电路如图13所示。3.5显示电路的设计显示电路中我们采用液晶LCD1602。如图14所示图14 显示电路设计3.6键盘接口设计由于按键只用5个，分别为实现电机正转、电机加速、电机减速、电机反转、电机停止。因此我们采用共地的独立式按键如图15所示。当有按键按下时,与按键相连的IO口会被拉低。这样通过单片机就可以通过单片机来扫描按键了。 图15 按键图 第4章 系统软件设计硬件电路完成以后，进行系统软件设计。首先要分析系统对软件的要求，然后进行软件的总体的设计，包括程序的总体设计和对程序的模块化设计。按整体功能分为多个不同的模块，单独设计、编程、调试，然后将各个模块装配联调，组成完整的软件。根据设计的要求，单片机的任务是：内部进行计数，在计算出速度后显示。在进行C程序编译与调试时我们使用keil uvision4软件来进行仿真。4.1程序总体设计 主流程图如图16所示：有没有有键按下？没有有 处理子程序键处理子程序 系统初始化 显示初始化 调用按键子程序外部信号？ 开始定时中断1 设定定时初值中断返回 设定定时初值中断返回定时器0接收测量值子程序中断返回外部中断1计算周期和转速 图16 主流程图 4.2键盘扫描的