单片机设计的转速表毕业设计

毕业设计 (论文)开题报告

1．本课题所涉及的问题在国内(外)的研究现状综述
  在计算机硬件和软件技术发展的推动下，使目前国内外这类功能单一、精度低、体积大及价格高的转速表装备得到更新换代。目前转速表作为一种通用测量工具, 已有多种形式面市, 如: 机械式、机电式、电磁式、光电式等。尽管它们大都测量精确、使用安全、操作简便、但普遍存在的问题是功能单一，在现今的硬件和软件的精度和功能全面的提高的基础上实现了设备的更新换代，提高了实验技术水平。采用新技术研制开发的多功能转速表除具有一般转速表的功能外, 还具有另外的特殊功能。
从70 年代起，人类在航空航天、交通运输及兵器工业上所遇到的问题难以用传统的理论来解决。生产力发展的需要促使在计算机系统技术得以发展。同时伴随着电子计算机软件和硬件技术的飞速发展，多功能转速表在集成度、功能、性能、体系结构方面都有了飞速发展，已能集成一个完整的功能强大、性能优良的测速系统。现在欧美等发达国家，测速系统的技术已成功地应用于航空航天、交通运输、兵器工业、机械设计等多种领域，已产生巨大的效益，同时也使传统的设计试验方法发生了巨大变化。这与现代市场对产品的需求很不适应，如何提高初次设计的成功率是传统设计方法的一个难题。

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目前广泛使用的不合微机的数字式转速表， 其硬件电路复杂，测量范围与精度不能兼顾，而且采样时间长 难以测得瞬时转速，更不能扩展仪表的功能：如任意设置报警值、转速值的永久存贮、按需要进行打印控制等等。
单片微型计算机的出现为自动检测仪表打开了广阔的前景。特别是MCS-SJ-型单片微机的性能价格比、尺寸、能耗上的优势， 以及极强的计算、处理和记忆存贮能力， 使出单片机为控制部件的智能仪表成为工业产品更新换代的既经济又先进的技术手段。具有峰值保持能力。转速变化时能“记忆 最大转速值。具有“黑匣子 功能。能永久保存重要的转速数据，供事故追忆时分析应用， 正常情况下也可提供数据分析。不需要保存时可以擦除，以备下次存数。能自动打印，并能根据不同要求自动改变打印时间间隔。从而获得超速试验数据、最大速度数据。抗干扰能力强。对输入信号幅度范围具有较广适应性。适用于电磁式、光电式、涡流式等多种传感器 每转产生1个脉冲或60个-(60)脉， 本仪表特别适合于电厂机组转速的测屋、监控，对其他工矿企业的类似用途也适用。仪表分为测量、显示、人机对话和打印报警等几大部分。 单片机在很多地方得到了应用：
(1).测控系统。用单片机可构成各种工业控制系统、自适应系统、数据采集系统等。 [资料来源：http://think58.com]
(2).智能仪表。用单片机改造原有的测量、控制仪表，能促进仪表向数字化、智能化、多功能化、综合化、柔性化发展。
(3).机电一体化产品。单片机与传统的机械产品结合，使系统机械产品结构简化，控制智能化。
(4).智能接口。在计算机控制系统（特别是较大型的工业测控系统）中，普遍采用单片机进行接口的控制与管理，因单片机与主机是并行工作，所以大大提高了系统的运行速度。
(5).智能民用产品。在家用电器、玩具、游戏机、声像设备、电子秤、收银机、办公设备等产品中引入单片机，不仅使产品的功能大大增强，而且获得了良好的使用效果。 [资料来源：http://THINK58.com]

2．设计(论文)要解决的问题和拟采用的研究方法
１、本文研究的是多功能转速表，而随着时代的发展出现多种测速表而光电式其性能优越而且结构简单、体积小等特点。首先就要讨论信号获取：通过简单的光电传输系统由专门的探头LED发射红外线，同时用PIN接受从被测物体反射回来的红外线，实现光电转换过程。由于通过光敏二极管输出的电压过小，然后通过限幅和集成运放放大器，使输出的脉冲接近矩形波，最后经施密特触发器电路整形输出稳定的脉冲信号。
２、信号送入AT89C51芯片T0口计数，为了得到计数脉冲，可以采用门控方式的硬件技术方法，也可以采用中断方式的软件计数方法。门控方式计数：由AT89C51定时器/计数器T0工作原理可知，当其工作在计数方式时，只要T0口上有负跳变，计数器就加1。CPU在每个周期的S5P2状态时，采样T0，所以需要2个机器周期才能识别一个T0的负跳变，即T0的周期至少应等于2倍机器周期。若晶振频率为6MHz，6分频后得到ALE信号，鼓ALE周期为1us，机器周期为2 us。由此可知，最低计数脉冲周期Tc为4us，可由ALE信号经74LS74中的两个D触发器4分频后取得。
中断方式计数：高转速时为了连续测量4个输入周期，可以采用中断方式计数。在初始化或前一次测量结束时，单片机禁止“外部中断0”和“定时器0溢出中断”。设置“外部中断0”为负跳沿触发方式，设定“计数器0”为非门控计数方式，然后等待中断。外部中断负脉冲一到，立即启动“计数器0”工作，对T0的4us计数脉冲进行计数。计到4个测量周期时，停止“计数器0”工作，禁止外“中断”，恢复测量周期常数3，并计得的脉冲数存入相应单元。

门控方式和中断方式计数，有效的解决了精度测量输入脉冲周期和高低量程自动切换问题，测得计数脉冲个数后，即可转入计算转速n的子程序，计算结果的BCD码相应的存入4个存储单元，以备显示。
３、报警电路的设计：为了实现限速报警功能，我们设置了高、低转速值，并通过四个功能键确定高低转速的初值。单片机P1.1口发出一个脉冲信号，经共射共集复合放大电路放大后，驱动LS，发出报警声。单片机没有触发信号时，电路工作为稳定状态（即不工作）。报警声音结束后又恢复稳态，等待下也个脉冲信号的到来。
４、稳压电压源的设计：我所设计的硬件电路需要5V电压，且总电流要在1～2A，为了保证供电系统的稳定和安全性，我在输出最大电流为1.5A的固定稳压电路中，增加了短路保护环节和三极管运放放大电路，使的输出电流达到3A左右。
5、复位和看门狗电路的设计：
对复位电路的基本要求是：在单片机上电时能可靠复位，在下电时能防止程序乱飞导致E2PROM中的数据被修改；另外单片机系统在工作时，由于干扰等各种因素的影响，有可能出现死机现象导致单片机系统无法正常工作，为了克服这一现象，除了充分利用单片机本身复位的作用外，还需外加看门狗电路：有些单片机系统还要求在掉电瞬间单片机能将重要数据保存下来，因掉电的发生往往是和随机的，因而此类单片机系统需要电源监控电路，在掉电刚发生时能告知单片机。MAXIM公司推出的MAX813L，刚好能满足这些要求，所以我通过手动系统复位和硬件系统  ：专用芯片构成的看门狗电路MAX831L对系统进行双重保护。 [资料来源：http://www.THINK58.com]

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3．本课题需要重点研究的、关键的问题及解决的思路：
 1、显示部分：此次设计的转速显示范围在0～9999nrp，所以我采用采用动态扫描方式显示驱动4个LED数码管，集锁存、译码、驱动、扫描、时钟于一体的MC14499显示驱动器。在串行口方式下,A T 89C51 单片机的串行输出端TXD 提供时钟信号, 串行口输入端RXD 输出串行数据, 选定P1 口或P3 口任意一根IöO 线以提供MC14499 所需的使能信号。在串行口方式下, 应将A T 89C51 单片机串行口的工作方式置为0 方式。串行口方式特别适合于系统硬件无相互间通道的情况。
在该控制方式下应注意:A T 89C2051 单片机串行口输出数据时, 发送顺序为从数据低位到高位, 而MC14499 将BCD 码数据译为十进制数时, 却是将原数据的低位作为高位处理的, 如将某次数据的最后八位10001001B (84H ) 送入MC14499 时, 从低位到高位被分布于其移位寄存器的13～ 20 单元中, 即最低位0 在13 单元, 最高位1 在20单元,MC14499 进行译码时, 却是将0 作为最高位, 1 作为最低位处理时, 于是成为00100001B (21H ) , 即段码3 数据为0010B,显示器显示“2”, 段码4 数据为0001B, 显示器显示“1”, 因此, 必须将欲显示的压缩BCD码进行循环位移(即将最低位移至最高位, 第二位移至第七位, 其余以次类推) 后再送入MC14499, 以保证显示的正确性。A T 89C2051 单片机每次发送完数据后,必须将MC14499 使能端置位。这是因为MC14499 进行译码输出的并非是其移位寄存器内的数据, 而是其锁存器内的数据。将使能端置位有两个作用: 第一, 禁止MC14499再接收外来数据; 第二, 将移位寄存器内的数据送入锁存器中, 以提供译码输出。串行口控制方式下，单片机的串行口TXD提供时钟信号，RXD输出串行数据，P1.0提供使能信号，单片机工作在串行工作方式0。单片机在该工作方式下，发送数据循序从数据低位到高位，与MC14499接收数据循序相反。因此，必须将传送的数据各位方向排列，机D0与D7交换，D1与D6交换，依次类推。然后再发送到MC14499，以保证显示的正确性。为了使串行口数据输出与MC14499接收速率相匹配，单片机的工作频率为3MHz.

2、功能按键的设置：在报警系统中，必须要先在单片机内部存储单元置入初始值。为了实现下述功能我设计了5个按键，在P2.3～P2.7设置“置入”、 “+1”、“左移”“完成设置”“声警解除”按键。仪表的工作状态管理通过监控程序来实现，程序流程图如图8所示。
  P2.3  “置入”       设置的报警值存入
  P2.4  “+1”     设置的报警值加1
  P2.5  “左移”    设置的报警值左移一位
  P2.6  “确认”   完成设置
   P2.7  “声警解除”    解除报警信号
此设计的报警速度范围在若需要改变报警值，首先利用“+1”、键将欲设的最高位置于显示值的个位，再用“左移”键左、移一位，而后设置次高位。如此反复4次，完成新的报警值设置。用“置入”键存入相应单元。每次测量的转速值都与报警值比较，若大于等于报警值，则进行报警。

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4完成本课题所必须的工作条件(如工具书、实验设备或实验环境条件、某类市场调研、计算机辅助设计条件等等)及解决的办法：
在《单片机应用系统设计与训练》了解到干扰是造成单片机应用系统故障的主要因素之一，所以在设计中考虑到尽量减少干扰的来源，并且进行软、硬件设计，保障系统能正常运行。
在《单片机原理及应用实验教程》认识到对转速表的转速计算及误差分析里涉转速误差问题，利用门控方式和中断方式对高低转速进行计数。我也是采用此方法对输入的脉冲进行计数的，从而实现光电传输产生的脉冲与AT89C51单片机的接轨。
在《单片机控制工程实践技术》中有关键盘设计的问题做了详细的说明。
在《单片机原理与应用》认识到：当一个单片机应用系统完成软硬件设计后，通常不可能一次成功，不可避免地要出现一些错误，这就需要系统调试。另一方面如果单片机已正常工作过，在以后运行过程中出现了某些故障而导致系统失灵，查找并排除故障，使系统重新进入正常工作，这就要靠系统维护及维修来解决。因此我利用此书中的“单片机应用系统的调试和维护”方法进行设计。
在显示部分我们采用《AT89C51系列单片机原理与接口技术》中的串行LED显示驱动器MC14499 ，它可以动态驱动4位LED，公司生产的具有SPI串行接口的BCD码输入—十进制码输出COMS LED 译码驱动器。在单片机系统中，由于MC14499，消耗功率较低，所需要输入线少，结构简单，得到广泛应用。

我设计的多功能转速表里还要设计打印机，所以我利用目前国内比较流行的微型打印机TP-μP-40/16A，在《单片机应用系统设计与实现》有其与单片机的接口方式，工作原理及软件编程。
5．设计(论文)完成进度计划
1、第一阶段主要完成：翻译一篇相应的外文资料、开题报告、最小系统的设计及相应的系统软件设计；
2、第二阶段主要完成：硬件系统总体框图、LED显示器、系统电源及相关的硬件电路的设计；
3、第三阶段主要完成：、软件系统总体框图、软件流程图及相关的软件程序设计；完成系统缺水保护、传感器故障保护、超温保护等多种自动保护功能的设计。
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