1、基于磁电传感器的电机转速自动检测系统设计摘要：在工程实践中，经常会遇到测量转速的情况。因此，转速的测量具有一定的工程意义。本文研制了一种基于单片机的电机转速自动检测系统。选定的磁电传感器将电机的速度信号转换为电压信号。设计的放大电路将磁电传感器输出的电压信号放大，通过整形电路将正弦信号转换为方波，由单片机对脉冲进行计数。显示电机的速度。论文首先介绍了设计的总体方案、实验步骤，并讨论了合适的测量方法。其次，介绍了选用的单片机、液晶显示器等电子元器件，并对电路图各部分的功能进行了分析。最后编写程序进行调试运行，并对实验结果进行分析。本设计主要以单片机为控制核心，由磁电传感器和液晶显示器组成。其优点

2、是电路简单、软件功能完善、测量速度快、精度高、控制可靠、性价比高。关键词：水下测量；磁电传感器；单片机；液晶显示器1 简介1.1 课题研究的意义在工业生产和实验过程中，经常会遇到各种转速测量和控制问题。在这种情况下，我们可以通过磁电将转速测量转换为频率测量。频率测量的方法有很多种，不同的方法有各自的适用范围。近年来，随着电子技术的飞速发展，工业测控设备的不断更新换代，频率测量的方法和设备也取得了新的进展。在实际应用中，选择了不同的速度检测设计方案，得到的结果也不尽相同。电机在运行过程中，需要监测其运行的稳定性，及时测量转速可以有效反映电机的状态。另一方面，在运动控制系统中，转速检测也是电机速度

3、或位置控制的基础。磁电传感器主要是利用电磁感应原理，将输入的运动速度转化为感应电势输出的传感器。它不需要外接电源，可以将被测物体的机械能转换成便于测量的电信号。它是一个有源传感器。广泛应用于建筑行业等领域的振动、速度、加速度、转速、转数的非电测量。因此，研究基于磁电传感器的电机转速自动检测系统具有一定的现实意义。单片机，又称单片机或单片机。它是将中央处理器（CPU）、输入/输出端口（I/0）、只读存储器（ROM）、随机存取存储器（RAM）等主要计算机功能部件集成在一个芯片上的集成电路中的微型计算机。单片机诞生于1970年代后期，先后经历了SCM、MCU、SoC三个阶段。由于单片机具有功耗低、体

4、积小、容量大、性能高、价格低等特点，因此单片机广泛存在于我们的生活中。在我们的现实生活中，单片机的应用无时无刻不在改变着我们的生活，从手机、水表、遥控器，到导弹导航和飞机控制，单片机的应用正在影响着我们周围的一切.本设计采用单片机对磁电传感器测得的脉冲进行计数，然后通过一定的计算公式，通过液晶显示屏显示转速。这样就实现了电机转速的测量。1.2 磁电传感器研究现状及发展趋势磁电传感器，有时称为电动或电感传感器，仅适用于动态测量。由于输出功率大，匹配电路比较简单；零位和性能稳定；工作频段一般为101000Hz。磁电传感器具有双向转换的特点，利用其逆变换效应可以组成力（力矩）发生器和电磁激振器。磁电

5、传感器直接输出感应电势，传感器通常灵敏度高，一般不需要高增益放大器。但是，磁电传感器是一种速度传感器，为了获得被测位移或加速度信号，需要配备积分或微分电路。磁阻传感元件是利用磁性材料的磁阻效应，采用半导体技术制成，可进一步与芯片上的半导体电路集成，制成专用器件。由于采用铁磁合金材料制成，具有稳定的物理和化学性能，具有寿命长、可靠性高、灵敏度高、温度系数小、周长宽、线性好等特点1 。现在有一种新的应用是81NiFe/Cr多层膜制成的磁阻传感器2 。一对易磁化轴相互垂直的磁阻元件构成二维磁场探头，用于检测钢板上人工微裂纹附近的磁场分布。磁阻元件与永磁块组合构成扭矩传感器，用于人体重心的摆动检测。动

6、平衡是中小型电机转子生产制造中必须解决的问题。随着自动动平衡校正研究技术的发展，自动平衡机已成为生产优质电机转子的必备设备。磁电式振动速度传感器用于测量转子的振动，是自动平衡机的关键部件，是一种全天候、长周期的工作设备，因此要求传感器具有良好的稳定性和可靠性。传统动圈式磁电传感器由于其固有的结构缺陷，经常出现断线故障，严重影响设备的日常使用。针对传统动圈式磁电传感器的不足，需要研究一种改进的差动动磁式磁电传感器。我们的主要工作是：（1）差动磁体磁电速度传感器的结构设计（2）有限元软件分析（3）传感器结构参数的影响分析（4）实验验证3 。目前，先进国家的冶金厂在自动化程度方面取得了长足进步。用于

7、检测钢管在线速度的设备大多是压辊接触式测速仪。这种装置存在损耗现象，成本高，寿命短，现场维护不便。近年来，我国从日本、意大利进口的多台机组都采用了这种测速装置。综合考虑以上因素，我们测试开发了非接触式（磁电）速度传感器，同时采用峰峰值电路，可以直观的得到钢管的在线速度在二次仪表上，为实现微机自动控制提供了可靠的依据。 4 。1.3 电机转速自动检测研究现状及发展趋势电机在各行各业中占有重要地位，而电机转速是电机的重要性能指标之一，因此需要对电机转速进行测量，使其满足人们的各种需求。转速是电机运行的一个非常重要的状态参数。在运动系统的一般测量中，需要测量电机的转速。然而，直接影响系统控制的因素是

8、转速测量的准确性，这是影响测量和控制结果的一个因素。无论是交流调速系统还是直流调速系统，都只有通过检测高精度的转速才能获得高精度的控制系统5 。随着微电子技术的不断发展，特别是新型高性价比单片机的出现，为电机转速的测量提供了广阔的空间。一般来说，基于霍尔传感器和光电传感器的测速系统可以准确测量电机的转速。但在机床侧面、粉尘环境等恶劣条件下，光电传感器测量转速的方法存在较大误差。给出了无线电机测速方法，给出了各个单元模块。基于加速度计的电机测速方法，给出了硬件电路的设计和测试原理。通过对比研究，可以看出该测试方法具有一定的应用价值6 。电机转速是判断电机运行状态的重要标志之一。目前，实验室电机转

9、速一般采用转速计测量，通常采用测量周期和测量频率的方法。这两种方法的测量精度与记录的脉冲数有关。随着被测电机转速的变化，极端情况下会产生1个字的误差。针对传统电机转速检测方法的不足，阐述了在实验室中采用等精度测量法对电机转速进行测量和监测的具体原理。以FPGA（Field-Programmable Gate Array，现场可编程门阵列）控制芯片为核心，设计了相应的电路系统，并通过MAX+PLUSH进行了仿真分析7 。在异步电机矢量控制等电机控制的发展过程中，为了获得电机的运行工况，更好地研究异步电机的矢量控制方案，记录和分析实际运行效果，需要收集和分析存储异步电动机的各种信号。 、分析、展示

10、。为达到上述目的，需要同步、长时间采集异步电机端子的电压信号、电流信号、电机转速等多种信号，并进行实时存储、动态回放和分析，处理收集到的信号。不能满足这些要求，采用数字存储示波器记录数据，存在存储深度不足和数据分析处理等问题。如果采用计算机技术与仪器技术相结合的虚拟仪器技术，可以更好地实现上述功能。针对异步电机控制系统的测试需求，有必要开发基于虚拟仪器技术的异步电机工况测试系统8 。1.4 测速的主要内容1. 转速测量原理详解，转速周期测量法“T”法，频率测量法“M”法和周期频率“M/T”测量法，转速的计算三种具体的测量方法，分别描述了它们的测量精度和误差。定性比较了三种方法的转速特性，分析了

11、它们各自在高、中、低转速下的适用条件。因此，在保持一定测量精度的情况下，采用“M”法来说明转速测量原理。2、根据单片机硬件系统的设计，搭建软件系统，分别估算硬件系统的配置，以便准确测速。同时对电路中的接口部分进行了分析，并显示了速度。3、设置单片机定时器/计数器，设计并说明“M”法测量中定时器/计数器的功能和使用方法，讨论转速测量的准确性。4、根据系统的具体要求设置控制字，用汇编语言或C语言编译程序，包括主程序、速度计算程序、中断程序，同时写出其具体程序。2 转速测量系统总体方案2.1 电机测速方案电机转速测量系统框图如图1所示。它由测量表、磁电传感器、二次仪表电路、单片机、显示屏组成。测量台

12、用于测量电机的转速，将磁电传感器采集的电机转速信号送到二次回路。由于磁电传感器采集到的正弦信号比较小，需要一个放大电路将采集到的正弦信号放大，然后通过施密特触发器将正弦信号整形为方波后才能致给单片机.单片机统计一定时间内的脉冲个数，然后转换成转速，通过计算公式显示出来。单片机连接液晶数码管和报警器。其中，液晶数码管用于显示电机转速。当速度高于设定值时，蜂鸣器会报警。LCDLCD显示报警器单片机电机转速信号采集电机二次电路图1 电机转速检测系统框图2.2 电机测速台装置示意图测量电机转速的磁电传感器安装示意图如图2所示。被测电机的主轴通过联轴器与12个磁钢电机的转盘平台相连。在电机转动过程中，电

13、机转盘平台随电机转动，电机转动一圈磁钢与磁电传感器探头相对的12圈。根据磁电传感器的工作原理，电机每转一圈，磁电传感器的输出电压变化12次，磁电传感器输出电压的转速与频率的关系为n =60* f/ 12.图2 磁电式转速传感器安装示意图电机转盘平台是靠电机转动来操作的，平台上有12块磁钢，如图3所示。磁电传感器的探头通过测量12块磁铁的转动产生变化的电压正弦信号。图 3 电机转盘平台和磁铁2.3 软件设计思路软件需要解决的是定时器0的计数和外部中断0的设置。由于测量的速度范围大，低速和高速都要考虑。关键在于实现一个四字节除法三字节程序。在显示部分，需要一个二进制到十进制的转换程序，程序转换成非

14、压缩BCD后，可以调用查表程序致给显示器。 PC机串口和单片机串口的工作方式，包括串口的通信速度、奇偶校验位、停止位等，均由软件部分实现通讯部分。软件工作流程：磁电传感器利用磁电效应产生周期性脉冲，向单片机的外部中断0（P3.2）端口致中断信号。除数的低两个字节使用软件计数器和定时器0中断的次数作为除数的高字节。中断完成后，读取部分将数值记录为除数，调用除法程序计算转速，再对二进制数进行一系列变换，调用查表显示程序，显示液晶显示屏上。速度部分的软件设计思路： STC12C5A60S2单片机的P2.0端口接收传感器的信号。主要是编写一个外部中断服务程序INT_0，读取计数值的三个字节，将初始计数

15、值再次清0，用于下一次计数计算。调用二字节二进制三字节十进制（BCD）转换子程序BCD，然后调用十进制转换程序CBCD到未压缩的BCD，最后调用查表程序致显示。为了与PC机通讯，系统需要11.0592MHZ的单片晶振。软件的具体设计将在后面的章节中详细介绍。3 系统硬件设计3.1 转速测量原理在实时控制应用中，数字速度测量解决方案必须在极短的检测时间内具有高分辨率和高精度。测量转速的方法有三种，每一种都有自己的特点。其中，最常用的数值方法称为T法、M法和M/T法9 。3.1.1频率测量法“M法”1由脉冲发生器产生（代替输入脉冲）测量转速，如图4“M”法测量转速脉冲，设在时间T，转轴转动的弧度数

16、为X , 转速 n 可用下式表示：n= (3-1)轴旋转的弧度数 X 可用以下公式表示为 m 1X (3-2)图4“M”法测速脉冲将（3-2）代入（3-1）得速度 n 的表达式为：n= (3-3)P轴一转脉冲发生器产生的脉冲数；n-速度单位：（转/分钟）；T计时时间单位：（秒）。在这种方法中，测量精度是由于定时时间T和脉冲不能保证严格同步，所以无论外部脉冲的完整周期是否可以测量，都可能产生1个脉冲的量化误差在 T 与否。因此，为了提高测量精度，T应该足够长。定时时间可根据测量对象进行预设。如果设置时间过长，可以提高精度，但在高速情况下，计数脉冲数增加（码盘孔数已确定时），限制了测速范围.如果设

17、置时间太短，会在一定程度上影响测量精度。3.1.2 测量周期法“T法”TP介于两个脉冲之间。用于采集数据的码盘可以是单孔的也可以是多孔的。对于单孔码盘，可以测量两个脉冲之间的时间，可以测量传输的数据。 T P也可以用时钟脉冲数来表示。对于多孔码盘，测量时间仅为每转 1/N，其中 N 为码盘上的孔数。图 5 显示了“T”法的脉冲宽度测量。 T P由计时器测量。定时器对频率为 fc 的时基脉冲进行计数和计时。如果在T p 周期内计数值为m2 ，则计算公式为：n= (3-4)这是：(3-5)F c - 为硬件参考时钟的脉冲频率：单位（Hz）；n-速度单位：（转/分钟）；m 2 - 时基脉冲。图5 “

18、T”法脉宽测量从“T”法的脉宽测量可以看出， “T”法测量的精度误差主要有两个方面，一是由于两个脉冲上升沿的触发时间不同造成的；另一个是计数和计时的开始和停止。产生不同。因此，要求脉冲的上升沿（或下降沿）陡峭，计数和时序严格同步。周期测量法在低速时精度高，但随着速度的提高，精度变差，有小于1个脉冲的误差。3.1.3 频率测量法“M/T法”测频法是“T”法和“M”法的结合，高速和低速分别具有不同的精度，并结合各自的优点。测量精度介于两者之间，如图所示。显示 6M/T 法定小时/计数测量。“M/T”方法使用三个定时器/计数器同时计时和计数输入脉冲、高频脉冲（由振荡器产生）和预设计时时间。 m1对应

19、旋转角度，m2对应测速的准确时间，通过计算可以知道速度值n。这种方法在高速和低速下都具有较高的精度。转速计时间T d由脉冲发生器脉冲同步，即T d等于m 1 个脉冲周期。从图中可以看出，计数器从a点开始计数m 1和m 2 ，当到达b点时，当达到预定的测速时间时，单片机发出停止计数的指令，因为T c不一定等于整数个脉冲发生器的脉冲周期，因此，计数器继续对高频脉冲进行计数。当它到达 c 点时，脉冲发生器的上升沿停止计数器。这样，m 2表示m 1 个脉冲周期的时间。“M/T”法结合了“T”法和“M”法，转速计算如下：假设高频脉冲的频率为f c ，脉冲发生器每次发射P个脉冲。由公式（3-2）和（3-5

20、）可以得到M/T法转速计算公式：(3-6)n - 速度值。单位：（转/分钟）；f c晶体振荡频率：单位（Hz）；m 1输入脉冲数，反映旋转角度；m 2 - 时基脉冲数。图 6 “M/T”法定时间/计数测量3.1.4 转速测量系统中的应用方法T法。电机的速度通过两个连续脉冲编码器之间的时间的倒数来测量。以较低的速度解决这种高分辨率是以更长的检测时间为代价的；但是，随着速度的增加，分辨率会降低。M 方法。速度是通过脉冲编码器以固定的时间间隔计数来测量的；计数器的值与速度成正比。因此，需要足够长的检测时间来计数足够数量的编码器脉冲以获得高精度，尤其是在低转速下。由于上述限制，难以实现高精度和快速响应

21、。M/T 方法。该方法结合了M和T方法的优点；在速度检测期间，采用高频时钟实现数字脉冲编码器。这一阶段，即检测时间，由同步第一脉冲编码器后的指定时间确定。与T法和M法相比，检测时间和M/T法有不同的特点。如果在规定时间内指定，则速度检测时间由实际速度决定。在低转速下，它比 T 方法具有更长的时间。数字回路系统通常需要恒定的速度采样率；然而，由于检测时间可变，这种方法具有实际局限性。为此，基于M法测速，电路和程序都比较简单，在一定条件下可以满足精度要求，所以本设计采用M法进行测量。3.2 磁电传感器简介图7 磁电传感器示意图本设计使用的磁电传感器为实验室原装磁电传感器，如图7所示。试验台的输入电

22、压为5-20V，磁电传感器相对于12种磁钢显示的电压为0.4 -2V。3.2.1 磁感应导体与磁场的相对运动，在导体两端输出感应电势。因此，它是一种机电能量转换传感器，不需要外接电源，电路简单，性能稳定，输出阻抗小，有一定的频率响应范围（通常为10Hz200Hz）。扭矩和其他测量10 。根据电磁感应定律，当 w 匝线圈在恒定磁场中运动时，设通过线圈的磁通量为 ，则线圈的感应电势E和磁通量的变化率d / dt有如下关系： E = - w ( d / dt ) 。3.2.2 磁电传感器的结构常见的磁电传感器有变磁通型和恒磁通型，如图8和图9所示：图8 可变磁通磁电传感器结构图图9 恒磁通磁电传感器

23、结构示意图3.2.3 磁电传感器的应用磁电式转速传感器的工作方式决定了它具有很强的抗干扰能力，可以在烟雾、油气、水蒸气等环境中工作。磁电式速度传感器输出信号强，测量范围宽。可以测量齿轮、曲轴、辐条等部件，以及表面有间隙的旋转体。磁电式速度传感器的工作和维护成本低，运行过程不需要电源。测量完全由磁电感应实现。同时，磁电式速度传感器的运行不需要机械动作，也不需要润滑。磁电式转速传感器结构紧凑，体积小，安装使用方便，可与各种二次仪表配套使用。磁电传感器直接输出感应电势，传感器通常灵敏度高，一般不需要高增益放大器。然而，磁电传感器是速度传感器。为了获得被测位移或加速度信号，需要配备积分或微分电路。实验

24、室使用的磁电传感器输出信号太小，单片机无法准确读取。因此，需要次级电路对磁电传感器采集的信号进行放大和整形。如下图10所示，磁电传感器采集到的信号首先传送到放大电路，磁电传感器采集到的正弦信号通过9013的NPN型三极管放大。由于磁电传感器输出的是正弦信号，需要施密特触发器对放大后的正弦信号进行整形，然后送至单片机进行计数。单片机整形电路放大电路采集的信号单片机整形电路放大电路采集的信号图 10 二次回路系统框图3.2.4 二次电路元件A.9013 NPN晶体管 11 9013型三极管如图11所示，该三极管最大功耗为0.625W，最大集电极电流为0.5A，集电极-基极击穿电流为45V。图11

25、9013三极管示意图9013三极管的其他参数如图12所示：图12 9013三极管参数B. 施密特触发器次级电路使用组件74LS00与非门构建施密特触发器，用于将放大后的正弦信号整形为方波，然后由单片机对脉冲进行计数。 74LS00 的引脚如图 13 所示：图 13 74LS00 引脚3.3 MCU及其接口设计STC12C5A60S2/AD/PWM系列单片机是宏晶科技生产的单时钟/机器周期（1T）单片机。是新一代8051单片机，具有高速/低功耗/超强抗干扰。快 8-12 倍。如图14所示，该部分集成了MAX810专用复位电路、2通道PWM、8通道高速10位A/D转换（250K/S），用于电机控制

26、、强干扰场合。图14 STC12C5A60S2单片机原理图3.3.1 STC12C5A60S2单片机介绍 12 主要特征：(1) 增强型8051 CPU，1T，单时钟/机器周期，指令代码与传统8051完全兼容(2)工作电压：STC12C5A60S2系列工作电压：3.3V-5.5V（5V单片机）(3)工作频率范围：0-35MHz，相当于普通8051的0-420MHz(4) 用户应用空间8K/16K/20K/32K/40K/48K/52K/60K/62K字节.(5) 片上集成 1280 字节 RAM（6）通用I/O口（36/40/44），复位后：准双向口/弱上拉（普通8051传统I/O口）可设置四

27、种模式：准双向口/weak pull-up Pull, push-pull/strong pull-up,只有输入/高阻，开漏，每个I/O口的驱动能力可以达到20mA，但整个芯片不应该大于55mA(7) ISP（在系统可编程）/IAP（在应用可编程），无需编程器或仿真器。用户需要的程序可以通过串口直接下载（P3.0/P3.1），几秒钟就可以完成一个(8) 具有E 2 PROM功能（STC12C5A62S2/AD/PWM无E 2 PROM）(9) 看门狗（10）该部分集成了MAX810专用的复位电路（外接晶振12M以下时，复位管脚可直接用1K电阻接地）(11)外部掉电检测电路：P4.6端口有低压

28、阈值比较器，5V单片机为1.32V，误差+/-5%； 3.3V单片机为1.30V，误差为+/-3%(12) 时钟源：外接高精度晶振/时钟，外接 R/C 振荡器（温漂为 +/-5% 到 +/-10%） 1 用户下载用户程序时，用户可以选择是否使用内部 R/C 振荡器/C 振荡器或外部晶振/时钟 室温下较低 R/C 振荡器的频率为：5.0V 单片机：11MHz15.5MHz； 3.3V微控制器：8MHz12MHz。当精度要求不高时，可以选择使用时钟，但由于制造误差和温度漂移，以实际测试为准（13）共4个16位定时器，两个定时器/计数器兼容传统8051，16位定时器T0和T1，没有定时器2，但有一个

29、独立的波特率发生器；用于串行通信波特率发生器，外加2个PCA模块可实现2个16位定时器(14) 2个时钟输出端口，通过T0溢出可以在P3.4/T0输出时钟，通过T1溢出可以在P3.5/T1输出时钟(15) 7个外部中断I/O口，传统下降沿中断或低电平触发中断，新增支持上升沿中断的PCA模块，可通过外部中断唤醒掉电模式，INT0/P3.2，INT1 /P3.3、T0/P3.4、T1/P3.5、RxD/P3.0、CCP0/P1.3（也可通过寄存器设置为P4.2）、CCP1/P1.4（也可由寄存器设置为 P4.3)(16) PWM（2通道）/PCA（可编程计数器阵列，2通道）-也可以用作2路D/A-

30、也可以用来实现2个定时器-也可以用实现2个外部中断（上升沿中断/下降沿中断可单独或同时支持）(17) A/D转换，10位精度ADC，共8通道，转换速度可达250K/S（每秒25万次）（18）通用全双工异步串口（UART），由于STC12系列是高速8051，可以用定时器或PCA软件实现多串口(19) STC12C5A60S2系列有双串口，只有带S2标志后缀的才有双串口，RxD2/P1.2（可通过寄存器设置为P4.2），TxD2/P1.3（可设置为P4.2） 3 通过注册）(20) 工作温度范围：-40 - +85C（工业级）/ 0 - 75C（商业级）图15 STC12C5A60S2 MCU管脚

31、图引脚说明：1) VCC：电源电压；2) GND：地；3) P0：P0 端口可用作输入/输出端口或地址/数据复用总线。 P0口作为输入/输出口时，P0为8位双向口，带弱上拉电阻，无需外接上拉电阻。 P0作为地址/数据复用总线时，为低8位地址线A0A7和数据线D0D7。4) P1：标准I/O口。 P1.3和P1.4外部信号捕捉（频率测量或外部中断时使用），高速脉冲输出和脉宽调制输出。5）P2.0-P2.7：P2端口上有一个上拉电阻，可以作为输入/输出端口，也可以作为高位8位地址总线（A8-A15）。当P2端口作为输入/输出端口时，P2为8位准双向端口。6) P3.0-P3.7：标准 I/O 端口

32、。 P3.4 定时器/计数器 0 的外部输入，定时器 0 下降沿中断。 P3.5 定时器/计数器 1 的外部输入，定时器 1 下降沿中断。7) P4.0-P4.7：标准 I/O 端口。 P4.6 第二个复位功能引脚。 P4.7 复位引脚。8) P5.0-P5.3：标准 I/O 端口。9) XTAL1：外部时钟电路反相放大器的输入端，连接到外部晶振的一个引脚。直接使用外部时钟源时，该引脚为外部时钟源的输入。10) XTAL2：外部时钟电路反相放大器的输出端，与外部晶振的另一端相连。直接使用外部时钟源时，该管脚可以悬空，XTAL2实际输出XTAL1输入的时钟。3.3.2复位电路计算机在开始运行时需

33、要进行复位，使系统中的中央处理器CPU等部件处于一定的初始状态，并从该状态开始工作。微控制器的复位如图 16 所示：图16 STC12C5A60S2单片机复位示意图外部RST引脚复位是从外部对RST引脚施加一定宽度的复位脉冲，从而实现单片机的复位。 P4.7/RST 引脚在出厂时配置为 RST 复位引脚。要将其配置为 I/O 端口，需要在 STC-ISP 编程器中进行设置。如果 STC-ISP 编程器中没有将 P4.7/RST 设置为 I/O 口，则 P4.7/RST 是芯片复位的输入引脚。将RST复位引脚拉高并保持至少24个时钟加10us后，单片机将进入复位状态。将RST复位引脚拉回低电平后

34、，单片机将结束复位状态，从用户程序区的0000H开始正常工作。 .3.3.3 时钟电路时钟电路是计算机的心脏，它控制着计算机的工作节奏。 STC12C5A60S2单片机内容的时钟频率为12MHZ，因型号而异。 STC12C5A60S2 部分有一个反相放大器。 XTAL1 和 XTAL2 分别是反相放大器的输入和输出端。外接时序反馈元件后，形成振荡器，产生时钟，送至单片机各部分。电路中电容 C1 和 C2 的典型值通常选择在 22pf 左右。虽然对外接电容的值没有严格要求，但电容的大小会影响振荡器的频率、振荡器的稳定性和启动的快慢。晶振的振荡频率通常在1.2MHZ-12MHZ之间。晶振频率越高，

35、系统时钟频率越高，单片机运行速度越快。反之，如果运行速度快，内存的速度也高，对印制板工艺要求也高，即要求线间寄生电容小；电容和晶振应尽量靠近单片机芯片安装，以减少寄生电容，更好地保证振荡器稳定可靠工作。综合考虑，本设计采用22pf电容，其晶振电路图如图13所示。图17 STC12C5A60S2单片机晶振图3.3.4 显示电路由于功耗低、体积小、显示容量丰富、超薄、重量轻等特点，我们选择了LCD1602液晶显示器。 LCD1602液晶显示器。工业字符LCD，可同时显示16x02或32个字符。 （16列2行）如图18所示：图18 LCD1602显示注：为方便表述，下文中 1 表示高电平，0 表示低

36、电平。1602液晶也叫1602字符液晶，是专门用于显示字母、数字、符号等的点阵液晶模组，由若干个5X7或5X11的点阵字符位组成，每个点阵字符位可以显示一个字符，每个位之间有一个点间距，每行之间也有一个空格，起到字符间距和行间距的作用。间距的影响，因此它不能很好地显示图形（使用自定义 CGRAM，它也不能很好地显示）。1602LCD表示显示容量为16X2，即可以显示两行，每行有16个字符的LCD模块（显示字符和数字）。其引脚如图 19 所示：图 19 LCD1602 显示引脚引脚定义：1602采用标准16针接口，其中：引脚 1：VSS 为电源地2脚：VCC接5V电源正极3脚：V0为液晶显示器的

37、对比度调节端。接正电源时对比度最弱，电源接地时对比度最高（高对比度会产生“鬼影”，用10K电位器调节对比度时）。4脚：RS为寄存器选择，高电平为1时选择数据寄存器，低电平为0时选择指令寄存器。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。引脚 6：E（或 EN）端为使能端。使用高电平（1）时，读取信息，发生负跳变时执行指令。引脚 7 到 14：D0 到 D7 是 8 位双向数据终端。第1516脚：空脚或背光供电。 15针背光正极，16针背光负极。单片机和 LCD1602 的接线图如图 20 所示。图20 MCU与LCD接线图3.3.5 按键电路这种设计配备了报警装

38、置。试验台输入电压5-20V，对应转速10-43转。单片机实验板设定的初始值为50转。 K1 和 K2 两个按钮用于加减初始值。 K1按下时，初始值减1；按下K2时，初始值加1。一旦电机转速超过单片机设定的警告值，蜂鸣器就会报警。按键电路如图21所示：图 21 按键电路图3.3.6 报警电路蜂鸣器是一种电子发声器，它是一种一体式结构，由直流电压供电，广泛用于报警器、电脑、复印机、打印机、汽车电子设备、电子玩具、定时器、机器等电子产品中作为发声装置。蜂鸣器分为电磁蜂鸣器和压电蜂鸣器。蜂鸣器在电路中用字母“H”或“HA”表示（旧标准使用“FM”、“LB”、“JD”等）。有源蜂鸣器直接接额定电源（新

39、蜂鸣器标注在标签上）连续发声；而无源蜂鸣器和电磁扬声器一样，需要连接音频输出电路才能发声。 .有源蜂鸣器和无源蜂鸣器如图 22 所示：图 22 有源蜂鸣器和无源蜂鸣器由于蜂鸣器的工作电流一般比较大，不能直接驱动单片机的I/O口（但是AVR可以驱动小功率的蜂鸣器），所以需要放大电路来驱动，一般用三极管放大电流。而已。蜂鸣器驱动电路一般包括以下几部分：三极管、蜂鸣器、续流二极管和电源滤波电容。图 23 蜂鸣器电路原理图蜂鸣器的电路原理图如图23所示。当流过单片机的电压足以使基极击穿时，电流流过基极集电极，蜂鸣器可以报警。其中，二极管的作用是提供续流，电容的作用是滤波，防止5V电压大幅度波动。4硬件

40、调试和软件设计4.1 硬件调试硬件调试是对测量系统的单片机和液晶显示电路进行调试。硬件调试部分分为上电前调试和上电后调试两部分。上电前调试：在上电之前，我们必须确保电路中没有短路或开路。如果发生短路或断路，电机转速将无法正常显示，还会烧毁单片机，破坏整个硬件。这部分调试使用的主要工具是万用表，用来检测电路是否有开路或短路。PCB电路板是根据PROTEL软件自动生成的，对PROTEL制作的PCB进行比对，确保与原理图上的图相匹配。一致地，对于液晶数码管的连接部分，尤其是液晶管脚之间的焊接和排阻，更要注意保证不发生短路。对照原理图，用万用表逐个测量每个焊点，确保焊点没有短路在一起。同时要注意焊点的

41、美观，确保没有开路和短路现象。上电后调试：上电调试的目的是检查电路是否接错。同时，还要检查原理是否正确。本设计中上电调试主要只有转速测量系统的单片机控制部分、数码管的照明部分、与上位机通讯的电平转换和串口的硬件调试。通讯部分。1、单片机控制部分的硬件调试：这部分调试主要检查时钟电路和复位电路是否连接正确，单片机的电源和地线是否连接好，以及其他一些引脚如何连接.看看单片机上电后能否正常工作。2、数码管液晶电路调试：液晶数码管使用的型号是液晶显示屏1602，其中D0-D7的8个引脚接排除的8个引脚。检查8个对焊部位是否短路，上电后液晶数码管能否正常显示。4.2 单片机速度程序设计的思路和过程单片机

42、测量转速，可以分为几个模块，然后在主程序中调用各个模块。流程图如图 24 所示。开开 始返 回初始化显示程序计算程序图 24 计算程序流程图4.2.1 MCU程序设计思路转速计算公式：n=60/NTc(r/min)其中，N为定时器的计数值，为三个字节，分别由TH0、TL0、VTT组成； Tc是时基，因为用的是11.0592M的晶振，所以Tc不是1um，而是12M/11.0592M左右就是1.08um，把上式带入上式，就可以得到准确的计算公式速度：n=60*11059200/12N=55296000/N然后将55296000转换成二进制，存入单片机的内存单元。下面我们将描述如何获得除数：单片机测

43、速完成，定时器T0作为部分定时器使用。当外部中断来临时，读取 TH0 和 TL0，同时将 TH0 和 TL0 清零，使定时器可以再次对脉冲进行计数。另外，在低速的情况下，我们还需要设置一个软件计数器VTT。当外部中断未到来且定时器溢出，产生定时器0中断时，增加VTT为三个字节中的高字节。三个字节组成除数，而上面的常数是四个字节，所以计算程序实际上是调用一个程序，其三个字节除以四个字节的商是两个字节（最高速度36000r/min就足够了）。数码管要显示，需要将二进制转十进制，十进制转成未压缩的BCD码后，可以调用查表程序，最后送去显示。4.3 子程序设计4.3.1 MCU速度计算程序因为本次设计

44、的系统功能是将霍尔传感器的信号致到单片机的外部中断端口，然后对周期方波进行计数，调用计算程序测速。可以说是核心部分，流程图如图25所示：开开 始返 回被除数初始化调用除法程序读取定时值图 25 计算程序流程图4.3.2 二十进制转换程序计算程序计算出来的数据是二进制的，以50H和51H为单位存储起来，这样就可以通过调用程序把数据传给计算机，计算机就可以识别二进制了。但是，我们需要将其显示在 LED 上。所以二进制必须先转换成BCD才能拆分。这里介绍将（R2R3）中的16位二进制数转换为压缩的BCD码十进制整数，致到R4、R5、R6。除除 法移位次数计数器上商1，减去除数被除数左移一位上商0计数

45、器减1计数器=0？被除数除数YNNY返 回图 26 除法程序流程图4.3.3 显示程序微控制器的显示部分可用于显示计算的数据。在程序设计中，STC12C5A60S2RAM内存中的四个显示缓冲单元30H-34H分别存储由计算得到的转速的BCD码分割出来的未压缩BCD码数据，STC12C5A60S2的P1端口扫描输出。总是只有一位低电平和其他位高电平。 STC12C5A60S2的P0口对应位的显示数据的段数据使该位显示一个字符，它们是暗的，P1口的输出变为低位和高位，P0口输出相应的段数据，4位LED显示屏显示由缓冲区中的显示数据确定的字符。显示部分程序分为两部分：十进制BCD转换为未压缩的BCD

46、码；查表程序显示数据。双字节整数拆分程序流程图如图27所示。开开 始返 回高字节R4送30HR5与0F0H相与交换后送31HR6与0F0H相与交换后送33HR5与0FH相与后送32HR6与0FH相与后送34H图 27 双字节整数拆分程序流程图显示程序流程图如图28所示：结结 束开 始INC R0 ，A=（R1）（R1）=P1，（R1）=A，RL AA+DPTR赋值给P0（R0）赋值给A30HR0，表首地址DPTR，（R1）= 0FEH（R1）=0DFH？NY图 28 显示程序流程图 HYPERLINK l _Toc264922150 5 测速系统的速度分析测速系统的设计采用M法测量电机的转速。

47、硬件电路比较简单，具有可靠性高、精度高的特点。下面分析适用于这种测量方法的速度测量范围，可以通过设置和选择本设计中的磁电传感器来控制测量精度。5.1 速度测量在软件设计中，使用的门控时间为1s，T0的最大计数值为65536。因此，最大计数应不超过65535，单位为ls，这样才能计算出最大计数频率L。设计频率为 f，其周期为 l/f。统计65535条数据时，所用时间为：T=65535*1/f(1)根据上述要求：当T=1s时，为最大值，即：L=65535*l/f所以f=65535( Hz )(2)设计实施时，采用12磁钢转盘，即轴每转12个脉冲，因此，轴的实际输出频率为：f=65535/12=54

48、60（赫兹），换算成速度：n=f*60=327600(r/min)(3) 用这种方法可以测量的转速很高。如果这样的速度还不能满足要求，也可以采用软件计数器的方式进一步扩大其上限。这样，上限只取决于定时器/计数器的最大内容输入频率，使用的是11.0592MHZ晶振。最高内容频率可达500KHZ左右。考虑到被测物体的特性，可以认为M法的上限足以进行测量。这种测速方法的下限理论上也可以很低，但是当速度低到一定程度时，误差就已经很大了。因此，测速下限与内容的测量误差有关。5.2 测量误差由速度公式给出：n=m 1为一个脉冲，转速变化：n= n+ n (5-1)其相对误差为：(5-2)(5-3)(5-4

49、)-相对误差n-加脉冲后的速度值n 速度误差由式 5-4 可知：这里T=1s，P=12，如果我们设置： =0.1%，那么可以计算出当n=60/0.012=5000时，可以满足这个要求，当n小于5000时，误差会超过内容范围。在实际测量工作中，如果测量范围超出这个范围，可以加一个软件计数器，编写T0的中断程序，在中断程序中给软件计数器加1，这样计数范围就可以扩大256次。除了被测量的一些系数（如码点数）会影响系统的测量外，闸门时间也是一个重要因素。该程序仅提供固定的门限时间 ls。 ，灵活选择闸门时间，兼顾动态、性能等方面的要求，以达到最佳效果。从上面的分析可以看出，使用M法测速，电路和程序都比

50、较简单，而且在一定条件下可以满足精度要求。当然，如果你想做一个全尺寸的专用转速表，这样的电路还不能完全满足需要。这时候就必须使用其他一些方法了。5.3 测量分析测试台的安装如图29所示：图29 实验台安装示意图试验台的安装：先拆下支架，将磁电传感器安装在支架上，磁电传感器的探头朝下，使探头与转盘上的磁钢相对，当转盘转动时，探头可以测量磁体的运行情况钢根据安装图，实验架接入5-20V可控电压。当输入电压不同时，电机的转速也不同。微控制器的安装如图所示。单片机上有四根引出线，其中两根是电源线，接测试台的5V电压；另外两条红线和黑线连接到磁电传感器对应的红线和黑线。作用是将磁电传感器采集的电压信号通

51、过放大整形电路输入单片机。磁电传感器采集到的信号通过放大整形电路送入单片机，STC12C5A60S2单片机对整形方波的脉冲数进行计数，再通过计算公式，LCD液晶显示显示电机的速度。根据实验室固有的磁电传感器和设计的电机转速测量系统方案，我们可以测量输入电压与转速的关系，如表1所示：表1 电压与速度关系对应表电压V68101214161820转/秒1015二十一2631364043输入电压与电机转速如图30所示，基本成正比。图 30 电压与速度的关系5.4 故障分析及解决方案发生故障：1）单片机的中断服务程序无法执行，无论是定时中断还是外部中断；2）低速中断执行，即软件计数功能不正确；3) 测得

52、的转速不准确，波形频率变化时显示的转速不变化4）单片机显示部分不能工作，显示不稳定；5）信号发生器模拟测速正确，电机不稳定解决方案：（1）首先查看程序的开头，中断入口地址，发现中断时序0的地址写成中断时序1的入口地址。没有添加中断信号。在前面的方案还没有解决的时候，我们暂时用信号发生器代替外部中断9的输入。由于看不到中断是否执行，所以可以使用设置中断点的方法，或者使用示波器重新启动中断服务程序。编写一些程序，观察单片机某个输出端口的波形变换或在中断程序中让数码管点亮，检查中断的执行情况；(2)中断服务程序中的程序设计有问题。需要先读取反映速度的 TH0 和 TL0，然后将其清为 0。软件计数的

53、高字节 VTT 应在定时器中断 0 的服务程序中同时递增。清除TH0、TL0，在外部中断程序中，读取三字节计数器值后，同时清除三个计数器，然后从中断中返回；(3)在确定转速计算程序正确的情况下，转速不准确，即调用转换程序时出现问题。观察程序，发现调用子程序的传参错误，出现在使用寄存器R时。这消除了重复并导致转换过程中的混乱。当波形频率发生变化而转速不变时，由于调用显示程序时，调用后显示无限循环，无法及时进行计算。(4)由于显示部分的程序是动态显示，是逐位显示，位选择信号有问题，向左移动时出现问题，要匹配显示字体后调用的延迟时间。不合理导致显示不稳定和闪烁。将时间更改为大约 1 毫秒几乎是正确的

54、。(5)后来信号发生器接正弦波时，会出现跳变不稳的现象，因此可以推断传感器输入的信号不是理想的方波，电平值不大够了，所以在磁电传感器的信号输出端接了一个滤波电容和一个10K的上拉电阻来解决这个问题。参考1 Li Cheng, Fu Yonghua . Performance and application of magnetoresistive sensing elements J . Sensor Technology , 1987 , 212 Huiyu , Ma Shubing , Luo Youquan , Mingcheng , Zhichao . Magnetoresistive

55、sensor and its application J . Physics , 1994 , 103 海平.自动平衡机差动磁电速度传感器研究 D .大学, 20114 燕菜.磁电传感器在测速中的应用J .工业仪表及自动化装置, 1986 , 65 于炳良.电机测速方法研究J 科学, 2005 , 56 魏鹏，党群，王天鹏。基于单片机的无线电机测速系统J .航空 技术 学院学报, 2009 , 17 周红军.实验室电机测速监测报警系统设计J .中国科学院学报（自然科学版） , 2007 , 18 魏峰.基于虚拟仪器技术的异步电机工况测试系统开发D .大学, 20039 康尼切女士，郭毅峰。基于

56、微控制器的电机驱动系统实时速度测量J.微机应用杂志，1995 年 1 月，第 18 卷，第 1 期：39-53 10 Ruddy 。范雅，传感技术与实验M .：清华大学， 200511 永盛电脑元件（香港）有限公司.wingshing。12 国信微电子. STC12C5A60S2 系列单片机指南J/OL 。 2011.单片机。13 F. Burger, P.-A.贝斯，RS波波维奇。用于三相无刷电机控制的新型单片霍尔传感器J.传感器和执行器 A：物理，2000 年，第 81 卷，第 1-3 期：320-32314 余大和，尹正中。一种模态传感器集成圆柱形楔形波超声波电机。传感器和执行器 A：物

57、理，2012，Vol.174:144-15415 李.基于单片机的直流电机调速系统设计D .：科学技术研究所， 200916 徐爱军.智能测控仪原理与设计：航空航天大学， 199517 Schroeder , ME Wolman , RL Wetterneck , TB Carayon , P. 管道静脉错误负荷内容使用智能输液泵进行自由流动事件J 。麻醉学。 2006年18 王志平.基于89C51的转速测量系统设计D.：东南大学。 2005年19 泽立.路桥监控信息采集系统的研究与设计D .：大学， 201220 永良.电动婴儿车测速系统的研究与实现D .大学, 2010至时光荏苒，白马擦肩

58、而过。转眼，毕业设计就要结束了，在此感谢我的导师云峰。这个毕业设计是在我的导师云峰的悉心指导和亲切关怀下完成的。感觉老师帮我搜集文献，理清设计思路，改进操作方法，对我的设计提出切实有效的改进。程序。在我的毕业设计中，云峰老师深厚的学术功底、严谨的科学态度、丰富的实践经验和精益求精的工作作风深深地影响了我，对我的学习、工作和生活给予了很大的支持。对我有很大的帮助，极大地提高了我的学习和工作，也为我以后的学习和研究奠定了更加坚实的基础。作为本科毕业项目，由于经验不足，难免有很多不为人知的地方。没有导师的监督和指导，完成这个设计是不可想象的。在此向老师表示衷心的感谢和崇高的敬意。同时，我也觉得在设计

59、方案之初，对方案设计提出宝贵意见的王琦，以及王琦宽广的思路和对硬件的熟练程度，决定了我设计的成败。一定程度上。另外非常感谢王子涵对电路板焊接的指导，协助我检查电路板的焊接情况，找出液晶显示屏的焊接错误和电阻排除。王子涵对如何辨别以及如何焊接和排除电阻有着深刻的理解。他非常感谢他在电路板焊接方面的帮助。还要感谢同学们四年来对我的关心和支持，也感谢老师们在我学习期间对我的严格要求。同时，也想感受一下朋友们的热心帮助。没有你们的关心和支持，我的毕业设计不可能这么快完成！这几个月是我学生生活中最宝贵的时间，也将是我以后的美好回忆。有严谨善良的老师，也有互相帮助的同学。 ，更加和谐融洽的学习生活氛围，这

60、将是我一直向往的地方。值此毕业论文之际，谨向大家致以最诚挚的祝愿，愿我们今后越来越好。附录 A附录 B附录 C/#include #include “main.h”#include 1602.h/#包括“PCA.h”#define DELAY854US delayhw(21)#define DELAY934US delayhw(23)#define DELAY1014US delayhw(25)#define DELAY2414US delayhw(60)#define uchar无符号字符#define uint无符号整数/#define STC12C5201AD /如果退出，PCA输出默认