皖 西 学 院
本科毕业论文（设计）
论 文 题 目
姓名（学号）
院 别 基于单片机的直流电机测试仪设计 王东东（2009011758） 机械与电子工程学院
专 业 电气工程及其自动化
导 师 姓 名 刘世林
基于单片机的直流电机测试仪设计
作 者 王东东
指导教师 刘世林
摘要:随着工业经济的迅速发展，单片机的作用体现出越来越重要的价值，单片机被普遍应用与无线通信、网络应用、工业领域等，应用单片机的系统可以实现灵活控制和实时准确监测。
本文主要介绍基于AT89C51单片机的直流电机综合参数的采集系统 ,设计第一步首先分析确认系统所需传感器和单片机，在此基础上配合传感器电路测得电流、电压、温度、转矩，再通过LCD 显示器直观的显示出数据。本文论述了直流电机测试仪系统原理、硬件电路的设计以及系统软件的设计。该系统可以准确快速的检测出直流电机的综合参数、分析数据，为实现电机的控制和智能保护做好铺垫，在整个电机工作生产中起着至关重要的作用。该设计具有思路明确、可靠性高、稳定性强检测速度快特点。 关键词:AT89C51单片机 直流电机综合参数 数据采集
DC motor testing instrument based on MCU Abstract ：With the rapid development of industrial economy, the value of singlechip（SCM ） is becoming more and more important. SCM is widely used in wireless communication, network application, industrial field etc. System based on SCM can achieve flexible control and real-time monitoring.
This paper mainly introduces that basing on the acquisition system by DC motor comprehensive parameters of AT89C51 SCM. Designing that the first step is to analysis to identify system for the sensor and SCM microcomputer, and then through the LCD to display the data. This paper expounds the principle of DC motor testing instrument, the design of hardware circuit, and the design of system software. The system can detect the comprehensive parameters and analytical data of DC motor. It paves the way for the realization of the motor control and intelligent protection, plays a vital role in the whole motor production. The advantages of this design are clear, high reliability, strong stability and fast detection.
Keyword: AT89C51 SCM DC motor comprehensive parameters data acquisition
目录
1 绪论 ......................................................................... 1
1.1 课题研究的背景和意义 ................................................... 1
1.2 课题的国内外研究现状 ................................................... 2
1.3 课题研究的主要内容 ..................................................... 2
2 系统的原理和构成 ............................................................. 3
2.1 系统整体设计原理 ....................................................... 3
2.2 系统结构框图和元件的选择 ............................................... 3
2.3 CPU的简介 . ............................................................. 4
3 硬件电路的设计 . .............................................................. 7
3.1 电流的检测设计 ......................................................... 7
3.2 电压的检测设计 ......................................................... 7
3.3 温度测量 ............................................................... 7
3.4 转矩测量设计 ........................................................... 8
3.5 键盘的设计 ............................................................. 9
3.6 显示设计 ............................................................... 9
3.7 电源模块设计 .......................................................... 10
3.8 单片机I/O扩展 ........................................................ 11
4 软件设计 .................................................................... 11
4. 1 参数计算方法 ......................................................... 11
4.2 程序设计 ............................................................. 13
4.2.1 系统整体程序设计 ................................................ 13
4.2.2 键盘程序设计 .................................................... 14
4.2.3 数据采集系统程序设计 ............................................ 15
4.2.4 显示程序设计 .................................................... 16
5 结束语 ...................................................................... 18
致谢 .......................................................................... 19
参考文献 ...................................................................... 20
附录 .......................................................................... 21
1. 绪论
1.1课题研究的背景和意义
随着工业经济的飞速发展，人们对于数据采集的需求也日益增长，因此数据采集的系统也和很快的发展起来并应用于各行业领域中。
早在20世纪的50年代就已经有了数据采集系统，美国更是在1956年就把该系统应用到了军事上，目的是在测试过程中不依赖有关的测试文件，并且由于非成熟的人员来操作，该测试任务全过程是由测试设备自主高速的完成的。由于本系统可以完成很多以往不能完成的采集和测试任务，且处理起来更快更灵活。因此在60年代的后期得到了初步认可并且制造了成套的设备。
伴随着微型机的快速发展，在20世纪的70年代人们制造出了集成仪表、采集器和计算机为一体的专业数据采集系统，由于融入了计算机系统的整体性能有了很大的提升，超越了传统模式的数据采集系统，广泛被应用，得到了惊人速度的发展。在70年代初，数据的采集逐渐的也演变成两类即：工业现场的数据采集和实验室数据采集。
20世纪的80年代计算机的快速发展，数据采集系统有了很大的提升，开始涌现出数据采集与自动测试系统。该阶段的数据采集系统也被分为两类，第一类是由采集器、通用接口总线和计算机组成的。第二类是由采集卡、标准线和计算机构成，这一类被广泛应用在工业生产上的。80年代后期总体数据采集变化很大，单片机、计算机和大规模的集成电路组合，通过软件的管理成本降低，功能倍增，体积比原本来要小的很大，数据处理能力也有了很大的加强。
从20世纪90年代至今天，随着许多国家的技术的发展，数据采集系统已经被成功应用于军事领域。航空电子设备及宇航技术领域等。集成电路在实践中不断地完善，发展为高性能、高可靠的单片机数据采集系统（DAS ）。数据采集系统已然成为了一门专业的技术，被工业领域广泛的应用。该采集系统根据需求的不同，通过简单的处理，增加或更改模块输入符合系统的编程便可实现修改系统，组建成新系统一边符合人们的要求。
虽然现在用微机作为核心的采集和处理技术迅速发展，但是并不影响以单片机作为核心的数据采集系统，因为单片机数据采集系统具有高性能、高效率、低价格、低能耗等优点，即使单个单片机系统满不足不了要求，可以使用双单片机数据采集系统来实现要求。这就使以单片机为核心的数据采集系统在许多领域得到了广泛的应用。
1.2课题的国内外研究现状
数据采集系统其实就是通过各种采集传感器输出的模拟信号后转换成数字信号，采集到数据后进行分析、处理、传输、显示、存储和显示。从本世纪20年代至今已经几十年的历史，随着数据信息处的迅速发展，在数据采集这方面的技术也取得了惊骇的进步， 数据采集的信息化也正向着社会发展的主流方向前进。在石油勘测、科学研究实验、汽车驾驶、航空航海等领域已经得到应用。
美国PASCO 公司制造的“科学工作室”则将数据采集系统应用到了物理实验中，它的构成有以下部分组成：（1）传感器：该传感器可实现实时准确的采集到物理实验中所需要得到的各种物理数据；（2）计算机接口：本接口可实现采样速率最高为25万次/S；（3）软件：中文及英文的应用软件。
受市场需求的牵引，新一代机载数据采集系统为满足飞行实验应用也在快速地发展。如爱尔兰ACRA 公司2000年研发推出的新一代KAM500机载数据采集系统到了2006年。本系统采用16位（A/D）模拟数字变换，总采样率达500K/S,同步时间为+/-250ns，可以利用方式组成高达1000通道的大容量的分布式采集系统。
1.3 课题研究的主要内容
本文主要研究基于AT89C51 单片机的直流电机综合参数的采集系统 ,通过各种传感器的采集取样，在此基础上分别通过放大电路、电压互感器、弹性轴法相位差式转矩传感器和转矩传感器等获得相关参数取样， 在AT89C51单片机的配合运算后得到测量值。 本文论述了直流电机测试仪系统原理、硬件电路的设计以及系统软件的设计。
2 系统的原理和构成
2.1系统整体设计原理
本系统是的目的是可以实现对电机综合参数的测量，系统可分为四大模块，即人机交换、数据采集、AD 转换、CPU 。每个模块相互配合完成测量任务。
电压电流的测量采用的是电压互感器和电流互感器了两种传感器，传感器测得数据后通过AD 转换和CPU 处理实现数据在LCD 显示器上显示。
温度的测量用的是DSI8B2芯片，可以准确快速的检测到温度转换并显示。
转矩的测量用的是弹性轴法相位差式转矩传感器，该传感器测得相应的相位差后通过计算即可得到转矩。
人机交换设计中，键盘使用的是简单易操作的独立式键盘，显示则用的是液晶模块
EDMl2864-09，直观的显示了电机的各参数。
2.2系统结构框图和元件的选择
本文采用功能设计方法，设计基于单片机的能量回馈控制系统。根据所需完成的功能将电路分为单片机最小系统、实现特定功能的子电路。为了使电加清晰，更具层次，因此采用程序原理图设计，分别对子电路进行设计，同时也使电路更加容易调试和检查错误。系统硬件电路如图2.1所示：
图2.1 直流电机测试仪的结构框图
数据采集模块分别采用各种传感器，电流的采集是通过电流传感器，该传感器可以快速灵敏的测得数据。电压是电压互感器，此传感器可以实现强、弱电的隔离 ,提高抗干扰能力。温度传感器采用是DSI8B20最新单线数字温度传感器，具有体积小、经济等特点，能够测量
的温度范围为-55～+125℃。适用于恶劣环境的现场温度测量的。转矩的检测采用弹性轴法相位差式转矩传感器。
AD 转换采用的是型号是ADC0809，该元件是带有8位A/D转换器、8路多路开关以及微处理机兼容的控制逻辑的CMOS 组件。它是逐次逼近式A/D转换器，可以和单片机直接接口，而且可以实现逐次比较。ADC0809是由一个比较器和DA 转换器通过逐次比较逻辑构成，从MSB 开始，顺序地对每一位将输入电压与内置DA 转换器输出进行比较，经n 次比较而输出数字值。其电路规模属于中等。其优点是速度较高、功耗低，在低分辩率（12位）时价格比较高。
主芯片用的是MCS-51单片机，虽然目前单片机的品种很多，但其中最具代表性的当属
Intel 公司的MCS-51单片机系列，MCS-51具有典型的结构、完善的总线、SFR 的集中管理模式、位操作系统和面向控制功能的丰富的指令系统，而且MCS-51具有硬件方面的的广泛性、代表性和先进性以及指令系统的兼容性，在运行过程中MCS-51具有低功耗。
2.3 CPU的简介
1、通过对MCS-51单片机内部的逻辑结构图的掌握，了解单片机内部的逻辑结构及各个部件的功能与特点。即包括中央处理器（CPU ）、定时/计数器、存储器系统（RAM 和ROM ）、串行接口、并行接口、中断系统及一些特殊的功能寄存器。AT89C51是美国ATMEL 公司生产的具有低电压、高性能CMOS 8位单片机，片内含有4KB 的可反复擦写的只读程序存储（PEROM ）和128 B 的随机存取数据存储器（RAM ），器件采用ATMEL 公司的高密度、非易失性存储技术生产，与标准MCS-51指令系统及AT89C51产品引脚兼容，片内置通用8位中央处理器（CPU ）和Flash 存储单元，功能强大AT89C51单片机适合于许多应用场合，灵活方便。
图2.2 AT89C51的引脚图
2、 芯片的主要特性
①能与MCS-51单片机兼容
②全静态工作：0Hz-24Hz
③128*8位内部RAM
④32可编程I/O线
⑤两个16位定时器/计数器
⑥可编程串行通道
⑦片内含有振荡器和时钟电
⑧低功耗的闲置和掉电模式
3、 引脚说明
VCC ：供电电压
GND ：接地
P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL 门电流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH 编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH 进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。
P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL 门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平
时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH 编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。
P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL 门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH 编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。
P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL 门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL ）这是由于上拉的缘故。
为了使A/ D 的分辨力、信号的测量范围更大 ,本电路使用了编程增益放大电路(即由 D/ P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示：
在FLASH 编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE 端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE 脉冲。如想禁止ALE 的输出可在SFR8EH 地址上置0。此时， ALE只有在执行MOVX ，MOVC 指令是ALE 才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE 禁止，置位无效。
3硬件电路的设计 3.1 电流的检测设计
电流检测电路如图3.1所示。当电流互感器测得数据输出后 ,经R1和运算放大器构成的 I/ V 转换器 ,通过转换将电流信号变为电压信号 ,再通过整流电路的精密整流和可编程增益放大电路将信号转换为符合 A/ D 采样的电压 ,将其送人ADC0809 模拟量的输入引脚 IN0 , 进行 A/ D 变换。由于电动机在正常运行和故障状态下电流变化范围通常会较大 ,AD转换器 DAC0832 和运算放大器OP07两部分组成) 。放大器的增益控制由微处理器输出不同的控制字来实现。
3.2 电压的检测设计
为了提高整体电路的抗干扰性和隔离强弱电 ,电压的检测使用了电压互感器。电压检测电路如图3.1所示 ,电压互感器的输出经差动放大电路及精密整流电路进行幅值变换和整流后 ,送入可编程增益放大电路 ,转换为适 合 A/ D 采样的电压 , 最后送人 ADC0809 模拟量输入引脚 IN1 ,进行 A/ D 变换。
图3.1 电流和电压的测量电路
3.3 温度测量
本系统采用数字式温度传感器DSl8B20来测量直流电机的的温度。 （1）DSI8B20简介
DSI8B20是美国DALLAS 公司的最新单线数字温度传感器，具有体积小、经济等特点。能够测量的温度范围为-55～+125℃。适用于恶劣环境的现场温度测量, 如测温类消费电子产品、环境控制、设备或过程控制等。DSI8B20可以程序设定9～12位的分辨率，精度为±0.5℃。其
内部结构主要由4部分组成：温度传感器、64位光刻ROM 、非挥发的温度报警触发器TH 和[2]TL,配置寄存器。它能够直接将温度转化为数字量，因此不需要A/D转换电路。同一条总线上悬挂的DSl8B20必须分时占用总线，就是在测量时，同一时刻只能有一个DSl8B20占用总线。 （2）DSl8820与单片机的接口电路
根据DSl8B20的特点，它可以从总线上直接得到能量，因此一般不需外加电源。DS18B20的数据线DQ 与单片机的P1.7脚相连接，实现温度的传输，在总线上为高电平时，DS18B20将能量存储在内部的一个电容器中。当总线为低电平时，电容开始释放能量。当总线再度为高电平时，放电过程结束。DSl8B20与AT89C51的接口电路图3.2所示：
图3.2 温度的测量电路
3.4 转矩测量设计
转矩的检测采用弹性轴法相位差式转矩传感器 ,转矩传感器中的两个磁电式检测器输出两路正弦变化的电势信号 ,其两路电势的相位差角θ与转矩M 成正比, 正弦信号通过由LM311 等元件构成的整形放大电路得到方波信号 ,送入异或门得到相位差角方波脉冲 ,再经模拟多路转换开关后送入AT89C51, 通过中断启动定时/ 计数器 T0 ,测量相位差角脉冲对应的时间 ,通过计算得到相应的转矩，再通过LCD 显示器显示。
图3.3 转矩的测量电路框图
3.5 键盘的设计
本系统的由于所用的按键不多故采用的是独立式键盘。独立式键盘的电路配置非常的灵活，每个按键都是相互独立的，每个按键都要接一个I/O接口线，在运行过程中每个按键都不会影响其他I/O接口的线，所以，只要通过检测I/O接口线的电平状态我们就可以很简单的判断哪个按键被按下了。键盘在没有被按下的时候，对应的I/O接口输出的是高电平， 一旦被按下时候与其对应的I/O接口线输出为低电平，AT89C51主芯片接受到信息后执行。本系统设计需要五个独立按键来完成数据的采集。 按键的说明：
（1）SET 键：设置功能键。当按下该键时，系统进入设置状态。 （2
（3键：右移键。 （4）ENTER 键：确认键。 电路设计如图3.4所示：
图3.4 独立按键电路
3.6 显示设计
本监测系统采用液晶模块EDMl2864-09，可以显示电机的各实时状态参数。EDMl2864-09是一种128(w)X64(h)全点阵的全透、正显STN LCD。其背景颜色是黄绿色，显示点为蓝黑色。输入数据来自于MPU 的8位串行数据接口或并行数据接口。
EDMl2864-09提供三种可与CPU 的接口：8位并行口，4位并行口及串行接口，然后由外部PSB 脚来选择接口的种类。当PSB 脚接“1”时为选择8/4位接口方式，而当接“0”时为串行接口方式。本监测中选用8位接口方式。
EMDl2864—09与单片机通过双向总线收发器74LS245连接。其接口电路如图3.5所示：
图3.5单片机与液晶显示的接口电路
3.7 电源模块设计
电源电路的设计主要是为提供电源给单片机及其它模块，使各个模块电路都能够正常工作。本设计是通过将接入的220V 交流电通过变压、整流、滤波、稳压、滤波，最后变为5V 的直流电压，具体的硬件连接图如图3.6所示。
图3.6 电源电路
3.8 单片机I/O扩展
由于本设计所需要的I/O比较大，所以使用了8255A 芯片来实现I/O口的扩展，硬件图如下：
图3.7单片机I/O扩展电路硬件连接图
4 软件设计 4. 1 参数计算方法
通过连续周期信号的有效值定义来计算各参数的有效值。设 f(t)是周期为T 的连续信号 , f(t) 的有效值 A 可以用以下表示 :
A =
（1）
将连续函数离散化 ,可得到电压和电流有效值的离散值表达式如下
:
V =
（2）
（3）
I =
式中：N 是每个周期采样点数 , U m 是第m 点的时候电压采样值 , i m 是第m 点时候的电流采样值，只要采样 的点数N 很大 ,就能使电流、电压的有效值测量达到满足要求的精度 。 根据传感器的工作原理，在弹性轴变化范围内，弹性轴的扭转角为：
ϕ=32ML /πD G
4
（4）
式中：M 为转矩，G 为弹性轴的剪切弹性模数，D 为弹性轴直径，L 为弹性轴的工作长度。 当弹性轴的扭角发生变化时，传感器输出的两路信号相位差θ发生变化，其关系为：∆θ=Z ∆ϕ
因此传感器输出的两路信号的相位差θ与转矩M 的关系为
M =[πD 4G (θ-θ0)]/(32ZL ) =k (θ-θ0)
式中： k 为转矩系数，θ0为传感器设计安装时所具有的初始相位差。 由此可见，通过测量传感器两输出信号的相位差θ可获得转矩M 。
（5）
（6）
4.2 程序设计
4.2.1 系统整体程序设计 （1） 各缓冲区初始化。 （2） 编写中断程序
（3） 确定是否需要设置限定值
（4） 在有或者无限定值条件下启动各模块采样程序 （5） 计算采集的数据 （6） 数据显示 程序框图4.1所示：
图4.1系统的主程序图
4.2.2 键盘程序设计
因为单片机键盘是随机操作的，而其主要操作对象不是键盘，因此单片机不是总处于等待按键按下的状态。为解决上述问题，将键处理程序和读键程序分开写，而且设置相应的标志位。读键程序流程图如图4.2所示：
图4.2 读键程序设计
键处理程序中各按键的功能的实现与否，与键盘能否完成各项操作具有很大关系。在对键进行处理时，首先要判断按键的标志位是否有变化，即按下的哪个按键，能够准确的确定。然后根据相应的状态进行相应的操作。
键处理流程图如4.3所示：
图4.3 键处理流程图
4.2.3 数据采集系统程序设计
（1） 与各设备连接。 （2） 确认是否连接成功。
（3） 确认连接成功与否，未成功报告错误。 （4） 连接成功后启动各模块采样系统。
（5） 采集到数据后结束，未成功返回采样直至采集到数据。 程序框图如图4.4所示：
图4.4 数据采集系统程序框图
4.2.4 显示程序设计
显示程序的设计的编程主要是对EDMl2864-09液晶显示模块。必须对液晶模块初始化，然后才能显示。随后的显示中可不再进行初始化。若在系统使用时不进行任何操作，则默认
显示第一路的工作状态，然后观察其他路的状态，并且需要通过键盘来操作才能正常完成。通过判断标志位来确定哪一位需要显示。
本系统的液晶显示屏上要求显示的信息应包括电流、电压、温度、转矩等，并且显示的数字是定期刷新的，以保持实时状态的更新。当系统进入事先设定完成的状态时，则屏幕下方会出现与之相对应的设置信息的画面。若系统在使用时，不对其进行任何的操作，则默认是显示第一路状态。显示程序流程图如图4.5所示:
图4.5显示程序的设计
5 结束语 本着以效率为本的思想，我们设计了该系统。该系统在工厂生产、科学实验中以简单的操作、稳定的性能和丰富的功能大幅的提升了工作的简便度和效率。此系统硬件部分由四大部分构成：即基于AT89C51的主控芯片、传感器、AD 转换模块、显示模块。在AT89C51的控制下外围模块相互配合工作，传感器完成数据的采集功能，AD 模块在传感器数据采集后进行模电转换，通过AT89C51的处理显示模块完成字符、数字的显示。
此次设计我掌握了Proteus 的基本使用方法学会了很多新知识，同时也发现了自己很多不足之处，例如考虑问题不够周全、专业知识掌握的不牢固、计算机软件掌握的不透彻，希望自己的这些不足之处能够在后期学习中可以改善。通过本次设计我深知本身知识仍然很缺乏，更加意识到学习的重要性，在几个月的设计中我也学会了坚持和努力，为以后的学习奠定了基础。同时该设计也有不足之处，还有待自己知识和能力提升以做到更好的设计，并且在以后的生活工作中将会努力的拓展知识面。
致谢
几个月的毕业设计即将结束，在整个毕业设计过程中，我在刘世林老师的指导下，基本完成了毕业设计的任务。通过设计，我学到了很多新的知识，学到了很多书本上没有的东西。在设计前，通过刘老师的悉心指导，我制定了设计计划，借阅了相关资料，做好设计准备。在刘老师的严格要求下，经过几次修改，我完成了开题报告的撰写。在设计过程中我遇到了很多专业上的问题，这些问题都在刘老师的直接指导下得以解决，使我的设计能够顺利地进行，并最终得以完成。
在此我要感谢在整个设计过程中给予我极大帮助的刘老师，无论从论文内容的选择、资料的收集，一直到最后整篇论文的完成，都非常耐心的对我进行指导，告诉我应该注意的细节问题，细心的给我指出错误，修改论文。尤其在论文的整理过程中，给我提出了很多宝贵的意见和建议，使我的设计得以更加完善。
最后感谢在整个论文写作过程中帮助过我的每一位人。
特别感谢我的父母和家人对我的关心和爱护。
感谢大学期间每一个遇到过的，帮助过我的人，谢谢你们。
参考文献
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附录
系统总电路图