基于单片机的转速测量系统设计毕业设计论文.docx

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基于单片机的转速测量系统设计毕业设计论文

分类号TP722.5单位代码10642

密级公开学号

学士学位论文

论文题目：

基于单片机的转速测量系统设计

论文作者：

指导教师：

学科专业：

电气工程与自动化

提交论文日期：

2011年11月05日

论文答辩日期：

2011年11月13日

学位授予单位：

重庆文理学院

中国重庆

2011年11月

GraduationThesisofChongqingUniversityofArtsandsciences

Microcontroller-basedSpeedMeasurementSystemDesign

Candidate:

Supervisor:

Major:

ElectricalEngineeringandAutomation

CollegeofElectron&ElectricalEngineering

ChongqingUniversityofArtsandSciences

November,2011

摘要

在生产过程中，对电机转速进行精确的测量十分必要。

本系统以A3144霍尔传感器进行转速信号的采集，AT89C51单片机作为主控制器进行转速的测量，采用液晶LCD1602进行实时显示，并通过按键进行转速的设置和调整。

该系统具有频率响应快，抗干扰能力强，利用脉冲计数法实现了对转速的测量，通过LCD准确直观地显示电机的转速值。

具有很好的应用价值。

关键词：

单片机；霍尔传感器；转速测量

Abstract

Intheproductionprocess,themotorspeedisnecessaryforaccuratemeasurements.ThissystemtoA3144hallsensorforspeedsignalcollection，AT89C51microcontrollerasthemaincontrollerforspeedmeasurement，usingreal-timeLCD1602LCDdisplay,andthroughthebuttonstospeedsettingsandadjustments.Thesystemhasafrequencyresponsefast,anti-interferenceability,theuseofpulsecountingmethodtoachieveameasureofspeed,throughtheLCDaccurateanddirect-viewingshowingmotorspeedvalue.Hastheverygoodapplicationvalue.

Keywords:

Single-chipmicrocomputer;Hallsensors;Speedmeasurement

1引言

在生产中，经常会遇到各种需要测量转速的场合。

例如在发动机、电动机、卷扬机、机床主轴等旋转设备的试验、运转和控制中，常需要测量和显示其转速。

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、圆光栅、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，智能化微电脑代替了一般机械式或模拟式结构。

1.1选题目的和意义

随着超大规模集成电路技术的提高，尤其是单片机应用技术以其功能强大，价格低廉的显著特点，使全数字化测量转速系统得以广泛应用。

由于单片机在测量转速方面具有体积小、性能强、成本低的特点，越来越受到企业用户的青睐。

转速是工程中应用非常广泛的一个参数，其测量方法较多，而模拟量的采集和模拟处理一直是转速测量的主要方法，但这种测量技术已不能适应现代科技发展的要求，在测量范围和精度上，已不能满足大多数系统的应用。

随着大规模及超大规模集成电路技术的发展，数字系统测量得到普遍应用，特别是单片机对脉冲数字信号的强大处理能力，使得全数字量系统越来越普及，其转速测量系统也可以用全数字化处理。

在测量范围和测量精度方面都有极大的提高。

本设计题目以单片机为核心设计的转速测量系统，在工业控制和民用电器中都有较高使用价值。

可以应用于工业控制中的某一部分，如数控车床的电机转速检测和控制、水泵流量控制以及需要利用转速检测来进行控制的诸多场合，如车辆的里程表、车速表等。

总之，转速测量系统的研究是一件非常有意义的课题！

1.2国内外研究现状综述

转速测量是能源设备与动力机械机械性能测速中的一个重要的特性参量，因为动力机械的许多特性参数是根据它们与转速的函数关系来确定的，例如压缩机的排气量、轴功率、内燃机的输出功率等，而且动力机械的振动、管道气流脉动、各种工作零件的磨损状态等都与转速密切相关。

转速测量的方法很多，测量仪表的型式也多种多样，其使用条件和测量精度也各不相同。

根据转速测量的工作方式可分为两大类：

接触式转速测量仪表与非接触式转速测量仪表。

前者在使用时必须与被测轴直接接触，如离心式转速表、磁性转速表与测速发电机等；后者在使用时不需要与被测转轴接触，如光电式转速表、电子数字式转速表、闪光测速仪等。

测量发动机转速的传统方法是使用光电式转速测量表。

用这种方法测量时，既要在发动机转动轴上粘贴光标纸，又要求测量人员把转速表与光标纸的距离控制在很近的范围，测量十分不方便。

随着科学技术的迅速发展，转速测量仪表已步入现代化、电子化的行列。

过去曾经使用过的接触式测量仪表，如离心式转速表、磁性转速表、微型发电机转速表及钟表式定时转速表，均已先后受到冷落；而利用已知频率的闪光与被测轴转速同步的方法来测速的闪光测速仪，虽属于非接触式仪表，目前仍有应用，但也退居次要地位。

取而代之的是非接触式的电子与数字化的测速仪表。

这类转速仪表大多具有体积小、重量轻、读数准确、使用方便等优点，容易实现电脑荧屏显示和打印输出，能够连续的反应转速变化，既能测定稳定情况下的平均转速，也能够用来在足够小的时间间隔这一特定条件下测定发动机的瞬时转速。

转速测量的应用系统在工业生产、科技教育、民用电器等各领域的应用极为广泛，往往成为某一产品或控制系统的核心部分，其各种参数在不同的应用中有其侧重，但转速测量系统作为普遍的应用，在国民经济发展中，有重要的意义。

2系统总体设计

2.1系统设计要求

利用开关型霍尔传感器实现对转速的测量。

利用AT89C51单片机来实现设计要求。

2.2系统设计思想

以单片机AT89C5l为控制核心，用霍尔集成传感器作为测量转速的检测元件，最后用字符型液晶显示器LCD1602（HD44780控制）显示小型直流电动机的转速，系统总体构成如图1所示。

图1系统框图

2.3设计要完成的任务

根据设计要求，初步制定电路框图。

利用proteus仿真软件画出电路原理图。

编写程序。

利用Keil51软件的uVision2集成环境对系统工作软件进行编译、调试和仿真。

搭接硬件电路。

软硬件联合调试。

3设计方案论证与选择

3.1传感器的选择

方案一：

采用开关型霍尔传感器A3144以及磁钢，由它们来检测电机的转速。

工作方式为：

将磁钢安装在电机的转轴上，而霍尔传感器则放在转轴的旁边，霍尔传感器连接在电路中，当磁钢随转轴经过霍尔传感器时，由开关型霍尔传感器的工作原理知，此时将输出一个低电平信号；而当磁钢离开霍尔传感器后，又将输出一个高电平。

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。

方案二：

采用红外光电传感器，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。

两个方案的主体电路相同，只是传感的的选择不同。

而选择开关型霍尔传感器则具有多种优点：

①精度高：

在工作温度区内精度优于1%。

②过载能力强：

当原边电流超负荷，模块达到饱和，可自动保护，即使过载电流是额定值的20倍时，模块也不会损坏。

③模块的高灵敏度，使之能够区分在“高分量”上的弱信号，例如：

在几百安的直流分量上区分出几毫安的交流分量。

④还可以通过使用多块磁钢来倍频，以增加测量的精度。

鉴于以上考虑，最终选定方案一。

3.2单片机的选择

方案一：

采用型号为AT89C51的单片机作为主控制器。

AT89C51是带4K字节闪烁可编程擦除只读存储器的低电压、高性能CMOS8位微处理器。

它将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，为许多控制提供了灵活性高且价格低廉的方案。

方案二：

采用单片机C8051F060作为主控制器，使用霍尔传感器进行测量的直流电机转速测量系统。

C8051F060系列单片机是美国CYGNAL公司推出的一种与51系列单片机内核兼容的单片机。

C8051F060作为新一代8051单片机，具有功能强大、体积小、工作稳定等特点，适用于复杂控制系统。

故选择方案一。

3.3显示模块的选择

方案一：

采用LED数码管动态扫描,LED数码管价格适中,亮度高，显示数字合适,但是连接复杂，耗电流大，驱动电路复杂。

方案二：

采用点阵式数码管显示，点阵式数码管是由八行八列的发光二极管组成，对于显示简单文字比较适合,如果显示数字则浪费资源,而且价格也相对较高。

方案三：

采用LCD液晶显示屏,液晶显示屏的显示功能强大,可显示大量文字,图形,显示多样,清晰可见,并且连接很方便。

故选择方案三。

4各部分器件介绍

4.1AT89C51单片机

AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM—FalshProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。

该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。

由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。

图2是常用的一种单片机，型号为AT89C51，它将计算机的功能都集成到这个芯片内部去了，就这么一个小小的芯片就能构成一台小型的电脑，因此叫做单片机[4]。

图2AT89C51芯片图

它有40个管脚，分成两排，每一排各有20个脚，其中左下角标有箭头的为第1脚，然后按逆时针方向依次为第2脚、第3脚……第40脚。

在40个管脚中，其中有32个脚可用于各种控制，比如控制小灯的亮与灭、控制电机的正转与反转、控制电梯的升与降等，这32个脚叫做单片机的“端口”，在单片机技术中，每个端口都有一个特定的名字，比如第一脚的那个端口叫做“P1.0”。

4.1.1主要特性：

●与MCS-51兼容

●4K字节可编程闪烁存储器

●寿命：

1000写/擦循环

●数据保留时间：

10年

●全静态工作：

0Hz-24Hz

●三级程序存储器锁定

●128*8位内部RAM

●32可编程I/O线

●两个16位定时器/计数器

●5个中断源

●可编程串行通道

●低功耗的闲置和掉电模式

●片内振荡器和时钟电路[4]

4.1.2管脚说明

图3AT89C51管脚分布

●VCC：

供电电压

●GND：

接地。

●P0口：

P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。

当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。

P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。

在FIASH编程时，P0口作为原码输入口，当FIASH进行校验时,P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。

●P1口：

P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。

P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。

在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。

●P2口：

P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。

并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。

这是由于内部上拉的缘故。

P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。

在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。

P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。

●P3口：

P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。

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，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。

P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口。

表1P3口管脚第二功能

编号符号引脚说明编号符号引脚说明

P3.0RXD串行输入口P3.4T0定时器0外部输入

P3.1TXD串行输出口P3.5T1定时器1外部输入

P3.2INT0外部中断0P3.6WR外部数据存储器写选通

P3.3INT1外部中断1P3.7RD外部数据存储器读选通

P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。

●RST：

复位输入。

当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。

●ALE/PROG：

当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。

在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。

在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。

因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。

然而要注意的是：

每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。

如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。

此时，ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。

另外，该引脚被略微拉高。

如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。

●PSEN：

外部程序存储器的选通信号。

在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。

但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。

●EA/VPP：

当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。

注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。

在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。

●XTAL1：

反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。

●XTAL2：

来自反向振荡器的输出[4]。

管脚如图3所示。

4.1.3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。

石英晶体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[2]。

4.1.4芯片擦除

整个EPROM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[2]。

4.2霍尔元件

根据霍尔效应，人们用半导体材料制成的元件叫霍尔元件。

它具有对磁场敏感、结构简单、体积小、频率响应宽、输出电压变化大和使用寿命长等优点，因此，在测量、自动化、计算机和信息技术等领域得到广泛的应用。

霍尔传感器A3144是AllegroMicroSystems公司生产的宽温、开关型霍尔效应传感器，其工作温度范围可达-40℃～150℃。

它由电压调整电路、反相电源保护电路、霍尔元件、温度补偿电路、微信号放大器、施密特触发器和OC门输出极构成，通过使用上拉电阻可以将其输出接入CMOS逻辑电路。

该芯片具有尺寸小、稳定性好、灵敏度高等特点，有两种封装形式，一种是3脚贴片微小型封装，后缀为“LH”；另一种是3脚直插式封装，后缀为“UA”。

A3144E系列单极高温霍尔效应集成传感器是由稳压电源，霍尔电压发生器，差分放大器，施密特触发器和输出放大器组成的磁敏传感电路，其输入为磁感应强度，输出是一个数字电压讯号。

它是一种单磁极工作的磁敏电路，适用于矩形或者柱形磁体下工作。

可应用于汽车工业和军事工程中。

霍尔传感器的外形图和与磁场的作用关系如图4所示。

磁场由磁钢提供，所以霍尔传感器和磁钢需要配对使用。

图4霍尔传感器及其磁钢外形图

霍尔传感器的接线图如图5所示。

图5霍尔传感器的接线图

4.2.1霍尔传感器测量原理

测量电机转速的第一步就是要将电机的转速表示为单片机可以识别的脉冲信号，从而进行脉冲计数。

霍尔器件作为一种转速测量系统的传感器，它有结构牢固、体积小、重量轻、寿命长、安装方便等优点，因此选用霍尔传感器检测脉冲信号，其基本的测量原理如图6所示，当电机转动时，带动传感器运动，产生对应频率的脉冲信号，经过信号处理后输出到计数器或其他的脉冲计数装置，进行转速的测量。

图6霍尔器件测速原理

4.2.2转速测量方法

转速的测量方法很多，根据脉冲计数来实现转速测量的方法主要有M法（测频法）、T法（测周期法）和MPT法（频率周期法），该系统采用了M法（测频法）。

由于转速是以单位时间内转数来衡量，在变换过程中多数是有规律的重复运动。

根据霍尔效应原理，将一块永久磁钢固定在电机转轴上的转盘边沿，转盘随侧轴旋转，磁钢也将跟着同步旋转，在转盘下方安装一个霍尔器件，转盘随轴旋转时，受磁钢所产生的磁场的影响，霍尔器件输出脉冲信号，其频率和转速成正比。

脉冲信号的周期与电机的转速有以下关系：

n=

（1-1）

式中：

n为电机转速；P为电机转一圈的脉冲数；T为输出方波信号周期。

根据式（1-1）即可计算出直流电机的转速。

霍尔器件是由半导体材料制成的一种薄片，在垂直于平面方向上施加外磁场B，在沿平面方向两端加外电场，则使电子在磁场中运动，结果在器件的两个侧面之间产生霍尔电势。

其大小和外磁场及电流大小成比例。

霍尔开关传感器由于其体积小，无触点，动态特性好，使用寿命长等特点，故在测量转动物体旋转速度领域得到了广泛应用。

4.3LCD1602

4.3.1LCD1602简介

字符型液晶显示模块是一种专门用于显示字母、数字、符号等点阵式LCD，目前常用16*1，16*2，20*2和40*2行等的模块。

下面以长沙太阳人电子有限公司的1602字符型液晶显示器为例，介绍其用法。

字符型LCD1602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。

一般LCD1602字符型液晶显示器实物如图7所示[4]。

图7LCD1602实物图

4.3.2LCD1602的基本参数及引脚功能

1.LCD1602类型

LCD1602分为带背光和不带背光两种，基控制器大部分为HD44780，带背光的比不带背光的厚，是否带背光在应用中并无差别，两者尺寸差别如图8所示。

图81602带背光与不带背光差别图

2.LCD1602主要技术参数

●显示容量:

16×2个字符

●芯片工作电压:

4.5—5.5V

●工作电流:

2.0mA（5.0V）

●模块最佳工作电压:

5.0V

●字符尺寸:

2.95×4.35（W×H）mm

3.LCD1602引脚功能

LCD1602采用标准的14脚（无背光）或16脚（带背光）接口，各引脚接口说明如表2。

表2LCD1602引脚接口说明

编号

符号

引脚说明

编号

符号

引脚说明

1

VSS

电源地

9

D2

数据

2

VDD

电源正极

10

D3

数据

3

VL

液晶显示偏压

11

D4

数据

4

RS

数据/命令选择

12

D5

数据

5

R/W

读/写选择

13

D6

数据

6

E

使能信号

14

D7

数据

7

D0

数据

15

BLA

背光源正极

8

D1

数据

16

BLK

背光源负极

第1脚：

VSS为地电源。

第2脚：

VDD接5V正电源。

第3脚：

VL为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地时对比度最高，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。

第4脚：

RS为寄存器选择，高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器。

第5脚：

R/W为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。

当RS和R/W共同为低电平时可以写入指令或者显示地址，当RS为低电平R/W为高电平时可以读忙信号，当RS为高电平R/W为低电平时可以写入数据。

第6脚：

E端为使能端，当E端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令。

第7～14脚：

D0～D7为8位双向数据线。

第15脚：

背光源正极。

第16脚：

背光源负极[10]。

4.与单片机的硬件连接

图91602与单片机接线图

硬件连接图如图9所示。

4.4蜂鸣器

蜂鸣器如图10所示，是一种一体化结构的电子讯响器，采用直流电压供电，广泛应用于计算机、打印机、复印机、报警器、电子玩具、汽车电子设备、电话机、定时器等电子产品中作发声器件。

报警器的种类很多，比如：

扬声器、蜂鸣器等，本设计中选用电磁式蜂鸣器作为报警器。

电磁式蜂鸣器由振荡器、电磁线圈、磁铁、振动膜片及外壳等组成。

接通电源后，振荡器产生的音频信号电流通过电磁线圈，使电磁线圈产生磁场。

振动膜片在电磁线圈和磁铁的相互作用下，周期性地振动发声。

图10蜂鸣器外形图

5软件设计

5.1设计思想

本系统采用AT89C51中的

中断对转速脉冲计数。

定时器T0工作于定时方式，

工作于方式1。

每到1s读一次外部中断

计数值，此值即为脉冲信号的频率，代表的即是电机的转速。

5.2总体设计流程

先进行初始化设置各定时/计数器初值，然后判断是否启动系统进行测量。

如果是，就启动系统运行。

如果不是就等待启动。

启动系统后，霍尔传感器检测脉冲到来后，启动外部中断，每来一个脉冲中断一次，记录脉冲个数。

同时启动T0定时器工作，每1秒定时中断一次，读取记录的脉冲个数，即电机转速。

连续采样三次，取平均值记为一次转速值。

再进行数值的判断，若数值高于14r/sec则报警并返回初始化阶段，否则就进行正常速度液晶显示。

图