中文摘要基于AT89C51单片机的电动机测速表设计摘 要在工业测控系统中，经常需要对电动机的转速进行检测和控制。目前国内外常用的转速测量方法有离心式转速表测速法、测速发电机测速法、激光测速法、光电码盘测速法和霍尔元件测速法等。本测速表采用光电传感器用于转速测量系统。用AT89C51单片机和光电码盘配合M/T测速法，检测电动机转速可获得大范围内测速精度。论文详细分析了系统的组成及工作原理，设计测速表的硬件电路和软件编程，并给出软件编程的程序流程图和用C语言编写的程序代码，并在最后对本设计的测速表进行了仿真。该测速系统安装维护方便，工作稳定，运行可靠，具有较大的推广应用价值。关键词 电动机，AT89C51，光电传感器，转速测量英文摘要The Design of Motors Speedometer Based on AT89C51 Single-chip Microcomputer AbstractIn the industry measurement and controlling system, we often need to test and control the speed of the motor. Currently, there are a lot of measuring methods about speed in the domestic,such as the centrifugal speed-table, the tachogenerator, the laser anemometry, the optical encoder and the Hall element to modify, etc. This speedometer uses the photoelectric sensor for the speed measuring system. It obtain a larger range of the speed measusing precision that the rotational speed detecting motor with AT89C51 and photoelectric coded disc with M/T disk. This paper analyse the system structure and the working principle, designing the hardware circuit and software programming about the speedometer. The software programmings written by C language are given and in the end of this design speedometer is simulated. The speed system easy installation and maintenance, working stability and reliable operation, with the popularization and valued application.Keywords electric motor, AT89C51, photoelectric sensor, rotational speed目 录1 绪论11.1 引言11.2 课题设计依据和背景情况11.3 国内外的研究现状21.4 本课题研究的内容及论文结构安排22 单片机概述32.1 单片机的发展32.2 单片机的应用52.3 AT89C51单片机的构造和原理73 基于AT89C51单片机的电动机测速表的测速原理分析113.1 测速传感器系统方案的提出和论证113.1.1 方案一 霍尔传感器测量方案113.1.2 方案二 光电传感器测量方案113.2 电动机转速测量系统的原理123.2.1 转速测量方法133.2.2 转速测量原理143.3 电动机测速表采用的测速传感器系统结构和原理153.3.1 光电传感器结构153.3.2 码盘的工作原理163.3.3 测速表的测速传感器系统原理174 基于AT89C51单片机的电动机测速表的硬件设计194.1 电动机测速表的总体设计硬件电路图结构及原理194.2 电动机测速表的转速信号处理电路设计214.3 最小系统的设计214.3.1 复位电路214.3.2 时钟电路234.4 测速表的速度显示设计244.4.1 1602型LCD介绍244.4.2 1602型LCD显示的电路设计265 基于AT89C51单片机的电动机测速表的软件设计275.1 程序的初始化275.1.1 定时器的初始化275.1.2 中断允许控制285.2 程序的流程图295.3 测速表的显示更新频率为一秒钟的实现296 基于AT89C51单片机的电动机测速表的仿真306.1 电动机测速表转速测量传感器系统的模拟及仿真306.1.1 电动机测速表转速测量传感器系统的模拟306.1.2 电动机测速表转速测量传感器系统的仿真306.2 电动机测速表总体测速的仿真307.1 全文总结327.2 本文的创新点和不足327.3 电动机测速表的发展趋势及未来前景32附录34参考文献43致谢45I1 绪论1.1 引言电动机转速的及时准确检测，与闭环调速系统的控制精度紧密相关。不论是直流调速系统还是交流调速系统，只有转速的高精度检测，才能得到高精度的控制系统。进行转速测量的检测控制，可以使用多种传感器1。在电动机转速的数字检测方法中，测速精度首先应满足指标要求。由于技术保密，厂家不会提供详细电路图和源代码，用户很难自行进行二次开发和改进。针对这种现状，本设计使用光电传感器结合ATMEL公司的AT89C51型单片机设计了一款转速测量与控制系统。本测速表具有精度高、量程宽和抗干扰能力强等特点2。1.2 课题设计依据和背景情况在工程实践中，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，程序要测量和显示其转速3。由于直流电动机具有良好的启动、制动性能，适宜在大范围内平滑调速，因此在许多需要调速或快速正反向的电路拖动系统中得到了广泛的应用4。但其硬件组成复杂，在进行调整，测速时，缺乏控制的灵活性5。从控制的角度来看，直流调速还是交流拖动系统的基础，由运算放大器、非线性集成电路以及少量的数字电路组成，控制系统的硬件部分非常复杂，功能单一，而且系统非常不灵活、调试困难。阻碍了直流电动机控制、测试技术的发展和应用范围的推广6。转速是电动机极为重要的一个状态参数7，它的测量精确与否对辨识结果的精度影响较大8，将直接影响电动机其它有关参数和特性的测试及故障检测与诊断的准确性9。在工业过程实施控制中，转速的监测与控制一般占有很大的比重10，它对系统的稳态误差及动态响应性能都有着至关重要的影响，特别在自动控制中，常常是反映机器的运转情况并将其反馈给控制装置11。所以，对于此类应用来讲，一个在较大速度范围内具有高分辨率的快捷而准确的测试系统是必不可少的。传统的模拟测速仪受非线性、温度变化和元件老化等因素的影响，在转速检测过程中很难满足快速性和准确性的要求。测速环境和精度要求不同，相应的测量方法也不同12。对某一些问题，转速测量要求的准确度不是很高；而对另一些问题，除了要求能精确的测得转速外，还要保证测量的实时性，要求能测得瞬时转速13。基于单片机89C51进行转速测量，可使得测速表具有硬件结构简单, 测量速度快, 精度高, 运行可靠等优点14。因此，转速的测量具有重要的意义15。1.3 国内外的研究现状为了满足电动机控制系统发展需要，90年代末，美国德州仪器（TI）公司推出了TMS320X24X系列数字信号处理器（DSP），该系列DSP芯片转为实现高精度、高性能、功能多样化的单片电动机控制系统而设计16。近年来，由于世界范围内对转速测量合理利用的日益重视及对于转速测试技术的研究，促使转速测量技术迅速发展，各种新型的测量仪表相继问世并越来越多地得到应用17。目前，智能化转速数字显示仪表，有通用的SQY01T系列转速数字显示仪，SZC系列电站用转速数字显示仪，SKY系列透平膨胀机智能数字显示仪，以及各种多功能转速仪表，如ZS-1双路转速表、以及显示差速、速比的ZS-2转速表，带方向显示的SQYC转速表，可远传的CS-1转速表等。2009年中国测速表市场发展迅速，产品产出持续扩张，国家产业政策鼓励测速表产业向高技术产品方向发展，国内企业新增投资项目投资逐渐增多。投资者和企业经营者对测速表市场的关注越来越密切，这使得自行车测速表市场的发展研究需求增大。在全球金融危机风暴大环境及国内严峻经济形势下，一系列新的政策将会陆续出台，对测速表市场的发展必将产生重大影响；一批国家重大工程项目陆续开工建设，对测速表市场需求市场必将产生极大的拉动作用18。1.4 本课题研究的内容及论文结构安排测速表采用M/T法测量电动机速度，通过光电传感器将模拟信号经过放大、整形电路之后输入AT89C51单片机的T1口，再对AT89C51单片机进行程序的编写和写入，最后将速度显示在1602型LCD液晶显示器上，并实现了速度显示的刷新频率为一秒。通过Proteus软件进行仿真，测试结果。 2 单片机概述单片微型计算机（单片机）作为微型计算机的一个很重要的分支，自问世以来，以其极高的性价比，受到人们的重视和关注，因此应用广泛，发展迅速。相对而言，单片机体积小、重量轻、抗干扰能力强，对环境要求不高，并且价格低廉、可靠性高、灵活性好，开发较为容易。目前，在我国，单片机已经广泛地用于智能仪表、机电设备过程控制、自动检测、家用电器和数据处理等各个方面19。2.1 单片机的发展单片机诞生于20世纪70年代。最初的单片机是利用大规模集成电路技术把中央处理单元（Center Process Unit，也即简称CPU）、数据存储器（RAM）、程序存储器(ROM)及其他I/O通信口集成在一块芯片上，构成一个最小的计算机系统。现代的单片机则增加了更多的片内外设（比如定时器、计数器、串行口、中断、并行I/O口，甚至包括A/D转换器、脉宽调制器PWM等），使得单片机的功能越来越强大，应用领域越来越广泛。因为这样一块芯片就具有一台计算机的功能，因而被称为单片微型计算机，简称单片机20。由于单片机的硬件结构和指令系统都是按照工业控制要求来设计的，常用在工业的检查、控制装置中，因而也被称为微控制器（Micro-Controller）。单片机按照其用途可以划分为通用型和专用型两大类。通常所说的单片机是指通用型单片机。通用型单片机是把可开发资源（如ROM，RAM，I/O口）全部提供给使用者。专用型单片机的硬件结构和指令是按照某个特定用途而设计的，如：频率合成调谐器（DDS）、USB控制器、收音机机芯控制器、打印机控制器等。1单片机发展特点单片机技术从出现至今已走过近30年的发展路程。纵观30年来单片机的发展历程，单片机技术以微处理器技术及超大规模集成电路技术的发展为先导，以广泛的应用领域为动力