1、智能儀表綜合課程設(shè)計(jì) 目錄 1緒論2 1.1題目背景及目的2 1.2 題目研究方法2 2系統(tǒng)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)知識(shí)3 2.1直流電機(jī)的基本知識(shí)3 2.2 51單片機(jī)的基礎(chǔ)知識(shí)7 2.3 LED顯示管10 2.4 傳感器10 3系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)14 3.1 系統(tǒng)分析14 3.2 設(shè)計(jì)思路和方案16 3.3 系統(tǒng)構(gòu)成17 4硬件電路設(shè)計(jì)19 4.1 電源電路19 4.2 轉(zhuǎn)速測(cè)量電路19 4.3 LED顯示模塊21 4.4系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)21 5系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)23 5.1計(jì)時(shí)方案的選擇23 5.2軟件結(jié)構(gòu)劃分24 6設(shè)計(jì)心得與體會(huì)26 7參考文獻(xiàn)26 智能儀表綜合課程設(shè)計(jì) 摘 要 單片機(jī)乂稱單片微控制器（MCU）

2、,它把一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)集成到一個(gè)芯片上。它的 體積小、質(zhì)量輕、價(jià)格便宜、為學(xué)習(xí)、應(yīng)用和開(kāi)發(fā)提供了便利條件。隨著電子技術(shù)的 迅猛發(fā)展，單片機(jī)技術(shù)也有了長(zhǎng)足的發(fā)展，目前單片機(jī)滲透到我們生活的各個(gè)領(lǐng)域， 兒乎很難找到哪個(gè)領(lǐng)域沒(méi)有單片機(jī)的蹤跡，導(dǎo)彈的導(dǎo)航裝置，飛機(jī)上各種儀表的控制, 計(jì)算機(jī)的網(wǎng)絡(luò)通訊與數(shù)據(jù)傳輸，工業(yè)自動(dòng)化過(guò)程的實(shí)時(shí)控制和數(shù)據(jù)處理，廣泛使用的 各種智能IC卡，民用豪華轎車的安全保障系統(tǒng)，錄象機(jī)、攝象機(jī)、全自動(dòng)洗衣機(jī)的控 制，以及程控玩具、電子寵物等等，這些都離不開(kāi)單片機(jī)。 各種電機(jī)在工業(yè)得到廣泛應(yīng)用，為了能方便的對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制、監(jiān)視、調(diào)速，有 必要對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行測(cè)量，從而提高自動(dòng)化程度。

3、轉(zhuǎn)速是工程上一個(gè)常用參數(shù)。轉(zhuǎn) 速測(cè)量的方法很多，釆用光電開(kāi)關(guān)管測(cè)量轉(zhuǎn)速是較為常用的測(cè)量方法。 在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，我們以51單片機(jī)為核心控制單元，以紅外對(duì)管（或稱光/電， 電/光二極管）為傳感器，通過(guò)光電傳感器實(shí)時(shí)釆集電機(jī)轉(zhuǎn)速并進(jìn)行處理與顯示，設(shè) 計(jì)出一個(gè)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng),并研究其測(cè)量精度、測(cè)量范圍及響應(yīng)速度.程序設(shè)計(jì)部 分分為初始化模塊、脈沖計(jì)數(shù)模塊、計(jì)時(shí)模塊、參數(shù)調(diào)整模塊和顯示模塊最后通過(guò)試 驗(yàn)測(cè)試，得到了相應(yīng)的技術(shù)參數(shù)，并對(duì)轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)的誤差進(jìn)行了分析.要求設(shè)計(jì)的系 統(tǒng)穩(wěn)定可靠、抗干擾能力強(qiáng)、成本低，使用方便。 智能儀表綜合課程設(shè)計(jì) 1緒論 1.1題目背景及目的 目前單片機(jī)滲透到我們生活的

4、各個(gè)領(lǐng)域，兒乎很難找到哪個(gè)領(lǐng)域沒(méi)有單片機(jī)的蹤 跡，導(dǎo)彈的導(dǎo)航裝置，飛機(jī)上各種儀表的控制，計(jì)算機(jī)的網(wǎng)絡(luò)通訊與數(shù)據(jù)傳輸，工業(yè) 自動(dòng)化過(guò)程的實(shí)時(shí)控制和數(shù)據(jù)處理，廣泛使用的各種智能IC卡，民用豪華轎車的安全 保障系統(tǒng)，錄象機(jī)、攝象機(jī)、全自動(dòng)洗衣機(jī)的控制，以及程控玩具、電子寵物等等， 這些都離不開(kāi)單片機(jī)。 各種電機(jī)在工業(yè)得到廣泛應(yīng)用，為了能方便的對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制、監(jiān)視、調(diào)速，有 必要對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行測(cè)量，從而提高自動(dòng)化程度。 1.2題目研究方法 測(cè)量轉(zhuǎn)子速度的方法很多，但多數(shù)比較復(fù)雜。目前，測(cè)量轉(zhuǎn)速的方法主要有四種: 機(jī)械式、電磁式、光電式和激光式。機(jī)械式主要利用離心力原理，通過(guò)一個(gè)隨軸轉(zhuǎn)動(dòng) 的固定質(zhì)量重

5、錘帶動(dòng)自由軸套上下運(yùn)動(dòng)，根據(jù)不同轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)不同軸套位置獲得測(cè)量結(jié) 果原理簡(jiǎn)單直接，不需額外電器設(shè)備，適用于精度要求不高、接觸式的轉(zhuǎn)速測(cè)量場(chǎng)合。 電磁式系統(tǒng)由電磁傳感器和安裝在軸上的齒盤(pán)組成，主軸轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)齒盤(pán)旋轉(zhuǎn)，齒牙通 過(guò)傳感器時(shí)引起電路磁阻變化，經(jīng)過(guò)放大整形后形成脈沖，通過(guò)脈沖得到轉(zhuǎn)速值。由 于受齒盤(pán)加工精度、齒牙最小分辨間隔、電路最大計(jì)數(shù)頻率等限制，測(cè)量精度不能保 證。光電式結(jié)構(gòu)類似于電磁式結(jié)構(gòu)，把旋轉(zhuǎn)齒盤(pán)換作光電編碼盤(pán)或黑白相間的反射條 紋，把電磁傳感器換作光電接收器，通過(guò)對(duì)反射回來(lái)的光脈沖信號(hào)計(jì)數(shù)得到測(cè)量結(jié)果。 由于受條紋最小分辨間隔、電路最大計(jì)數(shù)頻率等限制，測(cè)量精度不能保證，所測(cè)轉(zhuǎn)速

6、值和電磁式一樣為兩個(gè)計(jì)數(shù)脈沖間距的平均值。激光測(cè)速技術(shù)(LDV)是一種正在發(fā)展中 的測(cè)速技術(shù)，通過(guò)激光多普勒效應(yīng)獲得轉(zhuǎn)動(dòng)體的瞬時(shí)角速度，理論上具有很高的瞬時(shí) 轉(zhuǎn)速測(cè)量精度，但目前實(shí)際產(chǎn)品精度不夠高，并且價(jià)格昂貴，在實(shí)際使用上受到限制。 通過(guò)改進(jìn)己有的電磁式傳感器，設(shè)計(jì)一種適于瞬時(shí)轉(zhuǎn)速測(cè)量的新型傳感器，在旋轉(zhuǎn)機(jī) 械瞬時(shí)狀態(tài)分析中具有一定的實(shí)際意義。 智能儀表綜合課程設(shè)計(jì) 2系統(tǒng)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)知識(shí) 2.1直流電機(jī)的基本知識(shí) 直流電機(jī)的工作原理 永磁式直流電機(jī)是應(yīng)用很廣泛的一種。只要在它上面加適當(dāng)電壓。電機(jī)就轉(zhuǎn)動(dòng)。 圖2. 1是這種電機(jī)的符號(hào)和簡(jiǎn)化等效電路。 工作原理圖： 圖2.1直流電機(jī)的符號(hào)和等效電路

7、 這種電機(jī)由定子、轉(zhuǎn)子、換向器(乂稱整流子)、電刷等組成，定子用作產(chǎn)生磁場(chǎng)。 轉(zhuǎn)于是在定子磁場(chǎng)作用下，得到轉(zhuǎn)矩而旋轉(zhuǎn)起來(lái)。換向器及時(shí)改變了電流方向，使轉(zhuǎn) 子能連續(xù)旋轉(zhuǎn)下去。也就是說(shuō)，直流電壓加在電刷上，經(jīng)換向器加到轉(zhuǎn)子線圈，流過(guò) 電流而產(chǎn)生磁場(chǎng)，這磁場(chǎng)與定子的固定磁場(chǎng)作用，轉(zhuǎn)子被強(qiáng)迫轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)。當(dāng)它轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí), 由于磁場(chǎng)的相互作用，也將產(chǎn)生反電動(dòng)勢(shì)，它的大小正比于轉(zhuǎn)子的速度，方向和所加 的直流電壓相反。圖2. 1 (b)給出了等效電路。Rw代表轉(zhuǎn)子繞組的總電阻，E代表與速 度相關(guān)的反電動(dòng)勢(shì)。 永磁式換流器電機(jī)的特點(diǎn)： 當(dāng)電機(jī)負(fù)載固定時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速正比于所加的電源電壓。 當(dāng)電機(jī)直流電源固定時(shí)，電機(jī)的工作

8、電流正比于轉(zhuǎn)予負(fù)載的大小。 加于電機(jī)的有效電壓，等于外加直流電壓減去反電動(dòng)勢(shì)。因此當(dāng)用固定電壓驅(qū)動(dòng)電機(jī) 時(shí)，電機(jī)的速度趨向于自穩(wěn)定。因?yàn)樨?fù)載增加時(shí)，轉(zhuǎn)子有慢下來(lái)的傾向，于是反電動(dòng) 勢(shì)減少，而使有效電壓增加，反過(guò)來(lái)乂將使轉(zhuǎn)子有快起來(lái)的傾向，所以總的效果使速 度穩(wěn)定。 智能儀表綜合課程設(shè)計(jì) 當(dāng)轉(zhuǎn)子靜止時(shí)，反電動(dòng)勢(shì)為零，電機(jī)電流最大。其最大值等于V/Rw(這兒V是電 源電壓)。最大電流出現(xiàn)在剛起動(dòng)的條件。 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)的方向，可由電機(jī)上所加電壓的極性來(lái)控制。 體積小、重量輕、起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大。 由于具備上述的那些特點(diǎn)，所以在醫(yī)療器械、小型機(jī)床、電子儀器、計(jì)算機(jī)、氣 象探空儀、探礦測(cè)井、電動(dòng)工具、家用電器及電子

9、玩具等各個(gè)方面，都得到廣泛的應(yīng) 用。 對(duì)這種永磁式電機(jī)的控制，主要有電機(jī)的起停控制、方向控制、可變速度控制和 速度的穩(wěn)定控制。 電機(jī)的起/停控制 電機(jī)的起/停控制，最簡(jiǎn)單最原始的方法是在電機(jī)與電源之間，加一機(jī)械開(kāi)關(guān)。 或者用繼電器的觸點(diǎn)控制。 現(xiàn)在比較流行的方法，是用開(kāi)關(guān)晶體管來(lái)代替機(jī)械開(kāi)關(guān)，無(wú)觸點(diǎn)、無(wú)火花干擾， 速度快。電路如圖2. 2 (a)所示。當(dāng)輸入端為低電平時(shí)，開(kāi)關(guān)晶體管Q1截止，電機(jī)無(wú) 電流而處于停止?fàn)顟B(tài)。如果輸入端為高電平時(shí)，Q1飽和導(dǎo)通，電機(jī)中有電流，因此電 機(jī)起動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)。圖中二極管D1和D2是保護(hù)二極管，防止反電動(dòng)勢(shì)損壞晶體管。電容C1 是消除射頻干擾而外加的。R1基極限流電阻

10、，限制Q1的基極電流。在6V電源時(shí)，基 極電流不超過(guò)52mA。在這種情況下，Q1提供電機(jī)的最大電流為1A左右。 U4 /nh Qv G) 0) 圖2.2用晶體管控制電機(jī)啟停,(b)增強(qiáng)靈敏度 圖2. 2 (a)的電路，因基極電流需外部驅(qū)動(dòng)電路。如果再增加一級(jí)緩沖放大，如圖 2. 2(b)的電路，驅(qū)動(dòng)電流減少到2mA。R3限制Q1的基極電流到安全值。其他元件作用 與(a)圖中相同。 智能儀表綜合課程設(shè)計(jì) 電機(jī)的方向控制 水磁式換流器電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向，可以用改變電源極性的方法，使電機(jī)反轉(zhuǎn)。如果 用正、負(fù)雙極性電源，可用一個(gè)單刀進(jìn)行轉(zhuǎn)換，如圖2.3(a)所示。因?yàn)殡姍C(jī)的電流直 接通過(guò)開(kāi)關(guān)，容易燒壞開(kāi)關(guān)

11、接點(diǎn)。所以可以改用功率開(kāi)關(guān)晶體管來(lái)代替機(jī)械開(kāi)關(guān)，就 可以克服上述缺點(diǎn)。電路如圖2. 3(b)所示。 (用單開(kāi)關(guān)晶體管開(kāi)關(guān)(C)單辺輸入晶住首開(kāi)關(guān) 圖2.3電機(jī)方向控制 電路工作原理：當(dāng)開(kāi)關(guān)SW1置于“正轉(zhuǎn)”位時(shí)，Q1和Q3的基極加上偏流；Q2和 Q4的偏置電路被斷開(kāi)。所以Q1和Q3導(dǎo)通，Q2和Q4截止。電流從V+-Q3發(fā)射極一Q3 集電極一電機(jī)正端電機(jī)負(fù)端一地形成回路，此時(shí)電機(jī)正轉(zhuǎn)。同理，如果SW1置于“反 轉(zhuǎn)位置時(shí)，Q2和Q4得到偏流而導(dǎo)通；01和Q3截止。電流從電源地端一電機(jī)負(fù)端一 電機(jī)正端一Q4集電極一Q4發(fā)射極一電源負(fù)端形成回路，故電機(jī)電源與上述情況相反, 因此電機(jī)反轉(zhuǎn)。而SW1置于斷

12、時(shí)，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。 圖2. 3(b)電路中SW1要轉(zhuǎn)接正、負(fù)電源。在接口電路的應(yīng)用中，用電子開(kāi)關(guān)來(lái)代 替SW1就比較困難。為了克服這個(gè)缺點(diǎn)，可用圖2.3(c)的電路加以改進(jìn)。圖2.3(c) 中的SW1就很容易用電子開(kāi)關(guān)來(lái)代替。在這個(gè)電路中，SW1置于“正轉(zhuǎn)”位置時(shí)，Q1 和Q3導(dǎo)通，Q2和Q4截止。SW1置于“反轉(zhuǎn)”位置時(shí),Q2和Q4導(dǎo)通,Q1和Q3截止。 電機(jī)的速度控制 直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速與所加的電壓有效值成正比。圖2. 4是12V直流電機(jī)的可變電壓 速度控制。圖中Q1和Q2是復(fù)合管射極跟隨器，電機(jī)的直流電壓可從0V變到12v。這 種電路的特點(diǎn)是：在中速和高速時(shí)，速度的控制和自動(dòng)調(diào)節(jié)的性能很好。

13、但是低速和 智能儀表綜合課程設(shè)計(jì) 慢啟動(dòng)特性比較差。 用開(kāi)關(guān)方式或脈寬調(diào)制，可以獲得非常好的速度控制性能。電路圖如2. 5所示: 圖2.4 12VDC電機(jī)速度控制 1N414S 1N3 圖2.5 12V直流電機(jī)開(kāi)關(guān)方式速度控制 圖中IC1作為50Hz的無(wú)穩(wěn)多諧振蕩器，它產(chǎn)生一個(gè)矩形波輸出，占空比可變從 20比1到1比20,由RV1進(jìn)行調(diào)節(jié)。這個(gè)波形經(jīng)過(guò)Q1和Q2送到電機(jī)，電機(jī)上的電壓 有效值是隨RV1的調(diào)節(jié)而變化的（總的周期是50HZ） o不過(guò)電機(jī)上所加上的電壓，是具 有峰值電壓為12V的功率脈沖。因此在整個(gè)調(diào)速范圍內(nèi)；性能都非常好。即使在很低 的速度，轉(zhuǎn)矩也很大。速度控制的程度，正比于所加電

14、壓的有效值。 智能儀表綜合課程設(shè)計(jì) 2.2 51單片機(jī)的基礎(chǔ)知識(shí) 隨著大規(guī)模集成電路的出現(xiàn)和發(fā)展，芯片生產(chǎn)廠家把中央處理器CPU (Central Processing Unit),隨機(jī)存取內(nèi)存 RAM (Random Access Memory),只讀存儲(chǔ)器 ROM (Read Only Memory),定時(shí)器/計(jì)數(shù)器以及I/O ( Input/Output)接口電路等主要計(jì)算機(jī)部件, 集成在一塊集成電路芯片(硅片)上，形成芯片級(jí)計(jì)算機(jī)，稱為單片微型計(jì)算機(jī)(single chip microcomputer),直譯為單片機(jī)。雖然單片機(jī)只是一個(gè)芯片，但從組成和功能上 看，它己具有了微機(jī)系統(tǒng)的含

15、義，乂稱微型處理部件MCU(Micro Controller Unit), 單片機(jī)商品名稱為微控制器單元。單片機(jī)具有優(yōu)異的性能價(jià)格比、體積小、可靠性高、 控制功能強(qiáng)，廣泛應(yīng)用在智能儀表、機(jī)電一體化、實(shí)時(shí)過(guò)程控制、機(jī)器人、家用電器、 模糊控制、通信系統(tǒng)等領(lǐng)域。 根據(jù)單片機(jī)能夠一次處理的數(shù)據(jù)的寬度(二進(jìn)制位數(shù))，單片機(jī)分為1位機(jī)、4位 機(jī)、8位機(jī)、16位機(jī)、32位機(jī)。目前，應(yīng)用最廣的產(chǎn)品是8位單片機(jī)，其中又 Intel 公司出品的MCS-51系列單片機(jī)應(yīng)用最廣。MCS-51系列單片機(jī)已經(jīng)成為事實(shí)上的工業(yè) 標(biāo)準(zhǔn)，其內(nèi)部包含如下功能部件： 1、一個(gè)8位的中央處理器CPU,完成運(yùn)算和控制功能； 2、一個(gè)

16、片內(nèi)振蕩器及時(shí)鐘電路，外接石英晶體和微調(diào)電容需外接，為單 片機(jī)產(chǎn)生時(shí)鐘脈沖序列，系統(tǒng)允許的晶振頻率033MHz； 3、256B RAM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，前128單元作內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，可擦寫(xiě)的數(shù)據(jù)， 后128單元為專用寄存器。 4、兩個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，以實(shí)現(xiàn)定時(shí)或計(jì)數(shù)功能，并以其定時(shí)或計(jì) 數(shù)結(jié)果對(duì)計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制。 5、可尋址的64KB外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器以及控制電路。 6、可尋址的64KB外部程序存儲(chǔ)器以及控制電路。 7、21個(gè)特殊功能寄存器 8、32條可編程的I/O線(四個(gè)8位I/O并行端口) 9、一個(gè)可編程全雙工串行口，可作全雙工異步通信收發(fā)器使用，實(shí)現(xiàn)單片 機(jī)和其它設(shè)備之的串行資料傳送；也可作為

17、同步移位器使用 10、五個(gè)中斷源，外中斷2個(gè)，定時(shí)/計(jì)數(shù)中斷2個(gè)，串行中斷1個(gè)；兩個(gè)優(yōu) 智能儀表綜合課程設(shè)計(jì) 先級(jí)，全部中斷分為高級(jí)和低級(jí)共兩個(gè)優(yōu)先級(jí)。 11、根據(jù)內(nèi)部程序存儲(chǔ)器ROM多少，MCS-51系列主要芯片與差異 8031 片內(nèi)無(wú)ROM； 8051 片內(nèi)4K掩膜ROM； 8751片內(nèi)4K紫外線可擦除可編程程序存儲(chǔ)器，EPROM； 89C51片內(nèi)4K電可擦除可編程程序存儲(chǔ)器，F(xiàn)LASH EEPROM； 89S51片內(nèi)4K電可擦除可編程程序存儲(chǔ)器，F(xiàn)LASH EEPROM,支持ISP； 89S52 片內(nèi)8K電可擦除可編程程序存儲(chǔ)器，F(xiàn)LASH EEPROM,支持ISP。 如圖2. 6所示：

18、 AT89C51 24PC 0222 圖2.6 51系列單片機(jī) AT89系列單片機(jī)的型號(hào)編碼由：前綴、型號(hào)和后綴三個(gè)部分組成。 例如：AT 89SXXXX XXXX其中，AT是前綴，89SXXXX是型號(hào),XXXX是后綴。 (1) 前綴 由字母“AT”組成，表示該器件是ATMEL公司的產(chǎn)品。 (2) 型號(hào) 由 “89CXXXX” 或 “89LVXXXX” 或 “89SXXXX” 等表示。 9表示內(nèi)部含F(xiàn)lash存儲(chǔ)器， “89CXXXX” 中，C 表示 CMOS 產(chǎn)品。 “89LVXXXX”中，LV表示低壓產(chǎn)品。 “89SXXXX”中，S表示含有串行下載Flash存儲(chǔ)器。 科能儀表綜合課程設(shè)計(jì)

19、（3）后綴 由“XXXX”四個(gè)參數(shù)組成 后綴中的第一個(gè)參數(shù)X用于表示速度 X=12,表示速度為12 MHz。 X=24,表示速度為24 MHz。 后綴中的第二個(gè)參數(shù)X用于表示封裝 X=J,表示 PLCC 封裝，Plastic Leaded Chip Carrier； X=P,表示塑料雙列直插DIP封裝,Dual Inline Package； 后綴中第三個(gè)參數(shù)X用于表示溫度范圍，它的意義如下： X=C,表示商業(yè)用產(chǎn)品，溫度范圍為0十70Co X=I, 表示工業(yè)用產(chǎn)品，溫度范圍為一40十85Co X=A,表示汽車用產(chǎn)品，溫度范圍為一40十125C。 X=M,表示軍用產(chǎn)品，溫度范圍為一55k 15

20、0Co 后綴中第四個(gè)參數(shù)X用于說(shuō)明產(chǎn)品的處理情況，它的意義如下： X為空，表示處理工藝是標(biāo)準(zhǔn)工藝。 X= / 883,表示處理工藝采用MILSTD883標(biāo)準(zhǔn)。 例如：有一個(gè)單片機(jī)型號(hào)為“AT89S5124PC0246”，則表示意義為該單片機(jī)是 ATMEL公司的Flash單片機(jī)，內(nèi)部含有串行下載Flash存儲(chǔ)器，速度為24 MHz,封裝 為塑料雙列直插封裝DIP，是商業(yè)用產(chǎn)品，按MILSTD 本系統(tǒng)釆用的是AT89S52 （如圖2.7） 它包括下列幾個(gè)部件： 1） 一個(gè)8位的CPU 0246標(biāo)準(zhǔn)處理工藝生產(chǎn)。 U5 O1C-3 45 67 (xoooaoGO 39 2) 一個(gè)片內(nèi)振蕩器和時(shí)序電路

21、 INT1 INTO 3) 4KB程序存儲(chǔ)器ROM 4) 128字節(jié)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器RAM 31 H T1 A TO o eTxt 4 XI P20 P21 P22 P23 P24 P25 P26 P27 5) 兩個(gè)16位可編程的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器 6) 1個(gè)可編程的全雙工串行口 4 RESET a叵 ol WR RXD TXD ALEP PSEN 7) 4個(gè)8位可編程并行I/O端口，即 8) P0, Pl, P2, P3 口 S9S51 圖2.7單片機(jī)引腳 64KB片外程序存儲(chǔ)器ROM和64KB片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器RAM的擴(kuò)展控制電路 9) 兩個(gè)優(yōu)先級(jí)嵌套中斷結(jié)構(gòu)，5個(gè)中斷源 智能儀表綜合課程設(shè)計(jì) 2.3

22、LED顯示管 數(shù)碼管中有8個(gè)發(fā)光二極管，其中7個(gè)發(fā)光二極管長(zhǎng)條段狀，可組成數(shù)字字形，1 個(gè)發(fā)光二極管為點(diǎn)狀，形成小數(shù)點(diǎn)，所以有時(shí)稱為七段碼。七段數(shù)碼管引腳編碼從左 下腳開(kāi)始，分別為第1引腳、第2引腳.。 七段數(shù)碼管的8個(gè)發(fā)光二極管分別命名為a、b、c、d、e、f g、dp； com”為 8個(gè)LED的公共引腳。按照公共引腳的接法，七段數(shù)碼管分共陽(yáng)極和共陰極兩種。 共陽(yáng)極的七段數(shù)碼管將所有LED的正極連接在公共引腳，接到電源線。當(dāng)某一個(gè) LED負(fù)極為低電平時(shí)，發(fā)亮；為高電平時(shí)，變暗。 共陰極的七段數(shù)碼管將所有LED的負(fù)極連接在公共引腳，接到地線。當(dāng)某一個(gè)LED 正極為高電平時(shí)，發(fā)亮；為低電平時(shí)，變

23、暗。如圖2. 8所示： vcc 1234 5 10 9876 g f com a b b c dp e d com c dp 共陽(yáng)極I (d)共陽(yáng)極法 7 極 陰 共 (Q)實(shí)物圖 (b)引腳外形圖 (C)共陰極法 圖2.8 LED顯示數(shù)碼管原理圖 2.4傳感器 最廣義地來(lái)說(shuō)，傳感器是一種能把物理量或化學(xué)量轉(zhuǎn)變成便于利用的電信號(hào)的器 件。國(guó)際電工委員會(huì)(IEC： International Electrotechnical Committee)的定義為： “傳感器是測(cè)量系統(tǒng)中的一種前置部件，它將輸入變量轉(zhuǎn)換成可供測(cè)量的信號(hào)”。按 照Gopel等的說(shuō)法是：“傳感器是包括承載體和電路連接的敏感元件

24、”，而“傳感器 系統(tǒng)則是組合有某種信息處理(模擬或數(shù)字)能力的傳感器”。傳感器是傳感器系統(tǒng)的 一個(gè)組成部分，它是被測(cè)量信號(hào)輸入的第一道關(guān)口。 傳感器系統(tǒng)的原則 智能儀表綜合課程設(shè)計(jì) 進(jìn)入傳感器的信號(hào)幅度是很小的，而且混雜有干擾信號(hào)和噪聲。為了方便隨后的 處理過(guò)程，首先要將信號(hào)整形成具有最佳特性的波形，有時(shí)還需要將信號(hào)線性化，該 工作是由放大器、濾波器以及其他一些模擬電路完成的。在某些情況下，這些電路的 一部分是和傳感器部件直接相鄰的。成形后的信號(hào)隨后轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，并輸入到微 處理器。 徳國(guó)和俄羅斯學(xué)者認(rèn)為傳感器應(yīng)是由二部分組成的，即直接感知被測(cè)量信號(hào)的敏 感元件部分和初始處理信號(hào)的電路部分。

25、按這種理解，傳感器還包含了信號(hào)成形器的 電路部分。 傳感器系統(tǒng)的性能主要取決于傳感器，傳感器把某種形式的能量轉(zhuǎn)換成另一種形 式的能量。有兩類傳感器：有源的和無(wú)源的。有源傳感器能將一種能量形式直接轉(zhuǎn)變 成另一種，不需要外接的能源或激勵(lì)源 有源(a)和無(wú)源(b)傳感器的信號(hào)流程如下： 無(wú)源傳感器不能直接轉(zhuǎn)換能量形式，但它能控制從另一輸入端輸入的能量，激勵(lì) 能 傳感器承擔(dān)將某個(gè)對(duì)象或過(guò)程的特定特性轉(zhuǎn)換成數(shù)量的工作。其“對(duì)象”可以是固體、 液體或氣體，而它們的狀態(tài)可以是靜態(tài)的，也可以是動(dòng)態(tài)(即過(guò)程)的。對(duì)象特性被轉(zhuǎn) 換量化后可以通過(guò)多種方式檢測(cè)。對(duì)象的特性可以是物理性質(zhì)的，也可以是化學(xué)性質(zhì) 的。按照其

26、工作原理，傳感器將對(duì)象特性或狀態(tài)參數(shù)轉(zhuǎn)換成可測(cè)定的電學(xué)量，然后將 此電信號(hào)分離出來(lái)，送入傳感器系統(tǒng)加以評(píng)測(cè)或標(biāo)示。 各種物理效應(yīng)和工作機(jī)理被用于制作不同功能的傳感器。傳感器可以直接接觸被 測(cè)量對(duì)象，也可以不接觸。用于傳感器的工作機(jī)制和效應(yīng)類型不斷增加，其包含的處 理過(guò)程日益完善。 常將傳感器的功能與人類5大感覺(jué)器官相比擬： 光敏傳感器一一視覺(jué)聲敏傳感器一一聽(tīng)覺(jué) 氣敏傳感器一一嗅覺(jué)化學(xué)傳感器一一味覺(jué) 壓敏、溫敏、流體傳感器一一觸覺(jué) 與當(dāng)代的傳感器相比，人類的感覺(jué)能力好得多，但也有一些傳感器比人的感覺(jué)功 能優(yōu)越，例如人類沒(méi)有能力感知紫外或紅外線輻射，感覺(jué)不到電磁場(chǎng)、無(wú)色無(wú)味的氣 體等。 智能儀表綜

27、合課程設(shè)計(jì) 對(duì)傳感器設(shè)定了許多技術(shù)要求，有一些是對(duì)所有類型傳感器都適用的，也有只對(duì) 特定類型傳感器適用的特殊要求。針對(duì)傳感器的工作原理和結(jié)構(gòu)在不同場(chǎng)合均需要的 基本要求是：高靈敏度、抗干擾的穩(wěn)定性（對(duì)噪聲不敏感）、線性、容易調(diào)節(jié)（校準(zhǔn)簡(jiǎn) 易）、高精度、高可靠性、無(wú)遲滯性、工作壽命長(zhǎng)（耐用性）、可重復(fù)性、抗老化、高 響應(yīng)速率、抗環(huán)境影響（熱、振動(dòng)、酸、堿、空氣、水、塵埃）的能力、選擇性、安全 性（傳感器應(yīng)是無(wú)污染的）、互換性、低成本、寬測(cè)量范圍、小尺寸、重量輕和高強(qiáng)度、 寬工作溫度范圍、傳感器的分類。 可以用不同的觀點(diǎn)對(duì)傳感器進(jìn)行分類:它們的轉(zhuǎn)換原理（傳感器工作的基本物理或 化學(xué)效應(yīng)）；它們的用

28、途；它們的輸出信號(hào)類型以及制作它們的材料和工藝等。 根據(jù)傳感器工作原理，可分為物理傳感器和化學(xué)傳感器二大類 傳感器工作原理的分類物理傳感器應(yīng)用的是物理效應(yīng)，諸如壓電效應(yīng)，磁致伸縮 現(xiàn)象，離化、極化、熱電、光電、磁電等效應(yīng)。被測(cè)信號(hào)量的微小變化都將轉(zhuǎn)換成電 信號(hào)。 化學(xué)傳感器包括那些以化學(xué)吸附、電化學(xué)反應(yīng)等現(xiàn)象為因果關(guān)系的傳感器，被測(cè) 信號(hào)量的微小變化也將轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。 有些傳感器既不能劃分到物理類，也不能劃分為化學(xué)類。大多數(shù)傳感器是以物理 原理為基礎(chǔ)運(yùn)作的。化學(xué)傳感器技術(shù)問(wèn)題較多，例如可靠性問(wèn)題，規(guī)模生產(chǎn)的可能性, 價(jià)格問(wèn)題等，解決了這類難題，化學(xué)傳感器的應(yīng)用將會(huì)有巨大增長(zhǎng)。 按照其用途，傳感

29、器可分類為：壓力敏和力敏傳感器、位置傳感器、液面?zhèn)鞲衅鳌?能耗傳感器、速度傳感器、熱敏傳感器、加速度傳感器、射線輻射傳感器、振動(dòng)傳感 器、濕敏傳感器、磁敏傳感器、氣敏傳感器、真空度傳感器、生物傳感器等。 以其輸出信號(hào)為標(biāo)準(zhǔn)可將傳感器分為： 模擬傳感器一一將被測(cè)量的非電學(xué)量轉(zhuǎn)換成模擬電信號(hào)。 數(shù)字傳感器一一將被測(cè)量的非電學(xué)量轉(zhuǎn)換成數(shù)字輸出信號(hào)（包括直接和間接轉(zhuǎn) 換）。 膺數(shù)字傳感器一一將被測(cè)量的信號(hào)量轉(zhuǎn)換成頻率信號(hào)或短周期信號(hào)的輸出（包 括直接或間接轉(zhuǎn)換）O 開(kāi)關(guān)傳感器一一當(dāng)一個(gè)被測(cè)量的信號(hào)達(dá)到某個(gè)特定的閾值時(shí)，傳感器相應(yīng)地輸出 一個(gè)設(shè)定的低電平或高電平信號(hào)。 在外界因素的作用下，所有材料都會(huì)作

30、出相應(yīng)的、具有特征性的反應(yīng)。它們中的 智能儀表綜合課程設(shè)計(jì) 那些對(duì)外界作用最敏感的材料，即那些具有功能特性的材料，被用來(lái)制作傳感器的敏 感元件。從所應(yīng)用的材料觀點(diǎn)出發(fā)可將傳感器分成下列兒類： 1、按照其所用材料的類別分：金屬、聚合物、陶瓷、混合物。 2、按材料的物理性質(zhì)分：導(dǎo)體、絕緣體、半導(dǎo)體、磁性材料。 3、按材料的晶體結(jié)構(gòu)分：?jiǎn)尉А⒍嗑А⒎蔷Р牧稀?與釆用新材料緊密相關(guān)的傳感器開(kāi)發(fā)工作，可以歸納為下述三個(gè)方向： (1) 在己知的材料中探索新的現(xiàn)象、效應(yīng)和反應(yīng)，然后使它們能在傳感器技術(shù)中得 到實(shí)際使用。 (2) 探索新的材料，應(yīng)用那些己知的現(xiàn)象、效應(yīng)和反應(yīng)來(lái)改進(jìn)傳感器技術(shù)。 (3) 在研究新

31、型材料的基礎(chǔ)上探索新現(xiàn)象、新效應(yīng)和反應(yīng)，并在傳感器技術(shù)中加以 具體實(shí)施。 現(xiàn)代傳感器制造業(yè)的進(jìn)展取決于用于傳感器技術(shù)的新材料和敏感元件的開(kāi)發(fā)強(qiáng) 度。傳感器開(kāi)發(fā)的基本趨勢(shì)是和半導(dǎo)體以及介質(zhì)材料的應(yīng)用密切關(guān)聯(lián)的。表1.2中給 出了一些可用于傳感器技術(shù)的、能夠轉(zhuǎn)換能量形式的材料。 按照其制造工藝，可以將傳感器區(qū)分為： 集成傳感器薄膜傳感器厚膜傳感器陶瓷傳感器 集成傳感器是用標(biāo)準(zhǔn)的生產(chǎn)硅基半導(dǎo)體集成電路的工藝技術(shù)制造的。通常還將用 于初步處理被測(cè)信號(hào)的部分電路也集成在同一芯片上。 薄膜傳感器則是通過(guò)沉積在介質(zhì)襯底(基板)上的，相應(yīng)敏感材料的薄膜形成的。 使用混合工藝時(shí)，同樣可將部分電路制造在此基板上。

32、 厚膜傳感器是利用相應(yīng)材料的漿料，涂覆在陶瓷基片上制成的，基片通常是A1203 制成的，然后進(jìn)行熱處理，使厚膜成形。 陶瓷傳感器釆用標(biāo)準(zhǔn)的陶瓷工藝或其某種變種工藝(溶膠-凝膠等)生產(chǎn)。 完成適當(dāng)?shù)念A(yù)備性操作之后，己成形的元件在高溫中進(jìn)行燒結(jié)。厚膜和陶瓷傳感 器這二種工藝之間有許多共同特性，在某些方面，可以認(rèn)為厚膜工藝是陶瓷工藝的一 種變型。 每種工藝技術(shù)都有自己的優(yōu)點(diǎn)和不足。由于研究、開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)所需的資本投入較 低，以及傳感器參數(shù)的高穩(wěn)定性等原因，釆用陶瓷和厚膜傳感器比較合理。 13 智能儀表綜合課程設(shè)計(jì) 3系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì) 3.1系統(tǒng)分析 給直流電機(jī)加載直流電，電機(jī)就會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)。改變電壓的正負(fù)可

33、以改變電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方 向，電壓為正時(shí)電機(jī)正轉(zhuǎn)，電壓為負(fù)時(shí)電機(jī)反轉(zhuǎn)；改變電壓的高低可以改變電機(jī)的轉(zhuǎn) 速，電壓高則轉(zhuǎn)動(dòng)速度快，電壓低則轉(zhuǎn)動(dòng)速度慢。 轉(zhuǎn)速是工程上的一個(gè)常用參數(shù)。轉(zhuǎn)速通常以每秒種或每分鐘的轉(zhuǎn)數(shù)來(lái)表示，因此 單位為r/s或r/mino有時(shí)也用角速度表示，這時(shí)的單位相應(yīng)為rad/s。 電機(jī)轉(zhuǎn)速的測(cè)量 單片機(jī)能夠處理二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)，而電機(jī)的轉(zhuǎn)速是物理量，非電量信號(hào)，需要中 間電路把轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換成單片機(jī)可以處理的信號(hào)。 傳感器是把外界信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的器件，是檢測(cè)和控制系統(tǒng)中最關(guān)鍵的部分， 在當(dāng)代科學(xué)技術(shù)中，傳感器占據(jù)了及其重要的地位。目前，集成技術(shù)在傳感器技術(shù)中 的成功應(yīng)用，使傳感器小型化、長(zhǎng)壽

34、命和低成本，是現(xiàn)代傳感器的發(fā)展方向之一。 脈沖信號(hào)的獲得 1、霍爾傳感器 霍爾傳感器是對(duì)磁敏感的傳感元件，常用于開(kāi)關(guān)信號(hào)采集的有CS3020. CS3040 等，這種傳感器是一個(gè)3端器件，外形與三極管相似，只要接上電源、地，即可工作, 輸出通常是集電極開(kāi)路（0C）門輸出，工作電壓范圍寬，使用非常方便。如圖3.1所 示是CS3020的外形圖，將有字面對(duì)準(zhǔn)自己，三根引腳從左向右分別是Vcc,地，輸出。 圖3.1 CS3020外形圖 14 智能儀表綜合課程設(shè)計(jì) 使用霍爾傳感器獲得脈沖信號(hào)，其機(jī)械結(jié)構(gòu)也可以做得較為簡(jiǎn)單，只要在轉(zhuǎn)軸的 圓周上粘上一粒磁鋼，讓霍爾開(kāi)關(guān)靠近磁鋼，就有信號(hào)輸出，轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，就

35、會(huì)不斷 地產(chǎn)生脈沖信號(hào)輸出。如果在圓周上粘上多粒磁鋼，可以實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)一周，獲得多個(gè)脈 沖輸出。在粘磁鋼時(shí)要注意，霍爾傳感器對(duì)磁場(chǎng)方向敏感，粘之前可以先手動(dòng)接近一 下傳感器，如果沒(méi)有信號(hào)輸出，可以換一個(gè)方向再試。 這種傳感器不怕灰塵、油污，在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用廣泛。 2、光電傳感器 光電傳感器是應(yīng)用非常廣泛的一種器件，有各種各樣的形式，如透射式、反射式 等，基本的原理就是當(dāng)發(fā)射管光照射到接收管時(shí)，接收管導(dǎo)通，反之關(guān)斷。以透射式 為例，如圖2所示，當(dāng)不透光的物體擋住發(fā)射與接收之間的間隙時(shí)，開(kāi)關(guān)管關(guān)斷，否 則打開(kāi)。為此，可以制作一個(gè)遮光葉片如圖3所示，安裝在轉(zhuǎn)軸上，當(dāng)扇葉經(jīng)過(guò)時(shí)， 產(chǎn)生脈沖信號(hào)。當(dāng)葉片數(shù)較多

36、時(shí)，旋轉(zhuǎn)一周可以獲得多個(gè)脈沖信號(hào)。 15 圖3.2光電傳感器的原理圖 圖3.3遮光葉片 3光電編碼器 光電編碼器的工作原理與光電傳感器一樣，不過(guò)它已將光電傳感器、電子電路、 碼盤(pán)等做成一個(gè)整體，只要用連軸器將光電傳感器的軸與轉(zhuǎn)軸相連，就能獲得多種輸 出信號(hào)。它廣泛應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床、回轉(zhuǎn)臺(tái)、伺服傳動(dòng)、機(jī)器人、雷達(dá)、軍事目標(biāo)測(cè)定 等需要檢測(cè)角度的裝置和設(shè)備中。如圖3.4所示，是某光電編碼器的外形。 智能儀表綜合課程設(shè)計(jì) 圖3.4成品光電編碼器 電機(jī)轉(zhuǎn)速的處理 數(shù)據(jù)處理部分采用Intel公司MCS-51系列單片機(jī)單片機(jī)。 電機(jī)轉(zhuǎn)速的顯示 顯示部分釆用4位七段數(shù)碼管，可以顯示0、9999范圍內(nèi)的數(shù)字。

37、3.2設(shè)計(jì)思路和方案 1、光電傳感器是應(yīng)用非常廣泛的一種器件，有各種各樣的形式，如透射式、反射 式等，基本的原理就是當(dāng)發(fā)射管光照射到接收管時(shí)，接收管導(dǎo)通，反之關(guān)斷。以透射 式為例，如圖3. 5所示，當(dāng)不透光的物體擋住發(fā)射與接收之間的間隙時(shí)，開(kāi)關(guān)管關(guān)斷, 否則打開(kāi)。為此，可以制作一個(gè)遮光葉片如圖3所示，安裝在轉(zhuǎn)軸上，當(dāng)扇葉經(jīng)過(guò)時(shí), 產(chǎn)生脈沖信號(hào)。當(dāng)葉片數(shù)較多時(shí)，旋轉(zhuǎn)一周可以獲得多個(gè)脈沖信號(hào)。 圖3.5光電傳感器的原理圖 圖3.6遮光葉片 16 2、計(jì)數(shù)脈沖通過(guò)計(jì)數(shù)電路進(jìn)行有效的計(jì)數(shù)，按照設(shè)計(jì)要求每一秒種都必須對(duì)計(jì)數(shù) 器清零一次，因?yàn)殡娐穼?shí)行秒更新，所以計(jì)數(shù)器到譯碼電路之間有鎖存電路，在計(jì)數(shù) 器進(jìn)

38、行計(jì)數(shù)的過(guò)程中對(duì)上一次的數(shù)據(jù)進(jìn)行鎖存顯示，這樣做不僅解決了數(shù)碼顯示的邏 智能儀表綜合課程設(shè)計(jì) 輯混亂，而且避免了數(shù)碼顯示的閃爍問(wèn)題。 3、對(duì)于脈沖記數(shù)，有測(cè)周和測(cè)頻的方式。測(cè)周電路的測(cè)量精度主要受電路系統(tǒng)的 脈沖產(chǎn)生電路的影響，對(duì)于低頻率信號(hào)，其精度較高。測(cè)頻電路其對(duì)于正負(fù)一的信號(hào) 差比較敏感，對(duì)于低頻率信號(hào)的測(cè)量誤差較大，但是本電路仍然釆用測(cè)頻方式，原因 是本電路對(duì)于馬達(dá)電機(jī)轉(zhuǎn)速精度要求較低，本電路還有升級(jí)為頻率計(jì)使用，而測(cè)頻方 式對(duì)高頻的精度還是很高的。 4、顯示電路釆用靜態(tài)顯示方法5,由于靜態(tài)顯示易于制作和調(diào)試，原理也較簡(jiǎn) 單，所需元易于購(gòu)買。 5、電路時(shí)鐘是整個(gè)電路的關(guān)鍵，他是整個(gè)電路

39、有效工作的核心，負(fù)責(zé)電路的鎖存 和清零。其基本思路是：產(chǎn)生頻率一秒是時(shí)鐘，當(dāng)秒時(shí)鐘到來(lái)時(shí)，既上升沿到來(lái)時(shí)， 對(duì)鎖存電路進(jìn)行鎖存，鎖存以后才能對(duì)計(jì)數(shù)器進(jìn)行清零，鎖存和清零間隔要充分小， 否則就影響電路的計(jì)數(shù)準(zhǔn)確度。鑒于此，對(duì)鎖存集成必須釆用邊沿觸發(fā)形式的集成， 并且計(jì)數(shù)器應(yīng)該與鎖存同步工作，既都在秒時(shí)鐘的上升沿觸發(fā)工作。 另外大多的譯碼器都帶有鎖存功能，但是他的鎖存方式基本上都是電平觸發(fā)， 若設(shè)計(jì)成電平觸發(fā)的話，勢(shì)必會(huì)增加電路的復(fù)雜度，還不如直接釆用邊沿瑣存的單集 成，所以不使用譯碼器中的鎖存電路。 時(shí)鐘實(shí)現(xiàn)方法很多，本電路采用晶振電路，己求得高精度的時(shí)鐘需求。 3.3系統(tǒng)構(gòu)成 測(cè)速系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

40、如圖3. 7所示，主要包括紅外測(cè)速傳感器（由紅外發(fā)射與接收 電路和齒盤(pán)組成）、信號(hào)處理電路、單片機(jī)以及數(shù)字顯示部分。其工作過(guò)程如下：當(dāng) 齒盤(pán)旋轉(zhuǎn)時(shí)，由于輪齒的遮擋，紅外發(fā)射管與接收管之間的紅外線光路時(shí)斷時(shí)續(xù)，信 號(hào)處理電路將此變化的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電脈沖信號(hào)，一個(gè)脈沖信號(hào)即表示齒盤(pán)轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè) 齒。單片機(jī)對(duì)脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，同時(shí)通過(guò)其內(nèi)部的計(jì)時(shí)器對(duì)接收一定數(shù)目的脈沖計(jì)時(shí)， 根據(jù)脈沖數(shù)目及所用時(shí)間就可計(jì)算出齒盤(pán)的轉(zhuǎn)速，最后通過(guò)數(shù)字顯示部分將轉(zhuǎn)速顯示 出來(lái)叫 智能儀表綜合課程設(shè)計(jì) 3.7測(cè)速系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu) 原理框圖 圖3.8測(cè)速系統(tǒng)原理框圖 智能儀表綜合課程設(shè)計(jì) 4硬件電路設(shè)計(jì) 系統(tǒng)電路的功能主要包括：電機(jī)及其

41、相關(guān)處理，實(shí)時(shí)顯示電機(jī)信息。硬件設(shè)計(jì)主 要包括以下幾個(gè)模塊：電源，電機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)試電路及顯示電路。下面對(duì)電路模塊進(jìn)行說(shuō) 明。 4.1電源電路 因?yàn)閱纹瑱C(jī)工作電源為+5V,且底層電路功耗很小。采用7805三端穩(wěn)壓片即可滿 足要求叭 具體電路圖如下: 7805U1* 圖4.1電源電路圖 4.2轉(zhuǎn)速測(cè)量電路 紅外發(fā)光二極管或稱電/光二級(jí)管SE303 （白色），出紅外光（近紅外線約 0.93mn ）。管壓降約1.4V ,工作電流一般小于20mA,外形尺寸:5mm。 紅外接收二極管或稱光/電二級(jí)管（黑色）品牌：金威 型號(hào):PD5308B-B工作電 壓:1.4-1. 6波長(zhǎng):940工作電流:20接收距離:10

42、-12外形尺寸:5mm。 紅外接收二極管工作在反向狀態(tài)，當(dāng)沒(méi)有接收到紅外發(fā)光二極管的光信號(hào)時(shí)，二 極管截至，負(fù)級(jí)輸出低電平。當(dāng)接受到紅外發(fā)光二極管的光信號(hào)時(shí)，二極管導(dǎo)通，負(fù) 極輸出高電平。能正常接受到紅外發(fā)光二極管的光信號(hào)的距離大概為3 4米，這取決 于發(fā)射管的發(fā)射功率。 實(shí)物圖片及原理圖如下： 19 智能儀表綜合課程設(shè)計(jì) 圖4.2紅外發(fā)光二極管實(shí)物圖 1發(fā)射紅外純吏j空處役 紅外發(fā)光二極管 IA2 紅外捷收二耦管 圖4.3工作原理圖 實(shí)際焊接電路如下： 圖4.4紅外發(fā)光二極管焊接電路 電路核心由一個(gè)光電開(kāi)關(guān)管組成，半時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)輪靜止，發(fā)光二極管所發(fā)出的光被 輪子擋住，所以接收管處于截止?fàn)顟B(tài)，1

43、端為高電平。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一圈，會(huì)使接收管 導(dǎo)通一次，1端輸出一個(gè)低電平， 1端波形為： 在實(shí)際電機(jī)工作狀態(tài)中，會(huì)受到各方面的干擾，波形會(huì)存在許多雜波成分，需要 對(duì)波形進(jìn)行處理，處理成符合記計(jì)數(shù)器所需要的矩型波。 波形處理電路有一個(gè)三極管組成，如上圖。當(dāng)輸入電壓逐步升高時(shí)，紅外接收管收到 紅外發(fā)光二極管發(fā)出的光時(shí)導(dǎo)通，三極管就不導(dǎo)通，輸出高電平；當(dāng)紅外接收管沒(méi)有 20 智能儀表綜合課程設(shè)計(jì) 接到紅外發(fā)光二極管發(fā)出的光時(shí)截止，三極管導(dǎo)通。這樣就有效的防止了雜波的干擾, 并使輸出得到矩形脈沖，符合了下級(jí)計(jì)數(shù)的需求。工作波形如下: 4.3 LED顯示模塊 電路原理圖如下: 圖4.7 LED顯示接口電路

44、四位數(shù)碼管可以顯示的范圍為0000-9999,用單片機(jī)的P0 口控制每根數(shù)碼管的 閃動(dòng)，用P2. 0-P2. 4 口片選，屬于動(dòng)態(tài)顯示電路，逐位輪流點(diǎn)亮各個(gè)LED,每位點(diǎn)亮 1ms,這樣利用人眼的視覺(jué)暫留，就好像6個(gè)LED是同時(shí)點(diǎn)亮的。 4.4系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 根據(jù)紅外測(cè)速的原理，系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)如圖4. 8所示。刃 21 智能儀表綜合課程設(shè)計(jì) 圖4.8紅外測(cè)速系統(tǒng)總設(shè)計(jì)圖 本系統(tǒng)采用AT89C52單片機(jī)，它是美國(guó)ATMEL公司生產(chǎn)的低電壓，高性能CM0S8 位單片機(jī)，片內(nèi)含8KB的可反復(fù)擦寫(xiě)的Flash程序存儲(chǔ)器和256B的隨機(jī)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 (RAM),器件釆用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技

45、術(shù)生產(chǎn)，與標(biāo)準(zhǔn)MS-51指令 系統(tǒng)及8052產(chǎn)品引腳兼容，片內(nèi)置有8位中央處理器(CPU)o功能強(qiáng)大的AT89C52 單片機(jī)適用于許多較為復(fù)雜的控制應(yīng)用場(chǎng)合。他 電路中選用紅外光敏二極管作為受光器件，它與紅外發(fā)光二極管一起組成一對(duì)紅 外發(fā)射接收管，紅外光敏二極管在電路中處于反向工作狀態(tài)。沒(méi)有光照射時(shí)，光敏二 極管處于截止?fàn)顟B(tài)，反向電阻很大，反向電流(暗電流)很小。隨著光照的增強(qiáng)，光 敏二極管處于導(dǎo)通狀態(tài)，其反向電阻減小，反向電流(光電流)增大，其光電流與照 度之間呈線性關(guān)系。 轉(zhuǎn)速顯示選用字符型液晶顯示模塊(LCM) JHD12864,可顯示16X8或16X16點(diǎn) 陣字符。其主控制驅(qū)動(dòng)電路為H

46、D44780,具有標(biāo)準(zhǔn)的接口特性，適配M6800系列和MCS-51 系列MCU的操作時(shí)序；模塊內(nèi)部具有64個(gè)字節(jié)的自定義字符RAM,可自定義顯示字符。 該模塊釆用+5V電源供電，共有20個(gè)引腳，其與單片機(jī)的接口路如圖2所示,其中可 變電阻RW2用來(lái)調(diào)節(jié)顯示器的對(duì)比度。 22 智能儀表綜合課程設(shè)計(jì) 5系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 5.1計(jì)時(shí)方案的選擇 根據(jù)計(jì)時(shí)方案的不同，目前數(shù)字式轉(zhuǎn)速測(cè)量裝置的計(jì)時(shí)方法主要有M法、T法和 同步M/T法。M法測(cè)速是在相等的時(shí)間間隔At內(nèi)讀取脈沖數(shù)M,由M/A t計(jì)算出轉(zhuǎn) 速，速度越高在At時(shí)間內(nèi)計(jì)得的M就越多，由1個(gè)計(jì)數(shù)脈沖誤差所引起的轉(zhuǎn)速測(cè) 量誤差就越小，故該法適用于高速。T法

47、測(cè)速是根據(jù)相鄰兩個(gè)脈沖時(shí)間間隔對(duì)應(yīng)的時(shí) 鐘脈沖計(jì)數(shù)值m來(lái)計(jì)算轉(zhuǎn)速的，轉(zhuǎn)速越慢或每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)越多，其計(jì)數(shù)值m就越多，計(jì) 數(shù)器1個(gè)計(jì)數(shù)脈沖所引起的誤差就越小，故該法適用于低速。上述兩種方法測(cè)量的 絕對(duì)誤差反比于速度釆樣時(shí)間T（Hp：時(shí)間間隔At或計(jì)數(shù)值m）,因此在穩(wěn)態(tài)測(cè)量和實(shí) 時(shí)性要求不高的場(chǎng)合，可取較大的T以保證足夠的測(cè)量精度。但在動(dòng)態(tài)測(cè)量和實(shí)時(shí)控 制系統(tǒng)中，往往對(duì)轉(zhuǎn)速測(cè)量的實(shí)時(shí)性有較高的要求。因此，釆樣時(shí)間T不能隨意取大, 為了解決既要周期小，乂要測(cè)速精度高的矛盾，可釆用同步M/T法。這種方法的特點(diǎn) 是不固定定時(shí)時(shí)間At，以記錄到完整的盤(pán)脈沖為準(zhǔn)，主要是設(shè)法使M與同步, 從整數(shù)個(gè)盤(pán)脈沖開(kāi)始計(jì)時(shí)，

48、同樣在整數(shù)個(gè)盤(pán)脈沖結(jié)束計(jì)時(shí)，記錄到的是整數(shù)個(gè)盤(pán)脈沖, 且與計(jì)時(shí)是“同步”的。其原理如圖5.1所示，在采樣時(shí)間At時(shí)間內(nèi)實(shí)際計(jì)時(shí)時(shí)間 t開(kāi)始于第一盤(pán)脈沖的下降沿，終止于最后一個(gè)脈沖的下降沿，因而得到整數(shù)個(gè)盤(pán) 脈沖，消除了 M法和T法中1個(gè)脈沖引入的誤差。鑒于幾種方法的比較，在設(shè)計(jì)中 釆用同步M/T法設(shè)計(jì)本測(cè)速系統(tǒng)。 采樣時(shí)間 盤(pán)脈沖 juuLrLrLn_rLTL 記時(shí)時(shí)間 記錄的盤(pán)脈沖 時(shí)鐘 IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII 2 圖5.1同步M/T法測(cè)速原理圖 23 智能儀表綜合課程設(shè)計(jì) 5.2軟件結(jié)構(gòu)劃分 采用結(jié)構(gòu)化軟件設(shè)計(jì)的方法，使得設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，易于調(diào)試和移

49、植，提高編程效率。 釆用結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)軟件的方法將本系統(tǒng)軟件劃分為圖5. 2所示的4個(gè)模塊：齒數(shù)計(jì)數(shù)模 塊、計(jì)時(shí)模塊、轉(zhuǎn)速計(jì)算模塊和轉(zhuǎn)速顯示模塊。其中最主要的是計(jì)時(shí)模塊和轉(zhuǎn)速計(jì)算 模塊。切 紅外測(cè)速系統(tǒng) 齒數(shù)計(jì)數(shù)模塊 計(jì)時(shí)模塊 轉(zhuǎn)速計(jì)算模塊 轉(zhuǎn)速顯示模塊 24 圖5.2軟件模塊劃分 計(jì)時(shí)模塊 由圖2可知當(dāng)紅外線發(fā)射管發(fā)射的紅外線未被輪齒擋住時(shí)，接收管受紅外線照射 呈導(dǎo)通狀態(tài)，經(jīng)三極管輸入到單片機(jī)中斷端口的電壓為高電平，不產(chǎn)生中斷；而當(dāng)紅 外線發(fā)射管發(fā)射的紅外線被輪齒擋住時(shí)，接收管不受紅外線照射則呈截止?fàn)顟B(tài)，經(jīng)三 極管輸入到單片機(jī)中斷端口的電壓跳變?yōu)榈碗娖健亩せ钪袛喑绦驅(qū)γ}沖進(jìn)行計(jì)數(shù)。 計(jì)數(shù)流程

50、圖如圖5. 3所示。由于計(jì)數(shù)需要與計(jì)時(shí)同步，所以需要在產(chǎn)生第一次紅外光 被擋住時(shí)（紅外光被擋住時(shí)Pass二0,反之Pass二1）,也即中斷口電位由高變低時(shí)打開(kāi)定 時(shí)器。 智能儀表綜合課程設(shè)計(jì) 圖5.3計(jì)數(shù)與計(jì)時(shí)程序流程圖 轉(zhuǎn)速計(jì)算模塊 由于系統(tǒng)采用同步M/T法測(cè)量轉(zhuǎn)速，所以計(jì)算轉(zhuǎn)速時(shí)，需要的參數(shù)有盤(pán)脈沖數(shù)和 計(jì)時(shí)值。本系統(tǒng)中AT89C52單片機(jī)釆用頻率為12MHz的外接晶振，則每個(gè)機(jī)器周期為 luso單片機(jī)定時(shí)器的計(jì)數(shù)脈沖周期為一個(gè)機(jī)器周期，若定時(shí)器從零開(kāi)時(shí)計(jì)數(shù)，關(guān)閉定 時(shí)器時(shí)其計(jì)數(shù)值為m,則計(jì)時(shí)時(shí)間就是m微秒。計(jì)算轉(zhuǎn)速部分程序如下。 m二THO X256 /讀出計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)變量THO,并將其

51、左移8位 m二TH0+TL0 /獲得時(shí)鐘脈沖數(shù) time二m 計(jì)算出計(jì)時(shí)時(shí)間 11=60*106/ (9*time) /計(jì)算轉(zhuǎn)速 r/min 25 智能儀表綜合課程設(shè)計(jì) 6設(shè)計(jì)心得與體會(huì) 通過(guò)本次畢業(yè)實(shí)習(xí)和畢業(yè)設(shè)計(jì)的實(shí)踐，在很大程度上提高了我的綜合素質(zhì)與工程 能力；培養(yǎng)了我綜合運(yùn)用所學(xué)的理論知識(shí)與技能去分析與解決本專業(yè)范圍具有一定復(fù) 雜程度的工程技術(shù)問(wèn)題；使我樹(shù)立了正確的設(shè)計(jì)思想和了解了現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法，嚴(yán)謹(jǐn)認(rèn) 真的科學(xué)態(tài)度和工作作風(fēng)，以及勇于實(shí)踐、勇于探索和開(kāi)拓創(chuàng)新精神。 致此本人設(shè)計(jì)基本完成了預(yù)期的目標(biāo)，系統(tǒng)在硬件自動(dòng)測(cè)試，鍵盤(pán)操作，實(shí)時(shí)顯 示方面做的比較好。但是由于時(shí)間倉(cāng)促、條件有限，設(shè)計(jì)成

52、果并不是很完美。我準(zhǔn)備 在今后的工作過(guò)程中進(jìn)一步完善此設(shè)計(jì)。 7參考文獻(xiàn) 11 錢建強(qiáng)，薛敏.紅外光電轉(zhuǎn)速測(cè)量?jī)xJ.工業(yè)計(jì)量2003, 6： 3335 2 鮑鴻，劉明建.數(shù)字化霍爾轉(zhuǎn)速儀的研究J.廣東工學(xué)院學(xué)報(bào).1996, 9 (3) : 67 70 3 田國(guó)華，楊青等，實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)u C/0S- II在LPC2210上的移植研究與實(shí)現(xiàn) J微計(jì)算機(jī)信息,2005, 21-12： 33-36 4 肖金球.單片機(jī)原理與接口技術(shù)/編著.清華大學(xué)出版社，2004 5 吳寧.80X86/Pentium微型計(jì)算機(jī)原理及應(yīng)用.電子工業(yè)出版社，2000. 8 6 康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ)模擬電路部分.高等教育出版

53、社，2006. 1, 4 7 何立民.單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)選編.北京航空航天大學(xué)出版社，1997.10,5 8 張有徳.單片微機(jī)原理、應(yīng)用與實(shí)驗(yàn).上海.復(fù)旦大學(xué)出版社,2000, 8 9 梁廷貴、王裕琛.現(xiàn)代集成電路實(shí)用手冊(cè).北京.科學(xué)技術(shù)文獻(xiàn)出版社,2005, 7 10 于海生.微型計(jì)算機(jī)控制技術(shù)選編.清華大學(xué)出版社，1999.3,2006 11 周興華.手把手教你學(xué)單片機(jī).北京.北京航空航天大學(xué)出版社 12 神龍工作室.Protel 2004實(shí)用培訓(xùn)教程.北京.人民郵電出版社,2003。 26 智能儀表綜合課程設(shè)計(jì) 附錄：程序代碼 ORG 0000H ;單片機(jī)主程序入口地址 LJMP MAIN ORG 0003H ;外部中斷0入口地址 LJMP INTERO ORG OOOBH ;定時(shí)器0入口地址 LJMP TIMERO INIT_TO: ;子程序，初始化定時(shí)器0 MOV TMOD, ftOlH ;定時(shí)器0工作方式1, 1