基于单片机的转速表设计 2.docx

基于单片机的转速表设计 2.docx

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基于单片机的转速表设计2

基于单片机的转速表设计与实现

摘要

单片机又称单片微控制器（MCU），它把一个计算机系统集成到一个芯片上。

它具有体积小、质量轻、价格便宜的优点，为我们的学习、应用以及开发提供了便利条件。

本文便是运用AT89C51单片机控制的转速表设计。

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参数。

数字式转速表主要功能就是对电机转速进行测量，它可以和计算机之间进行通信，并且显示电机的转速以及观察电机运行的基本情况。

本设计主要是运用了AT89C51作为控制核心，由霍尔传感器，LCD液晶显示器等构成。

充分发挥单片机的性能。

本设计优点就是电路比较简单、功能完善、测量速度又快、精度高、控制系统可靠，性价比高等特点。

关键字：

AT89C51单片机转速测量霍尔传感器

Abstract

Single-chip,alsoknownassingle-chipmicrocontroller（MCU）,itisacomputersystemintegratedintoachip.It’ssmallsize,lightweight,cheap,forthelearning,applicationanddevelopmentoffacilitiesprovided.

Thisarticle,weusetheAT89C51microcontrollertocontrolthedigitaltachometer.Duringoperation,themotorneedstobemonitoring,speedisanessentialparameter.Digitaltachometertomeasuremotorspeed,andcancommunicatewithaPC,displaythemotorspeed,andobservethemotorrunning.ThisdesignwithAT89C51ascontrolcore,bytheHallsensor,LCDdigitaldisplaytube,thecompositionoftheSchmitttrigger,andsoon.Givefullplaytotheperformanceofthemicrocontroller.

Theadvantageofasimplehardwareandsoftwarecapabilitiesimprove,measuringspeed,highprecisionandcontrolsystemreliable,cost-effectiveandsoon.

Keywords:

AT89C51TachometerDigital；speedsmeasure;Hallelement

1引言

1.1本课题研究意义

随着现代科学技术特别是微型计算机的高速发展，测量技术相应地也得到迅速发展，单片微机技术也得到了飞速发展。

单片机在我国已有十余年历史的大规模的应用，单片机技术的推广和研究正方兴未艾。

转速表在目前这个领域中有了越来越高的需求。

提高转速表的性能，在机械行业其他领域的发展中，起到的促进作用不可忽视。

在这个领域，数字仪表一步步的实现了它的优越性和生命力——它具有速度快、精度高、便于记录、控制和传递的优点，所以数字转速表在这一领域得到了最广泛的应用。

在转速测量方面，数字转速表更是一个理想的测量仪器。

它可以用来测量电机的转速、频率和线速度。

常用于造纸、电机、塑料化纤、电扇、汽车、洗衣机、轮船、飞机等制造业。

目前我们使用的普通式转速表，其电路结构比较复杂，稳定性差，成本高，抗干扰能力差,测量精度与范围不能兼顾，而且采样的时间常，难以测得瞬时转速，更不具备如转速值的永久存储、报警值设置，定时打印等功能。

随着大规模集成电路的发展，微型计算机的应用愈来愈广泛，愈来愈深入。

其中单片机构成的嵌入式系统已经愈来愈受到人们的关注。

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是定时转速表，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，虽属非接触式仪表，目前仍有应用,但也退居次要地位。

代之而起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，能够连续的反映转速变化，既能测定发动机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。

 目前广泛使用的普通式的转速表，它的电路结构比较复杂，稳定性差，成本又高，抗干扰能力差，测量精度与其范围不能兼顾，而且采样的时间比较长，难以测得瞬时转速，更不具备转速值的永久存储、报警值设置等功能。

转速表性能的提高对机械行业的其他领域的发展起到不可忽视的促进作用。

因此，研究单片机转速表的设计是很重要的。

本设计主要内容就是以单片机为核心的转速表，转速表要显示转速的过程中我们需要解决很多的问题，比如数据信号的数据采集、数据在单片机内部的计算、以及最后数据的显示等等。

本次设计主要通过由霍尔传感器、放大电路、整形电路和单片机等组成的测量电路对所需数据进行大量采集，通过设计软件对采集数据进行进行计算。

所得到的转速由串行口送出到LCD液晶显示器上显示电路，以显示转速。

另外，本设计的还增加了报警功能，通过与单片机的I/O口连接的控制键来输入转速上限阈值，当测量得到的转速超过转速上限阈值时，系统就会发出报警的声音并且红色警报灯亮。

本次设计的转速表的测量范围是0-9999r/min，它的相对误差小于0.3%，且具有报警功能。

2转速测量原理

2.1转速测量基本原理

目前常用的转速测量方法有M法、T法、M/T法。

 M法（测频法）指在固定的时间内测出转速传感器输出的脉冲个数。

经分析得知，M法适合高、中转速测量。

      T法（测周期法）指在传感器转速脉冲的间隔内，对时钟信号进行计数。

经分析得知，T法适合较低的转速测量。

M/T法是指在M法基础上吸取了T法之优点而形成的。

其测速过程是：

在转速传感器输出脉冲是上升沿到来时启动定时（定时时间为Tc）,同时计传感器输出脉冲个数和时钟脉冲个数，定时时间到，先停止对传感器输出脉冲的计数，待下一个传感器输出脉冲上升沿到来时在停止对时钟脉冲的计数，由记录的两脉冲m1和m2求出转速。

假定旋转体每转一周，转速传感器输出p个脉冲，又设转速N，时钟频率为f0，则

（2-1）

通过式（2-1）可方便地计算出转速，因为

不存在误差，

的最大误差为一个时钟，所以M/T法测速时的相对误差为：

（2-2）

在式（2-2）中由于m2通常较大，固相对误差较小，即该测量方法精度较高，在本转速表设计中，我采用的是M/T法。

2.2转速计算及误差分析

根据转速、周期、频率之间的关系可知

（2-3）

（2-4）

（2-5）

式中，

—被测转速，r/min；

—转速信号周期，s；

—转速信号频率，Hz；

—计算脉冲的周期，又称时基，本仪表Tc=4us；

将式（2-5）带入（2-3）得

（2-6）

用十六进制数表示为

式中N已存入75H、74H、73H单元。

利用除法子程序，即可求出转速。

下边计算该系统的相对误差。

分别对式（2-3）和式（2-5）求微分

（2-7）

（2-8）

将式（2-7）代入（2-8），得

（2-9）

式中，△N-量化误差，△N=±1个计数脉冲，又已知时基Tc=4us，故

（2-10）

由式（2-10）可知，相对误差与频率成正比，即相对误差随转速的升高而升高。

本设计中为4个周期，即测得的N为4个周期内的总和，所以

（2-11）

（2-12）

用十六进制数表示，为

对式（2-12）进行微分

因此可求出高速测量时的相对误差

同样，代入Tc=4us，△N=±1个脉冲，则

（2-13）

将式（2-13）与（2-10）比较可知，采用多周期测量相对精度大大提高。

例如，当n=3000r/min时，由式（21-10）可求出，其相对误差为

当n=6000r/min时，由式（2-12）计算出相对误差为

此转速表设置的临界转速为3662r/min，对应着每周期技术脉冲个数。

开机时，首先按低转速测量，然后判转速n是高于还是低与3662r/min。

若测得转速低于此临界值，则仍按低速测量；若测得转速高于临界值，则主动转入高转速测量。

2.3转速测量

由式（2-6）、（2-12）可知，只要能求出脉冲个数N，即可求出转速。

采用门控方式的硬件技术方法，是为了得到计数脉冲，，也可采用中断方式的软件计数方法。

门控方式计数：

由AT89C51定时器/计数器T0工作原理可知，当其工作在计数方式时，只要T0口上有负跳变，计数器就加1。

CPU在每个周期的S5P2状态时，采样T0，所以需要2个机器周期才能识别一个T0的负跳变，即T0的周期至少应等于2倍机器周期。

若晶振频率为6MHz，6分频后得到ALE信号，鼓ALE周期为1us，机器周期为2us。

由此可知，最低计数脉冲周期Tc为4us，可由ALE信号经74LS74中的两个D触发器4分频后取得。

中断方式计数：

高转速时为了连续测量4个输入周期，可以采用中断方式计数。

在初始化或前一次测量结束时，单片机禁止“外部中断0”和“定时器0溢出中断”。

设置“外部中断0”为负跳沿触发方式，设定“计数器0”为非门控计数方式，然后等待中断。

外部中断负脉冲一到，立即启动“计数器0”工作，对T0的4us计数脉冲进行计数。

计到4个测量周期时，停止“计数器0”工作，禁止外“中断”，恢复测量周期常数3，并计得的脉冲数存入相应单元。

门控方式和中断方式计数，有效解决了精度测量输入脉冲周期和高低量程自动切换问题，测得计数脉冲个数后，即可转入计算转速n的子程序，计算结果的BCD码相应的存入4个存储单元，以备显示。

3系统总体设计方案

通过计数脉冲个数，在AT89C51单片机内部计算后，输入到LCD液晶显示器上显示转速。

在运行中又加入了报警系统，和功能键，使整个系统智能化。

整个设计分硬件和软件两大部分。

硬件部分采用AT89C51单片机作为可编程芯片，用LCD液晶显示器作为信号显示；软件部分利用C语言作为设计语言，对单片机进行编程实现各种功能。

同时，通过霍尔传感器与单片机的交流，可在液晶显示屏上显示当前转速值。

 按照上述系统设计的要求，我们可以确定系统的结构框图，主要有以下几个部分组成：

电源供电模块、复位电路、晶振电路、单片机模块、液晶显示模块、霍尔测速模块和报警模块。

系统框图如图3.1所示。

图3.1转速测量系统的总体框图

4硬件电路

本次设计硬件电路设计的主要任务就是是根据上一张的总体设计要求，在系统工作原理的基础上，具体确定系统中所要使用的元器件，并且设计出各个模块的电路原理图。

4.1单片机的概述

单片机是一种集成在电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计时器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计算机系统。

该仪表机采用的是美国ATMEL公司生产的一种高性能、低功耗、带有4K字节闪烁存储器的8位CMOS单片机（AT89C51）。

它与MCS-51系列单片机的软硬件完全兼容。

内部4K字节的存储器既有EPROM的可编能力。

又有E2PROM的电擦除特性；既有RAM的访问速度（约60ns），又有三级加密功能。

工作时，AT98C51的T0用于记录转速脉冲信号，T1用于内部时钟计数，P1.7用作T0、T1计数器的门空信号，以提高测量精度。

AT89C51模块组成及功能：

AT89C51使我们常用的单片机，是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的低电压，高性能8位微处理器。

它共有40个引脚，其中包含32个双向I/O端口，4个控制信号引脚，2个电源引脚以及外接晶体引脚（外接时钟信号）。

AT89C51可以按照常规方法进行编程，也可以在线编程。

其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起，特别是可反复擦写的Flash存储器可有效地降低开发成本。

如图4.1所示：

图4.1AT89C51引脚图

AT89C51的主要功能特性：

·兼容MCS—51指令系统·4k可反复擦写（>1000次）

·32个双向I/O口·可编程UARL通道

·两个16位可编程定时/计数器·全静态操作0-24MHz

·1个串行中断·128

8bit内部RAM

·两个外部中断源·共6个中断源

·可直接驱动LED·3级加密位

·低功耗空闲和掉电模式·软件设置睡眠和唤醒功能

AT89C51引脚说明：

AT89C51的引脚可分为端口、控制和电源三类。

1）端口线：

    AT89C51共有四个I/O端口，分别为P0、P1、P2、P3端口，每个端口都是8位并行的I/O端口。

P0口有三个功能：

①外部扩充存储器时当作数据总线（D0-D7）；②外部扩充存储器时当作地址总线（A0-A7）；③不扩充时可做一般I/O使用，但内部无上拉电阻。

在Flash编程时，P0口接收指令字节而在校验程序时，则输出指令字节。

验证时，要求外接上拉电阻。

P1口是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O端口。

P1的输出缓冲器可驱动4个TTL输入。

对端口写1时，通过内部的上拉电阻把端口拉倒高电位，这时可用作输入口。

对Flash编程和校验程序时，P1口接收低8位地址。

P2口有两个功能：

①扩充外部存储器时当作地址总线（A8-A15）；做一般I/O使用，其内部有上拉电阻。

对Flash编程和校验程序时，P2口接收高8位地址。

和一些控制信号。

P3口有两个功能：

①做一般I/O使用，其内部有上拉电阻；②特殊功能，具体由特殊寄存器来设置如下表4.1所示。

对Flash编程和校验程序时，P3口接收一些控制信号。

表4.1P3第二功能定义

端口引脚

说明

P3.0

（串行输入口）

P3.1

（串行输出口）

P3.2

（外部中断0）

P3.3

（外部中断1）

P3.4

（定时器0外部计数输入）

P3.5

（定时器1外部计数输入）

P3.6

（外部数据存储器写选通输出）

P3.7

（外部数据存储器读选通输出）

2

2）控制线：

ALE/PROG地址锁存允许/编程线：

ALE地址锁存使能信号端:

CPU访问片外存储器时，该引脚输出信号的下降沿作为锁存8位地址的控制信号。

正常工作时，该引脚以振荡频率f的1/6固定输出正脉冲，可作为对外输出时钟和定时信号。

PROG编程脉冲输入端:

是对片内带有4KBEPROOM的单片机编程写入时的编程脉冲输入端、编程器、烧录器、写入器。

EA/VPP允许访问片内/外存储器/编程电源线。

EA片外程序存储器访问允许输入端。

EA=1即输入高电平时，cpu访片内程序存储器。

PC值超过0FFFH时，将自动执行外程序存储器的程序.EA=O即输入低电平时，cpu访问片外EPROM/ROM并执行外部程序存储器中的程序。

Vpp编程电源。

对单片机片内的EPROM固化编程时，编程电压输入端。

PSEN片外ROM选通线：

程序存储使能端。

XTAL1片内振荡器反相放大器和时钟发生线路的输入端。

使用片内振荡器时，连接外部石英晶体和微调电容。

XTAL2片内振荡器反相放大器的输入端，当使用片内振荡器时，外接石英晶体和微调电容。

4.2霍尔传感器

金属或半导体薄片置于磁感应强度为B的磁场中，磁场方向垂直于薄片，当有电流I流过薄片时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势EH，这种现象称为霍尔效应，该电动势称为霍尔电动势，上述半导体薄片称为霍尔元件。

用霍尔元件做成的传感器称为霍尔传感器。

 为了使霍尔传感器能够获得脉冲信号，我们只要在电机转轴的圆周上粘上磁钢即可。

当霍尔开关接近转轴上的磁钢时，就会有信号输出，所以当转轴旋转时，磁钢绕转轴做圆周运动不断地接近霍尔开关，于是霍尔传感器上就会不断输出脉冲信号。

如果在圆周上黏上很多粒磁钢的话，霍尔传感器就可以实现旋转一周获得多个脉冲输出。

本文介绍的转速采用霍尔转速传感器测量。

霍尔转速传感器如图4.2

图4.2霍尔测速

图4.3电源电路图

4.3复位电路

AT89C51单片机复位电路是指单片机的初始化操作。

单片机启运运行时，都需要先复位，其作用是使CPU和系统中其他部件处于一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作。

因而，复位是一个很重要的操作方式。

但单片机本身是不能自动进行复位的，必须配合相应的外部电路才能实现。

复位电路的基本功能是：

系统上电时提供复位信号，直至系统电源稳定后，撤销复位信号。

为可靠起见，电源稳定后还要经一定的延时才撤销复位信号，以防电源开关或电源插头分-合过程中引起的抖动而影响复位。

单片机的复位是由外部的复位电路来实现的。

片内复位电路是复位引脚RST通过一个斯密特触发器与复位电路相连，斯密特触发器用来抑制噪声，它的输出在每个机器周期的S5P2，由复位电路采样一次。

复位电路通常采用上电自动复位、按钮复位和按钮脉冲复位。

AT89C51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，AT89C51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。

单片机采用的复位方式是采用芯片TCM812进行复位。

TCM812是高性价比的系统监控电路，用于对数字系统的电源电压VDD进行监控，并在必要时向主处理器提供复位信号。

提供的手动复位输入可以替代复位监控器，适合使用按键来复位。

无需外部元件。

该器件由SOT-143方式封装，工作温度范围为-40℃至+85℃。

其引脚如下：

图4.4TCM812芯片的引脚图

TCM812芯片的引脚功能：

（1）GND地

（2）RESET当VDD低于复位电压门限值和VDD恢复上升到高于复位电压门限值之后的140ms（最小值）内，RESET推挽输出保持高电平。

（3）MR手动复位输入，当MR低于VIL时产生复位。

（4）VDD电源电压

由于TCM812芯片的特点，本设计中采用该芯片进行复位，其电路图如下：

图4.5复位电路

4.4晶振电路

晶振是晶体振荡器的简称，在电气上它可以等效成一个电容和一个电阻并联再串联一个电容的二端网络，电工学上这个网络有两个谐振点，以频率的高低分其中较低的频率是串联谐振，较高的频率是并联谐振。

由于晶体自身的特性致使这两个频率的距离相当的接近，在这个极窄的频率范围内，晶振等效为一个电感，所以只要晶振的两端并联上合适的电容它就会组成并联谐振电路。

这个并联谐振电路加到一个负反馈电路中就可以构成正弦波振荡电路，也就是晶振电路。

    单片机系统里都有晶振，在单片机系统里晶振作用非常大，全程叫晶体振荡器，他结合单片机内部电路产生单片机所需的时钟频率，单片机晶振提供的时钟频率越高，那么单片机运行速度就越快，单片接的一切指令的执行都是建立在单片机晶振提供的时钟频率。

在通常工作条件下，普通的晶振频率绝对精度可达百万分之五十。

高级的精度更高。

有些晶振还可以由外加电压在一定范围内调整频率，称为压控振荡器（VCO）。

晶振用一种能把电能和机械能相互转化的晶体在共振的状态下工作，以提供稳定，精确的单频振荡。

单片机晶振的作用是为系统提供基本的时钟信号。

通常一个系统共用一个晶振，便于各部分保持同步。

有些通讯系统的基频和射频使用不同的晶振，而通过电子调整频率的方法保持同步。

晶振通常与锁相环电路配合使用，以提供系统所需的时钟频率。

如果不同子系统需要不同频率的时钟信号，可以用与同一个晶振相连的不同锁相环来提供。

晶体振荡电路如图：

图4.6晶振电路

4.5显示电路

显示部分有两个功能，在正常的情况下，通过LCD显示当前的频率数值。

LCD1602A是一种工业字符型液晶，能够同时显示16x02即32个字符。

（16列2行）。

在日常生活中，我们对液晶显示器并不陌生。

在很多电子产品中我们都可以见到，例如数字计算机，数字万用表，万年历等等。

显示的内容主要包括数字、符号以及专用图形。

在单片机的输出方式上通常使用的主要有以下几种方式：

发光管、LED数码管和液晶显示器。

其中发光管和LED数码管比较常用，软硬件都比较简单。

在单片机系统中应用晶液显示器作为输出器件有以下几个优点：

由于液晶显示器每一个点在收到信号后就一直保持那种色彩和亮度，恒定发光，而不像阴极射线管显示器（CRT）那样需要不断刷新新亮点。

因此，液晶显示器画质高且不会闪烁。

液晶显示器都是数字式的，和单片机系统的接口更加简单可靠，操作更加方便。

液晶显示器通过显示屏上的电极控制液晶分子状态来达到显示的目的，在重量上比相同显示面积的传统显示器要轻得多。

相对而言，液晶显示器的功耗主要消耗在其内部的电极和驱动IC上，因而耗电量比其它显示器要少得多。

（1）引脚说明：

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。

（2）1602LCD的RAM地址映射以及标准字库表

LCD1602液晶模块内部的字符发生存储器已经存储了160个不同的点阵字符图形，这些字符图有：

阿拉伯数字、英文字母的大小写、常用的符号、和日文假名等，每一个字符都有一个固定的代码，比如大写的英文字母“A”的代码是01000001B（41H），显示时模块把地址41H中的点阵字符图形显示出来，我们就能看到字母。

它的读写操作、屏幕和光标的操作都是通过指令编程来实现的（说明：

1为高电平，0为低电平）。

指令1：

清显示，指令码01H，光标复位到地址00H位置。

指令2：

光标复位，光标返回到地址00H。

指令3：

光标和显示模式设置I/