【正文】 為中心，設(shè)計(jì)的全數(shù)字化測(cè)量轉(zhuǎn)速系統(tǒng)，在工業(yè)控制和民用電器中都有較高使用價(jià)值。其可以應(yīng)用于工業(yè)控制中的某一部分，如數(shù)控車床的電機(jī)轉(zhuǎn)速檢測(cè)和控制、水泵流量控制以及需要利用轉(zhuǎn)速檢測(cè)來進(jìn)行控制的許多場(chǎng)合。如車輛的里程表、車速表等。其次該轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)由于采用全數(shù)字化結(jié)構(gòu)，因而可以很方便的和工業(yè)控制計(jì)算機(jī)進(jìn)行連接，實(shí)行遠(yuǎn)程管理和控制，進(jìn)一步提高現(xiàn)代化水平。并且，幾乎不需做很大改變直接就能作為單獨(dú)的使用產(chǎn)品?？傊D(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)的研究是一件非常有意義的課題。 數(shù)字單片機(jī)的技術(shù)進(jìn)步反映在內(nèi)部結(jié)構(gòu)、功率消耗、外部電壓等級(jí)以及制造工藝上。在這幾方面，較為典型地說明了數(shù)字單片機(jī)的 發(fā)展 水平。在目前，用戶對(duì)單片機(jī)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(gè)方面 來 說明單片機(jī)的技術(shù)進(jìn)步狀況。 單片機(jī)在內(nèi)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(shí)器，比較器， A/D 轉(zhuǎn)換器， D /A 轉(zhuǎn)換器，串行通信接口， Watchdog 電路， LCD 控制器等。 有的單片機(jī)為了構(gòu)成控制網(wǎng)絡(luò)或形成局部網(wǎng)，內(nèi)部含有局部網(wǎng)絡(luò)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(jī) C167CS32FM 中，內(nèi)部還含有 2 個(gè) CAN。因此，這類單片機(jī)十分容易構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)。特別是在控制，系統(tǒng)較為復(fù)雜時(shí)，構(gòu)成一個(gè)控制網(wǎng)絡(luò)十分有用。 為 了能在變頻控制中方便使用單片機(jī)，形成最具經(jīng)濟(jì)效益的嵌入式控制系統(tǒng)。有的單片機(jī)內(nèi)部設(shè)置了專門用于變頻控制的脈寬調(diào)制控制電路，這些單片機(jī)有 Fujitsu 公司的MB89850 系列、 MB89860 系列； Motorola 公司的 MC68HC08MR1 MR24 等。在這些單片機(jī)中，脈寬調(diào)制電路有 6 個(gè)通道輸出，可產(chǎn)生三相脈寬調(diào)制交流電壓，并內(nèi)部含死區(qū)控制等功能。 常州大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 2 頁 共 34 頁 在國內(nèi)，隨著集成塊國產(chǎn)化的成熟和電子技術(shù)的飛速發(fā)展，轉(zhuǎn)速儀表結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單化，品種多樣化與系列化。未來要進(jìn)一步要向人性化發(fā)展，在滿足使用的同時(shí)，為使用者帶來方便與舒 適。 單片機(jī)測(cè)控系統(tǒng) 單片機(jī)可以構(gòu)成各種工業(yè)控制系統(tǒng)、適應(yīng)控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等。在這個(gè)領(lǐng)域中，有不少是采用通用 CPU 單板機(jī)或通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。隨著單片機(jī)技術(shù)的發(fā)展，大部分都可以用單片機(jī)系統(tǒng)或單片機(jī)加通用機(jī)系統(tǒng)來代替。如氣輪機(jī)電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)、調(diào)速系統(tǒng)等。典型的應(yīng)用系統(tǒng)是單片機(jī)要完成工業(yè)測(cè)控功能所必須具備的硬件結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，它包括系統(tǒng)擴(kuò)展和系統(tǒng)配置兩部分內(nèi)容。 應(yīng)用系統(tǒng)如圖 所示，整個(gè)系統(tǒng)由基本部分和測(cè)控增強(qiáng)部分及外設(shè)增強(qiáng)部分構(gòu)成?；静糠质峭鈬酒臄U(kuò)展及功能鍵盤、顯示器配置，通過總線連接而成， 測(cè)控增強(qiáng)部分主要是傳感器接口與伺服驅(qū)動(dòng)控制接口。它們直接與工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)相連，是干擾進(jìn)入的主要通道，一般要采取隔離措施對(duì)于數(shù)字量（頻率、周期、相位、計(jì)數(shù)）的采集后可通過 I/O 口輸入，數(shù)字脈沖可直接作為計(jì)數(shù)輸入、測(cè)試輸入、 I/O 口輸入或中斷源輸入進(jìn)行事件計(jì)數(shù)、定時(shí)計(jì)數(shù)、實(shí)現(xiàn)脈沖的頻率、相位及計(jì)數(shù)測(cè)量。 對(duì)于模擬量的采集，則應(yīng)通過 A/D 變換后送入總線口， I/O 口或擴(kuò)展 I/O 口，并配以相應(yīng)的 A/D 轉(zhuǎn)換控制信號(hào)及地址線。對(duì)于開關(guān)量的采集則一般通過 I/O 口或擴(kuò)展 I/O 口線。 應(yīng)用系統(tǒng)可根據(jù)任何一種 輸入條件或內(nèi)部運(yùn)行結(jié)果進(jìn)行輸出控制。開關(guān)量輸出控制有時(shí)序開關(guān)、邏輯開關(guān)、信號(hào)開關(guān)陣列等，通常，這些開關(guān)量也是通過 I/O 口或擴(kuò)展 I/O 口輸出。模擬量的輸出常為伺服驅(qū)動(dòng)控制，控制輸出通過 D/A 變換后送入伺服驅(qū)動(dòng)電路。 圖 單片機(jī)典型應(yīng)用系統(tǒng) 常州大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 3 頁 共 34 頁 轉(zhuǎn)速測(cè)量在國民經(jīng)濟(jì)中的應(yīng)用 轉(zhuǎn)速測(cè)量的應(yīng)用系統(tǒng)在工業(yè)生產(chǎn)、科技教育、民用電器等各領(lǐng)域的應(yīng)用極為廣泛，往往成為某一產(chǎn)品或控制系統(tǒng)的核心部分，其各種參數(shù)在不同的應(yīng)用中有其側(cè)重，但轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)作為普遍的應(yīng)用在國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中，有重要的意義 。 例如 直流電機(jī)具有良好的起、制動(dòng)性能，易于在寬廣范圍內(nèi)平滑 測(cè) 速，所以長(zhǎng)期以來在要求 轉(zhuǎn) 速指標(biāo)較高的場(chǎng)合獲得了廣泛應(yīng)用。隨著電力電子技術(shù)和控制技術(shù)的發(fā)展，交流 測(cè) 速系統(tǒng)日趨完善，其性能可與直流 測(cè) 速系統(tǒng)相媲美，其 測(cè) 速的應(yīng)用范圍日益擴(kuò)大，但它的控制技術(shù)相對(duì)復(fù)雜，整個(gè)控制系統(tǒng)造價(jià)較高，在某些領(lǐng)域短時(shí)間內(nèi)還難以取直流調(diào)速系統(tǒng)。 測(cè) 速系統(tǒng)主電路線路簡(jiǎn)單，所用的功率元件少；開關(guān)頻率高，可達(dá)到 1000～ 4000Ｈｚ，電流易連續(xù)，諧波少，脈動(dòng)小，電機(jī)損耗和發(fā)熱都較??；低速性能好，穩(wěn)態(tài)精度高，因而 測(cè) 速范圍寬； 測(cè) 速系統(tǒng)頻帶寬，快速 響應(yīng)性能好，動(dòng)態(tài)抗擾能力強(qiáng)；主電路元件工作在開關(guān)狀太。道統(tǒng)損耗小，裝置效率高；直流電源采用三相整流時(shí)，電網(wǎng)功率因數(shù)高，可廣泛用于交通、工礦企業(yè)等電力傳動(dòng)系統(tǒng)中。 隨著技術(shù)成熟和飛速發(fā)展，轉(zhuǎn)速儀表結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單化，品種多樣化與系列化。未來要進(jìn)一步要向人性化發(fā)展，在滿足使用的同時(shí)，為使用者帶來方便與舒適。測(cè)速應(yīng)用的普及，為儀表結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化提供了技術(shù)基礎(chǔ)。且通過智能芯片的運(yùn)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(tǒng)構(gòu)建方案 系統(tǒng)總體功能概述 系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)功能是 :AT89C51 單片 機(jī)接收霍爾傳感器傳來的脈沖信號(hào) ,單片機(jī)根據(jù)外部中斷 ,以及內(nèi)部定時(shí)器進(jìn)行記數(shù)計(jì)算出電機(jī)轉(zhuǎn)速送到 LED 顯示，同時(shí)數(shù)據(jù)傳給 PC機(jī) ,并在 PC 機(jī)屏幕上顯示出來。記錄各時(shí)段的轉(zhuǎn)速，畫出 VT 坐標(biāo)圖。 系統(tǒng)主要完成以下功能： 1． 采用高性價(jià)比的單片機(jī)。 2． 編寫數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)和通信程序。 3． 采用結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)方案。 4． 可保存測(cè)量數(shù)據(jù)，可與 PC 機(jī)通信。 根據(jù)系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)的功能以及要求，要實(shí)現(xiàn)單片機(jī)的轉(zhuǎn)速測(cè)量主要是各個(gè)模塊的設(shè)計(jì)，以及 LCD 顯示 及 PC 機(jī)之間的通信。 單片機(jī)可通過編程控制外圍部件，能實(shí)現(xiàn)較高的自動(dòng)化程度。以它為系統(tǒng)核心 的控制模塊可實(shí)現(xiàn)主從控制，完成預(yù)定的任務(wù)。 將霍爾傳感器產(chǎn)生的脈沖信號(hào)輸出入到單片機(jī)的外部中斷 0 口，單片機(jī)工作在內(nèi)部定時(shí)器工作方式 0，對(duì)周期信號(hào)進(jìn)行內(nèi)部記數(shù)，調(diào)用計(jì)算公式算出轉(zhuǎn)速，調(diào)用顯示程序顯示在 LCD 上，同時(shí)通過串口向上位機(jī)發(fā)送轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)。 常州大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 4 頁 共 34 頁 方案原理 基于單片機(jī)的電機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量?jī)x表設(shè)計(jì) 主要是利用 STC89C52RC 單片機(jī)和傳感器來設(shè)計(jì)電機(jī)測(cè)速系統(tǒng)。利用傳感器采集脈沖信號(hào)，通過定時(shí)計(jì)數(shù)算法程序，將轉(zhuǎn)速結(jié)果實(shí)時(shí)顯示出來。 其測(cè)速原理框圖如圖 所示： 圖 電機(jī)測(cè)速系統(tǒng)原理 圖 方案 介紹 霍爾傳感器及磁鋼： 將磁鋼安裝在電機(jī)的轉(zhuǎn)軸上，而霍爾傳感器則放在轉(zhuǎn)軸的旁邊，霍爾傳感器連接在電路中，當(dāng)磁鋼隨轉(zhuǎn)軸經(jīng)過霍爾傳感器時(shí)，由開關(guān)型霍爾傳感器的工作原理知，此時(shí)將輸出一個(gè)低電平信號(hào)；而當(dāng)磁鋼離開霍爾傳感器后，又將輸出一個(gè)高電平。這樣通過高低電平的轉(zhuǎn)換，將其送入單片機(jī)后就可以測(cè)量它的轉(zhuǎn)速。這種傳感器體積小、無觸點(diǎn)、動(dòng)態(tài)特性好， 在工作溫度區(qū)內(nèi)精度優(yōu)于 1%。且當(dāng)原邊電流超負(fù)荷，模塊達(dá)到飽和，可自動(dòng)保護(hù)，即使過載電流是額定值的 20 倍也不會(huì)損壞模塊，過載能力強(qiáng)。靈敏度較高，能夠區(qū)分在“高 分量”上的弱信號(hào)。 測(cè)頻方式：頻率是周期性信號(hào)在單位時(shí)間變化的次數(shù)。電子計(jì)數(shù)器是嚴(yán)格按照 f＝N/T 的定義進(jìn)行測(cè)頻，從其對(duì)應(yīng)的測(cè)頻原理方框圖和工作時(shí)間波形可以看出測(cè)量過程：輸入待測(cè)信號(hào)經(jīng)過脈沖形成電路形成計(jì)數(shù)的窄脈沖，時(shí)基信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生計(jì)數(shù)閘門信號(hào)，待測(cè)信號(hào)通過閘門進(jìn)入計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，即可得到其頻率。 顯示器采用 LED 數(shù)碼管 ，是一種能夠?qū)㈦娔苻D(zhuǎn)化為可見光的固態(tài)的 半導(dǎo)體器件 ，它可以直接把電轉(zhuǎn)化為光 。 實(shí)際上是由七 個(gè)發(fā)光管組成 8字形構(gòu)成的，加上小數(shù)點(diǎn)就是 8個(gè)。 通過這一器件可以將測(cè)得的轉(zhuǎn)速顯示出來。 單片機(jī) STC89C52RC 是 新一代高速 /低功耗 /超強(qiáng)抗干擾的單片機(jī)，指令代碼完全兼容傳統(tǒng) 8051 單片機(jī)， 12 時(shí)鐘 /機(jī)器周期和 6時(shí)鐘 /機(jī)器周期可以任意選擇。 用戶應(yīng)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(gè)）復(fù)位后為： P1/P2/P3/P4 是準(zhǔn)雙向口 /弱上拉， P0 口是漏極開路輸出，作為總線擴(kuò)展用時(shí)，不用加上拉電阻，作 常州大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 5 頁 共 34 頁 為 I/O 口用時(shí)，需加上拉電阻。共 3 個(gè) 16 位定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器。即定時(shí)器 T0、 T T2。 存儲(chǔ)數(shù)據(jù)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(shí)間短。 為了實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)通信，本設(shè)計(jì)選用串口通信方式。 串口是一種非常通用 的 設(shè)備通信的協(xié)議 ， 大多數(shù)計(jì)算機(jī)包含兩個(gè)基于 RS232 的串口 ， RS232 是 美國電子工業(yè)協(xié)會(huì) EIA制定的一種串行 物理 接口標(biāo)準(zhǔn) ,有 25 條信號(hào)線，包括一個(gè)主通道和一個(gè)輔助通道。 在多數(shù)情況下主要使用主通道，對(duì)于一般通信，僅需幾條信號(hào)線就可實(shí)現(xiàn)，如一條發(fā)送線、一條接收線及一條地線。 本設(shè)計(jì)基于 RS232 方式，實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與上位機(jī)的通信。 3 硬件電路設(shè)計(jì) 轉(zhuǎn)速檢測(cè)模塊 開關(guān)型霍爾電路 霍爾傳感器是利用霍爾效應(yīng)原理制成的一種磁敏傳感器。它是近年來為適應(yīng)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(yīng)快、面積小、靈敏度高、無缺點(diǎn)、便于集成化、多功能化等 優(yōu)點(diǎn)，且易與計(jì)算機(jī)和其它數(shù)字儀表接口，因此被廣泛用于自動(dòng)監(jiān)測(cè)、自動(dòng)測(cè)量、自動(dòng)報(bào)警、自動(dòng)控制、信息傳遞、生物醫(yī)學(xué)等各個(gè)領(lǐng)域。 此處主要介紹開關(guān)型霍爾傳感器。 開關(guān)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(jīng)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(yīng)面方向施加磁場(chǎng)，產(chǎn)生霍爾電勢(shì) 差 Vw，該 n信號(hào)經(jīng)差分放大器 c放大后送至施密特觸發(fā)器 D整形．當(dāng)磁場(chǎng)達(dá)到“工作點(diǎn)” (即 B)時(shí)，觸發(fā)器 D輸出高電 壓 (相對(duì)于地電位 )，使三極管 E導(dǎo)通，輸出端 V。輸出低電位，此狀態(tài)稱為“開”。 當(dāng)施加的磁場(chǎng)達(dá)到“釋放點(diǎn)” (即 B)時(shí)，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(guān)”。這樣 2次高低電位變換，使霍爾傳感器完成了1次開關(guān)動(dòng)作。開關(guān)型霍爾傳感器構(gòu)成圖如圖 ： 圖 開關(guān)型霍爾傳感器構(gòu)成圖 常州大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 6 頁 共 34 頁 開關(guān)型霍爾集成傳感器 (以下簡(jiǎn)稱開關(guān)型霍爾傳感器 )主要被應(yīng)用于周期和頻率的測(cè)量、轉(zhuǎn)速的測(cè)量、液位控制等方面。 常用的開關(guān)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?yàn)榇艌?chǎng)僅僅是由空間輸入的。 規(guī)定用磁鐵的 S極接近開關(guān)型霍爾傳感器正面時(shí)形成的 B為正值，從圖 ：當(dāng) B =0時(shí)， 0為高； B=Bop時(shí)， 0立即變低，這點(diǎn)稱為“工作點(diǎn)”。繼續(xù)升高 B， 0不變。降低 B到 BRp時(shí)， Vo又回升。這點(diǎn)稱為“釋放點(diǎn)”。 如圖 ， B 一 B 稱為磁滯。在此差值內(nèi)，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(guān)型霍爾傳感器輸出電壓與外加磁感應(yīng)強(qiáng)度關(guān)系 傳感檢測(cè)電路 速度檢測(cè)電路其電路圖如圖 所示。 當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，帶動(dòng)傳感器，產(chǎn)生對(duì)應(yīng)頻率的脈沖信號(hào)，經(jīng)過電路將信號(hào)處理后輸出到一個(gè)單片機(jī)可以識(shí)別的信號(hào)發(fā)送到計(jì)數(shù)器或其他的脈沖計(jì)數(shù)裝置，進(jìn)行轉(zhuǎn)速的測(cè)量。在實(shí)際的使用中，一般需要一個(gè)鐵質(zhì)的測(cè)速齒輪，齒厚大于 2 mm 即可，將之固定在待測(cè)轉(zhuǎn)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(cè)電路中將磁鋼安裝在電機(jī)的轉(zhuǎn)軸上，而霍爾傳感器則放在轉(zhuǎn)軸的旁邊，霍爾傳感器連接在電路中，當(dāng)磁鋼隨轉(zhuǎn)軸經(jīng)過霍爾傳感器時(shí)，由開關(guān)型霍爾傳感器的工作原理知，此時(shí)將輸出一個(gè)低電平信號(hào)；而當(dāng) 磁鋼離開霍爾傳感器后，又將輸出一個(gè)高電平。這樣通過高低電平的轉(zhuǎn)換，將其送入單片機(jī)后就可以測(cè)量它的轉(zhuǎn)速。其電路如圖 所示。 常州大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 7 頁 共 34 頁 圖 檢測(cè)電路部分電路圖 單片機(jī)模塊 單片機(jī)最小系統(tǒng)電路如圖 所示，由主控器 STC89C5時(shí)鐘電路和復(fù)位電路三部分組成。單片機(jī) STC89C52 作為核心控制器控制著整個(gè)系統(tǒng)的工作，而時(shí)鐘電路負(fù)責(zé)產(chǎn)生單片機(jī)工作所必需的時(shí)鐘信號(hào)，復(fù)位電路使得單片機(jī)能夠正常、有序、穩(wěn)定地工作。本設(shè)計(jì)基于這個(gè)最小系統(tǒng)，進(jìn)行單片機(jī)模塊設(shè)計(jì)。 圖 單片機(jī)最小系統(tǒng) T0 常州大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 8 頁 共 34 頁 主控器 STC89C52 的介紹 本系統(tǒng)采用單片機(jī) STC8952RC 作