基于码盘转速测量系统的毕业设计文档格式.docx
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2.4.1MCS-51的定时器/计数器简介4
2.4.2定时器模式选择位5
第三章硬件电路的设计7
3.1单片机的选择7
3.1.180C51的介绍10
3.2旋转编码器的选择13
3.2.1PALD6615-256-C05E简介13
3.2.2PALD6615-256-C05E编码器的应用14
第四章显示部分15
4.1LED显示器15
4.2LCD显示器15
4.2.1LCD的分类及特点15
4.2.1笔段式LCD液晶显示器的驱动15
4.2.2LCD显示模块LCDM（LiquidCrystalDisplayModule）15
4.3LCD显示器的驱动接口17
结论19
谢辞20
参考文献21
附录一系统电路图22
附录二程序清单23
第一章绪论
1.1国内外转速测量技术简介[1]
测量角位移的数字编码器，它具有分辨能力强、测量精度高和工作可靠等优点，是测量轴转角位置的一种最常用的位移传感器。
光电轴角编码器通常按照光栅码盘团的编码方式进行分类。
目前常用的类型为增量式光电轴角编码器和绝对光电轴角编码器。
光栅式光电编码器正向着高分辨力的方向发展。
如日本尼康公司生产的2HR32400轴角编码器,每转可输出1296万个脉冲（0.1″）,可谓日本的最高分辨力。
我国在光电轴角编码器的开发方面上也已经取得了长足的进展,1985年航天部一院计量站研制的精密数显转台,分辨力0.01″;
1995年中科院长春光机所和中国计量科学研究院联合研制出的角度基准,分辨力0.001″,精度P+V=0.05″（误差修正后）;
成都光电所研制的JC21精密测角仪的增量式光电轴角编码器分辨力达到了0.02″,测角精度R≤0.04″[2]。
随着科学技术的发展，形形色色的转速测量仪不断出现。
它们的结构不同，性能各异。
至今没有系统的分类方法，在这里只按测量原理和主要元件性质进行分类说明。
按照测量原理主要分为测频法、测周法两种基本的方法，以此提高测量精度。
由于电子计数器所特有的±
1个数的误差的存在，应根据转速脉冲频率的大小恰当选择测量方法。
所谓测频法就是测量转速脉冲频率的方法，它用基准时间信号发生电路的脉冲来控制计数门的开闭，在单位时间内对来自转速传感器的脉冲进行计数。
所谓测周法就是测量转速脉冲周期的方法。
它用传感器的脉冲来控制计数门的开闭，在转速脉冲周期内对基准时间信号发生电路的脉冲进行计数，然后按f=1/T公式换算成转速脉冲的频率。
目前按现有产品的主要构成元件分类，可分为晶体管式、集成电路式和单片机式。
晶体管式所采用的元件主要是晶体管，有的晶体管式转速测量仪设有记忆电路，其数码管无闪烁现象，显示效果较好，而且测量速度较高。
顾名思义集成电路式转速测量仪，所采用的元件是集成电路元件。
由于集成电路具有重量轻、体积小、功耗小等优点，而且集成电路元件内设有显示电路，这使得转速测量仪实现小型化。
单片机的出现使得这种仪表的设计变得更加灵活[3]。
第二章原理说明及方案选择
2.1转速测量理论的简要介绍
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。
转速测量的方法有很多，根据工作原理可分为计数式、模拟式、同步式。
计数式方法是用某种方式读出一定时间内的总转数;
模拟式方法是测出由瞬时转速引起的某种物理量的变化;
同步式是用利用已知的频率与旋转体的旋转同步来测量转速[4]。
一般的转速测试可用机械式转速表、发电机式转速表以及频闪式转速表，但在有些情况下，其测量精度，瞬时稳定度不能满足更高的要求，因此，在测量方法和传感器的选择上显得尤为重要。
常用的传感器种类有光电传感器、电磁式传感器、电容式传感器等，而测量方法上有测量转速周期、转速频率等。
如表2-1所示
表2-1各种测速方法比较[5]
形式
测量方法
适用范围
特点
备注
计数式
机械式
通过齿轮转动数字轮
中、低速
简单、价廉
光电式
来自被测旋转体上的光线使光电管产生电脉冲
中、高速
数字式
电磁式
利用磁电转换器将转速变换成电脉冲
模拟式
利用离心力与转速成平方成正比的关系
简单
发电机式
利用电机电流或交流电压与转速成正比关系
高速
可远距离指示
测速发电机
电容式
利用电容充、放电与转速成正比的关系
同步式
转动带槽的圆盘，观察旋转体的同步关系
中速
闪光式
用已知频率闪光测出旋转体同步的频率
2.2方案选择
就转速测量原理而言，大体可分为二大类，一是用单位时间内测得物体的旋转角度来计算速度，例如在单位时间内，累计转速传感器发出的N个脉冲，即为该单位时间的速度。
这种以测量频率来实现测量转速的方法，称测频法。
即“M”法;
另一类是在给定的角位移距离内，通过测量这一角位移的时间来进行测速的方法，称测周法，即“T”法，如给定的角位移AO，传感器便发出一个电脉冲周期，以晶体震荡频率而产生的标准脉冲来度量这一周期时间，再经换算可得转速。
这两种测速方法各有优缺点，“M”法一般用于高速测量，在转速较低时，测量误差较大，而且，检测装置对转速分辨能力也变差;
而“T”法一般用于低速侧量，速度越低测量精度越高，但在测量高转速时，误差较大。
从测速设备的工作性质考虑，本设计使用测频法，即“M”法。
2.3方案原理
在一定测量时间T内，测量脉冲发生器（替代输入脉冲）产生的脉冲数m1，来测量转速。
如图2-1所示
图2-1“M”法测量转速脉冲
设在时间T内，转轴转过的弧度数为Xτ，则的转速n可由下式表示：
n=60Xτ/2πT（2-1）
转轴转过的弧度数Xτ，可用下式所示
Xτ=2πm1/p（2-2）
将（2-1）式代入（2-2）式，得
转速n的表达式为:
n=60m1/Tp（2-3）
n——转速单位:
（转/分）
T——定时时间单位:
（秒）
在该方法中，测量精度是由于定时时间T和脉冲的不能保证严格同步，以及在T内能否正好测量外部脉冲的完整的周期，可能产生的1个脉冲的量化误差。
因此，为了提高测量精度，T要有足够长的时间。
定时时间可根据测量对象情况预先设置。
设置的时间过长，可以提高精度，但在转速较快的情况下，所计的脉冲数增大（码盘孔数已定情况下），限制了转速测量的量程。
而设置的时间过短，测量精度会受到一定的影响。
2.4转速测量参数及电路参数分析
选定方案中m1的值为旋转编码器前后两次读数之差，定时时间初步选定为100ms。
2.4.1MCS-51的定时器/计数器简介
2个16位的定时/计数器，有多种工作方式。
定时/计数器工作在定时模式时，计数脉冲信号来自单片机的内部，计数速率是晶振频率的1/12，当计数器启动后，每个机器周期计数器自动加1。
定时/计数器工作在计数模式时，计数器对外部脉冲进行计数，计数器计P3.4（T0脚）P3.5（T1脚）负跳变次数。
每产生一次负跳变，计数器自动加1。
如图2-2及表2-2
图2-2TMOD寄存器用于定时/计数的操作方式及工作模式指令格式
表2-2操作方式选择位
2.4.2定时器模式选择位
C/T＝0，定时器模式，每一个机器周期计数器自动加1。
C/T＝1，计数器模式，在单片机T0引脚上每发生一次负跳变，计数器自动加1。
GATE＝0，定时/计数器工作不受外部控制。
GATE＝1，定时/计数器T0的起停受INT0引脚的控制。
1.计算计数初始值
因为系统的晶振频率为fosc=12MHz，则机器周期Tm=12/fosc=1μs。
设计数初始值为X：
X=216-td/Tm=216-1×
105/1=15535
则（TH0）=00111100B＝3CH，（TL0）=10101111B=AFH
2.设置工作方式
方式0：
M1M0=01；
定时器模式：
C/T=1；
定时/计数器启动不受外部控制：
GATE=0；
因此，（TMOD）=05H。
关于测速电路的参数，本次设计采用了如下方案：
AT80C51单片机属于CMOS型8位单片机，其在片内的振荡器电路由晶体控制的单极线性反相器组成，同HMOS型所用方法一样，要求用晶体控制的感性阻抗方波振荡器，但也存在一些差别，其一为80C51可在软件的控制下关闭振荡器，其二为80C51的内部时钟电路由XTAL2引脚上的信号来驱动。
本次设计中的振荡器可用晶体作为感性电抗与外部电容组成并联共振槽路。
晶体的特性与电容值的大小（C1、C2）并不严格，高质量的晶体对任何频率都可取用30pF的电容，对于廉价应用中，可采用陶瓷共振器，这时C1、C2一般取47pF；
这里选取频率12MHZ晶振，电容C1、C2为30pF。
看门狗电路电路参见图2-3
图2-3MAX813L看门狗电路
图中，电阻R1和R2分压产生1.25V电源门限值。
当此脚的电压低于1.25V时，即电源电压低于额定值时，PFO将产生一个脉冲信号，可以用于向CPU发出中断申请，使CPU完成应急处理。
此功能可完成电源电压的监测。
P1.0喂狗信号，在软件的编制中通过对P1.0的位操作向MAX813L的看门狗输入端输入一个负脉冲。
如果程序出现“跑飞”现象，程序将不能正常运行，这个定时发出的脉冲也得不到保障。
当单片机超过1.6秒未向MAX813L的看门狗输入端发脉冲信号，MAX813L内部的定时器将会强制将WDO拉到低电平，这个低电平通过MR产生复位信号。
单片机复位后从初始状态开始运行，从而保证系统的可靠性，起到了看门狗的作用。
此电路同时兼有上电复位和按键复位功能。
第三章硬件电路的设计
3.1单片机的选择
随着大规模集成电路（LSI）制造技术的飞速发展，单片机也随之迅猛发展，其发展历史大致分为三个阶段：
第一阶段（1976年—1978年）：
初级单片微处理器阶段。
以Intel公司的MCS-48为代表。
此系列的单片机具有8位CPU，并行I/O端口，8位时序同步计数器，寻址范围不大于4KB，但是没有串行口。
第二阶段（1978年—现在）：
高性能单片机微处理器阶段，如Intel公司MCS-5，Motorola公司的6801和Zilog公司的Z8等，该类型单片机具有串行I/O端口，有多种中断处理系统，16位时序同步计数器，RAM，ROM容量加大，寻址范围可达64KB，有的芯片甚至还有A/D转换接口。
由于该系列单片机应用领域极其广泛，各公司正大力改进其结构与性能。
第三阶段（1982年—现在）：
8位单片机，经处理器改良型及16位单片机微处理器阶段。
在本次设计中，有多种型号的单片机可供选择，具体型号如89C2051，89C51，89C52，80C51，89S52单片机都可以较好地完成本次设计的要求，因此设计者选用了近来应用较为广泛的80C51型单片机。
一个单片机应用系统的硬件电路设计应包含有两个部分内容:
第一是系统扩展，即当单片机内部的功能单元，如ROM、RAM、I/O口、定时/计数器、中断系统等容量不能满足应用系统要求时，必须在片外进行扩展，选择适当的芯片，设计相应的电路。
第二是系统配置，即按照系统功能要求配置外围设备，如键盘、显示器、打印机、D/A、A/D转换器等，并设计相应的接口电路。
因此，系统的扩展和配置应遵循下列原则[6]:
1.尽可能选择典型电路，并符合单片机的常规用法。
2.系统的扩展与外围设备配置应满足系统功能的要求，并留有适当的余量，
以便进行二次开其旋光作用也随之消失，偏振光便可以直接通过。
当去掉电场后液晶分子又恢复其扭曲结构。
把这样的液晶放在两个偏振之间，改变偏振片的相对位置就可得到黑底白字或白底黑字的显示形式。
LCD的响应时间为毫秒级，域值电压为3～20V，功耗为5～100mW/cm2.
LCD常采用交流驱动，通常采用异或门把显示控制信号和显示频率信号合并为交变的驱动信号。
当显示控制电极山上波形与公共电极上的方波相位相反时，则为显示状态。
显示控制信号由C端输入，高电平为显示状态。
显示频率信号是一个方波。
当异或门的C端为低电平时，输出端B的电位与A端相反，LCD两端呈现交替变化的电压，LCD显示。
常用的扭曲-向列型LCD，其驱动电压范围是3～6V。
由于LCD是容性负载，工作频率越高消耗的功率越大。
而且显示频率升高，对比度会变差，当频率升高到临界高频以上时，LCD就不能显示了，所以LCD宜采用低频工作。
LCD的驱动方式分为静态和时分割驱动两种。
不同的LCD显示器要采用不同的驱动方式。
静态驱动方式的LCD每个显示器的每个字段都要引出电极，所有显示器的公共电极连在一起后引出。
显然显示位数越多，引出线也越多，相应的驱动电路也越多，故适用于显示位数较少的场合。
时分割驱动方式实际上是用矩阵驱动法来驱动字符显示。
字段引线相当于行引线，公共电极相当于列引线，字符的每一个字段相当于矩阵的一个点。
分时驱动是常用的时分割驱动方法。
分时驱动常采用偏压法。
4.3LCD显示器的驱动接口
驱动接口分为静态驱动和时分割驱动两种接口形式。
静态LCD驱动接口的功能是将要显示的数据通过译码器译为显示码，再变为低频的交变信号，送到LCD显示器。
译码方式有硬件译码和软件译码两种，硬件译码采用译码器，软件译码由单片机查表的方法完成。
LCD显示器采用4N07。
4N07的工作电压为3～6V，阈值电压为1.5V，工作频率为50～200Hz，采用静态工作方式，译码驱动器采用MC14543。
MC14543是带锁存器的CMOS型译码驱动器，可以将输入的BCD码数据转换为7段显示码输出。
驱动方式由PH端控制，在驱动LCD时，PH端输入显示方波信号。
LD是内部锁存器选通端，LD为高电平时，允许A～D端输入BCD码数据，LD为低电平时，锁存输入数据。
BI端是消隐控制，BI为高电平时消隐，即输出端a～g输出信号的相位与PH端相同。
LCD的时分割驱动接口通常采用专门的集成电路芯片来实现。
MC145000和MC145001是较为常用的一种LCD专用驱动芯片。
MC145000是主驱动器，MC145001是从驱动器。
主、从驱动器都采用串行数据输入，一片主驱动器可带多片从驱动器。
主驱动器可以驱动48个显示字段或点阵，每增加一片从驱动器可以增加驱动44个显示字段或点阵。
驱动方式采用1/4占空系数的1/3偏压法。
MC145000的B1～B4端是LCD背电极驱动端，接LCD的背电极，即公共电极COM1～COM4。
MC145000的F1～F12和MC145001的F1～F11端是正面电极驱动器，接LCD的字段控制端。
对于7段字符LCD，B1接a和f字段的背电极，B2接b和g的背电极，B3接e和c的背电极，B4接d和Dp的背电极。
F1接d、e、c、f和g的正面电极，F2接a、b、c和DP的正面电极。
DIN端是串行数据输入端。
DCLK是移位时钟输入端。
在DIN端数据有效期间，DCLK端的一个负跳变，可以把数据移入移位寄存器的最高序号位，即MC145000的第48位或MC145001的第44位，并且使移位寄存器原来的数据向低序号移动一位。
MC145000的最低位移入MC145001的最高位。
串行数据由单片机80C31的P3.0端送出。
首先送出MC145001的第一位数据，最后送出MC145000的第48位数据。
数据“1”使对应的字段显示，“0”为不显示。
MC145000内部显示寄存器各位与显示矩阵的对应关系如表4-10所示。
MC145001与MC145000的区别只是少了F12端对应的一列，其它对应关系都一样。
MC145000带有系统时钟电路，在OSCIN和OSCOUT之间接一个电阻即可产生LCD显示所需要的时钟信号。
这个时钟信号由OSCOUT端输出，接到个片MC145001的OSCIN端。
时钟频率由谐振电路的电阻大小决定，电阻越大频率越低。
使用470KΩ的电阻时，时钟频率为50Hz。
时钟信号经256分频后用作显示时钟，其作用与静态时的方波信号一样，用于控制驱动器输出电平的等级和极性。
另外这个时钟还是动态扫描的定时信号每一周期扫描4个背电极中的一个。
由于背电极的驱动信号只在主驱动器MC145000发生，所以主从驱动器必须同步工作。
同步信号由主驱动器的贞同步输出端FSOUT输出，接到所有从驱动器的贞同步输入端FSIN。
每扫描完一个周期，主驱动器即发一次帧同步信号，并且在这时更新显示寄存器的内容。
基于LCD显示块低功耗、短响应时间以及适应低频工作的特点，设计者选用LCD显示器完成显示部分的功能。
结论
本文对单片机用于转速测量的理论、原理进行了系统的分析、比较，并对每种测量方法定性、定量的予以阐述，设计了显示接口电路和应用程序。
以下从四个方面进行总结:
硬件电路
单片机用于转速测量种类较多，方法各有不同，在硬件设计上根据使用场合、功能和要求，采用的电路也有差异，单片机有用80C51系列的80C31、80C51等，并对其进行扩展。
本系统采用80C51单片机，充分利用单片机内部自带的16位定时计数器进行设计，较完全的开发了单片机自身的功能，接口利用了80C51的P2口具有较大的电流驱动能力的特点，未扩展驱动芯片，直接由单片机驱动，简化了硬件电路。
有一定的实用价值和较高的性价比，可用于工业控制中的转速检测、民用电器及其他应用。
在测量原理上采用先进的M的测量方法，保证了高转速的测量中获得较高的精度。
应用范围广泛，可通过扩展进行二次开发。
程序调试
本系统进行了全面的程序设计，显示程序、中断服务程序和初始化程序，并对这些程序在uvision2软件上进行编译和调试，可以运行和转换成HEX文件，通过编程器写入芯片中。
基本达到了设计的要求.
改进方法和进一步的工作
转速的定时时间长、短，其设定值是人为估计的，可以针对具体的应用，根据转速的实际情况来调整定时时间。
下步工作能制作完整电路工作板，即硬件电路，用示波器测量其参数。
更深入的分析其精度和误差。
谢辞
三个月的设计，在黄彬老师的悉心指导和同学们的热情帮助下完成了，在这里，我感谢黄彬老师的耐心指导，感谢李平老师、李亚荣老师以及实验室李淑娟老师和丁彦闯老师以及研究生付俊鹏学长的热情帮助和大力支持。
在临近毕业之际，我还要借此机会向在这五年中给予我诸多教诲和帮助的各位老师表示由衷的谢意，感谢他们五年来的辛勤栽培。
参考文献
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[2]刘保录基于单片机的电机综合参数测试仪设计[M].第10卷第2期
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[4]李庆祥，徐端颐．实用光电技术[M]．第一版．北京：
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[5]吴凡.高精度编码
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