电力系统三相短路电流计算

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：电气工程学院

专业班级：电气F1302

学生姓名：赵爱钦

学号：201314020323

指导教师：臧海河

设计地点：31-504

设计时间：2015-12-21～2016-01-03

单片机系统

课程设计

课程设计名称：基于89C51的电机转速计设计专业班级：电气F1302

学生姓名：赵爱钦

学号：20131402323

指导教师：臧海河

课程设计地点：31-630

课程设计时间：2015-12-21～2016-01-03

单片机系统课程设计任务书

目录

1 概述........................................................................................................... . (4)

1.1 研究背景 (4)

1.2 基本功能概述 (5)

2 方案设计.................................................................................................. .. (5)

2.1 霍尔传感器测量方案 (5)

2.2 光电传感器测量方案............................................................................... .. (6)

3 硬件电路设计............................................................................................ . (7)

3.1 单片机及其外围电路设计................................................................. (7)

3.2 时钟电路设计...................................................................................... (11)

3.3 复位电路设计....................................................................................... .. (12)

3.4 显示电路设计..................................................................................... . (14)

3.5 键盘电路设计 (15)

3.6 电机控制与驱动电路设计 (16)

4 系统软件设计............................................................................................ . (17)

4.1 主程序设计.................................................................................. (18)

4.2 中断服务程序设计........................................................................... . (20)

4.3 子程序设计................................................................................ .. (22)

4.3.1 显示子程序设计 (22)

4.3.2 键处理子程序设计 (24)

5 总结...................................................................................................... .. (26)

附录A 系统原理图 (27)

附录B 部分源程序 (28)

一概述

1.1 转速测量系统的发展背景

随着微型计算机可靠性提高和价格的下降，用单片机测量电机转速已经日趋普遍。我们知道，欲提高测量精度，必须先测出准确的转速，而原先在可控硅调速电路中采用的测速发电机方式已不能满足要求，必须采用数字测速的方法。

目前国内外测量电机转速的方法很多，按照不同的理论方法，先后产生过模拟测速法(如离心式转速表、用电机转矩或者电机电枢电动势计算所得)、同步测速法(如机械式或闪光式频闪测速仪)以及计数测速法。计数测速法又可分为机械式定时计数法和电子式定时计数法。传统的电机转速检测多采用测速发电机或光电数字脉冲编码器，也有采用电磁式(利用电磁感应原理或可变磁阻的霍尔元件等)、电容式(对高频振荡进行幅值调制或频率调制)等，还有一些特殊的测速器是利用置于旋转体内的放射性材料来发生脉冲信号．其中应用最广的是光电式，光电式测系统具有低惯性、低噪声、高分辨率和高精度的优点．加之激光光源、光栅、光学码盘、CCD 器件、光导纤维等的相继出现和成功应用，使得光电传感器在检测和控制领域得到了广泛的应用。而采用光电传感器的电机转速测量系统测量准确度高、采样速度快、测量范围宽和测量精度与被测转速无关等优点，具有广阔的应用前景。

测速装置在控制系统中占有非常重要的低位，对测速装置的要求是分辨能力强、高精度和尽可能短的检测时间。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,常需要分时或连续测量和显示其转速及瞬时转速。要测速，首先要解决是采样问题。在使用模技术制作测速表时，常用测速发电机的方法，即将测速发电机的转轴与待测轴相连，测速发电机的电压高低反映了转速的高低。为了能精确地测量转速外,还要保证测量的实时性,要求能测得瞬时转速方法。因此转速的测试具有重要的意义。这次设计内容包含知识全面，对传感器测量发电机转速的不同的方法及原理设计有较多介绍，在测量系统中能学到关于测量转速的传感器采样问题，单片机部分的内容，显示部分等各个模块的通信和联调。

1.2基本功能概述

这次的设计系统要完成以下的功能：

1.设计并制作单片机的转速测量的硬件系统；

2.用汇编语言完成转速测量的软件系统；

3.要求把转速显示在5位LED上；

根据系统要实现的功能以及要求，要实现单片机的转速测量主要是各个模块的设计，定时器记数定时功能、以及LED驱动之间的通信。单片机可通过编程控制外围部件，能实现较高的自动化程度。以它为系统核心的控制模块可实现主从控制，完成预定的任务。

二方案设计

转速测量的方案选择,一般要考虑传感器的结构、安装以及测速范围与环境条件等方面的适用性;再就是二次仪表的要求,除了显示以外还有控制、通讯和远传方面的要求。下面是两个方案的设计与论证。

2.1 霍尔传感器测量方案

霍尔转速传感器的主要工作原理是霍尔效应，也就是当转动的金属部件通过霍尔传感器的磁场时会引起电势的变化，通过对电势的测量就可以得到被测量对象的转速值。霍尔转速传感器的主要组成部分是传感头和齿圈，而传感头又是由霍尔元件、永磁体和电子电路组成的。霍尔转速传感器在测量机械设备的转速时，被测量机械的金属齿轮、齿条等运动部件会经过传感器的前端，引起磁场的相应变化，当运动部件穿过霍尔元件产生磁力线较为分散的区域时，磁场相对较弱，而穿过产生磁力线较为几种的区域时，磁场就相对较强。霍尔转速传感器就是通过磁力线密度的变化，在磁力线穿过传感器上的感应元件时，产生霍尔电势。霍尔转速传感器的霍尔元件在产生霍尔电势后，会将其转换为交变电信号，最后传感器的内置电路会将信号调整和放大，输出矩形脉冲信号。

霍尔传感器的方框图如图2.1所示

图2.1霍尔传感器框图

缺点：采用霍尔传感器在信号采样的时候，会出现采样不精确，因为它是靠磁性感应才采集脉冲的，使用时间长了会出现磁性变小，影响脉冲的采样精度。

2.2 光电传感器测量方案

光电转速传感器是根据光敏二极管工作原理制造的一种感应接收光强度变化的电子器件，当它发出的光被目标反射或阻断时，则接收器感应出相应的电信号。一般的转速长期测量系统是预先在轴上安装一个有60 齿的测速齿盘，当测速齿槽旋转一周，光敏元件就能感受与开孔数相等次数的光次数，即每转一周产生60个电脉冲信号。临时性转速测量系统，多采用光电传感器，从转轴上预先粘贴的一个标志上获得一转一个转速脉冲，随后利用电子倍频器和测频方法实现转速测量。不论长期或临时转速测量，都可以在微处理器的参与下，通过测量转轴上预留的一转一齿的鉴相信号或光电信号的周期，换算出转轴的频率或转速。即通过速度传感器，将转速信号变为电脉冲，利用微机在单位时间内对脉冲进行计数，再经过软件计算获得转速数据。

即:

n=N/(mT)

◆n ———转速、单位:转/ 分钟;

◆N ———采样时间内所计脉冲个数;

◆T———采样时间、单位:分钟;

◆m ———每旋转一周所产生的脉冲个数(通常指测速码盘的齿数) 。

通常m=60，那么1 秒钟内脉冲个数N就是转速n，

即:

n=N/ (mT) =N/60×1/60=N

光电传感器的方框图如图2.2所示

图2.2光电传感器方框图

优点：这种方案使用光电转速传感器具有采样精确，采样速度快，范围广的特点。综上所述，方案二使用光电传感器来作为本设计的最佳选择方案。

三硬件电路设计

单片机是单片微型计算机（Single Chip Microcomputer）的简称，是指在一块芯片上集成了中央处理器CPU、随机存储器RAM、程序存储器ROM或EPROM、定时器/计数器、中断控制器以及串行和并行I/O接口等部件，构成一个完整的微型计算机。目前，新型单片机内还有A/D及D/A转换器、高速输入/输出等部件。由于它的结构和指令功能都是按工业控制要求设计的，特别适用于工业控制及其数据处理场合，因此，确切的称谓应是微控制器（Microcontroller）. 系统使用的单片机是AT89C51型单片机。AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存贮器（FPEROM—Falsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压，高性能CMOS 8位微处理器。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器， AT89C单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。

图3.1 89C51引脚图

89C51单片机的特点：

⑴它内部有一个8位的CPU，具有4KB的EEPROM。

⑵ 128字节的RAM数据存储器，21个特殊功能寄存器SFR。

⑶ 4个8位并行I/O口，其中P0、P2为地址/数据线，可寻址64KB ROM和64KB RAM.

⑷一个可编程全双工串行口,具有5个中断源。

⑸两个16位定时器/计数器。

由89C51引脚图我们可以看到，单片机的引脚除了电源、复位、时钟接入、用户I/O口外，其余管脚是为实现系统扩展而设置的。这些引脚构成51单片机片外三总线结构，即：

①地址总线（AB）：地址总线宽为16位，因此，其外部存储器直接寻址为64K 字节，16位地址总线由P0口经地址锁存器提供8位地址（A0至A7）；P2口直接提供8位地址。

②数据总线（DB）：数据总线宽度为8位，由P0提供。

③控制总线（CB）：由P3口的第二功能状态和4根独立控制线RESET、EA、ALE、

PSEN组成。

89C51引脚图如图3.1所示

3.1 单片机及其外围电路设计

图3.1.1单片机及其外围电路图

3.1.1 时钟电路设计

时钟电路是计算机的心脏，它控制着计算机的工作节奏。51单片机允许的时钟频率是因型号而异的典型值为12MHZ 51内部都有一个反相放大器，XTAL1、XTAL2分别为反相放大器输入和输出端，外接定时反馈元件以后就组成振荡器，产生时钟送至单片机内部的各个部件。STC89C51是属于CMOS8位微处理器，它的时钟电路在结构上有别于NMOS型的单片机。 CMOS型单片机内部（如STC89C51）有一个可控的负反馈反相放大器，外接晶振（或陶瓷谐振器）和电容组成振荡器，图3.3为CMOS型单片机时钟电路框图。振荡器工作受/PD端控制，由软件置“1”PD（即特殊功能寄存器PCON.1）使/PD＝0，振荡器停止工作，整个单片机也就停止工作，以达到节电目的。清“0”PD，使振荡器工作产生时钟，

单片机便正常运行。SYS为晶振或陶瓷谐振器，振荡器产生的时钟频率主要由SYS 参数确定（晶振上标明的频率）。电容C4和C5的作用有两个：其一是使振荡器起振，其二是对振荡器的频率f起微调作用（C4、C5大，f变小）。

3.1.2复位电路设计

计算机在启动运行时都需要复位，使中央处理器CPU和系统中的其它部件都处于一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作。

51单片机有一个复位引脚RST，它是史密特触发输入(对于CHMOS单片机，RST引脚的内部有一个拉低电阻)，当振荡器起振后该引脚上出现2个机器周期(即 24个时钟周期)以上的高电平，使器件复位，只要RST保持高电平，51单片机保持复位状态。此时ALE、PSEN、P0、P1、P2、P3口都输出高电平。RST变为低电平后，退出复位，CPU从初始状态开始工作。

单片机采用的复位方式是自动复位方式。对于MOS单片机只要接一个电容至VCC即可。在加电瞬间，电容通过电阻充电，就在RST端出现一定时间的高电平，只要高电平时间足够长，就可以使51单片机有效的复位。RST端在加电时应保持的高电平时间包括VCC的上升时间和振荡器起振的时间，Vss上升时间若为10ms，振荡器起振的时间和频率有关。10MHZ时约为1ms，1MHZ时约为10ms，所以一般为了可靠的复位，RST在上电应保持20ms以上的高电平。RC时间常数越大，上电RST端保持高电平的时间越长。

若复位电路失效，加电后CPU从一个随机的状态开始工作，系统就不能正常运转。

图3.3 复位电路图

3.4显示电路设计

显示电路采用LED数码管动态显示，LED（Light-Emitting Diode）是一种外加电压从而渡过电流并发出可见光的器件。LED是属于电流控制器件，使用时必须加限流电阻。LED有单个LED和八段LED之分，也有共阴和共阳两种。

发光二极管的阳极连在一起的称为共阳极显示器,阴极连在一起的称为共阴极显示器。1位显示器由八个发光二极管组成，其中七个发光二极管a~g控制七个笔画（段）的亮或暗，另一个控制一个小数点的亮和暗，这种笔画式的七段显示器能显示的字符较少，字符的开头有些失真，但控制简单，使用方便。

显示方式：

数码管要正常显示，就要用驱动电路来驱动数码管的各个段码，从而显示

出我们要的数字，因此根据数码管的驱动方式的不同，可以分为静态式和动态式两类。

静态显示驱动：静态驱动也称直流驱动。静态驱动是指每个数码管的每一个段码都由一个单片机的I/O端口进行驱动，或者使用如BCD码二-十进制译码器译码进行驱动。静态驱动的优点是编程简单，显示亮度高，缺点是占用I/O端口多，如驱动5个数码管静态显示则需要5×8＝40根I/O端口来驱动，一个89S51单片机可用的I/O端口才32个，实际应用时必须增加译码驱动器进行驱动，增加了硬件电路的复杂性。

动态显示驱动：数码管动态显示接口是单片机中应用最为广泛的一种显示方式之一，动态驱动是将所有数码管的8个显示笔划"a,b,c,d,e,f,g,dp"的同名端连在一起，另外为每个数码管的公共极COM增加位选通控制电路，位选通由各自独立的I/O线控制，当单片机输出字形码时，所有数码管都接收到相同的字形码，但究竟是那个数码管会显示出字形，取决于单片机对位选通COM端电路的控制，所以我们只要将需要显示的数码管的选通控制打开，该位就显示出字形，没有选通的数码管就不会亮。通过分时轮流控制各个数码管的的COM端，就使各个数码管轮流受控显示，这就是动态驱动。在轮流显示过程中，每位数码管的点亮时间为1～2ms，由于人的视觉暂留现象及发光二极管的余辉效应，尽管实际上各位数码管并非同时点亮，但只要扫描的速度足够快，给人的印象就是一组稳定的显示数据，不会有闪烁感，动态显示的效果和静态显示是一样的，能够节省大量的I/O端口，而且功耗更低。

为了节省I/O口线，我们采用的动态显示方式。显示电路图如图3.4所示。

图3.4 显示电路图

3.5 键盘电路

按键分别控制电机的不同转速，即控制PWM波高电平的占空比，以实现电机的转速控制，采用开环控制方法，不是十分精确，但控制简单，易实现。

键盘电路如图3.5所示

图3.5键盘电路

3.6 电机控制与驱动

电机的运行通过PWM波控制，PWM波通过AT89C51的P2.4口输出，电路图如图3.6所示

图3.6 电机控制与驱动电路图

四软件设计

AT89C51有两个定时器/计数器T0和T1，每个定时器/计数器均可设置成为16位，也可以设置成为13位进行定时或计数。计数器的功能是对T0或T1外来脉冲的进行计数，外部输入脉冲负跳变时，计数器进行加1。

定时功能是通过计数器的计数来实现的，每个机器周期产生1个计数脉冲，即每个机器周期计数器加1，因此定时时间等于计数个数乘以机器周期。定时器工作时，每接收到1个计数脉冲（或机器周期）则在设定的初值基础上自动加1，当所有位都位1时，再加1就会产生溢出，将向CPU提出定时器溢出中断身请。当定时器采用不同的工作方式和设置不同的初值时，产生溢出中断的定时值和计数值将不同，从而可以适应不同的定时或计数控制。

定时器有4种工作方式：方式0、方式1、方式2和方式3。

工作方式寄存器TMOD的设定：

TMOD各位的含义如下：

GATE：门控位，用于控制定时/计数器的启动是否受外部中断请求信号的影响。

C/T：定时或计数方式选择位，当C/T=1时工作于计数方式；当C/T=0时工作于定时方式。 M1、M0为工作方式选择位，用于对T0的四种工作方式，T1的三种工作方式进行选择，选择情况如下表5-1：M1M0=00为方式0;M1M0=01为

方式1；

表4.1 M1、M0为工作方式选择位

4.1主程序设计

主程序是系统上电后首先要执行的程序，主程序主要完成系统的初始化、扫描显示、扫描按键等工作。

N

Y

图4.1主程序流程图

按照上述分析，主程序流程图如图4.1所示。

系统上电后，首先设置堆栈，对相关内存单元赋初始值，定时器和中断系统

初始化。完成初始化工作之后，判断启动键有没有按下，如果没有按下，等待启

动键按下；如果按下，及循环等待，时间到之后，T1中断程序将会读取T0中的

计数值，并将其放入约定的存储单元中，并且置位“要求计算”的标志，当该标

志位为1时，主程序即转入计算。计算出转速后送入显示缓冲区显示。

4.2 中断服务程序设计

51单片机中没有专门的开中断和关中断指令，对各个中断源的允许和屏蔽是由内部的中断允许寄存器IE的各位来控制的。中断允许寄存器IE的字节地址为A8H，可以进行位寻址

表4-2 中断位寻址表

EA：中断允许总控位。EA=0，屏蔽所有的中断请求；EA=1，开放中断。

ET2：定时器/计数器T2的溢出中断允许位。（仅89C52/S52或类似型号的单片机有）ET2=1允许T2中断；ET2=0禁止T2中断。

ES：串行口中断允许位。ES=1，允许串行口中断；ES=0，禁止串行口中断。

ET1：定时器/计数器T1的溢出中断允许位。ET1=1，允许T1中断；ET1=0，禁止T1中断。

EX1：外部中断 INT1的中断允许位。 EX1=1，允许外部中断1中断；EX1=0，禁止外部中断1中断。

ET0：定时器/计数器T0的溢出中断允许位。 ET0=1，允许T0中断；ET0=0，禁止T0中断。

EX0：外部中断 INT0的中断允许位。EX0=1，允许外部中断0中断；EX0=0，

禁止外部中断0中断。

图4.2 中断服务程序设计流程图

定时器1完成定时功能，并每隔一定时间进行一次显示，每隔1秒读一次计数结果。单片机对在1秒内计数的值进行处理，转换成每分钟的速度送显存以便显示。中断服务程序流程图如图4.2所示