转速测量显示逻辑电路的设计

数字电路课程设计姓名:学号:专业班级:指导老师:时间:数字电子技术课程设计任务书班级：姓名：指导教师：2012年03月06日设计题目：转速测量显示逻辑电路的设计设计任务和要求测速显示范围：0～9999转/分。2．单位时间选为一分钟，且有数字显示。3.转速显示是前一分钟转速测量的结果。设计成果设计说明书一份电路图一份参考资料教研室主任签字：年月日目录概述………….....................…4第1章总体方案设计硬件电路设计.......................................................................................5软件电路设计.......................................................................................5第2章硬件单元电路设计.2.1传感器的选型………...................…...…..52.2单片机最小系统设计………..........................……......72.3显示电路设计..........................................................................9第3章软件设计3.1主程序初始化……………….............…...........................123.2主程序流程图程序流程图……..................................13参考文献................................................................................................14附录...................................................................................................15概述智能化转速测量可以对转速进行测量，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，实现对电机转速的测量。单片机的英文名称是MicroControllerunit,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。第一章总体设计方案1.1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。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。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2－1所示。光电传感器整形电路CPU执行单元（单片机）光电传感器整形电路CPU执行单元（单片机）时钟电路时钟电路显示电路显示电路图1单片机部分硬件框图1.2软件设计思路软件需要解决的是定时器1的记数和定时器0的计时设定、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。软件工作流程：传感器利用磁电效应产生一周期脉冲向单片机的定时器1（P3.1）口发送一个脉冲信号，定时器0工作在内部定时，TH0、TL0设定初值为50um，作为除数的低两字节，利用软件记数器、定时器0作为时间信号。定时完毕读取内部记数值，再对二进制数进行一系列变换后调用查表显示程序，显示在数码管上。第二章硬件单元电路的设计2.1传感器的选型2.1.1霍尔元件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，由单片机进行数据处理，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5×4×2.5（mm3）的钕铁硼Ⅱ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，磁感应强度会随距离增加而迅速下降。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。2.1.2UGN3144霍尔开关元件1．UGN3144霍尔开关元件的工作原理UGN3144霍尔开关元件属于开关型霍尔传感器（集成霍尔开关），它是把霍尔片产生的霍尔电压VH放大后驱动触发电路，输出电压是能反映B的变化的方脉冲。集成霍尔开关由稳压器、霍尔电势发生器（即硅霍尔片）、差分放大器、施密特触发器和OC门输出五个基本部分组成。在输入端（1、2之间）输入电压Vcc，经稳压器稳压后加在霍尔发生器的两电流端。根据霍尔效应原理，当霍尔片处于磁场中时，霍尔发生器的两电压端将会有一个霍尔电势差VH输出。VH经放大器放大以后送至施密特触发器整形，使其成为方波输送到OC门输出图2开关型霍尔传感器的原理当外磁场B达到“工作点”Bop时，触发器输出高电平（相对于地电位），三极管导通，此时，OC门输出端输出低电平，通常称这种状态为“开”；当外磁场B达到“释放点”Brp时，触发器输出低电平，三极管截止，OC门输出高电平，这时称其为“关”状态。Bop与Brp是有一定差值的，此差值BH=Bop-Brp称为霍尔开关的磁滞。B的变化不超过BH，霍尔开关不翻转，这就使得开关输出稳定可靠。集成霍尔开关传感器的输出特性如图(3-6)。图3开关型霍尔传感器的输出特性UGN3144主要技术性能与特点AllegroMicroSystems公司生产的UGN3144器件是双极性磁场即N,S交变场磁启动的霍尔开关电路，它的主要性能特点如下：（1）电源电压为4.5—24V；（2）连续输出电流为25MA;（3）磁通密度不受限制，输出关断电压为25V；（4）具有反向电压保护（反向电压为35V）和极好的温度稳定性；3．UGN3144霍尔开关元件的引脚功能和封装形式UGN3144采用SOT89或者TO-243封装。其中，引脚端1为电源正端，引脚端2为接地，引脚端3为输出（OC形式）。图4UGN3144的封装结构2.2单片机电路2.2.1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。本设计中采用电容进行复位，其电路图如下：图5复位电路2.2.2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。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1.2MHZ-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（本例中采用12MHZ）,其电路图如下所示：图6AT89C51的时钟电路2.3显示电路的设计显示电路采用LED数码管动态显示，LED（Light-EmittingDiode）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7七段发光显示器的结构图8七段发光显示器管脚的结构驱动方式：采用的数码管驱动为74ls245，，其结构简单，使用方便，图4-6为74ls245的图以及各个引脚的分布功能介绍。图9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30H－35H，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。三系统软件设计3.1主程序初始化（1）.定时器的初始化AT89C51有两个定时器/计数器T0和T1，每个定时器/计数器均可设置成为16位，也可以设置成为13位进行定时或计数。计数器的功能是对T0或T1外来脉冲的进行计数，外部输入脉冲负跳变时，计数器进行加1。工作方式和设置不同的初值时，产生溢出中断的定时值和计数值将不同，从而可以适应不同的定时或计数控制。定时器有4种工作方式：方式0、方式2、方式2和方式3，在此对工作方式不做具体介绍。工作方式寄存器TMOD的设定：GATEC/TM1MOGATEC/TM1M0TMOD各位的含义如下：◆GATE：门控位，用于控制定时/计数器的启动是否受外部中断请求信号的影响。◆C/T：定时或计数方式选择位，当C/T=1时工作于计数方式；当C/T=0时工作于定时方式。M1、M0为工作方式选择位，用于对T0的四种工作方式，T1的三种工作方式进行选择，选择情况如下表：M1M0=00为方式0;M1M0=01为方式1；表3-1M1、M0为工作方式选择位M0M1工作方式方式说明00110101012313位定时、计数器16位定时、计数器8位自动重置定时、计数器两个8位定时。计数器（只有T0有）13位定时/计数器16位定时/计数器8位自动重置定时/计数器两个8位定时/计数器（只有T0有）（2）中断允许控制MCS-51单片机中没有专门的开中断和关中断指令，对各个中断源的允许和屏蔽是由内部的中断允许寄存器IE的_______各位来控制的。中断允许寄存器IE的字节地址为A8H，可以进行位寻址.表3-2中断位寻址表IED7D6D5D4D3D2D1(A