【正文】 為中心，設計的全數字化測量轉速系統，在工業(yè)控制和民用電器中都有較高使用價值。其可以應用于工業(yè)控制中的某一部分，如數控車床的電機轉速檢測和控制、水泵流量控制以及需要利用轉速檢測來進行控制的許多場合。如車輛的里程表、車速表等。其次該轉速測量系統由于采用全數字化結構，因而可以很方便的和工業(yè)控制計算機進行連接，實行遠程管理和控制，進一步提高現代化水平。并且，幾乎不需做很大改變直接就能作為單獨的使用產品?？傊?，轉速測量系統的研究是一件非常有意義的課題。 數字單片機的技術進步反映在內部結構、功率消耗、外部電壓等級以及制造工藝上。在這幾方面，較為典型地說明了數字單片機的 發(fā)展 水平。在目前，用戶對單片機的需要越來越多，但是，要求也 是 越來越高。下面分別就這四個方面 來 說明單片機的技術進步狀況。 單片機在內部已集成了越來越多的部件，這些部 件包括一般常用的電路，例如：定時器，比較器， A/D 轉換器， D /A 轉換器，串行通信接口， Watchdog 電路， LCD 控制器等。 有的單片機為了構成控制網絡或形成局部網，內部含有局部網絡控制模塊 CAN。例如， Infineon 公司的 C 505C， C515C， C167CR， C167CS32FM， 81C90； Motorola 公司的 68HC08AZ 系列等。特別是在單片機 C167CS32FM 中，內部還含有 2 個 CAN。因此，這類單片機十分容易構成網絡。特別是在控制，系統較為復雜時，構成一個控制網絡十分有用。 為 了能在變頻控制中方便使用單片機，形成最具經濟效益的嵌入式控制系統。有的單片機內部設置了專門用于變頻控制的脈寬調制控制電路，這些單片機有 Fujitsu 公司的MB89850 系列、 MB89860 系列； Motorola 公司的 MC68HC08MR1 MR24 等。在這些單片機中，脈寬調制電路有 6 個通道輸出，可產生三相脈寬調制交流電壓，并內部含死區(qū)控制等功能。 常州大學本科生畢業(yè)設計 第 2 頁 共 34 頁 在國內，隨著集成塊國產化的成熟和電子技術的飛速發(fā)展，轉速儀表結構簡單化，品種多樣化與系列化。未來要進一步要向人性化發(fā)展，在滿足使用的同時，為使用者帶來方便與舒 適。 單片機測控系統 單片機可以構成各種工業(yè)控制系統、適應控制系統、數據采集系統等。在這個領域中，有不少是采用通用 CPU 單板機或通用計算機系統。隨著單片機技術的發(fā)展，大部分都可以用單片機系統或單片機加通用機系統來代替。如氣輪機電液調節(jié)系統、調速系統等。典型的應用系統是單片機要完成工業(yè)測控功能所必須具備的硬件結構系統，它包括系統擴展和系統配置兩部分內容。 應用系統如圖 所示，整個系統由基本部分和測控增強部分及外設增強部分構成。基本部分是外圍芯片的擴展及功能鍵盤、顯示器配置，通過總線連接而成， 測控增強部分主要是傳感器接口與伺服驅動控制接口。它們直接與工業(yè)現場相連，是干擾進入的主要通道，一般要采取隔離措施對于數字量（頻率、周期、相位、計數）的采集后可通過 I/O 口輸入，數字脈沖可直接作為計數輸入、測試輸入、 I/O 口輸入或中斷源輸入進行事件計數、定時計數、實現脈沖的頻率、相位及計數測量。 對于模擬量的采集，則應通過 A/D 變換后送入總線口， I/O 口或擴展 I/O 口，并配以相應的 A/D 轉換控制信號及地址線。對于開關量的采集則一般通過 I/O 口或擴展 I/O 口線。 應用系統可根據任何一種 輸入條件或內部運行結果進行輸出控制。開關量輸出控制有時序開關、邏輯開關、信號開關陣列等，通常，這些開關量也是通過 I/O 口或擴展 I/O 口輸出。模擬量的輸出常為伺服驅動控制，控制輸出通過 D/A 變換后送入伺服驅動電路。 圖 單片機典型應用系統 常州大學本科生畢業(yè)設計 第 3 頁 共 34 頁 轉速測量在國民經濟中的應用 轉速測量的應用系統在工業(yè)生產、科技教育、民用電器等各領域的應用極為廣泛，往往成為某一產品或控制系統的核心部分，其各種參數在不同的應用中有其側重，但轉速測量系統作為普遍的應用在國民經濟發(fā)展中，有重要的意義 。 例如 直流電機具有良好的起、制動性能，易于在寬廣范圍內平滑 測 速，所以長期以來在要求 轉 速指標較高的場合獲得了廣泛應用。隨著電力電子技術和控制技術的發(fā)展，交流 測 速系統日趨完善，其性能可與直流 測 速系統相媲美，其 測 速的應用范圍日益擴大，但它的控制技術相對復雜，整個控制系統造價較高，在某些領域短時間內還難以取直流調速系統。 測 速系統主電路線路簡單，所用的功率元件少；開關頻率高，可達到 1000～ 4000Ｈｚ，電流易連續(xù)，諧波少，脈動小，電機損耗和發(fā)熱都較??；低速性能好，穩(wěn)態(tài)精度高，因而 測 速范圍寬； 測 速系統頻帶寬，快速 響應性能好，動態(tài)抗擾能力強；主電路元件工作在開關狀太。道統損耗小，裝置效率高；直流電源采用三相整流時，電網功率因數高，可廣泛用于交通、工礦企業(yè)等電力傳動系統中。 隨著技術成熟和飛速發(fā)展，轉速儀表結構簡單化，品種多樣化與系列化。未來要進一步要向人性化發(fā)展，在滿足使用的同時，為使用者帶來方便與舒適。測速應用的普及，為儀表結構簡化提供了技術基礎。且通過智能芯片的運用，將在未來使同一儀表硬件，具有多種可量身定做的功能。 2 系統構建方案 系統總體功能概述 系統主要實現功能是 :AT89C51 單片 機接收霍爾傳感器傳來的脈沖信號 ,單片機根據外部中斷 ,以及內部定時器進行記數計算出電機轉速送到 LED 顯示，同時數據傳給 PC機 ,并在 PC 機屏幕上顯示出來。記錄各時段的轉速，畫出 VT 坐標圖。 系統主要完成以下功能： 1． 采用高性價比的單片機。 2． 編寫數據采集、存儲和通信程序。 3． 采用結構化程序設計方案。 4． 可保存測量數據，可與 PC 機通信。 根據系統要實現的功能以及要求，要實現單片機的轉速測量主要是各個模塊的設計，以及 LCD 顯示 及 PC 機之間的通信。 單片機可通過編程控制外圍部件，能實現較高的自動化程度。以它為系統核心 的控制模塊可實現主從控制，完成預定的任務。 將霍爾傳感器產生的脈沖信號輸出入到單片機的外部中斷 0 口，單片機工作在內部定時器工作方式 0，對周期信號進行內部記數，調用計算公式算出轉速，調用顯示程序顯示在 LCD 上，同時通過串口向上位機發(fā)送轉速數據。 常州大學本科生畢業(yè)設計 第 4 頁 共 34 頁 方案原理 基于單片機的電機轉速測量儀表設計 主要是利用 STC89C52RC 單片機和傳感器來設計電機測速系統。利用傳感器采集脈沖信號，通過定時計數算法程序，將轉速結果實時顯示出來。 其測速原理框圖如圖 所示： 圖 電機測速系統原理 圖 方案 介紹 霍爾傳感器及磁鋼： 將磁鋼安裝在電機的轉軸上，而霍爾傳感器則放在轉軸的旁邊，霍爾傳感器連接在電路中，當磁鋼隨轉軸經過霍爾傳感器時，由開關型霍爾傳感器的工作原理知，此時將輸出一個低電平信號；而當磁鋼離開霍爾傳感器后，又將輸出一個高電平。這樣通過高低電平的轉換，將其送入單片機后就可以測量它的轉速。這種傳感器體積小、無觸點、動態(tài)特性好， 在工作溫度區(qū)內精度優(yōu)于 1%。且當原邊電流超負荷，模塊達到飽和，可自動保護，即使過載電流是額定值的 20 倍也不會損壞模塊，過載能力強。靈敏度較高，能夠區(qū)分在“高 分量”上的弱信號。 測頻方式：頻率是周期性信號在單位時間變化的次數。電子計數器是嚴格按照 f＝N/T 的定義進行測頻，從其對應的測頻原理方框圖和工作時間波形可以看出測量過程：輸入待測信號經過脈沖形成電路形成計數的窄脈沖，時基信號發(fā)生器產生計數閘門信號，待測信號通過閘門進入計數器計數，即可得到其頻率。 顯示器采用 LED 數碼管 ，是一種能夠將電能轉化為可見光的固態(tài)的 半導體器件 ，它可以直接把電轉化為光 。 實際上是由七 個發(fā)光管組成 8字形構成的，加上小數點就是 8個。 通過這一器件可以將測得的轉速顯示出來。 單片機 STC89C52RC 是 新一代高速 /低功耗 /超強抗干擾的單片機，指令代碼完全兼容傳統 8051 單片機， 12 時鐘 /機器周期和 6時鐘 /機器周期可以任意選擇。 用戶應用程序空間為 8K字節(jié) ， 片上集成 512 字節(jié) RAM， 通用 I/O 口（ 32 個）復位后為： P1/P2/P3/P4 是準雙向口 /弱上拉， P0 口是漏極開路輸出，作為總線擴展用時，不用加上拉電阻，作 常州大學本科生畢業(yè)設計 第 5 頁 共 34 頁 為 I/O 口用時，需加上拉電阻。共 3 個 16 位定時器 /計數器。即定時器 T0、 T T2。 存儲數據所用 6264 靜態(tài) RAM， 容量為 8KB，是 28 引腳雙列直插式芯片，采用 CMOS工藝制造 。具備兼容 TTL、完全靜態(tài)的特性，功耗小，存取時間短。 為了實現與上位機通信，本設計選用串口通信方式。 串口是一種非常通用 的 設備通信的協議 ， 大多數計算機包含兩個基于 RS232 的串口 ， RS232 是 美國電子工業(yè)協會 EIA制定的一種串行 物理 接口標準 ,有 25 條信號線，包括一個主通道和一個輔助通道。 在多數情況下主要使用主通道，對于一般通信，僅需幾條信號線就可實現，如一條發(fā)送線、一條接收線及一條地線。 本設計基于 RS232 方式，實現單片機與上位機的通信。 3 硬件電路設計 轉速檢測模塊 開關型霍爾電路 霍爾傳感器是利用霍爾效應原理制成的一種磁敏傳感器。它是近年來為適應信息采集的需要而迅速發(fā)展起來的一種新型傳感器，這類傳感器具有工作頻帶寬，響應快、面積小、靈敏度高、無缺點、便于集成化、多功能化等 優(yōu)點，且易與計算機和其它數字儀表接口，因此被廣泛用于自動監(jiān)測、自動測量、自動報警、自動控制、信息傳遞、生物醫(yī)學等各個領域。 此處主要介紹開關型霍爾傳感器。 開關型霍爾傳感器由穩(wěn)壓器 A、硅霍爾片 B、差分放大器 C、施密特觸發(fā)器 D和 OC門輸出 E五部分組成，如圖 ．從輸入端 1輸入電壓 Vcc，經穩(wěn)壓器 A穩(wěn)壓后加在硅霍爾片 B的兩端，以提供恒定不變的工作電流。在垂直于霍爾片的感應面方向施加磁場，產生霍爾電勢 差 Vw，該 n信號經差分放大器 c放大后送至施密特觸發(fā)器 D整形．當磁場達到“工作點” (即 B)時，觸發(fā)器 D輸出高電 壓 (相對于地電位 )，使三極管 E導通，輸出端 V。輸出低電位，此狀態(tài)稱為“開”。 當施加的磁場達到“釋放點” (即 B)時，觸發(fā)器 D輸出低電壓，使三極管 E截止，輸出端 y。輸出高電位，此狀態(tài)稱為“關”。這樣 2次高低電位變換，使霍爾傳感器完成了1次開關動作。開關型霍爾傳感器構成圖如圖 ： 圖 開關型霍爾傳感器構成圖 常州大學本科生畢業(yè)設計 第 6 頁 共 34 頁 開關型霍爾集成傳感器 (以下簡稱開關型霍爾傳感器 )主要被應用于周期和頻率的測量、轉速的測量、液位控制等方面。 常用的開關型霍爾傳感器有美國 sPRAG1 公司的UGN3000系列如 UGN30 UGN3O3O等。它們并沒有輸入端，因為磁場僅僅是由空間輸入的。 規(guī)定用磁鐵的 S極接近開關型霍爾傳感器正面時形成的 B為正值，從圖 ：當 B =0時， 0為高； B=Bop時， 0立即變低，這點稱為“工作點”。繼續(xù)升高 B， 0不變。降低 B到 BRp時， Vo又回升。這點稱為“釋放點”。 如圖 ， B 一 B 稱為磁滯。在此差值內，輸出電位 。保持高電位或低電位不變，因而輸出穩(wěn)定可靠。 圖 開關型霍爾傳感器輸出電壓與外加磁感應強度關系 傳感檢測電路 速度檢測電路其電路圖如圖 所示。 當電機轉動時，帶動傳感器，產生對應頻率的脈沖信號，經過電路將信號處理后輸出到一個單片機可以識別的信號發(fā)送到計數器或其他的脈沖計數裝置，進行轉速的測量。在實際的使用中，一般需要一個鐵質的測速齒輪，齒厚大于 2 mm 即可，將之固定在待測轉速的軸上。 所謂磁鋼，就是磁鋼就是一種有磁性的鋼鐵。 在傳感檢測電路中將磁鋼安裝在電機的轉軸上，而霍爾傳感器則放在轉軸的旁邊，霍爾傳感器連接在電路中，當磁鋼隨轉軸經過霍爾傳感器時，由開關型霍爾傳感器的工作原理知，此時將輸出一個低電平信號；而當 磁鋼離開霍爾傳感器后，又將輸出一個高電平。這樣通過高低電平的轉換，將其送入單片機后就可以測量它的轉速。其電路如圖 所示。 常州大學本科生畢業(yè)設計 第 7 頁 共 34 頁 圖 檢測電路部分電路圖 單片機模塊 單片機最小系統電路如圖 所示，由主控器 STC89C5時鐘電路和復位電路三部分組成。單片機 STC89C52 作為核心控制器控制著整個系統的工作，而時鐘電路負責產生單片機工作所必需的時鐘信號，復位電路使得單片機能夠正常、有序、穩(wěn)定地工作。本設計基于這個最小系統，進行單片機模塊設計。 圖 單片機最小系統 T0 常州大學本科生畢業(yè)設計 第 8 頁 共 34 頁 主控器 STC89C52 的介紹 本系統采用單片機 STC8952RC 作