基于89C51的电机转速计设计.doc-资料库

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单片机系统课程设计单片机系统课程设计成绩评定表设计课题：基于 89C51 的电机转速计设计学院名称专业班级：学生姓名：学号：指导教师：设计地点：设计时间：指导教师意见：成绩: 签名：年月日

题目课题性质指导教师主要内容单片机系统课程设计基于 89C51 的电机转速计设计工程设计课题来源自拟利用 89C51 单片机设计电机转速计，可以实现如下功能： 1．能够在 LED 显示器上显示转速； 2．能够在较短时间内更新显示的转速； 3．能够在转速较小时延时测量时间以保持测量精度； 4．利用定时/计数器的功能能够分别得到转数和时间，计算得到转速。第 1-2 天：熟悉课程设计任务及要求，查阅技术资料，确定设计方案。第 3-4 天：按照确定的方案设计单元电路。要求画出单元电路图，元件及元件参数选择要有依据，各单元电路的设计要有详细论述。第 5-6 天：撰写课程设计报告。要求内容完整、图表清晰、文理流畅、格任务要求（进度）式规范、方案合理、设计正确，篇幅合理。 [1] 张迎新．单片微型计算机原理、应用及接口技术（第 2 版） [2]阎石．数字电路技术基础（第五版）．北京：高等教育出版社，2006 [3]单片机开发板的原理图及系统主要参考资料审查意见系（教研室）主任签字：年月日 1

单片机系统课程设计 1 概述 1.1 设计背景转速是工程中应用非常广泛的一个参数。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，常需要测量和显示其转速。电机转速是判断电机运行状况的重要标志之一，其测量方法较多，目前国内外常用的测量转速的方法有离心式转速表测速法、微电机测速法、光电码盘测速法以及霍尔元件测速法。离心式转速表和微电机测速都有现成的测速仪表，容易得到。但转速表或测速机都要与电机同轴连接，增加了电机机组安装难度，另一方面有些电机功率很小，转速表或测速机消耗的功率占了电机大部分，这些方法都对有些电机的正常运行产生了不小的影响，所以对有些电机的测速，这二种方法并不适用。但是随着大规模及超大规模集成电路技术的快速发展，数字系统测量得到普遍应用，特别是高性能价格比的单片机的出现，还有单片机对脉冲数字信号的强大处理能力，使得全数字测量系统越来越普及，其转速测量系统也可以用全数字化处理。在测量范围和测量精度方面都有极大的提高。霍尔元件和光电码盘的测速方法基本类似，都是在电机转轴上安装一个很轻巧的传感器，将电机的转动信号通过霍尔元件或光电码盘转换为电脉冲信号，从而通过计算电脉冲的个数与时间的的比值来测速。现在的转速测量普遍采用以单片机为核心的数字式测量方法。 1.2 设计思想及功能本次课程设计采用 89C51 系列单片机设计一种数字化测速系统，在选取设计方案和采用元器件方面，本着简单实用经济的思想，尽量简化电路设计，采用元器件使用较少的方案并选用最经济实用的元器件来达到设计要求。单片机通过在一定时间内得到的传感器发出的电脉冲信号个数来计算电机转速。功能上应具在尽量不影响电机的实际运行的情况下测得电机转速并及时送到显示器进行显示，还要能及时更新测得的新转速。 2

单片机系统课程设计 2 总体方案设计 2.1 方案选取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。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测速表，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。数字测速法按照脉冲信号与标准频率信号的相互关系，分别是测频法(M 法) 测周期法(T 法) 和 M/T 法(测频率周期法)。 (1) 在一定的时间内测取编码器输出的脉冲个数 M1，用以计算这段时间内的平均转速，称作 M 法测速。 (2) 在编码器两个相邻输出脉冲的间隔时间内，用一个计数器对已知频率为 f0 的高频时钟脉冲进行计数，并由此来计算转速，称作周期法测速。 (3) 把 M 法和 T 法结合起来，既检测一定时间内编码器输出的脉冲个数 M1，又检测同一时间间隔的高频时钟脉冲个数 M2，用来计算转速，称作 M/T 法测速。综合考虑上面三种方法的优缺点及测量要求并结合电机实际运行时的转速，本次课程设计采用 M 法，即一定采样时间内测出传感器发出的脉冲个数，计算得到电机转速。在转速显示方面，由于 LED 数码管具有亮度高、可靠性好等特点，工业测控系统中常用 LED 数码管作为显示输出。本次设计采用数码管作显示。 LED 显示器是用发光二极管显示字段的，通常使用七段构成“日”字型和一只发光二极管作为小数点，称八段数码显示器。其有两种驱动方式，共阴驱动和共阳驱动，共阴驱动是各段发光二极管的阴极连在一起，并将公共端接地，在共阳结构中，将各段发光二极管阳极连在一起，并将公共端接上+5V 电源，显示字符对应字型代码发光。 3

单片机系统课程设计 2.2 系统框图采用测频法速测量系统框图如下图 2.2. 图 2.2 2.3 总体方案设计电机转速计系统的总体方案设计是基于满足设计要求的前提并且根据理论上的可实现性和硬件上的经济实用性，而进行设计的重要环节。从设计要求已给的系统功能需求为根本点，在综合考虑各种因素的情况下，设计出电机转速计系统的总体构架，并且在满足基本功能需求的基础上尽可能考虑系统的可扩展性。转速测量电路有光电编码器和脉冲整形电路组成。电机转速计系统的总体框图如图2.3所示。 4

单片机系统课程设计图 2.3 电机运行时，加在转轴上的传感器的被感应物件跟随转轴做同步转动。于此同时传感器的敏感部件检测到被检测量变化时做出反应，从输出端发出周期而有一定规则电信号。电信号经过脉冲整形，输出相应的脉冲信号。单片机从引脚取得脉冲信号并进行计数，定时时间到时计算得到电机转速。单片机将转速的相应段码输出给显示电路并显示。 3 硬件电路设计 3.1 电源电路单片机正常工作电压为 5V，因此设计的电源电路主要是提供单片机工作电压。图 3.1 是为单片机提供电压的电源电路。在这个电路中采用了三端集成稳压器 LM7805，可以输出 5V 的直流电压以供给单片机。 5

单片机系统课程设计图 3.1 电源电路 3.2 晶振电路电路中的晶振即石英晶体震荡器。由于石英晶体震荡器具有非常好的频率稳定性和抗外界干扰的能力，所以，石英晶体震荡器可以用来产生基准频率。通过基准频率来控制电路中的频率的准确性。同时，它还可以产生振荡电流，向单片机发出时钟信号。图 3.2 是单片机的晶振电路。片内电路与片外器件就构成一个时钟产生电路，CPU 的所有操作均在时钟脉冲同步下进行。片内振荡器的振荡频率非常接近晶振频率，一般多在 1.2MHz～24MHz 之间选取。C1、C2 是反馈电容，其值在 20pF～ 100pF 之间选取，典型值为 30pF。本电路选用的电容为 30pF，晶振频率为 12MHz。 XTAL1 接外部晶体的一个引脚，XTAL2 接外晶体的另一端。在单片机内部，接至上述振荡器的反相放大器的输出端。在石英晶体的两个管脚加交变电场时，它将会产生一定频率的机械变形，而这种机械振动又会产生交变电场，上述物理现象称为压电效应。一般情况下，无论是机械振动的振幅，还是交变电场的振幅都非常小。但是，当交变电场的频率为某一特定值时，振幅骤然增大，会产生共振，称之为压电振荡。这一特定频率就是石英晶体的固有频率，也称谐振频率。石英晶振起振后要能在 XTAL2 线上输出一个 3V 左右的正弦波，以便片内的 OSC 电路按石英晶振相同频率自激振荡。 6

单片机系统课程设计图 3.2 晶振电路 3.3 复位电路复位电路的主要功能是使单片机进行初始化，复位后的单片机地址初始化为 0000H，然后继续从 0000H 单元开始执行程序。复位电路中提供复位信号后，等到系统电源稳定后，再撤销复位信号。但是为了在复位按键稳定的前提下，电源稳定后还要经一定的延时才撤销复位信号，以防在按键过程中引起的抖动而影响复位。 89C51 的 RST 端通过电阻和电容直接和电源端相连实现上电复位，理论上只要复位管脚出现 2 个机器周期以上的高电平即可完成复位，阻容元件的时间常数可以很小，但考虑到开机时，电源有个上升过程，以及振荡电路尚未完全起振等因素，这里选用的电阻为 lKΩ，电容为 10uF。上电瞬间，RESET 端的电位与 VCC 相同，随着充电电流减小，RESET 端的电位逐渐下降，按电路参数可选择电阻为 7

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