1、中文摘要摘 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，
2、由霍尔传感器、LED 数码显像管、NE555、 L298N、运算放大器等构成。详细介绍了单片机的测量转速系统。充分发挥了单片机的性能。本文重点是测量速度并显示。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。关键字：MSC-51（单片机） ；转速检测；传感器。英文摘要AbstractIn the project practice, we will meet each kind to need frequently to survey the rotational speed the situation, the survey rotational spe
3、ed 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, obt
4、ains 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 grad
5、uated 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 th
6、e Hall sensor, LED digital CRT, NE555, and L298. Detailed measurements of the speed of the SCM system. Give full play to the performance of the SCM. This paper is to measure the speed and displayed in four LED digital pipe.The advantage of a simple hardware and software capabilities improve, measuri
7、ng speed, high precision and control system reliable, cost-effective and so on.Keyword：MSC-51(One-chip computer) ；Speed Detection；Tachometer目录目录第 1 章 绪 论 .11.1 课题研究的开发背景 .11.2 课题设计的意义.31.3 设计内容和要求.4第 2 章 系统设计 .52.1 控制器设计.52.2 测转速传感器的设计.52.3 电机驱动调速模块的设计：.62.4A/D 转换模块的设计： .62.5 显示模块设计.72.6 系统设计综述.7第 3
8、 章 系统硬件设计 .93.1 系统主要硬件 简介.93.1.1 AT89C51 单片机简介.93.1.2 设计系统中所用其他芯片简介.163.1.3 光电传感器简介.193.1.4 TLC2543 介绍 .203.2 电机驱动电路设计.223.2.1 L298N 的介绍 .22第 4 章 系统软件设计及调试 .244.1 测速系统设计.244.1.1 测速程序设计.264.1.2 A/D 转换程序设计 .274.1.3 电机驱动程序设计.294.1.4 键盘程序的设计.304.1.5 显示程序的设计.304.2 统测试结论.31目录4.3 系统调试.314.3.1 硬件调试.314.3.2
9、软件调试.334.3.3 综合调试.344.3.4 故障分析与解决方案.35第 5 章 总结与展望 .375.1 设计总结.375.2 展望.38参考文献.39致 谢.40附录：.411.外文资料译文.412.外文资料原文.48第 1 章 绪论1第 1 章 绪 论1.1 课题研究的开发背景单片机是一种集成电路芯片。它采用超大规模技术将具有数据处理能力的微处理器(CPU)、存储器（含程序存储器 ROM 和数据存储器 RAM） 、输入、输出接口电路(I/O 接口)集成在同一块芯片上，构成一个即小巧又很完善的计算机硬件系统，在单片机程序的控制下能准确、迅速、高效地完成程序设计者事先规定的任务。所以说
10、，一片单片机芯片就具有了组成计算机的全部功能。由此来看，单片机有着一般微处理器（CPU）芯片所不具备的功能，它可单独地完成现代工业控制所要求的智能化控制功能，这是单片机最大的特征。然而单片机又不同于单板机（一种将微处理器芯片、存储器芯片、输入输出接口芯片安装在同一块印制电路板上的微型计算机） ，单片机芯片在没有开发前，它只是具备功能极强的超大规模集成电路，如果对它进行应用开发，它便是一个小型的微型计算机控制系统，但它与单板机或个人电脑(PC 机)有着本质的区别。单片机的应用属于芯片级应用，需要用户（单片机学习者与使用者）了解单片机芯片的结构和指令系统以及其它集成电路应用技术和系统设计所需要的理
11、论和技术，用这样特定的芯片设计应用程序，从而使该芯片具备特定的功能。不同的单片机有着不同的硬件特征和软件特征，即它们的技术特征均不尽相同，硬件特征取决于单片机芯片的内部结构，用户要使用某种单片机，必须了解该型产品是否满足需要的功能和应用系统所要求的特性指标。这里的技术特征包括功能特性、控制特性和电气特性等等，这些信息需要从生产厂商的技术手册中得到。软件特征是指指令系统特性和开发支持环境，指令特性即我们熟悉的单片机的寻址方式，数据处理和逻辑处理方式，输入输出第 1 章 绪论2特性及对电源的要求等等。开发支持的环境包括指令的兼容及可移植性，支持软件(包含可支持开发应用程序的软件资源)及硬件资源。要
12、利用某型号单片机开发自己的应用系统，掌握其结构特征和技术特征是必须的。单片机控制系统能够取代以前利用复杂电子线路或数字电路构成的控制系统，可以以软件控制来实现，并能够实现智能化，现在单片机控制范畴无所不在，例如通信产品、家用电器、智能仪器仪表、过程控制和专用控制装置等等，单片机的应用领域越来越广泛。诚然，单片机的应用意义远不限于它的应用范畴或由此带来的经济效益，更重要的是它已从根本上改变了传统的控制方法和设计思想。是控制技术的一次革命，是一座重要的里程碑。单片机广泛应用于仪器仪表、家用电器、医用设备、航空航天、专用设备的智能化管理及过程控制等领域，大致可分如下几个范畴：在智能仪器仪表上的应用：
13、单片机具有体积小、功耗低、控制功能强、扩展灵活、微型化和使用方便等优点，广泛应用于仪器仪表中，结合不同类型的传感器，可实现诸如电压、功率、频率、湿度、温度、流量、速度、厚度、角度、长度、硬度、元素、压力等物理量的测量。采用单片机控制使得仪器仪表数字化、智能化、微型化，且功能比起采用电子或数字电路更加强大。例如精密的测量设备（功率计，示波器，各种分析仪） 。在工业控制中的应用：用单片机可以构成形式多样的控制系统、数据采集系统。例如工厂流水线的智能化管理，电梯智能化控制、各种报警系统，与计算机联网构成二级控制系统等。在家用电器中的应用：可以这样说，现在的家用电器基本上都采用了单片机控制，从电饭褒、
14、洗衣机、电冰箱、空调机、彩电、其他音响视频器材、再到电子秤量设备，五花八门，无所不在。在计算机网络和通信领域中的应用：现代的单片机普遍具备通信接口，可以很方便地与计算机进行数据通信，为在计算机网络和通信设备间的应用提供了极好的物质条件，现在的通信设备基本上都实现了单片机智能控制，从手机，电话机、小型程控交换机、楼宇自动通信呼叫系统、列车无线通信、再到日常工作中随处可见的移动电话，集群移动通信，无线电对讲机等。单片机在医用设备领域中的应用：单片机在医用设备中的用途亦相当广第 1 章 绪论3泛，例如医用呼吸机，各种分析仪，监护仪，超声诊断设备及病床呼叫系统等等。此外，单片机在工商，金融，科研、教育
15、，国防航空航天等领域都有着十分广泛的用途。1.2 课题设计的意义在传统生产行业中，经常遇到各种需要测量转速的场合，例如发动机，电动机，机床主轴等旋转设备的运转和控制中，常需要分时或连续测量，显示其转速及瞬时转速。直流电机作为执行机构被广泛地应用于各类控制系统中，其驱动与转速精度是电机能够稳定工作的关键。为此，我们提出了一种直流电机驱动与转速测量系统的设计方法，为直流电机制造、定型以及应用提供一些借鉴。与此同时，调速系统的电路结构和有关理论发展非常迅速，随着可控关断的电力电子器件的出现，由它实现的斩波与 PWM 技术的应用也越来越广泛。但在具体的系统设计上，由于集成度太低而使电路非常复杂，速度调
16、试应用十分不便。利用电子信息技术改造传统产业，可以大幅提高生产效率，提升产品的市场竞争力。在这种时代背景下，如果应用现代化手段对电机转速进行科学改变，精确测量，并辅以数码显示，对工业，生活中的一些旋转设备的速度以及需要控制其速度的仪器和用品加以控制和测量，会给工业生产和生活带来看得到的方便。为了能精确的测量转速，还要保证测量的实时性，要求能测得瞬时转速。随着微型计算机的广泛应用，特别是高性能/价格比的单片机的涌现，转速测量普遍采用了以单片机为核心的数字法，智能化微电脑代替了一半的机械式或模拟量结构。同时对电机驱动及其速度测量的研究，系统掌握了电源驱动电路和速度测量电路的连接，以及其中用的到的诸
17、如：L298， LM311,TI607,8051 等芯片的功能及其各个引脚的功能，同时通过用面包板搭建临时电路，加强了动手能力，提高了解决实际问题的能力，充分的体现了理论与实践结合，对毕业第 1 章 绪论4后走向社会，做了进一步的准备。1.3 设计内容和要求 内容：利用单片机做主控制器，设计一个电机转速检测及波形记录系统，通过单片机能检测电机的转速，并且绘制转速曲线图。要求：（1）用单片机做核心芯片，设计电机驱动器，实现电机精确控制；（2）利用传感器检测电机的转速，并且绘制转速变化图形。（3）控制器应有按键，数码显示等配置。（4）达到一定的检测精度。第 2 章 系统设计论证5第 2 章 系统设
18、计2.1 控制器设计单 片 机 控 制 器 是 CPU 的 神 经 中 枢 ， 它 包 括 定 时 控 制 逻 辑 电 路 、 指 令寄 存 器 、 译 码 器 、 地 址 指 针 DPTR 及 程 序 计 数 器 PC、 堆 栈 指 针 SP 等 。对 单 片 机 控 制 器 的 选 择 有 以 下 方 案 。方案一：51 系列的单片机，即最常用的 AT89C51，优点是可靠性高、便于扩展、控制功能强、实用性好:体积小,功耗低,价格便宜 ,易于产品化.内部结构简单，缺点在于：无 PWM 输出功能，采用定时器配合软件使用。方案二：AVR 系列的单片机，特点是：速度快性能价格比高统内从新编程(I
19、SP In-System Programming)功能 AVR 单片机的定时和计数器功能大大增强，有 3 个 PWM 输出口。AVR 的单片机的内部结构有硬件通道可直接产生方波信号。所以采用了方案一，因为 AT89C51 是我们最熟悉的器件，用起来可以很好地控制和调试。2.2 测转速传感器的设计选用哪一种传感器作为测速传感器设计合适，需要根据电机转速的速度范围大小选择，以及对传感器体积大小的要求和抗干扰能力，下面将详细介绍三种传感器作比较之后选择。方案一：增量式旋转编码器：通过内部的两个光敏接受管转化其角度码盘的时序和相位的关系，得到其角度码盘角度位移量增加和减少。优点是：可直接准确的产生方波
20、，精确性很高，但价格昂贵。方案二：光电传感器 。耐久性高、寿命长，两个传感器的并排安装，可以在交替频率下操作，所以把两个传感器安装在很近的距离。改善了稳定检测功能 PRO 功能: PZ2-61 的光轴系统的发射器透过水平偏光镜后只发射光波的水平分量、而其接收器透过垂直偏光镜后则只接受垂直分量。第 2 章 系统设计论证6方案三：C-C2513 脉冲表专用模块。它利用直射式双光速光电传感器进行采样，该型号脉冲取样板主要有以下功能：能有效消除抖动误差，在采集脉冲是不会因转盘抖动和上下电多计或少计脉冲数。有多种输出脉冲宽度可供选择，能自动判别转盘的转动方向，分别输出正转脉冲信号和反转脉冲信号。且价格相
21、对便宜。光电传感器具有体积小,响应频率快,电压范围宽,重复精度高,抗干扰能力强使用寿命长等特点.。所以选用光电传感器做为测速传感器设计的选择。2.3 电机驱动调速模块的设计：方案一：采用电阻网络或数字电位器调整电动机的分压，从而达到调速的目的。但是电阻网络只能实现有级调速，而数字电阻的元器件价格比较昂贵。更重要的问题在于一般电动机的电阻很小，但电流很大，分压不仅降低效率，而且实现起来很困难。方案二：采用继电器对电动机的开或关进行控制，通过开关的切换对电机的转速的调整。此方案的优点是电路比较简单，缺点是继电器的响应时间慢，机械结构易损坏，可靠性不好。方案三：采用有达林顿管组成的 H 型 PWM 电路，用单片机控制达林顿管使之工作在占空比可调的开关状态，精确调整电机的转速。这种电路由于工作在管子的饱和截止模式下，效率非常高，H 型电路保证了可以简单地实现转速和方向的控制，稳定性极强，是一种被广泛采用的 PWM 调速技术，承受负载能力大。方案四：采用专用电机驱动芯片 L298N。由于 L298 可以直接通过电源来调节输出电压；可以直接用单片机的 I/O口提供信号；而且电路简单，使用方便。所以在这里采用了 L298 做为电机驱动电路的模块。2.4A/D 转换模块的设计：A/D 转换是控制系统重要的环节，它负责将传感器输出的模拟量转换为
