电机转速计设计

单片机系统

课程设计

成绩评定表

设计课题：基于89C51的电机转速计设计

单机系统

课程设计

课程设计名称：基于89C51的电机转速计设计专业班级：

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课程

单片机系统课程设计任务书

目录

1、概述 (3)

1.1、应用背景 (3)

1.2、功能要求 (3)

2 方案论证 (4)

2.1、转速测量方法 (4)

2.2、转速测量原理 (5)

2.3、系统方案提出与比较 (6)

3 硬件电路设计 (6)

3.1、系统总体设计方案 (7)

3.2、模块电路设计 (11)

4、软件设计 (12)

4.1主程序设计 (12)

4.2、中断服务程序设计 (13)

5、总结 (14)

参考文献 (15)

附录

附录A（主程序源代码） (16)

附录B（主电路图） (21)

1、概述

1.1、应用背景

随着电子技术，特别是随大规模集成电路的产生而出现的微型计算机技术的飞速发展，人类生活发生了根本性的改变。如果说微型计算机的出现使现代科学研究得到了质的飞跃，那么可以毫不夸张地说，单片机技术的出现则是给现代工业测控领域带来了一次新的技术革命。随着微型计算机可靠性提高和价格的下降，用单片机测量电机转速已经日趋普遍。我们知道，欲提高测量精度，必须先测出准确的转速，而原先在可控硅调速电路中采用的测速发电机方式已不能满足要求，必须采用数字测速的方法。本课题介绍了一种利用单片机技术实现高精度数字式转速测量计的方法。这种电机转速计具有测量准确度高、采样速度快、测量范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。

本设计优点是电路较简单、功能完善、测量速度快、精度高、控制系统可靠，性价比较高等特点。

1.2、功能要求

电机测速计在控制系统中占有非常重要的地位，对电机测速计的要求是分辨能力强、高精度和尽可能短的检测时间。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。这次设计内容包含知识全面，全面了解单片机和信号放大的具体内容。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 方案论证

2.1、转速测量方法

转速测量方法可以分为两类：1、直接法：直接观测机械或者点击的机械运动，测量特定时间内机械旋转的圈数，从而测出机械运动的转速；2、简介法：测量由机械转动导致其他物理量的变化，从这些物理量的变化与转速的关系来得到转速，同时从测速仪是否与转轴接触又可以分为接触式，非接触式。

目前国内外的测速方法有广电码盘测速法、霍尔元件测速法、离心式转速表测速法、测速发电机测速法、漏磁测速法、闪电测速法和震动测速法。

另外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 内,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 fx=N/t （2）测周期法：在被测信号的一个周期内,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 个周期内, 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 fc/m2, 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 % =1/N×100 %

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 % =1/m0×100 %

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%=1/m2×100 %

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范围很宽,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。

2.2、转速测量原理

一般的转速长期测量系统是预先在轴上安装一个有60 齿的测速齿盘,用变磁阻式或电涡流式传感器获得一转60 倍转速脉冲,再用测频的办法实现转速测量。而临时性转速测量系统,多采用光电传感器,从转轴上预先粘贴的一个标志上获得一转一个转速脉冲,随后利用电子倍频器和测频方法实现转速测量。不论长期或临时转速测量,都可以在微处理器的参与下,通过测量转轴上预留的一转一齿的鉴相信号或光电信号的周期,换算出转轴的频率或转速。即通过速度传感器,将转速信号变为电脉冲,利用微机在单位时间内对脉冲进行计数,再经过软件计算获得转速数据。即：

n=N/ (mT)

n ———转速、单位:转/ 分钟;

N ———采样时间内所计脉冲个数;

T———采样时间、单位:分钟;

m ———每旋转一周所产生的脉冲个数(通常指测速码盘的齿数) 。

如果m=60, 那么1 秒钟内脉冲个数N就是转速n, 即:

n=N/ (mT) =N/60×1/60=N

通常m为60。

在对转速波动较快系统或要求动态特性好而精度高的转速测控系统中,调节周期一般很短,相应的采样周期需取得很小,使得脉冲当量增高,从而导致整个系统测量精度降低,难以满足测控要求。提高采样速率通常就要减小采样时间T, 而T 的减小会使采到的脉冲数值N 下降,导致脉冲当量(每个脉冲所代表的转速) 增高,从而使得测量精度变得粗糙。通过增加测速码盘的齿数可以提高精度,但是码盘齿数的增加会受到加工工艺的限制,同时会使转速测量脉冲的频率增高,频率的提升又会受到传感器中光电器或磁敏器或磁电器件最高工作频率的限制。凡此种种因素限制了常规智能转速测量方法的使用范围。而采用本文所提出的定时

分时双频率采样法,可在保证采样精度的同时,提高采样速率,充分发挥微机智能测速方法的优越性及灵活性。

2.3、系统方案提出与比较

（1）光电码盘测速法

这是通过测出转速信号的频率或周期来测量电机转速的一种无接触测速法。光电码盘安装在转子端轴上，随着电机的转动，光电码盘也跟着一起转动，如果有一个固定光源照射在码盘上，则可以利用光敏元件来接收光，接收到光的次数就是码盘的编码数。若编码数为1，测量时间为t，测量到的脉冲数为N，则转速n=(N/t*1)*60。

优点：这种方案使用光电转速传感器具有采样精确，采样速度快，范围广的特点。

（2）霍尔元件测速法

利用霍尔开关元件测转速。霍尔开关元件内含稳压电路、霍尔电势发生器、放大器、施密特触发器和输出电路。输出电平与TTL电平兼容，在电机转轴上装一个圆盘，圆盘上装若干对小磁钢，小磁钢越多，分辨率越高，霍尔开关固定在小磁钢附近，当电机转动时，每当一个小磁钢转过霍尔开关，霍尔开关便输出一个脉冲，计算出单位时间的脉冲数，即可确定旋转体的转速。

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。

综上所述，方案一使用光电传感器来作为本设计的最佳选择方案。

3 硬件电路设计

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。

3.1、系统总体设计方案

该转速计由反射式光电传感器、整形电路、转速计算电路及数码显示电路等四部分组成如（图3-1）所示

图3-1单片机数显转速表原理图

各部分模块的功能：

光电传感器：用来对信号的采样。

信号整形电路：对传感器送过来的信号进行放大和整形，在送入单片机进行数据的处理转换。

单片机：对处理过的信号进行转换成转速的实际值，送入LED

LED显示：用来对所测量到的转速进行显示。

其工作原理是：光照度改变使光敏电阻阻值的改变，而引起光敏电阻两端电压的改变。电压变化信号通过传感器传到计数器上计数计时。在光电门一端有个线性光源，另一端有个光敏电阻，门中无物体阻挡时光照射到光敏电阻上。有光照时光敏电阻阻值减小，光敏电阻两端为低电压。当门中有物体阻挡时，光敏电阻受到光照度减小，电阻增大，光敏电阻两端为高电压。当光电门计数时，传感器将高低变化的信号传到计数器上，计数器进行计数。一次电压变化计数器计数一次。当计数器计时时，计数器获得高电压时计时开始，获得低电压时计时停止。利用光反射信号的边沿停止单片机计时。这样就可以测量出装盘的旋转周期t，然后在利用单片机把周期换算成转速并通过LED数码管显示出来。

系统各组成方案

（1）电源（控制）部分 电路输入220V 交流电，经过全桥整流，稳压后输出5V 的直流电。 如（图3-2）所示

图3-2

（2）传感部分

因为光电传感器具有精度高、反应快、非接触等优点，而且可测参数多，传感器的结构简单，形式灵活多样，所以采用光电式传感器来检测和控制系统。对射式光电传感器：光电门、三极管9012和带施密特触发器的非门74LS14组成，当有物体经过光线切断，便输出信号。 传感器原理图如（图3-3）所示，反射式光传感器和整形电路如（图3-4）所示。

图3-3 光电传感器的原理图

图3-4

反射式光电传感器和整形电路

旋转盘

反射式光电传感器

（3）显示部分由AT89S51片机、4位七段共阳数码管和4个三极管BG1-BG4及电阻R1-R12组成转速计算与显示电路，电路图如（图3-5）所示。

图3-5现实部分电路图

共阳型数码管就是八个发光管的正极都连在一起，作为一条引线.a~g段用于显示数字,字符的笔画,（dp显示小数点），每一段控制a~g~dp的亮与来。内部结构如（图3-6）示：

图3-6共阳型数码管内部结构

（4）复位电路

单片机复位电路是指单片机的初始化操作。单片机启运运行时，都需要先复位，其作用是使CPU和系统中其他部件处于一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作。因而，复位是一个很重要的操作方式。但单片机本身是不能自动进行复位的，必须配合相应的外部电路才能实现。本设计的复位电路如（图3-7）所示

图3-7 复位电路

此电路能保证复位电路可靠，当系统有多个复位端时，能保证可靠地同步复位。

3.2、模块电路设计

（1）对齐式光电传感器和整形电路

接通5V电源后，红外发光二极管发出的红外光束遇到旋转盘上的缺口，有光照,光敏电阻阻值减小,光敏电阻两端为低电压。当门中有物体阻挡时，光敏电阻受到光照度减小，电阻增大，光敏电阻两端为高电压。红外光敏三极管接收电信号后，该信号经三极管BG放大，，再经74LS14整形及反相后，输出与输入相同周期的电压大小为5V的矩形波，作为旋转轴的转速计数信号，接到单片机89C51的相应管脚上。输出波形如（图3-8）所示。

VT+

VT-

V

（2）转速计算电路与显示电路

本模块采用动态显示方式，由单片机P2口与数码管的七段段码相连，

P1.0-P1.3口与4个数码管的位码相连，经编程控制4位数码动态显示。转速测

量是利用单片机的外部中端口（INTO）检测光电传感器的输出脉冲信号。计时的

起停由光电传感器输出的相邻两个脉冲来控制，（如图3-9所示），t1开始计时，

t2停止计时。此时，定时器TO的值就是一个脉冲周期T，这是电机每分钟的转

速为r=1s/T(r/s)。

图3-9相邻两个脉冲来控制计时的起停

4、软件设计

硬件电路完成以后，进行系统软件设计。首先要分析系统对软件的要求，然后进行软件的总体的设计，包括程序的总体设计和对程序的模块化设计。按整体功能分为多个不同的模块，单独设计、编程，然后将各个模块装配联调，组成完整的软件。

4.1主程序设计

转速计测量软件由主程序、外部中断INTO中断服务程序和定时器TO中断服务子程序三部分组成。主程序在初始化后一直工作在计算转速并循环显示状态，把单片机所采集到的信号经过计算与转换后的转速值送至七段数码管显示出来。流程图如（图4-1）所示

图4-1 设计主程序框图

4.2、中断服务程序设计

定时器TO中断服务子程序只记录定时器TO溢出次数，以便于测量低速时的脉冲波形。定时器TO溢出的次数越多就说明脉冲波形的周期越长，相对应的转速也就越低。其程序设计流程图如（图4-2）所示

图4-2 中断服务程序设计流程图

5、总结

本系统硬件电路简单，元器件少，工作稳定可靠。在软件设计上，采用记录定时器TO溢出次数的处理手段，极大地提高了低速测量的分辨率。使用时，不需任何设置即可稳定地测量3-9999r/min旋转体的转速值。该转速表测速范围宽、使用方便。本系统的设计在功能上完全满足要求，说明设计是有效的。具体来说，键盘上的各键都有效果，且能实现其功能；显示器也完全能满足要求；转速的测量基本上无误差，之所以还存在很小的误差是因为在计算上计算误差。但由于个人能力的局限性，或许还存在某些不足之处，希望老师能够谅解。

总的来说，通过这次的单片机课程设计，不仅让我进一步加深了对单片机这门课程的了解学习，而且还学习掌握了一些相关课程的知识内容，更重要的是锻炼了自己查阅资料以及实践动手能力，激发了我对这门课程的向往之情，让我明白了科学知识的学习离不开实践，而且在实践中遇到的各种问题通过自己的努力和老师的帮助下也能一一解决也算是个巨大的收获。

参考文献

1、《单片微型计算机原理及接口技术》第2版--国防工业出版社--张迎新

2、《一种高精度实时电机转速测量新方法》---齐齐哈尔大学学

报.2002-------马权

3、《传感器与检测技术》----------高等教育出版社-------------陈杰

4、《电路》第五版----------------高等教育出版社-------------邱关源

5、《数字电子技术基础》----------高等教育出版社--------------阎石

6、《力拖动自动控制系统-运动控制系统》--机械工业出版社------陈伯时

7、《单片机数显转速表设计与制作》--电子制作2009年02期-----刘遥生

附录A

主程序源代码：

#include

#define uchar unsigned char

#define uint unsigned int

#define ulong unsigned long

#define LED_DAT P0

sbit LED_SEG0 = P2^7;

sbit LED_SEG1 = P2^6;

sbit LED_SEG2 = P2^5;

sbit LED_SEG3 = P2^4;

#define TIME_CYLC 100 //12M晶振，定时器10ms 中断一次我们1秒计算一次转速 // 1000ms/10ms = 100

#define PLUS_PER 10 //码盘的齿数，这里假定码盘上有10个齿，即传感器检测到10个脉冲，认为1圈

#define K 1.65 //校准系数

unsigned char code

table[]={0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f};

uchar data Disbuf[4];// 显示缓冲区

uint Tcounter = 0; //时间计数器

bit Flag_Fresh = 0; // 刷新标志

bit Flag_clac = 0; //计算转速标志

bit Flag_Err = 0; //超量程标志

void DisplayFresh();//在数码管上显示一个四位数

void ClacSpeed();//计算转速，并把结果放入数码管缓冲区

void init_timer();//初始化定时器T0\T1

void Delay(uint ms);//延时函数

void it_timer0() interrupt 1 /* interrupt address is 0x000b */

{

TF0 = 0; //定时器 T0用于数码管的动态刷新

TH0 = 0xC0;

TL0 = 0x00;

Flag_Fresh = 1;

Tcounter++;

if(Tcounter>TIME_CYLC)

{ Flag_clac = 1;//周期到，该重新计算转速了

}

}

void it_timer1() interrupt 3 /* interrupt address is 0x001b */

{

TF1 = 0; //定时器T1用于单位时间内收到的脉冲数

//要速度不是很快，T1永远不会益处

Flag_Err = 1; //如果速度很高，我们应考虑另外一种测速方法：T测速法

}

void main(void)

{

Disbuf[0] = 0; //开机时，初始化为0000

Disbuf[1] = 0;

Disbuf[2] = 0;

Disbuf[3] = 0;