測控技術(shù)與儀器 畢業(yè)論文范文——基于AT89C51單片機(jī)的電動機(jī)測速表設(shè)計

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1、中文摘要基于AT89C51單片機(jī)的電動機(jī)測速表設(shè)計摘 要在工業(yè)測控系統(tǒng)中，經(jīng)常需要對電動機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行檢測和控制。目前國內(nèi)外常用的轉(zhuǎn)速測量方法有離心式轉(zhuǎn)速表測速法、測速發(fā)電機(jī)測速法、激光測速法、光電碼盤測速法和霍爾元件測速法等。本測速表采用光電傳感器用于轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)。用AT89C51單片機(jī)和光電碼盤配合M/T測速法，檢測電動機(jī)轉(zhuǎn)速可獲得大范圍內(nèi)測速精度。論文詳細(xì)分析了系統(tǒng)的組成及工作原理，設(shè)計測速表的硬件電路和軟件編程，并給出軟件編程的程序流程圖和用C語言編寫的程序代碼，并在最后對本設(shè)計的測速表進(jìn)行了仿真。該測速系統(tǒng)安裝維護(hù)方便，工作穩(wěn)定，運(yùn)行可靠，具有較大的推廣應(yīng)用價值。關(guān)鍵詞 電動機(jī)，AT8

2、9C51，光電傳感器，轉(zhuǎn)速測量英文摘要The Design of Motors Speedometer Based on AT89C51 Single-chip Microcomputer AbstractIn the industry measurement and controlling system, we often need to test and control the speed of the motor. Currently, there are a lot of measuring methods about speed in the domestic,such as the

3、 centrifugal speed-table, the tachogenerator, the laser anemometry, the optical encoder and the Hall element to modify, etc. This speedometer uses the photoelectric sensor for the speed measuring system. It obtain a larger range of the speed measusing precision that the rotational speed detecting mo

4、tor with AT89C51 and photoelectric coded disc with M/T disk. This paper analyse the system structure and the working principle, designing the hardware circuit and software programming about the speedometer. The software programmings written by C language are given and in the end of this design speed

5、ometer is simulated. The speed system easy installation and maintenance, working stability and reliable operation, with the popularization and valued application.Keywords electric motor, AT89C51, photoelectric sensor, rotational speed目 錄1 緒論11.1 引言11.2 課題設(shè)計依據(jù)和背景情況11.3 國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀21.4 本課題研究的內(nèi)容及論文結(jié)構(gòu)安排22

6、單片機(jī)概述32.1 單片機(jī)的發(fā)展32.2 單片機(jī)的應(yīng)用52.3 AT89C51單片機(jī)的構(gòu)造和原理73 基于AT89C51單片機(jī)的電動機(jī)測速表的測速原理分析113.1 測速傳感器系統(tǒng)方案的提出和論證113.1.1 方案一 霍爾傳感器測量方案113.1.2 方案二 光電傳感器測量方案113.2 電動機(jī)轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)的原理123.2.1 轉(zhuǎn)速測量方法133.2.2 轉(zhuǎn)速測量原理143.3 電動機(jī)測速表采用的測速傳感器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和原理153.3.1 光電傳感器結(jié)構(gòu)153.3.2 碼盤的工作原理163.3.3 測速表的測速傳感器系統(tǒng)原理174 基于AT89C51單片機(jī)的電動機(jī)測速表的硬件設(shè)計194.1 電動

7、機(jī)測速表的總體設(shè)計硬件電路圖結(jié)構(gòu)及原理194.2 電動機(jī)測速表的轉(zhuǎn)速信號處理電路設(shè)計214.3 最小系統(tǒng)的設(shè)計214.3.1 復(fù)位電路214.3.2 時鐘電路234.4 測速表的速度顯示設(shè)計244.4.1 1602型LCD介紹244.4.2 1602型LCD顯示的電路設(shè)計265 基于AT89C51單片機(jī)的電動機(jī)測速表的軟件設(shè)計275.1 程序的初始化275.1.1 定時器的初始化275.1.2 中斷允許控制285.2 程序的流程圖295.3 測速表的顯示更新頻率為一秒鐘的實現(xiàn)296 基于AT89C51單片機(jī)的電動機(jī)測速表的仿真306.1 電動機(jī)測速表轉(zhuǎn)速測量傳感器系統(tǒng)的模擬及仿真306.1.1

8、 電動機(jī)測速表轉(zhuǎn)速測量傳感器系統(tǒng)的模擬306.1.2 電動機(jī)測速表轉(zhuǎn)速測量傳感器系統(tǒng)的仿真306.2 電動機(jī)測速表總體測速的仿真307.1 全文總結(jié)327.2 本文的創(chuàng)新點(diǎn)和不足327.3 電動機(jī)測速表的發(fā)展趨勢及未來前景32附錄34參考文獻(xiàn)43致謝45II1 緒論1.1 引言電動機(jī)轉(zhuǎn)速的及時準(zhǔn)確檢測，與閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的控制精度緊密相關(guān)。不論是直流調(diào)速系統(tǒng)還是交流調(diào)速系統(tǒng)，只有轉(zhuǎn)速的高精度檢測，才能得到高精度的控制系統(tǒng)。進(jìn)行轉(zhuǎn)速測量的檢測控制，可以使用多種傳感器1。在電動機(jī)轉(zhuǎn)速的數(shù)字檢測方法中，測速精度首先應(yīng)滿足指標(biāo)要求。由于技術(shù)保密，廠家不會提供詳細(xì)電路圖和源代碼，用戶很難自行進(jìn)行二次開發(fā)和改

9、進(jìn)。針對這種現(xiàn)狀，本設(shè)計使用光電傳感器結(jié)合ATMEL公司的AT89C51型單片機(jī)設(shè)計了一款轉(zhuǎn)速測量與控制系統(tǒng)。本測速表具有精度高、量程寬和抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)2。1.2 課題設(shè)計依據(jù)和背景情況在工程實踐中，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、運(yùn)轉(zhuǎn)和控制中，程序要測量和顯示其轉(zhuǎn)速3。由于直流電動機(jī)具有良好的啟動、制動性能，適宜在大范圍內(nèi)平滑調(diào)速，因此在許多需要調(diào)速或快速正反向的電路拖動系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用4。但其硬件組成復(fù)雜，在進(jìn)行調(diào)整，測速時，缺乏控制的靈活性5。從控制的角度來看，直流調(diào)速還是交流拖動系統(tǒng)的基礎(chǔ)，由運(yùn)算放大器、非線性集成電路

10、以及少量的數(shù)字電路組成，控制系統(tǒng)的硬件部分非常復(fù)雜，功能單一，而且系統(tǒng)非常不靈活、調(diào)試?yán)щy。阻礙了直流電動機(jī)控制、測試技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用范圍的推廣6。轉(zhuǎn)速是電動機(jī)極為重要的一個狀態(tài)參數(shù)7，它的測量精確與否對辨識結(jié)果的精度影響較大8，將直接影響電動機(jī)其它有關(guān)參數(shù)和特性的測試及故障檢測與診斷的準(zhǔn)確性9。在工業(yè)過程實施控制中，轉(zhuǎn)速的監(jiān)測與控制一般占有很大的比重10，它對系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差及動態(tài)響應(yīng)性能都有著至關(guān)重要的影響，特別在自動控制中，常常是反映機(jī)器的運(yùn)轉(zhuǎn)情況并將其反饋給控制裝置11。所以，對于此類應(yīng)用來講，一個在較大速度范圍內(nèi)具有高分辨率的快捷而準(zhǔn)確的測試系統(tǒng)是必不可少的。傳統(tǒng)的模擬測速儀受非線性、

11、溫度變化和元件老化等因素的影響，在轉(zhuǎn)速檢測過程中很難滿足快速性和準(zhǔn)確性的要求。測速環(huán)境和精度要求不同，相應(yīng)的測量方法也不同12。對某一些問題，轉(zhuǎn)速測量要求的準(zhǔn)確度不是很高；而對另一些問題，除了要求能精確的測得轉(zhuǎn)速外，還要保證測量的實時性，要求能測得瞬時轉(zhuǎn)速13。基于單片機(jī)89C51進(jìn)行轉(zhuǎn)速測量，可使得測速表具有硬件結(jié)構(gòu)簡單, 測量速度快, 精度高, 運(yùn)行可靠等優(yōu)點(diǎn)14。因此，轉(zhuǎn)速的測量具有重要的意義15。1.3 國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀為了滿足電動機(jī)控制系統(tǒng)發(fā)展需要，90年代末，美國德州儀器（TI）公司推出了TMS320X24X系列數(shù)字信號處理器（DSP），該系列DSP芯片轉(zhuǎn)為實現(xiàn)高精度、高性能、功能

12、多樣化的單片電動機(jī)控制系統(tǒng)而設(shè)計16。近年來，由于世界范圍內(nèi)對轉(zhuǎn)速測量合理利用的日益重視及對于轉(zhuǎn)速測試技術(shù)的研究，促使轉(zhuǎn)速測量技術(shù)迅速發(fā)展，各種新型的測量儀表相繼問世并越來越多地得到應(yīng)用17。目前，智能化轉(zhuǎn)速數(shù)字顯示儀表，有通用的SQY01T系列轉(zhuǎn)速數(shù)字顯示儀，SZC系列電站用轉(zhuǎn)速數(shù)字顯示儀，SKY系列透平膨脹機(jī)智能數(shù)字顯示儀，以及各種多功能轉(zhuǎn)速儀表，如ZS-1雙路轉(zhuǎn)速表、以及顯示差速、速比的ZS-2轉(zhuǎn)速表，帶方向顯示的SQYC轉(zhuǎn)速表，可遠(yuǎn)傳的CS-1轉(zhuǎn)速表等。2009年中國測速表市場發(fā)展迅速，產(chǎn)品產(chǎn)出持續(xù)擴(kuò)張，國家產(chǎn)業(yè)政策鼓勵測速表產(chǎn)業(yè)向高技術(shù)產(chǎn)品方向發(fā)展，國內(nèi)企業(yè)新增投資項目投資逐漸增多。

13、投資者和企業(yè)經(jīng)營者對測速表市場的關(guān)注越來越密切，這使得自行車測速表市場的發(fā)展研究需求增大。在全球金融危機(jī)風(fēng)暴大環(huán)境及國內(nèi)嚴(yán)峻經(jīng)濟(jì)形勢下，一系列新的政策將會陸續(xù)出臺，對測速表市場的發(fā)展必將產(chǎn)生重大影響；一批國家重大工程項目陸續(xù)開工建設(shè)，對測速表市場需求市場必將產(chǎn)生極大的拉動作用18。1.4 本課題研究的內(nèi)容及論文結(jié)構(gòu)安排測速表采用M/T法測量電動機(jī)速度，通過光電傳感器將模擬信號經(jīng)過放大、整形電路之后輸入AT89C51單片機(jī)的T1口，再對AT89C51單片機(jī)進(jìn)行程序的編寫和寫入，最后將速度顯示在1602型LCD液晶顯示器上，并實現(xiàn)了速度顯示的刷新頻率為一秒。通過Proteus軟件進(jìn)行仿真，測試結(jié)果

14、。 2 單片機(jī)概述單片微型計算機(jī)（單片機(jī)）作為微型計算機(jī)的一個很重要的分支，自問世以來，以其極高的性價比，受到人們的重視和關(guān)注，因此應(yīng)用廣泛，發(fā)展迅速。相對而言，單片機(jī)體積小、重量輕、抗干擾能力強(qiáng)，對環(huán)境要求不高，并且價格低廉、可靠性高、靈活性好，開發(fā)較為容易。目前，在我國，單片機(jī)已經(jīng)廣泛地用于智能儀表、機(jī)電設(shè)備過程控制、自動檢測、家用電器和數(shù)據(jù)處理等各個方面19。2.1 單片機(jī)的發(fā)展單片機(jī)誕生于20世紀(jì)70年代。最初的單片機(jī)是利用大規(guī)模集成電路技術(shù)把中央處理單元（Center Process Unit，也即簡稱CPU）、數(shù)據(jù)存儲器（RAM）、程序存儲器(ROM)及其他I/O通信口集成在一塊芯

15、片上，構(gòu)成一個最小的計算機(jī)系統(tǒng)?，F(xiàn)代的單片機(jī)則增加了更多的片內(nèi)外設(shè)（比如定時器、計數(shù)器、串行口、中斷、并行I/O口，甚至包括A/D轉(zhuǎn)換器、脈寬調(diào)制器PWM等），使得單片機(jī)的功能越來越強(qiáng)大，應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣泛。因為這樣一塊芯片就具有一臺計算機(jī)的功能，因而被稱為單片微型計算機(jī)，簡稱單片機(jī)20。由于單片機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)和指令系統(tǒng)都是按照工業(yè)控制要求來設(shè)計的，常用在工業(yè)的檢查、控制裝置中，因而也被稱為微控制器（Micro-Controller）。單片機(jī)按照其用途可以劃分為通用型和專用型兩大類。通常所說的單片機(jī)是指通用型單片機(jī)。通用型單片機(jī)是把可開發(fā)資源（如ROM，RAM，I/O口）全部提供給使用者。專用型

16、單片機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)和指令是按照某個特定用途而設(shè)計的，如：頻率合成調(diào)諧器（DDS）、USB控制器、收音機(jī)機(jī)芯控制器、打印機(jī)控制器等。1單片機(jī)發(fā)展特點(diǎn)單片機(jī)技術(shù)從出現(xiàn)至今已走過近30年的發(fā)展路程。縱觀30年來單片機(jī)的發(fā)展歷程，單片機(jī)技術(shù)以微處理器技術(shù)及超大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展為先導(dǎo)，以廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域為動力，表現(xiàn)出極具個性的發(fā)展特點(diǎn)21。（1）壽命長這里所說的壽命長，一方面指用單片機(jī)開發(fā)的產(chǎn)品可以穩(wěn)定可靠地工作10年、20年，另一方面是指與微處理器相比的壽命長。這一方面是由于其對應(yīng)用領(lǐng)域的適應(yīng)性，另一方面是由于以該類CPU為核心，集成以更多I/O功能模塊的新單片機(jī)系列層出不窮。（2）8位、16位、3

17、2位共同發(fā)展8位、16位、32位單片機(jī)共同發(fā)展，是單片機(jī)技術(shù)發(fā)展的另一個動向。長期以來，單片機(jī)技術(shù)的發(fā)展是以8位機(jī)為主的。隨著移動通信、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、多媒體技術(shù)等高科技產(chǎn)品進(jìn)入家庭，32位單片機(jī)應(yīng)用取得了長足的發(fā)展。但實際上16位單片機(jī)的發(fā)展無論從品種和產(chǎn)量方面，近年來都有較大幅度的增長。（3）運(yùn)行速度越來越快一些8051單片機(jī)兼容廠商改善了單片機(jī)內(nèi)部時序，在不提高時鐘頻率的條件下，使運(yùn)算速度提高了很多。（4）低電壓與低功耗自80年代中期以來，NMOS工藝單片機(jī)逐漸被CMOS工藝所代替，功耗得以大幅度下降。一般單片機(jī)都能在3-6V范圍內(nèi)工作，電池供電的單片機(jī)不再需要對電源采取穩(wěn)壓措施。（5）低噪聲

18、與高可靠性技術(shù)為提高單片機(jī)系統(tǒng)的抗電磁干擾能力，使產(chǎn)品能適應(yīng)惡劣的工作環(huán)境，滿足電磁兼容性方面更高標(biāo)準(zhǔn)的要求，各單片機(jī)商家在單片機(jī)內(nèi)部電路中采取了一些新的技術(shù)措施。如美國國家半導(dǎo)體NS的COP8單片機(jī)內(nèi)部增加了抗EMI(電磁干擾)電路，增強(qiáng)了“看門狗”的性能。MOTOROLA也推出了低噪聲的LN系列單片機(jī)。（6）OTP與掩膜OTP是一次性寫入的。由于掩膜需要一定的生產(chǎn)周期，而OTP型單片機(jī)價格不斷下降，使得近年來直接使用OTP完成最終產(chǎn)品制造更為流行。它較之掩膜具有生產(chǎn)周期短、風(fēng)險小的特點(diǎn)。2單片機(jī)發(fā)展趨勢回顧歷史，在Intel公司推出了MCS-51不久便實施了最徹底的技術(shù)開放政策。在眾多電器

19、商、半導(dǎo)體商的積極參與下，將MCS-51發(fā)展成了眾多型號系列的80C51 MCU(Micro Controller Unit，微控制器)家族。MCS-51經(jīng)典的體系結(jié)構(gòu)、極好的兼容性和Intel公司的開放政策不僅使眾多廠家參與發(fā)展，也誘使半導(dǎo)體廠家對MCS-51實行為所欲為的改造。從各種新型單片機(jī)的性能可以看出，單片機(jī)是向大容量、高性能化、外圍電路內(nèi)集成化幾方面發(fā)展。（1）CPU功能的加強(qiáng)CPU的能力主要體現(xiàn)在數(shù)據(jù)處理的速度和精度的提高，一般通過CPU字長的增加、硬部件的擴(kuò)充、總線速度的提高、指令系統(tǒng)的擴(kuò)充和效率的提高來實現(xiàn)。甚至還有采用雙CPU結(jié)構(gòu)或者多CPU結(jié)構(gòu)，以及流水線結(jié)構(gòu)來加強(qiáng)CPU

20、的功能。（2）存儲器的發(fā)展容量不斷增大，新型單片機(jī)片內(nèi)ROM空間一般可以達(dá)到4K至8K字節(jié)，RAM空間可以達(dá)到256字節(jié)，有些型號的ROM和RAM空間更多。片內(nèi)的EPROM開始E2PROM和Flash ROM化，F(xiàn)lash ROM的使用加速了單片機(jī)技術(shù)的發(fā)展。（3）片內(nèi)I/O的改進(jìn)增加并行口的驅(qū)動能力，增加I/O端口的邏輯控制能力，最突出的改進(jìn)是I/O從固定方式到交叉開關(guān)配置。在這種通過交叉開關(guān)配置的I/O端口系統(tǒng)中，單片機(jī)外部為通用I/O口，如P0口、P1口和P2口。內(nèi)有輸入/輸出的電路單元通過相應(yīng)的配置寄存器控制的交叉開關(guān)配置到所選擇的端口上。（4）片內(nèi)資源的增加除了存儲器和I/O端口增加

21、外，有的還配置了A/D轉(zhuǎn)換器、脈寬調(diào)制PWM、正弦波發(fā)生器、CRT控制器、LED和LCD驅(qū)動器等。（5）調(diào)試方式的改進(jìn)在上位機(jī)軟件支持下，通過串行的JTAG接口直接對8位單片機(jī)產(chǎn)品系統(tǒng)進(jìn)行仿真調(diào)試。通過邊界寄存器的編程控制，可對所有器件引腳、SFR總線和I/O口弱電上拉功能實現(xiàn)觀察和控制。2.2 單片機(jī)的應(yīng)用單片機(jī)以其卓越的性能、小巧的體積、極高的性價比，在國民經(jīng)濟(jì)的各個領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。但是由于單片機(jī)自身的一些特點(diǎn)，在實際應(yīng)用中又有著自己的應(yīng)用特性和應(yīng)用范圍。1應(yīng)用特點(diǎn)基于單片機(jī)的應(yīng)用系統(tǒng)和其他一般的微型機(jī)相比，具有以下一些特點(diǎn)。（1）小巧靈活由于單片機(jī)內(nèi)部包含了計算機(jī)的基本功能部件，

22、能滿足很多應(yīng)用領(lǐng)域?qū)τ布δ艿幕疽螅虼四芊奖愕亟M裝成各種智能式測控設(shè)備及各種智能儀器儀表。（2）可靠性高單片機(jī)內(nèi)CPU訪問存儲器和各種外設(shè)的接口的總線大多數(shù)在芯片內(nèi)部，因此不易受到外界環(huán)境的干擾；同時由于體積小，在很多惡劣的環(huán)境下，容易采取對系統(tǒng)進(jìn)行電磁屏蔽等措施。（3）使用方便，容易擴(kuò)展系統(tǒng)擴(kuò)展方便，簡化了硬件設(shè)計，同時市場上提供了各種成熟的開發(fā)工具，具有很強(qiáng)的軟硬件調(diào)試功能和輔助設(shè)計手段。（4）性價比高，容易產(chǎn)品化單片機(jī)市場需求量大，廠商一次可以進(jìn)行大量的生產(chǎn)，同時很多廠商競爭，單片機(jī)的價格一直很具有優(yōu)勢。很多特性縮短了單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)從樣機(jī)到正式產(chǎn)品的過渡過程，縮短了研制周期，可使成

23、果迅速轉(zhuǎn)換成生產(chǎn)力。2應(yīng)用領(lǐng)域智能化管理及過程控制等領(lǐng)域，大致可分如下幾個方面。（1）在智能儀器儀表上的應(yīng)用單片機(jī)廣泛應(yīng)用于儀器儀表中，結(jié)合不同類型的傳感器，可實現(xiàn)諸如電壓、功率、頻率、濕度、溫度、流量、速度、厚度、角度、長度、硬度、元素和壓力等物理量的測量。采用單片機(jī)控制使得儀器儀表數(shù)字化、智能化和微型化，且功能比起采用分立器件或數(shù)字電路更加強(qiáng)大。例如精密的測量設(shè)備(功率計、示波器和各種分析儀)。（2）在工業(yè)控制中的應(yīng)用用單片機(jī)可以構(gòu)成形式多樣的控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。例如工廠流水線的智能化管理、電梯智能化控制和各種報警系統(tǒng)、與計算機(jī)聯(lián)網(wǎng)構(gòu)成二級控制系統(tǒng)等。（3）在家用電器中的應(yīng)用現(xiàn)在的家用

24、電器基本上都采用了單片機(jī)控制，從電飯煲、洗衣機(jī)、電冰箱、空調(diào)機(jī)、彩電和其他音響視頻器材，再到電子秤量設(shè)備，五花八門，無所不在。家用電器涉及到千家萬戶，需求非常大，配上單片機(jī)后的家用電器在功能上更加智能化，深得用戶的歡迎。廉價的單片微機(jī)在家用電器上的應(yīng)用前途十分廣闊。（4）在計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和通信領(lǐng)域中的應(yīng)用現(xiàn)代的單片機(jī)普遍具備通信接口，可以很方便地與計算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，為在計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和通信設(shè)備間的應(yīng)用提供了極好的物質(zhì)條件，現(xiàn)在的通信設(shè)備基本上都實現(xiàn)了單片機(jī)智能控制，從手機(jī)、電話機(jī)、小型程控交換機(jī)、樓宇自動通信呼叫系統(tǒng)和列車無線通信，再到日常工作中隨處可見的移動電話、集群移動通信和無線電對講機(jī)等。（5

25、）在醫(yī)用設(shè)備領(lǐng)域中的應(yīng)用單片機(jī)在醫(yī)用設(shè)備中的用途亦相當(dāng)廣泛，例如醫(yī)用呼吸機(jī)、各種分析儀、監(jiān)護(hù)儀、超聲診斷設(shè)備及病床呼叫系統(tǒng)等。此外，單片機(jī)在工商、金融、科研、教育和國防航空航天等領(lǐng)域都有著十分廣泛的用途。2.3 AT89C51單片機(jī)的構(gòu)造和原理AT89C51是一種帶4K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器（FPEROMFlash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓，高性能CMOS 8位微處理器，俗稱單片機(jī)。AT89C2051是一種帶2K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器的單片機(jī)。單片機(jī)的可擦除只讀存儲器可以反復(fù)擦除100次。該器件采用ATMEL

26、高密度非易失存儲器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲器組合在單個芯片中，ATMEL的AT89C51是一種高效微控制器，AT89C2051是它的一種精簡版本。AT89C51單片機(jī)為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價廉的方案。外形及引腳排列如下圖所示：AT89C51 AT89C2051圖2.1 AT89C51單片機(jī)和AT89C2051引腳示意圖1主要特性4K字節(jié)可編程閃爍存儲器 壽命：1000寫/擦循環(huán)數(shù)據(jù)保留時間：10年全靜態(tài)工作：0Hz-24MHz三級程序存儲器鎖定1288位內(nèi)部RAM32可編程I/O線兩個16位定時器/計數(shù)器5

27、個中斷源 可編程串行通道低功耗的閑置和掉電模式片內(nèi)振蕩器和時鐘電路2管腳說明VCC：供電電壓。GND：接地。P0口：P0口為一個8位漏級開路雙向I/O口，每腳可吸收8 TTL門電流。當(dāng)P1口的管腳第一次寫1時，被定義為高阻輸入。P0能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲器，它可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的第八位。在FIASH編程時，P0 口作為原碼輸入口，當(dāng)FIASH進(jìn)行校驗時，P0輸出原碼，此時P0外部必須被拉高。P1口：P1口是一個內(nèi)部提供上拉電阻的8位雙向I/O口，P1口緩沖器能接收輸出4TTL門電流。P1口管腳寫入1后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入，P1口被外部下拉為低電平時，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的

28、緣故。在FLASH編程和校驗時，P1口作為第八位地址接收。 P2口：P2口為一個內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2口緩沖器可接收，輸出4個TTL門電流，當(dāng)P2口被寫“1”時，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時，P2口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。P2口當(dāng)用于外部程序存儲器或16位地址外部數(shù)據(jù)存儲器進(jìn)行存取時，P2口輸出地址的高八位。在給出地址“1”時，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢，當(dāng)對外部八位地址數(shù)據(jù)存儲器進(jìn)行讀寫時，P2口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。P2口在FLASH編程和校驗時接收高八位地址信號和控制信號。P3口：P3口管腳是8個帶內(nèi)部上拉電阻的雙向I/

29、O口，可接收輸出4個TTL門電流。當(dāng)P3口寫入“1”后，它們被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平，P3口將輸出電流（ILL）這是由于上拉的緣故。P3口也可作為AT89C51的一些特殊功能口，如表2.1所示。表2.1 AT89C51的特殊功能口接口管腳備選功能P3.0RXD串行輸入口P3.1TXD串行輸出口P3.2/INT0外部中斷0P3.3/INT1外部中斷1P3.4T0記時器0外部輸入P3.5T1記時器1外部輸入P3.6/WR外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通P3.7/RD外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通P3口同時為閃爍編程和編程校驗接收一些控制信號。RST：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器復(fù)位器件時，要

30、保持RST腳兩個機(jī)器周期的高電平時間。ALE/PROG：當(dāng)訪問外部存儲器時，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)。在FLASH編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時，ALE端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此它可用作對外部輸出的脈沖或用于定時目的。然而要注意的是：每當(dāng)用作外部數(shù)據(jù)存儲器時，將跳過一個ALE脈沖。如想禁止ALE的輸出可在SFR8EH地址上置0。此時， ALE只有在執(zhí)行MOV X，MOVC指令是ALE才起作用。另外，該引腳被略微拉高。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài)ALE禁止，置位無效。/PSEN：外部程序存儲器的選通信號。在由外部程序存儲器取指期

31、間，每個機(jī)器周期兩次/PSEN有效。但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，這兩次有效的/PSEN信號將不出現(xiàn)。/EA/VPP：當(dāng)/EA保持低電平時，則在此期間外部程序存儲器（0000H-FFFFH），不管是否有內(nèi)部程序存儲器。注意加密方式1時，/EA將內(nèi)部鎖定為RESET；當(dāng)/EA端保持高電平時，此間內(nèi)部程序存儲器。在FLASH編程期間，此引腳也用于施加12V編程電源（VPP）。XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時鐘工作電路的輸入。XTAL2：來自反向振蕩器的輸出。3振蕩器特性XTAL1和XTAL2分別為反向放大器的輸入和輸出。該反向放大器可以配置為片內(nèi)振蕩器。石晶振蕩和陶瓷振蕩均可采用。如采用外部時

32、鐘源驅(qū)動器件，XTAL2應(yīng)不接。有余輸入至內(nèi)部時鐘信號要通過一個二分頻觸發(fā)器，因此對外部時鐘信號的脈寬無任何要求，但必須保證脈沖的高低電平要求的寬度。4芯片擦除整個PEROM陣列和三個鎖定位的電擦除可通過正確的控制信號組合，并保持ALE管腳處于低電平10ms 來完成。在芯片擦操作中，代碼陣列全被寫“1”且在任何非空存儲字節(jié)被重復(fù)編程以前，該操作必須被執(zhí)行。此外，AT89C51設(shè)有穩(wěn)態(tài)邏輯，可以在低到零頻率的條件下靜態(tài)邏輯，支持兩種軟件可選的掉電模式。在閑置模式下，CPU停止工作。但RAM，定時器，計數(shù)器，串口和中斷系統(tǒng)仍在工作。在掉電模式下，保存RAM的內(nèi)容并且凍結(jié)振蕩器，禁止所用其他芯片功能

33、，直到下一個硬件復(fù)位為止。3 基于AT89C51單片機(jī)的電動機(jī)測速表的測速原理分析3.1 測速傳感器系統(tǒng)方案的提出和論證3.1.1 方案一 霍爾傳感器測量方案霍爾傳感器是一種磁傳感器22。用它可以檢測磁場及其變化，可在各種與磁場有關(guān)的場合中使用?；魻杺鞲衅饕曰魻栃?yīng)為其工作基礎(chǔ)，是由霍爾元件和它的附屬電路組成的集成傳感器?；魻杺鞲衅髟诠I(yè)生產(chǎn)、交通運(yùn)輸和日常生活中有著非常廣泛的應(yīng)用。本文介紹一種泵驅(qū)動軸的轉(zhuǎn)速采用霍爾傳感器測量技術(shù)，其結(jié)構(gòu)原理圖如圖3.1，霍爾轉(zhuǎn)速傳感器的接線圖如圖3.2所示。 圖3.1 霍爾轉(zhuǎn)速傳感器的結(jié)構(gòu)原理圖 圖3.2 霍爾轉(zhuǎn)速傳感器的接線圖傳感器的定子上有兩個相互垂直的

34、繞組A和B，在繞組的中心線上粘有霍爾片HA和HB，轉(zhuǎn)子為永久磁鋼，霍爾元件HA和HB的激勵電機(jī)分別與繞組A和B相連，它們的霍爾電極串聯(lián)后作為傳感器的輸出。霍爾傳感器具有價格低廉、體積小、可靠性高、響應(yīng)速度快、磁特性靈敏等特點(diǎn)。但對于本設(shè)計其缺點(diǎn)也很明顯，由于霍爾傳感器的傳感原理是靠磁場及其變化來測量的，而本設(shè)計測量的是電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，電動機(jī)本身通電就會產(chǎn)生磁場，或者所處環(huán)境磁場發(fā)生變化等不利因素嚴(yán)重的影響到本設(shè)計的對電動機(jī)轉(zhuǎn)速的測量。3.1.2 方案二 光電傳感器測量方案光電傳感器是采用光電元件作為檢測元件的傳感器23。它首先把被測量的變化轉(zhuǎn)換成光信號的變化，然后借助光電元件進(jìn)一步將光信號轉(zhuǎn)換成

35、電信號。光電傳感器一般由光源、光學(xué)通路和光電元件三部分組成。光電檢測方法具有精度高、反應(yīng)快、非接觸等優(yōu)點(diǎn)，而且可測參數(shù)多，傳感器的結(jié)構(gòu)簡單，形式靈活多樣，因此，光電式傳感器在檢測和控制中應(yīng)用非常廣泛。光電傳感器的基本組成原理框圖如圖3.3所示。電信號光信號光信號光源光通路光電元件信號調(diào)理電路圖3.3 光電傳感器原理框圖光電傳感器中的光電元件是各種光電檢測系統(tǒng)中實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵元件，它是把光信號（紅外、可見及紫外光輻射）轉(zhuǎn)變成為電信號的器件。 光電式傳感器是以光電元件作為轉(zhuǎn)換元件的傳感器。它可用于檢測直接引起光量變化的非電量，如光強(qiáng)、光照度、輻射測溫、氣體成分分析等；也可用來檢測能轉(zhuǎn)換成光量變

36、化的其他非電量，如零件直徑、表面粗糙度、應(yīng)變、位移、振動、速度、加速度，以及物體的形狀、工作狀態(tài)的識別等。光電式傳感器具有非接觸、響應(yīng)快、性能可靠等特點(diǎn)，因此在工業(yè)自動化裝置和機(jī)器人中獲得廣泛應(yīng)用。近年來，新的光電器件不斷涌現(xiàn)，特別是CCD圖像傳感器的誕生，為光電傳感器的進(jìn)一步應(yīng)用開創(chuàng)了新的一頁。由于光源和光通量對光電元件的作用原理不同所制成的光學(xué)測控系統(tǒng)是多種多樣的，按光電元件(光學(xué)測控系統(tǒng))輸出量性質(zhì)可分二類，即模擬式光電傳感器和脈沖(開關(guān))式光電傳感器。模擬式光電傳感器是將被測量轉(zhuǎn)換成連續(xù)變化的光電流，它與被測量間呈單值關(guān)系。模擬式光電傳感器按被測量(檢測目標(biāo)物體)方法可分為透射(吸收)

37、式，漫反射式，遮光式(光束阻檔)三大類。所謂透射式是指被測物體放在光路中，恒光源發(fā)出的光能量穿過被測物，部份被吸收后，透射光投射到光電元件上；所謂漫反射式是指恒光源發(fā)出的光投射到被測物上，再從被測物體表面經(jīng)過漫反射后投射到光電元件上；所謂遮光式是指當(dāng)恒光源發(fā)出的光通量經(jīng)被測物后遮住了其中一部份光，使投射到光電元件上的光通量改變，改變的程度與被測物體在光路位置有關(guān)。由于光電傳感器的傳感原理是基于光的傳感器，因此其抗干擾能力強(qiáng)、響應(yīng)速度快、測量精度高等優(yōu)點(diǎn)，在本設(shè)計中需要注意的是，選擇的光源需采用比較強(qiáng)的光源使其能夠在戶外的太陽光下也能正常的測量。3.2 電動機(jī)轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)的原理速度的數(shù)字檢測基本

38、方法是利用與電動機(jī)同軸連接的光電脈沖發(fā)生器的輸出脈沖頻率與轉(zhuǎn)速成正比的原理，根據(jù)脈沖發(fā)生器發(fā)出的脈沖速率和序列，測量轉(zhuǎn)速和判別其旋轉(zhuǎn)方向。電動機(jī)轉(zhuǎn)速的數(shù)字檢測方法很多，以下是常用的幾種方法。3.2.1 轉(zhuǎn)速測量方法轉(zhuǎn)速測量方法有三種測速方法24，即M法、T法及M/T法。其中M法為頻率法、T法為周期法，這兩種測速方法都是對脈沖進(jìn)行測量，但測速范圍都受到一定的限制，M/T法為頻率/周期法。（1） M法（頻率法）：在規(guī)定的檢測時間內(nèi)，測量計數(shù)脈沖個數(shù)。雖然檢測時間一定，但檢測的起止時間具有隨機(jī)性，當(dāng)被測轉(zhuǎn)速較高或電動機(jī)轉(zhuǎn)動一圈發(fā)出的轉(zhuǎn)速脈沖信號個數(shù)較多時，才有較高的測量精度，并且測量準(zhǔn)確度隨轉(zhuǎn)速的減

39、小而降低。在規(guī)定的檢測時間內(nèi)，檢測光電脈沖發(fā)生器所產(chǎn)生的脈沖信號的個數(shù)來確定轉(zhuǎn)速。頻率計算公式為： 式3.1其中t為規(guī)定的檢測時間，n為規(guī)定的檢測時間內(nèi)測得的脈沖信號的個數(shù)。雖然檢測時間一定，但檢測的起止時間具有隨機(jī)性，因此M法測量轉(zhuǎn)速在極端情況下會產(chǎn)生 1個轉(zhuǎn)速脈沖的誤差。m法精度為： 式3.2其中是由待測信號的首末脈沖讀數(shù)的不確定性造成的測量結(jié)果的不確定性，fx是待測信號的頻率，tx是待測信號的周期，t0為基準(zhǔn)時鐘的周期，n是t時間內(nèi)基準(zhǔn)時鐘的脈沖個數(shù)。可見待測信號的頻率越高，頻率測量的精度也越高；信號的頻率越低，測量的精度也越低。當(dāng)被測轉(zhuǎn)速較高或電機(jī)轉(zhuǎn)動一圈發(fā)出的轉(zhuǎn)速脈沖信號的個數(shù)較大時

40、，才有較高的測量精度，因此M法適合于高速測量。（2） T法(周期法)：即測量信號發(fā)出脈沖個數(shù)所需的時間。該方法在被測轉(zhuǎn)速較低(相鄰兩個轉(zhuǎn)速脈沖信號間隔時間較大)時，才有較高的測量精度，其測量準(zhǔn)確度隨著轉(zhuǎn)速的增大而降低，適于低速測量。它是測量光電脈沖發(fā)生器所產(chǎn)生的相鄰兩個轉(zhuǎn)速脈沖信號的時間間隔來確定轉(zhuǎn)速。相鄰兩個轉(zhuǎn)速脈沖信號時間的測量是采用對已知高頻脈沖信號進(jìn)行計數(shù)來實現(xiàn)的。在極端情況下，時間的測量會產(chǎn)生1個高頻脈沖周期的誤差。頻率計算公式為： 式3.3其中T0為高頻脈沖信號的周期，n是高頻脈沖的個數(shù)。T法精度為： 式3.4其中是由基準(zhǔn)時鐘信號的首末脈沖讀數(shù)的不確定性造成的測量結(jié)果的不確定性Tx

41、是待測信號的周期，fx是待測信號的頻率，f0是基準(zhǔn)時鐘的頻率，可見待測信號的頻率越低，測量的精度越高；待測信號的頻率越高，測量的精度越低。因此T法在被測轉(zhuǎn)速較低（相鄰兩個轉(zhuǎn)速脈沖信號時間間隔較大）時，才有較高的測量精度，所以T法適合于低速測量。（3）M/T法（頻率/周期法)它是同時測量檢測時間和在此檢測時間內(nèi)光電脈沖發(fā)生器所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)速脈沖信號的個數(shù)來確定轉(zhuǎn)速。由于同時對兩種脈沖信號進(jìn)行計數(shù)，因此只要“同時性”處理得當(dāng)，M/T法實現(xiàn)測速具有較高的測速精度。M/T法測速綜合了M法和T法的優(yōu)點(diǎn)，適用于高、低頻信號（高、低轉(zhuǎn)速信號）的測量。是在稍大于規(guī)定時間TC的某一時間Td內(nèi)，分別對測速脈沖個數(shù)m1

42、和時鐘脈沖個數(shù)m2進(jìn)行計數(shù)，從而可求出電動機(jī)轉(zhuǎn)速，即轉(zhuǎn)速n： 式3.5式中：為時鐘脈沖的頻率；p為電動機(jī)旋轉(zhuǎn)一周測速脈沖發(fā)生器發(fā)出的脈沖個數(shù)。3.2.2 轉(zhuǎn)速測量原理一般的轉(zhuǎn)速長期測量系統(tǒng)是預(yù)先在軸上安裝一個有60齒的測速齒盤，用變磁阻式或電渦流式傳感器獲得一轉(zhuǎn)60倍轉(zhuǎn)速脈沖，再用測頻的辦法實現(xiàn)轉(zhuǎn)速測量。而臨時性轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)，多采用光電傳感器，從轉(zhuǎn)軸上預(yù)先粘貼的一個標(biāo)志上獲得一轉(zhuǎn)一個轉(zhuǎn)速脈沖，隨后利用電子倍頻器和測頻方法實現(xiàn)轉(zhuǎn)速測量。不論長期或臨時轉(zhuǎn)速測量，都可以在微處理器的參與下，通過測量轉(zhuǎn)軸上預(yù)留的一轉(zhuǎn)一齒的鑒相信號或光電信號的周期，換算出轉(zhuǎn)軸的頻率或轉(zhuǎn)速。即通過速度傳感器，將轉(zhuǎn)速信號變?yōu)?/p>

43、電脈沖，利用微機(jī)在單位時間內(nèi)對脈沖進(jìn)行計數(shù)，再經(jīng)過軟件計算獲得轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)。即： 式3.6n轉(zhuǎn)速（轉(zhuǎn)/分鐘）；N采樣時間內(nèi)所計脈沖個數(shù)；T采樣時間（分鐘）；m每旋轉(zhuǎn)一周所產(chǎn)生的脈沖次數(shù)（通常指測速碼盤的齒數(shù)）。如果m=60次，那么1秒內(nèi)脈沖次數(shù)N就是轉(zhuǎn)速n，即： 式3.7通常m為60次。在對轉(zhuǎn)速波動較快的系統(tǒng)或要求動態(tài)特性好而精度高的轉(zhuǎn)速測控系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)周期一般很短，相應(yīng)的采樣周期需取得很小，使得脈沖當(dāng)量增高，從而導(dǎo)致整個系統(tǒng)測量精度降低難以滿足測控要求。提高采樣速率通常就要減小采樣時間T，而T的減小會使采到的脈沖數(shù)值N下降，導(dǎo)致脈沖當(dāng)量（每個脈沖所代表的轉(zhuǎn)速）增高，從而使得測量精度變得粗糙。通過

44、增加測速碼盤的齒數(shù)可以提高精度，但是碼盤齒數(shù)的提升又會受到傳感器中光電器或磁敏器或磁電器件最高工作頻率的限制。凡此種種因素限制了常規(guī)智能轉(zhuǎn)速測量方法的使用范圍。而采用M/T法，可在保證采樣精度的同時，提高采樣速率，充分發(fā)揮微機(jī)智能測速方法的優(yōu)越及靈活性。3.3 電動機(jī)測速表采用的測速傳感器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和原理3.3.1 光電傳感器結(jié)構(gòu)本測速表的光電傳感器系統(tǒng)采用循環(huán)碼盤（格雷碼碼盤）作為系統(tǒng)的反射器件。光電碼盤是由光學(xué)玻璃制成，在上面刻有許多同心碼道，每個碼道上都有按一定規(guī)律排列的透光和不透光部分。如圖3.4所示。圖3.4 格雷碼碼盤工作時，光投射在碼盤上，碼盤隨運(yùn)動物體一起旋轉(zhuǎn)，透過亮區(qū)的光經(jīng)過狹

45、縫后由光敏元件接受，光敏元件的排列與碼道一一對應(yīng)，對于亮區(qū)和暗區(qū)的光敏元件輸出的信號，前者為“1”，后者為“0”，當(dāng)碼盤旋轉(zhuǎn)在不同位置時，光敏元件輸出信號的組合反映出一定規(guī)律的數(shù)字量，代表了碼盤軸的角位移25。用光電碼盤檢測電機(jī)轉(zhuǎn)速的常用方法有M法、T法、M/T法等。由于鑄軋速度需要無級調(diào)速，故使用M/T法。所謂M/T法，實際上是M法與T法的結(jié)合。實現(xiàn)該方法是指在測速的過程中，不僅測取光電轉(zhuǎn)速脈沖的個數(shù)mn，而且同時測取高頻時鐘脈沖的個數(shù)mc。這樣，可以得到軸的轉(zhuǎn)速為： 式3.9式中：為高頻脈沖的頻率；P為光電碼盤轉(zhuǎn)一周的脈沖數(shù)(個/周)；，分別為采樣過程中對光電脈沖和時鐘脈沖的實際計數(shù)時間。

46、3.3.2 碼盤的工作原理光學(xué)碼盤26是光學(xué)軸角編碼器的角度基準(zhǔn)光學(xué)元件，是將轉(zhuǎn)角的模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量（A/D）的有效工具。按照代碼形成，編碼器可分為增量式和絕對式兩種。前述計量光柵是一種增量式的編碼器，沒有固定的零位。當(dāng)編碼器有絕對零位時，稱其為絕對式編碼器。光學(xué)碼盤是一種絕對式編碼器，按輸出代碼形勢可以有二進(jìn)制、二十進(jìn)制和六十進(jìn)制等。以二進(jìn)制代碼為基礎(chǔ)進(jìn)行編碼的碼版，用透光和不透光兩種狀態(tài)表示“1”和“0”。并以每個碼道代表二進(jìn)制的一位數(shù)，對應(yīng)在光學(xué)碼盤上是黑白相間的一個圓環(huán)。若干這樣的碼道就構(gòu)成按二進(jìn)制規(guī)律的碼盤圖案。圖3.5所示為一個六碼道組成的二進(jìn)制碼盤。圖3.5 光學(xué)碼盤二進(jìn)制碼盤

47、的碼道數(shù)n和碼道編碼容量M之間的關(guān)系為： 式3.10其角度分辨率與盜馬數(shù)n之間的關(guān)系為： 式3.11六位碼盤的編碼容量為，對應(yīng)。也就是說有六碼道的碼盤能將一個圓周分為64分。對21個碼道的碼盤，角分辨率可達(dá)。二進(jìn)制碼盤中內(nèi)圈為高位碼，外圈為低位碼。普通二進(jìn)制碼盤在進(jìn)位時，常需多個位數(shù)的代碼同時發(fā)生轉(zhuǎn)換，如從“0111”進(jìn)位到“1000”時，四個碼道都發(fā)生代碼轉(zhuǎn)換。由于碼盤制作和安裝總有一些誤差，可能造成四個碼道轉(zhuǎn)換不完全同步，于是產(chǎn)生錯碼。如果這是高位轉(zhuǎn)換滯后，得到了“0000”，本應(yīng)為8卻成了0，產(chǎn)生了8個數(shù)的誤差。對于六碼道碼盤，最大誤差可達(dá)32之多。這是它的致命缺點(diǎn)，實際很少用這種碼盤。

48、常采用循環(huán)碼盤。光電碼盤角位移測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，如圖3.6所示。圖3.6 光電碼盤角位移測量系統(tǒng)光電碼盤按其編碼方式分為二進(jìn)制、十進(jìn)制和循環(huán)碼三種方式。循環(huán)碼的形式很多，有格雷碼、周期碼及反射碼等。圖3.6所示是一種典型的格雷碼圖案。它有五個碼道，圖中以黑線代表“0”，而白線代表“1”。循環(huán)碼的重要特點(diǎn)是：（1）代碼從任何數(shù)轉(zhuǎn)變到相鄰數(shù)時，各碼位中僅有一位發(fā)生變化；（2）循環(huán)碼每一個碼道的周期比普通二進(jìn)制碼盤增加了一倍。由于循環(huán)碼道的上述特點(diǎn)，當(dāng)它發(fā)生進(jìn)位或退位時，代碼只有一位二進(jìn)制數(shù)字發(fā)生變化，因此產(chǎn)生誤差不會超過讀數(shù)最低位的單位量。如十進(jìn)制數(shù)7變?yōu)?時，循環(huán)碼從“0100”轉(zhuǎn)變?yōu)椤?100”

49、，只有最高位發(fā)生轉(zhuǎn)換，因此不論什么原因造成延遲或提前進(jìn)位，其誤差只可能是十進(jìn)制的“1”。可見比普通二進(jìn)制碼優(yōu)越得多。3.3.3 測速表的測速傳感器系統(tǒng)原理測速表傳感器系統(tǒng)采用光電傳感器系統(tǒng)，其具體原理示意圖如圖3.7所示。圖3.7 光電編碼器原理示意圖圖中的碼盤采用循環(huán)碼盤，循環(huán)碼的主要缺點(diǎn)是每一位設(shè)有固定的權(quán)，而不像普通二進(jìn)制碼那樣從右至左各位的權(quán)分別是十進(jìn)制數(shù)的1、2、4、8 等。因此在獲得格雷碼的數(shù)字信號后很難閱讀和計算，為此常將循環(huán)碼轉(zhuǎn)換為普通的二進(jìn)制碼，然后再進(jìn)行運(yùn)算或閱讀，而在測速表系統(tǒng)中我們只是需要循環(huán)碼盤旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的脈沖信號，最后是由AT89C51單片機(jī)進(jìn)行讀取數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，因

50、此我們只需考慮編寫的程序。4 基于AT89C51單片機(jī)的電動機(jī)測速表的硬件設(shè)計隨著超大規(guī)模集成電路技術(shù)提高，尤其是單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)以及功能強(qiáng)大，價格低廉的顯著特點(diǎn)，是全數(shù)字化測量轉(zhuǎn)速系統(tǒng)得到廣泛應(yīng)用。出于單片機(jī)在測量轉(zhuǎn)速方面具有體積小、性能強(qiáng)、成本低的特點(diǎn)，越來越受到企業(yè)用戶的青睞。對測量轉(zhuǎn)速系統(tǒng)的硬件和編程進(jìn)行研究，設(shè)計出一種以單片機(jī)為主的轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)，保證了測量精度。4.1 電動機(jī)測速表的總體設(shè)計硬件電路圖結(jié)構(gòu)及原理系統(tǒng)由光電傳感器、信號預(yù)處理電路、AT89C51單片機(jī)、1602型LCD顯示模塊等組成。其中信號預(yù)處理電路包含信號放大、波形變換和波形整形。波形變換和波形整形電路則用來將放大的信

51、號轉(zhuǎn)換成可與單片機(jī)相連的TTL信號。通過單片機(jī)的設(shè)置可使內(nèi)部定時器T1對脈沖輸入引腳，T0進(jìn)行控制，這樣能精確地算出加到T0引腳的單位時間內(nèi)檢測到的脈沖數(shù)；設(shè)計中速度顯示采用1602型LCD模塊。系統(tǒng)的原理框圖如圖4.1所示。信號模擬速度光電傳感器信號調(diào)理電路AT89C51單片機(jī)1602型LCD顯示計數(shù)脈沖圖4.1 系統(tǒng)原理框圖測速表主要由四個部分組成：（1）傳感部分測速表的傳感部分為光電傳感器，其結(jié)構(gòu)采用光電編碼器作為檢測元件，其測量原理為在一個圓形玻璃盤的邊緣開有相等角距的縫隙，成為透明和不透明的碼盤，在此碼盤開縫的兩邊，分別安裝光源及光電元件。當(dāng)碼盤隨被測物體的工作軸轉(zhuǎn)動時，每轉(zhuǎn)過一個縫

52、隙，光電元件所獲得的光強(qiáng)就發(fā)生一次明暗的轉(zhuǎn)換，光電轉(zhuǎn)換電路就產(chǎn)生一定幅值和功率的電脈沖輸出信號。將這一脈沖信號經(jīng)過整形電路之后再輸入單片機(jī)的T1端口進(jìn)行計算。測速表采用光電編碼器作為檢測元件，通過光電轉(zhuǎn)換將角位移轉(zhuǎn)換成為相應(yīng)的電脈沖信號，單片機(jī)對這些信號進(jìn)行處理，達(dá)到電動機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)速的檢測，精度非常高。（2）信號調(diào)理電路部分信號調(diào)理電路將光電傳感器輸出的信號通過放大器和整形電路將模擬信號轉(zhuǎn)換成AT89C51單片機(jī)能夠識別的高低電平信號。（3）單片機(jī)計算控制部分測速表采用AT89C51單片機(jī)作為控制部分。采用了最小系統(tǒng)包括復(fù)位電路和大約為12MHz的晶振電路，信號調(diào)理電路輸出端口接單片機(jī)的定時器/

53、計數(shù)器T1端口，而設(shè)定T1端口為計數(shù)器模式，用于對外部輸入引腳T1的外部脈沖（負(fù)跳變）計數(shù)，T0為定時器模式，用于對于設(shè)定LCD的顯示刷新頻率的設(shè)定。（4）LCD顯示部分測速表采用1602型LCD作為顯示部分。LCD1602液晶顯示器是目前廣泛使用的一種字符型液晶顯示模塊。它是由字符型液晶顯示屏（LCD）、控制驅(qū)動主電路HD44780及其擴(kuò)展驅(qū)動電路HD44100，以及少量電阻、電容元件和結(jié)構(gòu)件等裝配在PCB板上而組成。在硬件設(shè)計時，選用Protel 99 SE軟件進(jìn)行電路原理圖的繪制。電動機(jī)測速表的總原理圖如圖4.2所示。圖4.2 測速表電路原理圖Protel 99 SE是運(yùn)行在Window

54、s環(huán)境下的電子設(shè)計自動化(Eleetronic Design Automation，EDA)軟件27，其強(qiáng)大的功能使電子電路的設(shè)計質(zhì)量和效率大為提高。4.2 電動機(jī)測速表的轉(zhuǎn)速信號處理電路設(shè)計在光電檢測系統(tǒng)中，信號處理電路的關(guān)鍵在于前置放大器的設(shè)計。光電器件偏置電路輸出信號較強(qiáng)時，前置放大器及后續(xù)放大器的設(shè)計主要是從增益、帶寬、阻抗匹配和穩(wěn)定性上著手的，在此基礎(chǔ)上考核噪聲的影響。如果供給前置放大器的信號很小，那么設(shè)計適用于弱信號的低噪聲前置放大器將十分重要。應(yīng)盡力抑制噪聲作為考慮問題的出發(fā)點(diǎn)。為了減小雜散的電干擾和傳輸線對信號的損失，通常把探測器與前置放大器放置在一起，而后續(xù)的放大器則可通過屏

55、蔽線連接而相距一段距離。在本設(shè)計的測速表中，單片機(jī)需要光電傳感器輸出的信號為開關(guān)信號，因此不需要考慮頻帶寬度、穩(wěn)定性、阻抗匹配、線性度、動態(tài)范圍等要求，只需考慮噪聲系數(shù)和電壓放大倍數(shù)。對于噪聲的抑制我們可以采用加強(qiáng)光源的光照強(qiáng)度，比如采用激光等光源，電壓的放大測速表采用8050三極管進(jìn)行放大。如圖4.3所示。圖4.3 信號調(diào)理電路光電傳感器的信號輸出端連接INPUT端口，經(jīng)過限流電阻R1，輸入8050三極管將光電傳感器信號放大，而8050三極管的輸出端接一個帶施密特整形電路的方向器74LS14，作用是提高抗干擾能力。施密特觸發(fā)電路的輸入特性有一個回差。輸入電壓大于2V才認(rèn)為是高電平輸入，小于0

56、.8V才認(rèn)為是低電平輸入。電平在0.82V之間變化時，則不改變輸出狀態(tài)。因此信號經(jīng)過74LS14之后便更接近理想波形。最后將理想的高低電平信號輸入AT89C51單片機(jī)進(jìn)行后續(xù)處理。4.3 最小系統(tǒng)的設(shè)計4.3.1 復(fù)位電路MCS-51單片機(jī)復(fù)位電路是指單片機(jī)的初始化操作。單片機(jī)啟動運(yùn)行時，都需要先復(fù)位，其作用是使CPU和系統(tǒng)中其它部件處于一個確定的初始狀態(tài)，并從這個狀態(tài)開始工作。因而，復(fù)位是一個很重要的操作方式。但單片機(jī)本身是不能自動進(jìn)行復(fù)位的，必須配合相應(yīng)的外部電路才能實現(xiàn)。如圖4.4所示。圖4.4 復(fù)位電路（1）復(fù)位功能復(fù)位電路的基本功能是：系統(tǒng)上電時提供復(fù)位信號，直至系統(tǒng)電源穩(wěn)定后，撤銷

57、復(fù)位信號。為可靠起見，電源穩(wěn)定后還要經(jīng)一定的延時才撤銷復(fù)位信號，咦防電源開關(guān)或電源插頭分合過程中引起的抖動而影響復(fù)位。單片機(jī)的復(fù)位是由外部的復(fù)位電路來實現(xiàn)的。片內(nèi)復(fù)位電路是復(fù)位引腳RST通過一個施密特觸發(fā)器與復(fù)位電路相連，施密特觸發(fā)器用來抑制噪聲，它的輸出在每個機(jī)器周期的S5P2，由復(fù)位電路采樣一次。復(fù)位電路通常采用上電自動復(fù)位（如圖4.5）和按鈕復(fù)位（如圖4.6）兩種方式。 圖4.5上電復(fù)位電路 圖4.6 按鍵復(fù)位電路（2）單片機(jī)復(fù)位后的狀態(tài)單片機(jī)的復(fù)位操作使單片機(jī)進(jìn)入初始化狀態(tài)，其中包括使程序計數(shù)器PC=0000H，這表明程序從0000H地址單元開始執(zhí)行。單片機(jī)冷啟動后，片內(nèi)RAM為隨機(jī)值

58、，運(yùn)行中的復(fù)位操作不改變片內(nèi)RAM區(qū)中的內(nèi)容，21個特殊功能寄存器復(fù)位后的狀態(tài)為確定值，如表4.1所示。表4.1寄存器復(fù)位后狀態(tài)表特殊功能寄存器初始狀態(tài)特殊功能寄存器初始狀態(tài)A00HTMOD00HB00HTCON00HPSW00HTH000HSP07HTL000HDPL00HTH100HDPH00HTL100HP0P3FFHSBUF不定IP*00000BSCON00HIE0*00000BPCON0*B注：表4.1中符號*為隨即狀態(tài)。值得指出的是，記住一些特殊功能寄存器復(fù)位后的主要狀態(tài)，對于了解單片機(jī)的初態(tài)，減少應(yīng)用程序中的初始化部分是十分必要的。PSW=00H，表明選寄存器0組為工作寄存器組：

59、SP=07H，表明堆棧指針向片內(nèi)RAM07H字節(jié)單元，根據(jù)堆棧操作的先加后壓法則，第一個被壓入的內(nèi)容寫入到08H單元中；P0-P3=FFH，表明已向各端口線寫入1，此時，歌端口既可用于輸入又可用于輸出。IP=*00000B，表明已向各個中斷源處于低優(yōu)先級；IE=0*00000B，表明各個中斷均被關(guān)斷；系統(tǒng)復(fù)位是任何微機(jī)系統(tǒng)執(zhí)行的第一步，使整個控制芯片回到默認(rèn)的硬件狀態(tài)下。51單片機(jī)的復(fù)位是由RESET引腳來控制的，此引腳與高電平相接超過24個震蕩周期后，51單片機(jī)即進(jìn)入芯片內(nèi)部復(fù)位狀態(tài)，而且一直在此狀態(tài)下等待，知道RESET引腳轉(zhuǎn)為低電平后，才檢查EA引腳是高電平或低電平，若為高電平則執(zhí)行芯片

60、內(nèi)部的程序代碼，若為低電平便會執(zhí)行外部程序。51單片機(jī)在系統(tǒng)復(fù)位時，將其內(nèi)部的一些重要寄存器設(shè)置為特定的值，至于內(nèi)部RAM內(nèi)部的數(shù)據(jù)則不變。4.3.2 時鐘電路晶振是晶體振蕩器的簡稱，在電氣上它可以等效成一個電容和一個電阻并聯(lián)再串聯(lián)一個電容的二端網(wǎng)絡(luò)，電工學(xué)上這個網(wǎng)絡(luò)有兩個諧振點(diǎn)，以頻率的高低分其中較低的頻率是串聯(lián)諧振，較高的是并聯(lián)諧振。AT89C51單片機(jī)內(nèi)部有一個用于構(gòu)成振蕩器的高增益反相放大器。引腳XTAL1和XTAL2分別是此放大器的輸入端和輸出端。這個放大器與作為反饋元件的片外晶體諧振器一起構(gòu)成一個自激振蕩器。外接晶體諧振器以及電容C1和C2構(gòu)成并聯(lián)諧振電路，接在放大器的反饋回路中。

61、對外接電容的值雖然沒有嚴(yán)格的要求，但電容的大小會影響振蕩器頻率的高低、振蕩器的穩(wěn)定性、起振的快速性和溫度的穩(wěn)定性。因此，此系統(tǒng)電路的晶體振蕩器的值約為12MHz，電容應(yīng)盡可能的選擇陶瓷電容，電容值約為30pF。在焊接印刷電路板時，晶體振蕩器和電容應(yīng)盡可能安裝得與點(diǎn)偏激芯片靠近，以減少寄生電容，更好的保證振蕩器穩(wěn)定和可靠地工作。晶體振蕩器連接電路如圖4.7所示。圖4.7 晶振電路晶振有一個重要的參數(shù)，那就是負(fù)載電容值，選擇與負(fù)載電容值相等的并聯(lián)電容，就可以得到晶振標(biāo)稱的諧振頻率。4.4 測速表的速度顯示設(shè)計4.4.1 1602型LCD介紹LCD1602液晶顯示器是目前廣泛使用的一種字符型液晶顯示模塊28，實物照片如圖4.8所示。它是由字符型液晶顯示屏（LCD）、控制驅(qū)動主電路HD44780及其擴(kuò)展驅(qū)動電路HD44100，以及少量電阻、電容元件和結(jié)構(gòu)件等裝配在PCB板上而組成。不同廠家生產(chǎn)的LCD1602芯片可能有所不同，但使用方法都是一樣的。為了降低成本，現(xiàn)在絕大多數(shù)制造商都直接將裸片做到板子上。 圖4.8 LCD1602的正面和背面效果圖目前國際上已經(jīng)對字符型液晶顯示模塊進(jìn)行了規(guī)范，使得無論顯示屏規(guī)格如何變化，其電特性和接口形式都是統(tǒng)一的。因此，只要設(shè)計出一種型號的接口電路，并在指令設(shè)置上稍加改動即可使用各種規(guī)格的字符型液晶顯示模塊。該液晶顯示器的主要技術(shù)參數(shù)是： 液晶