精品转速测试器的设计与制造本科毕业论文设计.docx
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精品转速测试器的设计与制造本科毕业论文设计
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第一章绪论
随着科学技术的发展，形形色色的转速测试器不断出现。
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、测周期法两种基本的方法，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；所谓测周期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=1T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试器设有记忆电路，其数码管不产生闪烁现象，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试器，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，这使得转速测试器实现小型化。
单片机的出现使得这种仪表的设计变得更加灵活。
第二章硬件设计
2.1设计中主要的硬件简介
本设计中包括有7805组成的稳压电路、555组成的施密特触发器、LCD显示电路、以及以单片机部分的按键电路、复位电路、晶振电路等。
在接下来的内容中我会具体详述以上所介绍过的各个硬件部分。
2.27805组成的稳压电路
2.2.1什么是7805[10]
7805三端稳压集成电路，电子产品中，常见的三端稳压集成电路有正电压输出的78XX系列和负电压输出的79XX系列。
顾名思义，三端IC是指这种稳压用的集成电路，只有三条引脚输出，分别是输入端、接地端和输出端。
它的样子像是普通的三极管，TO-220的标准封装，也有9013样子的TO-92封装。
用7879系列三端稳压IC来组成稳压电源所需的外围元件极少，电路内部还有过流、过热及调整管的保护电路，使用起来可靠、方便，而且价格便宜。
该系列集成稳压IC型号中的78或79后面的数字代表该三端集成稳压电路的输出电压，如7806表示输出电压为正6V，7909表示输出电压为负9V。
因为三端固定集成稳压电路的使用方便，电子制作中经常采用。
在实际应用中，应在三端集成稳压电路上安装足够大的散热器（当然小功率的条件下不用）。
当稳压管温度过高时，稳压性能将变差，甚至损坏。
当制作中需要一个能输出1.5A以上电流的稳压电源，通常采用几块三端稳压电路并联起来，使其最大输出电流为N个1.5A，但应用时需注意：
并联使用的集成稳压电路应采用同一厂家、同一批号的产品，以保证参数的一致。
另外在输出电流上留有一定的余量，以避免个别集成稳压电路失效时导致其他电路的连锁烧毁。
图2-17805实物图2-27805TO-220封装管脚图
2.2.2本设计中的稳压电路
本设计采用78XX系列中的7805集成稳压器的电路如图2-3所示，这是一个输出正5V直流电压的稳压电源电路。
IC采用集成稳压器7805，C4、C6和C5、C7分别对应为输入端与输出端的滤高频和滤低频滤波电容。
当输出电流较大时，7805应配上散热板。
图2-3本设计中的稳压电路
2.3555组成的施密特触发器[4]
在数字电路或系统中，常常需要各种脉冲波形，例如时钟脉冲、控制过程的定时信号等。
这些脉冲波形的获取，通常采用两种方法：
一种是利用脉冲信号产生器直接产生；另一种则是通过对已有信号进行变换，使之满足系统的要求。
本本设计中由光电传感器采集到的信号便需要555定时器构成的施密特触发器来进行整形成方波。
2.3.1为什么使用施密特触发器
从传感器得到的矩形脉冲经传输后往往发生波形畸变。
当传输线上的电容较大时，波形的上升沿将明显变缓；当传输线较长，而且接受端的阻抗与传输线的阻抗不匹配时，在波形的上升沿和下降沿将产生振荡现象；当其他脉冲信号通过导线间的分布电容或公共电源线叠加到矩形脉冲信号时，信号上将出现附加的噪声。
无论出现上述的那一种情况，都可以通过用施密特反相触发器整形而得到比较理想的矩形脉冲波形。
只要施密特触发器的Vt+和Vt-设置得合适，均能收到满意的整形效果。
2.3.2什么是施密特触发器及其作用
2.3.2.1什么是施密特触发器
门电路有一个阈值电压，当输入电压从低电平上升到阈值电压或从高电平下降到阈值电压时电路的状态将发生变化。
施密特触发器是一种特殊的门电路，与普通的门电路不同，施密特触发器有两个阈值电压，分别称为正向阈值电压和负向阈值电压。
在输入信号从低电平上升到高电平的过程中使电路状态发生变化的输入电压称为正向阈值电压，在输入信号从高电平下降到低电平的过程中使电路状态发生变化的输入电压称为负向阈值电压。
正向阈值电压与负向阈值电压之差称为回差电压。
施密特触发器是一种阈值开关电路，具有突变输入——输出特性的门电路。
这种电路被设计成阻止输入电压出现微小变化（低于某一阈值）而引起的输出电压的改变。
利用施密特触发器状态转换过程中的正反馈作用，可以把边沿变化缓慢的周期性信号变换为边沿很陡的矩形脉冲信号。
[3]输入的信号只要幅度大于Vt+，即可在施密特触发器的输出端得到同等频率的矩形脉冲信号。
当输入电压由低向高增加，到达V+时，输出电压发生突变，而输入电压Vi由高变低，到达V-，输出电压发生突变，因而出现输出电压变化滞后的现象，可以看出对于要求一定延迟启动的电路，它是特别适用的。
2.3.2.2施密特触发器的应用举例
1.用作接口电路——将缓慢变化的输入信号，转换成为符合TTL系统要求的脉冲波形。
2.用作整形电路——把不规则的输入信号整形成为矩形脉冲。
图2—4慢输入波形的TTL系统接口图2—5脉冲整形电路的输入输出波形
3.用于脉冲鉴幅——将幅值大于VT+的脉冲选出。
图2—6用施密特触发器鉴别脉冲幅度
2.3.3什么是“555”
2.3.3.1什么是“555”
555定时器是一种多用途的单片中规模集成电路。
该电路使用灵活、方便，只需外接少量的阻容元件就可以构成单稳、多谐的施密特触发器。
因而在波形的产生与变换、测量与控制、家用电器和电子玩具等许多领域中都得到了广泛的应用。
目前生产的定时器有双极型和CMOS两种类型，其型号分别有NE555（或5G555）和C7555等多种。
通常，双极型产品型号最后的三位数码都是555，CMOS产品型号的最后四位数码都是7555，它们的结构、工作原理以及外部引脚排列基本相同。
一般双极型定时器具有较大的驱动能力，而CMOS定时电路具有低功耗、输入阻抗高等优点。
555定时器工作的电源电压很宽，并可承受较大的负载电流。
双极型定时器电源电压范围为5～16V，最大负载电流可达200mA；CMOS定时器电源电压变化范围为3～18V，最大负载电流在4mA以下。
2.3.3.2555定时器的电路结构与工作原理
1．555定时器内部结构：
（1）由三个阻值为5kΩ的电阻组成的分压器；
（2）两个电压比较器C1和C2：
V+＞V－，Vo=1；
V+＜V－，Vo=0。
图2-7555定时器的图形符号
（3）基本RS触发器；
（4）放电三极管T及缓冲器G。
2．工作原理。
当5脚悬空时，比较器C1和C2的比较电压分别为和。
（1）当VI1>，VI2>时，比较器C1输出低电平，C2输出高电平，基本RS触发器被置0，放电三极管T导通，输出端VO为低电平。
（2）当VI1<，VI2<时，比较器C1输出高电平，C2输出低电平，基本RS触发器被置1，放电三极管T截止，输出端VO为高电平。
（3）当VI1<，VI2>时，比较器C1输出高电平，C2也输出高电平，即基本RS触发器R=1，S=1，触发器状态不变，电路亦保持原状态不变。
（a）原理图（b）电路符号
图2-8555定时器的电气原理图和电路符号
由于阈值输入端（VI1）为高电平时，定时器输出低电平，因此也将该端称为高触发端（TH）。
因为触发输入端（VI2）为低电平时，定时器输出高电平，因此也将该端称为低触发端（TL）。
如果在电压控制端（5脚）施加一个外加电压（其值在0～VCC之间），比较器的参考电压将发生变化，电路相应的阈值、触发电平也将随之变化，并进而影响电路的工作状态。
另外，RD为复位输入端，当RD为低电平时，不管其他输入端的状态如何，输出Vo为低电平，即RD的控制级别最高。
正常工作时，一般应将其接高电平。
2.3.4用555定时器构成的施密特触发器
2.3.4.1电路组成及工作原理
图2-9555定时器构成的施密特触发器
（1）VI=0V时，Vo1输出高电平。
（2）当VI上升到
Vcc时，Vo1输出低电平。
当VI由
Vcc继续上升，Vo1保持不变。
（3）当VI下降到
Vcc时，电路输出跳变为高电平。
而且在VI继续下降到0V时，电路的这种状态不变。
图2-9中，R、Vcc2构成另一输出端Vo2，其高电平可以通过改变Vcc2进行调节。
2.3.4.2电压滞回特性和主要参数
电压滞回特性
图2-10施密特触发器的电路符号和电压传输特性
主要静态参数
（1）上限阈值电压VT+——vI上升过程中，输出电压Vo由高电平VoH跳变到低电平VoL时，所对应的输入电压值。
VT+=
。
（2）下限阈值电压VT———vI下降过程中，Vo由低电平VoL跳变到高电平VoH时，所对应的输入电压值。
VT—=
。
（3）回差电压ΔVT
回差电压又叫滞回电压，定义为ΔVT=VT+－VT—=
若在电压控制端VIC（5脚）外加电压VS，则将有VT+=Vs、VT—=Vs2、
ΔVT=Vs2，而且当改变VS时，它们的值也随之改变。
2.3.5本设计中555组成的施密特触发器
图2-11本设计中555组成的施密特触发器
2.41602LCD液晶显示
2.4.1什么是1602LCD
1602液晶也叫1602字符型液晶，它是一种专门用来显示字母、数字、符号等的点阵型液晶模块。
它由若干个5X7或者5X11等点阵字符位组成，每个点阵字符位都可以显示一个字符，每位之间有一个点距的间隔，每行之间也有间隔，起到了字符间距和行间距的作用，正因为如此所以它不能很好地显示图形（用自定义CGRAM，显示效果也不好）。
1602LCD是指显示的内容为16X2,即可以显示两行，每行16个字符液晶模块（显示字符和数字）。
值得提出的是，各种液晶厂家均有提供几乎都是同样规格的1602模块或兼容模块，尽管各厂家的对其各自的产品命名不尽相同；但其最初采用的LCD控制器采用的是HD44780，在各厂家生产的1602模块当中，基本上也都采用了与之兼容的控制IC，所以从特性上基本上是一样的；当然，很多厂商提供了不同的字符颜色、背光色之类的显示模块。
图2-101602LCD实物图
图2-111602LCD尺寸图
2.4.21602的管脚功能
1602采用标准的16脚接口，其中：
第1脚：
VSS为电源地
第2脚：
VCC接5V电源正极
第3脚：
V0为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）。
第4脚：
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。
第5脚：
RW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。
第6脚：
E（或EN）端为使能（enable）端,高电平
（1）时读取信息，负跳变时执行指令。
第7～14脚：
D0～D7为8位双向数据端。
第15～16脚：
空脚或背灯电源。
15脚背光正极，16脚背光负极。
图2-121602LCD引脚图
2.4.3液晶的显示简介
2.4.3.1液晶显示原理
液晶显示的原理是利用液晶的物理特性，通过电压对其显示区域进行控制，有电就有显示，这样即可以显示出图形。
液晶显示器具有厚度薄、适用于大规模集成电路直接驱动、易于实现全彩色显示的特点，目前已经被广泛应用在便携式电脑、数字摄像机、PDA移动通信工具等众多领域。
液晶显示器各种图形的显示原理:
1.线段的显示
点阵图形式液晶由M×N个显示单元组成，假设LCD显示屏有64行，每行有128列，每8列对应1字节的8位，即每行由16字节，共16×8=128个点组成，屏上64×16个显示单元与显示RAM区1024字节相对应，每一字节的内容和显示屏上相应位置的亮暗对应。
例如屏的第一行的亮暗由RAM区的000H——00FH的16字节的内容决定，当（000H）=FFH时，则屏幕的左上角显示一条短亮线，长度为8个点；当（3FFH）=FFH时，则屏幕的右下角显示一条短亮线；当（000H）=FFH，（001H）=00H，（002H）=00H，……（00EH）=00H，（00FH）=00H时，则在屏幕的顶部显示一条由8段亮线和8条暗线组成的虚线。
这就是LCD显示的基本原理。
2.字符的显示
用LCD显示一个字符时比较复杂，因为一个字符由6×8或8×8点阵组成，既要找到和显示屏幕上某几个位置对应的显示RAM区的8字节，还要使每字节的不同位为“1”，其它的为“0”，为“1”的点亮，为“0”的不亮。
这样一来就组成某个字符。
但由于内带字符发生器的控制器来说，显示字符就比较简单了，可以让控制器工作在文本方式，根据在LCD上开始显示的行列号及每行的列数找出显示RAM对应的地址，设立光标，在此送上该字符对应的代码即可。
3.汉字的显示
汉字的显示一般采用图形的方式，事先从微机中提取要显示的汉字的点阵码（一般用字模提取软件），每个汉字占32B，分左右两半，各占16B，左边为1、3、5……右边为2、4、6……根据在LCD上开始显示的行列号及每行的列数可找出显示RAM对应的地址，设立光标，送上要显示的汉字的第一字节，光标位置加1，送第二个字节，换行按列对齐，送第三个字节……直到32B显示完就可以LCD上得到一个完整汉字。
2.4.3.2液晶显示器的分类
液晶显示的分类方法有很多种，通常可按其显示方式分为段式、字符式、点阵式等。
除了黑白显示外，液晶显示器还有多灰度有彩色显示等。
如果根据驱动方式来分，可以分为静态驱动（Static）、单纯矩阵驱动（SimpleMatrix）和主动矩阵驱动（ActiveMatrix）三种。
2.4.3.21602LCD主要技术参数
显示容量:
16×2个字符
芯片工作电压:
4.5—5.5V
工作电流:
2.0mA（5.0V）
模块最佳工作电压:
5.0V
字符尺寸:
2.95×4.35（W×H）mm
2.4.3.31602LCD的指令说明及时序
1.1602液晶模块内部的控制器共有11条控制指令，如下表所示：
表2-1控制命令表
序号
指令
RS
RW
D7
D6
D5
D4
D3
D2
D1
D0
1
清显示
0
0
0
0
0
0
0
0
0
1
2
光标返回
0
0
0
0
0
0
0
0
1
*
3
置输入模式
0
0
0
0
0
0
0
1
ID
S
4
显示开关控制
0
0
0
0
0
0
1
D
C
B
5
光标或字符移位
0
0
0
0
0
1
SC
RL
*
*
6
置功能
0
0
0
0
1
DL
N
F
*
*
7
置字符发生存贮器地址
0
0
0
1
字符发生存贮器地址
8
置数据存贮器地址
0
0
1
显示数据存贮器地址
9
读忙标志或地址
0
1
BF
计数器地址
10
写数到CGRAM或DDRAM）
1
0
要写的数据内容
11
从CGRAM或DDRAM读数
1
1
读出的数据内容
1602液晶模块的读写操作、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ID：
光标移动方向，高电平右移，低电平左移S:
屏幕上所有文字是否左移或者右移。
高电平表示有效，低电平则无效。
指令4：
显示开关控制。
D：
控制整体显示的开与关，高电平表示开显示，低电平表示关显示C：
控制光标的开与关，高电平表示有光标，低电平表示无光标B：
控制光标是否闪烁，高电平闪烁，低电平不闪烁。
指令5：
光标或显示移位SC：
高电平时移动显示的文字，低电平时移动光标。
指令6：
功能设置命令DL：
高电平时为4位总线，低电平时为8位总线N：
低电平时为单行显示，高电平时双行显示F:
低电平时显示5x7的点阵字符，高电平时显示5x10的点阵字符。
指令7：
字符发生器RAM地址设置。
指令8：
DDRAM地址设置。
指令9：
读忙信号和光标地址BF：
为忙标志位，高电平表示忙，此时模块不能接收命令或者数据，如果为低电平表示不忙。
指令10：
写数据。
指令11：
读数据。
2.与HD44780相兼容的芯片时序表如下：
表2-2基本操作时序表
读状态
输入
RS=L，RW=H，E=H
输出
D0—D7=状态字
写指令
输入
RS=L，RW=L，D0—D7=指令码，E=高脉冲
输出
无
读数据
输入
RS=H，RW=H，E=H
输出
D0—D7=数据
写数据
输入
RS=H，RW=L，D0—D7=数据，E=高脉冲
输出
无
3.读写操作时序如图2-13和2-14所示：
图2-13读操作时序
图2-14写操作时序
2.4.4本设计中的显示电路
图2-15本设计中的显示电路
2.5单片机部分
本次设计是基于单片机这一微处理器的，而我选用的则是STC89C52RC这一型号的单片机，如图2-16。
STC89C52是STC公司生产的一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。
STC89C52使用经典的MCS-51内核，但做了很多的改进使得芯片具有传统51单片机不具备的功能。
在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。
具有以下标准功能：
8k字节Flash，512字节RAM，32位IO口线，看门狗定时器，内置4KBEEPROM，MAX810复位电路，3个16位定时器计数器，4个外部中断，一个7向量4级中断结构（兼容传统51的5向量2级中断结构），全双工串行口。
另外STC89C52可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。
空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器计数器、串口、中断继续工作。
掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。
最高运作频率35MHz，6T12T可选。
STC89C52RC单片机具有8K字节程序存储空间，512字节数据存储空间；内带2K字节EEPROM存储空间，可直接使用串口下载。
STC89C52RC单片机的参数[8]：
1.增强型8051单片机，6时钟机器周期和12时钟机器周期可以任意选择，指令代码完全兼容传统8051。
2.工作电压：
5.5V～3.3V（5V单片机）3.8V～2.0V（3V单片机）。
3.工作频率范围：
0～40MHz，相当于普通8051的0～80MHz，实际工作频率可达48MHz。
4.用户应用程序空间为8K字节。
5.片上集成512字节RAM。
6.通用IO口（32个），复位后为：
P0P1P2P3是准双向口弱上拉，P0口是漏极开路输出，作为总线扩展用时，不用加上拉电阻，作为IO口用时，需加上拉电阻。
7.ISP（在系统可编程）IAP（在应用可编程），无需专用编程器，无需专用仿真器，可通过串口（RxDP3.0,TxDP3.1）直接下载用户程序，数秒即可完成一片。
8.具有EEPROM功能。
9.共3个16位定时器计数器。
即定时器T0、T1、T2。
10.外部中断4路，下降沿中断或低电平触发电路，PowerDown模式可由外部中断低电平触发中断方式唤醒。
11.通用异步串行口（UART），还可用定时器软件实现多个UART。
12.工作温度范围：
-40～+85℃（工业级）0～75℃（商业级）。
13.PDIP封装。
（a）STC89C52单片机实物图（b）各引脚的标注
图2-16STC89C52单片机
2.5.1单片机按键电路
按键电路如图2-17所示：
本设计中采用上拉式按键，当按键断开时，单片机端口的输入内阻很大，在10K上拉电阻的作用下，单片机输入端口的电平为5V高电平；当按键闭合时单片机端口与电源地相连，电平从5V电源经10K上拉电阻流向电源地，此时单片机输入端口电平为0V。
当出现低电平时，单片机判断有按键按下。
两个按键从上至下分别对应转速限制增，转速限制减。
如图2-17本设计中的按键电路
2.5.2单片机复位电路
为确保系统中电路稳定可靠地工作，复位电路是必不可少的一部分。
复位电路有自动复位和按键手动复位两种方式。
STC89C52的上电自动复位电路，只要在RST复位输入引脚上接一电容至Vcc端，下接一个电阻到地即可。
对于CMOS型单片机，由于在RST端内部有一个下拉电阻，故可将外部电阻去掉，而将外接电容减至1uF。
上电复位的工作过程是在加电时，复位电路通过电容加给RST端一个短暂的高电平信号，此高电平信号随着Vcc对电容的充电过程而逐渐回落，即RST端的高电平持续时间取决于电容的充电时间。
为了保证系统能够可靠地复位，RST端的高电平信号必须维持足够长的时间。
上电时，Vcc的上升时间约为10ms，而振荡器的起振时间取决于振荡频率，如晶振频率为10MHz，起振时间为1ms；晶振频率为1MHz，起振时间则为10ms。
复位电路中，当Vcc掉电时，必然会使RST端电压迅速下降到0V以下，但是，由于内部电路的限制作用，这个负电压将不会对器件产生损害。
另外，在复位期间，端口引脚处于随机状态，复位后，系统将端口置为全“l”态。
如果系统在上电时得不到有效的复位，则程序计数器PC将得不到一个合适的初值，因此，CPU可能会从一个未被定义的位置开始执行程序；
手动按钮复位需要人为在复位输入端RST上加入高电平。
一般采用的办法是在RST端和正电源Vcc之间接一个按钮。
当人为按下按钮时，则Vcc的+5V电平就会直接加到RST端。
由于人的动作再快也会使按钮保持接通达数十毫秒，所以，完全能够满足复位的时间要求。
而本次设计正是采用了手动按钮复位，如图2-18。
图2-18单片机复位电路
2.5.3单片机晶振电路
2.5.3.1晶振电路简介
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，它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，单片机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
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