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1、 无锡工艺职业技术学院毕业设计 无锡工艺职业技术学院无锡工艺职业技术学院 毕业设计（论文）毕业设计（论文） 题题 目：目：基于单片机的直流电机测速系统基于单片机的直流电机测速系统 系系 部：部： 电子信息系 专专 业：业： 应用电子技术 学学 号：号： 学生姓名：学生姓名： 指导教师：指导教师： 职职 称：称： 讲 师 二二 O O 一一年一一年 5 5 月月 1111 日日 无锡工艺职业技术学院毕业设计 摘摘 要要 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
2、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(M1M5)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
3、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 无锡工艺职业技术学院毕业设计 II AbstractAbstract The rotate spee
4、d is one of the important parameters for the engine, and it is also the important factor that calculates other parameters. At present there are many methods for the tachometric survey measurement. After analyze various rotate speed measurement methods, the photoelectric sensor tachometric survey sys
5、tem is presented. The composition and the principle of the system are presented, and the design method of hardware and the software are also presented. The whole system has the bigger promotion application value. Speeds measurements are usually several ： electric sensors optional lesson, speed senso
6、r Magnetic and electric speed sensor source, there is a source Magnetic and electric speed sensor, etc. Specific needs, then what kind of sensor based on measurements of the speed required. For example, at the measuring whether we need to detect zero speed, high speed of the highest speeds, the devi
7、ce speed. the device speed has the following ： with standard line is getting on the m1 ( m5) for speed has in turn, hinges on one tank The speed of scientific research in the measurement can be divided into two types of direct and indirect ； the the two categories. A direct measurement method is thr
8、ough a direct measurement of principle or effect, such as to speed the Doppler, space based on zero speed, etc. this method of the greatest advantage is responsive to the transient and equipment costs are high, and the physical environment. remote measurement method is to measure the distance and ti
9、me through calculation, such as test speed display, light, speed, which the grille zero speed, and images, speed, for measuring small sky law of the law and light Key words：single-chip computer，photoelectric sensor，rotate speed measurement，data processing，1602 Liquid Crystal Display 无锡工艺职业技术学院毕业设计 目
10、目 录录 摘摘 要要I 关键词关键词 ： .I ABSTRACTABSTRACT.II 目目 录录 .III 第一章绪第一章绪 论论1 第二章系统组成及工作原理第二章系统组成及工作原理 2 2.12.1 转速测量原理转速测量原理.2 2.22.2 转速测量系统组成框图转速测量系统组成框图.2 第三章系统硬件电路的设计第三章系统硬件电路的设计 3 3.13.1 脉冲产生电路设计脉冲产生电路设计.3 3.23.2 光电转换及信号调理电路设计光电转换及信号调理电路设计.3 3.2.13.2.1 光电传感器简介光电传感器简介.4 3.2.23.2.2 光电转换及信号调理电路设计光电转换及信号调理电路设
11、计.4 3.33.3 测量系统主机部分设计测量系统主机部分设计.6 3.3.13.3.1 单片机单片机.6 3.3.23.3.2 16021602 液晶显示模块设计液晶显示模块设计8 7 7.9 3.3.33.3.3 74Ls0474Ls04 反向器反向器11 3.3.43.3.4 串行通信模块设计串行通信模块设计.13 第四章系统软件设计第四章系统软件设计.14 4.14.1 程序模块设计程序模块设计14 4.24.2 数据处理过程数据处理过程.15 4.34.3 浮点数学运算程序浮点数学运算程序.16 第五章制作调试第五章制作调试 17 第六章结果分析第六章结果分析 19 第七章结第七章结
12、 论论19 致致 谢谢: : 20 无锡工艺职业技术学院毕业设计 IV 参考文献参考文献.20 无锡工艺职业技术学院毕业设计 第一章绪第一章绪 论论 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STC 89C52型单 片机设计的一种转速测量与控制系统。STC 89C52单片机采用了CMOS
13、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。 无锡工艺职业
14、技术学院毕业设计 2 第二章系统组成及工作原理第二章系统组成及工作原理 2.12.1 转速测量原理转速测量原理 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） 2.22.2 转速测量系统组成框图转速测量系统组成框图 系统由信号预处理电路、
15、单片机STC 89C52、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
16、 图如图2.1所示。 图图图 2.12.12.1 系统的原理框图系统的原理框图系统的原理框图 信 号放大器 1602 液晶显示 波形变换波形整形 单 片 机 RS232 无锡工艺职业技术学院毕业设计 第三章系统硬件电路的设计第三章系统硬件电路的设计 3.13.1 脉冲产生电路设计脉冲产生电路设计 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
17、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
18、。 图图图 3.13.13.1 脉冲发生源硬件结构图（左为正视图，右为侧视图）脉冲发生源硬件结构图（左为正视图，右为侧视图）脉冲发生源硬件结构图（左为正视图，右为侧视图） 3.23.2 光电转换及信号调理电路设计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 1
19、0mml0mm，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。 无锡工艺职业技术学院毕业设计 4 3.2.13.2.1 光电传感器简介光电传感器简介 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
20、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，
21、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
22、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。 3.2.23.2.2 光电转换及信号调理电路设计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。 无锡工艺职业技术学
23、院毕业设计 图图图 3.23.23.2 光电转换部分与单片机的连接框图光电转换部分与单片机的连接框图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
24、与该输入端的相位相同。 LM324 的引脚排列见图 3.4 图图图 3.33.33.3 放大器图放大器图放大器图 图图图 3.43.43.4 引脚图引脚图引脚图 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 MULTISIM 8 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
25、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。 计数脉冲 传感器整形驱动 74Ls04 STC 89C52 1602 液晶显示 器 无锡工艺职业技术学院毕业设计 6 图图图 3.53.53.5 电路模拟仿真示意图及其模拟仿真结果电路模拟仿真示意图及其模拟仿真结果电路模拟仿真示意图及其模拟仿真结果 3.33.3 测量系统主机部分设计测量系统主机部分设计 3.3.13.3.1 单片机单片机 单片机是单片微型计算机（Single Chip Microcomputer）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
26、 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 STC 89C52 型单片机。STC 89C52 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 STC 89C5
27、2 结构框图。 STC 89C52 单片机的特点： 无锡工艺职业技术学院毕业设计 它内部有一个 8 位的 CPU，具有 4KB 的 EEPROM。 128 字节的 RAM 数据存储器，21 个特殊功能寄存器 SFR。 4 个 8 位并行 I/O 口，其中 P0、P2 为地址/数据线，可寻址 64KB ROM 和 64KB RAM. 一个可编程全双工串行口,具有 5 个中断源。 两个 16 位定时器/计数器。 计数脉冲输入 T0 T1 P0 P1 P2 P3 TXD RXD INT0 INT1 中断输入 图图图 3.63.63.6 STCSTCSTC 89C5289C5289C52 结构框图结构
28、框图结构框图 图 3.7 是 STC 89C52 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： 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。 数据总线（DB）：数据总线宽度为 8 位，由 P0 提供。 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
29、。 CPU 串行接口并行 I/O 接口中断系统 特殊功能寄存器 SFR128 字节 RAM 4K ROM（EPR OM） （8031 无） 定时/计数 器 T0、T1 时钟源 无锡工艺职业技术学院毕业设计 8 图图图 3 3 3 . . . 7 7 7 S S S T T T C C C 8 8 8 9 9 9 C C C 5 5 5 2 2 2 管脚图管脚图管脚图 3.3.23.3.2 16021602液晶显示模块设计液晶显示模块设计 管脚功能 引引引 脚脚脚 说说说 明明明 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 VC
30、C(15 脚)和地线 GND(16 脚)，其控制原理与 14 脚的 LCD 完全一样，其中： 无锡工艺职业技术学院毕业设计 引脚符号功能说明 1VSS 一般接地 2VDD 接电源（+5V） 3V0 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）。 4RS 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。 5R/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。 6E E(或 EN)端为使能(enable)端，下降沿使能。 7 7
31、DB0 底 4 位三态、 双向数据总线 0 位（最低位） 8DB1 底 4 位三态、 双向数据总线 1 位 9DB2 底 4 位三态、 双向数据总线 2 位 10DB3 底 4 位三态、 双向数据总线 3 位 11DB4 高 4 位三态、 双向数据总线 4 位 12DB5 高 4 位三态、 双向数据总线 5 位 13DB6 高 4 位三态、 双向数据总线 6 位 14DB7 高 4 位三态、 双向数据总线 7 位（最高位）（也是 busy flag） 15BLA 背光电源正极 16BLK 背光 电源负极 无锡工艺职业技术学院毕业设计 10 寄存器选择控制表 RSR/W 操作说明 00 写入指令
32、寄存器（清除屏等） 01 读 busy flag（DB7），以及读取位址计数器（DB0DB6）值 10 写入数据寄存器（显示各字型等） 11 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. busy flag（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 12345678910111213141516 00 H 01 H 02 H 03 H 04 H 05 H 06 H 07 H 08 H 09 H 0A H 0B H 0C H 0D H 0E H 0F H 40 H 41 H 42 H 43 H 4
33、4 H 45 H 46 H 47 H 48 H 49 H 4A H 4B H 4C H 4D H 4E H 4F H 3.3.33.3.3 74Ls0474Ls04反向器反向器 54/7404 六反向器简要说明 无锡工艺职业技术学院毕业设计 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tPLHtPHLPD 5404/740412ns8ns60mW 54H04/74H046ns6.5ns140mW 54S04/74S043ns3ns113mW 54LS04/74LS049ns10ns12mW
34、 引出端符号 1A6A输入端 1Y6Y输出端 双列直插封装双列直插封装双列直插封装 极限值 电源电压.7V 输入电压54/7404、54/74H04、54/74S04.5.5V 54/74LS047V 工作环境温度 54XXX. -55125 74XXX. 070 存储温度-65150 功能表 推荐工作条件 5404/74054H04/74H0454S04/74S0454LS04/74LS04 单位 无锡工艺职业技术学院毕业设计 12 4 最 小 额 定 最大最小额定最大最小额定最大最小额定最大 544.555.54.555.54.555.54.555.5 电 源 电压 Vcc 744.75
35、55.254.7555.254.7555.254.7555.25V 输入高电平电 压 ViH 2222V 540.80.80.80.7 输入低电 平 电 ViL 740.80.80.80.8V 输出高电平电 流 IOH -400-500-1000-400A 541620204 输出低电 平 电流 IOL 741620208mA 静态特性（TA 为工作环境温度范围） 04H04S04LS04参数测 试 条 件 【1】 最小最大最小最大最小 最大最小最大 单位 Iik=-8mA-1.5 Iik=-12mA-1.5 VIK输入嵌位 电压 Vcc=最 小 Iik=-18mA 1.2 -1.5 V 54
36、2.42.42.52.5VOH输出高电 平电 压 Vcc 最小 VIL 最 大 I OH 最 大 742.42.42.72.7 V 540.40.40.50.4VOL输出低 电平电 压 Vcc=最小， VIL最 大， VIH=2V,IO L=最大 740.40.40.50.5V VI=5.5V111II最大输入 电压时 输入 电流 Vcc最 大 VI=7V0.1 mA VIH=2.4V4050 I 输入高电 平电流 Vcc最 大 VIH=2.7V5020 uA VIL=0.4V-1.6- 2 -0.4I 输入低电 平电流 Vcc最 大 VIL=0.5V-2 mA 54-20-55-40-100
37、-40-100-20-100I 输出短 路电流 Vcc 最 大 74-18-55-40-100-40-100-20-100mA ICCH输出高电平时电 源电流 Vcc最大 1226242.4mA ICCL输出低电平时电 源电流 Vcc最大 3358546.6mA 无锡工艺职业技术学院毕业设计 1: 测试条件中的“最小”和“最大”用推荐工作条件中的相应值。 动态特性(TA=25) 04H04S04 LS04 参数测 试 条 件 最大最大最大最大 单位 tPLH输出由低到高传输 延迟时间 22104.515ns tPHL输出由高到低传输 延迟时间 Vcc =5V,CL=50Pf(H04 为 25P
38、f) RL=400(H04 和S04 为 280， LS04 为2K) 1510515ns 3.3.43.3.4 串行通信模块设计串行通信模块设计 STC89 C52 单片机的串行通讯接口的输入输出为 TTL 高电平为 3.8V-5V，低电 平为 0-0.3V，这对近距离通讯还可以，但当通讯距离远时，就会因为 TTL 电平低， 抗干扰能力弱而影响可靠性。为了提高串行通讯接口的抗干扰能力和增强可靠性， 于是就出现了许多通讯标准和规程。目前，RS-232 标准就是其中比较常用的一种， 这样，一方面可提高这些设备的通用性，另一方面又增强了数据传送时的可靠性。 232 电平转换采用 MAX232 芯片
39、把 TTL 电平转换成 RS232 电平格式，可以用于 单片机与微机通信，以及单片机与单片机之间的通信，测量系统设计了两个 DB9 的 接口，其中一个用于 ISP 下载器模块的程序下载接口，称为“ISP Interface”， 另一个接口为单片机与其它具有 RS232 接口的通信端口，称为“Common Port”。具 体的电路原理图如图 3.11 所示。 图图图 3.113.113.11 电路原理图电路原理图电路原理图 1 6 2 7 3 8 4 9 5 CHUANKOU1 CH UAN KOU R1 IN 13 R2 IN 8 T1 IN 11 T2 IN 10 GN D 15 V+ 2
40、V- 6 VC C 16 R1 OUT 12 R2 OUT 9 T1 OUT 14 T2 OUT 7 C1+ 1 C1 - 3 C2+ 4 C2 - 5 U5RS 232A VC C GN D C41uF C51uF C6 1uF C8 1uF C7 1uF P30 P31 无锡工艺职业技术学院毕业设计 14 第四章系统软件设计第四章系统软件设计 4.14.1程序模块设计程序模块设计 软件部分由数据处理程序、中断服务子程序、1602 液晶显示程序等几个部分组 成。 数据处理完成对各种测量数据的处理，如各种数据的计算、数据格式的转换等。 定时器 1 服务子程序设计，流程图如图 4.2 所示。定时
41、器 1 完成定时功能，定 时 2Oms，并每隔 20ms 进行一次显示，每隔 1 秒读一次计数结果。单片机对在 1 秒 内计数的值进行处理，转换成每分钟的速度送显存以便显示。 具体算法如下:主程序在对定时器、计数器、堆栈等进行初始化后即判断标志是 否为 1，如果为 1，说明要求对数据进行计算处理，首先将标志清零，以保证下次 能正常判断，然后进入数据处理程序，由于这里的闸门时间为 1s，而显示要求为转 /分，因此，要将测到的数据进行转换，转换的方法是将测得的数据乘以 60，但由 于转轴上安装有 12 只孔，每旋转一周可以得到 12 个脉冲，因此，要将测得的数据 除以 12，所以综合起来，将测得的
42、数据乘以 5 即可得到每分钟的转速。计算得到的 结果是二进制的整数，要将数据送往显示缓冲区需要将该数转化为 BCD 码。运算得 到的是压缩 BCD 码，需要将其转换为非压缩 BCD 码，从标号 CBCD 开始的一段程序即 作了这样的处理。需要说明的是，这里多位二进制乘法和多位二进制到 BCD 码的转 换都是用了现成的成熟子程序，因此，首先将二进制数转换为压结合实际 BCD 码， 然后再转换成非压缩 BCD 码，看似多写了些程序，实际上这对于保证程序的质量很 有好处。定时器 T1 用作定时发生器，在定时中断程序中进行数码管的动态扫描，同 时产生 1s 的闸门信号。1s 闸门信号的产生是通过一个计
43、数器 Count，每次中断时间 为 20ms，每计 50 次即为 1s，到了 1s 后，即清除计数器 Count，然后关闭作为计数 器用的 T0，读出 TH0、TL0 中的数值，分别送入 SpCount 和 SpCoun+1 单元，将 T0 中的值清空，置标志为 1，要求主程序进行速度值的计算。 无锡工艺职业技术学院毕业设计 图图图 4.24.24.2 定时器定时器定时器 1 1 1 服务子程序流程图服务子程序流程图服务子程序流程图 4.24.2 数据处理过程数据处理过程 在系统开始工作，或者完成一次频率测量，系统软件都进行测量初始化。测量 初始化模块设置堆栈指针(SP) 、工作寄存器、中断控
44、制和定时/ 计数器的工作方式。 定时/ 计数器的工作首先被设置为计数器方式。 在对定时/ 计数器的计数寄存器清 0 后，置运行控制位 TR 为 1 ，启动对待测 信号的计数。计数闸门由软件延时程序实现，从计数闸门的最小值开始，也就是从 测量频率的高量程开始。计数闸门结束时 TR 清 0 ，停止计数。计数寄存器中的值 通过 16 进制数到 10 进制数转换程序转换为 10 进制数。对 10 进制数的最高位进行 判别，若该位不为 0 ，满足测量数据有效位数的要求，测量值和量程信息一起送到 显示模块;若该位为 0 ，将计数闸门的宽度扩大 10 倍，重新对待测信号的计数，直 到满足测量数据有效位数的要
45、求。 当上述测量判断过程直到计数闸门宽度达到 1s ，这时对应的频率测量范围为 100Hz - 999Hz ，如果测量结果仍不具有 3 位有效数字，频率计则使用定时方法测 量待测信号的周期。定时/计数器的工作这时被设置为定时器方式，在对定时/ 计数 中断程序开始 T1重装初值 保护现场 定时单元+1 满1S 读取TH0 恢复现场 N N Y Y 无锡工艺职业技术学院毕业设计 16 器的计数寄存器清 0 后，判断待测信号的上跳沿是否到来。待测信号的上跳沿到来 后，置运行控制位 TR 为 1 ，以单片机工作周期为单位，启动对待测信号的周期测 量。然后判断待测信号的下跳沿是否到来，待测信号的下跳沿到
46、来后，运行控制位 TR 清 0 ，停止计数。16 位定时/ 计数器的最高计数值为 65535 ，这样在待测信号 的频率较低时，定时/ 计数器将发生溢出。当产生定时/ 计数器将溢出，程序进入 定时器中断服务程序，中断服务程序对溢出次数进行计数。待测信号的周期由 3 个 字节组成:定时/ 计数器溢出次数、定时/ 计数器的高 8 位和低 8 位。信号的频率 f 与信号的周期 T 之间的关系为: f = 1/ T 完成信号的周期测量后，需要做一次倒数运算才能获得信号的频率。为提高运 算精度，这里采用浮点数算术运算。浮点数用 3 个字节组成，第一字节最高位为数 符，其余 7 位为阶码;第二字节为尾数的高
47、字节;第三字节为尾数的低字节。待测信 号周期的 3 个字节定点数首先通过截取高 16 位、设置数符和计算阶码转换为上述 格式的浮点数。然后浮点数算术运算对其进行处理，获得用浮点数格式表达的信号 频率值。浮点数到 BCD 码转换模块把用浮点数格式表达的信号频率值变换成测转速 的显示格式，送到显示模块显示待测信号的频率值。 4.34.3 浮点数学运算程序浮点数学运算程序 STC89C52 系列单片机属于微控制器，由于其 CPU 字长和指令功能的限制，它适 用于控制领域，在信号处理方面不很擅长。在频率计中需要完成周期到频率的换算， 为保证测量结果的准确，这里应用了浮点数数学运算。从周期到频率的换算过程包 括: 3 字节定点数到浮点数的转换、浮点数数学运算和浮点数到十进制码的转换。 无锡工艺职业技术学院毕业设计 第五章制作调试第五章制作调试 在硬件调试与制作方面，可从下面系列着手考虑。 信号盘可用一般钢板制成，这个信号盘就是发动机实验时所用的转盘，盘上共 有 12 个齿，每个大孔直径为 6mm，盘中心还有一个中心孔。中心孔主要用于在固定 发动机上。将信号盘与电机安装在一起，使其随电机转动；传感器固定在支架上， 垂直于转速盘，当转速盘旋转时，光电传感器就输出矩形脉