转速测量及控制系统设计

摘要本文是基于51单片机的转速测量系统，其测量方法较多，随着单片机对脉冲信号的处理能力越来越强大，使得全数字量系统越来越普及，并且使转速测量系统也可以用全数字化处理。

本设计利用霍尔效应对旋转物体进行检测的转速测量系统。

该系统采用UGN3144霍尔传感器把转速信息转换为电压输出，输出电压经整形电路送入AT89C51单片机进行数据处理并用四位7段LED显示器显示测量结果。

文中首先阐述了构成该系统的原理、硬件的实现方法，在该系统中对信号频率进行测量是首要任务，通过各种测量方法的对比下，该系统应采用测频法测量。

其次，在软件设计部分，此系统包含系统初始化程序的设计、数据接收和处理程序的设计、显示程序的设计三个模块。

最终，给出各部分的原理框图、电路图及转速测量的程序流程图，并编出其具体的程序。

总之，本课题完成了硬件和软件系统的设计，实现了转速测量系统的测量，转速计算、显示功能，同时实现键盘的开始/停止功能，完成了设计的要求。

关键词单片机；转速测量；霍尔传感器转速测量及控制系统设计目录第1章绪论 (1)1.1 课题研究的目的和意义 (1)1.2 转速测量在国内外的研究 (1)1.3 主要内容 (2)第2章转速测量系统的总体方案 (3)2.1 转速测量的一般方法 (3)2.2 硬件设计总体方案 (4)2.3 软件设计思路 (5)第3章系统硬件设计 (7)3.1 转速测量原理 (7)3.1.1 测频法“M法” (7)3.1.2 测周期法“T法” (8)3.1.3 测频测周法“M/T法” (9)3.1.4 转速测量系统中应用的方法 (10)3.2 霍尔传感器的简介 (10)3.2.1 霍尔效应 (10)3.2.2 霍尔元件 (13)3.2.3 霍尔元件的应用 (14)3.2.4 UGN3144霍尔开关元件 (14)第4章系统软件设计 (18)4.1 单片机转速程序设计思路及过程 (18)4.1.1 单片机程序设计思路 (18)4.2 子程序设计 (19)4.2.1 单片机转速计算程序 (19)4.2.2 二-十进制转换程序 (20)4.2.3 显示程序 (21)第5章转速测量系统的转速分析 (23)结论 (25)参考文献 (26)致谢 (27)第1章绪论1.1 课题研究的目的和意义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其功能强大，价格低廉的显著特点，使全数字化测量转速系统得以广泛应用。

由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。

转速是工程中应用非常广泛的一个参数，其测量方法较多，而模拟量的采集和模拟处理一直是转速测量的主要方法，这种测量方技术已不能适应现代科技发展的要求，在测量范围和测量精度上，已不能满足大多数系统的使用。

随着大规模及超大规模集成电路技术的发展，数字系统测量得到普遍应用，特别是单片机对脉冲数字信号的强大处理能力，使得全数字量系统越来越普及，其转速测量系统也可以用全数字化处理。

在测量范围和测量精度方面都有极大的提高。

常用的检测方法有机械式，光电式，霍尔式，频闪法，高压油管应变法等，本课题主要是针对转速测量系统的硬件和软件系统的设计。

运用51系列单片机设计一种全数字化测速系统，从提高测量精度的角度出发，分析讨论其产生误差的可能原因。

同时从实际硬件电路出发，分析电路的工作原理，根据设计具体情况提出修改方案和解决办法。

本课题以单片机为核心，设计的全数字化测量转速系统，在工业控制和民用电器中都有较高使用价值。

一方面它可以应用于工业控制中的某一部分，如数控车床的电机转速检测和控制、水泵流量控制以及需要利用转速检测来进行控制的许多场合，如车辆的里程表、车速表等。

另一方面由于该转速测量系统采用全数字结构，因而可以很方便的和工业控制机进行连接，实行远程管理和控制，进一步提高现代化水平。

并且，几乎不需做很大改变就能直接作为单独的产品使用。

总之，转速测量系统的研究是一件非常有意义的课题。

1.2 转速测量在国内外的研究转速是能源设备与动力机械性能测试中的一个重要的特性参量，因为动力机械的许多特性参数是根据它们与转速的函数关系来确定的，例如压缩机的排气量、轴功率、内燃机的输出功率等等，而且动力机械的振动、管道气流脉动、各种工作零件的磨损状态等都与转速密切相关。

转速测量的方法很多，测量仪表的型式也多种多样，其使用条件和测量精度也各不相同。

根据转速测量的工作方式可分为两大类：接触式转速测量仪表与非接触式转速测量仪表。

前者在使用时必须与被测转轴直接接触，如离心式转速表、磁性转速表与测速发电机等；后者在使用时不需要与被测转轴接触,如光电式转速表、电子数字式转速表、闪光测速仪等。

测量发动机转速的传统方法是使用光电式转速表测量。

用这种方法测量时,既要在发动机转动轴上粘贴光标纸，又要求测量人员把转速表与光标纸的距离控制在很近的范围,测量十分不方便。

随着科学技术的迅速发展,转速测量仪表已步入现代化、电子化的行列。

过去曾经使用过的接触式测量仪表, 如离心式转速表、磁性转速表、微型发电机转速表及钟表是定时转速表，均已先后受到冷落；而利用已知频率的闪光与被测轴转速同步的方法来测速的闪光测速仪，虽属非接触式仪表，目前仍有应用,但也退居次要地位。

代之而起的是非接触式的电子与数字化的测速仪表。

这类转速仪表大多具有体积小、重量轻、读数准确、使用方便等优点，容易实现电脑荧屏显示和打印输出，能够连续的反映转速变化，既能测定发动机稳定情况下的平均转速,也能够用来在足够小的时间间隔这一特定条件下测定发动机的瞬时转速。

转速测量的应用系统在工业生产、科技教育、民用电器等各领域的应用极为广泛，往往成为某一产品或控制系统的核心部分，其各种参数在不同的应用中有其侧重，但转速测量系统作为普遍的应用在国民经济发展中，有重要的意义。

1.3 主要内容1.详细分析转速的测量理论，对转速的周期测量法“T”法、频率测量法“M”法以及周期频率“M/T”测量法，三种具体测量方法的转速计算、各自的测量精度和误差进行阐述。

定性地比较三种方法所针对的转速特征，分析高、中、低转速情况下各自的适用状况，从而，在保持一定的测量精度情况下，应用“M”法，说明转速测量原理。

2.根据单片机硬件系统的设计，构建软件系统，分别对硬件系统的配置予以估计，使其能够对转速进行测量。

同时分析接口电路，显示转速。

3.对单片机定时/计数器进行设置，设计和说明定时/计数器在“M”法测量中的作用和使用方法，讨论测量精度的问题。

4.根据系统要求设置各控制字，用汇编语言编制程序，包括主程序流程，转速计算程序，显示中断程序流程，同时并写出其具体程序。

第2章转速测量系统的总体方案2.1 转速测量的一般方法一般转速测量系统有以下几个部分构成，转速测量框图如图2-1所示。

图2-1 转速测量框图1．转速信号拾取转速信号拾取是整个系统的前端通道，目的是将外界的非电参量，通过一定方式转换成电量，这一环节可以通过敏感元件、传感器或测量仪表等来实现。

方法如下：(1) 通过敏感元件拾取被测信号敏感元件体积小，可以根据用户及环境要求做成各矛头形状的探头，它能将被测的物理量变换成电流、电压，只要选择合适的元件参数。

如R、L、C设计相应的电路，便能完成这种对应关系。

这种方法设计难度大，信号稳定度差，在模拟处理系统中不宜采用。

(2) 通过传感器拾取信号由专业人员将敏感元件和相应的测量电路、传递机构以适当的形式制成不同类型、不同用处的传感器，根据原理输出电量。

该电量可以是模拟量或数字量，现代传感器还可以输出开关量，用于数字逻辑电路。

(3) 通过测量仪表拾取被测信号目前有许多测量仪表用于各种测量中，有大信号输出、有BCD码输出等，但价格昂贵，专业性强，一般不适合通用系统。

通用的转速测量系统大都采用一种俗称“码盘”的传感装置，将圆形的码盘固定在转轴上，码盘上有若干规则排列的小孔，用光电偶来输出电信号，以反映转速对应关系，即是将转轴的速度以脉冲形式反映出来，通常有两种形式：(1) 模拟量量化后经A/D转换，由数字量反映角度，供单片机计算处理，得出转速。

(2) 直接由脉冲来反应转轴的角度，用每转产生的脉冲经单片机处理得出转速。

2．整形和倍频前向通道中，从传感器输出的信号必须转换成单片机输入要求的信号，由于信号调节电路与传感器的选择，现场干扰程度等，都会影响信号的质量。

而脉冲信号的上升沿和下降沿对数字电路的触发尤为重要，若要将转速脉冲信号直接加到计数器或外部中断的输入端，并利用其上升沿来触发进行计数，则必须要求输入的信号有陡峭的上升沿或下降沿。

处理方法上可以用触发器电路来整形；而倍频电路主要用于解决低转速时测量精度问题及码盘的刻度误差而造成的精度下降问题。

方法是在每转中增加脉冲的个数(码盘的线程数)来提高精度。

但在高转速时，由于脉冲个数的增加，限制了最高转速测量量程，这个问题可用单片机控制来动态处理解决，兼顾高低转速的测量精度。

3．单片机单片机是整个测量系统的主要部分，担负对前端脉冲信号的处理、计算、以及信号的同步，计时等任务，其次，将测量的数据经计算后，将得到的转速值传送到显示接口中，用数码管显示数值。

在本系统中考虑到计数的范围、使用的定时，计数器的个数及I/O口线，预选用89C51单片机。

具体工作情况在后讨论。

4．驱动和显示由于LED数码管具有亮度高、可靠性好等特点，工业测控系统中常用LED 数码管作为显示输出。

本系统也采用数码管作显示。

LED显示器是用发光二极管显示字段的，通常使用七段构成“日”字型和一只发光二极管作为小数点，称八段数码显示器。

其有两种驱动方式，共阴驱动和共阳驱动，共阴驱动是各段发光二极管的阴极连在一起，并将公共端接地，在共阳结构中，将各段发光二极管阳极连在一起，并将公共端接上+5V电源，显示字符对应字型代码发光。

2.2 硬件设计总体方案硬件设计的任务是根据总体设计要求，在系统工作原理的基础上，具体确定系统中所要使用的元器件，设计出系统的原理框图、电路原理图。

转速是工程中应用非常广泛的一个参数，早期模拟量的模拟处理一直是作为转速测量的主要方法，这种测量方法在测量范围和测量精度上，已不能适应现代科技发展的要求。

而随着大规模及超大规模集成电路技术的发展，数字测量系统得到普遍应用，利用单片机对脉冲数字信号的强大处理能力，应用全数字化的结构，使数字测量系统的越来越普及,在测量范围和测量精度方面都有极大的提高。

在本转速测量系统由霍尔传感器、单片机和显示器、键盘电路等组成。

传感器部分采用UGN3144霍尔传感器，负责将被测量量的转速转化为脉冲信号。

因为采用的是集成霍尔开关元件，输出的是数字信号，可以直接把脉冲信号送入单片机进行处理。

单片机采用AT89C51，显示器采用4个7段LED数码管动态显示，其系统框图如2-2所示。