数字式转速测量系统设计方案

数字式转速测量系统设计方案

1.1 数字式转速测量系统的发展背景

目前国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。

1.2 本设计课题的目的和意义

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，单片机部分的容，显示部分等各个模块的通信和联调。全面了解单片机和信号放大的具体容。进一步锻炼我们在信号采集，处理，显示发面的实际工作能力。

2.转速测量系统的原理

2.1转速测量方法

转速是指作圆周运动的物体在单位时间所转过的圈数,其大小及变化往往意味着机器设备运转的正常与否,因此,转速测量一直是工业领域的一个重要问题。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) 、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。本文介绍的采用单片机和光电传感器组成的高精度转速测量系统,其转速测量方法采用的就是电子式定时计数法。

对转速的测量实际上是对转子旋转引起的周期脉冲信号的频率进行测量。在频率的工程测量中,电子式定时计数测量频率的方法一般有三种：

①测频率法:在一定时间间隔t ,计数被测信号的重复变化次数N ,则被测信号的频率fx 可表示为

f x =Nt(1)

②测周期法:在被测信号的一个周期,计数时钟脉冲数m0 ,则被测信号频率fx = fc/ m0 ,其中, fc 为时钟脉冲信号频率。

③多周期测频法:在被测信号m1 个周期, 计数时钟脉冲数m2 ,从而得到被测信号频率fx ,则fx 可以表示为fx =m1 fcm2, m1 由测量准确度确定。

电子式定时计数法测量频率时,其测量准确度主要由两项误差来决定:一项是时基误差;另一项是量化±1误差。当时基误差小于量化±1 误差一个或两个数量级时,这时测量准确度主要由量化±1 误差来确定。对于测频率法,测量相对误差为：

Er1 =测量误差值实际测量值×100 % =1N×100 % (2)

由此可见,被测信号频率越高, N 越大, Er1就越小,所以测频率法适用于高频信号(高转速信号) 的测量。对于测周期法,测量相对误差为：

Er2 =测量误差值实际测量值×100 % =1m0×100 % (3)

对于给定的时钟脉冲fc , 当被测信号频率越低时,m0 越大, Er2就越小,所以测周期法适用于低频信号(低转速信号) 的测量。对于多周期测频法,测量相对误差为：Er3 =测量误差值实际测量值100%=1m2×100 % (4)

从上式可知,被测脉冲信号周期数m1 越大, m2 就越大,则测量精度就越高。它适用于高、低频信号(高、低转速信号) 的测量。但随着精度和频率的提高, 采样周期将

大大延长,并且判断m1 也要延长采样周期,不适合实时测量。

根据以上的讨论,考虑到实际应用中需要测量的转速围很宽,上述的转速测量方法难以满足要求,因此,研究高精度的转速测量方法,以同时适用于高、低转速信号的测量,不仅具有重要的理论意义,也是实际生产中的需要。

3.系统方案提出和论证

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。本说明书中给出两种转速测量方案，经过我和伙伴查资料、构思和自己的设计，总体电路我们有两套设计方案，部分重要模块也考虑了其它设计方法，经过分析，从实现难度、熟悉程度、器件用量等方面综合考虑，我们才最终选择了一个方案。下面就看一下我们对两套设计方案的简要说明。

方案：霍尔传感器测量方案

霍尔传感器是利用霍尔效应进行工作的？其核心元件是根据霍尔效应原理制成的霍尔元件。本文介绍一种泵驱动轴的转速采用霍尔转速传感器测量。

A04E开关式霍尔传感器使用说明书产品图片霍尔传感器的外形图和与磁场的作用关系如右

图所示

.磁钢用来提供霍尔能感应的磁场, 当霍尔元件以切割磁力线的方式相对磁钢运动时, 在霍尔输出端口就会有电压输出, 所以霍尔传感器和磁钢需要配对使用.

测速原理霍尔传感器检测转速示意图如下. 在非磁材料的圆盘边上粘贴一块磁钢, 霍尔传感器固定在圆盘外缘附近. 圆盘每转动一圈, 霍尔传感器便输出一个脉冲.通过单片机测量产生脉冲的频率,就可以得出圆盘的转速. 同样道理,根据圆盘(车轮)的转速,再结合圆盘的周长就是计算出物体的位移. 如果要增加测量位移的精度,可以在圆盘(车轮)上多增加几个磁钢. 备注:当没有信号产生时,可以改变一下磁钢的方向,霍尔对磁钢方向有要求.没有磁钢时输出高电平,有磁钢时输出低电平.

应用领域电机的转速测量;

应用案例 1. 2. 电动自行车速度测量; 智能小车位移测量等.

电气参数输入电压:4.5-28V; 工作电流:20mA; 为常开型霍尔元件.

霍尔转速传感器的结构原理图如图3.1, 霍尔转速传感器的接线图如图3.2 。

图 3.1 霍尔转速传感器的结构原理图图3.2方案霍尔转速传感器的接线图

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。

4.系统硬件设计

随着超大规模集成电路技术提高，尤其是单片机应用技术以及功能强大，价格低廉的显著特点，是全数字化测量转度系统得一广泛应用。出于单片机在测量转速方面具有体积小、性能强、成本低的特点，越来越受到企业用户的青睐。对测量转速系统的硬件和编程进行研究，设计出一种以单片机为主的转速测量系统，保证了测量精度。

4.1 74ls245

74LS245是我们常用的芯片，用来驱动led或者其他的设备，它是8路同相三态双向总线收发器，可双向传输数据。

74LS245还具有双向三态功能，既可以输出，也可以输入数据。

当809s1单片机的P0口总线负载达到或超过P0最大负载能力时，必须接入74LS245等总线驱动器。

当片选端/CE低电平有效时，DIR=“0”，信号由 B 向 A 传输;（接收）

DIR=“1”，信号由 A 向 B 传输；（发送）当CE为高电平时，A、B均为高阻态。

由于P2口始终输出地址的高8位，接口时74LS245的三态控制端1G和2G接地，P2口与驱动器输入线对应相连。P0口与74LS245输入端相连,E端接地，保证数据线畅通。89s51的/RD和/PSEN相与后接DIR，使得RD且PSEN有效时，74LS245输入（P0.1←D1），其它时间处于输出（P0.1→D1）。

DIR是H时，A→B

74LS245是我们常用的芯片，用来驱动led或者其他的设备，它是8路同相三态双向总线收发器，可双向传输数据。

74LS245还具有双向三态功能，既可以输出，也可以输入数据。

当8051单片机的P0口总线负载达到或超过P0最大负载能力时，必须接入

74LS245等总线驱动器。

当片选端/CE低电平有效时，DIR=“0”，信号由 B 向 A 传输;（接收）

DIR=“1”，信号由 A 向 B 传输；（发送）当CE为高电平时，A、B均为高阻态。

由于P2口始终输出地址的高8位，接口时74LS245的三态控制端1G和2G接地，P2口与驱动器输入线对应相连。P0口与74LS245输入端相连,E端接地，保证数据线畅通。8051的/RD和/PSEN相与后接DIR，使得RD且PSEN有效时，74LS245输入（P0.1←D1），其它时间处于输出（P0.1→D1）。

4.3单片机AT89S51介绍

AT89C51 的性能相对于8051 已经算是非常优越的了。不过在市场化方面，89C51 受到了PIC 单片机阵营的挑战，89C51 最致命的缺陷在于不支持ISP（在线更新程序）功能，必须加上ISP 功能等新功能才能更好延续MCS-51 的传奇。89S51就是在这样的背景下取代89C51 的，现在，89S51 目前已经成为了实际应用市场上新的宠儿，作为市场占有率第一的Atmel 目前公司已经停产AT89C51，将用AT89S51 代替。

-- 相对于89C51,89S51新增加很多功能，性能有了较大提升，价格基本不变，甚至比89C51 更低！

-- ISP 在线编程功能，这个功能的优势在于改写单片机存储器的程序不需要把芯片从工作环境中剥离。是一个强大易用的功能。

-- 最高工作频率为33MHz，大家都知道89C51 的极限工作频率是24M，就是说S51 具有更高工作频率，从而具有了更快的计算速度。

-- 具有双工UART 串行通道。

-- 部集成看门狗计时器，不再需要像89C51 那样外接看门狗计时器单元电路。

-- 双数据指示器。 -- 电源关闭标识。

-- 全新的加密算法，这使得对于89S51 的解密变为不可能，程序的性大大加强，这样就可以有效的保护知识产权不被侵犯。

-- 兼容性方面：向下完全兼容51 全部字系列产品。比如8051、89C51 等等早期MCS-51 兼容产品。也就是说所有教科书、网络教程上的程序（不论教科书上