圖4.1單片機的最小系統。就能成為一個最簡單的把單片機作為基礎的控制中心。時鐘電路時鐘電路復位電路STC89C51圖4.SEQ圖\*ARABIC\s13單片機最小系統時鐘電路本次課程設計的時鐘電路我選擇了11.0592MHz晶振。只要將我們的晶振和兩個5pf-30pf的小電容接在1819兩個引腳上，就簡單的搭建了一個自激振蕩器。它會向我們的單片機內部不斷傳輸脈沖信號。小電容的存在是為了幫助晶振能夠將他的頻率變得穩定。整個時鐘電路如REF_Ref71712437\h圖4.4時鐘電路。圖4.SEQ圖\*ARABIC\s14時鐘電路2.復位電路單片機有一個引腳RST，只要他能夠為單片機帶入兩個機器周期的高電平，那么我們的單片機就會開始因為這個高電平運行復位命令。本次智能化轉速測量儀設計使用的復位電路使用的是按鈕點動式，具體電路如REF_Ref71712555\h圖4.5復位電路。當我們按下開關的時候RST引腳就會和我們的VCC連通了，然后就實現了按鍵復位的功能。圖4.SEQ圖\*ARABIC\s15復位電路傳感器介紹3144霍爾傳感器的測量原理如果我們希望得到電動機轉速，那么我們需要將主電動機這個轉速變換成為一種信號，能夠讓單片機獲取到并能夠很好的處理。通過磁片將轉速這個模糊的量變成能夠讓霍爾元器件檢測到的變化的磁場。霍爾元器件則將這個變化的磁場很好的轉換成單片機能準確計數的脈沖信號。最后由單片機處理這個信號，并對脈沖進行計數，計算，就能準確的對轉速進行測量了。REF_Ref71833992\r\h[7]整個的基本原理如REF_Ref71712617\h圖4.6霍爾傳感器的測量原理。圖4.SEQ圖\*ARABIC\s16霍爾傳感器的測量原理轉速的測量方法現在對轉速測量的方案不可勝數，但是根據我們的課程設計，智能化轉速測量儀是接受到傳感器的脈沖信號來進行計算數量，那么我們可以選用的方案有測頻方法和測周期方法還有頻率周期方法，我們的系統選用了測頻方法。因為我們的系統是在規定的時間內檢測我們的電動機旋轉讓我們的霍爾傳感器發出了多少次脈沖信號，這個脈沖信號產生的頻率是規律的，電動機的轉速和霍爾元器件產生脈沖的頻率是成正比的，電動機的轉速越高，產生脈沖的頻率就越高。脈沖信號和電動機的轉速有這樣一些關系：n=n是我們電動機在檢測周期的轉速；p是我們電動機每轉一圈產生的脈沖的數量，智能化轉速測量儀的每轉一次將發生兩次脈沖；T是我們的輸出的方形的波動信號周期。根據我們的公式就能夠推算得到小電動機實時的轉速。霍爾原理的元器件是用硅等半導體元素制成的材料制作成的一種輕薄的小片，通過垂直在水平面位置上添加額外的電磁場B，并在磁場平面的兩邊添加電磁場，那么電子在我們施加的磁場B中發生運動，就會產生霍爾效應，發生電動勢的改變，相對單片機就是一個脈沖的信號。這個電動勢和磁場的強弱息息相關。基于霍爾效應的開關的霍爾傳感器，沒有接觸點、體積很小，性能也很強，穩定性很強的特點，所以在丈量速度、轉速等不方便直接接觸的測量領域就能得到很好的利用。顯示模塊部分我們智能化轉速測量儀選用的屏幕是共陽極數碼管，這個元器件是由好多好多的發光二極管組合而成的，它把所有的二極管的陽極連到一起去，形成一個公共的陽極，所以叫做共陽極數碼管。，如果要讓特定的二極管點亮，只要求對應的二極管的陰極接入到低電平，根據這個原理，就能顯示不同的數字在數碼管上。了解了這個原理就可以利用驅動電路，來幫助數碼管通過控制二極管的點亮和熄滅來顯示我們期望的字符。為了驅動數碼管顯示字符，有兩種方案一種是靜態形式的還有一種是動態形式的。REF_Ref71834989\r\h[8]靜態形式的顯示驅動電路是由單片機的I/O口進行直接的控制。聽起來雖然不用其他的控件，降低了很多的成本，但是如果控制多個數碼管，就需要倍數個單片機的I/O進行控制顯示，比如控制2個數碼管，就需要16個接口。而且現實生活中使用這個方案，還需要增加更多的顯示器的驅動器和驅動指令對數碼管進行控制，不符合現實。還有一個方案是選擇動態的方式來驅動數碼管。這種方法驅動電路是將每個數碼管七個顯示數字的二極管加上一個顯示小數點的二極管拆成一個八位二進制數的一位，通過動態顯示驅動，輪流控制顯示輸出數字在的數碼管的位置，而輪流顯示每次都是點亮1-2ms，通過人類的眼睛的視覺殘留現象，并且每次數碼管的顯示掃描的夠快，就能實現顯示一長串完整的數字的效果。這種設計得成本很低，占用的I/O口也較少。所以本次智能化轉速測量儀采用動態的形式運行這個數碼管。圖4.SEQ圖\*ARABIC\s17顯示模塊部分硬件電路設計的總圖我在原理圖原有的規劃之上，對各個小小的模塊進行實用性的設計，硬件的電路圖如REF_Ref71715328\h附錄二所示。

軟件設計軟件的設計步驟設計軟件的第一步，我們要去分析這個問題的細節，了解這個問題的根本的所在，對問題建立一個大膽模型，對問題進行簡單的描述。第二個步驟是，對我們需要的解決問題相關的解決方案要有一個具體的算法，而且這個算法要符合之前提出的問題的特點。第三步是根據我們決定好的算法，確定好我們當前的整個課程設計所需要的各種硬件的需求，以及對各種存儲器的使用情況。并為這個智能化的轉速測量儀繪制整個程序工作的流程圖。下一步就是根據我們設計好了的流程圖，對智能化的轉速測量儀進行制作程序。最后就是對我們寫好的程式進行編譯，然后通過特殊定制的單片機燒錄軟件，固化進入單片機的存儲器開始測試，以及不斷地優化程序，修復這個程式的bug。主程序的設計流程圖我們設計的智能化轉速儀的工作流程是這樣子的：通過電動機的旋轉帶動小磁片旋轉，而我們的小電動機每旋轉一圈就會產生一定的脈沖次數，然后經過霍爾的電路的進行整理并向單片機傳輸這個信號。當我們的單片從接口獲取這個脈沖，運行對這個信號背后的數據開始進行分析計算的程式。當我們的單片機在在計算完成這些脈沖的數據之后，就會得到一個實時的轉速，最后我們的單片機通過我們的顯示驅動模塊就能夠將這些字符顯示在我們的共陽極數碼管上，并通過藍牙串口傳輸到上位機。我們的系統使用的是51單片機里面的中斷系統以及對我們的霍爾元器件產生脈沖進行統計脈沖的數量。我們的定時器每次計算時間到1秒鐘的時候，就會讀取一次里面存儲的數據，這個數據就是霍爾元器件的產生信號的頻率。根據公式咱們的程序會計算出來測試用小電機轉速。用來運算轉動速度的公式是：為了更準確的反饋轉速，我們選擇當轉速超過1,000的時候，每50次計算得到的轉速的平均值當作當前轉速。當轉速低于1,000是就直接使用通過脈沖計算的轉速。接下來我們簡單的介紹一下計算公式里面的具體由什么構成。兩次信號傳入的中途有一個中斷信號，每達到一次，系統就會在計數器里面加上1。在每次讀取中斷的時候還會因為和運行產生時間延遲，所以我們在計算的時候要在末尾加上:,是兩次信號傳入的時間差，最終我們呢的到的除數就是：共陽極數碼管顯示數據也需要我們的程序來驅動，但是共陽極的數碼管顯示數據的驅動是有對應的16進制的編碼。我們獲取到轉速之后，通過整除或者取余數的操作，將每個數據的任意一個位數的數據都精確的放置到對應的數碼管的位置里。工作流程如下REF_Ref71714463\h圖5.1。圖5.SEQ圖\*ARABIC\s11藍牙傳輸工作流程藍牙傳輸程序我們系統在運行時為了整體性能，全局采用了整數變量來存儲數據和運算，并且我們選擇的藍牙模塊在使用的時候只需要按照串口的輸出數據的程序來使用就可以很方便的將程序傳輸到我們的上位機器中去。在鏈接上上位的機器之后，大致的流程圖如REF_Ref71714574\h圖10藍牙傳輸工作流程。圖5.SEQ圖\*ARABIC\s12顯示模塊工作流程

軟件的調試Proteus及Keil軟件簡介KeliC51是美國的keilSoftwar公司為了給51系列芯片的單片機制作的高級計算機語言的編寫工具。REF_Ref71835521\r\h[9]他的功能很強大其中包含的Uvision將51系列單片機的C語言開發平臺和環境全部都包含了進來。很多相關的愛好者，職業的開發者，極客等直接利用這個集成的大平臺，就能夠很簡單的完成單片機的C語言程序編寫、修改、編譯等操作。Proteus是英國的LabCenterElectronics公司出版的EDA軟件，能夠比較優秀的對單片機和他的外圍的相關設備進行仿真，是一個很強悍的軟件，他也是市面上我們能見到的獨一無二的超級強悍的將PCB設計、電路模擬真實運行、虛擬模擬仿真三個功能合成一個平臺的軟件。REF_Ref71835663\r\h[10]只需要鼠標輕輕點擊，就可以將我們的模型在虛擬的平臺運行起來，測試程序的完成度。應用Keil軟件進行程序調試我們在keil平臺上面編寫完成我們的智能化轉速測量儀的程序之后，要分別測試我們程序的各個小小的模塊工作是否正常，最后測試主程序是否正常使用。Protues進行單片機的仿真運行在Protues的軟件中，繪制好自己需要的電路的圖，并將調試好的編譯好的后綴為HEX的程序放置到對應的位置，表可以進行調試了。圖6.SEQ圖\*ARABIC\s11Protues進行單片機的仿真運行仿真的一般步驟第一步一般是在protues軟件中，將期待仿真的相關元器件加載到庫中，并在操作區域將各個元器件連接起來，并對電路做一個初步的檢測，確保沒有電路問題。第二步將我們需要的程序在Keil平臺上編寫，并做編譯，生成可以燒錄到單片機的HEX文件。下一步是將我們編寫好的程序文件加載到我們虛擬出來的單片機中，查看單片機是不是能在我們的環境中正常的運行，能不能正常執行我們需要得功能。仿真實例圖6.SEQ圖\*ARABIC\s12設置編譯參數首先在keil平臺設置我們需要的單片機的型號、晶振等各個參數。圖6.SEQ圖\*ARABIC\s13設置hex文件接下來設置我們hex文件的名字和導出的位置圖6.SEQ圖\*ARABIC\s14編譯程序接下來通過自帶的編譯功能生成我們需要的hex文件，確認沒有出現error就確認程序沒有出現問題。圖6.SEQ圖\*ARABIC\s15仿真運行最后來我們將hex的程序加入到Protues仿真的單片機里面去，點擊小三角形開始仿真。由于仿真不方便使用霍爾效應的相關元器件，就使用了小電機代替霍爾元件產生脈沖，并且由一個滑動變阻器來調節轉速的高低。

硬件電路的制作與測試制作硬件電路根據之前的原理圖先將較小的元器件擺放在萬用電路板上，并且用電烙鐵和錫絲將他們固定上去，在擺放并錫焊完成較大的元器件之后，用同樣的方法解決較小的，遵循由大到小的原則，最后查驗有沒有元器件被遺漏，忘記連接到萬用電路板上。檢查完成之后，將電路板上的元器件根據電路圖用導線連接起來。圖7.SEQ圖\*ARABIC\s11制作實物燒錄單片機程序首先我們用之前準備好的開發板把ST89C51放在開發板的基座上如REF_Ref71715155\h圖17，用usb公對公專用數據傳遞線，將開發板和微型個人電腦連接，查驗電腦的設備管理器里面串口是否連接。圖7.SEQ圖\*ARABIC\s12開發板接著使用STC-ISP工具，選擇單片機的對應型號、選擇最高波特率為我們的晶振頻率，然后是選擇程序的文件，也就是我們之前編譯完成的hex文件，最后按下下載、編程按鈕，并將開發板的電源關閉并開啟一次，屏幕顯示開始下載之后就不要動單片機了，直到下載完成如REF_Ref71715222\h圖18燒錄程序到單片機，就能取下并將單片機裝載在萬用電路板的單片機的基座上，測試功能是否正常運行了。圖7.SEQ圖\*ARABIC\s13燒錄程序到單片機硬件電路的測試將電路的dc線一頭接入USB另一頭接入單片機的電源模塊，按下總電源的開關，共陽極數碼管開始顯示數字如REF_Ref71715251\h圖7.4硬件電路測試所示。圖7.SEQ圖\*ARABIC\s14硬件電路測試按下電動機的電源，電動機開始旋轉，旋轉的時候霍爾傳感器產生脈沖的瞬間的二極管被點亮，隨后熄滅，同時頂上的數碼管會顯示實時轉速，藍牙模塊會不斷的向上位機傳輸數據，但是因為藍牙傳輸和單片機內部程序處理原因，會有一點延遲。圖7.SEQ圖\*ARABIC\s15硬件功能測試

總結本篇論文設想并實現了一項利用單片機來實現智能化轉速測量儀的方案，這個方案很好的處理了轉速測量儀和上位機之間的通信問題，節約了設計專門用來傳輸數據的其他設備的成本，同時在現有的轉速測量儀器的基礎上我還提高了轉速測量的精度，還能夠實時顯示當前的轉速在屏幕上，十分方便。這臺小小的轉速儀器，不僅僅適合應用在日常生活中的家用電器的上面，還能夠在其他需要特別測量轉速的地方大顯身手。本次關于智能化轉速測量儀的設計還讓我學習了很多關于霍爾效應的元器件的相關知識，關于單片機的程序設計的相關知識，單片機的硬件的相關知識，共陽極數碼管的相關知識，這些知識讓我大有脾益。在翻閱了部分關于單片機的設計、程序的編寫等材料之后，最終完成了任務書上的智能化轉速測量儀的設計，它的功能符合任務書上的需求，同樣也達成設計的基礎的條件。這個小小的轉速測量儀有這些功能和特色：1.我們精心挑選了市面上常見的51系列的單片機作為整個測量儀的中央最核心的元件，整套智能化轉速測量儀的構造簡潔，搭配合理，功耗低，開支少，性能強。2.我們選取基于霍爾效應的傳感器當作我們把轉速這個無法直觀了解的物理量轉換為單片機有能力準確識別的脈沖。霍爾器件能夠高速響應，所以這個超強的小元器件為我們的測速儀帶來了較大的測量轉速的范圍，而且使用他能夠完美運用單片機的機內資源，為我們的整個轉速儀的設計節約了大量的成本，最重要的是，這個小小的轉速測量儀的誤差低。3.我們針對轉速輸出設計了兩種方法，一種是通過共陽極數碼管將轉速很直觀的輸出到我們的眼前，還有一種是通過藍牙串口將轉速發送到上位機上，豐富的功能讓這個小小的智能化轉速測量儀有了更通用的使用場景，從工廠的智能控制的儀器到家用小玩具的轉速控制，這個小小的轉速測量儀都能夠勝任。當然這塊小小的單片機還存在著許多不足之處：1.藍牙的性能不足，延遲相對較高2.沒有設計對應的軟件和數據庫來存儲對應的轉速由藍牙以及特定的程序將轉速實時弄到安裝了特定的app的兼容我們程序的設備的值，導致無法存儲轉速3.電路還是不夠精簡，還能繼續簡化電路優化設計霍爾元件的還是容易被其他會產生磁場的器件所干擾，需加上防干擾裝置通過這次設計制作智能化轉速測量儀的任務，我收獲良多，也讓我積累到了無法從課本中學到的實踐知識與經驗，讓我的動手和行動力得到了很大程度的拓展，也對專業的課程進行更深層次的理解。參考文獻宋沈陽．基于SmallRTOS51的油耗-轉速智能測量系統的設計與