数字测速仪设计毕业设计论文.docx
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数字测速仪设计毕业设计论文
分类号TP311单位代码11395
密级学号0905270133
学生毕业设计(论文)
题目
数字测速仪设计
作者
院(系)
专业
指导教师
答辩日期
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年月日
摘要
智能化转速测量可以对电机的转速进行测量。
电机在运行的过程中,需要对其平稳性进行监测,转速的实时测量,有效的反映电机的运转状况。
本文介绍了一种基于AT89C52单片机的光电传感器转速测量系统的设计。
系统采用对射式OPTC光电断续器产生与齿轮相对应的脉冲信号,使用AT89C52单片机采样脉冲信号并计算每分钟内脉冲信号的数目,即电机对应的转速值,最终系统通过LCD实时显示电机的转速值。
经过软硬件系统的搭建,本系统满足设计要求,且结构简单、性能稳定可靠等优点。
其适用于自动控制、自动检测及各种转速与方位角的测量与控制领域。
关键词:
转速测量;AT89C52;光电传感器
TheDesignofDigitalSpeedometer
ABSTRACT
Theintelligentspeedmeasurementcanbemeasuredmotorspeed.Themotorisintheprocessofrunning,monitoringitssmooth.real-timemeasurementofspeedcaneffectivelyreflectthestatusofmotor.
ThispaperintroducesadesignofphotoelectricsensorspeedmeasurementsystembasedonAT89C52singlechipmicrocomputer.ThesystemusesabeamOPTCphotoelectricsensorgeneratingapulsesignalcorrespondingwiththegear,usingthetheAT89C52microcontrollersamplingpulsesignalandcalculatingthenumberofpulsesignalsperminute,namelymotorcorrespondingvalueofspeed.ThesystemthroughtheLCDreal-timedisplaysthemotorspeedvalue.
Afterbuildingthehardwareandsoftwaresystem,thesystemmeetsthedesignrequirements,andhastheadvantagesofsimplestructure,stableandreliableperformance.Thesystemissuitableformeasurementandcontrolfieldwhichareautomaticcontrol,automaticdetectionspeedandazimuthangle.
Keywords:
Speedmeasurement;AT89C52;Photoelectricsensors
1绪论
1.1数字测速仪介绍
目前国内外数字测速的方法有离心式转速表测量法、测速发电机测量法、闪光测量法、光断续器测量法和霍尔元件测量法。
本文采用的是OPTC光断续器测量仪,当车轮转动一周时,OPTC光断续器将会产生一个感应信号,再将产生的感应信号转换为电信号传入单片机,经过数据处理和算法处理后得到转轴的实际速度。
1.2数字测速仪的应用
转速是能源设备与动力机械性能测试中的一个重要的特性参量,因为动力设备的许多性能参数是根据转速来确定的,例如泵的扬程、压缩机的排气量、轴的功率等等,而且动力设备的振动、管道流体的压力、各种零件及阀门的磨损松动等都与转速密切相关。
1.3本设计所要实现的目标
本文针对电机的转速进行测量,以单片机为核心对光电开关产生的数字信号进行运算,从而测得电机的转速,然后用LCD把电机的转速显示出来。
即通过OPTC光电传感器将电机的转数转换成0,1的数字量,只要转轴每旋转一周,产生一个或固定的多个脉冲,并将脉冲送入单片机中进行计数和计算,就可获得转速的信息。
本文采用AT89C52单片机实现了转速的实时测量,本设计简单,测量速度快,精度高,运行可靠,可以满足人们对速度准确性和实时性的要求。
1.4本文的设计方案
速度测速仪设计主要包括微处理器、光电传感器、显示器和驱动器的选择以及硬件电路和软件的设计。
系统硬件方面,控制芯片选取美国Atmel公司的AT89C52单片机,OPTC光电传感器,显示器选择1602LCD,驱动器选择74LS245芯片。
利用AT89C52单片机作为核心控制器件,接受来自光电传感器的电信号,处理后输出显示在LCD上。
在软件方面,首先利用单片机进行数据处理,给出速度测速仪的软件设计流程图,最后采用C语言对控制源程序进行编译,用单片机处理把速度显示在LCD上。
2主要器件介绍
2.1AT89C52单片机
AT89C52引脚如图2-1所示:
图2-1AT89C52引脚图
各引脚功能说明:
Vcc:
电源端,为+5V。
GND:
接地端。
P0(P0.0~P0.7)口:
P0口是一个8位漏极开路的双向I/O口。
每位都可以能驱动8个LS型TTL负载。
当对P0端口第一次写“1”时,引脚被定义为高阻抗输入。
当访问外部程序和数据存储器时,它也可以作为低8位地址/数据复用。
在这种模式下,P0口是具有内部上拉电阻的。
在Flash编程中,P0口作为原码输入口,在程序校验时,输出原码,此时P0需要外部上拉电阻。
P1(P1.0~P1.7)口:
P1口是一个内部有上拉电阻的8位双向I/O口,P1口输出的缓冲器可驱动4个TTL输入。
当P1端口输入“1”时,通过内部的上拉电阻使端口拉变为高电位,这时可用作输入。
当用作输入使用时,外部被拉低的引脚因为内部有电阻的原因,将会输出电流。
当Flash编程和校验时,P1口作为低8位地址接收。
P2(P2.0~P2.7)口:
P2口是一个内部有上拉电阻的8位双向I/O口,P2口输出的缓冲器可驱动4个TTL输入。
当P2端口被写“1”时,通过内部的上拉电阻可以把端口变为高电位,这时可用作输入。
当用作输入使用时,外部拉低的引脚因为内部有电阻的原因,将会输出电流。
当用于外部程序存储器或者用于16位地址读取外部数据存储器时,P2口将输出高八位地址。
在这种应用中,P2口使用很强的内部上拉发送1。
在使用8位地址访问外部数据存储器时,P2口会输出P2锁存器的内容。
P2口在Flash编程或者校验时,也可接收高8位控制信号和地址信号。
P3(P3.0~P3.7)口:
P3口也是一个内部具有上拉电阻的8位双向I/O口,P3口输出缓冲器可驱动4个TTL输入。
当P3口写入“1”后,它们被内部上拉为高电平,并用作输入。
作为输入时,由于外部下拉为低电平,将输出电流。
在Flash编程和校验时,P3口接收一些控制信号。
P3口也可作为AT89C52的一些特殊功能端口,如下表所示。
表2-1P3口第二功能表
引脚
第二功能特性
P3.0
RXD串行输入
P3.1
TXD串行输出
P3.2
INT0外中断0
P3.3
INT1外中断1
P3.4
T0定时器0外输入
P3.5
T1定时器1外输入
P3.6
WR外部存储器选通写
P3.7
RD外部存储器选通读
RST:
复位输入端。
当振荡器进行复位器件时,需保持RST脚两个机器周期的高电平时间。
ALE/PROG:
地址锁存允许信号端。
PSEN:
程序存储允许输出信号端。
当由外部程序存储器读地址期间,每个机器周期PSEN两次有效。
但当进行外部数据存储器时,将不出现这两次有效的PSEN信号。
EA/VPP:
访问外部程序存储器控制信号。
为使能从0000H到FFFFH的外部程序存储器读取指令,EA必须接GND。
为了执行内部程序指令,EA应该接VCC。
在Flash编程期间,EA也接收12伏VPP电压。
XTAL1:
振荡电路反相放大器及外部时钟脉冲的输入端。
XTAL2:
振荡电路反相放大器的输出端。
2.1.1定时器/计数器的结构
定时/计数器的实质是加1计数器(16位),由高8位和低8位两个寄存器组成。
TMOD是定时/计数器的工作方式寄存器,确定工作方式和功能;TCON是控制寄存器,控制T0、T1的启动和停止及设置溢出标志。
定时/计数器结构如图2-2所示:
图2-2定时/计数器结构
2.1.2定时/计数器的控制
AT89C52单片机定时/计数器的工作由两个特殊功能寄存器控制。
TMOD用于设置其工作方式;TCON用于控制其启动和中断申请。
(1)工作模式寄存器TMOD工作模式
寄存器TMOD用于控制T0和T1的工作模式,其各位的定义格式如下表:
表2-2TOMD的位定义
GATE
C/T
M1
M0
GATE
C/T
M1
M0
定时器T1
定时器T0
GATE:
门控位。
GATE=0时,用软件使TR0(或TR1)置1来启动定时/计数器运行;GATA=1时,用软件使TR0(或TR1)置1,同时相对应的外部中断引脚也为高电平时,才能启动定时/计数器工作。
C/T:
定时器/计数器方式选择位。
C/T=1时,设置为计数器方式,计数器对外部输入引脚T0(P3.4)或T1(P3.5)的外部脉冲计数;C/T=0时,设置为定时方式,定时器计数89C51片内脉冲,对机器周期计数。
M1M0:
工作模式设置位。
定时/计数器有四种工作模式,由M1M0进行设置。
表2-3M1和M0的工作模式
M1M0
工作模式
功能描述
00
模式0
13位计数器
01
模式1
16位计数器
10
模式2
自动再装入8位计数器
11
模式3
定时器0:
分成二个8位计数器
定时器1:
停止计数
(2)控制寄存器TCON
TCON的低4位用于控制外部中断,已在前面介绍。
TCON的高4位用于控制定时/计数器的启动和中断申请。
其格式如下:
表2-4TCON的位定义
TCON
(88H)
8FH
8EH
8DH
8CH
8BH
8AH
89H
88H
TF1
TR1
TF0
TR0
IE1
IT1
IE0
IT0
TF1(TCON.7):
T1溢出标志位。
T1计数溢出时由硬件自动置TF1为1。
CPU响应中断后TF1由硬件自动清0。
T1工作时,CPU可随时查询TF1的状态。
所以,TF1可用作查询测试的标志。
TF1也可以用软件置1或清0,同硬件置1或清0的效果一样。
TR1(TCON.6):
T1运行控制位。
可通过软件置1或清0来启动或关闭T1,在程序中用指令“SETBTR1”使TR1位置1,定时器T1开始计数。
TF0(TCON.5):
T0溢出中断请求标志位,其功能与TF1相同。
TR0(TCON.4):
T0运行控制位,其功能与TR1相同。
2.1.3中断控制
CPU对中断源的开放和屏蔽是由中断允许寄存器IE控制的。
表2-5IE的位定义
IE
(A8H)
AFH
AEH
ADH
ACH
ABH
AAH
A9H
A8H
EA
ES
ET1
EX1
ET0
EX0
EX0(IE.0):
外部中断0中断允许位;
ET0(IE.1):
定时器/计数器T0的溢出中断允许位;
EX1(IE.2):
外部中断1中断允许位;
ET1(IE.3):
定时器/计数器T1的溢出中断允许位;
ES(IE.4):
串行口中断允许位;
EA(IE.7):
中断允许总控制位。
2.2光电传感器
目前,传感器早已渗透到诸如工业生产、宇宙开发、海洋探测、环境保护、资源调查、医学诊断、生物工程、甚至文物保护等等极其之泛的领域。
此外,利用红外线的隐蔽性,还可在银行、仓库、商店、办公室以及其它需要的场合作为防盗警戒之用。
光电断续器把发射端和接收端之间光的强弱变化转化为电信号以达到探测的目的。
由于光电开关输出回路和输入回路是电隔离的(即电缘绝),所以它可以在许多场合得到应用。
光电传感器具有线性度好、分辨率高、噪音小和精度高、无触点、无机械碰撞、响应快、控制精度高,而且能识别色标等优点,在此我们选择光电转速传感器来进行转速的检测。
2.2.1光电断续器的工作原理
光电断续器分为遮断型和反射型两种。
遮断型光电断续器又称为槽式光电开关,通常是标准的U字型结构。
其发射器和接收器做在体积很小的同一塑料壳体中,分别位于U型槽的两边形成一光轴,并两者能可靠的对准,安装和使用非常的方便。
当被检测物体经过U型槽切断光线时,光电开关就产生开关量信号。
槽式光电开关非常可靠,较适合高速检测。
光电断续器是使用发光二极管直接用直流电驱动,也可用40kHz尖脉冲电流驱动,红外线LED的正向压降为1.1~1.3V,驱动电流一般控制在20mA以内。
光电传感器如图2-3所示。
图2-3光电传感器原理图
2.2.2光电断续器的特点
MGK系列光电断续器是现代微电子技术发展的产物,比HGK系列红外光电断续器的性能优越。
与以往的光电传感器相比具有自己显著的特点:
(1)具有自诊断工作区稳定指示的功能,可随时检测工作状态是否可靠;
(2)遮断型和反射型光电断续器都具有防止互相干扰性能,非常对称的,安装和使用方便;
(3)对ES外同步(外诊断)控制端的设置可以在运行前检测光电断续器是否正常的工作。
并且可以随时接受计算机和可编程控制器的中断或检测指令,自诊断与外诊断的互相配合可使光电断续器变得智能化;
(4)反应速度很快,OPTC光电断续器的反应速度可达到0.1ms,每分钟检测操作可达30万次,能检测出高速运动的微小物体;
(5)光电断续器采用独特集成电路和精密的SMT表面安装工艺,具有很强的可靠性;
(6)体积小(最小仅20×31×12mm)、重量轻,安装调试简单,并具有短路保护功能。
2.3显示芯片LCD1602
2.3.1LCD1602主要特性
1602LCD是指显示的内容为16*2,即可以显示两行,每行16个字符液晶模块(显示字符和数字)。
1602LCD也叫做1602字符型液晶,用它来显示字母、符号、数字等的一种点阵型液晶模块。
它由若干个5*7或者5*11等点阵的字符位组成,每个点阵字符位用作显示一个字符,每位之间的间隔为一个点距,每行之间也有一定的间隔,使字符和行之间有一定的间距,因为有间距所以它不能很好地显示图形。
内部的复位电路可以提供各种控制命令,如:
光标闪动、屏幕清除、移位显示、字符闪动等功能。
2.3.2LCD1602引脚定义
LCD1602通常有16个引脚,也有少部分有14个引脚,当选用14个引脚的LCD时,该LCD没有背光,很少使用。
1602型LCD的16个引脚接口功能定义如下表所示:
表2-6LCD1602引脚接口功能定义表
引脚编号
符号
状态
引脚说明
1
Vss
电源地
2
Vcc
+5V逻辑电源
3
V0
液晶驱动电源(用于调节对比度)
4
RS
输入
寄存器选择(=1:
数据寄存器;=0:
指令寄存器)
5
R/W
输入
读、写信号线(=1:
读操作;=0:
写操作)
6
E
输入
使能端
7~14
D0~D7
三态
数据总线
15
BLA
背光源正极
16
BLK
背光源负极
3系统硬件构成
3.1设计原理
数字测速仪硬件设计部分采用AT89C52单片机作为核心控制器件,结合外部的OPTC光电断续器和LCD显示等硬件辅助电路,组成数字测速仪的硬件系统。
通过光断续器采集到脉冲信号,经过单片机处理之后显示在LCD上。
数字测速仪由电源电路、AT89C52、光电断续器、显示电路和复位电路组成。
硬件的总体设计结构框图如图3-1所示。
图3-1硬件设计总体框架图
3.2外围电路
3.2.1电源电路
本设计采用+5V稳压电源,其电路如图3-2所示。
图3-2电源电路原理图
稳压电源电路利用晶体管作为调整元件和负载串联,调整元件可看做可变电阻,从输出电压中提取全部或部分电压调节调整器所呈现的电阻来维持输出电压基本不变。
它的输出电压可以连续调节,输出电流也可达到很大,稳压精度高。
稳压电源电路主要由变压器、三端集成稳压器7805、整流电路、滤波电路组成。
变压器是利用电磁感应原理进行变换交流电压、阻抗和电流的器件;三端稳压器可靠性高、精度高、电路实现简单且价格低廉,可以实现可靠的直流稳压电源;整流电路采用全桥式整流桥,它利用四个二极管两两并联后接入输出电压;电容滤波电路在输出端并联一个电容器。
3.2.2晶振电路
单片机各功能部件的运行都是以时钟控制信号为基准,有条不紊地工作。
因此,时钟频率直接影响单片机的速度,时钟电路的质量也直接影响单片机系统的稳定性。
本设计中此采用内部时钟方式,如图3-3所示,以石英晶体振荡器和两个片电容组成外部振荡电路。
单片机片内的高倍增益反相放大器经过XTAL1、XTAL2外接,用作反馈元件的片外晶体振荡器和电容组成的并联回路谐振组成一个自激振荡器,给内部的时钟电路提供振荡时钟。
振荡器的振荡频率由晶振的振荡频率决定,振荡频率范围为1.2—12MHz。
工程应用时通常采用6MHz或12MHz。
图中X1为12MHz,电容C2、C4为33pF,它们一起构成此单片机的自激振荡器。
3.2.3复位电路
单片机的RST引脚为复位(Reset)端。
当单片机振荡器工作时,该引脚上出现持续两个机器周期的低电平,就可以实现系统复位,使单片机回到初始状态。
如图3-4所示,本设计采用手动复位,用一个电容与一个10K电阻串联组成,电阻接Vcc,电容接地,Reset脚接在它们中间,RC选择10uF,按键与200R电阻串联,在电容两端并联,就成了按键复位电路,未上电时,RST端为高电平,只要按下这个按键,RST端转换为低电平,经过两个机器周期后,单片机就能复位。
图3-3晶振电路
图3-4复位电路
3.2.4信号处理电路
由于电机每次转动的时候,光线每次经过转子上的反光片都反射到光传感器使光传感器产生一个电信号,但是因为光电信号较弱,而且产生的脉冲波形不整,所以会影响单片机对信号的处理。
图3-5信号处理电路
如图3-5,Q1为光感三极管,当无光源照射时,Q1工作在截止区(Q1截止),Q2工作在饱和区(Q2导通),555定时器TR引脚为低电平;当有光源照射时,Q1工作在饱和区(Q1导通),Q2工作在截止区(Q2截止),555定时器的TR引脚为5V电平。
两个三极管导通和截止过程产生的信号通过555定时器构成的单稳态整形电路,整形为标准的方波脉冲并由Q端输出。
该电路特点是只要输入电压达到三极管的工作电压,通过三极管的导通和截止,保证了向555定时器输入的波形在0~5V之间跳变,免去了对三极管放大电压的计算。
3.2.5显示部分
1602字符型LCD与单片机的连接主要由两种:
直接访问方式连接和间接控制方式连接。
直接访问方式连接由于构成三总线的结构,所以在软件控制上比较简单,用通过访问外部地址的方式就能访问LCD,但是,在使用这种连接方式时需要注意单片机的控制总线时序和地址总线时序必须要与LCD所需要的时序相匹配否则无法访问。
间接控制方式连接是利用HD44780所具的4位数据总线功能简化电路接口的一种连接方式。
但是由于LCD本身为速度较慢的器件,每一次数据传输大概需要几十微秒至几毫秒的时间,如采用间接控制方式访问,每传输一个字节的数据需要访问2次LCD,这将占用大量的时间,使CPU变得繁忙,甚至影响CPU处理其他数据的传输速度。
在实际中常采用如图3-8所示电路。
采用这种连接方式不能构成三总线的结构,所以不能通过地址形式直接访问,而是需要通过LCD的方式进行数据的传输,同时由于数据总线使用了8条,所以在数据传输的时间上与直接访问的时间相同,速度较间接控制方式提高了一倍,缩短了CPU对LCD的访问时间。
又因为单片机的输出电流较低,所以需外接上拉电阻。
图3-8LCD电路
4系统软件设计
4.1编程语言的选用
本设计中采用的处理器是AT89C52单片机,由此可以用面向MCS-52的程序机器语言,它包括C语言和汇编语言,C语言和汇编语言各有特点。
汇编语言更加接近机器语言,一般用来编辑与系统硬件有关的程序,如访问I/O端口、进行中断处理的程序、进行操作程序、选择读写程序等;关于数学运算程序一般用C语言编写,因为高级语言编写的运算程序可以提高编程的效率和应用程序可靠性。
C语言是一种通用的计算机程序编辑语言,在国际上十分流行,它即可用来编写计算机系统程序,也可以用来编写一般的应用程序。
计算机的系统软件以前主要是由汇编语言编写的,单片机应用系统编辑更是如此。
因为汇编语言程序的可移植性和可读性都非常差,运用汇编语言编辑单片机的应用程序时周期长,并且调试和排错起来比较麻烦。
C语言具有很好的可移植性和硬件控制能力,表达和运算能力也较强。
它具有以下特点:
(1)语言简洁,使用方便灵活。
(2)可移植性好。
(3)表达能力强。
(4)表达方式灵活。
(5)可进行架构化程序设计。
(6)可以直接操作计算机硬件。
(7)生成的目标代码质量高。
为了提高编制计算机系统和应用程序的效率
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