毕业论文-基于AT89C51单片机的转速测量仪设计.doc

青岛理工大学 毕 业 论 文 题目：题目： 基于基于 AT89C51AT89C51 单片机的转速测量仪设计单片机的转速测量仪设计 学生姓名：学生姓名： 学生学号：学生学号： 院系名称：院系名称： 机电工程系机电工程系 专业班级：专业班级： 机电一体化机电一体化 107107 班班 指导教师：指导教师： 20132013 年年 6 月月 1515 日日 青岛理工大学毕业论文 I 摘 要 在工程实践中，经常会遇到各种需要测量转速的场合，测量转速的方法分为 模拟式和数字式两种。模拟式采用测速发电机为检测元件，得到的信号是模拟量。 数字式通常采用光电编码器、霍尔元件等为检测元件，得到的信号是脉冲信号。 随着微型计算机的广泛应用，特别是高性能价格比的单片机的出现，转速测量普 遍采用以单片机为核心的数字式测量方法。 本文便是运用 AT89C51 单片机控制的智能化转速测量仪。电机在运行过程中， 需要对其进行监控，转速是一个必不可少的一个参数。本系统就是对电机转速进 行测量，并可以和 PC 机进行通信，显示电机的转速，并观察电机运行的基本状 况。 本设计主要用 AT89C51 作为控制核心，由霍尔传感器、LED 数码显像管、 HIN232CPE 电平转换及 RS232 构成。详细介绍了单片机的测量转速系统及 PC 机与 单片机之间的串行通讯。充分发挥了单片机的性能。本文重点是测量速度并显示 在 5 位 LED 数码管上。 其优点硬件是电路简单，软件功能完善，测量速度快、精度高、控制系统可 靠，性价比较高等特点。 关键词：MSC-51 单片机，转速，传感器 青岛理工大学毕业论文 II ABSTRACT In the project practice, we will meet each kind to need frequently to survey the rotational speed the situation, the survey rotational speed method divides into the simulation type and the digital two kinds. The simulation type uses measured that the fast generator is the detecting element, obtains the signal simulates the quantity. Digital usually uses the electro-optical encoder, the Hall part and so on is the detecting element, obtains the signal is the signal impulse. Along with microcomputers widespread application, specially high performance price compared to monolithic integrated circuits appearance, the tachometric survey uses generally take the monolithic integrated circuit as the core digital measuring technique I graduated from the Design of the issue is control of the intelligent use of SCM speed measuring instrument. The system is the motor speed measurement, and PC and can communicate that the motor speed, and to observe the motor running the basic situation. The main design AT89C51 control as the core, by the Hall sensor, LED digital CRT, HIN232CPE-level conversion, and a RS232. Detailed measurements of the speed of the SCM system and PC and the serial communication between the microcontroller. Give full play to the performance of the SCM. This paper is to measure the speed and displayed in five LED digital pipe. The advantage of a simple hardware and software capabilities improve, measuring speed, high precision and control system reliable, cost-effective and so on. KEY WORDS：MSC-51 One-chip computer,Sensor,Tachometer 青岛理工大学毕业论文 III 目目 录录 摘 要.I ABSTRACT.II 前 言1 第 1 章 绪 论2 1.1 课题的研究背景2 1.2 课题研究的目的和意义2 1.3 转速测量在国内外的研究3 1.4 主要内容4 第 2 章 系统功能分析5 2.1 系统功能概述5 2.2 系统要求及主要内容5 2.3 系统技术指标6 第 3 章 系统总体设计7 3.1 转速测量的一般方法7 3.2 硬件电路设计思路9 3.3 软件设计思路 9 第 4 章 硬件电路设计11 4.1 单片机模块11 4.1.1 处理执行元件.11 4.1.2 时钟电路.14 4.1.3 复位电路.15 4.1.4 显示电路.16 4.1.5 HD7279 接口18 4.1.6 键盘电路.21 4.2 霍尔传感器简介22 青岛理工大学毕业论文 IV 4.2.1 霍尔器件概述.22 4.2.2 霍尔传感器的应用.22 4.2.3 AH41 霍尔开关23 4.3 发送模块24 第 5 章 软件设计28 5.1 单片机转速程序设计思路及过程28 5.1.1 单片机程序设计思路28 5.1.2 单片机转速计算程序.29 5.1.3 二-十进制转换程序.30 5.2 程序设计32 第 6 章 系统调试34 6.1 硬件调试34 6.2 软件调试35 6.2.1 调试主要方法和技巧：.35 6.2.2 程序调试过程：36 6.3 综合调试37 6.4 故障分析与解决方案37 6.5 结论与经验38 参考文献40 致 谢41 附 录42 青岛理工大学毕业论文 第 1 页 前 言 智能化转速测量可以对电机的转速进行测量，电机在运行的过程中，需要 对其平稳性进行监测，适时对转速的测量有效地可以反映电机的状况。 本系统主要由传感器，单片机 AT89C51 构成。可以对大范围转速进行测量， 测量的转速精度高，还可以和 PC 机时时通信，实现对电机转速的测量。 单片机的英文名称是 Micro Controller unit,缩写为 MCU，又称为微控制 器，它是一种面向控制的大规模集成电路芯片。它具有功能强、体积小、可靠 性高、应用简单灵活，因而使用非常广泛，有力地推动各行业的技术发展和更 新换代。 本文首先在第 1 章绪论介绍了此系统的功能、技术指标以及主要内容等； 在第 2 章论述了总体设计过程,确定了技术指标及器件的选择；第 3 章着重描述 了系统硬件电路设计、硬件设计框图及所使用的各种芯片功能与特性；在第 4 章中重点剖析了软件设计的过程；最后在第 5 章中具体论述单片机、电平转换 电路、通信的处理及调试。 青岛理工大学毕业论文 第 2 页 第 1 章 绪 论 1.1 课题的研究背景 目前国内外测量电机转速的方法很多，按照不同的理论方法，先后产生过 模拟测速法(如离心式转速表、用电机转矩或者电机电枢电动势计算所得)、同 步测速法(如机械式或闪光式频闪测速仪)以及计数测速法。计数测速法又可分 为机械式定时计数法和电子式定时计数法。 传统的电机转速检测多采用测速发电机或光电数字脉冲编码器，也有采用 电磁式(利用电磁感应原理或可变磁阻的霍尔元件等)、电容式(对高频振荡进行 幅值调制或频率调制)等，还有一些特殊的测速器是利用置于旋转体内的放射性 材料来发生脉冲信号。其中应用最广的是光电式，光电式测系统具有低惯性、 低噪声、高分辨率和高精度的优点。加之激光光源、光栅、光学码盘、CCD 器 件、光导纤维等的相继出现和成功应用，使得光电传感器在检测和控制领域得 到了广泛的应用。而采用光电传感器的电机转速测量系统测量准确度高、采样 速度快、测量范围宽和测量精度与被测转速无关等优点，具有广阔的应用前景。 1.2 课题研究的目的和意义 随着超大规模集成电路技术提高，尤其是单片机应用技术以其功能强大， 价格低廉的显著特点，使全数字化测量转速系统得以广泛应用。由于单片机在 测量转速方面具有体积小、性能强、成本低的特点，越来越受到企业用户的青 睐。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，这种测量方技术已不能适应现代科 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。在测量范围和测量精度方面都有极大的 提高。 青岛理工大学毕业论文 第 3 页 常用的检测方法有机械式，光电式，霍尔式，频闪法，高压油管应变法等， 本课题主要是针对转速测量系统的硬件和软件系统的设计。运用 51 系列单片机 设计一种全数字化测速系统，从提高测量精度的角度出发，分析讨论其产生误 差的可能原因。同时从实际硬件电路出发，分析电路的工作原理，根据设计具 体情况提出修改方案和解决办法。 在工程实践中,经常会遇到各种需要测量转速的场合, 例如在发动机、电动 机、卷扬机、机床主轴等旋转设备的试验、运转和控制中,常需要分时或连续测 量和显示其转速及瞬时转速。要测速，首先要解决是采样问题。在使用模技术 制作测速表时，常用测速发电机的方法，即将测速发电机的转轴与待测轴相连， 测速发电机的电压高低反映了转速的高低。为了能精确地测量转速外,还要保证 测量的实时性,要求能测得瞬时转速方法。因此转速的测试具有重要的意义。 这次设计内容包含知识全面，对传感器测量发电机转速的不同的方法及原 理设计有较多介绍，在测量系统中能学到关于测量转速的传感器采样问题，单 片机部分的内容，显示部分等各个模块的通信和联调。全面了解单片机和信号 放大的具体内容。进一步锻炼我们在信号采集、处理、显示等方面的实际工作 能力。 本课题以单片机为核心，设计的全数字化测量转速系统，在工业控制和民 用电器中都有较高使用价值。一方面它可以应用于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、水泵流量控制以及需要利用转速检测来进行 控制的许多场合，如车辆的里程表、车速表等。另一方面由于该转速测量系统 采用全数字结构，因而可以很方便的和工业控制机进行连接，实行远程管理和 控制，进一步提高现代化水平。并且，几乎不需做很大改变就能直接作为单独 的产品使用。总之，转速测量系统的研究是一件非常有意义的课题。 1.3 转速测量在国内外的研究 转速是能源设备与动力机械性能测试中的一个重要的特性参量，因为动力 机械的许多特性参数是根据它们与转速的函数关系来确定的，例如压缩机的排 气量、轴功率、内燃机的输出功率等等，而且动力机械的振动、管道气流脉动、 各种工作零件的磨损状态等都与转速密切相关。 青岛理工大学毕业论文 第 4 页 转速测量的方法很多，测量仪表的型式也多种多样，其使用条件和测量精 度也各不相同。根据转速测量的工作方式可分为两大类：接触式转速测量仪表 与非接触式转速测量仪表。前者在使用时必须与被测转轴直接接触，如离心式 转速表、磁性转速表与测速发电机等；后者在使用时不需要与被测转轴接触,如 光电式转速表、电子数字式转速表、闪光测速仪等。测量发动机转速的传统方 法是使用光电式转速表测量。用这种方法测量时,既要在发动机转动轴上粘贴光 标纸，又要求测量人员把转速表与光标纸的距离控制在很近的范围,测量十分不 方便。随着科学技术的迅速发展,转速测量仪表已步入现代化、电子化的行列。 过去曾经使用过的接触式测量仪表,如离心式转速表、磁性转速表、微型发 电机转速表及钟表是定时转速表，均已先后受到冷落；而利用已知频率的闪光 与被测轴转速同步的方法来测速的闪光测速仪，虽属非接触式仪表，目前仍有 应用,但也退居次要地位。代之而起的是非接触式的电子与数字化的测速仪表。 这类转速仪表大多具有体积小、重量轻、读数准确、使用方便等优点，容易实 现电脑荧屏显示和打印输出，能够连续的反映转速变化，既能测定发动机稳定 情况下的平均转速,也能够用来在足够小的时间间隔这一特定条件下测定发动机 的瞬时转速。 转速测量的应用系统在工业生产、科技教育、民用电器等各领域的应用极 为广泛，往往成为某一产品或控制系统的核心部分，其各种参数在不同的应用 中有其侧重，但转速测量系统作为普遍的应用在国民经济发展中，有重要的意 义。 1.4 主要内容 1.详细分析转速的测量理论，对转速的周期测量法“T”法、频率测量法 “M”法以及周期频率“M/T”测量法，三种具体测量方法的转速计算、各自的 测量精度和误差进行阐述。定性地比较三种方法所针对的转速特征，分析高、 中、低转速情况下各自的适用状况。 2.根据单片机硬件系统的设计，构建软件系统，分别对硬件系统的配置予 以估计，使其能够对转速进行测量。同时分析接口电路，显示转速。 3.对单片机定时/计数器进行设置，设计和说明定时/计数器在“M”法测量 青岛理工大学毕业论文 第 5 页 中的作用和使用方法，讨论测量精度的问题。 4.根据系统要求设置各控制字，用汇编语言编制程序，包括主程序流程， 转速计算程序，显示中断程序流程，同时并写出其具体程序。 青岛理工大学毕业论文 第 6 页 第 2 章 系统功能分析 2.1 系统功能概述 系统主要实现功能是 AT89C51 单片机接收霍尔传感器传来的脉冲信号,单片 机根据外部中断,以及内部定时器进行记数计算出电机转速送到 LED 显示，同时 数据传给 PC 机,并在 PC 机屏幕上显示出来。记录各时段的转速，画出 V-T 坐标 图。 本系统通信部分是单片机经电平转换电路 HIN232CP 之后，通过串口 RS- 232 发送数据，由 PC 微机接收，微机部分用 Visual Basic 软件编写的界面作 为 PC 机部分与单片机进行串口之间通信。传感器电路、转速测量、LED 显示、 电平转换电路设计等将在以下章节作详细地设计。 传感器 单 片 机 AT89C51 电 平 转 换 电 路 LED 显示 驱动电路 送 PC 机界面 图 2.1 系统硬件电路 从实用的角度看，评价一个系统实用价值的重要标准，就是这个系统对社 会生活和科技观念有多大的贡献。转速测量系统具有大范围、高精度等优点、 测量速度快，这种系统将会有良好的应用。 2.2 系统要求及主要内容 将霍尔传感器产生的脉冲信号输出入到单片机的外部中断 0 口，单片机工 作在内部定时器工作方式 0，对周期信号进行内部记数，调用计算公式算出转 速，调用显示程序显示在 LED 上，同时通过串口向上位机发送转速数据。系统 包含主要内容如下： 青岛理工大学毕业论文 第 7 页 （1）单片机部分主要完成电机转速的测量 （2）LED 部分主要是把转速显示出来，显示范围 60-36000r/min （3）发送部分主要是完成电平转换，送 RS232 向 PC 发送数据。 （4）PC 机部分主要完成将数据显示在界面并描绘出 V-T 图 2.3 系统技术指标 系统主要完成测量和通信两部分功能： （1）设计并制作单片机的转速测量的硬件系统； （2）用汇编语言完成转速测量的软件系统； （3）要求把转速显示在 5 位 LED 上，精度为 0.1%； （4）能向上位机发送数据； （5）用 9 针 RS-232 即可； （6）在微机部分采用 Visual Basic 编制 RS232 通信软件； （7）通信软件具有数据接受编辑框； （8）通信软件要适时对数据的记录，用时间曲线表示。 根据系统要实现的功能以及要求，要实现单片机的转速测量主要是各个模 块的设计，定时器记数功能、以及 LED 驱动、电平转换及 PC 机之间的通信。单 片机可通过编程控制外围部件，能实现较高的自动化程度。以它为系统核心的 控制模块可实现主从控制，完成预定的任务。 青岛理工大学毕业论文 第 8 页 第 3 章 系统总体设计 3.1 转速测量的一般方法 一般转速测量系统有以下几个部分构成，转速测量框图如图 3.1 所示。 转 速 信 号 拾 取 整 型 倍 频 单 片 机 显 示 接 口 芯 片 显示 键盘 驱 动 电 路 图 3.1 转速测量框图 1转速信号拾取 转速信号拾取是整个系统的前端通道，目的是将外界的非电参量，通过一 定方式转换成电量，这一环节可以通过敏感元件、传感器或测量仪表等来实现。 方法如下： （1）通过敏感元件拾取被测信号 敏感元件体积小，可以根据用户及环境要求做成各矛头形状的探头，它能 将被测的物理量变换成电流、电压，只要选择合适的元件参数。如 R、L、C 设 计相应的电路，便能完成这种对应关系。这种方法设计难度大，信号稳定度差， 在模拟处理系统中不宜采用。 （1）通过传感器拾取信号 由专业人员将敏感元件和相应的测量电路、传递机构以适当的形式制成不 同类型、不同用处的传感器，根据原理输出电量。该电量可以是模拟量或数字 量，现代传感器还可以输出开关量，用于数字逻辑电路。 （2）通过测量仪表拾取被测信号 目前有许多测量仪表用于各种测量中，有大信号输出、有 BCD 码输出等， 但价格昂贵，专业性强，一般不适合通用系统。通用的转速测量系统大都采用 青岛理工大学毕业论文 第 9 页 一种俗称“码盘”的传感装置，将圆形的码盘固定在转轴上，码盘上有若干规 则排列的小孔，用光电偶来输出电信号，以反映转速对应关系，即是将转轴的 速度以脉冲形式反映出来，通常有两种形式：模拟量量化后经 A/D 转换，由 数字量反映角度，供单片机计算处理，得出转速。直接由脉冲来反应转轴的 角度，用每转产生的脉冲经单片机处理得出转速。 2整形和倍频 前向通道中，从传感器输出的信号必须转换成单片机输入要求的信号，由 于信号调节电路与传感器的选择，现场干扰程度等，都会影响信号的质量。而 脉冲信号的上升沿和下降沿对数字电路的触发尤为重要，若要将转速脉冲信号 直接加到计数器或外部中断的输入端，并利用其上升沿来触发进行计数，则必 须要求输入的信号有陡峭的上升沿或下降沿。 处理方法上可以用触发器电路来整形；而倍频电路主要用于解决低转速时 测量精度问题及码盘的刻度误差而造成的精度下降问题。方法是在每转中增加 脉冲的个数(码盘的线程数)来提高精度。但在高转速时，由于脉冲个数的增加， 限制了最高转速测量量程，这个问题可用单片机控制来动态处理解决，兼顾高 低转速的测量精度。 3单片机 单片机是整个测量系统的主要部分，担负对前端脉冲信号的处理、计算、 以及信号的同步，计时等任务，其次，将测量的数据经计算后，将得到的转速 值传送到显示接口中，用数码管显示数值。在本系统中考虑到计数的范围、使 用的定时，计数器的个数及 I/O 口线，预选用 89C51 单片机。具体工作情况在 后讨论。 4驱动和显示 由于 LED 数码管具有亮度高、可靠性好等特点，工业测控系统中常用 LED 数码管作为显示输出。本系统也采用数码管作显示。 LED 显示器是用发光二极管显示字段的，通常使用七段构成“日”字型和 一只发光二极管作为小数点，称八段数码显示器。其有两种驱动方式，共阴驱 动和共阳驱动，共阴驱动是各段发光二极管的阴极连在一起，并将公共端接地， 在共阳结构中，将各段发光二极管阳极连在一起，并将公共端接上+5V 电源， 青岛理工大学毕业论文 第 10 页 显示字符对应字型代码发光。 3.2 硬件电路设计思路 硬件设计的任务是根据总体设计要求，在选择的机型的基础上，具体确定 系统中所要使用的元器件，设计出系统的原理框图、电路原理图。 转速是工程中应用非常广泛的一个参数，早期模拟量的模拟处理一直是作 为转速测量的主要方法，这种测量方法在测量范围和测量精度上，已不能适应 现代科技发展的要求。而随着大规模及超大规模集成电路技术的发展，数字测 量系统得到普遍应用，利用单片机对脉冲数字信号的强大处理能力，应用全数 字化的结构，使数字测量系统的越来越普及,在测量范围和测量精度方面都有极 大的提高。 89C51单片机通过INT0输入传感器的脉冲信号，P0口P2口接LED动态显示。 另由于PC系列微机串行口为RS232C标准接口，与输入、输出均为TTL电平的 89C51单片机在接口规范上不一致，因此TTL 电平到RS232接口电平的转换采 用HIN232CP接口芯片，该芯片可以用单电压（+5V）实现RS232接口逻辑“1” （-3V-15V）和逻辑“0”（+3V+15V）的电平转换。 转速测量部分的硬件设计思路：本次设计单片机部分的硬件框图如图3.2所 示。具体详细的叙述将在下面的章节中逐一介绍。 复位电路 CPU 执行单元 显示电路 时钟电路发送电路 图 3.2 单片机部分硬件框图 3.3 软件设计思路 软件需要解决的是定时器 0 的记数和外部中断 0 的设定、由于测量的转速 范围大，所以低速和高速都要考虑在内，关键在于一个四字节除三字节程序的 青岛理工大学毕业论文 第 11 页 实现。显示部分、需要有一个二进制到十进制的转化程序，以及转换成非压缩 BCD 的程序后、才能进行调用查表程序送到显示。PC 机串口和单片机串行口的 工作方式，包括串行口的通讯速率、奇偶校验位、停止位等均由通信软件实现。 软件工作流程：霍尔传感器利用磁电效应产生一周期脉冲向单片机的外部 中断 0（P3.2）口发送一个中断信号，定时器工作在内部定时，TH0、TL0 设定 初值为 0，作为除数的低两字节，利用软件记数器、定时器 0 中断的次数作为 除数高字节。中断完毕读取内部记数值作为除数，调用除法程序计算转速，再 对二进制数进行一系列变换后调用查表显示程序，显示在 LED 上。 转速部分软件设计思路： AT89C51单片机的P3.2口接收传感器的信号。主 要编写一个外部中断服务程序INT_0，读取记数值的三个字节，并再次清0记数 初值以便下次的记数和计算。调用两字节二进制-三字节十进制（BCD）转换子 程序BCD，再调用十进制转换成非压缩BCD程序CBCD、最后调用查表程序送显示。 为了和PC通信，系统要求单片机晶振11.0592MHZ。软件的具体设计我们将在下 面的章节中作详细介绍。 青岛理工大学毕业论文 第 12 页 第 4 章 硬件电路设计 硬件的功能由总体设计所规定，硬件设计的任务是根据总体设计要求，在 选择的机型的基础上，具体确定系统中所要使用的元器件，设计出系统的电路 原理图，必要时做一些部件实验，以确定电路图的正确性。 整个单片机测量转速系统为单片机控制模块、霍尔传感器模块、发送模块， 各个模块都承担着各自的任务。 设计单片机模块，考虑到单片机本身的外围电路较多，所以在单片机模块 方面需要极为小心。在整个电路设计时要考虑电平转换电路，具体每一部分的 设计将在以下章节中详细分析。 4.1 单片机模块 根据系统功能要求以及单片机硬件电路设计思路对单片机模块进行设计， 要使单片机准确的测量电机转速，并且使测出的数据能显示出来，所以整个单 片机分为传感器电路、时钟电路、复位电路、执行元件以及显示电路五个部分。 4.1.1 处理执行元件 单片机我们采用 AT89C51(其引脚图如图 4.1)，相对于 INTEL 公司的 8051 它本身带有一定的优点。AT89C51 是一种带 4K 字节闪烁可编程可擦除只读存贮 器（FPEROMFalsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电 压，高性能 CMOS 8 位微处理器，俗称单片机。 青岛理工大学毕业论文 第 13 页 图 4.1 AT89C51 引脚图 主要特性： 与MCS-51 兼容 4K字节可编程闪烁存储器 寿命：1000写/擦循环 数据保留时间：10年 全静态工作：0Hz-24Hz 三级程序存储器锁定 128*8位内部RAM 32可编程I/O线 两个16位定时器/计数器 5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 管脚说明： 1.VCC：供电电压； 2.GND：接地； 3.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。 4.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。 5.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 青岛理工大学毕业论文 第 14 页 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。 6.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，如为闪烁编程和编程校验接 收一些控制信号。如下表 4-1 所示。 表 4-1 P3 口的第二功能 引引 脚脚第二功能第二功能信信 号号 名名 称称 P3.0 P3.1 P3.2 P3.3 P3.4 P3.5 P3.6 P3.7 RXD TXD INT0 INT1 T0 T1 WR RD 串行数据接收 串行数据发送 外部中断 0 请求 外部中断 1 请求 定时器/计数器 0 计数输入 定时器/计数器 1 计数输入 外部 RAM 写选通 外部 RAM 读选通 7.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。 8.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。 9.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 青岛理工大学毕业论文 第 15 页 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。 10./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） 。 11.XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。 12.XTAL2：来自反向振荡器的输出。 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。石英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。 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。 4.1.2 时钟电路 时钟电路是计算机的心脏，它控制着计算机的工作节奏。MCS-51单片机允 许的时钟频率是因型号而异的典型值为12MHZ MCS-51内部都有一个反相放大器，XTAL1、XTAL2分别为反相放大器输入和 输出端，外接定时反馈元件以后就组成振荡器，产生时钟送至单片机内部的各 个部件。AT89C51是属于CMOS8位微处理器，它的时钟电路在结构上有别于NMOS 型的单片机。 CMOS型单片机内部（如AT89C51）有一个可控的负反馈反相放大器，外接晶 青岛理工大学毕业论文 第 16 页 振（或陶瓷谐振器）和电容组成振荡器，图4.2为CMOS型单片机时钟电路框图。 振荡器工作受/PD端控制，由软件置“1”PD（即特殊功能寄存器PCON.1）使 /PD0，振荡器停止工作，整个单片机也就停止工作，以达到节电目的。清 “0”PD，使振荡器工作产生时钟，单片机便正常运行。图中SYS为晶振或陶瓷 谐振器，振荡器产生的时钟频率主要由SYS参数确定（晶振上标明的频率） 。电 容C1和C2的作用有两个：其一是使振荡器起振，其二是对振荡器的频率f起微调 作用（C1、C2大，f变小） ，其典型值为30pF。 图 4.2 CMOS 型单片机时钟电路框图 4.1.3 复位电路 计算机在启动运行时都需要复位，使中央处理器CPU和系统中的其它部件都 处于一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作。 MCS-51单片机有一个复位引脚RST，它是史密特触发输入(对于CHMOS单片机， RST引脚的内部有一个拉低电阻)，当振荡器起振后该引脚上出现2个机器周期 (即24个时钟周期)以上的高电平，使器件复位，只要RST保持高电平，MCS-51保 持复位状态。此时ALE、PSEN、P0、P1、P2、P3口都 输出高电平。RST变为低电 平后，退出复位，CPU从初始状态开始工作。 单片机采用的复位方式是自动复位方式。对于MOS(AT89C51)单片机只要接 一个电容至VCC即可(见图4.3)。在加电瞬间，电容通过电阻充电，就在RST端出 现一定时间的高电平，只要高电平时间足够长，就可以使MCS-51有效的复位。 RST端在加电时应保持的高电平时间包括VCC的上升时间和振荡器起振的时间， Vss上升时间若为10ms，振荡器起振的时间和频率有关。10MHZ时约为1ms，1MHZ 青岛理工大学毕业论文 第 17 页 时约为10ms，所以一般为了可靠的复位，RST在上电应保持20ms以上的高电平。 RC时间常数越大，上电RST端保持高电平的时间越长。 若复位电路失效，加电后CPU从一个随机的状态开始工作，系统就不能正常 运转。 图 4.3 上电复位电路 4.1.4 显示电路 显示电路采用LED数码管动态显示，LED（Light-Emitting Diode）是一种 外加电压从而渡过电流并发出可见光的器件。LED是属于电流控制器件，使用时 必须加限流电阻。LED有单个LED和八段LED之分，也有共阴和共阳两种。 显示器结构： 常用的七段显示器的结构如图 4.4 所示。发光二极管的阳极连在一起的称 为共阳极显示器,阴极连在一起的称为共阴极显示器。1 位显示器由八个发光二 极管组成，其中七个发光二极管 ag 控制七个笔画（段）的亮或暗，另一个控 制一个小数点的亮和暗，这种笔画式的七段显示器能显示的字符较少，字符的 开头有些失真，但控制简单，使用方便。 此外，要画出电路图，首先还要搞清楚他的引脚图的分布，在了解了正确 的引脚图后才能进行正确的字型段码编码。才能显示出正确的数字来，如图 4.5 所示，为七段数码管的管脚图。 图 4.4 七段发光显示器的结构 青岛理工大学毕业论文 第 18 页 图 4.5 七段发光显示器管脚的结构 驱动方式： 采用的数码管驱动为7407，它的全名为7407 TTL 集电极开路六正相高压驱 动器，其结构简单，使用方便，图4.6为7407的图以及各个引脚的分布功能介绍。 图 4.6 7407 管脚的结构 显示方式： 为了节省I/O口线，我们采用的动态显示方式。 青岛理工大学毕业论文 第 19 页 所谓动态显示，就一位一位地轮流点亮各位显示器（扫描） ，对于每一位显 示器来说，每隔一段时间点亮一次。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只需 8 位口 （称为扫描口） ，控制各位显示器所显示的字形也需一个 8 位口（称为段数据口） 。本次设计要求的转速测量范围 60r/min-36000r/min，所以只需要 5 位数码管 即可。5 位共阴极显示器和 AT89C51 的接口逻辑如图 4-7 所示。AT89C51 的 P0 口作为段数据口，接上拉电阻到显示器的各个段；P2 口作为扫描口，经同相驱 动器 7407 接显示器公共极。 对于图 4.7 中的 5 位显示器，在 AT89C51RAM 存贮器中设置五个显示缓冲器 单元 30H35H，分别存放 5 位显示器的显示数据，AT89C51 的 P2 口扫描输出总 是只在一位为低电平，即 5 位显示器中仅有一位公共阴极为低电平，其它位为 高电平，AT89C51 的 P0 口相应位（阴极为低）的显示数据的段数据，使该位显 示出一个字符，其它们为暗，依次地改变 P2 口输出为高的位，P0 口输出对应 的段数据，5 位显示器就显示出由缓冲器中显示数据所确定的字符。 图 4.7 五位动态显示电路 4.1.5 HD7279接口 青岛理工大学毕业论文 第 20 页 1引脚介绍 HD7279A 是一款具有简单 SPI 串行接口的器件，可直接驱动 8 位共阴式数 码管(或 64 个独立的 LED)，管理多达 64 键键盘，单片即可完成 LED 显示和键 盘接口的全部功能，大大简化电路设计，占用单片机资源极少(最少 2 线)，完 全免调试，外围电路更简单。HD7279A 内部含有译码器可直接接收 BCD 码或 16 进制码，也可不译码，并同时具有两种译码方式。此外，该器件还具有多种控 制指令，诸如消隐，闪烁，左移，右移和段寻址等，显示控制方式灵活，其段 寻址能力可用于独立的 LED 显示或信息指示灯控制。图 3-14 为 HD729A 的引脚 配置，其各引脚功能描述如表 3-3 所列。HD7279A 具有片选信号，可方便实现 高于 8 位的显示或高于 64 键的键盘接口，采用多片级联，对片选信号进行译码 即可实现。当应用系统中只有一片 HD7279A 时，片选端 CS 可直接接地。 VDD 1 VDD 2 NC 3 VSS 4 NC 5 CS 6 CLK 7 DATA 8 KEY 9SG 10 SF 11 SE 12 SD 13 SC 14 SB 15 SA 16 DP 17 DIG0 18 DIG1 19 DIG2 20 DIG3 21 DIG4 22 DIG5 23 DIG6 24 DIG7 25 CLKO 26 RC 27 RSET 28 U4 HD7279A 图 4.8 HD7279 引脚配置 表 4-2 HD7279 引脚功能介绍 引脚引脚名称名称功能描述功能描述 1,2VDD 正电源 3,5NC 无连接，必须悬空 4VSS 接地 6 CS 片选输入端，此引脚为低电平，可向器件发送指令及读取键盘 数据 7CLK 同步时钟输入端，向器件发送数据及读取键盘数据时，此引脚 电平上升沿表示数据有效 8DATA 串行数据输入/输出端，当器件接收指令时，此引 脚为输入端；当读取键盘数据时，此引脚在读 指令最后一个时钟的下降沿变为输出端 青岛理工大学毕业论文 第 21 页 9 KEY 按键有效输出端，平时为高电平，当检测到有效 按键时，此引脚为低电平 1016SGSA 段 g 段 a 驱动输出 17DP 小数点驱动输出 1825DIG0-DIG7 数字 0 数字 7 驱动输出 26CLKO RC 振荡器连接端 27RC 复位端 28 RESET 复位端 2HD7279A 的工作原理 HD7279A 最显著的优点是与单片机的接口简单，最多只需 5 条连接线，分 别是复位端 RESET，片选输入端 CS，同步时钟输入端 CLK，数据输入输出端 DATA 和按键有效输出端 KEY。在一般应用系统中，RESET 可直接接电源，当应 用系统中只有一片 HD7279A 器件时，CS 也可以直接接地，此时只需占用 3 条单 片机的 IO 端口线，如果应用系统中没有键盘，仅具有显示功能，或者即使有 键盘，但单片机软件任务不复杂，均可不接 KEY 线，使用定时读取键盘键值代 码的方法，则此时只需占用 2 条单片机的 I/0 端口线。 3HD7279A 接口的具体设计 根据 HD7279A 的特点与优点，我们选择该器件来驱动数码管，实现数码显 示，其具体电路如下图所示： 青岛理工大学毕业论文 第 22 页 VDD 1 VDD 2 RESET 28 CS 6 CLK 7 DATA 8 KEY 9 CLK0 26 RC 27 VSS 4 SF 10 SG 11 SE 12 SD 13 SC 14 SB 15 SA 16 DP 17 DIG7 18 DIG6 19 DIG5 20 DIG4 21 DIG3 22 DIG2 23 DIG1 24 DIG0 25 HD7279 100K*8 200*8 100K*4 1.5K R4 15pF C9 +5V +5V K 1 f 2 g 3 e 4 d 5 K 6 c 8 DP 7 b 9 a 10 DS1 K 1 f 2 g 3 e 4 d 5 K 6 c 8 DP 7 b 9 a 10 DS2 K 1 f 2 g 3 e 4 d 5 K 6 c 8 DP 7 b 9 a 10 DS3 K 1 f 2 g 3 e 4 d 5 K 6 c 8 DP 7 b 9 a 10 DS4 P2.7 P2.6 P2.5 P2.4 图 4.9 HD7279 驱动显示器的具体电路 4.1.6 键盘电路 本设计使用的键盘主要为完成一个功能转速测量的启动/停止；我们将开 关直接与 AT89C51 单片机的 P1.1 接口相连，通过读 I/O 口，判定各 I/O 线的电 平状态，即可识别出按下的按键。操作员通过键盘可以输入数据或指令，实现 简单的人机通信。我们采用了独立式键盘电路，按键均采用了上拉电阻，这是 为了保证在按键断开时，个 I/O 口有确定的高电平，同时，还备用两个按键方 便扩展，其具体电路如下所示： S1S2S3 +5V P1.1P1.2P1.3 图 4.10 键盘电路 青岛理工大学毕业论文 第 23 页 4.2 霍尔传感器简介 4.2.1 霍尔器件概述 霍尔元件是一种基于霍尔效应的磁传感器，已发展成一个品种多样的磁传感 器产品族，并已得到广泛应用。霍尔元件是一种磁传感器。要他们可以检测磁场 及其变化，可以在各种与磁场有关的场合中。霍尔器件以霍尔效应为其工作基础。 霍尔期间具有许多优点，他们的结构牢固，体积小，重量轻，寿命长，安装 方便，功耗小，频率高（可达 1MHZ） ，耐震动，不怕灰尘、水汽及烟雾等污染或 腐蚀。 霍尔线性器件的精度高、线性度好；霍尔开关器件无触点、无磨损、输出波 形清晰、无抖动、无回调、位置重复精度高（可达 um 级） 。采用了各种补偿措施 的霍尔器件的工作温度范围广，可达 55-150 度。 按照霍尔器件的功能可将他们分为：霍尔线性器件和霍尔开关器件。前者输 出模拟量，后者输出数字量。 按被检测的对象的性质可将它们分为：直接应用和间接应用。前者是直接检 测出被测对象本身的磁场或磁特性，后者是检测被检测对象上人为设置的磁场， 用这个磁场作为被检测信息的载体，通过它，将许多非电、非磁的物理量例如力、 力矩、压力、应力、位置、位移、加速度、角度、角速度、转速、转数以及工作 状态发生变化的时间等，转换成电量来进行检测和控制。 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 一种传感器。它取消了传感器和测量电路之间的界限，实现了材料、元件、电路 三位一体。集成霍尔传感器与分立相比，由于减少了焊点，因此显著地提高了可 靠性。此外，它具有体积小、重量轻、功耗低等优点，正越来越爱到众的重视。 集成霍尔传感器的输出是经过处理的霍尔输出信号。按照输出信号的形式，可以 分为开关型集成霍尔传感器和线性集成霍尔传感器两种类型。 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。霍尔开关电路又称霍尔数字电路，由稳压器、霍尔片、差分放 大器，斯密特触发器和输出级组成。 青岛理工大学毕业论文 第 24 页 4.2.2 霍尔传感器的应用 使用霍尔器件检测