1、黃岡職業技術學院黃岡職業技術學院畢業設計說明書課題名稱：電機測速顯示系統設計系 別 專 業 班 級 姓 名 學 號 2 指導教師 時間：2010 年10月10日2010年 10月 25日（共2 周） 目錄摘要iabstract ii第1章 緒論1第2章 轉速測量系統的總體方案22.1 硬件設計方案22.2 軟件設計方案2第3章 主程序的設計說明43.1 主程序說明4第4章 單片機的轉速測量方法及原理54.1單片機測量轉速的方法5 4.1.1 測頻法“m法”的工作原理5 4.1.2 轉速傳感器的簡介64.2 速度檢測電路的軟件設計7第5章led顯示電路的軟件設計95.1顯示接口電路的程序設計95

2、.2顯示器的顯示方式10 5.2.1 靜態顯示10 5.2.2 動態顯示105.3 系統的數碼管連接方式10第6章 鍵盤電路的軟件設計116.1鍵盤的工作原理116.2鍵盤掃描方式和接口電路126.3鍵盤鍵值分配及按鍵功能設定12第7章 報警電路的軟件設計147.1 報警電路功能的介紹147.2 報警電路軟件設計14總 結15參考文獻16附錄1 總體控制電路原理圖：17摘要轉速是工程中應用非常廣泛的一個參數，其測量方法很多，隨著單片機對脈沖數字信號的處理能力越來越強大，使得全數字量系統越來越普及，并且使轉速測量系統也可以用全數字化處理。 本論文是基于51單片機的轉速測量系統，本設計利用光電傳感

3、器對旋轉物體進行檢測的轉速測量系統。該系統采用光電傳感器把轉速信息轉化為電脈沖信號, 將其輸入信號送入at89c51單片機進行數據處理并用四位7段led顯示器顯示測量結果。文中首先闡述了該系統測量轉速的意義、優勢，以及硬件的實現方法，在該系統中對信號頻率進行測量是首要任務，而經過分析，基于測頻法“m法” 測量速度，電路和程序均較為簡單，且可以在一定的條件下滿足精度的要求，故本設計中采用m法進行測量。其次，在軟件設計部分，此系統包含數據接收和處理程序的設計、顯示程序的設計，鍵盤掃描程序的設計及報警電路程序的設計四個模塊。此次課題完成了硬件和軟件系統的設計，實現了轉速測量系統的測量，轉速計算、顯示

4、功能，以及鍵盤的高低速報警的功能，完成了設計的要求。關鍵詞：單片機 轉速測量 軟件設計abstractspeed is widely applied in engineering is a parameter, the measurement method of pulse, along with many mcu of digital signal processing ability more powerful, make whole digital system is becoming more and more popular, and make speed measuring sys

5、tem can also use digital processing.this paper is based on the speed of the 51 scm system, the design of measuring using photoelectric sensor of a rotating object detection speed measuring system. the system adopts photoelectric sensor information into the speed, the electrical signal input signals

6、are sent at89c51 data processing and seven led display four measurements. firstly expounds the significance of measuring speed, advantages, and method of realization of hardware, the system of signal in frequency measurements are primary task, and through the analysis of frequency measurement method

7、, based on the m measuring speed, circuit and procedures are relatively simple, and can satisfy certain conditions, so the precision requirement of design of measuring method using m. secondly, in the software design of the system, data processing program includes reception and the design, display d

8、esign, the program design of the keypad scanning routines and alarm circuit design program four modules.the subjects completed the hardware and software design of the system, realized the speed measuring system of measurement, calculation, display, speed and high speed of the keyboard function, comp

9、leted the alarm design requirements.keywords: scm speed measuring software design第1章 緒 論目前單片機在工業控制、數據采集、智能化儀表等領域應用越來越廣泛，極大地提高了這些領域的技術水平和自動化程度。單片機的開發應用已成為高科技和工程領域的一項重要內容。同時，單片機相關的技術、技能業已成為我們大學生必修的科目之一。單片機其優良的性價比，決定了它在各個相關領域都有極大的發展，它的發展正處于方興未艾的時期。轉速是工程中應用非常廣泛的一個參數，它的測量方法有很多，而模擬量的采集和模擬處理一直是轉速測量的主要方法，這種

10、測量已不能適應科技發展的要求，在測量范圍和測量精度上，已不能滿足大多數系統的使用。而隨著大規模集成電路的高速發展，特別是單片機對脈沖數字信號的強大處理能力，可以增大電機轉速的測量范圍及提高其精確度。所以轉速測量系統用全數字化處理比以前的測量方法更優越。常用的檢測方法有機械式，光電式，霍爾式，頻閃法等，本課題主要是采用at89c51單片機進行轉速測量，它以mcs-51為內核與mcs-51系列的軟硬件兼容。設計成的一種全數字化測量系統在測量范圍與精度上都有很大的提高。 本課題以單片機技術為核心，設計成的全數字化測量系統在工業控制和生活電器方面都有極大的應用。在工業方面，它可以作為工業控制中的某一部

11、分，如數控車床的電機轉速檢測和控制、水泵流量控制以及其它需要利用轉速檢測來進行控制的地方。在電器方面，由于是全數字化處理所以能很方便的和工業控制機進行連接，實行遠程管理和控制。總而言之，轉速測量系統的研究是一件非常有意義的課題，它的研究結果可以應用于我們的實際生活。第2章 轉速測量系統的總體方案2.1 硬件設計方案根據要求，設計硬件系統結構如下圖2.1所示。光電傳感器信號處理 單 片 機 led顯示鍵盤 報警 圖2.1硬件系統結構框圖當電動機轉速測量范圍在0-3000r/m時，該測試系統可以正常工作，并可以通過鍵盤設定低速、高速報警。同時準確顯示轉速值，并且精確到個位數（每分鐘1轉）。at89

12、c5 1系列單片機是美國atmel公司的8位flash單片機產品。它以mcs-51為內核與mcs-51系列的軟硬件兼容。它具備低成本、體積小，運算速度快,損耗低,采用精簡指令,性能穩定等特點.本設計采用at89c51單片機進行設計。直接應用at89c51的i/o口進行設計，其p1口作鍵盤輸入，p0和p2口低四位作led顯示輸出，p3.5輸入轉速采樣信號，p3.0輸出報警信號。時鐘采用內部振蕩方式獲得，時鐘頻率范圍0-16mhz，采用上電自動復位和按鍵復位都有效的復位方式。32個可編程雙向i/o口 128x8bit內部ram(可擴充64kb外部存儲器) 2個16位可編程定時/計數器，5.0v工作

13、電壓，可編程全雙工串行通信口，pdip和plcc封裝形式 兼容ttl和cmos邏輯電平。2.2 軟件設計方案本設計的軟件部分分為多個模塊，每個模塊實現的功能又由多個子程序來實現。其程序與程序之間的關系如圖2.2所示。輸定轉速入設范圍子程序import主程序報警bjled顯示十進制調整htx返回主程序ton 中斷鍵盤掃描延時nyojing yn是否報警圖2.2 軟件結構框圖先根據實際需要先用鍵盤設置好最低轉速0r/m和最高轉速3000r/m，電動機開始工作的時間，每轉一圈測速傳感器就記錄一次，每5s顯示更新一下轉速，其具體的速度由數碼管來體現并顯示。工作時當電機的轉速超過了實際設定的數值，工作程

14、序就會自動跳轉到報警程序，報警電路開始工作，進行報警提示，這樣既保護了電機，又顯示了電機的轉速數值，如果沒有超過這個設定的轉速范圍，則進行下一輪的循環測試。第3章 主程序的設計說明3.1 主程序說明 程序開始首先輸入子程序import輸入高低限參數。然后退出輸入子程序開始測速，循環測速時間為5s。每次測得的轉速分別與上下限值比較，然后調用htx子程序將轉速值轉換為bcd碼形式的顯示數，再調用led顯示子程序將轉速輸出顯示。結束后進行下一次測速，不停的對轉速進行檢測下面的設計包含單片機的轉速測量方法及原理，led顯示電路的軟件設計，鍵盤電路的軟件設計以及報警電路的軟件設計。其中led顯示電路的軟

15、件設計是完成數字的顯示功能，從p0口輸出段選信號控制led各段將其點亮，p2口低四位輸出位選信號，同一時刻只有一位被選中。從p2口輸出依次從高到低，選中某一位時從p0口輸出顯示代碼和顯示相應位的數字。四位輸出完畢后結束程序。 主程序設計流程圖如圖3.1所示。開始中斷是否報警報警返回主程初始化設置定時器計算轉速值存入30h，31h中調用輸入子程序設置轉速高低限鍵盤掃描led顯示是否 圖3.1主程序設計流程框圖第4章 單片機的轉速測量方法及原理4.1單片機測量轉速的方法一般轉速測量系統有以下幾個部分構成，如圖4.1所示 轉速信號拾取信號整理單片機顯示接口芯片顯示鍵盤驅動電路 圖4.1轉速測量框圖(

16、1) 轉速信號拾取目的是將外界的非電量信號轉化成電量信號，這一環節可通過敏感元件、傳感器等來實現。(2) 信號整理將傳感器輸出的信號轉換成單片機要求輸入的信號。(3) 單片機單片機是測量系統的主要部分，主要是對脈沖信號進行處理、計算以及計時等任務，其次，將整理的數據傳送到顯示接口中，由數碼管顯示。 (4) 驅動和顯示由于led數碼管具有亮度高、可靠性好等特點，所以該系統也采用led數碼管顯示。(5) 鍵盤用來實現電機的啟動與停止，以及高、低速的報警。4.1.1 測頻法“m法”的工作原理在一定測量時間t內，測量脈沖發生器產生的脈沖數m1來測量轉速，如圖4.2 “m”法測量轉速脈沖所示。設在時間t

17、內，轉軸轉過的弧度數為x，則轉速n為：n= (4-1)轉軸轉過的弧度數x可用下式表示：x (4-2)圖4.2 “m”法測量轉速脈沖為了使數碼管顯示數n既為電機轉速，應取測量時間為： (4-3)式中t的單位為s。 因為當nt t =60時，測速儀顯示的讀數n即為時間t內電機的平均轉速n。因此，nt越大，測量時間t越小時，所測的轉速值也就越接近瞬時速度值。4.1.2 轉速傳感器的簡介轉速傳感器包含光電式、磁電式等多種型式的傳感器。本設計選用的是光電傳感器。它的結構很簡單，由光源、光柵圓盤和光電三極管組成。在測頻法中，為了使測速儀顯示的讀數n即為t時間內電機的平均轉速n ，光柵圓盤上的圓孔數nt應滿

18、足下列關系：即孔數nt與測量時間“t”之乘積等于60。4.2 速度檢測電路的軟件設計本測速系統是由光柵圓盤和光電三極管組成的。當直流電機通過傳動部分帶動光柵圓盤轉動時，測速光敏管把獲得的非電信號轉化為電脈沖信號并把信號傳給單片機。在與單片機的接口處用tlp521-1光電耦合器進行隔離，處理光敏管傳輸的脈沖數據。其原理框圖如圖4.3所示。圖4.3 光電式傳感器與單片機連接原理框圖這些脈沖信號通過單片機定時/計數器t1計數，定時/計數器t0定時。定時器t0完成100次溢出中斷的時間為t ，測得的脈沖數為m，經過單位換算，則直流電機轉速計算公式為： (4-4)其中：n為直流電機轉速, nt為柵格數，

19、n1為t0中斷次數，m為定時器t1在規定時間內測得的脈沖數，t為定時器t0定時溢出時間本設計圓盤上孔數為12，即由公式(4-3)可計算出測量時間：測量時間為：下邊的程序定義t0定時溢出時間為50ms ，中斷次數為100次，轉換為16進制數為#64h，加起來測量時間正好是5s。溢出時間由寄存器th0、tl0初值決定，中斷次數由工作寄存器r0進行計數，到一百次時，計算計數器t1計數值即為轉速值。t0中斷程序名：t0_int占用資源：工作寄存器r0、ram 30h 、31h 、35h 累加器 a 、b出口參數：當r0計數到100次時，將轉速值存入 30h、31h中，同時置位20.0，否則無出口參數程

20、序存放地址：內部rom0100h光電式傳感器與單片機連接軟件框圖如圖4.4所示檢測電路光電耦合控制器中斷顯示電路圖4.4 光電式傳感器與單片機連接軟件框t0中斷程序如圖4.5所示 to中斷入口to中斷中斷返回值存入開to中斷置to始數值中斷r0等于64h嗎?圖4.5 t0中斷程序框圖第5章led顯示電路的軟件設計5.1顯示接口電路的程序設計此程序完成本次設計的顯示功能，從p0口輸出段選信號控制led顯示器并將各段點亮，p2口低四位輸出位選信號，同一時刻只有一位被選中。從p2口輸出依次從高到低，選中某一位時從p0口輸出顯示代碼和顯示相應位的數字，四位輸出完畢后結束程序。led顯示子程序名：led

21、程序存放地址：0200h占用資源：p0口，p2口底四位 ，寄存器 r0 ，r1 累加器a 片內ram 45h-48h入口參數：45h-48h分別存入 顯示數據的千位，百位，十位和個位以bcd碼形式存放。led顯示程序框圖如圖5.1所示。開始表首址存入r0-1，r1左移的值a值從p1輸出顯示片選碼送r1中斷返回取值放入a中四位是否顯示完畢圖5.1 led顯示程序框圖5.2顯示器的顯示方式5.2.1 靜態顯示靜態顯示，是指當數碼管顯示某一字符時，相應的發光二極管恒定導通或截止。這種顯示方式的各位數碼管的公共端恒定接地（共陰極）或+5v的電源（共陽極）。只要i/o端口有顯示字型碼輸出，數碼管就顯示相

22、應字符并保持不變，直到i/o端口輸出變化。采用多片74ls373擴展并行i/o端口，各片74ls373的口地址是由at89c51的p2端口的輸出決定的。可以直接由p2口作位選，也可以通過硬件譯碼后得到位選信號。靜態顯示時，較小的電流就能得到較高的顯示亮度，所以可由接口芯片直接驅動。但它占用單片機的i/o端口線多，限制了單片機接led的個數。5.2.2 動態顯示 需要接多個數碼管、輸出顯示多位數時，就可以采用動態顯示。動態顯示就是一種按位輪流點亮各位數碼管的顯示方式，即在某一時段，只讓其中一位數碼管的“位選端”有效 。對于顯示器的每一位而言，每隔一段時間點亮一次。雖然在同一時刻只有一位顯示器點亮

23、，但由于視覺錯誤我們看到的卻是多個字符“同時”顯示。顯示器亮度既與點亮時的導通電流有關，也和點亮時間與間隔時間的比例有關。調整電流和時間參數，可以實現一理想的顯示。 5.3 系統的數碼管連接方式由于靜態顯示電路較小的電流就可以獲得較高的顯示亮度并且無需對led顯示器循環輸出顯示，占用的cpu時間又少，易于編程、監測和控制，所以本次設計數碼管采用的是并行輸出的靜態顯示方式。本系統用89c51的p0口輸出作為led顯示的段選碼，p2口低四位輸出四位led顯示的位選控制信號。用四片74ls373集成塊作數據鎖存，led顯示器采用共陽極接法。p2口的低四位同時只有一位輸出為1，其余三位鎖定。 第6章

24、鍵盤電路的軟件設計6.1鍵盤的工作原理(1) 按其結構不同鍵盤可分為獨立式鍵盤和矩陣式鍵盤，它們都有各自的特點：a) 獨立式鍵盤是指直接用單片機的i/o口線p1.0- p1.7控制按鍵，每個按鍵單獨占用一根i/o端口線，相互獨立，每個按鍵的工作不會影響其他i/o端口線的工作狀態。但其每個按鍵都必須占用一根i/o端口線，所以在按鍵數量多時，最好不采用這種按鍵電路。b) 在矩陣式鍵盤中，通常鍵盤的列線是由單片機輸出口控制，行線連接單片機的輸入口。而為了減少i/o口的占用，所以在按鍵數量多時通常采用矩 陣形式按鍵電路。(2) 矩陣式鍵盤的原理：確定矩陣式鍵盤上某個鍵是否被按下有如下方法：編程掃描法、

25、時序掃描法及中斷方式。本次設計采用的是中斷方式。中斷方式掃描具體如下：at89c51單片機的p1口作為鍵盤i/o口，鍵盤的列線接到p1口的低4位，鍵盤的行線接到p1口的高4位。列線p1.0-p1.3分別接有4個上拉電阻，外接電源+5v，并把列線p1.0-p1.3和行線p1.4-p.17分別設置成輸入線、輸出線。 a) 檢測當前是否有鍵被按下： p1.4-p1.7輸出全為“0”，若p1.0-p1.3都為“1”，則無鍵閉合，否則有鍵閉合。 b) 去除鍵抖動。當檢測到有鍵按下后，延時一段時間再做下一步的檢測判斷。 c) 若有鍵被按下，應識別出是哪一個鍵閉合。方法是對鍵盤的行線進行掃描。 d) 在每組

26、行輸出時讀取p1.0-p1.3，若全為“1”，則表示為“0”這一行沒有鍵閉合，否則有鍵閉合。由此得到閉合鍵的行值和列值，然后可采用計算法或查表法將閉合鍵的行值和列值轉換成所定義的鍵值 e) 為了保證鍵每閉合一次cpu僅作一次處理，必須卻除鍵釋放時的抖動。f) 鍵盤上的每個鍵都有一個鍵值。鍵值賦值的最直接辦法是將行，列線按二進制順序排列，當某一鍵按下時，鍵盤掃描程序執行到給該列置0電平，讀出各行狀態為非全1狀態，這時的行、列數據組合成鍵值。 6.2鍵盤掃描方式和接口電路本設計用到的按鍵較多，所以采用矩陣式鍵盤。這種鍵盤電路，可直接用單片機i/o口進行設計，并且采用中斷掃描工作方式。不僅方便還提高

27、了cpu的工作效率。本鍵盤設計把單片機p1口高四位作輸出掃描，低四位輸入組成44中斷掃描工作方式鍵盤。其接口電路如圖6.1所示：圖6.1接口電路6.3鍵盤鍵值分配及按鍵功能設定根據圖6.1和相應鍵的鍵值定義各個鍵的功能如下：0-9號鍵 為數字鍵分別代表相應的數字10號鍵 無定義11號鍵 確定并保存設定參數12號鍵 顯示報警下限參數13號鍵 顯示報警上限參數14號鍵 退出輸入子程序開始測速15號鍵 清除設定高低報警參數輸入子程序完成高低限報警參數設定及一些功能鍵。在程序開始t0中斷，清f0然后判斷f0位為1時向下執行，否則等待有鍵按下。有鍵按下后采用多條cjne指令進行判斷所按鍵是否是指令中所指

28、的功能鍵值，是則執行相應的功能程序，不是則進行下一次判斷。若不是功能鍵執行數字鍵相應程序，將顯示數據左移顯示。在按下14號功能鍵時退回到主程序。占用內存地址空間： 0450h占用資源：工作寄存器 r0、r1、r2、r3、6累加器 a第7章 報警電路的軟件設計7.1 報警電路功能的介紹電機工作時，每轉一圈測速傳感器就記錄一次，每隔5s由數碼管顯示更新的轉速。工作時，當電機的轉速超過了設定的數值，工作程序就會自動跳轉到報警程序，報警電路開始工作。如果沒有超過設定的轉速范圍，則進行下一輪的循環測試。7.2 報警電路軟件設計 該報警電路，是以ne555集成電路快為核心組成的報警音頻信號振蕩器。通過一個

29、與門和單片機p3.0口輸出相與控制揚聲器發聲。在單片機復位后，p3.0口輸出為1，經過非門后為0送到與門和音頻信號相與，與門鎖定無輸出。在轉速超出設定值后，通過軟件將p3.0口輸出為0，情況與上邊所述相反揚聲器發聲報警。報警電路框圖如圖7.1所示。軟件設計子程序名：bj 程序功能：將r6和r7所指定的四個字節的bcd碼數比較，前者小于后者時報警。占用資源：工作寄存器r5、r6、r7及累加器a入口參數：兩個四字節比較數首地址分別放入r6、r7中 調用程序是否報警 初始化開始返回主程序報警圖7.1報警電路框圖總 結 通過對此次課題的設計，我從中學到了不少東西。不僅鞏固了專業知識，還對其加以延伸。在

30、做設計的時候，不可避免要用到已經學過的一些專業知識，如：模擬電路，數字電路，信號與系統以及單片機、c語言等。在遇到不懂的時候我必然會去想辦法弄清楚上網，去圖書館等，在這個過程中，對以前學過的知識有了一個重溫的階段，而在這個階段中就鞏固了所學的知識。 在設計中必然也會用到其它與課題相關的知識，這些是課本上沒有涉及到的，但在做設計的過程中我可以去慢慢摸索，去學習，以至于掌握它。即為對知識的延伸、擴展。 在本次設計中，單片機的應用是電機測速系統智能化的關鍵。由于單片機對脈沖數字信號的強大的處理能力，使得該系統得以全數字化，大大提高了其測量的精確度以及增大了它的測量范圍。滿足了現代科學技術對轉速參數的要求。系統通過硬件和軟件的設計，實現了轉速測量系統的測量，轉速計算、顯示功能，以及鍵盤的高低速報警的功能。先用鍵盤設置好最低轉速0r/m和最高轉速3000r/m。當電動機開始工作時，光電傳感器把收集到的非電量信號轉化為電脈沖信號，經過光電耦合器的整理后再輸送給at89c51單片機，其具體轉