基于单片机的电机转速测量系统设计论文

1、 PAGE48 / NUMPAGES48学士学位论文基于单片机的电机转速测速系统的设计摘要在工程实践中，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

2、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、与RS232构成。详细介绍了单片机的测量转速系统与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89 C51 based on the speed measurement system in the designAbstractIn the project practice, we wil

3、l 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 quanti

4、ty. 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

5、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 spee

6、d, 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. Gi

7、ve 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.Keywords SC-51(One-chip c

8、omputer)；sensor；Tachometer不要删除行尾的分节符，此行不会被打印目录摘要IAbstractII TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc233610729第1章 绪论 PAGEREF _Toc233610729 h 5HYPERLINK l _Toc2336107301.1 课题背景 PAGEREF _Toc233610730 h 5HYPERLINK l _Toc2336107311.2 国外发展水平 PAGEREF _Toc233610731 h 5HYPERLINK l _Toc2336107321.3 单片机测控系统 PAGEREF _T

9、oc233610732 h 6HYPERLINK l _Toc2336107331.4 转速测量在国民经济中的应用 PAGEREF _Toc233610733 h 7HYPERLINK l _Toc2336107341.5 几种常见的转速测量方法 PAGEREF _Toc233610734 h 8HYPERLINK l _Toc2336107351.6 主要容 PAGEREF _Toc233610735 h 9HYPERLINK l _Toc233610736第2章 硬件电路设计 PAGEREF _Toc233610736 h 10HYPERLINK l _Toc2336107372.1 系统

10、总体功能概述 PAGEREF _Toc233610737 h 10HYPERLINK l _Toc2336107382.2 硬件电路设计 PAGEREF _Toc233610738 h 11HYPERLINK l _Toc2336107392.3 单片机模块 PAGEREF _Toc233610739 h 11HYPERLINK l _Toc2336107402.3.1 处理执行元件 PAGEREF _Toc233610740 h 12HYPERLINK l _Toc2336107412.3.2 时钟电路 PAGEREF _Toc233610741 h 16HYPERLINK l _Toc23

11、36107422.3.3 复位电路 PAGEREF _Toc233610742 h 16HYPERLINK l _Toc2336107432.3.4 显示电路 PAGEREF _Toc233610743 h 17HYPERLINK l _Toc2336107442.4 霍尔传感器简介 PAGEREF _Toc233610744 h 20HYPERLINK l _Toc2336107452.4.1 霍尔器件概述 PAGEREF _Toc233610745 h 20HYPERLINK l _Toc2336107462.4.2 霍尔传感器的应用 PAGEREF _Toc233610746 h 21H

12、YPERLINK l _Toc2336107472.4.3 AH41霍尔开关 PAGEREF _Toc233610747 h 21HYPERLINK l _Toc2336107482.5 发送模块 PAGEREF _Toc233610748 h 22HYPERLINK l _Toc2336107492.6 本章小结 PAGEREF _Toc233610749 h 25HYPERLINK l _Toc233610750第3章 软件设计 PAGEREF _Toc233610750 h 26HYPERLINK l _Toc2336107513.1 单片机转速程序设计级思路过程 PAGEREF _To

13、c233610751 h 26HYPERLINK l _Toc2336107523.1.1 单片机程序设计思路 PAGEREF _Toc233610752 h 26HYPERLINK l _Toc2336107533.1.2 单片机转速计算程序 PAGEREF _Toc233610753 h 27HYPERLINK l _Toc2336107543.1.3 二-十进制转换程序 PAGEREF _Toc233610754 h 27HYPERLINK l _Toc2336107553.2 程序设计 PAGEREF _Toc233610755 h 30HYPERLINK l _Toc23361075

14、63.3 本章小结 PAGEREF _Toc233610756 h 31HYPERLINK l _Toc233610757第4章 系统调试 PAGEREF _Toc233610757 h 32HYPERLINK l _Toc2336107584.1 硬件调试 PAGEREF _Toc233610758 h 32HYPERLINK l _Toc2336107594.2 软件调试 PAGEREF _Toc233610759 h 32HYPERLINK l _Toc2336107604.3 综合调试 PAGEREF _Toc233610760 h 34HYPERLINK l _Toc23361076

15、14.4 故障分析与解决方案 PAGEREF _Toc233610761 h 34HYPERLINK l _Toc2336107624.5 本章小结 PAGEREF _Toc233610762 h 35HYPERLINK l _Toc233610763结论 PAGEREF _Toc233610763 h 36HYPERLINK l _Toc233610764致 PAGEREF _Toc233610764 h 37HYPERLINK l _Toc233610765参考文献 PAGEREF _Toc233610765 h 38HYPERLINK l _Toc233610766附录 PAGEREF

16、_Toc233610766 h 39HYPERLINK l _Toc233610767附录1 电路原理图 PAGEREF _Toc233610767 h 39HYPERLINK l _Toc233610768附录2 元器件清单 PAGEREF _Toc233610768 h 40绪论课题背景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，这种测量方法已不能适应现代科技发展的要求，在测量围和测量精度上，已不能满足大多数系统的使用。随着大规模与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

17、数字测量系统越来越普与，其转速测量系统也可以用全数字化处理。在测量围和测量精度方面都有极大的提高。因此，本课题的目的是：对各种测量转速的基本方法予以分析，针对不同的应用环境，利用 80C51 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，为今后的实际使用提供借鉴。并从实际硬件电路出发，分析电路工作原理和软件流程，根据仿真情况提出修改方案和解决办法。课题以单片机为中心，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。其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、水泵流量控制以与需要利用转速检测来进行控制的许多场

18、合。如车辆的里程表、车速表等。其次该转速测量系统由于采用全数字化结构，因而可以很方便的和工业控制计算机进行连接，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直接就能作为单独的使用产品。总之，转速测量系统的研究是一件非常有意义的课题。国外发展水平数字单片机的技术进步反映在部结构、功率消耗、外部电压等级以与制造工艺上。在这几方面，较为典型地说明了数字单片机的水平。在目前，用户对单片机的需要越来越多，但是，要求也越来越高。下面分别就这四个方面说明单片机的技术进步状况。单片机在部已集成了越来越多的部件，这些部件包括一般常用的电路，例如：定时器，比较器，A/D转换器，D /A转换器

19、，串行通信接口，Watchdog电路，LCD控制器等。 有的单片机为了构成控制网络或形成局部网，部含有局部网络控制模块CAN。例如，Infineon公司的C 505C，C515C，C167CR，C167CS-32FM，81C90；Motorola公司的68HC08AZ 系列等。特别是在单片机C167CS-32FM中，部还含有2个CAN。因此，这类单片机十分容易构成网络。特别是在控制，系统较为复杂时，构成一个控制网络十分有用。 为了能在变频控制中方便使用单片机，形成最具经济效益的嵌入式控制系统。有的单片机部设置了专门用于变频控制的脉宽调制控制电路，这些单片机有Fujitsu公司的MB89850系

20、列、MB89860系列；Motorola 公司的MC68HC08MR16、MR24等。在这些单片机中，脉宽调制电路有6个通道输出，可产生三相脉宽调制交流电压，并部含死区控制等功能。单片机测控系统单片机可以构成各种工业控制系统、适应控制系统、数据采集系统等。在这个领域中，有不少是采用通用 CPU 单板机或通用计算机系统。随着单片机技术的发展，大部分都可以用单片机系统或单片机加通用机系统来代替。如气轮机电液调节系统、调速系统等。典型的应用系统是单片机要完成工业测控功能所必须具备的硬件结构系统，它包括系统扩展和系统配置两部分容。应用系统如图 1-1 所示，整个系统由基本部分和测控增强部分与外设增强部

21、分构成。基本部分是外围芯片的扩展与功能键盘、显示器配置，通过总线连接而成，测控增强部分主要是传感器接口与伺服驱动控制接口。它们直接与工业现场相连，是干扰进入的主要通道，一般要采取隔离措施对于数字量（频率、周期、相位、计数）的采集后可通过 I/O 口输入，数字脉冲可直接作为计数输入、测试输入、I/O 口输入或中断源输入进行事件计数、定时计数、实现脉冲的频率、相位与计数测量。对于模拟量的采集，则应。模拟量检测单片机光电隔离开关量检测开关量控制伺服驱动控制A/D光电隔离光电隔离D/AEPROM显示器I/ORAM键盘通用外设数字量检测图 1-1 单片机典型应用系统通过 A/D 变换后送入总线口，I/O

22、 口或扩展 I/O 口，并配以相应的 A/D 转换控制信号与地址线。对于开关量的采集则一般通过 I/O 口或扩展 I/O口线。应用系统可根据任何一种输入条件或部运行结果进行输出控制。开关量输出控制有时序开关、逻辑开关、信号开关阵列等，通常，这些开关量也是通过 I/O 口或扩展 I/O 口输出。模拟量的输出常为伺服驱动控制，控制输出通过 D/A 变换后送入伺服驱动电路。转速测量在国民经济中的应用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。

23、下面列举二例加以说明。直流电机具有良好的起、制动性能，易于在宽广围平滑调速，所以长期以来在要求调速指标较高的场合获得了广泛应用。随着电力电子技术和控制技术的发展，交流调速系统日趋完善，其性能可与直流调速系统相媲美，其变频调速的应用围日益扩大，但它的控制技术相对复杂，整个控制系统造价较高，在某些领域短时间还难以取直流调速系统，调速系统便应运而生了。调速系统主电路线路简单，所用的功率元件少；开关频率高，可达到10004000，电流易连续，谐波少，脉动小，电机损耗和发热都较小；低速性能好，稳态精度高，因而调速围宽；调速系统频带宽，快速响应性能好，动态抗扰能力强；主电路元件工作在开关状太。道统损耗小，

24、装置效率高；直流电源采用三相整流时，电网功率因数高，可广泛用于交通、工矿企业等电力传动系统中。转速测量部分本测量系统采用89C51单片机控制，利用霍尔元件由转速产生的脉冲，对转速进行测量，原理框图如图1-2所示。转速由单片机的P0口输出，同时当电机转速超过设定值时，通过单片机的1口输出信号，驱动响铃报警。性能特点：189C51配合晶体管的双极式可逆 PWM 变换器构成直流电机驱动系统，可获得高性能的调速性能指标；2直流电机驱动系统结构简单，省去了复杂的换流装置，因此体积小，成本低，加之采用硬软件结合的微机控制方式，提高了系统的可靠性和抗干扰性。脉冲输入键盘单片机显示报警存储器图 1-2 调速系

25、统中的转速测量框图3转速测量系统采用软件实现，动态显示容易，超限报警方便，提高了系统的灵活性。4由变换器构成直流电机驱动系统，可有效克服以往的直流调速中的谐波大、功率因数低的问题，是一种节能的调速方案。几种常见的转速测量方法转速测量的方法有很多，根据工作原理可分为计数式、模拟式、同步式。计数式方法是用某种方式读出一定时间的总转数；模拟式方法是测出由瞬时转速引起的某种物理量的变化；同步式是用利用已知的频率与旋转体的旋转同步来测量转速，根据不同的转换方式，测试方法参看表 1-1 所示。一般的转速测试可用机械式转速表、发电机式转速表以与频闪式测速表，但在有些情况下，其测量精度，瞬时稳定度不能满足更高

26、的要求，因此，在测量方法和传感器的选择上显得尤为重要。常用的传感器种类有光电传感器、电磁式传感器、电容式传感器等，而测量方法上有测量转速周期、转速频率等。如表 1-1 所示表 1-1 各种测速方法比较类型适用范围特点计算式机电式光电式电磁式机械式发电机式电容式中低速 简单低廉中高速中高速中低速 简单高速 可远程指示中高速通过齿轮转动数字轮来自被测旋转体上的光线使光电管产生电脉冲利用磁电转换器将转速变换成电脉冲利用离心力与转速成平方正比的关系利用电机电源或交流电压与转速成正比关系利用电容充电放电与转速成正比关系机械式同步式数字式数字式测试发电机用已知频率闪光测出旋转体同步的频率转动带槽的圆盘，观

27、察旋转体的同步关系光电式中速中高速备注测量方法就转速测量原理而言，大体可分为三大类，一是用单位时间测得物体的旋转角度来计算速度，例如在单位时间，累计转速传感器发出的 N 个脉冲，即为该单位时间的速度。这种以测量频率来实现测量转速的方法，称测频法。即“M”法；另一类是在给定的角位移距离，通过测量这一角位移的时间来进行测速的方法，称测周法，即“T”法，如给定的角位移 ，传感器便发出一个电脉冲周期，以晶体震荡频率而产生的标准脉冲来度量这一周期时间，再经换算可得转速。这两种测速方法各有优缺点，“M”法一般用于高速测量在转速较低时，测量误差较大，而且，检测装置对转速分辨能力也变差；而“T”法一般用于低速

28、测量，速度越低测量精度越高，但在测量高转速时，误差较大；结合这两种测量方法就可以地出第三种测量方法，即M/T法结合这两种方法的优点，一方面象“M”法那样在对传感器发出的脉冲计数的同时，也象“T”法那样计取脉冲的时间，通过计算即可得出转速值。在实际测量中，还须设定定时时间，兼顾高、低转速时的精度影响，适时调节采样时间。主要容本设计主要用AT89C51作为控制核心，由霍尔传感器、LED数码显像管、HIN232CPE电平转换、与RS232构成。详细介绍了单片机的测量转速系统与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。硬件电路设计系统总体功能概

29、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,以与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。系统主要完成以下功能：测量系统：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；通信部分：1.在微机部分采用Visual Basic编制RS232通信软件；2.通信软件具有数据接受编辑框；3.通信软件要适时对数据的记录，用时间曲线表示；根据系

30、统要实现的功能以与要求，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、以与LED驱动、电平转换与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。系统要求与主要容：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，单片机工作在部定时器工作方式0，对周期信号进行部记数，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。主要容：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，显示围60-36000r/min3.发送部分主要是完成电平转换，送RS

31、-232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。系统组成与框图：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 路驱动电路LED显示送PC机界面图2-1 系统硬件电路硬件电路设计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

32、图。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2-2所示。显示电路发送电路CPU执行单元时钟电路复位电路图2-2 单片机部分硬件框图单片机模块根据系统功能要求以与单片机硬件电路设计思路（如图2-2）对单片机

33、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，所以整个单片机部分分为传感器电路、时钟电路、复位电路、执行元件以与显示电路五个部分。处理执行元件单片机我们采用AT89C51(其引脚图如图2-3)，相较于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。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多

34、功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器， AT89C单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。图2-3 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位部RAM32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

35、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，其管脚被部上拉电阻

36、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

37、些特殊功能口，如下表2-1所示：表2-1 P3口的第二功能引 脚第二功能信 号 名 称P3.0P3.1P3.2P3.3P3.4P3.5P3.6P3.7RXDTXDINT0INT1T0T1WRRD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

38、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；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），不管是否有部程序存储器。注意加密方式1时，/EA将部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（

39、VPP）；11.XTAL1：反向振荡放大器的输入与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振荡器。石英振荡和瓷振荡均可采用。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。

40、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。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部的各个部件。AT89C51是属于CMOS8位微处理器，它的时钟电路在结

41、构上有别于NMOS型的单片机。CMOS型单片机部（如AT89C51）有一个可控的负反馈反相放大器，外接晶振（或瓷谐振器）和电容组成振荡器，图2-4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2-

42、4 CMOS型单片机时钟电路框图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

43、容至VCC即可(见图2-5)。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2-5 上电复位电路显示电路显示电路采用LED数码管动态显示，LED（Light-

44、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2-6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a-g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

45、码。才能显示出正确的数字来，如图2-7所示，为七段数码管的管脚图。图2-6 七段发光显示器的结构图2-7 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2-8为7407的图以与各个引脚的分布功能介绍。图2-8 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。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

46、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2-8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2-9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

47、，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2-9 五位动态显示电路霍尔传感器简介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与其变化，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

48、汽与烟雾等污染或腐蚀。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、转数以与工作状态发生变化的时间等，转

49、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霍尔传感

50、器的应用使用霍尔器件检测磁场的方法极为简单，将霍尔器件做成各种形式的探头，放在被测磁场中，因霍尔器件只对垂直于霍尔片表面的磁感应强度敏感，因而必须令磁力线和器件表面垂直，通电后即可由输出电压得到被测磁场的磁感应强度。若不垂直，则应求出其垂直分量来计算被测磁场的磁感应强度值。而且，因霍尔元件的尺寸极小，可以进行多点检测，由计算机进行数据处理，可以得到场的分布状态，并可对狭缝，小孔中的磁场进行检测用磁场作为被传感物体的运动和位置信息载体时，一般采用永久磁钢来产生工作磁场。例如，用一个542.5（mm3）的钕铁硼号磁钢，就可在它的磁极表面上得到约2300高斯的磁感应强度。在空气隙中，磁感应强度会随距

51、离增加而迅速下降。为保证霍尔器件，尤其是霍尔开关器件的可靠工作，在应用中要考虑有效工作气隙的长度。在计算总有效工作气隙时，应从霍尔片表面算起。在封装好的霍尔电路中，霍尔片的深度在产品手册中会给出。因为霍尔器件需要工作电源，在作运动或位置传感时，一般令磁体随被检测物体运动，将霍尔器件固定在工作系统的适当位置，用它去检测工作磁场，再从检测结果中提取被检信息。AH41霍尔开关AH41霍尔开关电路最适于响应变化斜率陡峭的磁场并在磁通密度较弱的场合使用，适用于单极或多对磁环工作，它由反向电压保护器、电压调整器、霍尔电压发生器、信号放大器、史密特触发器和集电极开路的输出级组成。工作温度围为-40150（存

52、储温度为150），可适用于各种机与机电一体化领域。电参数： 参数 符号 测试条件 量值 单位 最小 典型 最大电源电压 VCC 4.5-24V输出低电平电压 Vout Iout=20mA BBOP-200-400mV输出高电平电流 IOFF Vout=24V B 电源电流ICCVCC=24V 输出端开路 10 mA输出上升时间 trVcc=12V RL=1.1K CL=20Pf-0.12S输出下降时间tfVcc=12V RL=1.1K CL=20Pf-0.18S产品特点:1.电源电压围宽2.可用市售的小磁环来驱动3.无可动部件、可靠性高4.尺寸小5.抗环境应力6.可直接同双极和MOS逻辑电路接

53、口应用:1.高灵敏的无触点开关2.直流无刷电机3.直流无刷风机. 霍尔开关元件的电路图：图2-10 霍尔传感器的电路图发送模块根据系统功能要求，要使单片机测量的转速能够向上位机发送数据，硬件电路中必须要考虑到单片机的发送部分，由于单片机通过串口发送出来的是TTL逻辑电平（0V和5V），而计算机RS-232总线上输入、输出数据和控制信号为+12V左右的电压，单片机要和PC的上位机通信就必须是电平一致，所以发送部分关键的部分是电平转换和串口发送，电平转换可以用模拟器件进行转换，但是为了方便起见，本次设计采用的是集成芯片，一个芯片加上它的外围电路即可完成电平的转换的工作。结构简单、方便容易，精确度高

54、。本次所采用的是HIN232CP，我们要对其外围电路进行设计，下面我们将详细的叙述。数据的传输：当电路工作于发送数据状态时，PC机的RTS端输出高电平，经IC1电平转换打开IC3（74LS08）的与门B1，使PC机TXD端输出的数据经红外发射电路发射出去；RTS信号IC1反相后作为CTS信号送入计算机，同时还关闭与门B2；使计算机不接收其它数据信号。该必发器的数据传输速率最好设在9600b/s为宜，以确保数据传输的可靠性。器件的介绍：1.RS-232CRS-232C是美国电气工业协会推广使用的一种串行通信总路线标准，是DCE(数据通信设备，如微机)和DTE(数据终端设备，如CRT)间传输串行数

55、据的接口总线。RS-232C最大传输距离为15m，最高传输速率约20kbps，信号的逻辑0电平为+3V+15V。逻辑1电平为-3V-15V。电气特性：EIA-RS-232C对电器特性、逻辑电平和各种信号线功能都作了规定；在TxD和RxD上：逻辑1(MARK) =-3V-15V逻辑0(SPACE)=+315V在RTS、CTS、DSR、DTR和DCD等控制线上：信号有效（接通，ON状态，正电压）+3V+15V信号无效（断开，OFF状态，负电压）-3V-15V2.RS-232连接器DB-9DB-9是RS-232信号线的连接器，其连接器的机械特性见图(2-11)，表2-1所示RS-232信号线名称、符

56、号以与对应在DB-9上的针脚号。图2-11连接器的机械特性 表2-1 RS-232信号线和DB-9引脚关系符 号名 称引 脚DCDRXDTXDDTRGNDDSR RTSCTSRI接收信号载波检测数据接收线数据发送线DTE装置数据就绪公共地DCE装置就绪请求发送清除发送振铃指示123456789图2-12 电平转换电路原理图3、电平转换器HIN232CPE由于RS-232C总线上传输的信号逻辑电平与TTL逻辑电平差异很大，所以就存在这两种电平的转换问题，下面就介绍一下电平转换器HIN232CPE。HIN232CPE能将RS-232C电平转换成TTL电平，也能将TTL电平转换成RS-232C电平，

57、只需单+5V供电，由部升高电路产生10V+12V。部有两个发送器(TTL电平转换为RS-232C电平)和两个接收器(RS-232电平转换为TTL电平)。HIN232CPE芯片引脚排列和外部元件连接线路如图2-13所示。图 2-13 HIN232CPE 电平转换器与外接元件本章小结本章节主要阐述了系统的总体功能，硬件电路设计的思路与过程，单片机模块和霍尔传感器。软件设计单片机转速程序设计级思路过程单片机测量转速可以分为若干模块，然后在主程序中调用各个模块， 流程图如下图所示。图3-1 主程序流程图单片机程序设计思路计算转速公式： n=60/NTc (r/min)。其中，N是部定时器的计数值，为三

58、字节，分别由TH0，TL0，VTT构成；Tc为时基，由于采用11.0592M的晶振，所以Tc不在是1um，而是12M/11.0592M约为1.08um，带入上面公式，即可得到转速的精确计算公式：N=60*11059200/12N=55296000/N。再将55296000化为二进制存入单片机的存单元。下面我们将介绍除数是如何获得的：单片机的转速测量完成，定时器T0作为部定时器，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部脉冲。此外，对于低速情况下，我们还要设定一个软件计数器VTT，当外部中断还没来而部定时器已经溢出，产生定时器0中断时，增加VTT，作为三字

59、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（最高转速36000r/min足够）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：被除数初始化读取定时值调用除法程序返 回开 始图32 计算程序流程图计算程序中又再次调用了除法程序，这里的除法为四字节除三字节商为两字节，除法的程序的编程思想可以和手

60、工计算的除法相似，比较减法的思想，流程图如图3-3所示具体程序见附录。二-十进制转换程序计算程序计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。NY除 法移位次数 计数器被除数左移1位被除数 除数上商1，减去除数上商0返回计数器减1计数器=0？图33除法程序流程图按照数制转换方法可以画出流程图开始0R4、R5、R616R7C（R2R3）左移1位（移出位bi