2024年转速测量系统的研究.doc

题 目

转速测量系统的研究

Title

Research of the measuring system of the rotational speed

指引教师：卢万欣
设计者： 刘 建

摘 要

本次设计的转速测量系统结构简单，抗干扰能力强，适合应用于各种测量转速的电路中。
在设计电路中利用霍尔传感器对被测物体转速进行检测。该系统采取霍尔传感器UGN3144把转速信息转换为电压信号，输出电压经整形电路送入单片机T0口,采取软件处理计算出被测物体的转速,将被测成果过单片机的串行通讯口送入四位7段LED显示器显示测量成果。在电路中加入键盘部分，能够通过键盘控制DAC0832的输出电压来调整电机转速快慢。
文中论述了组成该系统的原理、硬件的实现措施和软件的实现措施，还给出各部分的原理框图、电路图及转速测量的程序流程图。

核心词：转速监测系统 A/D转换器 霍尔传感器

Abstract
The design of measuring system of the rotational speed not only has a simple structure but also has a strong ability of resist the interference. It has an extensive application in measuring system of the rotational speed.
In this design of a rotate speed measure system, that use Hall sensor. In this design, it adopts the Hall sensor UGN314 change rotate speed information into voltage outputting, and send the result into the microcomputer for processing the data. It use four seven-segment LED show the result of measurement. Increase the keyboard circuit in the design, it can use the keyboard control the output voltage of DAC0832, it can control the rotate speed measure system.
In the design it narrate the theory of the measuring system of the rotational speed, how to use the hardware circuit and the software circuit achieve the design. In this design it also narrate some circuit and the flow of the circuit of the whole theory of the design of measuring system of the rotational speed
Key words: rotational speed monitor system, A/D converter
Hall sensor

目 录

摘要
Abstract
第一章 绪 论 1
第二章 总体方案设计 2
2.1方案论证 2
2.2 详细设计方案 4
第三章 硬件电路的设计 5
3.1传感器的选择 5
3.2霍尔式传感器的组成与基本特性 7
3.3集成霍尔传感器 8
3.4信号处理电路 12
3.5电机调速部分 16
3.6键盘、显示器部分 20
第四章 软件部分系统地实现 24
4.1总体设计思想 24
4.2软件的详细实现 25
结 论 26
致 谢 27
参考文献 28

第一章 绪 论
伴随科学技术的飞速发展，在工业的实时控制中，在各种机械设备中控制转速的应用逐渐增多。因为转速控制对系统的稳定性有着至关重要的影响,转速的检测与控制在工业控制中占有很大的比重。为了准确了解工作的情况并加以实时控制，对转速的检测与控制是十分必要的。
目前，虽然在市面上有某些转速测量仪，但它的体积相对庞大、结构复杂、价格比较昂贵，不适合用于对体积小的仪器的转速进行测量。本次设计的转速测量系统结构简单，价格低廉，体积小，抗干扰能力强，适合应用于各种测量转速的电路中。
在本次设计中，以89C51为核心，通过测量电机转速的周期来计算出它的频率，用4位数码管对电机转速进行显示。在转速测量系统中，重要分为电源部分、电机转速信号采集部分、信号处理、数模转换部分、键盘显示部分及软件处理部分。在本设计中加入数模转换部分，利用数模转换部分的输出电压控制直流电机转速的快慢，当检测成果显示直流电机转速低于（高于）正常值时，电路产生报警，熄灭发光二极管，电路还能够通过按键增加（减小）电机的转速。当转速在正常范围内时，每隔2秒，电路自行对检测成果进行刷新，以用来时时检测电路的准确性。
硬件检测部分选用的传感器是霍尔元件，它具备体积小、抗干扰能力强不受温度环境等影响的优点。在所检测的电机上安装一个四等分的码盘并安装磁性元件，通过单片机计数器对霍尔传感器检测时输出的方波进行检测。在控制部分加入复位按键和调速按键，通过调速按键对直流电机进行调速以检测不一样速度时显示部分的准确性。显示部分采取4个8位串行输入并行输出的74LS164作为驱动4个共阴极数码管。软件部分采取汇编语言编程。为了使测量成果愈加精准。当所测转速较高时采取测量频率的措施对转速进行测量，当测量频率较低时采取测量周期的措施对频率进行测量。
第二章 总体方案设计
2.1方案论证
方案一
采取测量周期的措施通过软件计算出被测物体的频率。测周法重要由计数脉冲形成电路、闸门时间Tx产生电路、计数显示电路三部分组成。其原理框图如2.1所示。
图2.1 测周法原理框图
从测周法原理框图能够看出，被测信号经放大整形后，形成控制闸门脉冲信号，其宽度等于被测信号的周期Tx。晶体振荡器的输出或经倍频后得到频率为fc的标准信号，其周期为Tc，加于主门输入端，在闸门时间Tx内，标准频率脉冲信号通过闸门形成计数脉冲，送至计数器计数，经译码器显示计数值N。由此可知，被测周期为
Tx=NTc (2-1)
周期是频率的倒数，依照测得被测物体的周期能够计算出每秒中的转速。在此方案设计中采取的传感器是霍尔元件，利用霍尔效应测量被测物体的转速。其工作原理是将永磁铁以1/4等分的方式固定在一个圆盘上，将圆盘固定在被测物体的转轴上，霍尔元件置于磁铁的边缘但不接触磁铁。当转轴转动时，霍尔元件输出的脉冲信号则包括有转速的信息，将霍尔元件输出的电压通过整形电路整形后再送由单片机进行数据处理，便可得到转速的数据，最后将测得转速用显示器显示出来。

方案二
采取电子计数法测量频率。利用某一信号在T时间内重复变化了N次，则依照频率的定义，可知该信号的频率为
fz=N/T
计数法测量频率原理的措施重要由时基T产生电路、计数脉冲形成电路、计数显示电路三部分组成。其原理框图如下：
图2.2测频法原理框图
在此方案中时基T产生电路的作用就是提供准确的计数时间T。它一般由高稳定的石英晶体震荡器、分频整形电路与门控（双稳）电路组成。计数形成电路重要作用是将被测的周期信号转换为可计数的窄脉冲。计数显示部分重要就是计数被测周期信号重复的次数，显示被测信号的频率。
电子计数器的测量实质就是以比较法为基础。它将被测信号频率fx和已知的时基信号频率fc相比，将相比的成果以数字的形式显示出来。
测周法和测频法通过计算后都能够算出被测物体的转速，但测周法测量低频电路比较准确，而测频率法重要应用在测量高频电路中。因为本次设计要求转速的测量范围是0-1000转/分，相称于单片机检测到的脉冲信号是0-4000转/分，即15毫秒1转。而因为单片机能够选用12MHz的晶振，每执行一个单周期指令只需1μS,对于检测ms级信号能够达成很精准的测量成果。依照体积、价格等原因，在本次设计中选用方案一就能够达成很精准的成果，故在本次设计中采取方案一。
2.2 详细设计方案
在此方案设计中采取霍尔元件，利用霍尔效应测量被测物体的转速。其工作原理是将永磁铁以1/4等分的方式固定在一个圆盘上，将圆盘固定在被测物体的转轴上，霍尔元件置于磁体的边缘但不接触磁体。当转轴转动时，霍尔元件输出的脉冲信号则包括有转速的信息，将霍尔元件输出的电压通过整形电路整形后再送由单片机进行数据处理，便可得到转速的数据，最后将测得转速用显示器显示出来。
在此方案中重要以AT89C51为核心元件，通过单片机T0口、T1口对传感器输出的方波信号进行定期和计数。用软件计算周期的倒数算出电机转速的频率。再由单片机的串行通讯口对4个8位串行输入并行输出的74LS164驱动4个共阴极数码管显示每秒电机的转速。
本方案采取的传感器是霍尔元件。霍尔传感器作为速度测量元件，它的结构简单，使用以便。该设计利用霍尔开关元件测量转速时，在待测旋转体的转轴上装上一个圆盘，在圆盘上装上若干对小磁钢。小磁钢越多辨别率越高。霍尔开关固定在小磁钢附近，当旋转体以角速度ω旋转时，每当一个小磁钢转过霍尔开关时，它便会输出一个脉冲，计算出单位时间的脉冲数即可确定旋转体的转速。增加磁钢数能够提升测量转速或转速的辨别率。系统总体原理框图如图2.1所示。

图2.1 系统的原理框图
第三章 硬件电路的设计
3.1传感器的选择
传感器是将非电量转换为与之有确定对应关系电量输出的器件或装置，它本质上是非电系统与电系统之间的转换器件。在非电量测量中，传感器是必不可少的转换元件。
利用半导体材料的各种物理效应，能够把被测物理量的变化转换为便于处理的电信号，从而制成各种半导体传感器。伴随材料科学的发展和固体物理效应的不停发觉，新型的半导体敏感元件不停出现，目前已经有热敏、光敏、磁敏、气敏、湿敏等多个类型。制造半导体敏感元件的材料有半导体陶瓷和单晶材料，这两种材料是各有所长、互为补充的。以半导体敏感元件为核心的半导体传感器，具备灵敏度高、响应速度快、结构简单、小型、轻量、价廉、寿命长、便于实现集成化和智能化等特点，在检测技术中正在得到日益广泛的应用。在测量转速时最常用的传感器有光电编码器和霍尔元件。
方案一
选用光电编码盘作为传感器，用来检测电机转速的快慢。光电编码盘是一个直接编码装置，它能够将角位移转换成数字信号与之对应的电脉冲进行输出。光电编码器重要用于数控机床中，对机械角度位置和旋转速度的检测与控制。光电编码器作为速度敏感元件，将速度大小转化为电脉冲频率的大小，具备低惯性、低噪声、高辨别率，高精度的优点。光电编码器按编码原理划分，可划分为增量式和绝对式两种。光电编码器可分为旋转式和直线式两种。而旋转编码器可做成封闭型，一般价格较高，能承受恶劣条件。
在以光电编码器组成的测速系统中，常用的测速措施有三种，即“M法”、“T法”和“M/T法”。
方案二
选用霍尔传感器作为测量码盘转速的传感器,能够利用霍尔元件输出的脉冲来进行计时,从而计算出码盘的转速。霍尔传感器是一个磁敏传感器，它由霍尔元件组成，霍尔元件是利用霍尔效应制成的磁敏元件。在半导体薄片两端面通以控制电流I，在垂直方向上施加磁感应强度为B的磁场，那么，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电势UH(称为霍尔电势或霍尔电压)，这种现象称为霍尔效应。霍尔效应的产生是因为运行电荷受磁场中洛伦慈力作用的成果。UH可用下式表示：
UH＝RHIB/d (3-1)
式中：RH为霍尔常数；I为控制电流；B为磁感应强度；d为霍尔元件的厚度。令KH＝RH／d，称为霍尔元件的灵敏度，则得：
UH＝KHIB (3-2)
由式3-2可知，霍尔电势的大小正比于控制电流I和磁感应强度B，一般采取RH大的N型半导体材料做霍尔元件，并且用溅射薄膜工艺使d做得很小。
霍尔传感器将霍尔元件、放大器、温度赔偿电路及稳压电源做在一个芯片上组成霍尔传感器。有些霍尔传感器的外形与PID封装的集成电路相同，故也称霍尔集成电路。霍尔传感器分线性型及开关型两种，线性型的输出电压与外加磁场强度呈线性关系，开关型的输出电压仅为高低变化的电平。因为本设计是利用单片机的T0口对外部脉冲的计数和定期的措施来实现单片机对于转速的测量，故在本方案中应用开关型霍尔传感器。
虽然光电编码器和霍尔元件作为传感器都能够实现对码盘转速的检测，但考虑到光电编码器上的二极管发射的红外线一旦受到外界的影响就也许无法通过码盘的反光面反射后被光敏三极管接收，就会对检测成果产生误差。而利用霍尔传感器能够实现非接触式转速测量系统，它的好处在于没有磨损和扭矩损失，不发热，并且在诸多情况下，采取永磁铁来产生磁场，毋需附加能源。另外，霍尔传感器在低速方面有其独到的优势。采取霍尔传感器与智能转速变送器或智能转速表相结合的测量系统，测量范围最低可测0.01转，精度可达0.1%。
鉴于以上霍尔传感器的诸多优点，在本次设计中，传感器选用霍尔元件作为转速检测的传感器。
码盘的制作
码盘是将一个圆形树脂板四等分，即以树脂板的圆心做空心轴，在树脂板的圆周每隔90度画一个圆点，在每个圆点处挖一个小坑，用来放置永磁铁，最后用万能胶把永磁铁粘在坑中，把此圆盘的空心轴固定在直流电机的转轴上。如图3.1所示

圆盘

小磁钢
图3.1 码盘示意图
3.2霍尔式传感器的组成与基本特性
利用霍尔效应实现磁电转换的传感器称为霍尔式传感器，它应有几个基本组成部分：霍尔元件、加于激励电极两端的激励电源、与霍尔电极输出端相连的测量电路、产生某种具备磁场特性的装置。
电路部分
传感器中的基本电路如图3.2所示。激励电流I由电源UE供应，能够是直流电源或交流电源，电位器RP调整激励电流I的大小。RL是霍尔元件输

图3.2 霍尔电压的基本测量电路
出端的负载电阻，它能够是显示仪表或放大电路的输入电阻。霍尔电势一般在毫伏数量级，在实际使用时必须加差分放大器。霍尔元件大体分为线性测量和开关状态两种使用方式，因此输出电路有如图3.3所示的两种结构。

图3.3 霍尔元件输出电路图
（a）线性应用； （b）开关应用
因为本次设计是采取单片机的T0口对外部脉冲计数和定期的措施来实现单片机对于转速的测量。霍尔元件的线性型的输出电压与外加磁场强度呈线性关系，开关型的输出电压仅为高低变化的电平。故在本方案中应用开关型霍尔传感器。
霍尔传感器的灵敏度和线性度等基本特性要取决于它的磁路系统和霍尔元件的特性，即磁场梯度的大小和均匀性、霍尔元件的材料、几何尺寸、电极的位置与宽度等。另外，由3-2式可知，提升磁场的磁感应强度B和增大激励电流I，也可取得较大的霍尔电势。但I的增大受到元件发热的限制。由霍尔式传感器的可动部分只有霍尔元件，而霍尔元件具备小型、坚固、结构简单、无触点、电磁转换惯性小等特点，因此霍尔传感器动态性能好，只有在105 Hz以上的高频时，才需要考虑频率对输出的影响。
3.3集成霍尔传感器
集成霍尔传感器是利用硅集成电路工艺将霍尔元件和测量线路集成在一起的新型霍尔传感器。它具备可靠性高、体积小、重量轻、功耗低等优点，正越来越受到人们重视。按照输出信号的形式，能够分为线性集成霍尔传感器和开关型霍尔传感器两种类型。
1．线性集成霍尔传感器
线性集成霍尔传感器是把霍尔元件和放大线路集成在一起的另一个新型霍尔传感器。其输出信号与外加磁感的应强度成线性关系。它有单端输出和双端输出（差动输出）两种电路。其经典电路如图3.4所示。
图3.4 线性集成霍尔传感器经典电路
图中V1、V2及R1～R5组成第一级差分放大，V3～V6、R6、R7组成第二级差分放大。第二级差分放大采取达林顿对管，射极电阻R8外接，适当选用R8的阻值，能够调整该级的工作点，从而变化电路增益。在电源电压为9V，R8取2kΩ时，全电路的增益可达1000倍左右，与分立元件传感器相比，灵敏度大为提升。
2． 开关型集成霍尔传感器
开关型集成霍尔传感器是把霍尔元件的输出通过处理后输出一个高电平或低电平的数字信号。其经典电路如图3.5所示。其中H为霍尔元件，V1、V2及对应电阻组成差分放大器，将霍尔电压放大几十倍，并消除温度漂移影响，增强抗干扰能力。V3、V4组成施密特触发器（射极耦合双稳态触发电路），将差分放大输出整形为矩形脉冲，并利用整形中的回差深入提升抗干扰能力。V5将整形后的脉冲倒相放大后加

图3.5 霍尔开关集成电路原理线路图
至射极跟随器V6，V6将输出级和放大管V5隔离，以免带负载时影响霍尔集成电路性能，V8、V7组成双管集电极输出，同时输出两个功效相同、电平一致的信号，增加了使用上的以便。
开关型集成霍尔传感器的输出电平与磁场感应强度之间的关系如图3.6所示。由图可见，开关型集成霍尔传感器的转移特性具备迟滞现象，这是因为V3、V4共有射极电阻的正反馈作用是它们的饱和电流不相等引起的，其回差宽度ΔB=BH-BL。 ΔB越大，抗干扰能力越强。

图3.6 输出电平Uo与B的关系
因为霍尔开关为集电极开路输出，因此正常工作必须在引脚“3”与“4”之间或“2”与“4”之间接上负载电阻，两个集电极输出端也能够并联使用，此时输出电流能力增加1倍。霍尔开关正常工作时，常态应处“截止状态”，而不宜处“导通状态”，这么能够延长使用寿命。为预防电源线干扰，引脚“1”、“4”间可加接一个0.005μF～0.01μF的吸取电容。
信号采集电路
在信号采集部分选用霍尔元件UNG3144作为采集电路的传感器，UGN3144是工作于高温环境下的敏感型霍尔效应开关元件，其内部结构如图3.7所示

图 3.7 UGN3144引脚图及内部电路图
UGN3144具备如下特点：
1. 于汽车或工业的优良器件
2. 需加4.5V～24V的稳压电源
3. OC门输出电压合用数字电路
4. 配合小型永磁体使用
5. 体积小、干扰能力强
在本设计中所使用的UGN3144霍尔开关元件内置有OC门，因此要在元件输出端和电源接入端之间加上一个5kΩ的上拉电阻。其详细电路如图3.8所示。

图3.8 传感器信号采集电路
霍尔元件的输出端把电机的转速信号转换为脉冲信号，要检测电机的转速只需要检测出外部脉冲的转速即可。在转速测量中选用89C51的T0口对传感器检测并整形的外部脉冲进行计时。因为在码盘上安装的是4个磁铁，因此要检测到四个外部脉冲的时间才是电机实际上一周的转速。把T0设置成跳沿触发方式,当第一个外部脉冲来暂时单片机T0开始计脉冲的同时,T1开始计时,当对外部脉冲计满4个单片机产生中断时，停止对T1计时,完成对传感器测量电机一个周期的计时工作。
3.4信号处理电路
555定期器的结构与功效
555定期器是一个多用途的数字-模拟混合集成电路，利用它能以便地组成施密特触发器、单稳态触发器和多谐振荡器。图3.11所示为国产双极型定期器CB555的电路结构图。它由比较器C1和C2、基本RS触发器和集电极开路的放电三极管TD三部分组成。VI1是比较器C1的输入端（也称阀值端，用TH标注），VI2是比较器C2的输入端（也称触发端，用标注）。C1和C2的参考电压（电压比较的基准）VR1和VR2由VCC三个5KΩ电阻分压给出。在控制电压输入端VCO悬空时，VR1=，VR2= 。假如VCO外接固定电压，则VR1=VCO，VR2=VCO。
D是置零输入端。只要在D端加上低电平，输出端Vo便立即被置成低电平，不受外界其他输入端状态的影响。正常工作时必须使D处在高电平。图中数码1—8为器件引脚的编号。
由图可知，当VI1> VR1、VI2> VR2时，比较器C1的输出VC1=0、比较器C2的输出VC2=1，基本RS触发器被置0，TD倒通，同时VO为低电平。
当VI1< VR1、VI2> VR2时，VC1=1、VC2=1，触发器的状态保持不变，因而TD和输出的状态也维持不变。
当VI1< VR1、VI2< VR2时，VC1=1、VC2=0，触发器被置1，Vo=0为高电平，同时TD截止。
当VI1> VR1、VI2< VR2时，VC1=0、VC2=0，触发器处在Q==1的状态，Vo=处在高电平，同时TD截止。
在本设计中虽然传感器可直接输出脉冲波形，但霍尔传感器输出脉冲的高电平时间会随被测物体转速的增加而逐渐变小，为了取得愈加稳定可靠的脉冲信号，在信号处理电路中加入微分电路和单稳态延时触发电路。详细电路如图3.9所示。

图3.9 信号处理电路
在信号处理电路中（a）部分是由电容和电阻组成的微分电路。在图中电容C与电阻R组成一个串联电路。
当输入电压为方波，且RC<<T/2（T为方波的周期），则输出为尖顶波，如图3.10所示。

图 3.10 微分电路输入输出波形
单稳态延时触发电路
单稳态重要选用555定期器来实现把不一样宽度的方波转化成相同宽度的脉冲，送给单片机进行周期测量，详细实现如图3.9b所示。
当电路在未受触发的预备状态即稳态时，DIS及F端（7脚及3脚）同时为地电平或低电平状态，同时电容C通过DIS接地。复位端虽然只要加上0.4—1V以上电压即可，但为预防干扰的影响，还是应连接到电源VCC才能确保可靠工作。C2接在地和5脚之间，它的作用是预防干扰，以免变化预先设定的单稳定期间隔（脉宽）。C1和R1微分电路将触发脉冲变成脉宽约1μs的窄脉冲去触发第2脚（下跳沿起作用），这么能够防止上跳沿形成的误触发。
当端由输入脉冲下跳沿触发且脉冲电压低于VCC的三分之一时，内部触发比较器翻转就使内部触发器（FF）置位，于是进入准稳态——输出F为高电平，放电端DIS内部开路，从而解除了电容C的箝位。电源电压开始通过定期R向C充电，充电时间常数为RC。直至C上电压VRC上升达VCC的三分之二时，阀值比较器翻转使内部FF复位，这时准稳态结束又回到稳态，DIS端内部管子导通，使C迅速放电到地电位，输出F端回到低电平。电路一旦受触发后，在准稳态期间再次出现触发脉冲就不再起任何作用，不过复位端若下降为低电平（0.4V如下），则能够使准稳态提前结束。
单稳延时即准稳态时间t是C上电压从零充电至VCC的三分之二，即满足下式
△V=VCC= VCC（1-e-t/RC）
由此可得延时或定期时间为
T=-RCln(1/3)≈1.1RC
被测电路的最大转速是1000转/分，而码盘上安装4个永磁铁，因此检测到的最小周期是15ms，当电阻R51选为70k时，电容选用0.1μ，电阻选为200Ω时，电路中的单稳时间可达成2ms。
AT89C51的概述
AT89C51是一个低功率、低电压、高性能的8位单片机，片内带有一个4K字节的Flash可编程可擦除EPROM，它是一个功效很强、灵活性高且价格合理的单片机，可以便地应用在各种控制领域。
在本次设计中重要应用的是AT89C51的特殊功效口P3口：
RXD（P3.0）：串行输入口
TXD（P3.1）：串行输出口
INT0非(P3.2):外部中断0
INT1非(P3.3):外部中断1
T0 （P3.4）：定期器0外部输入端
T1 （P3.5）：定期器1外部输入端
单片机的复位电路
复位是单片机的初始化操作，只要给单片机的RESET引脚加上2个机器周期以上的高电平信号，就能够使MCS-51单片机复位。除了进入系统的正常初始化之外，当因为程序运行犯错或操作错误使系统处在死锁状态时，为了挣脱这种状态，也能够按复位按键使系统重新开启。详细按键电平复位电路如图3.11所示。

3.11 单片机复位电路
当系统刚上电时，因为电容两端电压不能跃变，因此复位端得到高电平，使系统复位。伴随电容充电完成，RST端回到低电平，单片机系统正常工作。当系统进入死锁状态时，按手动按键，电容C瞬间对电阻进行放电后又回到充电状态，RST端重新回到高电平，完成系统复位工作。
单片机时钟电路
MCS-51单片机内部有一个用于组成振荡器的高增益反相放大器，该高增益反相放大器的输入端为为芯片的引脚XTAL1，输出端为引脚XTAL2。这两个引脚跨接石英晶体振荡器和微调电容，就组成一个稳定的自激震荡器，图3.12为本设计所选用的单片机内部时钟方式的震荡电路。

3.12 MCS-51 内部时钟方式的电路
3.5电机调速部分
为了测试本设计还能够检测不一样转速的被测物体,在电路中加入数模转换部分,利用单片机传入不一样的数据,控制数模转换器的输出电压的大小来控制直流电机转速的快慢。当有按键按下时，键盘产生外部中断0，在外部中断0的中断程序中判断所按下的按键的命令是增加（减小）电机的转速，单片机送入数模转换器对应的数据控制DAC0832经运放后输出的电压来控制电机两端的输入电压来达成控制直流电机的转速。当判断所按下的是减速按键时，减小单片机送入数模转换器的数据，来减小数模转换器的输出电压，当判断所按下的是加速按键时，增大单片机送入数模转换器的数据，来增大数模转换器的输出电压。在此部分中选用的元件是DAC0832，其详细控制转速电路图如图3.13所示。本设计中采取直流电机最大工作电压为6V，最大工作电流为0.5安培，转速范围0-1200转/分。电路中选用的三极管是2N3450驱动直流电机，它的工作极限电流是0.8A，最大工作电压为120V。

图3.13 控制电机转速电路
DAC0832概述
DAC0832是最常用的8位数模转换器。其内部结构设计为双存储器选通。数字量先输入到数据存储器， 再选通进入DAC存储器后，开始进行数模（D／A）转换。在一个输字量转换过程中，后继转换数据能够进入数据存储器等候。其内部逻辑结构，如图3.14所示。

图3.14 DAC0832内部结构
引脚阐明：
输入锁存使能ILE：高电平允许数据输入。低电平严禁数据输入。
输入信号－CS、－WR1：在ILE＝1的前提下，－CS＝－WR1＝0，转换数据选通进入数据存储器。
输入信号－WR2、－XFER：当－WR2＝－XFER＝0，数据选通进入DAC存储器开始进行数模转换。
D7～D0：8位数字量输入端。
Io1和Io2：DAC转换电流输出端。实际使用时，在两个电流输出端串接运算放大器，把输出的模拟电流转换成模拟电压输出。
Rb：反馈电阻连接端。实际使用措施参考应用电路。
VREF：外接直流参考电源输入。直流电源VREF在－10V～＋10V范围选择。
Vcc：外接直流工作电源，在＋5V～＋15V范围选择。
AGND：模拟接地端。
DGND：数字接地端。两种接地端应当分别处理。
DAC0832基准源的选择
在应用DAC0832作为模数转换器时需要用到电压基准源。在稳压电路中，基准电压是整个稳压系统工作的参考基准电压源，因为应用的是DAC的单极性电压输出，因此输出的电压VOUT对输入数字量的关系是
VOUT=B*VREF/256 (3-5)
式中，B=b7*27+b6*26+···+b1*21+b0*20；VREF/256为一常数。
方案一
选用稳压管作为基准电压源。稳压管的使用措施就是将稳压管与一电阻串联接到直流电源上，从稳压管的两端引出电压，这个电压相对稳定。这么就组成了最简单的稳压电路。
方案二
选用TL431作为基准电压源。TL431的输出电压可调，其内部包括基准电源、比较放大、调整管等组成的稳压系统及温度赔偿系统电路的集成并联稳压器。TL431共有三条引线：和二极管类似的正极（A端）和负极（C端），尚有一个基准电压R端，此端电压为2.5V。TL431采取S-1（TO-92）塑封或八脚双列直插封装。TL431的基本应用电路如图3.15所示。

图3.15 TL431基本应用电路
因R端输入电流级小，约为2uA，因此
U0=UREF（1+R1/R2）=2.5（1+R1/R2） (3-6)
调整R1和R2的阻值，即可调整输出的稳定电压。若想得到基准电压7.5V，即选用R1/R2=2倍的电阻值就能够。
因为稳压二极管对于温度等原因具备一系列的影响，因此方案一的电路只适合应用于功率不大、要求不高的场所，直接用作为稳压电源。而TL431是精密基准电压源，考虑到系统的稳定性，选用方案二的电路为基准电压源电路。
直流电机的调速原理
在小型电机的应用中，直流电机是最常用的。老式的直流电机都是采取模拟控制，其电路结构复杂、控制灵活性差。在本次设计中采取单片机控制D/A转换器通过控制数据来调整D/A转换器的输出电压用以控制电机两端的电压,以调整电机的转速。
直流电动机稳态体现式

式中:n—转速（r/min）
U—电枢电压（V）
I—电枢电流（A）
R—电枢回路总电阻（Ω）
Φ—励磁磁通（Wb）
—电动势常数。
由此可知，调整电动机转速有三种措施：
（1） 调整电枢供电电压；
（2） 变化励磁磁通；
（3）变化电枢回路电阻。
在这三种措施中各有其优缺陷，以调整电枢供电电压的方式为最佳，措施(2)减弱磁通虽然能够调整转速,但调速性能差,且只能将转速向高速调整.措施(3)变化电枢回路的调整电阻,其调整范围有限,并且消耗在电阻上的功耗会随阻值R的增大而增多,采取措施(1)不但能够对电机进行调速,并且还具备如下优点:
(1) 调速平滑,可实现无级调速
(2) 转速△n不变,稳定性好,可调至较低速度,调速范围广
(3) 通过调整端电压来调速,无须附加设备
(4) 能量损耗小
因此，在本设计的转速测量中,若想对他励式直流电动机进行调速,应采取变化电枢端电压的措施。其中，保持励磁电流不变。
本设计中采取直流电机最大工作电压为6V，最大工作电流为0.5安培，转速范围0-1200转/分。
3.6键盘、显示器部分
键盘部分
为了调整直流电机的转速以测试不一样转速时测量的精准程度，在本次设计中加入键盘部分通过软件判断键盘号来确定用D/A转换器来增加（减少）直流电机两端电压用以控制直流电机的转速。因为时时检测被测物体的转速，单片机的工作比较繁忙，键盘部分选用按键产生外部中断0的方式，通过读取键号来判断详细电路的操作。键盘部分原理图如3.16所示。

图3.16键盘部分
LED显示器的结构
LED显示器是单片机应用系统中常用的输出器件。它是由若干个发光二极管组成的，当发光二极管导通时，对应的一个点或一个笔画发亮。控制不一样组合的二极管导通，就能显示出各种字符。常用的LED显示器有7段和“米”字段之分。这种显示器有共阳极和共阴极两种。如图3-3所示。共阴极LED显示器的发光二极管的阴极连接在一起，一般此公共阴极接地。某个发光二极管的阳极为高电平时，发光二极管点亮，对应的段被显示。同样，共阳极LED显示器的发光二极管的阳极连接在一起，一般此公共阳极接正电压，当某个发光二极管的阴极接低电平时，发光二极管被点亮，对应的段被显示。
7段LED显示器的外形如图3.17所示，显示器中有dp显示段，用于显示小数点。
本设计中只显示数字符号，因此采取7段LED显示器。

图3.17 7段LED显示器共阴极接法、共阳极接法及外形图
显示器工作原理
点亮显示器有静态显示和动态显示两种措施。所谓静态显示，就是当显示器显示某一个字符时，对应的发光二极管恒定的导通或截止，例如7段显示器a、b、c、d、e、f导通，g截止，显示0。这种显示方式每一位都需要有一个8位输出口控制。静态显示时，较小的电流能得到较高的亮度且字符不闪烁。在单片机串行口方式0应用中，也是采取静态显示措施。当显示器位数较少时，采取静态显示的措施是适合的。当位数较多时，用静态显示所需的I/O太多，一般采取动态显示措施。
所谓动态显示就是一位一位的轮番点亮显示器各个位（扫描），对于显示器的每一位来说，每隔一段时间点亮一次。利用人的视觉暂留功效能够看到整个显示，但必须确保扫描速度足够快，字符才不闪烁。显示器的亮度既与导通电流有关，也与点亮时间和间隔时间的百分比有关。调整电流和时间参数，可实现亮度较高较稳定的显示。若显示器的位数小于8位，则控制显示器公共极电位只需一个I/O口（称为扫描口）。在本设计中所采取的是静态显示。
显示电路
本设计显示电路由单片机和显示器组成。把单片机内部换算后的成果通过单片机的RXD口接在驱动显示的在4位74LS164上。在设计中采取了四位数字显示器的静态显示法显示测量成果，如图3.18所示。在显示时利用的是单片机串行通讯方式0的状态发送数据，此时串行数据由P3.0发（RXD）送出，移位时钟由TXD端(P3.1)输出。在移位时钟的作用下，串行口发送缓冲器的数据一位一位地送入74LS164中。

图 3.18 显示部分接口电路图

第四章 软件部分系统地实现
4.1总体设计思想
软件部分的是通过单片机编程来实现，让单片机对传感器检测到的输入脉冲信号的数据进行处理，将所得出的成果送入显示器显示出来。使用单片机编程对测量系统进行控制，使系统具备自动化程度高、能自动显示测量成果、测量准确等优点。
本系统设计中被测的信号频率较低,而选用单片机的晶振为12MHZ，对于ms级能够精准的检测出来，因此采取测量周期的措施就能够达成精准的成果。依照测周法设计单片机程序流程图，主程序框图及计数中断框图如图4.1。

计数器T0

图4.1主程序框图及计数中断框图
4.2软件的详细实现
当系统刚上电时，先进行单片机初始化程序，对单片机的中断、显示进行初始化设置，然后开始对检测的外部脉冲信号进行计时。因为在码盘上安装的是4个磁铁，因此要检测到四个外部脉冲的时间才是电机实际上转一个周期的转速。把计数器T0设置成跳沿触发方式,当第一个外部脉冲来暂时单片机计数器T0开始计数的同时定期器T1开始计时,当对外部脉冲计满4个时，单片机T0开始产生计数中断，在计数器T0的计数中断中停止定期器T1的计时。读取定期器中的时间参数，调用计算程序，依照周期和频率互为倒数的关系，用软件计算出被测电机每秒中的转速，调用2秒中的延时后，重新跳转到主程序的初始化程序，进行新一次的转速检测。在本次设计的显示部分是采取74LS164对数码管的静态工作方式进行驱动，这么的好处是不需要用单片机对显示部分进行循环扫描，减少对单片机CPU的占用。为了减