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1、1 / 35 题目转速测量系统的研究Title Research of the measuring system of the rotational speed指导教师：卢万欣设计者：刘 建精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页，共 35 页2 / 35 摘要本次设计的转速测量系统结构简单，抗干扰能力强，适合应用于各种测量转速的电路中。在设计电路中利用霍尔传感器对被测物体转速进行检测。该系统采用霍尔传感器UGN3144把转速信息转换为电压信号，输出电压经整形电路送入单片机T0 口, 采用软件处理计算出被测物体的转速, 将被测结果过单
2、片机的串行通讯口送入四位7 段 LED显示器显示测量结果。在电路中加入键盘部分，可以通过键盘控制DAC0832的输出电压来调节电机转速快慢。文中阐述了构成该系统的原理、硬件的实现方法和软件的实现方法，还给出各部分的原理框图、电路图及转速测量的程序流程图。关键词：转速监测系统A/D 转换器霍尔传感器精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页，共 35 页3 / 35 Abstract The design of measuring system of the rotational speed not only has a simple s
3、tructure but also has a strong ability of resist the interference. It has an extensive application in measuring system of the rotational speed. In this design of a rotate speed measure system, that use Hall sensor. In thisdesign, it adopts the Hall sensor UGN314change rotate speed information into v
4、oltage outputting, and send the result into the microcomputer for processing the data. It use four seven-segment LED show the result of measurement. Increase the keyboard circuit in the design, it can use the keyboard control the output voltage of DAC0832, it can control the rotate speed measure sys
5、tem. In the design it narrate the theory of the measuring system of the rotational speed, how to use the hardware circuit and the software circuit achieve the design. In this design it also narrate some circuit and the flow of the circuit of the whole theory of the design of measuring system of the
6、rotational speedKey words: rotational speed monitor system, A/D converter Hall sensor 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 3 页，共 35 页I / 35 目录摘要Abstract 第一章绪论 1 第二章总体方案设计2 2.1 方案论证 2 2.2 具体设计方案 4 第三章硬件电路的设计5 3.1 传感器的选择 5 3.2 霍尔式传感器的组成与基本特性7 3.3 集成霍尔传感器9 3.4 信号处理电路 12 3.5 电机调速部分 17 3.6 键盘、显
7、示器部分21 第四章软件部分系统地实现25 4.1 总体设计思想 25 4.2 软件的具体实现26 结论 27 致谢 28 参考文献 29 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页，共 35 页1 / 35 第一章绪论随着科学技术的飞速发展，在工业的实时控制中，在各种机械设备中控制转速的应用逐渐增多。由于转速控制对系统的稳定性有着至关重要的影响 , 转速的检测与控制在工业控制中占有很大的比重。为了准确了解工作的情况并加以实时控制，对转速的检测与控制是十分必要的。目前，虽然在市面上有一些转速测量仪，但它的体积相对庞大、结构复杂、价格比较
8、昂贵，不适用于对体积小的仪器的转速进行测量。本次设计的转速测量系统结构简单，价格低廉，体积小，抗干扰能力强，适合应用于各种测量转速的电路中。在本次设计中，以89C51 为核心，通过测量电机转速的周期来计算出它的频率，用4 位数码管对电机转速进行显示。在转速测量系统中，主要分为电源部分、电机转速信号采集部分、信号处理、数模转换部分、键盘显示部分及软件处理部分。在本设计中加入数模转换部分，利用数模转换部分的输出电压控制直流电机转速的快慢，当检测结果显示直流电机转速低于（高于）正常值时，电路产生报警，熄灭发光二极管，电路还可以通过按键增加（减小）电机的转速。当转速在正常范围内时，每隔2 秒，电路自行
9、对检测结果进行刷新，以用来时时检测电路的准确性。硬件检测部分选用的传感器是霍尔元件，它具有体积小、抗干扰能力强不受温度环境等影响的优点。在所检测的电机上安装一个四等分的码盘并安装磁性元件，通过单片机计数器对霍尔传感器检测时输出的方波进行检测。在控制部分加入复位按键和调速按键，通过调速按键对直流电机进行调速以检测不同速度时显示部分的准确性。显示部分采用 4 个 8 位串行输入并行输出的74LS164作为驱动 4 个共阴极数码管。软件部分采用汇编语言编程。为了使测量结果更加精确。当所测转速较高时采用测量频率的方法对转速进行测量，当测量频率较低时采用测量周期的方法对频率进行测量。精选学习资料 - -
10、 - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 5 页，共 35 页2 / 35 第二章总体方案设计2.1 方案论证方案一采用测量周期的方法通过软件计算出被测物体的频率。测周法主要由计数脉冲形成电路、闸门时间Tx 产生电路、计数显示电路三部分组成。其原理框图如2.1 所示。图 2.1 测周法原理框图从测周法原理框图可以看出，被测信号经放大整形后，形成控制闸门脉冲信号，其宽度等于被测信号的周期Tx。晶体振荡器的输出或经倍频后得到频率为fc的标准信号，其周期为Tc，加于主门输入端，在闸门时间Tx 内，标准频率脉冲信号通过闸门形成计数脉冲，送至计数器计数，经译码器显示计数值
11、N。由此可知，被测周期为Tx=NTc (2-1) 周期是频率的倒数，根据测得被测物体的周期可以计算出每秒中的转速。在此方案设计中采用的传感器是霍尔元件，利用霍尔效应测量被测物体的转速。其工作原理是将永磁铁以1/4 等分的方式固定在一个圆盘上，将圆盘固定在被测物体的转轴上，霍尔元件置于磁铁的边缘但不接触磁铁。当转轴转动时，霍尔元件输出的脉冲信号则包含有转速的信息，将霍尔元件输出的电压经过整形电路整形后再送由单片机进行数据处理，便可得到转速的数据，最后将测得转速用显示器显示出来。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 6 页，共 35 页3 /
12、 35 方案二采用电子计数法测量频率。利用某一信号在T 时间内重复变化了N次，则根据频率的定义，可知该信号的频率为 fz=N/T 计数法测量频率原理的方法主要由时基T 产生电路、计数脉冲形成电路、计数显示电路三部分组成。其原理框图如下：图 2.2 测频法原理框图在此方案中时基T 产生电路的作用就是提供准确的计数时间T。它一般由高稳定的石英晶体震荡器、分频整形电路与门控（双稳）电路组成。计数形成电路主要作用是将被测的周期信号转换为可计数的窄脉冲。计数显示部分主要就是计数被测周期信号重复的次数，显示被测信号的频率。电子计数器的测量实质就是以比较法为基础。它将被测信号频率fx和已知的时基信号频率fc
13、相比，将相比的结果以数字的形式显示出来。测周法和测频法通过计算后都可以算出被测物体的转速，但测周法测量低频电路比较准确，而测频率法主要应用在测量高频电路中。由于本次设计要求转速的测量范围是0-1000 转/ 分，相当于单片机检测到的脉冲信号是0-4000 转/ 分，即 15 毫秒 1 转。而由于单片机可以选用 12MHz的晶振，每执行一个单周期指令只需1S,对于检测 ms级精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 7 页，共 35 页4 / 35 信号可以达到很精确的测量结果。根据体积、价格等因素，在本次设计中选用方案一就可以达到很精确的结果
14、，故在本次设计中采用方案一。2.2 具体设计方案在此方案设计中采用霍尔元件，利用霍尔效应测量被测物体的转速。其工作原理是将永磁铁以1/4 等分的方式固定在一个圆盘上，将圆盘固定在被测物体的转轴上，霍尔元件置于磁体的边缘但不接触磁体。当转轴转动时，霍尔元件输出的脉冲信号则包含有转速的信息，将霍尔元件输出的电压经过整形电路整形后再送由单片机进行数据处理，便可得到转速的数据，最后将测得转速用显示器显示出来。在此方案中主要以AT89C51为核心元件，通过单片机T0 口、T1口对传感器输出的方波信号进行定时和计数。用软件计算周期的倒数算出电机转速的频率。再由单片机的串行通讯口对4 个 8 位串行输入并行
15、输出的 74LS164驱动 4个共阴极数码管显示每秒电机的转速。本方案采用的传感器是霍尔元件。霍尔传感器作为速度测量元件，它的结构简单，使用方便。该设计利用霍尔开关元件测量转速时，在待测旋转体的转轴上装上一个圆盘，在圆盘上装上若干对小磁钢。小磁钢越多分辨率越高。霍尔开关固定在小磁钢附近，当旋转体以角速度 旋转时，每当一个小磁钢转过霍尔开关时，它便会输出一个脉冲，计算出单位时间的脉冲数即可确定旋转体的转速。增加磁钢数可以提高测量转速或转速的分辨率。系统总体原理框图如图2.1 所示。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 8 页，共 35 页5
16、 / 35 图 2.1 系统的原理框图第三章硬件电路的设计3.1 传感器的选择传感器是将非电量转换为与之有确定对应关系电量输出的器件或装置，它本质上是非电系统与电系统之间的转换器件。在非电量测量中，传感器是必不可少的转换元件。利用半导体材料的各种物理效应，可以把被测物理量的变化转换为便于处理的电信号，从而制成各种半导体传感器。随着材料科学的发展和固体物理效应的不断发现，新型的半导体敏感元件不断出现，目前已有热敏、光敏、磁敏、气敏、湿敏等多种类型。制造半导体敏感元件的材料有半导体陶瓷和单晶材料，这两种材料是各有所长、互为补充的。以半导体敏感元件为核心的半导体传感器，具有灵敏度高、响应速度快、结构
17、简单、小型、轻量、价廉、寿命长、便于实现集成化和智能化等特点，在检测技术中正在得到日益广泛的应用。在测量转速时最常用的传感器有光电编码器和霍尔元件。方案一选取光电编码盘作为传感器，用来检测电机转速的快慢。光电编码盘是一种直接编码装置，它可以将角位移转换成数字信号与之对应的电脉冲进行输出。光电编码器主要用于数控机床中，对机械角度位置和旋转速度的检测与控制。光电编码器作为速度敏感元件，将速度精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 9 页，共 35 页6 / 35 大小转化为电脉冲频率的大小，具有低惯性、低噪声、高分辨率，高精度的优点。光电编码器
18、按编码原理划分，可划分为增量式和绝对式两种。光电编码器可分为旋转式和直线式两种。而旋转编码器可做成封闭型，一般价格较高，能承受恶劣条件。在以光电编码器构成的测速系统中，常用的测速方法有三种，即“M法”、“ T法”和“ M/T法”。方案二选取霍尔传感器作为测量码盘转速的传感器, 可以利用霍尔元件输出的脉冲来进行计时 , 从而计算出码盘的转速。霍尔传感器是一种磁敏传感器，它由霍尔元件构成，霍尔元件是利用霍尔效应制成的磁敏元件。在半导体薄片两端面通以控制电流I ，在垂直方向上施加磁感应强度为B的磁场，那么，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电势UH(称为霍尔电势或霍尔电压 ) ，这种现象称为霍尔效应。
19、霍尔效应的产生是由于运行电荷受磁场中洛伦慈力作用的结果。UH可用下式表示： UHRHIB/d (3-1) 式中：RH为霍尔常数； I 为控制电流； B 为磁感应强度； d 为霍尔元件的厚度。令 KHRHd，称为霍尔元件的灵敏度，则得： UHKHIB (3-2) 由式 3-2 可知，霍尔电势的大小正比于控制电流I 和磁感应强度B，一般采用RH大的 N 型半导体材料做霍尔元件，并且用溅射薄膜工艺使 d 做得很小。霍尔传感器将霍尔元件、放大器、温度补偿电路及稳压电源做在一个芯片上构成霍尔传感器。有些霍尔传感器的外形与PID封装的集成电路相同，故也称霍尔集成电路。霍尔传感器分线性型及开关型两种，线性型
20、的输出电压与外加磁场强度呈线性关系，开关型的输出电压仅为高低变化的电平。由于本设计是利用单片机的T0口对外部脉冲的计数和定时的方法来实现单片机对于转速的测量，故在本方案中应用开关型霍尔传感器。虽然光电编码器和霍尔元件作为传感器都可以实现对码盘转速的检测，但考虑到光电编码器上的二极管发射的红外线一旦受到外界的精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 10 页，共 35 页7 / 35 影响就可能无法通过码盘的反光面反射后被光敏三极管接收，就会对检测结果产生误差。而利用霍尔传感器可以实现非接触式转速测量系统，它的好处在于没有磨损和扭矩损失，不发热
21、，而且在很多情况下，采用永磁铁来产生磁场，毋需附加能源。此外，霍尔传感器在低速方面有其独到的优势。采用霍尔传感器与智能转速变送器或智能转速表相结合的测量系统，测量范围最低可测0.01转，精度可达0.1%。鉴于以上霍尔传感器的诸多优点，在本次设计中，传感器选用霍尔元件作为转速检测的传感器。码盘的制作码盘是将一个圆形树脂板四等分，即以树脂板的圆心做空心轴，在树脂板的圆周每隔90 度画一个圆点，在每个圆点处挖一个小坑，用来放置永磁铁，最后用万能胶把永磁铁粘在坑中，把此圆盘的空心轴固定在直流电机的转轴上。如图3.1 所示小磁钢图 3.1 码盘示意图3.2 霍尔式传感器的组成与基本特性利用霍尔效应实现磁
22、电转换的传感器称为霍尔式传感器，它应有几个基本组成部分：霍尔元件、加于激励电极两端的激励电源、与霍尔电极输出端相连的测量电路、产生某种具有磁场特性的装置。电路部分传感器中的基本电路如图3.2 所示。激励电流I 由电源 UE供给，可以是直流电源或交流电源，电位器RP 调节激励电流I 的大小。 RL是霍尔元件输圆盘精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 11 页，共 35 页8 / 35 图 3.2 霍尔电压的基本测量电路出端的负载电阻，它可以是显示仪表或放大电路的输入电阻。霍尔电势一般在毫伏数量级，在实际使用时必须加差分放大器。霍尔元件大体分
23、为线性测量和开关状态两种使用方式，因此输出电路有如图3.3 所示的两种结构。图 3.3 霍尔元件输出电路图（a）线性应用；（b）开关应用由于本次设计是采用单片机的T0口对外部脉冲计数和定时的方法来实现单片机对于转速的测量。霍尔元件的线性型的输出电压与外加磁场强度呈线性关系，开关型的输出电压仅为高低变化的电平。故在本方案中应用开关型霍尔传感器。霍尔传感器的灵敏度和线性度等基本特性要取决于它的磁路系统和霍尔元件的特性，即磁场梯度的大小和均匀性、霍尔元件的材料、几何尺寸、电极的位置与宽度等。另外，由3-2 式可知，提高磁场的精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - -
24、- - - -第 12 页，共 35 页9 / 35 磁感应强度B 和增大激励电流I ，也可获得较大的霍尔电势。但I 的增大受到元件发热的限制。由霍尔式传感器的可动部分只有霍尔元件，而霍尔元件具有小型、坚固、结构简单、无触点、电磁转换惯性小等特点，所以霍尔传感器动态性能好，只有在105 Hz 以上的高频时，才需要考虑频率对输出的影响。3.3 集成霍尔传感器集成霍尔传感器是利用硅集成电路工艺将霍尔元件和测量线路集成在一起的新型霍尔传感器。它具有可靠性高、体积小、重量轻、功耗低等优点，正越来越受到人们重视。按照输出信号的形式，可以分为线性集成霍尔传感器和开关型霍尔传感器两种类型。1线性集成霍尔传感
25、器线性集成霍尔传感器是把霍尔元件和放大线路集成在一起的另一种新型霍尔传感器。其输出信号与外加磁感的应强度成线性关系。它有单端输出和双端输出（差动输出）两种电路。其典型电路如图3.4所示。图 3.4 线性集成霍尔传感器典型电路图中 V1、V2 及 R1 R5组成第一级差分放大， V3V6、R6、R7组成第二级差分放大。第二级差分放大采用达林顿对管，射极电阻R8外精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 13 页，共 35 页接，适当选取R8 的阻值，可以调整该级的工作点，从而改变电路增益。在电源电压为9V ，R8 取 2k时，全电路的增益可达1
26、000 倍左右，与分立元件传感器相比，灵敏度大为提高。2开关型集成霍尔传感器开关型集成霍尔传感器是把霍尔元件的输出经过处理后输出一个高电平或低电平的数字信号。其典型电路如图3.5 所示。其中 H 为霍尔元件， V1、V2 及相应电阻构成差分放大器，将霍尔电压放大几十倍，并消除温度漂移影响，增强抗干扰能力。V3、V4 构成施密特触发器（射极耦合双稳态触发电路），将差分放大输出整形为矩形脉冲，并利用整形中的回差进一步提高抗干扰能力。V5 将整形后的脉冲倒相放大后加图 3.5 霍尔开关集成电路原理线路图至射极跟随器V6，V6 将输出级和放大管V5 隔离，以免带负载时影响霍尔集成电路性能， V8 、V
27、7 构成双管集电极输出，同时输出两个功能相同、电平一致的信号，增加了使用上的方便。开关型集成霍尔传感器的输出电平与磁场感应强度之间的关系如图 3.6 所示。由图可见，开关型集成霍尔传感器的转移特性具有迟滞现象，这是由于V3、V4 共有射极电阻的正反馈作用是它们的饱和电流不相等引起的，其回差宽度 B=BH-BL 。 B 越大，抗干扰能力越强。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 14 页，共 35 页11 / 35 图 3.6 输出电平Uo与 B的关系由于霍尔开关为集电极开路输出，因此正常工作必须在引脚“3”与“4”之间或“ 2”与“ 4”
28、之间接上负载电阻，两个集电极输出端也可以并联使用，此时输出电流能力增加1 倍。霍尔开关正常工作时，常态应处“截止状态”，而不宜处“导通状态”，这样可以延长使用寿命。为防止电源线干扰，引脚“1”、“ 4”间可加接一个0.005 F0.01F 的吸收电容。信号采集电路在信号采集部分选取霍尔元件UNG3144作为采集电路的传感器，UGN3144是工作于高温环境下的敏感型霍尔效应开关元件，其内部结构如图 3.7 所示图 3.7 UGN3144引脚图及内部电路图UGN3144 具有以下特点：1. 于汽车或工业的优良器件2. 需加 4.5V24V的稳压电源3. OC门输出电压适用数字电路4. 配合小型永磁
29、体使用精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 15 页，共 35 页12 / 35 5. 体积小、干扰能力强在本设计中所使用的UGN3144 霍尔开关元件内置有OC门，所以要在元件输出端和电源接入端之间加上一个5k 的上拉电阻。其具体电路如图 3.8 所示。图 3.8 传感器信号采集电路霍尔元件的输出端把电机的转速信号转换为脉冲信号，要检测电机的转速只需要检测出外部脉冲的转速即可。在转速测量中选用89C51的 T0 口对传感器检测并整形的外部脉冲进行计时。由于在码盘上安装的是4 个磁铁，所以要检测到四个外部脉冲的时间才是电机实际上一周的转速
30、。把T0 设置成跳沿触发方式 , 当第一个外部脉冲来临时单片机 T0 开始计脉冲的同时 ,T1 开始计时 , 当对外部脉冲计满4 个单片机产生中断时，停止对T1 计时, 完成对传感器测量电机一个周期的计时工作。3.4 信号处理电路555 定时器的结构与功能555 定时器是一种多用途的数字- 模拟混合集成电路，利用它能方便地构成施密特触发器、单稳态触发器和多谐振荡器。图3.11 所示为国产双极型定时器CB555的电路结构图。它由比较器C1和 C2、基本 RS触发器和集电极开路的放电三极管TD三部分组成。 VI1是比较器 C1的输入端（也称阀值端，用TH 标注）， VI2是比较器C2的输入端（也称
31、触发端，用TR标注）。 C1和 C2的参考电压（电压比较的基准）VR1和 VR2由 VCC三个5K电阻分压给出。在控制电压输入端VCO悬空时，R?1K123VccGNDOUTUNG3144+5VOUT+-精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 16 页，共 35 页13 / 35 VR1=cc32V，VR2= Vcc31。如果 VCO外接固定电压，则VR1=VCO，VR2=21VCO。RD是置零输入端。只要在RD端加上低电平，输出端Vo便立即被置成低电平，不受外界其他输入端状态的影响。正常工作时必须使RD处于高电平。图中数码18 为器件引脚
32、的编号。由图可知，当VI1 VR1、VI2 VR2时，比较器C1的输出 VC1=0、比较器 C2的输出 VC2=1，基本 RS触发器被置 0，TD倒通，同时 VO为低电平。当 VI1 VR2时，VC1=1、VC2=1，触发器的状态保持不变，因而 TD和输出的状态也维持不变。当 VI1 VR1、VI2 VR1、VI2 VR2时， VC1=0、VC2=0，触发器处于Q=Q=1 的状态，Vo=处于高电平，同时TD截止。在本设计中虽然传感器可直接输出脉冲波形，但霍尔传感器输出脉冲的高电平时间会随被测物体转速的增加而逐渐变小，为了获得更加稳定可靠的脉冲信号，在信号处理电路中加入微分电路和单稳态延时触发电
33、路。具体电路如图3.9 所示。R1D?DIODECAPR2C1CAPR1RCR5 10.01C2T2T H6DIS7R4Vcc831Vc5Q?5 5 5FT2 0 K(a)(b)图 3.9 信号处理电路在信号处理电路中（ a）部分是由电容和电阻组成的微分电路。在精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 17 页，共 35 页14 / 35 图中电容 C与电阻 R构成一个串联电路。当输入电压为方波，且RCT/2 （T 为方波的周期），则输出为尖顶波，如图 3.10 所示。图 3.10 微分电路输入输出波形单稳态延时触发电路单稳态主要选用555
34、定时器来实现把不同宽度的方波转化成相同宽度的脉冲，送给单片机进行周期测量，具体实现如图3.9b 所示。当电路在未受触发的预备状态即稳态时，DIS 及 F 端（ 7 脚及 3脚）同时为地电平或低电平状态，同时电容C 通过 DIS 接地。复位端R虽然只要加上0.4 1V 以上电压即可，但为防止干扰的影响，还是应连接到电源 VCC才能保证可靠工作。 C2接在地和 5 脚之间，它的作用是防止干扰，以免改变预先设定的单稳定时间隔（脉宽）。C1和 R1微分电路将触发脉冲变成脉宽约1s 的窄脉冲去触发第2 脚（下跳沿起作用），这样可以避免上跳沿形成的误触发。当T端由输入脉冲下跳沿触发且脉冲电压低于VCC的三
35、分之一时，内部触发比较器翻转就使内部触发器（FF）置位，于是进入准稳态输出 F 为高电平，放电端DIS 内部开路，从而解除了电容C 的箝位。电源电压开始通过定时R 向 C 充电，充电时间常数为RC 。直至 C精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 18 页，共 35 页15 / 35 上电压 VRC上升达 VCC的三分之二时，阀值比较器翻转使内部FF 复位，这时准稳态结束又回到稳态，DIS 端内部管子导通，使C 迅速放电到地电位，输出F 端回到低电平。电路一旦受触发后，在准稳态期间再次出现触发脉冲就不再起任何作用，但是复位端R若下降为低电平
36、（0.4V 以下），则可以使准稳态提前结束。单稳延时即准稳态时间t 是 C上电压从零充电至VCC的三分之二，即满足下式V=32VCC= VCC（1-e-t/RC）由此可得延时或定时时间为T=-RCln(1/3) 1.1RC 被测电路的最大转速是1000 转/ 分，而码盘上安装4 个永磁铁，所以检测到的最小周期是15ms ，当电阻 R51选为 70k 时，电容选用 0.1，电阻选为 200时，电路中的单稳时间可达到2ms 。AT89C51 的概述AT89C51是一种低功率、低电压、高性能的8 位单片机，片内带有一个 4K 字节的 Flash 可编程可擦除 EPROM，它是一种功能很强、灵活性高且
37、价格合理的单片机，可方便地应用在各种控制领域。在此次设计中主要应用的是AT89C51 的特殊功能口 P3口：RXD （P3.0）：串行输入口TXD （P3.1）：串行输出口INT0 非(P3.2): 外部中断 0 INT1 非(P3.3): 外部中断 1 T0 （P3.4）：定时器 0 外部输入端T1 （P3.5）：定时器 1 外部输入端单片机的复位电路复位是单片机的初始化操作，只要给单片机的RESET引脚加上2个机器周期以上的高电平信号，就可以使MCS-51单片机复位。除了进入系统的正常初始化之外，当由于程序运行出错或操作错误使系统处精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳
38、总结 - - - - - - -第 19 页，共 35 页16 / 35 于死锁状态时，为了摆脱这种状态，也可以按复位按键使系统重新启动。具体按键电平复位电路如图3.11 所示。AT89c51RSTC+CAPS?SW -PBR?RE S2R?RE S2VCC3.11 单片机复位电路当系统刚上电时，由于电容两端电压不能跃变，所以复位端得到高电平，使系统复位。随着电容充电完毕，RST 端回到低电平，单片机系统正常工作。当系统进入死锁状态时，按手动按键，电容C 瞬间对电阻进行放电后又回到充电状态，RST端重新回到高电平，完成系统复位工作。单片机时钟电路MCS-51单片机内部有一个用于构成振荡器的高增
39、益反相放大器，该高增益反相放大器的输入端为为芯片的引脚XTAL1 ，输出端为引脚XTAL2 。这两个引脚跨接石英晶体振荡器和微调电容，就构成一个稳定的自激震荡器，图3.12 为本设计所选用的单片机内部时钟方式的震荡电路。3.12 MCS-51 内部时钟方式的电路XTAL1XTAL2AT89C51Y?12.000MHZC?CAPC?CAP精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 20 页，共 35 页17 / 35 3.5 电机调速部分为了测试本设计还可以检测不同转速的被测物体, 在电路中加入数模转换部分 , 利用单片机传入不同的数据, 控制数
40、模转换器的输出电压的大小来控制直流电机转速的快慢。当有按键按下时，键盘产生外部中断 0，在外部中断0 的中断程序中判断所按下的按键的命令是增加（ 减 小 ） 电 机 的 转 速， 单片 机送 入数 模转 换器 相 应 的 数 据 控 制DAC0832经运放后输出的电压来控制电机两端的输入电压来达到控制直流电机的转速。当判断所按下的是减速按键时，减小单片机送入数模转换器的数据，来减小数模转换器的输出电压，当判断所按下的是加速按键时，增大单片机送入数模转换器的数据，来增大数模转换器的输出电压。在此部分中选用的元件是DAC0832 ，其具体控制转速电路图如图3.13 所示。本设计中采用直流电机最大工
41、作电压为6V，最大工作电流为0.5 安培，转速范围0-1200 转/ 分。电路中选用的三极管是 2N3450 驱动直流电机，它的工作极限电流是0.8A，最大工作电压为 120V 。图 3.13 控制电机转速电路DAC0832 概述DAC0832是最常用的8 位数模转换器。其内部结构设计为双寄存器选通。数字量先输入到数据寄存器，再选通进入 DAC寄存器后，开精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 21 页，共 35 页18 / 35 始进行数模（ D A）转换。在一个输字量转换过程中，后继转换数据可以进入数据寄存器等候。其内部逻辑结构，如图3
42、.14 所示。图 3.14 DAC0832 内部结构引脚说明：输入锁存使能ILE ：高电平允许数据输入。低电平禁止数据输入。输入信号 CS 、 WR1 ：在 ILE1 的前提下， CS WR1 0，转换数据选通进入数据寄存器。输入信号 WR2 、 XFER ：当 WR2 XFER 0，数据选通进入DAC 寄存器开始进行数模转换。D7D0 ：8 位数字量输入端。Io1 和 Io2 ：DAC转换电流输出端。实际使用时，在两个电流输出端串接运算放大器，把输出的模拟电流转换成模拟电压输出。Rb：反馈电阻连接端。实际使用方法参考应用电路。VREF ：外接直流参考电源输入。直流电源VREF在10V 10V
43、范围选择。Vcc：外接直流工作电源，在5V15V范围选择。AGND ：模拟接地端。DGND ：数字接地端。两种接地端应该分别处理。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 22 页，共 35 页19 / 35 DAC0832 基准源的选择在应用DAC0832作为模数转换器时需要用到电压基准源。在稳压电路中，基准电压是整个稳压系统工作的参考基准电压源，由于应用的是 DAC 的单极性电压输出，所以输出的电压VOUT对输入数字量的关系是VOUT=B*VREF/256 (3-5) 式中， B=b7*27+b6*26+b1*21+b0*20；VREF/
44、256 为一常数。方案一选用稳压管作为基准电压源。稳压管的使用方法就是将稳压管与一电阻串联接到直流电源上，从稳压管的两端引出电压，这个电压相对稳定。这样就构成了最简单的稳压电路。方案二选用 TL431 作为基准电压源。 TL431的输出电压可调，其内部包含基准电源、比较放大、调整管等构成的稳压系统及温度补偿系统电路的集成并联稳压器。TL431 共有三条引线：和二极管类似的正极（A端）和负极（ C 端），还有一个基准电压R 端，此端电压为2.5V。TL431 采用 S-1（TO-92）塑封或八脚双列直插封装。TL431 的基本应用电路如图 3.15 所示。618UrefINOUT+_R1R2精选
45、学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 23 页，共 35 页20 / 35 图 3.15 TL431基本应用电路因 R端输入电流级小，约为2uA，所以U0=UREF（1+R1/R2 ）=2.5（1+R1/R2） (3-6) 调节 R1 和 R2 的阻值，即可调节输出的稳定电压。若想得到基准电压7.5V，即选用 R1/R2=2倍的电阻值就可以。由于稳压二极管对于温度等因素具有一系列的影响，所以方案一的电路只适合应用于功率不大、要求不高的场合，直接用作为稳压电源。而 TL431 是精密基准电压源，考虑到系统的稳定性，选取方案二的电路为基准电压源电
46、路。直流电机的调速原理在小型电机的应用中，直流电机是最常用的。传统的直流电机都是采用模拟控制，其电路结构复杂、控制灵活性差。在本次设计中采用单片机控制D/A 转换器通过控制数据来调节D/A 转换器的输出电压用以控制电机两端的电压 , 以调节电机的转速。直流电动机稳态表达式eKIRUn式中:n 转速（ r/min ）U电枢电压（ V）I 电枢电流（ A）R电枢回路总电阻（ ）励磁磁通（ Wb ）eK 电动势常数。由此可知，调节电动机转速有三种方法：（1） 调节电枢供电电压U；（2） 改变励磁磁通；（3）改变电枢回路电阻R。在这三种方法中各有其优缺点，以调节电枢供电电压的方式为最好，方法 (2)
47、减弱磁通虽然能够调节转速, 但调速性能差 , 且只能将转速精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 24 页，共 35 页21 / 35 向高速调节 . 方法(3) 改变电枢回路的调节电阻, 其调节范围有限 , 并且消耗在电阻上的功耗会随阻值R 的增大而增多 , 采用方法 (1) 不但能够对电机进行调速 , 而且还具有以下优点 : (1) 调速平滑 , 可实现无级调速(2) 转速 n 不变, 稳定性好 , 可调至较低速度 , 调速范围广(3) 通过调节端电压来调速 , 不必附加设备(4) 能量损耗小因此，在本设计的转速测量中, 若想对他励式直
48、流电动机进行调速,应采用改变电枢端电压的方法。其中，保持励磁电流不变。本设计中采用直流电机最大工作电压为6V，最大工作电流为0.5安培，转速范围 0-1200 转/ 分。3.6 键盘、显示器部分键盘部分为了调节直流电机的转速以测试不同转速时测量的精确程度，在本次设计中加入键盘部分通过软件判断键盘号来确定用D/A 转换器来增加（减少）直流电机两端电压用以控制直流电机的转速。由于时时检测被测物体的转速，单片机的工作比较繁忙，键盘部分选用按键产生外部中断0 的方式，通过读取键号来判断具体电路的操作。键盘部分原理图如 3.16 所示。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 -
49、- - - - - -第 25 页，共 35 页22 / 35 图 3.16 键盘部分LED显示器的结构LED 显示器是单片机应用系统中常用的输出器件。它是由若干个发光二极管组成的，当发光二极管导通时，相应的一个点或一个笔画发亮。控制不同组合的二极管导通，就能显示出各种字符。常用的LED显示器有 7 段和“ M ”字段之分。这种显示器有共阳极和共阴极两种。如图 3-3 所示。共阴极LED显示器的发光二极管的阴极连接在一起，通常此公共阴极接地。某个发光二极管的阳极为高电平时，发光二极管点亮，相应的段被显示。同样，共阳极LED显示器的发光二极管的阳极连接在一起，通常此公共阳极接正电压，当某个发光二
50、极管的阴极接低电平时，发光二极管被点亮，相应的段被显示。7 段 LED显示器的外形如图3.17 所示，显示器中有dp 显示段，用于显示小数点。本设计中只显示数字符号，所以采用7 段 LED显示器。图 3.17 7段 LED显示器共阴极接法、共阳极接法及外形图显示器工作原理点亮显示器有静态显示和动态显示两种方法。所谓静态显示，就是当显示器显示某一个字符时，相应的发光二极管恒定的导通或截止，例如 7 段显示器 a、b、c、d、e、f 导通， g 截止，显示 0。这种显示方式每一位都需要有一个8 位输出口控制。静态显示时，较小的电流能得到较高的亮度且字符不闪烁。在单片机串行口方式0 应用精选学习资料
51、 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 26 页，共 35 页23 / 35 中，也是采用静态显示方法。当显示器位数较少时，采用静态显示的方法是适合的。当位数较多时，用静态显示所需的I/O太多，一般采用动态显示方法。所谓动态显示就是一位一位的轮流点亮显示器各个位（扫描），对于显示器的每一位来说，每隔一段时间点亮一次。利用人的视觉暂留功能可以看到整个显示，但必须保证扫描速度足够快，字符才不闪烁。显示器的亮度既与导通电流有关，也与点亮时间和间隔时间的比例有关。调整电流和时间参数，可实现亮度较高较稳定的显示。若显示器的位数不大于8 位，则控制显示器公共极电位
52、只需一个I/O口（称为扫描口）。在本设计中所采用的是静态显示。显示电路本设计显示电路由单片机和显示器构成。把单片机内部换算后的结果通过单片机的RXD口接在驱动显示的在4 位 74LS164上。在设计中采用了四位数字显示器的静态显示法显示测量结果，如图3.18 所示。在显示时利用的是单片机串行通讯方式0 的状态发送数据，此时串行数据由P3.0 发（RXD ）送出，移位时钟由TXD端(P3.1) 输出。在移 位 时 钟 的 作 用 下 ，串 行口 发送 缓冲 器的 数据 一 位 一 位 地 送 入74LS164中。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - -
53、- -第 27 页，共 35 页24 / 35 A T8 9 C5 1TX DR XDA1B2QA3QB4QC5QD6CLOCK8CLR9QE10QF11QG12QH13C?CAPA1B2QA3QB4QC5QD6CLOCK8CLR9QE10QF11QG12QH13C?CAPA1B2QA3QB4QC5QD6CLOCK8CLR9QE10QF11QG12QH13C?CAPA1B2QA3QB4QC5QD6CLOCK8CLR9QE10QF11QG12QH13C?CAPVCCVCCVCCVCCR?R?R?R?R?R?R?R?R?R?R?R?R?R?R?R?R?R?R?R?R?R?R?R?R?R?R?R?R
54、?R?R?R?1234567abcdefg8dp9GNDabfcgdedpDS?AMBERCC1234567abcdefg8dp9GNDabfcgdedpDS?AMBERCC1234567abcdefg8dp9GNDabfcgdedpDS?AMBERCC1234567abcdefg8dp9GNDabfcgdedpDS?AMBERCC图 3.18 显示部分接口电路图精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 28 页，共 35 页25 / 35 第四章软件部分系统地实现4.1 总体设计思想软件部分的是通过单片机编程来实现，让单片机对传感器检测到的
55、输入脉冲信号的数据进行处理，将所得出的结果送入显示器显示出来。使用单片机编程对测量系统进行控制，使系统具有自动化程度高、能自动显示测量结果、测量准确等优点。本 系 统 设 计 中被 测的 信号 频率 较 低 , 而 选用 单 片 机的 晶振 为12MHZ，对于 ms 级可以精确的检测出来，所以采用测量周期的方法就可以达到精确的结果。根据测周法设计单片机程序流程图，主程序框图及计数中断框图如图4.1 。计数器 T0 图 4.1 主程序框图及计数中断框图精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 29 页，共 35 页26 / 35 4.2 软件的
56、具体实现当系统刚上电时，先进行单片机初始化程序，对单片机的中断、显示进行初始化设置，然后开始对检测的外部脉冲信号进行计时。由于在码盘上安装的是4 个磁铁，所以要检测到四个外部脉冲的时间才是电机实际上转一个周期的转速。把计数器T0 设置成跳沿触发方式 ,当第一个外部脉冲来临时单片机计数器T0 开始计数的同时定时器T1开始计时 , 当对外部脉冲计满4 个时，单片机T0 开始产生计数中断，在计数器 T0 的计数中断中停止定时器T1 的计时。读取定时器中的时间参数，调用计算程序，根据周期和频率互为倒数的关系，用软件计算出被测电机每秒中的转速，调用2 秒中的延时后，重新跳转到主程序的初始化程序，进行新一
57、次的转速检测。在本次设计的显示部分是采用 74LS164 对数码管的静态工作方式进行驱动，这样的好处是不需要用单片机对显示部分进行循环扫描，减少对单片机CPU的占用。为了减少单片机的键盘扫描时间，使单片机更好的工作，键盘部分选用的是按键中断的方式。每当有键盘按下的同时，对单片机的外部中断引脚送入低电平，使单片机产生外部中断。在中断程序中屏蔽外部中断 0 后对单片机进行去抖动判断。在此加入去抖动判断的原因是：由于按键会产生机械抖动，需要在外部中断程序中加入去抖动处理，经过一段时间的去抖动处理后，外部中断0 的引脚处仍然是低电平，则可确认确实有按键按下，通过读键号来确认对单片机要执行的操作。如果经
58、过软件去抖动处理后，外部中断0 的引脚为高电平信号，则说明刚才的低电平是由于机械抖动引起的误操作，重新恢复对外部中断0 的电平触发中断的设置，继续对电机的转速进行扫描。如外部中断0的引脚为低电平信号，则说明确实有键按下，需要读取I/O口中的数据，判断是哪个键按下后，由单片机主程序进行具体操作。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 30 页，共 35 页27 / 35 结论通过本次毕业设计，使我学到了很多新的技术知识，对以往所学的知识有了更具体的认识。学会将理论知识与实际操作相结合，锻炼了自己的动手实践能力。本文所设计的以霍尔式转速传感器、
59、波形调整电路、单片机及数模转换部分、键盘显示部分构成的转速测量系统，是数字式非接触型转速测量系统。这种测量系统对被测轴影响小，输出信号幅值的大小与转速无关，因此测量精度高，测速范围比较广，完全符合该课题测量范围 11000转/ 分、响应时间 1S、误差范围 2% 的要求。该系统适用于各种转轴类物体的转速检测，还可用于转速测量和转速控制。由于水平有限，文中难免有错误和不妥之处，恳请各位老师、读者批评指正。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 31 页，共 35 页28 / 35 致 谢本次设计历经三个月的时间终于完成，在此期间我得到了很多老
60、师和同学们的帮助。我的导师卢万欣老师运用丰富的理论知识和实践经验孜孜不倦地指导着我，教会了我很多技术知识，使我学到了很多书本上学不到的知识，同时还让我明白了很多人生道理。在此毕业设计完成之际，我向各位给予我帮助的老师和同学们表示忠心的感谢，感谢你们给我的帮助，使我顺利的完成毕业设计。尤其是给予我悉心指导的卢万欣老师，在此我向所有在设计中给予我帮助的老师和同学致以真诚的谢意。再次感谢你们！精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 32 页，共 35 页29 / 35 参考文献1C. E. Shannon. A mathematical theo
61、ry of communication. Reprinted with corrections from The Bell System Technical Journal ，Vol.27,July, October, 1948: 379一 423P, 623一 656P 2 W. Gappmair, Claude E. Shannon:The 50th anniversary of information theory.IEEE Commun. Mag. vol. 37, no. 4.Apri 1, 1999: 102一 1051P 3王新梅，肖国镇.纠错码原理与方法.西安电子科技大学出版社
62、. 1991 4 G.D. Forney, Jr. And G. Ungerboeck. Modulation and coding for linear Gaussian channels. IEEE Trans. Inform. Theory, vol. 44, no. 6,Oct.，1998:2384-2415P 5G. Wilson. Digital Modulation and Coding.EnglewoodCliffs, NJ:Prentice-Hall. 1996 6G.Ungerboeck.Channelcoding with multilevel/phase signali
63、ng.IEEE Trans, Inform.Theory, vol.25, Jan. 1982:55-67P 7A. R. Calderbank. Multilevel codes and multistage decoding. IEEE Trans. Common.，vol.37, Mar.，1989: 222-229P 8 S. H. Jamali and T. Le-Ngoc. Coded-Modulation Techniques forFading Channels. New York:Kluwer, 1994 9 E. Zehavi. 8-PSK trellis codes fo
64、r a Rayleigh channel.IEEE Trans. Commun. vol.40. no. 5, May, 1992:873-884P 10 A. J. Goldsmith and S. Chua. Adaptive coded modulation for fadingchannels. IEEE Trans. Commun. vol.46,np. 5, May, 1998:595-602P 11E. Big1ieri. Proakis, and S. Sharnai (Shitz).Fading channels: Information-theoretic and comm
65、unications aspects IEEE Trans. Inform. Theory, vo1.44, no.6, Oct. ，1998:2619-2692P 12J Costello et al. Applications of error-control coding. IEEE Trans. Inform. Theory, vol.44, no. 6, Oct.，1998: 2531-2560P 13D. Costello et al.Applications of error-control coding.IEEE 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结
66、- - - - - - -第 33 页，共 35 页30 / 35 Trans.Inform. Theory,vol .44, no.6, Oct. ，1998:2531-256OP 14. 张毅刚等 . 新编 MCS-51单片机应用设计 . 哈尔滨 : 哈尔滨工业大学出版社 .2003.151 158 15. 赵茂泰 . 智能仪器原理及应用 . 北京: 电子工业出版社181187 16. 童诗白、华成英 . 模拟电子技术基础 . 第三版 . 北京: 高等教育出版社.2001.408 414 17.阎 石 . 数 字 电 子 技 术 基 础 . 第 四 版 . 北 京 : 高 等 教 育 出 版社.1998.236 239 18. 孙传友、孙晓武编著 . 感测技术基础 . 电子工业出版社 .2001 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 34 页，共 35 页31 / 35 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 35 页，共 35 页
