基于单片机控制的电机转速仪设计

1、单片机课程设计报告题目：电机转速仪设计 基于单片机控制的电机转速仪设计一 设计要求（一）基本功能1. 显示：采用数码管显示电动机的实时转速。2. 实现2台以上电机的转速实时监测和显示。（二）扩展功能1增加速度上下限检测报警功能。2可以设定速度的上下限。二计划完成时间三周1第一周完成软件和硬件的整体设计。2第二周完成软件的具体设计和硬件的制作。3第三周完成软件和硬件的联合调试。目录1引言 12 总体设计方案 22.1 硬件设计思路 2 2.1.1传感器 22.1.2 单片机 32.1.3 驱动和显示 32.1.4 报警 32.2 软件设计思路 32.2.1 程序设计 42.2.2 主程序流程图

2、42.2.3 二十制转换程序 63 总体设计框图 64 设计原理分析 74.1转速测量 74.2时钟 84.3 显示 95 总结与体会 10参考文献 11 附录1 12 附录2 15附录3 16摘要：本文是基于51单片机的转速测量系统，其测量方法较多，随着单片机对脉冲信号的处理能力越来越强大，使得全数字量系统越来越普及，并且使转速测量系统也可以用全数字化处理。本设计利用霍尔效应对旋转物体进行检测的转速测量系统。该系统采用a44e霍尔传感器把转速信息转换为电压输出，输出电压经整形电路送入AT89C51单片机进行数据处理并用四位7段LED显示器显示测量结果。文中首先阐述了构成该系统的原理、硬件的实

3、现方法，在该系统中对信号频率进行测量是首要任务，通过各种测量方法的对比下，该系统应采用测频法测量。其次，在软件设计部分，此系统包含系统初始化程序的设计、数据接收和处理程序的设计、显示程序的设计三个模块。最终，给出各部分的原理框图、电路图及转速测量的程序流程图，并编出其具体的程序。总之，本课题完成了硬件和软件系统的设计，实现了转速测量系统的测量，转速计算、显示功能，完成了设计的要求。关键词：单片机，转速测量，霍尔传感器1引言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

4、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。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

5、，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。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

6、课题。2总体设计方案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，从而，在保持一定的测量精度情况下，应用“M”法，说明转速测量原理。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

7、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。2.1硬件上的设计思路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1所示。报警霍尔传感器信号放大单片机显示接口芯片显示驱动 图1 转速测量2.1.1传感器第一部分是利用霍尔器件将电机转速转化为脉冲信号；第二个部分是使用三极管将信号放大，将传感器输出的信号放大后送到单片机内。用于测量的A44E集成霍尔开关，磁钢用直径D=6.004mm，长度为L=3.032mm的钕铁硼磁钢。电源用直流，霍尔开关输出由四位半直流数字电压表测量，磁感应强度B用95A型集成霍尔元件测量。图2霍尔片管脚和管脚接线2.1.2单片机单片机

8、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，选用89C51单片机。2.1.3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

9、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，显示字符对应字型代码发光。2.1.4报警蜂鸣器发声原理是电流通过电磁线圈，使电磁线圈产生磁场来驱动振动膜发声的，因此需要一定的电流才能驱动它，单片机IO引脚输出的电流较小，单片机输出的TTL电平基本上驱动不了蜂鸣器，因此需要增加一个电流放大的电路。蜂鸣器程序设计思路：本程序通过在输出一个音频范围的方波，驱动实验板上的蜂鸣器发出蜂鸣声，其中Delay延时子程序的作用是使输出的方波频率在人耳朵听觉能力之内的20KHZ以下，如果没有这个延时程序的话，输出的频率将大大超出人耳朵的听觉能力，我们将不能听到声音。更改延时常数，可以改变输出频率，也

10、就可以调整蜂鸣器的音调2.2 软件上的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。2.2.1程序设计步骤第一步分析问题，明确任务要求，对于复杂的问题，还要讲要解决的问题抽象成数学模型，即用数学表达式来描述。第二步确定算法，即根据实际问题和指令系统的特点确定完成这一任务须经历的步骤。第三步根据所选择的算法，确定内存单元的分配：使用那些寄存器：程序运行中的中间数据及结果存放在那些单元，以利

11、于提高程序的效率和运行速度：然后制定出解决问题的步骤和顺序，画出程序的流程图。第四步根据流程图，编写源程序。第五步上机对原程序进行编译、调试。2.2.2主程序流程图电机转速测量需要经过的4个基本步骤：1是控制方式；2是确定计数方式；3是信号输入方式；4是计数值的读取；通过89C51，单片机完成对电机转速脉冲计数的控制，读取寄存器完成转速频率的确定。 而SGN电机脉冲信号连到引脚。计数次数为3次，将3次结果取平均，从而提高计数的稳定性和精确性。其测量过程是测量转速的霍尔传感器和电机机轴同轴连接，机轴每转一周，产生一定量的脉冲个数，由霍尔器件电路输出。成为转数计数器的计数脉冲。同时霍尔传感器电路输

12、出幅度为12V的脉冲经光电耦合后降为5V，保持同单片机AT89C51逻辑电平相一致，控制计数时间，即可实现计数器的计数值对应机轴的转速值。主CPU将该值数据处理后，在数码管上显示出来。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频率，可计算出电机的转速。当直流电机通过传动部分带圆盘旋转时，霍尔传感器根据圆盘上得磁片获得一系列脉冲信号。这些脉冲信号通过单片机系统定时/计数器计数，定时器T0定时。定时器T0完成100次溢出中断的时间T除以测得的脉冲数m，经过单位换算，就可以算得直流电机旋转的速度。然后判断是否启

13、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5000rpm则报警并返回初始化阶段，否则就进行正常速度数码管显示。初始化BCD码转换计算程序非压缩BCD码转换显示程序返 回开 始图3主流程单片机的转速测量完成，定时器T0作为内部定时器，外部中断来的时候读取TH0，TL0，并同时清零TH0、TL0，使定时器再次循环计内部脉冲。此外，对于低速情况下，我们还要

14、设定一个软件计数器VTT，当外部中断还没来而内部定时器已经溢出，产生定时器0中断时，增加VTT，作为三字节中的高字节。三字节组成除数，上面的常数为四字节，所以计算程序实际上就是调用一个四字节除三字节商为两字节的程序。为数码管能够显示出来，需将二进制转换为十进制，在将十进制转换为非压缩BCD码后，才能调用查表程序，最后送显示。单片机转速计算程序由于本次设计的系统要实现的功能是将霍尔传感器的信号送到单片机的外部中断口，再对周期方波进行内部计数，调用计算程序把转速测出来。可以说是核心部分，流程图如图所示：开 始返 回被除数初始化调用除法程序读取定时值图4计算程序2.2.3二-十进制转换程序计算程序计

15、算出来的数据为二进制，存到50H、51H单元中以便发送程序中调用传送数据到计算机，计算机可识别二进制，然而，我们需要在LED上显示，查表程序需要拆分的BCD码，所以二进制必须先转换成BCD后才能拆分。这里介绍将（R2R3）中的16位二进制数转换为压缩BCD码十进制整数送R4、R5、R6。如图63 总设计框图传感器电路显示驱动电路AT89C51单片机时钟电路复位电路报警电路图5总框图除 法移位次数计数器上商1，减去除数被除数左移一位上商0计数器减1计数器=0？被除数>除数YNNY返 回图6转换流程4设计原理分析4.1转速测量在一定测量时间T内，测量脉冲发生器（替代输入脉冲）产生的脉冲数m1

16、来测量转速，如图7“M”法测量转速脉冲所示，设在时间T内，转轴转过的弧度数为X，则转速n可由下式表示： n= (3-1)转轴转过的弧度数X可用下式所示m1 X (3-2)图7“M”法测量转速脉冲将（3-2）式代入（3-1）式得转速n的表达式为： n= （3-3） P-为转轴转一周脉冲发生器产生的脉冲数；n-转速单位：（转/分）；T-定时时间单位：（秒）。在该方法中，测量精度是由于定时时间T和脉冲不能保证严格同步，以及在T内能否正好测量外部脉冲的完整的周期，可能产生的1个脉冲的量化误差。因此，为了提高测量精度，T要有足够长的时间。定时时间可根据测量对象情况预先设置。设置的时间过长，可以提高精度，

17、但在转速较快的情况下，所计的脉冲数增大（码盘孔数已定情况下），限制了转速测量的量程。而设置的时间过短，测量精度会受到一定的影响。4.2时钟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。电路中的电容C1和C2典型值通常选择为30pf左右。对外接电容的值虽然没有严格的要求，但电容的大小会影响振荡器的频率的高低，振荡器的稳定性和起振的快速性。晶振的振荡频率的范围通常是在1.

18、2MHZ-12MHZ之间。晶振的频率越高，则系统的时钟频率也就越高，单片机的运行速度也就越快。但反过来运行速度快对存储器的速度要求就高，对印制电路板的工艺要求也高，即要求线简的寄生电容要小；晶振和电容应 尽可能安装得与单片机芯片靠近，以减少寄生电容，更好地保证振荡器稳定，可靠地工作。综合考虑，本设计采用30pf的电容，因为晶振的频率无法精确达到12MHZ，所以一般情况采用11.0592MHZ,其电路图如下所示：图8 AT89C51的时钟电路4.3显示常用的七段显示器的结构如图3-13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

19、，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3-13所示，为七段数码管的管脚图。图9七段发光显示器的结构LED数码管通过点亮特定的字段来显示数字或符号。共阴与共阳七段LED数码管的显示字符与对应的显示段码如下表所示，共阳七段数码管的段码刚好是共阴七段数码管段码的反码。LED数码管要正常显示，就要用驱动电路来驱动数码管的各个段码，从而显示出我们要的数

20、位，因此根据LED数码管的驱动方式的不同，可以分为静态式和动态式两类。A静态显示驱动静态驱动也称直流驱动。静态驱动是指每个数码管的每一个段码都由一个单片机的I/O口进行驱动，或者使用如BCD码二-十进位器进行驱动。静态驱动的优点是编程简单，显示亮度高，缺点是占用I/O埠多，如驱动5个数码管静态显示则需要5×840根I/O口来驱动，要知道一个89C51单片机可用的I/O口才32个呢。故实际应用时必须增加驱动器进行驱动，增加了硬体电路的复杂性。B动态显示驱动  数码管动态显示介面是单片机中应用最为广泛的一种显示方式之一，动态驱动是将所有数码管的8个显示笔划"a,b,c

21、,d,e,f,g,. "的同名端连在一起，另外为每个数码管的公共极COM增加位元选通控制电路，位元选通由各自独立的I/O线控制，当单片机输出字形码时，所有数码管都接收到相同的字形码，但究竟是那个数码管会显示出字形，取决于单片机对位元选通COM端电路的控制，所以我们只要将需要显示的数码管的选通控制打开，该位就显示出字形，没有选通的数码管就不会亮。5总结和体会通过这次课程是设计知道了自己真实实力和要求的有很大一段距离，在实习过程中每一环节对于自己都那么有点吃力，从查阅资料开始到程序设计，PCB制作，打板，焊接。虽说每个环节不是第一次做，但是在这之前做也都是带着了解性质的知道如何去做。所以

22、说并没有深入学习和练习，也正先前的不足，使得现在最后的结果不那么的理想。刚开始还在想当然的很是简单，到后来从程序到硬件调试，才真正的知道了，有时候想的永远比做着简单。这次的实习也真正的体会到了“认真”二字的分量和自己知识的匮乏。除此之外，我们要在拥有扎实的专业知识的前提条件下，在整个设计过程中要有信心和耐心，对自己有信心，相信自己能够很好的完成本次设计任务。在不断发现问题进而解决问题，这是一个再学习的过程，其本身就是对自己的一次锻炼，培养了自己独立思考，动手解决问题的能力。从而从各个方面得到提高与完善了自己，使自己的各个方面提高到一个新的台阶，同时为以后的工作打下基础。参考文献【1】 张毅刚.

23、MCS-51 单片机应用设计.哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社M,1990【2】 康华光，陈大钦，张林 电子技术基础 模拟部分M，2005【3】康华光，邹寿彬，秦臻 电子技术基础 数字部分M，2005【4】 张毅刚，彭喜元 单片机原理及接口技术M，2008附录1:源程序DISPBUF EQU 5AH SecCoun EQU 59HSpCoun EQU 57HCount EQU 56H SpCalc bit 00h Hidden EQU 10 ORG 0000HAJMP STARTORG 001BHJMP TIMER1ORG 30HSTART: MOV SP,#5FH MOV P1,#0FFH MO

24、V P0,#0FFH MOV P2,#0FFH MOV TMOD,#00010101B MOV TH1,#HIGH(65536-5000) MOV TL1,#LOW(65536-5000) MOV TH0,#00H MOV TL0,#00H SETB TR1 SETB TR0 SETB ET1 SETB EA LOOP:JNB SpCalc ,LOOP MULD: MOV A,R3 MOV B,R7 MUL AB MOV R4,B MOV R5,A MOV A,R3 MOV B,R6 MUL AB ADD A,R4 MOV R4,A CLR A ADDC A,B MOV R3,A MOV A,

25、R2 MOV B,R7 MUL AB ADD A,R4 MOV R4,A MOV A,R3 ADDC A,B MOV R3,A CLR A RLC A XCH A,R2 MOV B,R6 MUL AB ADD A,R3 MOV R3,A MOV A,R2 ADDC A,B MOV R2,A RET MOV R2,SpCoun MOV R3,SpCoun+1 MOV R6,#0 MOV R7,#04hCALL MULDCALL HB2 HB2: CLR A MOV R3,A MOV R4,A MOV R5,A MOV R2,#10HHB3: MOV A,R7 RLC A MOV R7,A MOV A,R6 RLC A MOV R6,A MOV A,R5 ADDC A,R5 DA A MOV R5,A MOV A,R4 ADDC A,R4 DA A MOV R4,A MOV A,R3 ADDC A,R3 MOV R3,A DJNZ R2,HB2 RET CBCD: MOV DISPBUF,R3 MOV A,R4 ; ANL A,#0F0H SWAP A MOV DISPBUF+1,A MOV A,R4 A