基于c51的转速测量课程设计论文精品资料.doc
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1、常熟理工学院课程设计报告基于单片机的转速测量显示装置设计目录课程设计任务书1一 概 述21.1背景概述和应用介绍:21.2 总体设计方案31.2.1 硬件电路设计思路31.2.2 软件设计思路3二 硬件电路的设计42.1 传感器的选型42.1.1 霍尔元件的应用42.1.2 UGN3144霍尔开关元件42.2传感器接口电路设计52.3 单片机最小系统的设计62.3.1 AT89C51单片机的简介62.3.2 复位电路92.3.3时钟电路102.4 显示电路的设计10三 系统软件设计143.1 主程序初始化143.2主程序流程图程序流程图16四 仿真及结果184.1 软件调试184.2 仿真结果
2、19设计总结20参考文献21附录一:原理图22附录二:单片机程序23致 谢25一 概 述1.1背景概述和应用介绍:智能化转速测量可以对转速进行测量,电机在运行的过程中,需要对其平稳性进行监测,适时对转速的测量有效地可以反映电机的状况。本系统主要由传感器,单片机AT89C51构成。可以对大范围转速进行测量,测量的转速精度高,实现对电机转速的测量。单片机的英文名称是Micro Controller unit,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。 本文首先在第二章绪论
3、介绍了此系统的功能、技术指标以及主要内容等;在第三章论述了总体设计过程,确定了技术指标及器件的选择;第四章着重描述了系统硬件电路设计、硬件设计框图及所使用的各种芯片功能与特性;在第五章中重点剖析了软件设计的过程;最后在第六章中具体论述单片机、电平转换电路、通信的处理及调试。系统主要实现功能是:AT89C51单片机接收传感器传来的脉冲信号,单片机根据中断,以及内部定时器进行记数计算出电机转速送到LED显示。传感器电路、转速测量、LED显示、电平转换电路设计等将在以下章节作详细地设计。传感器单 片 机 AT89C51LED显示驱动电路图2-1 系统硬件电路1.2 总体设计方案1.2.1 硬件电路设
4、计思路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,设计出系统的原理框图、电路原理图。89C51单片机通过INT0输入传感器的脉冲信号,P0口P2口接LED动态显示。转速测量部分的硬件设计思路:本次设计单片机部分的硬件框图如 图21所示。光电传感器整形电路CPU执行单元(单片机) 时钟电路显示电路图3-1 单片机部分硬件框图1.2.2 软件设计思路软件需要解决的是定时器1的记数和定时器0的计时设定、由于测量的转速范围大,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化程序,以及转换成非压缩BCD
5、 的程序后、才能进行调用查表程序送到显示。软件工作流程:传感器利用磁电效应产生一周期脉冲向单片机的定时器1(P3.1)口发送一个脉冲信号,定时器0工作在内部定时,TH0、TL0设定初值为50um,作为除数的低两字节,利用软件记数器、定时器0作为时间信号。定时完毕读取内部记数值,再对二进制数进行一系列变换后调用查表显示程序,显示在数码管上。二 硬件电路的设计2.1 传感器的选型2.1.1 霍尔元件的应用使用霍尔器件检测磁场的方法极为简单,将霍尔器件做成各种形式的探头,放在被测磁场中,因霍尔器件只对垂直于霍尔片表面的磁感应强度敏感,因而必须令磁力线和器件表面垂直,通电后即可由输出电压得到被测磁场的
6、磁感应强度。若不垂直,则应求出其垂直分量来计算被测磁场的磁感应强度值。而且,因霍尔元件的尺寸极小,可以进行多点检测,由单片机进行数据处理,可以得到场的分布状态,并可对狭缝,小孔中的磁场进行检测用磁场作为被传感物体的运动和位置信息载体时,一般采用永久磁钢来产生工作磁场。例如,用一个542.5(mm3)的钕铁硼号磁钢,就可在它的磁极表面上得到约2300高斯的磁感应强度。在空气隙中,磁感应强度会随距离增加而迅速下降。在计算总有效工作气隙时,应从霍尔片表面算起。在封装好的霍尔电路中,霍尔片的深度在产品手册中会给出。因为霍尔器件需要工作电源,在作运动或位置传感时,一般令磁体随被检测物体运动,将霍尔器件固
7、定在工作系统的适当位置,用它去检测工作磁场,再从检测结果中提取被检信息。2.1.2 UGN3144霍尔开关元件1UGN3144霍尔开关元件的工作原理UGN3144霍尔开关元件属于开关型霍尔传感器(集成霍尔开关),它是把霍尔片产生的霍尔电压VH放大后驱动触发电路,输出电压是能反映B的变化的方脉冲。集成霍尔开关由稳压器、霍尔电势发生器(即硅霍尔片)、差分放大器、施密特触发器和OC门输出五个基本部分组成。在输入端(1、2之间)输入电压Vcc,经稳压器稳压后加在霍尔发生器的两电流端。根据霍尔效应原理,当霍尔片处于磁场中时,霍尔发生器的两电压端将会有一个霍尔电势差VH 输出。VH 经放大器放大以后送至施
8、密特触发器整形,使其成为方波输送到OC门输出。图2-1 开关型霍尔传感器的原理当外磁场B达到“工作点”Bop时,触发器输出高电平(相对于地电位),三极管导通,此时,OC门输出端输出低电平,通常称这种状态为“开”;当外磁场B达到“释放点”Brp时,触发器输出低电平,三极管截止,OC门输出高电平,这时称其为“关”状态。Bop与Brp是有一定差值的,此差值BH=Bop-Brp称为霍尔开关的磁滞。B的变化不超过BH,霍尔开关不翻转,这就使得开关输出稳定可靠。集成霍尔开关传感器的输出特性如图(3-6)。图2-2 开关型霍尔传感器的输出特性UGN3144主要技术性能与特点Allegro MicroSyst
9、ems 公司生产的UGN 3144 器件是双极性磁场即N,S交变场磁启动的霍尔开关电路,它的主要性能特点如下:(1)电源电压为4.524V;(2)连续输出电流为25MA;(3)磁通密度不受限制,输出关断电压为25V;(4)具有反向电压保护(反向电压为35V)和极好的温度稳定性;3UGN3144霍尔开关元件的引脚功能和封装形式UGN3144 采用SOT89或者TO-243封装。其中,引脚端1为电源正端,引脚端2为接地,引脚端3为输出(OC形式)。图2-3 UGN3144的封装结构2.2传感器接口电路设计UGN3144霍尔开关元件芯片内部包含有稳压电路,霍尔效应电压产生电路,信号放大器,施密特触发
10、器和一个集电极开路输出电路。集电极开路输出电路可连续输出25MA电流,可直接控制继电器,双向可控硅,可控硅,LED和灯负载。其具有输出自举电路,也可直接与双极型和MOS逻辑电路连接。转速测量是开关型霍尔元件的典型应用,UGN3144霍尔开关元件感应被测量量的转速,当被测量量每转动一周,霍尔传感器便输出一个脉冲,因为该器件为集电极开路输出,故输出端加接一上拉电阻,其电压电压范围宽达4.5 V到24 V,对磁感应强度B要求不严,其输出电压经9012后可提高其负载能力。其具体电路图如3-8所示:图2-4 UGN3144霍尔开关元件与单片机的连接电路2.3 单片机最小系统的设计2.3.1 AT89C5
11、1单片机的简介单片机我们采用AT89C51(其引脚图如图5-1),相较于INTEL公司的8051它本身带有一定的优点。AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存贮器(FPEROMFalsh Programmable and Erasable Read Only Memory)的低电压,高性能CMOS 8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, AT89C单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的
12、方案。图2-5 AT89C51引脚图主要特性: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RAM32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管脚说明:1.VCC:供电电压;2.GND:接地;3.P0口:P0口为一个8位漏极开路双向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F
13、IASH进行校验时,P0输出原码,此时P0外部必须被拉高。4.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。5.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
14、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。6.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,如下表3-1所示:7.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。8.ALE/PR
15、OG: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。表2-1 P3口的第二功能引 脚第 二 功 能信 号 名 称P3.0RXD串行数据接收P3.1TXD串行数据发送P3.2INT0外部中断0请求P3.4INT1外部中断1请求P3.4T0定时器/计数器0输入P3.5T1定时器/计数器1输入P3.6WR外
16、部RAM写选通P3.7RD外部RAM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。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。9./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。 10./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
17、储器。在FLASH编程期间,此引脚也用于施加12V编程电源(VPP)。 11.XTAL1:反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。 12.XTAL2:来自反向振荡器的输出。2.3.2 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。MCS-51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,MCS-51保持复位状态。此时ALE、PSEN、P0、P1、P2、
18、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。 本设计中采用电容进行复位,其电路图如下:图2-6 复位电路2.3.3时钟电路 时钟电路是计算机的心脏,它控制着计算机的工作节奏。MCS-51单片机允许的时钟频率是因型号而异的典型值为12MHZ 。MCS-51内部都有一个反相放大器, XTAL1、XTAL2分别为反相放大器输入和输出端,外接定时反馈元件以后就组成振荡器,产生时钟送至单片机内部的各个部件。电路中的电容C1和C2典型值通常选择为30pf左右。对外接电容的值虽然没有严格的要求,但电容的大小会影响振荡器的频率的高低,振荡器的稳定性和起振的快速性。晶振的振荡频率
19、的范围通常是在1.2MHZ-12MHZ之间。晶振的频率越高,则系统的时钟频率也就越高,单片机的运行速度也就越快。但反过来运行速度快对存储器的速度要求就高,对印制电路板的工艺要求也高,即要求线简的寄生电容要小;晶振和电容应 尽可能安装得与单片机芯片靠近,以减少寄生电容,更好地保证振荡器稳定,可靠地工作。综合考虑,本设计采用30pf的电容,因为晶振的频率无法精确达到12MHZ,所以一般情况采用11.0592MHZ(本例中采用12MHZ),其电路图如下所示:图2-7 AT89C51的时钟电路2.4 显示电路的设计显示电路采用LED数码管动态显示,LED(Light-Emitting Diode)是一
20、种外加电压从而渡过电流并发出可见光的器件。LED是属于电流控制器件,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。显示器结构:常用的七段显示器的结构如图44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ag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,要画出电路图,首先还要搞清楚他的引脚图的分布,在了解了正确的引脚图后才能进行正确的字型段码编码。才能显示出正确的数字来,如图4-5
21、所示,为七段数码管的管脚图。图2-8 七段发光显示器的结构 图2-9 七段发光显示器管脚的结构驱动方式:采用的数码管驱动为74ls245,其结构简单,使用方便,图4-6为74ls245的图以及各个引脚的分布功能介绍。图2-10 74ls245管脚的结构显示方式:为了节省I/O口线,我们采用的动态显示方式。所谓动态显示,就一位一位地轮流点亮各位显示器(扫描),对于每一位显示器来说,每隔一段时间点亮一次。显示器的亮度既与导通电流有关,也与点亮时间和间隔时间的比例有关。调整电流和时间参数,可实现亮度较高较稳定的显示。若显示器的位数不大于8位,则控制显示器公共极电位只需8位口(称为扫描口),控制各位显
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