基于单片机的智能转速表

基于单片机的智能转速表 届 别2011 学 号200714110237 毕业论文 基于单片机的智能转速表 姓 名 彭 过 系 别、专 业 物电系、电子信息科学与技术 导师姓名、职称 邝劲松、讲师 完 成 时 间 2011-03-20 目录 摘要 .......................................................................................................................... 3 Abstract .................................................................................................................. 4 1 转速表概述 ........................................................................................................... 5 1.1国内外研究动态 ......................................................................................... 5 1.2单片机智能转速表的基本构造和特点 ............................................... 5 2 设计工具的选择 ................................................................................................... 6 2.1 霍尔传感器的论证与选择 ......................................................................... 6 2.2 单片机模块论证与选择 ............................................................................. 6 2.3 显示模块论证与选择 ................................................................................. 6 2.4报警模块论证与选择 .................................................................................. 7 2.5 电源模块论证与选择 ................................................................................. 7 3 总体硬件设计 ....................................................................................................... 8 3.1霍尔传感器及其原理 .................................................................................. 8 3.1.1 霍尔元件 ......................................................................................... 8 3.1.2 转速测量方法 .................................................................................. 9 3.2 89C51 ........................................................................................................ 10 4 系统软件设计 ..................................................................................................... 14 4.1 设计思想 .................................................................................................. 14 4.2 总体软件流程 .......................................................................................... 14 5 软件部分(仿真和调试).................................................................................. 16 5.1 Proteus软件 ........................................................................................... 16 5.1.1 Proteus简介 ................................................................................. 16 5.1.2 用Proteus绘制原理图步骤......................................................... 16 参考文献 ................................................................................................................ 21致谢 ........................................................................................................................ 22 附录 ........................................................................................................................ 23 摘要 转速表是机械行业必备的仪器之一，在自动化生产设备和旋转运动装置中应用十分广泛。它可以用来测定电机的转速、线速度或频率。常用于电机、电扇、造纸、塑料、化纤、洗衣机、汽车、飞机、轮船等制造业。本文设计的智能转速表其最大特点是是把单片机装在转速表中，使其成为一个完整的智能化仪器。通过由霍尔传感器、放大电路、整形电路和89C51单片机等组成的测量电路进行数据采集，通过设计软件进行计算、控制。所得转速由串行口送出到LED数码管显示出来。另外还有转速超限报警功能，用与单片机输入输出口连接的控制键输入转速上限，当所测量的转速超过这个值时，发出报警声。 关键词:转速表;霍尔传感器;89C51单片机;LCD;报警 Abstract Revolution meter is one of the necessary instruments of mechanical industry. In automatic production equipment and rotational motion device used widely. It can be used to determine motor speed, linear velocity or frequency. Often used in motor, electric fan, paper, plastics, chemical fiber, washing machines, cars, planes and ships and other manufacturing industries . This paper design intelligent revolution meter characteristic is its biggest the microcontroller installed in revolution meter, making it a complete intelligent instrument . Through the hall sensors, amplifying circuit, plastic circuit and 89C51 etc measurement circuit data collection, through the design software calculate, control. Income by serial port speed sent out to display LED digital tube. Another speed overrun alarm function, use and single-chip microcomputer control input output connection speed limit, when key input are measured values over the rotating speed, alarm sound. Key words: Revolution meter; Hall sensor;89C51 Microcompute; alarm 1 转速表概述 转速表是机械行业必备的仪器之一，在自动化生产设备和旋转运动装置中应用十分广泛。它可以用来测定电机的转速、线速度或频率。用于多种工业领域。转速表包括离心式转速仪、磁性转速仪、电动式转速仪、磁电式转速仪、闪光式转速仪、电子式转速仪等类型。目前广泛使用的普通式转速表，其电路结构比较复杂，稳定性差, 成本高, 抗干扰能力差,测量精度与范围不能兼顾,而且采样的时间长，难以测得瞬时转速，更不具备如转速值的永久存储、报警值设置等功能。 1.1国内外研究动态 单片机为智能化仪器的设计提供了既经济又先进的技术手段。随着大规模集成电路的发展，微型计算机的应用愈来愈广泛，愈来愈深入。其中单片机构成的嵌入式系统已经愈来愈受到人们的关注。现在可以毫不夸张的说:没有微型计算机的仪器不能称为先进的仪器。嵌入式系统正是为了适应这一领域的需要而发展起来的一门新技术。单片机嵌入式系统是内部含有微型计算机用于完成智化功能的电子系统。它是先进的半导体技术、计算机技术和信息技术与各个行业的具体应用相结合的产物。它最大的特点是它的“嵌入”性，也就是它“嵌入”到仪器仪表的内部，使用者甚至感觉不到它的存在，但它却在那里“默默”地工作。它的优点是体积小、成本低、功能强、智能化。 1.2单片机智能转速表设计的基本构造和特点 通过由传感器、放大电路、整形电路和单片机等组成的测量电路进行数据采集，通过设计软件进行计算、控制。所得转速由串行口送出到LED数码管组成的4位静态显示电路，用以显示转速。另外还有转速超限报警功能，用与单片机输入输出口连接的控制键输入转速上限，当所测量的转速超过这个值时，发出报警声音。实现人机对话。(如图1-2) LED 电机 霍尔传整形 89C51 感器 单片机 蜂鸣器 图1-2 2 设计工具的选择 2.1 霍尔传感器的论证与选择 方案一:采用型号为A3144的霍尔片作为霍尔传感器的核心，该霍尔片体积小，安装灵活，价格合理，可用于测速，可与普通的磁钢片配合工作。 方案二:采用型号为CHV-20L的霍尔元器件作为霍尔传感器的核心,该霍尔器件额定电流为100mA,输出电压为5V,电源为12,15V。体积较大，价格昂贵。 因此选择方案一。 2.2 单片机模块论证与选择 方案一:采用型号为AT89C51的单片机作为主控制器，使用霍尔传感器进行测量的直流电机转速测量系统。AT89C51是带4K字节闪烁可编程擦除只读存储器的低电压、高性能CMOS8位微处理器。它将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，为许多控制提供了灵活性高且价格低廉的 [3]方案。 方案二:采用单片机C8051F060作为主控制器，使用霍尔传感器进行测量的直流电机转速测量系统。C8051F060系列单片机是美国CYGNAL公司推出的一种与51系列单片机内核兼容的单片机。C8051F060作为新一代8051单片机，具有功能强大、体积小、工作稳定等特点，适用于复杂控制系统。 因此选择方案一。 2.3 显示模块论证与选择 方案一:采用LED数码管动态扫描,LED数码管价格适中,亮度高，显示数字合适。 方案二:采用点阵式数码管显示，点阵式数码管是由八行八列的发光二极管组成，对于显示简单文字比较适合,如果显示数字则浪费资源,而且价格也相对较高。 方案三:采用LCD液晶显示屏,液晶显示屏的显示功能强大,可显示大量文字,图形,显示多样,清晰可见,并且连接很方便 ,所以在此设计中采用了LCD液晶显示屏。 因此选择方案一。 2.4报警模块论证与选择 方案一:采用蜂鸣器与发光二极管作为声光报警主要器件。该方案不论在硬件焊接方面还是在编写软件方面都简单方便，而且成本低廉。 方案二:采用语音播报系统作为声光报警的核心。该方案更具人性化、智能化，但是就该设计要求而言，方案过于复杂，相对成本过高，工作量偏大。 因此选择方案一。 2.5 电源模块论证与选择 方案一:采用交流220V/50Hz电源转换为直流5V电源作为电源模块。该方案实施简单，电路搭建方便，可作为单片机开发常备电源使用。 方案二:采用干电池串并联达到5V作为电源模块。该方案实施简单，无需搭建电路，但相对该方案不够稳定，电池耗电快，带负载后压降过高，可能无法使系统稳定持续运行。 方案三:采用可充电锂电池结合稳压模块作为电源模块。该方案简单易行，而且相对稳定、误差小，但该方案相对价格过高，针对该设计要求性价比低。 因此选择方案一。 3 总体硬件设计 3.1霍尔传感器及其原理 3.1.1 霍尔元件 根据霍尔效应，人们用半导体材料制成的元件叫霍尔元件。它具有对磁场敏感、结构简单、体积小、频率响应宽、输出电压变化大和使用寿命长等优点，因此，在测量、自动化、计算机和信息技术等领域得到广泛的应用。 霍尔传感器A3144是Allegro MicroSystems公司生产的宽温、开关型霍尔效应传感器，其工作温度范围可达-40?,150?。它由电压调整电路、反相电源保护电路、霍尔元件、温度补偿电路、微信号放大器、施密特触发器和OC门输出极构成，通过使用上拉电阻可以将其输出接入CMOS逻辑电路。该芯片具有尺寸小、稳定性好、灵敏度高等特点，有两种封装形式，一种是3脚贴片微小型封装，后缀为“LH”;另一种是3脚直插式封装，后缀为“UA”。 A3144E系列单极高温霍尔效应集成传感器是由稳压电源，霍尔电压发生器，差分放大器，施密特触发器和输出放大器组成的磁敏传感电路，其输入为磁感应强度，输出是一个数字电压讯号。它是一种单磁极工作的磁敏电路，适用于矩形或者柱形磁体下工作。可应用于汽车工业和军事工程中。 霍尔传感器的外形图和与磁场的作用关系如图3-1所示。磁场由磁钢提供，所以霍尔传感器和磁钢需要配对使用。 霍尔元件和磁钢 管脚图 图3-1 霍尔传感器的外形图 该霍尔传感器的接线图如图3-2所示。 图3-2 霍尔传感器的接线图 测量电机转速的第一步就是要将电机的转速表示为单片机可以识别的脉冲信号，从而进行脉冲计数。霍尔器件作为一种转速测量系统的传感器，它有结构牢固、体积小、重量轻、寿命长、安装方便等优点，因此选用霍尔传感器检测脉冲信号，其基本的测量原理如图2-6所示，当电机转动时，带动传感器运动，产生对应频率的脉冲信号，经过信号处理后输出到计数器或其他的脉冲计数装置，进行转速的测量。如图3-3。 图3-3 霍尔器件测速原理 3.1.2 转速测量方法 转速的测量方法很多，根据脉冲计数来实现转速测量的方法主要有M法(测频法)、T法(测周期法)和MPT法(频率周期法)，该系统采用了M法(测频法)。由于转速是以单位时间内转数来衡量，在变换过程中多数是有规律的重复运动。根据霍尔效应原理，将一块永久磁钢固定在电机转轴上的转盘边沿，转盘随侧轴旋转，磁钢也将跟着同步旋转，在转盘下方安装一个霍尔器件，转盘随轴旋转时，受磁钢所产生的磁场的影响，霍尔器件输出脉冲信号，其频率和转速成正比。脉冲信号的周期与电机的转速有以下关系: 60n= (2-1) PT 式中:n为电机转速;P为电机转一圈的脉冲数;T为输出方波信号周期。根据 2-1)即可计算出直流电机的转速。 式( 霍尔器件是由半导体材料制成的一种薄片，在垂直于平面方向上施加外磁场B，在沿平面方向两端加外电场，则使电子在磁场中运动，结果在器件的两个侧面之间产生霍尔电势。其大小和外磁场及电流大小成比例。霍尔开关传感器由于其体积小，无触点，动态特性好，使用寿命长等特点，故在测量转动物体旋转速度领域得到了广泛应用。 3.2 89C51 (1).主要特性: 89c51 CPU与MCS-51 兼容， ? 4K字节可编程FLASH存储器(寿命:1000写/擦循环) ? 全静态工作:0Hz-24KHz ? 三级程序存储器保密锁定 ? 128*8位内部RAM ? 32条可编程I/O线 ? 两个16位定时器/计数器 ? 6个中断源 ? 可编程串行通道 ? 低功耗的闲置和掉电模式 ? 片内振荡器和时钟电路 VCCP1.0140 (AD0)P0.0P1.1392 P1.238P0.1(AD1)3 4P1.3P0.2(AD2)37 P1.45P0.3(AD3)36 6P0.4(AD4)P1.535 P1.6734P0.5(AD5) 833P0.6(AD6)P1.7 RST932P0.7(AD7) 89C51(RXD)P3.01031EA/VPP P3.1ALE/PROG(TXD)1130 (INTO)P3.21229PSEN 13(INT1)P3.3P2.7(A15)28 (T0)(A14)P3.414P2.627 (T1)P3.5(A13)15P2.526v(A12)P2.4(RD)P3.61625 24P2.3(A11)(WR)P3.717 XTAL223P2.2(A10)18 XTAL11922P2.1(A9) P2.0GND2021(A8) 图3-4 89C51引脚图 (2)(管脚说明: VCC:供电电压。 GND:接地。 P0口:P0口为一个8位漏极开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。 P1口:P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。 P2口:P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势， 当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。 P3口:P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流(ILL)这是由于上拉的缘故。 P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口 P3.0 RXD(串行输入口) P3.1 TXD(串行输出口) P3.2 /INT0(外部中断0) P3.3 /INT1(外部中断1) P3.4 T0(记时器0外部输入) P3.5 T1(记时器1外部输入) P3.6 /WR(外部数据存储器写选通) P3.7 /RD(外部数据存储器读选通) P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。 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。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。 /PSEN:外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。 /EA/VPP:当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器(0000H-FFFFH)，不管是否有内部程序存储器。注意加密方式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)。 XTAL1:反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。 XTAL2:来自反向振荡器的输出。 (3).振荡器特性: 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。有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此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。 此外，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。 4 系统软件设计 4.1 设计思想 本系统采用89C51中的中断对转速脉冲计数。定时器T0工作于定时方INT0 式，工作于方式1。每到1s读一次外部中断计数值，此值即为脉冲信号的INT0 频率，代表的即是电机的转速。 4.2 总体软件流程 先进行初始化设置各定时器初值，然后判断是否启动系统进行测量。如果是，就启动系统运行。如果不是就等待启动。启动系统后，霍尔传感器检测脉冲到来后，启动外部中断，每来一个脉冲中断一次，记录脉冲个数。同时启动T0定时器工作，每1秒定时中断一次，读取记录的脉冲个数，即电机转速。连续采样三次，取平均值记为一次转速值。再进行数值的判断，若数值高于5000r/min则报警并返回初始化阶段，否则就进行正常速度液晶显示。如图4-1所示。 开始 初始化 N 是否启动, Y等待中断N3次中断完 毕? Y数据滤波处理是否达到报Y 警器的值, N显示处理 图4-1 主流程图 5 软件部分(仿真和调试) 5.1 Proteus软件 5.1.1 Proteus简介 Proteus是基于SPICE3F5仿真引擎的混合电路仿真软件，不仅能够仿真模拟、数字电路以及模数混合电路，更具特色的是它能够仿真基于单片机的电子系统。Proteus不但完全支持MCS-51及其派生系列单片机的设计系统，另外也能仿真基于AVR和PIC系列的单片机系统。Proteus的仿真资源Proteus软件可提供的模拟、数字、交(直)流等元器件达30多个元件库，共计数千种。此外，对于元件库中没有的器件，使用者也可依照需要自己创建。软件调试方面，其自身只带汇编编译器，不支持C语言。但可以将它与KeilC51集成开发环境连接，将用汇编和C语言编写的程序编译好之后，可以立即进行软、硬件结合的系统仿真，像使 [15]用仿真器一样来调试程序。 当然，软件仿真精度有限，而且不可能所有的器件都找得到相应的仿真模型，用开发板和仿真器当然是最好选择，可是对于单片机爱好者，或者简单的开发应该是比较好的选择。Proteus与其它单片机仿真软件不同的是，它不仅能仿真单片机CPU的工作情况，也能仿真单片机外围电路或没有单片机参与的其它电路的工作情况。因此在仿真和程序调试时，关心的不再是某些语句执行时单片机寄存器和存储器内容的改变，而是从工程的角度直接看程序运行和电路工作的过程和结果。对于这样的仿真实验，从某种意义上讲，是弥补了实验和工程应用间脱节的矛盾和现象。 5.1.2 用Proteus绘制原理图步骤 原理图是在原理图编辑窗口中的蓝色方框内绘制完成的，通过文件中的“新建设计”选项，可以调整原理图设计页面大小。绘制原理图时首先应根据需要选取元器件，Proteus库中提供了大量元器件原理图符号，利用Proteus的搜索功能能很方便地查找需要的元器件。 首先根据需要选择器件。单击元器件列表窗口上边的按钮“P”，弹出如图3-1所示元器件选择窗口。在该窗口左上方的“关键字”栏内键入“AT89C51”,窗口中间的“结果”栏将显示出元器件库中所有AT89C51单片机芯片，选择其中的“AT89C51”，窗口右上方将显示出AT89C51图形符号，同时显示该器件的 虚拟仿真模型，单击“确定”按钮后，AT89C51将出现在器件列表窗口。照此方法选择所有需要的元器件，如图5-1。 5-1 元器件选择图 器件选择完毕后，就可以开始绘制原理图了。先用鼠标从器件选择窗口选中需要的器件，预览窗口将出现该器件的图标。再将鼠标指向编辑窗口并单击左键，将选中的器件放置到原理图中。 放置电源和地线端时，要从“终端”按钮栏中选取。 在两个元器件之间进行连线的方式很简单，先将鼠标指向第一个器件的连接点并单击左键，再将鼠标移到另一个器件的连接点并单击左键，这两个点就连接到一起了。对于相隔较远，直接连线不方便的器件，可以用标号的方式进行连接。 连接后的硬件电路如图5-2所示。 图5-2 硬件电路图 当频率输入是1860HZ，如图5-3 图3-3 频率设定 LED显示为1880，如图5-4 图5-4 转速表所测值 参考文献 [1]蔡美玲,张为民.MCS-51系列单片机系统及其应用(第二版)[M].北京:高等教育出版社，2004 [2]朱定华.Protel 99 SE 原理图和印制板设计[M].北京:清华大学出版社，2007 ]何希才.新型集成稳压器应用实例[M].北京:机械工业出版社，2006 [3 [4]来清民.传感器与单片机接口及实例[M].北京航空航天大学出版社.2008.264,266 [5]牛洁，周静，苟娜.基于霍尔传感器的直流电机转速测量系统设计[J].电子测试.2008(05) [6]徐爱钧.单片机原理实用教程—基于Proteus虚拟仿真[M].北京:电子工业出版社.2009.19,21 [7]于炳亮.电机转速测量方法研究[J].山东科学.2005(05).74,78 [8]丁元杰.单片微型计算机及其应用[M].北京:机械工业出版社,1994年 [9]陈文革 吴宁 程向前. 微型计算机原理与接口技术 清华大学出版社 2002年2月 致谢 毕业设计即将结束，同时也标志我的大学时代也将画上句号，在这里我感到非常怀恋。这次论文的创作过程让我深深认识到自己所学还非常不足，即便踏上社会也必须不断努力提高自己。非常感谢给我论文诸多帮助的老师和同学们，你们的鼓励和热心帮助给予了我信心和前进的力量。再次谢谢你们～ 附录 源程序代码: #include #define Sp P2^7 typedef unsigned char byte; typedef unsigned int word ; byte array[4]; byte disp[]={0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82,0xf8,0x80,0x90,0x88,0x83,0xc6,0xa1, 0x86,0x8e}; byte count=0; word PulseNo=0; void delay( word x){ word t; for(t=0;t1500)for(m=0;m<6553;m++){Sp=~Sp;delay(6555);} array[0]=temp/1000; array[1]=(temp%1000)/100; array[2]=(temp%100/10); array[3]=temp%10; Disp_scan(array); PulseNo=0; count=0; } } }