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电子技术的高速发展,促使直流电机一步一步从模拟向数字过渡,尤其是单片机技术的应用,使直流电机调速技术进入到一个新的阶段。
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。
直流电动机早期的控制是以模拟电路为基础,采用运算放大器,非线性集成电路和少量的数字电路来实现,控制系统的硬件部分非常复杂,功能单一,而且系统非常不灵活,调试困难。
随着单片机技术的迅速变化,使得许多控制功能及算法可以用来完成,用于直流电机控制提供了更多的灵活性,并使系统达到较高的性能。
在传统的制造业,将永远是一个需要速度测量场合和表明其速度和瞬时速度。
在现代工业生产过程,以达到各种生产过程,需要各种生产机械,拖动各种生产机器,可采用气动,液压传动与电气传动。
由于电力驱动控制简单,调节性能好,损耗小,经济。
实现远程控制等一系列优点,所以大多数机器使用电力驱动。
根据不同类型的电机,电机驱动系统分为直流电机驱动和交流电机驱动。
直流电动机作为执行机构广泛地应用于各种控制系统,驱动和电机转速可稳定工作的关键是正确。
为此,提出了一种直流电机转速测量系统设计方法。
利用电子信息技术改造传统产业,可以提高生产效率。
如果应用现代科学手段,电机的速度变化,测量准确,并辅以数字显示,超速报警装置,工业,生活中的一些旋转速度以及需要控制速度的设备和用品的控制和测量,给生产和生活带来了极大的方便。
随着计算机的广泛应用,特别是高性价比的单片机,转速测量一般采用单片机为核心的数字化,智能化。
本设计以单片机为中心,霍尔传感器为测量元件,全数字转速测量仪。
在控制工业和民用电器有较高的价值。
转速是工程中广泛使用的一种参数,其测量方法很多,而模拟量采集和模拟处理已成为主要的转速测量方法。
本文的研究课题是研究电机转速测量系统设计。
通过对STC89C52芯片的理解,实现了系
统的硬件和软件设计。
以单片机为核心器件,单片机根据负脉冲计数,计算电机的速度,超高,车速限制,显示报警,本实用新型具有硬件电路简单,软件功能完善,测量速度快,精度高,控制系统可靠,性价比高性能优势。
2.系统功能分析
该系统实现的主要功能有:
STC89C52单片机接受霍尔传感器的脉冲信号,单片机根据外部中断,以及内部定时器进行计数计算出电机转速送到LED并显示。
与外部蜂鸣器电路,在超速或低速度停止电机,蜂鸣器声音,显示器不显示。
2.1系统功能概述
功能:
系统功能:
外部装有蜂鸣器电路,在超速或低速都会停止电动机,蜂鸣器发音,显示器不显示。
组成:
系统的硬件框图如下:
2.2系统要求及主要内容
霍尔传感器产生的脉冲信号输入到单片机的外部中断0口,单片机在内部定时器以方式0工作,对接收的脉冲信号进行计数,调用计算公式计算转速,调用显示程序,将转速显示到LED上。
2.3系统技术指标
系统主要完成以下功能:
1.设计单片机的转速测量硬件系统;
2.用汇编语言完成转速测量的软件系统;
3.将转速显示在4位的LED管上,精确到个位数;
根据该系统实现的功能和要求,实现单片机速度测量主要是各个模块的设计,定时器计数功能,以及LED驱动。
单片机可通过控制外围元件,实现自动化程度高。
它是系统的核心控制模块,可以实现主从控制,完成预定的任务。
3.系统总体设计
3.1硬件电路设计思想
硬件设计的任务是根据总体设计要求,在选择模型的基础上,具体识别系统中使用的元件,设计系统的原理框图,电路原理图。
3.2软件设计思路
软件需要解决的是定时器0的计数外部中断0的设定,由于测量转速范围大,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换程序,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:
霍尔传感器利用磁电效应产生一周期脉冲向单片机的外部中断0(P3.2)口发送一个中断信号,定时器工作在内部定时,TH0、THL设定初值为0,作为除数的低两字节,利用软件计数器,定时器0中断的次数作为除数高字节,中断完毕读取内部计数值作为除数,调用除法程序计算转速,再对二进制数进行一系列变换后调用查表程序,显示在LED上。
转速部分软件设计思路:
STC89C52RC单片机的P3.5口接收脉冲信号,主要编写1个外部中断程序INT0,读取计数值的三个字节,再次清零计数初值以便下次的计数,调用两字节两字节二进制-三字节十进制(BCD)转换子程序BCD,再调用十进制转换成非压缩BCD程序CBCD、最后调用查表程序送显示。
4.硬件电路设计
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,设计出系统的电路原理图,必要时做一些部件实验,以确定电路图的正确性,以及工艺结构的设计加工、印制板的制作、样机的组装等。
整个单片机测量转速系统为单片机控制模块、霍尔传感器模块、发送模块,各个模块都承担着各自的任务。
根据系统要求以及单片机硬件电路设计的思想对单片机模块进行设计,要使整个系统能准确测量电动机转速,并且使测出来的数据能显示到LED管上,则整个单片机部分必须包括传感器电路、时钟电路、复位电路、驱动电路以及显示电路五个部分。
4.1STC89C52RC引脚及作用
本系统如果用AT89C51实现的话,显示部分P0口要经过一个74HC573芯片才可驱动传输给LED数码管,所以本系统采用STC89C52RC芯片,这样可以简化系统硬件。
STC89C52RC单片机是宏晶科技推出的新一代高速/低功耗/超强抗干扰的单片机,指令代码完全兼容传统8051单片机,12时钟/机器周期和6时钟/机器周期可以任意选择。
STC89C52RC的引脚图如下:
主要特性如下:
1.增强型8051单片机,6时钟/机器周期和12时钟/机器周期可以任意选择,指令代码完全兼容传统8051.
2.工作电压:
5.5V~3.3V(5V单片机)/3.8V~2.0V(3V单片机)
3.工作频率范围:
0~40MHz,相当于普通8051的0~80MHz,实际工作频率可达48MHz
4.用户应用程序空间为8K字节
5.片上集成512字节RAM
6.通用I/O口(32个)复位后为:
,P1/P2/P3/P4是准双向口/弱上拉,P0口是漏极开路输出,作为总线扩展用时,不用加上拉电阻,作为I/O口用时,需加上拉电阻。
7.ISP(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(RxD/P3.0,TxD/P3.1)直接下载用户程序,数秒即可完成一片
8.具有EEPROM功能
9.具有看门狗功能
10.共3个16位定时器/计数器。
即定时器T0、T1、T2
11.外部中断4路,下降沿中断或低电平触发电路,PowerDown模式可由外部中断低电平触发中断方式唤醒
12.通用异步串行口(UART),还可用定时器软件实现多个UART
13.工作温度范围:
-40~+85℃(工业级)/0~75℃(商业级)
14.PDIP封装
管脚说明:
1.VCC(40引脚):
电源电压
2.VSS(20引脚):
接地
3.P0端口(P0.0~P0.7P0.7,39~32引脚):
P0口是一个漏极开路的8位双向I/O口。
作为输出端口,每个引脚能驱动8个TTL负载,对端口P0写入每个引脚能驱动写入“1”时,可以作为高阻抗输入。
在访问外部程序和数据存储器时在访问外部程序和数据存储器时,P0口也可以提供低8位地址和8位数据的复用总线位数据的复用总线。
此时,P0口内部上拉电阻有效。
在FlashROM编在程时,P0端口接收指令字节端口接收指令字节;
而在校验程序时,则输出指令字节则输出指令字节。
验证时,要求外接上拉电阻。
4.P1端口(P1.0~P1.7,1~8引脚):
P1口是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口。
P1的输出缓冲器可驱动(吸收或者输出电流方式)4个TTL输入。
对端口写入1时,通过内部的上拉电阻把端口拉到高电位,这是可用作输入口。
P1口作输入口使用时,因为有内部上拉电阻,那些被外部拉低的引脚会输出一个电流(I)。
此外,P1.0和P1.1还可以作为定时器/计数器2的外部技术输入(P1.0/T2)和定时器/计数器2的触发输入(P1.1/T2EX),在对FlashROM编程和程序校验时,P1接收低8位地址。
5.P2端口(P2.0~P2.7,21~28引脚):
P2口是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O端口。
P2的输出缓冲器可以驱动(吸收或输出电流方式)4个TTL输入。
对端口写入1时,通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平,这时可用作输入口。
P2作为输入口使用时,因为有内部的上拉电阻,那些被外部信号拉低的引脚会输出一个电流(I)。
在访问外部程序存储器和16位地址的外部数据存储器(如执行“MOVX@DPTR”指令)时,P2送出高8位地址。
在访问8位地址的外部数据存储器(如执行“MOVX@R1”指令)时,P2口引脚上的内容(就是专用寄存器(SFR)区中的P2寄存器的内容),在整个访问期间不会改变。
在对FlashROM编程和程序校验期间,P2也接收高位地址和一些控制信号。
6.P3端口(P3.0~P3.7,10~17引脚):
P3是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O端口。
P3的输出缓冲器可驱动(吸收或输出电流方式)4个TTL输入。
对端口写入1时,通过内部的上拉电阻把端口拉到高电位,这时可用作输入口。
P3做输入口使用时,因为有内部的上拉电阻,那些被外部信号拉低的引脚会输入一个电流(I)。
在对FlashROM编程或程序校验时,P3还接收一些控制信号。
P3口除作为一般I/O口外,还有其他一些复用功能,如下图:
7.RST(9引脚):
复位输入。
当输入连续两个机器周期以上高电平时为有效,用来完成单片机单片机的复位初始化操作。
看门狗计时完成后,RST引脚输出96个晶振周期的高电平。
特殊寄存器AUXR(地址8EH)上的DISRTO位可以使此功能无效。
DISRTO默认状态下,复位高电平有效。
8.8.ALE/ROG(30引脚):
地址锁存控制信号:
(ALE)是访问外部程序存储器时,锁存低8位地址的输出脉冲。
在Flash编程时,此引脚(ROG)也用作编程输入脉冲。
在一般情况下,ALE以晶振六分之一的固定频率输出脉冲,可用来作为外部定时器或时钟使用。
然而,特别强调,在每次访问外部数据存储器时,ALE脉冲将会跳过。
如果需要,通过将地址位8EH的SFR的第0位置“1”,ALE操作将无效。
这一位置“1”,ALE仅在执行MOVX或MOV指令时有效。
否则,ALE将被微弱拉高。
这个ALE使能标志位(地址位8EH的SFR的第0位)的设置对微控制器处于外部执行模式下无效。
9.PSEN(29引脚):
外部程序存储器选通信号(SEN)是外部程序存储器选通信号。
当AT89C51RC从外部程序存储器执行外部代码时,PSEN在每个机器周期被激活两次,而访问外部数据存储器时,PSEN将不被激活。
10.EA/VPP(31引脚):
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,A必须接GND。
注意加密方式1时,A将内部锁定位RESET。
为了执行内部程序指令,A应该接VCC。
在Flash编程期间,A也接收12伏VPP电压。
11.XTAL1(19引脚):
振荡器反相放大器和内部时钟发生电路的输入端。
12.XTAL2(18引脚):
振荡器反相放大器的输入端。
振荡器特性:
XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。
该反向放大器可以配置为片内振荡器。
石英振荡和陶瓷振荡均可采用。
如采用外部时钟源驱动器件,XTAL2应不接。
有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器,因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求,但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。
芯片擦除:
整个PEROM阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合,并保持ALE管脚处于低电平10ms来完成。
在芯片擦操作中,代码阵列全被写“1”且在任何非空存储字节被重复编程以前,该操作必须被执行。
此外,AT89C51设有稳态逻辑,可以在低到零频率的条件下静态逻辑,支持两种软件可选的掉电模式。
在闲置模式下,CPU停止工作。
但RAM,定时器,计数器,串口和中断系统仍在工作。
在掉电模式下,保存RAM的内容并且冻结振荡器,禁止所用其他芯片功能,直到下一个硬件复位为止。
4.2时钟电路
单片机芯片内部设有一个由反方向放大器构成的振荡器反向放大器的输出端。
在XTAL1和XTAL2引脚上外接定时元器件,内部振荡电路就会产生自激振荡。
本系统采用的定时元件为石英晶体和电容组成的并联谐振回路。
晶振频率为6MHZ,电容大小为30PF,电容的大小起到频率微调的作用,时钟电路如图所示:
振荡器工作受/PD端控制,由软件置“1”PD(即特殊功能寄存器PCON.1)使/PD=0,振荡器停止工作,整个单片机也就停止工作,以达到节电目的。
清“0”PD,使振荡器工作产生时钟,单片机便正常运行。
图中SYS为晶振或陶瓷谐振器,振荡器产生的时钟频率主要由SYS参数确定(晶振上标明的频率)。
4.3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。
STC89C52RC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,STC89C52RC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。
4.4测速电路
目前最常用的测速电路有两种:
1,通过霍尔传感器测量转速的霍尔传感器和被测物体相连接,机轴每转一周,产生一定量的脉冲个数,由霍尔传感器部分输出。
控制计数时间,即可实现计数器的计数值对应机轴的转速值。
单片机将该值数据处理后,在数码管上显示出来。
2,通过光电编码器码盘从光电对管中穿过,码盘上有很多细线,细线将码盘均匀的分开。
本系统采用的码盘有48条阻隔线,所以电机每转过7.5度系统就或得一个脉冲,经由单片机信号处理后再数码管上显示。
以上两种方案由于光电编码器精度高,使用复杂。
本设计不需要如此高的精度,所以从方便角度来看,本设计采用霍尔传感器来实现对转速的测量。
-检测部分由霍尔传感器和磁钢组成,其结构如下图:
霍尔传感器作为一种转速测量系统的传感器,及、具有结构牢固、体积小、重量轻、寿命长、安装方便等优点,集成霍尔传感器是利用硅集成电路工艺将霍尔元件和测量线路集成在一起的一种传感器。
它取消了传感器和测量电路之间的界限,实现了材料、元件、电路三位一体。
集成霍尔传感器与分立相比,由于减少了焊点,因此显著地提高了可靠性。
当电动机转动时,带动传感器,产生对应频率的脉冲信号,经过信号处理后计数器或其他的脉冲计数装置,进行转速测量。
在实际使用中,需要一个圆形塑料板,厚度大约4mm即可,将之固定在电动机转速轴上。
所谓磁钢,就是带有磁性的钢铁。
在传感器检测电路中将磁钢的N极对准圆心,S极正对霍尔传感器,霍尔传感器连接在电路中,当磁钢S极随转轴经过霍尔传感器时,由霍尔传感器原理可知,此时将输出一个低电平信号,而当磁钢离开霍尔传感器时,又输出一个高电平。
这样通过高低电平的转换,将其送入单片机后就可以测量它的转速。
霍尔传感器的工作原理图如下:
4.5报警电路
蜂鸣器俗称喇叭,是广泛应用于各种电子产品的一种元件。
蜂鸣器通产工作电流比较大,电路上的TTL电平基本上驱动不了蜂鸣器,需要增加一个电流放大的电路。
蜂鸣器的正极性的一端连接到5V电源上面,另一端连接到三极管的集电极,三极管的基极由单片机的P1.5管脚通过一个与非门来控制,当P1.5管脚为低电平时,与非门输出高电平,三极管导通,这样蜂鸣器的电流形成回路,发出声音。
当P1.5管脚为高时,与非门输出低电平,三极管截止,蜂鸣器不发出声音。
在这里与非门是作为非门来使用的,这里采用一个非门的作用是为了防止系统上电时蜂鸣器发出声音,因为系统复位时,I/O口输出时高电平,用户可以通过程序控制P1.5管脚的置低和置高来使蜂鸣器发出声音和关闭。
蜂鸣器的声音大小以及音调可以通过调整P1.5管脚的置高时间及输出波形进行控制。
4.6显示电路
市场上比较多见的数码管是LED数码管,LED数码管具有以下特点,适合本设计使用,以专用驱动芯片控制,构成变化无穷的色彩和图形。
外壳采用阻燃PC塑料制作,强度高,抗冲击,抗老化,防紫外线,防尘,防潮。
LED护栏管具有功耗小,无热量,耐冲击,长寿命等优点,配合控制器,即可实现流水,渐变,跳变,追逐等效果。
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。
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。
共阴极数码管和共阳极数码管,其区分方法如下:
用一个万用表,将万用表调至二极管档,黑表笔接公共脚,红笔接任意非公共脚,若有某一段变亮则说明是共阳,反接表笔时若发现有一段变亮则说明是共阴极。
该设计中用到的是共阴极数码管,如图所示。
显示器结构:
常见的七段显示器的结构如下图所示:
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,必须清楚LED数码管的引脚图分布才能进行正确的字型段码编码,才能正确的显示出数字,七段显示器的引脚图如下所示:
LED数码管要正常显示,就要用驱动电路来驱动数码管的各个段码,从而显示出我们要的数位,因此根据LED数码管的驱动方式的不同,可以分为静态式和动态式两类。
1,静态驱动:
静态驱动也称直流驱动。
静态驱动是指每个数码管的每一个段码都由一个单片机的I/O埠进行驱动,或者使用如BCD码二-十进位*器*进行驱动。
静态驱动的优点是编程简单,显示亮度高,缺点是占用I/O埠多,如驱动5个数码管静态显示则需要5×
8=40根I/O口来驱动,要知道一个89S51单片机可用的I/O口才32个呢。
故实际应用时必须增加*驱动器进行驱动,增加了硬体电路的复杂性。
2,动态驱动数码管动态显示介面是单片机中应用最为广泛的一种显示方式之一,动态驱动是将所有数码管的8个显示笔划"
a,b,c,d,e,f,g,dp"
的同名端连在一起,另外为每个数码管的公共极COM增加位元选通控制电路,位元选通由各自独立的I/O线控制,当单片机输出字形码时,所有数码管都接收到相同的字形码,但究竟是那个数码管会显示出字形,取决于单片机对位元选通COM端电路的控制,所以我们只要将需要显示的数码管的选通控制打开,该位元就显示出字形,没有选通的数码管就不会亮。
本设计采用动态显示驱动来实现数码管的驱动显示,采用的数码管驱动为74HC573八进制3态非反转透明锁存器。
74HC573为八进制3态非反转透明锁存器,同时也是高性能硅门CMOS器件当锁存器使能端为高时,这些器件的锁存对于数据是透明的,也就是说输出同步。
,当锁存使能变低时,符合建立时间和保持时间的数据会被锁存。
输出能直接接到CMOS,NMOS和TTL接口上,操作电压范围:
2.0V-6.0V,低输入电流:
1.0uA,CMOS器件的高噪声抵抗特性,主要用于数码管、按键等的控制。
74HC573包含八路D型透明锁存器,每个锁存器具有独立的D型输入,以及适用于面向总线的应用的三态输出。
所有锁存器公用一个锁存使能(LE)端和一个输出使能(OE)端,当LE为高时,数据从Dn输入到锁存器,在此条件下,锁存器进入透明模式,也就是说,锁存器的输出状态将会随着对应的D输入每次的变化而变化。
当LE为低时,锁存器将存储D输入上的信息一段就绪时间,直到LE的下降沿来临,当OE为低时,八个锁存器的内容可被正常输出。
当OE为高时,输出进入高阻态,OE端的操作不会影响到锁存器的状态。
作用如下:
1输出既不是高电平,也不是低电平,而是高阻抗的状态,在这种状态下,可以多个芯片并联输出;
但是这些芯片中只能有一个处于非高阻态状态,否则会将芯片烧毁。
2当输入的数据消失时,在芯片的输出端,数据仍然保持。
3在数据缓冲方面可以加强驱动能力,管脚如图所示:
74HC573功能表如下图所示:
1脚是输出使能,11脚是锁存使能,D是输入,Q是输出,H是高电平,L是低/OE是1脚LE是11脚/OE接低电平,是芯片内部数据保持器输出端与芯片8位输出端直接连通。
LE端的作用是通过高低电平控制8位输入与内部数据保持器输入端的连通与断开。
当LE=0时,P0端口的8位数据线与74HC573内部数据保持
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