基于51单片机测电机转速的设计Word文档下载推荐.docx
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第一章绪论
1.1测速仪的分类
目前测量电机转速的方法很多，按照不同的理论方法，先后产生过模拟测速法（如离心式转速表、用电机转矩或者电机电枢电动势计算所得）、同步测速法（如机械式或闪光式频闪测速仪）以及计数测速法。
计数测速法又可分为机械式定时计数法和电子式定时计数法。
传统的电机转速检测多采用测速发电机或光电数字脉冲编码器，也有采用电磁式（利用电磁感应原理或可变磁阻的霍尔元件等）、电容式（对高频振荡进行幅值调制或频率调制）等，还有一些特殊的测速器是利用置于旋转体内的。
1.2测速仪的运用与发展
在工程实践中,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,常需要分时或连续测量和显示其转速及瞬时转速。
要测速，首先要解决是采样问题。
在使用模技术制作测速表时，常用测速发电机的方法，即将测速发电机的转轴与待测轴相连，测速发电机的电压高低反映了转速的高低。
为了能精确地测量转速外,还要保证测量的实时性,要求能测得瞬时转速方法。
因此转速的测试具有重要的意义。
1.3本设计的意义与要求
运用霍尔元件与单片机构成的单片机测速系统，采用的是非接触式传感器，它可以方便的进行使用，只要将磁铁与旋转体相连靠近霍尔传感器即可，根据设定的程序当转速低于50绿报警灯亮显示报警，当转速高于500红报警灯亮显示报警，同时四位数码管显示当前转速。
第二章单片机测速仪的主要元件介绍
2.1单片机89c51的介绍
AT89C51简介：
AT89C51是一种带4K字节FLASH存储器（FPEROM—FlashProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低电压、高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。
AT89C2051是一种带2K字节闪存可编程可擦除只读存储器的单片机。
单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除1000次。
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，AT89C2051是它的一种精简版本。
AT89C51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方案。
外形及引脚排列如图所示2-1所示
图2-1外形及引脚排列
特性概述:
AT89C51提供以下标准功能：
4k
字节Flash
闪速存储器，128字节内部RAM，32个I/O口线，两个16位定时/计数器，一个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。
同时，AT89C51可降至0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。
空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM，定时/计数器，串行通信口及中断系统继续工作。
掉电方式保存RAM中的内容，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位。
管脚说明：
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P0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/地址的低八位。
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外部必须接上拉电阻。
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口作为低八位地址接收。
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，如下表所示：
口管脚备选功能
P3.0RXD（串行输入口）
P3.1TXD（串行输出口）
P3.2/INT0（外部中断0）
P3.3/INT1（外部中断1）
P3.4T0（计时器0外部输入）
P3.5T1（计时器1外部输入）
P3.6/WR（外部数据存储器写选通）
P3.7/RD（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低位字节。
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。
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。
石晶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。
2.2霍尔元件的介绍
霍尔位置传感器原理和应用
一．霍尔位置传感器的特点：
霍尔位置传感器是一种检测物体位置的磁场传感器。
用它们可以检测磁场及其变化，可在各种与磁场有关的场合中使用。
霍尔位置传感器以霍尔效应原理为其工作基础。
霍尔位置传感器具有许多优点，它们的结构牢固，体积小，重量轻，寿命长，安装方便，功耗小，频率高（可达1MHZ），耐震动，不怕灰尘、油污、水汽及盐雾等的污染或腐蚀。
霍尔位置传感器开关型输出的具有无触点、无磨损、输出波形清晰、无抖动、无回跳、位置重复精度高（可达μm级）。
采取了各种补偿和保护措施的霍尔位置传感器的工作温度范围可达到－55℃～150℃。
按照霍尔位置传感器的功能可将它们分为:
霍尔线性型传感器和霍尔开关型传感器。
前者输出模拟量，后者输出数字量。
霍尔位置传感器通过它对磁场变化的测量，将许多非电、非磁的物理量例如力、力矩、压力、应力、位置、位移、速度、加速度、角度、角速度、转数、转速以及工作状态发生变化的时间等，转变成电量来进行检测和控制，因而有着广泛的用途。
二．霍尔位置传感器的原理：
2.1.1霍尔效应和霍尔元件
在一块通电的半导体薄片上，加上和片子表面垂直的磁场B，在薄片的横向两侧会出现一个电压，如图1中的VH，这种现象就是霍尔效应，是由科学家爱德文·
霍尔在1879年发现的。
VH称为霍尔电压。
这种现象的产生，是因为通电半导体片中的载流子在磁场产生的洛仑兹力的作用下，分别向片子横向两侧偏转和积聚，因而形成一个电场，称作霍尔电场。
霍尔电场产生的电场力和洛仑兹力相反，它阻碍载流子继续堆积，直到霍尔电场力和洛仑兹力相等。
这时，片子两侧建立起一个稳定的电压，这就是霍尔电压，这个半导体薄片称为霍尔元件。
霍尔元件可用多种半导体材料制作，如Ge、Si、InSb、GaAs、InAs、InAsP等等。
2.3比较器LM393的介绍
LM393主要特点如下：
●工作电源电压范围宽，单电源、双电源均可工作，单电源：
2～36V，双电源:
±
1～±
18V；
●消耗电流小，Icc=0.8mA；
●输入失调电压小，VIO=±
2mV；
●共模输入电压范围宽，Vic=0～Vcc-1.5V；
●输出与TTL，DTL，MOS，CMOS等兼容；
●输出可以用开路集电极连接“或”门；
LM393引脚图及内部框图
采用双列直插8脚塑料封装（DIP8）和微形的双列8脚塑料封装（SOP8）
LM393内部结构图
LM393封装形状
LM393引脚功能排列表：
引出端序号
功能
符号
1
输出端1
OUT1
5
正向输入端2
1N+
（2）
2
反向输入端1
1N-
（1）
6
反向输入端2
1N-
（2）
3
正向输入端1
1N+
（1）
7
输出端2
OUT2
4
地
GND
8
电源
VCC
LM393主要参数表：
参数名称
数值
单位
电源电压
18或36
V
差模输入电压
VID
36
共模输入电压
VI
-0.3～VCC
功耗
Pd
570
mW
工作环境温度
Topr
0to+70
℃
贮存温度
Tstg
-65to150
电特性（除非特别说明，VCC=5.0V，Tamb=25℃）
测试条件
最小
典型
最大
输入失调电压
VIO
VCM=0toVCC-1.5VO（P）=1.4V,Rs=0
-
1.0
5.0
mV
输入失调电流
IIO
50
nA
输入偏置电流
Ib
65
250
VIC
VCC-1.5
静态电流
ICCQ
RL=∞
0.6
mA
RL=∞,Vcc=30V
0.8
2.5
电压增益
AV
VCC=15V,RL＞15kΩ
200
V/mV
灌电流
lsink
Vi（-）＞1V,Vi（+）=0V,Vo（p）＜1.5V
16
输出漏电流
IOLE
Vi（-）=0V,Vi（+）=1V,VO=5V
0.1
应用说明:
LM393是高增益,宽频带器件,象大多数比较器一样,如果输出端到输入端有寄生电容而产生耦合,则
很容易产生振荡.这种现象仅仅出现在当比较器改变状态时,输出电压过渡的间隙.电源加旁路滤波并不能解决这个问题,标准PC板的设计对减小输入—输出寄生电容耦合是有助的.减小输入电阻至小于10K将减小反馈信号,而且增加甚至很小的正反馈量（滞回1.0~10mV）能导致快速转换,使得不可能产生由于寄生电容引起的振荡.除非利用滞后,否则直接插入IC并在引脚上加上电阻将引起输入—输出在很短的转换周期内振荡,如果输入信号是脉冲波形,并且上升和下降时间相当快,则滞回将不需要。
比较器的所有没有用的引脚必须接地
LM393偏置网络确立了其静态电流与电源电压范围2.0~30V无关
通常电源不需要加旁路电容
差分输入电压可以大于Vcc并不损坏器件.保护部分必须能阻止输入电压向负端超过-0.3V
LM393的输出部分是集电极开路,发射极接地的NPN输出晶体管,可以用多集电极输出提供或ORing
功能.输出负载电阻能衔接在可允许电源电压范围内的任何电源电压上,不受Vcc端电压值的限制.此输出能作为一个简单的对地SPS开路（当不用负载电阻没被运用）,输出部分的陷电流被可能得到的驱动和器件的β值所限制.当达到极限电流（16mA）时,输出晶体管将退出而且输出电压将很快上升.输出饱和电压被输出晶体管大约60ohm的γSAT限制。
当负载电流很小时,输出晶体管的低失调电压（约1.0mV）允许
输出箝位在零电平。
第三章基于单片机测速的工作概述以及原理分析
3.1基于单片机测速的工作概述
①传感器：
用来对信号的采样。
②放大、整形电路：
对传感器送过来的信号进行放大和整形，在送入单片机进行数据的处理转换。
③单片机：
对处理过的信号进行转换成转速的实际值，送入LED
④LED显示：
用来对所测量到的转速进行显示。
3.2系统硬件总电路图
图3-1总电路模块
3.3检测电路模块
由霍尔传感器与比较器lm393构成的检测电路，可实现非接触式电机转速的测量
图3-2检测电路模块
3.4复位电路模块
单片机复位是使CPU和系统中其他功能部件的处在一个确定的初始状态,并从这个状态开始工作。
图3-3复位电路原理图
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.AT89C51单片机内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器。
引脚XTAL1和XTAL2分别是此放大器的输入端和输出端。
这个放大器与作为反馈元件的片外晶体谐振器一起构成一个自激振荡器。
外接晶体谐振器以及电容C1和C2构成并联谐振电路，接在放大器的反馈回路中。
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震荡器频率的高低、震荡器的稳定性、起振的快速性和温度的稳定性。
因此，此系统电路的晶体振荡器的值为12MHz，电容应尽可能的选择陶瓷电容，电容值约为30μF。
在焊接刷电路板时，晶体振荡器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，更好地保证震荡器稳定和可靠地工作。
图3-4晶振电路模块
采用USB接口供电,方便简单。
图3-5电源电路模块
3.7显示电路模块
采用的是八段四位数码管显示。
图3-6显示电路模块
3.8报警电路模块.
当转速低于50r/min，绿色报警灯亮。
当转速高于500r/min，红色报警灯亮。
图3-7报警电路模块
第四章单片机测速系统组成
4.1转速测量系统原理框图
系统由传感器、信号预处理电路、处理器、显示器和系统软件等部分组成。
传感器部分采用霍尔传感器，负责将电机的转速转化为脉冲信号。
信号预处理电路包含待测信号放大、波形变换、波形整形电路等部分，其中放大器实现对待测信号的放大,降低对待测信号的幅度要求，实现对小信号的测量；
波形变换和波形整形电路实现把正负交变的信号波形变换成可被单片机接受的TTL/CMOS兼容信号。
处理器采用STC89C51单片机，显示器采用8位LED数码管动态显示。
系统原理框图如图4.1所示：
图4.1转速测量系统原理框图
4.2系统软件框图
系统软件主要包括测量初始化模块、信号频率测量模块、浮点数算术运算模块、浮点数到BCD码转换模块、显示模块、按键功能模块、定时器中断服务模块。
系统软件框图如图2.2所示。
图4.2系统软件框图
第五章系统软件设计
本系统软件设计由主程序、计数程序、显示程序组成。
5.1系统流程图
5.1.1系统主程序流
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