基于单片机的直流电机测速系统-毕业论文完整版.doc
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无锡工艺职业技术学院毕业设计
无锡工艺职业技术学院
毕业设计(论文)
题目:
基于单片机的直流电机测速系统
系部:
电子信息系
专业:
应用电子技术
学号:
2008213153
学生姓名:
吴研
指导教师:
钱仁君
职称:
讲师
二O一一年5月11日
摘要
转速是发动机重要的工作参数之一,也是其它参数计算的重要依据。
目前常用的转速测量方法有离心式转速表测速法、测速发电机测速法、光电码盘测速法和霍尔元件测速法等。
在对各种测速方法进行分析后提出了基于光电传感器的转速测量系统。
详细分析了系统的组成及工作原理,给出了系统中各硬件模块设计方法及系统软件设计方法,给出了部分程序流程图和程序清单。
该测速系统安装维护方便,工作稳定,运行可靠,具有较大的推广应用价值。
转速测量通常有以下几种传感器可选:
电涡流转速传感器、无源磁电转速传感器、有源磁电转速传感器等。
具体需要选择哪类传感器,则要根据转速测量的要求而定。
如:
低速测量是否需要检测零转速,高速测量的最高转速,转速发生的装置情况。
转速发生装置有以下几种:
用标准的渐开线齿轮(M1~M5)作转速发生信号、在转轴上开一键槽
目前科研生产中采用的速度测量方法可分为两类;直接测量法和间接测量法两大类。
直接测量法是通过某种测量原理或效应直接获得速度量,如多普勒测速仪、空间滤波测速等。
这种方法的最大优点是反应快、可测量瞬时速度,但设备成本高,且受到大气物理环境的限制。
间接测量法是测量目标的移动距离和时间,通过计算得到速度量,如光电测速、光栅测速、磁栅测速和图像测速等,用于测量小型弹丸的天幕法和光幕法测速系统、用于车辆测速的激光测速仪,以及用于生产流水线上的光电脉冲测速方法等等
关键词:
单片机;光电转速传感器;转速测量;数据处理;1602液晶显示器
Abstract
Therotatespeedisoneoftheimportantparametersfortheengine,anditisalsotheimportantfactorthatcalculatesotherparameters.Atpresenttherearemanymethodsforthetachometricsurveymeasurement.Afteranalyzevariousrotatespeedmeasurementmethods,thephotoelectricsensortachometricsurveysystemispresented.Thecompositionandtheprincipleofthesystemarepresented,andthedesignmethodofhardwareandthesoftwarearealsopresented.Thewholesystemhasthebiggerpromotionapplicationvalue.
Speedsmeasurementsareusuallyseveral:
electricsensorsoptionallesson,speedsensorMagneticandelectricspeedsensorsource,thereisasourceMagneticandelectricspeedsensor,etc.Specificneeds,thenwhatkindofsensorbasedonmeasurementsofthespeedrequired.Forexample,atthemeasuringwhetherweneedtodetectzerospeed,highspeedofthehighestspeeds,thedevicespeed.thedevicespeedhasthefollowing:
withstandardlineisgettingonthem1(~m5)forspeedhasinturn,hingesononetank
Thespeedofscientificresearchinthemeasurementcanbedividedintotwotypesofdirectandindirect;thethetwocategories.Adirectmeasurementmethodisthroughadirectmeasurementofprincipleoreffect,suchastospeedtheDoppler,spacebasedonzerospeed,etc.thismethodofthegreatestadvantageisresponsivetothetransientandequipmentcostsarehigh,andthephysicalenvironment.remotemeasurementmethodistomeasurethedistanceandtimethroughcalculation,suchastestspeeddisplay,light,speed,whichthegrillezerospeed,andimages,speed,formeasuringsmallskylawofthelawandlight
Keywords:
single-chipcomputer,photoelectricsensor,rotatespeedmeasurement,dataprocessing,1602LiquidCrystalDisplay
目录
摘要 I
关键词:
I
ABSTRACT II
目录 III
第一章.绪论 1
第二章.系统组成及工作原理 2
2.1转速测量原理 2
2.2转速测量系统组成框图 2
第三章.系统硬件电路的设计 3
3.1脉冲产生电路设计 3
3.2光电转换及信号调理电路设计 3
3.2.1光电传感器简介 4
3.2.2光电转换及信号调理电路设计 4
3.3测量系统主机部分设计 6
3.3.1单片机 6
3.3.21602液晶显示模块设计 8
7 9
3.3.374Ls04反向器 11
3.3.4串行通信模块设计 13
第四章.系统软件设计 14
4.1程序模块设计 14
4.2数据处理过程 15
4.3浮点数学运算程序 16
第五章.制作调试 17
第六章.结果分析 19
第七章.结论 19
致谢:
20
参考文献 20
第一章.绪论
转速测量是社会生产和日常生活中重要的测量和控制对象。
近年来,由于世界范围内对转速测量合理利用的日益重视,促使转速测量技术的迅速发展,各种新型的测量仪表相继问世并越来越多地得到应用。
进行转速测量的检测控制,可以使用多种传感器。
由于技术保密,厂家不会提供详细电路图和源代码,用户很难自行进行二次开发和改进。
针对这种现状,使用光电传感器结合STC公司的STC89C52型单片机设计的一种转速测量与控制系统。
STC89C52单片机采用了CMOS工艺和高密度非易失性存储器技术,而且其输入/输出引脚和指令系统都与MCS-52兼容,是开发该系统的适合芯片。
目前科研生产中采用的速度测量方法可分为两类;直接测量法和间接测量法两大类。
直接测量法是通过某种测量原理或效应直接获得速度量,如多普勒测速仪、空间滤波测速等。
这种方法的最大优点是反应快、可测量瞬时速度,但设备成本高,且受到大气物理环境的限制。
间接测量法是测量目标的移动距离和时间,通过计算得到速度量,如光电测速、光栅测速、磁栅测速和图像测速等,用于测量小型弹丸的天幕法和光幕法测速系统、用于车辆测速的激光测速仪,以及用于生产流水线上的光电脉冲测速方法等等。
第二章.系统组成及工作原理
2.1转速测量原理
在此采用频率测量法,其测量原理为,在固定的测量时间内,计取转速传感器产生的脉冲个数,从而算出实际转速。
设固定的测量时间为Tc(min),计数器计取的脉冲个数m,假定脉冲发生器每转输出p个脉冲,对应被测转速为N(r/min),则f=pN/60Hz;另在测量时间Tc内,计取转速传感器输出的脉冲个数m应为m=Tcf,所以,当测得m值时,就可算出实际转速值[1]:
N=60m/pTc(r/min)
(1)
2.2转速测量系统组成框图
系统由信号预处理电路、单片机STC89C52、1602液晶显示模块、串口数据存储电路和系统软件组成。
其中信号预处理电路包含信号放大、波形变换和波形整形。
对待测信号进行放大的目的是降低对待测信号的幅度要求;波形变换和波形整形电路则用来将放大的信号转换成可与单片机匹配的TTL信号;通过对单片机的编程设置可使内部定时器T0对输入脉冲进行计数,这样就能精确地算出加到T0引脚的单位时间内检测到的脉冲数;设计中转速显示部分采用价格低廉且使用方便的1602液晶显示模块,通过相关计算方法计算得到的转速通过I2C总线放到E2PROM存储,既节省了所需单片机的口线和外围器件,同时也简化了显示部分的软件编程。
系统的原理框图如图2.1所示。
波形整形
波形变换
信号
放大器
1602液晶显示
RS232
单片机
图2.1系统的原理框图
第三章.系统硬件电路的设计
3.1脉冲产生电路设计
设计采用了红外光电传感器,进行非接触式检测。
当有物体挡在红外光电发光二极管和高灵敏度的光电晶体管之间时,传感器将会输出一个低电平,而当没有物体挡在中间时则输出为高电平,从而形成一个脉冲。
系统在光电传感器收发端间加入电动机,并在电动机的转轴上安装一转盘。
在这个转盘的边沿处挖出若干个圆形过孔,把传感器的检测部分放在圆孔的圆心位置。
每当转盘随着后轮旋转的时候,传感器将向外输出若干个脉冲。
把这些脉冲通过一系列的波形整形成单片机可以识别的TTL电平,即可算出轮子即时的转速。
转盘的圆孔的个数决定了测量的精度,个数越多,精度越高。
这样就可以在单位时间内尽可能多地得到脉冲数,从而避免了因为两个过孔之间的距离过大,而正好在过孔之间或者是在下个过孔之前停止了,造成较大的误差。
设计中转盘的圆孔的实际个数受到技术的限制。
为了达到预定的效果设计在转盘过孔的设计上采用12个过孔,从而留下了11个同等的间距。
这样在以后的软件设计中能够较为方便的计算出脉冲频率。
脉冲发生源的硬件结构图如图3.1所示。
图3.1脉冲发生源硬件结构图(左为正视图,右为侧视图)
3.2光电转换及信号调理电路设计
由于系统需要将光信号转换为电信号,因而需要使用光电传感器并设计相应的信号调理电路,以得到符合要求的脉冲信号,送给单片机STC89C52进行计数,同时得到计数的时间,由单片机进行相关计算以得到电动机转速。
原理:
透镜能对红外线聚焦;半透膜既能使发射管射出的红外线射向转轴上的转盘又能使反射回来的红外线射向接收管;贴在被测旋转体上的反光纸的大小一般为10mm×l0mm,起着定向反射作用。
特点:
尺寸很小,反射式,手持式红外测速仪。
3.2.1光电传感器简介
光电传感器是采用光电元件作为检测元件的传感器。
它首先把被测量的变化转换成光信号的变化,然后借助光电元件进一步将光信号转换成电信号。
光电传感器一般由光源、光学通路和光电元件三部分组成。
光电检测方法具有精度高、反应快、非接触等优点,而且可测参数多,传感器的结构简单,形式灵活多样,因此,光电式传感器在检测和控制中应用非常广泛。
由光通量对光电元件的作用原理不同所制成的光学测控系统是多种多样的,按光电元件(光学测控系统)输出量性质可分二类,即模拟式光电传感器和脉冲(开关)式光电传感器。
模拟式光电传感器是将被测量转换成连续变化的光电流,它与被测量间呈单值关系。
模拟式光电传感器按被测量(检测目标物体)方法可分为透射(吸收)式、漫反射式、遮光式(光束阻档)三大类。
所谓透射式是指被测物体放在光路中,恒光源发出的光能量穿过被测物,部份被吸收后,透射光投射到光电元件上;所谓漫反射式是指恒光源发出的光投射到被测物上,再从被测物体表面反射后投射到光电元件上;所谓遮光式是指当光源发出的光通量经被测物光遮其中一部份,使投射刭光电元件上的光通量改变,改变的程度与被测物体在光路位置有关。
光源是许多光电传感器的重要组成部分,要使光电传感器很好地工作,除了合理选用光电元件外,还必须配备合适的光源。
发光二极管是一种把电能转变成光能的半导体器件。
它具有体积小、功耗低、寿命长、响应快、机械强度高等优点,并能和集成电路相匹配。
因此,广泛地用于计算机、仪器仪表和自动控制设备中。
钨丝灯泡是一种最常用的光源,它具有丰富的红外线。
如果选用的光电元件对红外光敏感,构成传感器时可加滤色片将钨丝灯泡的可见光滤除,而仅用它的红外线做光源,这样,可有效防止其他光线的干扰。
激光与普通光线相比具有能量高度集中,方向性好,频率单纯、相干性好等优点,是很理想的光源。
综上所述,各种光源各具优点,但从经济与使用便利方面考虑,并考虑到抗干扰性能,我们决定选用红外光二极管做系统测量的光源。
由光源、光学通路和光电器件组成的光电传感器在用于光电检测时,还必须配备适当的信号调理电路。
这些信号调理电路负责将光电传感器输出的微弱的光电信号进行放大、整形,转换成所单片机定时计数所需要的脉冲信号。
不同的光电元件,所要求的测量电路也不相同,为此设计时必须详加考虑。
3.2.2光电转换及信号调理电路设计
传感器将电机的转速信号转变成了电脉冲信号,该信号经过74Ls04反相器整形驱动,送到单片机进行脉冲计数,从而测出电动机转速。
光电转换部分与单片机的连接框图如图3.2所示。
1602液晶显示器
计数脉冲
整形驱动74Ls04
传感器
STC89C52
图3.2光电转换部分与单片机的连接框图
LM324是四运放集成电路,它采用14脚双列直插塑料封装,外形如图所示。
它的内部包含四组形式完全相同的运算放大器,除电源共用外,四组运放相互独立。
每一组运算放大器可用图3.3所示的符号来表示,它有5个引出脚,其中“+”、“-”为两个信号输入端,“V+”、“V-”为正、负电源端,“Vo”为输出端。
两个信号输入端中,Vi-(-)为反相输入端,表示运放输出端Vo的信号与该输入端的位相反;Vi+(+)为同相输入端,表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相同。
LM324的引脚排列见图3.4
图3.3放大器图 图3.4引脚图
由于LM324四运放电路具有电源电压范围宽,静态功耗小,可单电源使用,价格低廉等优点,因此被广泛应用在各种电路中。
本设计计划采用高性能集成四运放LM324来进行光电信号调理电路设计。
电路采用两级放大电路对脉冲信号进行放大,防止信号脉冲太小以至对实验结果不产生影响。
此外,还设计了有源带通滤波器。
为了达到预定效果,对系统运用MULTISIM8进行模拟仿真,并利用模拟仿真结果对有关元器件进行参数设定,以使电路满足要求。
如图3.5所示是MULTISIM进行电路模拟仿真示意图及其模拟仿真结果。
图3.5电路模拟仿真示意图及其模拟仿真结果
3.3测量系统主机部分设计
3.3.1单片机
单片机是单片微型计算机(SingleChipMicrocomputer)的简称,是指在一块芯片上集成了中央处理器CPU、随机存储器RAM、程序存储器ROM或EPROM、定时器/计数器、中断控制器以及串行和并行I/O接口等部件,构成一个完整的微型计算机。
目前,新型单片机内还有A/D及D/A转换器、高速输入/输出等部件。
由于它的结构和指令功能都是按工业控制要求设计的,特别适用于工业控制及其数据处理场合,因此,确切的称谓应是微控制器(Microcontroller).
系统使用的单片机是STC89C52型单片机。
STC89C52单片机是基于MCS-52单片机为内核的,其输入/输出管脚以及指令系统和MCS-52单片机是完全兼容的。
其优越的性价比使其成为颇受欢迎的8位单片机。
如图3.6是STC89C52结构框图。
STC89C52单片机的特点:
⑴它内部有一个8位的CPU,具有4KB的EEPROM。
⑵128字节的RAM数据存储器,21个特殊功能寄存器SFR。
⑶4个8位并行I/O口,其中P0、P2为地址/数据线,可寻址64KBROM和64KBRAM.
⑷一个可编程全双工串行口,具有5个中断源。
⑸两个16位定时器/计数器。
计数脉冲输入T0T1
定时/计数器T0、T1
特殊功能寄存器SFR128字节RAM
4KROM(EPROM)
(8031无)
时钟源
串行接口
并行I/O接口
中断系统
CPU
P0P1P2P3TXDRXDINT0INT1
中断输入
图3.6STC89C52结构框图
图3.7是STC89C52单片机引脚分布图。
由图我们可以看到,单片机的引脚除了电源、复位、时钟接入、用户I/O口外,其余管脚是为实现系统扩展而设置的。
这些引脚构成MCS-52单片机片外三总线结构,即:
①地址总线(AB):
地址总线宽为16位,因此,其外部存储器直接寻址为64K字节,16位地址总线由P0口经地址锁存器提供8位地址(A0至A7);P2口直接提供8位地址。
②数据总线(DB):
数据总线宽度为8位,由P0提供。
③控制总线(CB):
由P3口的第二功能状态和4根独立控制线RESET、EA、ALE、PSEN组成。
图3.7STC89C52管脚图
3.3.21602液晶显示模块设计
管脚功能
引脚说明
1602字符型LCD通常有14条引脚线或16条引脚线的LCD,多出来的2条线是背光电源线
VCC(15脚)和地线GND(16脚),其控制原理与14脚的LCD完全一样,其中:
引脚
符号
功能说明
1
VSS
一般接地
2
VDD
接电源(+5V)
3
V0
液晶显示器对比度调整端,接正电源时对比度最弱,接地电源时对比度最高(对比度过高时会产生“鬼影”,使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度)。
4
RS
RS为寄存器选择,高电平1时选择数据寄存器、低电平0时选择指令寄存器。
5
R/W
R/W为读写信号线,高电平
(1)时进行读操作,低电平(0)时进行写操作。
6
E
E(或EN)端为使能(enable)端,下降沿使能。
7
DB0
底4位三态、双向数据总线0位(最低位)
8
DB1
底4位三态、双向数据总线1位
9
DB2
底4位三态、双向数据总线2位
10
DB3
底4位三态、双向数据总线3位
11
DB4
高4位三态、双向数据总线4位
12
DB5
高4位三态、双向数据总线5位
13
DB6
高4位三态、双向数据总线6位
14
DB7
高4位三态、双向数据总线7位(最高位)(也是busyflag)
15
BLA
背光电源正极
16
BLK
背光电源负极
寄存器选择控制表
RS
R/W
操作说明
0
0
写入指令寄存器(清除屏等)
0
1
读busyflag(DB7),以及读取位址计数器(DB0~DB6)值
1
0
写入数据寄存器(显示各字型等)
1
1
从数据寄存器读取数据
注:
关于E=H脉冲——开始时初始化E为0,然后置E为1,再清0.
busyflag(DB7):
在此位为被清除为0时,LCD将无法再处理其他的指令要求。
显示地址
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
00H
01H
02H
03H
04H
05H
06H
07H
08H
09H
0AH
0BH
0CH
0DH
0EH
0FH
40H
41H
42H
43H
44H
45H
46H
47H
48H
49H
4AH
4BH
4CH
4DH
4EH
4FH
3.3.374Ls04反向器
54/7404
六反向器简要说明
04为六组反向器,共有54/7404、54/74H04、54/74S04、54/74LS04四种线路结构形式,其主要电特性的典型值如下:
型 号
tPLH
tPHL
PD
5404/7404
12ns
8ns
60mW
54H04/74H04
6ns
6.5ns
140mW
54S04/74S04
3ns
3ns
113mW
54LS04/74LS04
9ns
10ns
12mW
引出端符号
1A-6A 输入端
1Y-6Y 输出端
双列直插封装
极限值电源电压…………………………………….7V
输入电压54/7404、54/74H04、54/74S04…………….5.5V
54/74LS04……………………………………7V
工作环境温度
54XXX………………………………….-55~125℃
74XXX………………………………….0~70℃
存储温度………………………………………-65~150℃
功能表
推荐工作条件
5404
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