基于ZJ型传感器的转矩转速测量仪的设计

嵌入式应用软件园，版权所有，请勿转载/销售。基于ZJ型传感器的转矩转速测量仪的设计摘要本论文阐述的是基于ZJ型传感器的转速转矩测量仪的设计。本课题利用ZJ型传感器、单片机系统设计出一种转速转矩仪，它能实现本次设计的转矩转速测量仪可以对各种电机进行测量，转矩的测量范围可达到0~500.0Nm，转速的测量范围可达到0~6000转/min。本文详细介绍了以相位差为原理的转矩转速仪的设计。通过对转矩转速测量原理的分析，得出转矩转速测量传感器的输出信号是具有相位差的正弦信号。信号经过调理转换电路送入单片机，有单片机对信号进行处理并转换为转速和转矩数据，然后送显示单元显示。系统具有RS-485通信接口和键盘输入接口，可以根据用户需求规定传输约定，也可以通过键盘键入用户参数，使得转矩转速仪具有良好的适用性，可单独使用，也适合主从式多机通信或者分布式远程通信要求。本文介绍的基于ZJ型传感器的新型转矩转速测量仪具有小巧轻便、精度高、寿命长等特点，并用LCD显示，易读数,具有很强的适用性。这种测量仪可对各种大小的机械转动力和转速进行测量,显示平均转矩转速,是一种具有发展潜力和广泛应用前景的设计方案。关键词：ZJ型传感器；转速转矩仪；单片机；LCD显示如需此论文Word版本，单片机程序/单片机技术支持，请访问:嵌入式应用软件园。-I-嵌入式应用软件园，版权所有，请勿转载/销售。TheDesignofTorqueandRotationalSpeedMeasuringInstrumentBasedonZJSensorsAbstractThispaperintroducesthedesignoftorqueandrotationalspeedmeterbasedonZJsensor.ThetaskusesZJsensor,SingleChipMCUsystemtodesignamachinetomeasuretherotationalspeed&torque.Accordingtotherequirementofthistask，thesystemcanrealizethefunctionsofmeasuringrotationalspeed&torqueofkindsofmotors.Thesystemallowthemeasurementresultoftorquemeasurementtorangefrom0to500NM，androtationalspeedfrom0to6000laps/s.ThedesignoftachometerandtorquemeterwithRS-485interfaceonmono-chipcomputerisdescribedindetail.Throughtheanalysisoftheprincipletotherotationalspeedandtorquemeasuring,ithassinesignalwithdifferentphasetoobtaintheoutputsignalofmeasuringthetransduceroftherotationalspeedandtorquesensor.Thesignalsendintothemono-chipcomputerthroughtherecuperatingcircuit,themono-chipcomputerdealswithandconvertthesignalintotherotationalspeedandtorquedata,thensendtothedisplayunit.ThesystemhasRS-485communicationinterfaceandkeyboardthatmaketherotationalspeedandtorquemeasurementdevicehasgoodapplicability。Thedevicecanusealone，andalsobesuitableforprincipleandsubordinatetypemulti-machinecommunicationordistributedremotetoo.ThisarticledescribesanewtypeofsensorbasedZJtorqueandrotationalspeedmeasuringinstrumentwithLCDdisplaywhichissmallandlightweight.Andithasmanyadvantages,e.g.highprecision,longservicelife,easilyreadingandwithstronglyapplicability.Themeasuringinstrumentcanbetransferredtovarioussizesofmechanicalpowerandspeedmeasurement,andshowtheaverageofthevalueoftorqueandspeed.Thisdesignhasgreatpotentialfordevelopmentandawideapplicatorprospect.Keywords:ZJsensor;rotationalspeed&torquemeasurement;SingleChipMCU;LCDdisplay-II-嵌入式应用软件园，版权所有，请勿转载/销售。目录引言..............................................................................................................................................1第1章绪论...............................................................................................................................21.1课题背景及理论与实际意义..............................................................................................21.2本课题的来源及设计要求和主要内容..............................................................................2第2章总体方案设计与工作原理分析.....................................................................................32.1测量周期信号和相位差信号..............................................................................................32.2ZJ传感器的结构及工作原理.............................................................................................42.3硬件电路的工作原理...........................................................................................................6第3章硬件电路设计..................................................................................................................83.1硬件电路总体结构...............................................................................................................83.2信号的放大与比较电路设计..............................................................................................83.3控制系统的设计................................................................................................................103.3.1STC12C5A60S2单片机在设计中的应用................................................................103.3.2STC12C5A60S2单片机简介.....................................................................................103.3.3STC12C5A60S2的引脚及功能：..........................................................................113.3.4STC12C5A60S2单片机的内部存储器：.............................................................133.3.5晶振电路......................................................................................................................163.4显示系统的设计.................................................................................................................163.5串行通信电路的设计.........................................................................................................18第4章软件设计.........................................................................................................................20-III-嵌入式应用软件园，版权所有，请勿转载/销售。4.1主程序设计.........................................................................................................................204.2初始化程序设计................................................................................................................214.3测量子程序设计................................................................................................................214.4串口通信程序设计............................................................................................................234.5显示子程序设计................................................................................................................234.5.1初始化设置..................................................................................................................234.5.2初始化过程（复位过程）.........................................................................................244.5.3显示子程序..................................................................................................................24结论与展望...................................................................................................................................25致谢............................................................................................................................................26参考文献.......................................................................................................................................27附录A硬件原理图.....................................................................................................................28附录B外文文献及译文.............................................................................................................29附录C主要参考文献及摘要....................................................................................................40附录D部分程序清单................................................................................................................42-IV-嵌入式应用软件园，版权所有，请勿转载/销售。插图清单图2-1系统设计框图„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„3图2-2ZJ型传感器的结构示意图„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„5图2-3信号发生原理及时序波形图„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„5图2-4电压波形图„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„6图3-1硬件电路总体结构图„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„8图3-2信号调理图„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„9图3-3STC12C5A60S2与外围器件的连接结构图„„„„„„„„„„„„„„„10图3-4单片机总控制电路„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„11图3-5STC12C5A60S2引脚图„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„12图3-6STC12C5A16S2单片机程序存储器„„„„„„„„„„„„„„„„„„13图3-7内部RAM„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„14图3-8晶振电路„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„16图3-9SMC1602与单片机连接图„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„17图3-10SMC1602状态字说明„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„18图3-11MAX485引脚图„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„18图4-1软件程序总流程图„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„20图4-2初始化流程图„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„21图4-3转速测量程序流程图„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„22图4-4转矩测量程序流程图„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„22图4-5串口中断服务程序流程图„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„23-V-嵌入式应用软件园，版权所有，请勿转载/销售。引言转矩及转速的测量是各种机械产品的研发、测试、定型、质检等工作中不可缺少的内容,转矩、转速测量仪器已成为科研部门必备的测试工具,但是传统的转矩、转速测量仪器存在结构庞大、能耗大、价格昂贵且测量误差大、工作寿命短等缺点。基于ZJ传感器的转矩转速测量仪是综合了相位测量技术、频率测量技术和微处理机技术的专用数字测量仪器,可对各种大小的机械转动力矩和转速进行测量,显示平均转矩、转速,其具有小巧轻便、精度高、易读数、寿命长等特点。转矩和转速是电机最重要的两个参数,要合理地选用电机,必须要准确地对转矩和转速进行测量。而且转矩转速的测量是各种机械产品的开发研究、测试分析、质量检验、型式鉴定和节能、安全或优化控制等工作中所必不可少的内容。转矩转速测量仪器是科研部门和工业生产过程中必备的测试工具。因而研制出一种数字式、高精度的转矩转速测量仪具有非常现实的意义。在以往的转矩和转速测量中通常将电机与传感器和负载直接连接起来,这种测量设备结构庞大、能耗大、价格昂贵且测量误差大，如果测量各种大转矩电机,需要加大负载,将导致测量仪体积和重量增加,且受旋转轴固有频率的影响,不适于测量高速电机。为此，本次设计以ZJ型传感器为基础，以单片机为核心设计了一款数字化高精度转矩转速测量仪。本次设计的转矩转速测量仪可以对各种电机进行测量，转矩的测量范围预计可达到0~500.0Nm，转速的测量范围可达到0~6000转/min。本测量仪具有测量范围广、精度高等特点。-1-嵌入式应用软件园，版权所有，请勿转载/销售。第1章绪论1.1课题背景及理论与实际意义转矩和转速是工业生产过程中的两个重要参数，为了保证生产正常进行，必须对转矩和转速进行检测和控制。转矩转速的测量是各种机械产品的开发研究、测试分析、质量检验、型式鉴定和节能、安全或优化控制等工作中所必不可少的内容。例如在各种发动机的研制和调试过程中，需要知道发动机的性能是否满足要求以及是否正常运行，这就需要对转矩和转速进行测量。其次，在各种电机的运行过程中往往需要设置一个转矩转速的上限值，以确保电机的安全运行，通过对转矩和转速的测量，当超过上限值时发出报警信号。测量转矩转速的传感器、仪器和装置已成为科研单位、院校、工厂实验室或检验部门的必备测试工具；也是电子计算机控制的生产或试验系统中提供转矩转速信息所必需的组成部分。在现代化测量仪中，数字显示仪表得到了迅速发展。这种仪表有读数直观，信号可以原传或遥传，不容易受到干扰；测量准确度高；测量结果便于自动纪录，或输入到电子计算机中进行数据处理等等优点。数字转矩转速测量仪表在现代科学试验工作中的应用日益广泛。伴随数字时代的到来，以单片机为核心的微型测控系统获得了飞速发展，现已应用于生产生活的各个方面，并且快速取代了传统的同类产品。对于大多数转矩转速测量系统而言，运行稳定可靠、操作灵活简便、节省时间、性能价格比高、扩展兼容性强和易于维护是基本的要求，然而对于大多数企业用户来说,精度和实时性并不像实验室要求那么高，中等精度的转矩转速测量系统已基本能满足使用上的要求。1.2本课题的来源及设计要求和主要内容目前市场上的转矩转速测量仪器很多，既有传统的机械类产品，也有现代的高精度多功能产品，后者主要是基于现代单片机系统而设计的，本次设计的转矩转速测量仪就是基于STC12C5A60S2单片机系统研制而成的。其中涉及传感器技术，STC12C5A60S2单片机应用系统及LCD显示及等多个环节。本次设计要求及主要内容有：转矩的测量范围是0-500.0Nm，转速的测量范围是0-6000转/min。以ZJ型传感器为对象，配合信号调理电路的研究与设计。单片机存储和测控电路的设计。串行通信电路的设计。LCD显示电路的设计。基于汇编语言的程序设计。-2-嵌入式应用软件园，版权所有，请勿转载/销售。第2章总体方案设计与工作原理分析近年来，随着电子测量技术的迅速发展，信号的相位测量方法也日趋完善。利用相位测量原理制成的相位转矩转速测量仪，也得到了很广泛的应用。本次设计采用的ZJ传感器就是采用磁电转换-相位差原理制成的。为了把转矩和转速信息能够准确地从电机中提取出来,通常是由传感器将被测信息转换为电信号,并对电信号存储、传输、分析计算,最终显示测量结果。传感器是整个测量仪器的核心,对传感器的选择必须合理,并保证能够在一定的工作环境下正常地工作。本次设计采用的ZJ传感器是采用磁电转换-相位差原理，将转矩转速信号转换为两路有一定相位差的电信号。系统设计框图如图2-1所示。输入部分由通道1、2及鉴相器构成。通道1、2分别是由LM258和LM339构成的放大比较电路，来自传感器的两路电信号进入仪器的通道1和通道2后转换为矩形波，并将两路矩形波信号同时送入鉴相器。鉴相器采用与门电路，其功能是检测两路矩形波信号的相位差，并产生一连串宽度与相位差成正比的脉冲。控制部分的核心是微处理器，信号送入单片机进行处理，在单片机中处理运算后得到转矩转速测量值，送入SMC1602中显示。图2-1系统设计框图2.1测量周期信号和相位差信号对于测量周期信号和相位差信号，有两种方案可供选择：一、测频法：测定在预定的标准时间内进入计数器的待测信号脉冲的个数从而得到f转速。将频率为x的电脉冲放大整形，传输到主门的输入端，由晶体（石英）振荡器产f生标准频率0信号，经时基分频器产生可调波宽的低频方波信号（即标准时基t，0.1s,1s,10s等）Nnzx60tNx为每秒累计脉冲数60Nxnzt测频法测速误差分析：-3-嵌入式应用软件园，版权所有，请勿转载/销售。频率fxNx单位时间的脉冲数，可能多一个脉冲，或少一个脉冲。t频率误差：1fxt相对误差：f因为：fx1fxfxtfx所以：nznzTt，6060f60，n,zfnzt由于起始点的随机性，存在末位±1个字的随机误差，因此低转速产生的测量误差大。二、测周法在频率、速度等脉冲类测量过程中，采集指定的脉冲个数，与过程时间比较来测定频率、速度。这样的采样方式就是定数采样或定脉冲采样。这种方法其实是测量单个脉冲的周期或指定个数脉冲的总周期。这种测量脉冲的方法又叫做测周法。当转速较低时，为提高测量精度，应采用测周法。计数器累计一个待测脉冲信号周期Tx内的标准时钟脉冲数N0，既两待测脉冲信号之间的间隔Tx=N0×T0(us,ms级可调)x是以秒为单位的两脉冲信号周期Tx信号测量的核心是转矩测量,，由于周期信号和相位差信号的频率较低，所以采用测周法这样速度较快且精度较高，对于本次设计原理，测周的方法易于实现，而且测量结果精确度高，系统也较简单[5]，因此采用此方案。2.2ZJ传感器的结构及工作原理1.ZJ型传感器的结构ZJ型转矩转速传感器是根据磁电转换和相位差原理，将转矩、转速机械量转换成两路有一定相位差电压讯号的一种精密仪器，图2-2为传感器的结构示意图，它由机座、端盖、扭力轴、内齿轮、外齿轮、磁钢、线圈轴承等组成。内齿轮、磁钢固定在套筒上，线圈固定在端盖上，外齿轮固定在扭力轴上。n1z60x-4-嵌入式应用软件园，版权所有，请勿转载/销售。图2-2ZJ型传感器的结构示意图2.ZJ型传感器的工作原理内、外信号齿轮由铁磁材料制成，而磁钢是永久磁体制造的。从永久磁钢经气隙、信号齿轮再到永久磁钢，形成了闭合回路。当内、外齿轮旋转时，磁钢与齿顶、齿谷间的气隙发生改变，即磁路中的磁阻发生改变，而永磁体的磁动势一定，据磁路的欧姆定律知线圈中的磁通必然发生变化。据电磁感应定律可知，线圈中也要相应的产生近似正弦波的感应电动势e1,e2.两感应电动势的初始相位差Φ是恒定的，考虑到正、反加载，一般设计在180度位置上，当加上扭力时，扭力轴发生扭转变形，外齿轮和内齿轮间产生相对转角θ，从而两感应电动势e1,e2的相位关系发生了变化，相位差为Φ=Φ0+△Φ。相位差的变化量△Φ与相对转角θ的关系为△Φ=Z×θ，Z为内、外齿轮的齿数。由于在扭力轴的弹性范围内外加扭矩和机械扭转角成正比，因此，测量出Φ就等于间接测量出轴上的外加转矩，这样就实现了将机械量转化成电子量的过程。图2-3为信号发生原理及时序波形图[9]。图2-3信号发生原理及时序波形图3.相位差式转矩转速测量原理ZJ型传感器是一根有弹性而没有滞后效应的短轴，使用时把弹性轴安装在电动机轴与机械负载轴之间。有负载时，弹性轴受到力矩的作用砸产生偏转角△θ，在弹性范围内，偏转角△θ与外施转矩M成正比关系，即：△θ=KM。为了测量偏转角△θ，在弹性轴两端装有2个相同的齿轮，存齿轮的外侧各安装1个绕在磁钢上的信号线圈，电动机带上负载后旋转时，弹性轴受力矩作用产生了偏转角，2个信号线圈的感应电势使产生-5-嵌入式应用软件园，版权所有，请勿转载/销售。相位差角△θ。一对齿距范嗣内有360度电角，用电角表示的偏转角与两电势相位差角正好相等，均用△θ表示[2]。这样，测定偏转角便转化为测定两信号线斟输出电压U1，U2的相位差角△θ。传感器两信号线圈的输出电压信号Ul，U2的波形如图2-4(a)所示。图2-4(a)中表示有负载时两电压U1，U2产生了相位差△θ。经过放大整形把负半波滤去后，U1，U2的波形如图2-4(b)所示。实线为U1，虚线为U2，重叠部分形成了一个新的脉冲波，脉宽tl，故称Ud为相位差脉冲波(如图2-4(c)所示)。晶振电压Uo采用频率f=6MHz方波脉冲，周期T=1/f=1.667X10-7s。把Ud和Uo接到同一个与门，用相位差脉冲Ud去控制晶振脉冲的通过，在脉宽t1时间内，晶振脉冲可以通过；在低电平时间t2内，不能通过。由于晶振脉冲波的周期已知，因此，只要计算出通过与门的晶振脉冲数，便可以准确地算出tl。把相位差脉冲反相后和晶振脉冲一起送至另一个与门，同样用相位差脉冲的低电平时间t2去控制晶振脉冲的通过，在t2时问内，晶振脉冲能通过，其它时间脉冲不能通过。计算通过的晶振脉冲数，同样可以算出低电平时间t2，进而算出相位差脉冲波的周期。相位差脉冲周期：T=tl+t2(2-1)相位差角：。△θ=tl×360/T(2-2)转矩：M=k×△θ=K1×tl／T(2-3)图2-4电压波形图公式(2-3)中K1可通过试验求得，由于M与t1/T成正比，转速变化时t1和T按同样的比例变化，就这一点来说，转速变化对转矩测量没有影响，因此，这种方法可应用于不同转速的转矩测量[2、3、4]。2.3硬件电路的工作原理本次设计的转矩转速测量仪是采用相位差原理研制而成。通过ZJ传感器将电机的转矩、转速机械量转换成两路有一定相位差的电压信号，经过LM258放大以后达到易于测量的大小，将经放大的信号送入由LM339比较器构成的模/数转换电路，将模拟信号转换成-6-嵌入式应用软件园，版权所有，请勿转载/销售。适于单片机处理的TTL电平。根据转矩测量公式，对于转矩的测量是通过测量两路信号的相位差，按照公式2-4计算出转矩的值。测量相位差的具体方法是当计数从全为“1”翻转为全“0”时，定时器中断标志位TFn置位。当TRn=1同时GATE=0或INTn=0时定时器计数，置位GATE时允许由外部输入INTn控制定时器，TRn为TCON寄存器内的控制位。转矩测量公式：T=R5FT1（2-4）T2其中R为传感器额定转矩，F为传感器系数，T1为两信号过零点之间的时间差，T2为信号的周期。根据转速测量公式，对于转速的测量是通过测量一定时间内输入信号的脉冲数，然后按照公式2-5计算出转速的值。转速测量公式：60CN=（2-5）TP其中P为传感器齿数，T为规定的测量时间，C为在T时间内输入的脉冲数。测得的各种信号值完成公式的计算，都是在单片机STC12C5A60S2中通过软件来实现的，最终将计算出的值送入显示部分，把转矩转速的测量值显示出来。由于需要分别显示转矩和转速的测量值，本次使用设计SMC1602液晶显示器。生产中我们不仅要测量转矩转速值，而且要利用这些值对我们的生产过程进行控制，因此在设计中利用RS485串行通信的方式，把测量值送入计算机进行分析处理，从而控制生产过程。由于TTL电平的逻辑与RS-485总线标准不匹配，因此电路中使用了MAX-485接口芯片，对TTL[7]电平进行转换，使其符合RS-485总线逻辑。-7-嵌入式应用软件园，版权所有，请勿转载/销售。第3章硬件电路设计3.1硬件电路总体结构本次设计是基于ZJ型传感器的转矩转速测量仪，主要由输入、控制、显示输出三部分组成。根据ZJ传感器的工作原理，系统的主要任务是测量传感器线圈输出电压U1和U2的相位差，输入部分由通道1、2和鉴相器构成。通道1、2分别是由LM258和LM339构成的放大比较电路，来自ZJ型传感器的诱路电信号送入仪器的通道1和通道2，经过放大比较转换为矩形波，并将两路矩形波信号同时送入鉴相器。鉴相器采用与门电路，其功能是检测两路矩形波信号的相位差，并产生一连串宽度与相位差成正比的脉冲。控制部分的核心是微处理器，送入单片机进行处理，在单片机中处理运算后得到转矩转速测量值，送入SMC1602中显示。此外在电路中还加入了RS-485通信电路。设计框图如图3-1所示。图3-1硬件电路总体结构图3.2信号的放大与比较电路设计1.调理电路的设计在本次基于ZJ型传感器的转矩转速测量仪研制的设计中由传感器采集来的转矩转速模拟信号需要经过一系列的处理才能为单片机所用。为此设计了以LM258和LM339为基础的信号放大和比较电路，将模拟信号转换为可以为单片机运算处理用的数字信号。如图3-2所示。由传感器采集来的两路信号比较小，不容易处理，需首先经无源RC滤波器处理后送LM258双运算放大器放大，得到方便处理的电压信号。为了防止电压过大，电路中还加入了二极管保护电路。单片机处理的是TTL电平信号，所以需要将模拟电压信号转换为TTL电平信号，LM339是四电压比较器，常用于简单的模拟/数字转换器。模拟信号经过比较器得到所需要的数字信号。本次设计转矩的测量是采取相位差的方法，根据转矩的测量公式可知需要两路信号，一路信号用来测量信号的周期，一路信号用来测量相位差，而相位差信号需要将两路信号加一个与门电路来获得。转速的测量同样需要两路信号，一路信号用来测量输入信号的脉冲数，一路信号用来测量输入信号脉冲所占用的时间。2.LM258和LM339简介LM258是由两个独立的高增益、内部频率补偿运算放大器组成。通过特殊设计，它-8-嵌入式应用软件园，版权所有，请勿转载/销售。可在宽电压范围的单电源下工作。当然它也能在双电源下工作。低的电源电流与电源数值大小无关。其应用领域包括转换放大器，直流增益部件和所有常规的运算放大器，这些更易于在单电源系统中实现。LM339系列（包括LM139、LM239、LM339、LM2901）是由四组独立的精密电压比较器组成，具有低失调电压的特点，所有四组比较器最大失调电压仅为2mV。它特地为在较大的电压范围内单电源工作而设计，但也在双电源下工作，它的低电源电流不受电源电压大小的影响。即使在单电源电压下工作，这些比较器的输入共模电压范围也包括低电位。应用方面包括限幅比较器、简单的模拟/数字转换器、脉冲方波和延时发生器、宽范围压控振荡器、MOS时钟多谐振荡器和高电压数字逻辑门。LM339系列能直接与TTL和CMOS接口。当工作于正负电源时，它们也能直接与MOS逻辑电路接口，LM339的输出端相当于一只不接集电极电阻的晶体三极管，在使用时输出端到正电源一般须接一只电阻（上拉电阻）。选不同阻值的上拉电阻会影响输出端高电位的值。因为，当输出晶体三极管截止时，它的集电极电压基本上取决于上拉电阻与负载的值[1011]。本设计中选择上拉电阻值为10K。在这些应用中LM339的低功耗的特点明显比普通比较器好。信号调理电路如图3-2。图3-2信号调理电路图电压比较器是对两个模拟电压比较其大小，并判断出其中哪一个电压高，它有两个输入端：同相输入端(“+”端)及反相输入端(“-”端)，有一个输出端Vout(输出电平信号)。另外有电源V+及V-，如图3-2所示，本设计使V-接地，此时相当于是单电源比较器。同相端输入电压VA，反相端输入VB，：VA>VB时，Vout输出高电平(饱和输出)；VB>VA时，Vout输出端截至（输出低电平）。根据输出电平的高低便可知道哪个电压大。如果把VA输入到反相端，VB输入到同相端，，其输出电平与上述相反。输出电平变化[11]与VA、VB的输入端有关。如果输入电压VA与某一个固定不变的电压VB相比较，此VB称为参考电压、基准电压或阈值电压。如果这参考电压是0V(地电平)，这时电压比较器一般用作过零检测，从图3-2可知，这次设计就是把比较器用作过零检测器。-9-嵌入式应用软件园，版权所有，请勿转载/销售。3.3控制系统的设计3.3.1STC12C5A60S2单片机在设计中的应用1.STC12C5A60S2与外围芯片的连接根据设计任务书的要求，在基于ZJ传感器转矩转速测量仪的研制中，主要就是由ZJ传感器，放大、比较电路，核心芯片STC12C5A60S2与显示设备SMC1602构成的显示电路及串行通信驱动芯片MAX485构成的串行通信电路一起来实现一个完整的转矩转速测量仪，它能够测量各种电机的转矩转速。在具体的设计中，通过STC12C5A60S2与液晶显示器及键盘相连，这样便构成了CPU与显示部分的数据/命令传送。P1.5、P3.0（RXD）、P3.1（TXD）分别与MAX485的/RE和DE、RO、DI相连，构成串行通信。其中STC12C5A60S2与外围的器件连接结构图如图3-3所示：图3-3STC12C5A60S2与外围器件的连接结构图3.3.2STC12C5A60S2单片机简介STC12C5A60S2单片机是宏晶科技生产的单时钟/机器周期（1T）的单片机，是高速/低功耗/超强抗干扰的新一代51单片机，指令代码完全兼容传统8051，但速度快8-12倍。内部集成MAX810专用复位电路，2路PWM，8路高速10位A/D转换（250K/S），针对电机控制，强干扰场合。下面介绍本单片机的一些特点：增强型8051CPU，1T，单时钟/机器周期，指令代码完全兼容传统8052工作电压：3.3V~5.5V（5V单片机）工作频率范围：0–35MHz，相当于普通8051的0~420MHz用户应用程序空间8K/16K/20K/32K/40K/48K/52K/60K/62K字节„„片上集成1280字节RAM通用I/O口,复位后为：准双向口/弱上拉（普通8051传统I/O口），可设置成四种模式：准双向口/弱上拉，推挽/强上拉，仅为输入/高阻，开漏每个I/O口驱动能力均可达到20mA，但整个芯片最大不要超过55mAISP（在系统可编程）/IAP(在应用可编程)，无需专用编程器，无需专用仿真器，可通过串口（P3.0/P3.1）直接下载用户程序，数秒即可完成一片看门狗功能：内部看门狗功能，无需外部看门狗电路共4个16位定时器：两个与传统8051兼容的定时器/计数器，16位定时器T0-10-嵌入式应用软件园，版权所有，请勿转载/销售。和T1，但没有定时器2，但有地理波特率发生器做串行通讯的波特率发生器外部中断I/O口7路，传统的下降沿中断或低电平触发中断，并新增支持上升沿中断的PCA模块，PowerDown模式可由外部中断唤醒，INT0/P3.2，INT1/P3.3，T0/P3.4，T1/P3.5，RxD/P3.0，CCP0/P1.3，CCP1/P1.4STC12C5A60S2系列有双串口，RxD2/P1.2，TxD2/P1.3工作温度：-40~+85℃（工业级）/0~75℃（商业级）封装：PDIP-40，I/O口不够用时，可用2到3根普通I/O口线外接74HC164/165(均可级联)来扩展I/O口，还可用A/D做按键扫描来节省I/O口，或用双CPU，三线通信，还多了串口图3-4单片机总控制电路3.3.3STC12C5A60S2的引脚及功能：AT89S51的管脚图如图3-5所示，它有40个引脚，双列直插-11-嵌入式应用软件园，版权所有，请勿转载/销售。图3-5STC12C5A60S2引脚图1、主电源引脚（2根）VCC：电源输入，接＋5V电源GND：接地线2、外接晶振引脚（2根）XTAL1：片内振荡电路的输入端，内部时钟电路反相放大器输入端，接外部晶振的一个引脚。当直接使用外部时钟源时，此引脚是外部时钟源的输入端XTAL2：片内振荡电路的输出端，内部时钟电路反相放大器的输出端，接外部晶振的另一端。当直接使用外部时钟源时，此引脚可浮空，此时XTAL2实际将XTAL1输入的时钟进行输出。3、控制引脚（4根）RST/VPP：复位引脚，引脚上出现2个机器周期的高电平将使单片机复位。ALE/PROG：地址锁存允许信号PSEN：外部存储器读选通信号EA/VPP：程序存储器的内外部选通，接低电平从外部程序存储器读指令，如果接高电平则从内部程序存储器读指令。4、可编程输入/输出引脚（32根）STC12C5A60S2单片机有4组8位的可编程I/O口，分别位P0、P1、P2、P3口，每个口有8位（8根引脚），共32根。P0口（Pin39～Pin32）：8位双向I/O口线，名称为P0.0～P0.7P0口既可作为输入/输出口，也可作为地址/数据复用总线使用。当P0口作为输入/输出口时，P0是一个8位准双向口，内部有弱上拉电阻，无需外接上拉电阻。当P0作为地址/数据复用总线使用时，是低8位地址线[A0~A7]，数据线的[D0~D7]。P1口（Pin1～Pin8）：8位准双向I/O口线，名称为P1.0～P1.7，其中P1.5作为-12-嵌入式应用软件园，版权所有，请勿转载/销售。MAX485串行通信的数据输入口。P2口（Pin21～Pin28）：8位准双向I/O口线，名称为P2.0～P2.7P2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。。P3口（Pin10～Pin17）：8位准双向I/O口线，名称为P3.0～P3.7设计中使用P3口主要是使用起特殊功能。P3.0和P3.1作为MAX485的串行通信控制信号口。P3.4接受被测转矩的相位差信号，利用GATE门测量脉冲宽度，通过调用转矩测量程序运算处理得出转矩值，P1.0和P3.5分别用作定时和计数，P1.0口为定时器2的特殊功能口，用来定时1分钟，P3.5用来计数。通过调用转速测量程序运算处理得出转速值。P3.1TXD：串行输出口P3.2/INT0：外部中断0P3.3/INT1：外部中断1P3.4T0：记时器0外部输入P3.5T1：记时器1外部输入P3.6/WR：外部数据存储器写选通P3.7/RD：外部数据存储器读选通3.3.4STC12C5A60S2单片机的内部存储器：单片机系统中，存放程序的存储器称为程序存储器，类似与通用计算机系统中的ROM，只能进行读操作，存放数据的存储器称为数据存储器，相当于通用计算机系统中的RAM。与通用计算机系统不同，单片机系统中的程序存储器和数据存储器都有各自的读信号（PSEN、/RD），换言之，单片机系统的存储器可以分成两个物理存储器，即程序存储器和数据存储器，它们的范围都是64KB。1、程序存储器程序存储器用于存放用户程序、数据和表格等信息。STC12C5A60S2系列单片机内部集成了8K~62K字节的Flash程序存储器。STC12C5A60S2系列各种型号单片机的程序Flash存储器的地址如下图3-6所示。3FFFH0000H图3-6STC12C5A16S2单片机程序存储器-13-嵌入式应用软件园，版权所有，请勿转载/销售。单片机复位后，程序计数器(PC)的内容为0000H，从0000H单元开始执行程序。另外中断服务程序的入口地址(又称中断向量)也位于程序存储器单元。在程序存储器中，每个中断都有一个固定的入口地址，当中断发生并得到响应后，单片机就会自动跳转到相应的中断入口地址去执行程序。外部中断0的中断服务程序的入口地址是0003H，定时器/计数器0中断服务程序的入口地址是000BH,外部中断1的中断服务程序的入口地址是0013H，定时器/计数器1的中断服务程序的入口地址是001BH等。更多的中断服务程序的入口地址(中断向量)见单独的中断章节。由于相邻中断入口地址的间隔区间(8个字节)有限，一般情况下无法保存完整的中断服务程序，因此，一般在中断响应的地址区域存放一条无条件转移指令，指向真正存放中断服务程序的空间去执行。程序Flash存储器可在线反复编程擦写10万次以上，提高了使用的灵活性和方便性。2、数据存储器STC12C5A60S2系列单片机内部集成了1280字节RAM，可用于存放程序执行的中间结果和过程数据。内部数据存储器在物理和逻辑上都分为两个地址空间:内部RAM(256字节)和内部扩展RAM(1024字节)。此外，STC12C5A60S2系列单片机还可以访问在片外扩展的64KB外部数据存储器。（1）内部RAM：内部RAM共256字节，可分为3个部分：低128字节RAM（与传统8051兼容）、高128字节RAM(Intel在8052中扩展了高128字节RAM)及特殊功能寄存器区。低128字节的数据存储器既可直接寻址也可间接寻址。高128字节RAM与特殊功能寄存器区貌似共用相同的地址范围，都使用80H~FFH,地址空间虽然貌似重叠，但物理上是独立的，使用时通过不同的寻址方式加以区分。高128字节RAM只能间接寻址，特殊功能寄存器区只可直接寻址。内部RAM的结构如图3-7所示，地址范围是：00H~FFH。FFH80H7FH00H图3-7内部RAM低128字节RAM也称通用RAM区。通用RAM区又可分为工作寄存器组区，可位寻址区，用户RAM区和堆栈区。工作寄存器组区地址从00H~1FH共32B(字节)单元，分为4组(每一组称为一个寄存器组)，每组包含8个8位的工作寄存器，编号均为R0~R7，但属于不同的物理空间。通过使用工作寄存器组，可以提高运算速度。R0~R7是常用的寄存-14-嵌入式应用软件园，版权所有，请勿转载/销售。器，提供4组是因为1组往往不够用。程序状态字PSW寄存器中的RS1和RS0组合决定当前使用的工作寄存器组。见下面PSW寄存器的介绍。可位寻址区的地址从20H~2FH共16个字节单元。20H~2FH单元既可向普通RAM单元一样按字节存取，也可以对单元中的任何一位单独存取，共128位，所对应的地址范围是00H~7FH。位地址范围是00H~7FH，内部RAM低128字节的地址也是00H~7FH；从外表看，二者地址是一样的，实际上二者具有本质的区别；位地址指向的是一个位，而字节地址指向的是一个字节单元，在程序中使用不同的指令区分。内部RAM中的30H~FFH单元是用户RAM和堆栈区。一个8位的堆栈指针(SP)，用于指向堆栈区。单片机复位后，堆栈指针SP为07H，指向了工作寄存器组0中的R7，因此，用户初始化程序都应对SP设置初值，一般设置在80H以后的单元为宜。位有借位时，CY为1；反之为0。AC:进位辅助位。进行加法运算时，当B3位有进位，或执行减法运算B3有借位时，AC为1；反之为0。设置辅助进位标志AC的目的是为了便于BCD码加法、减法运算的调整。F0:用户标志位0。RS1、RS0:工作寄存器组的选择位。RS1RS0当前使用的工作寄存器组(R0~R7)000组(00H~07H)011组(08H~0FH)102组(10H~17H)113组(18H~1FH)OV:溢出标志位。B1:保留位。F1:用户标志位1。P:奇偶标志位。该标志位始终体现累加器ACC中1的个数的奇偶性。如果累加器ACC中1的个数为奇数，则P置1；当累加器ACC中的个数为偶数(包括0个)时，P位为0。堆栈指针(SP):堆栈指针是一个8位专用寄存器。它指示出堆栈顶部在内部RAM块中的位置。系统复位后，SP初始化位07H，使得堆栈事实上由08H单元开始，考虑08H~1FH单元分别属于工作寄存器组1~3，若在程序设计中用到这些区，则最好把SP值改变为80H或更大的值为宜。STC12C5A60S2系列单片机的堆栈是向上生长的，即将数据压入堆栈后，SP内容增大。（2）内部扩展RAMSTC12C5A60S2单片机内除了集成256字节的背部RAM外，还集成了1024字节的扩展RAM，地址范围是0000H~03FFH。访问内部扩展RAM的方法和传统8051单片机访问外部扩展RAM的方法相同，但是不影响P0口、P2口、P3.6、P3.7和ALE。在汇编语言中，内部扩展RAM通过MOVX指令访问，即使用“MOVX@DPTR”或者“MOVX@Ri”指令来访问。在C语言中，可使用xdata声明存储类型即可，如“unsigned-15-嵌入式应用软件园，版权所有，请勿转载/销售。charxdatai=0；”。单片机内部扩展RAM是否可以访问受辅助寄存器AUXR（地址为8EH）中的EXTRAM位来控制。3、专用功能寄存器：（1）程序计数器（PC）程序计数器PC在物理上是独立的，不属于SFR之列。PC字长16位，是专门用来控制指令执行顺序的寄存器。单片机上电或复位后，PC=0000H，强制单片机从程序的零单元开始执行程序。（2）累加器（ACC）累加器ACC是8051单片机内部最常用的寄存器，也可写作A。常用于存放参加算术或逻辑运算的操作数及运算结果。（3）B寄存器B寄存器在乘法和除法运算中须与累加器A配合使用。MULAB指令把累加器A和寄存器B中的8位无符号数相乘，所得到的16位乘积的低字节存放在A中，高字节存放在B中。DIVAB指令用B除以A整数商存放在A中，余数存放在B中。寄存器B还可以用作通用暂存寄存器。（4）数据指针（DPTR）数据指针DPTR是一个16位专用寄存器，由DPL和DPH组成，地址分别是82H和83H。DPTR是传统8051机中唯一可以直接进行16位操作的寄存器，也可以分别对DPL和DPH按字节进行操作。STC12C5A60S2系列单片机有两个16位的数据指针DPTR0和DPTR1，这两个数据指针共用一个地址空间，可通过设置DPS/AUXR1.0来选择具体被使用的数据指针。3.3.5晶振电路系统基本的时钟信号是由晶振电路提供的。引脚XTAL1和XTAL2与电容C1、C2及晶体振荡器按图所示方式连接。晶振、电容C1、C2片内与非门（作为反馈、放大元件）构成了电容三点式振荡器，振荡信号频率与晶振频率及电容C1、C2的容量有关。本设计中，系统的外部晶振频率采用12MHz，电容C1、C2的取值为30pF。其电路图如图3-8所示。图3-8晶振电路3.4显示系统的设计为了能直观、快速地读取测量结果，本设计使用SMC1602液晶显示器对测量结果进行显示。SMCI602A液晶显示模块芯片，是长沙太阳人电子有限公司生产的一种液晶显示芯片。该芯片可显示16×2个字符，比以前的七段数码管LED显示器在显示字符的数量上要多得多。另外，由于SMCl602芯片编程比较简单，界面直观，因此更加易-16-嵌入式应用软件园，版权所有，请勿转载/销售。于使用者操作和观测。下面简单介绍一下SMC1602的相关特点1、主要技术参数显示容量：16*2字符芯片工作电压：4.5~5.5V工作电流：2.0mA（5.0V）模块最佳工作电压：5.0V字符尺寸：2.95*4.35（WXH）mm2、引脚及功能说明符号引脚说明VSS电源地VDD电源正极VL液晶显示偏压信号RS数据/命令选择端(H/L)R/W读写选择端（H/L）E使能信号D0DataI/OD1DataI/O符号引脚说明D2DataI/OD3DataI/OD4DataI/OD5DataI/OD6DataI/OD7DataI/OBLA背光源正极BLK背光源负极SMC1602-HT44780图3-9SMC1602与单片机连接图3、基本操作时序3.1读状态：输入：RS=L,RW=H,E=H；输出：D0~D7=状态字3.2写状态：输入：RS=L,RW=L,D0~D