【正文】 基于單片機(jī)的轉(zhuǎn)速檢測系統(tǒng)設(shè)計 第 1 頁 共 36 頁 第一章 概述 轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)的發(fā)展背景 隨著超大規(guī)模集成電路技術(shù)提高，尤其是單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)以其功能強(qiáng)大，價格低廉的顯著特點(diǎn)，使全數(shù)字化測量轉(zhuǎn)速系統(tǒng)得以廣泛應(yīng)用。由于單片機(jī)在測量轉(zhuǎn)速方面具有體積小、性能強(qiáng)、成本低的特點(diǎn)，越來越受到企業(yè)用戶的青睞。轉(zhuǎn)速是工程中應(yīng)用非常廣泛的一個參數(shù)，其測量方法較多，而模擬量的采集和模擬處理一直是轉(zhuǎn)速測量的主要方法，這種測量方技術(shù)已不能適應(yīng)現(xiàn)代科技發(fā)展的要求，在測量范圍和測量精度上，已不能滿足大多數(shù)系統(tǒng)的使用。隨著大規(guī)模及超大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字系統(tǒng) 測量得到普遍應(yīng)用，特別是單片機(jī)對脈沖數(shù)字信號的強(qiáng)大處理能力，使得全數(shù)字量系統(tǒng)越來越普及，其轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)也可以用全數(shù)字化處理。在測量范圍和測量精度方面都有極大的提高。 常用的檢測方法有機(jī)械式，光電式，霍爾式，頻閃法，高壓油管應(yīng)變法等，本課題主要是針對轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)的硬件和軟件系統(tǒng)的設(shè)計。運(yùn)用 51 系列單片機(jī)設(shè)計一種全數(shù)字化測速系統(tǒng)，從提高測量精度的角度出發(fā)，分析討論其產(chǎn)生誤差的可能原因。同時從實(shí)際硬件電路出發(fā)，分析電路的工作原理，根據(jù)設(shè)計具體情況提出修改方案和解決辦法。 本課題以單片機(jī)為核心，設(shè)計的全數(shù)字化測量轉(zhuǎn) 速系統(tǒng)，在工業(yè)控制和民用電器中都有較高使用價值。一方面它可以應(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)速檢測和控制 、 水泵流量控制以及需要利用轉(zhuǎn)速檢測來進(jìn)行控制的許多場合，如車輛的里程表 、 車速表等。另一方面由于該轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)采用全數(shù)字結(jié)構(gòu)，因而可以很方便的和工業(yè)控制機(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就能直接作為單獨(dú)的產(chǎn)品使用。 本設(shè)計課題的目的和意義 在工程實(shí)踐中 ， 經(jīng)常會遇到各種需要測量轉(zhuǎn)速的場合 ， 例如在發(fā)動機(jī)、電動機(jī)、卷揚(yáng)機(jī)、機(jī)床主軸等旋轉(zhuǎn)設(shè)備 的試驗(yàn)、運(yùn)轉(zhuǎn)和控制中 ， 常需要分時或連續(xù)測量和顯示其轉(zhuǎn)速及瞬時轉(zhuǎn)速。要測速，首先要解決是采樣問題。在使用模技術(shù)制作測速表時，常用測速發(fā)電機(jī)的方法，即將測速發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)軸與待測軸相連，測速發(fā)電機(jī)的電壓高低反映了轉(zhuǎn)速的高低。為了能精確地測量轉(zhuǎn)速外 ，還要保證測量的實(shí)時性 ， 要求能測得瞬時轉(zhuǎn)速方法。因此轉(zhuǎn)速的測試具有重要的意義。 基于單片機(jī)的轉(zhuǎn)速檢測系統(tǒng)設(shè)計 第 2 頁 共 36 頁 設(shè)計的應(yīng)用前景 現(xiàn)代工業(yè)、軍事、航天技術(shù)的發(fā)展越來越離不開電機(jī)和機(jī)電一體化技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，在很多應(yīng)用中，特別是一些軍事、航天和精密加工行業(yè)對電機(jī)的轉(zhuǎn)速有著較高的要求。因此， 對電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行精確的測量就顯得十分重要。測量電機(jī)轉(zhuǎn)速的方法有很多，常用的測量方法有機(jī)械轉(zhuǎn)速測量、光電轉(zhuǎn)速測量、頻閃轉(zhuǎn)速測量和磁性傳感器測量（包括磁敏、磁電和霍爾）。單片機(jī)雖然問世不久，然而體積小、價廉、功能強(qiáng)的特點(diǎn)決定了其高增長的銷售額，其性能也不 斷的提高，適用范圍也越來越廣。故采用單片機(jī)作為控制元件。由于光電 傳感器結(jié)構(gòu)牢固，體積小，重量輕，壽命長，安裝方便，又具有不怕灰塵油污、水氣及鹽霧，耐震動等優(yōu)點(diǎn)，適合野外、露天等工作環(huán)境比較差的場合。而電機(jī)的工作環(huán)境一般比較復(fù)雜， 光電 傳感器本身的特性又恰好適合比較復(fù) 雜的環(huán)境，所以本次設(shè)計傳感器采用 光電 傳感器。另外，在實(shí)際應(yīng)用中，很多場合要求測量系統(tǒng)具有報警功能，所以該系統(tǒng)有報警功能。以滿足對電機(jī)轉(zhuǎn)速的監(jiān)控。滿足工程實(shí)際的需要。 基于單片機(jī)的轉(zhuǎn)速檢測系統(tǒng)設(shè)計 第 3 頁 共 36 頁 第二 章 系統(tǒng)工作原理及方案 通過對該題目的設(shè)計， 使學(xué)生初步掌握電 子產(chǎn)品的 設(shè)計方法和步驟，使學(xué)生進(jìn)一步掌握 單片機(jī) 的工作原理，接口技術(shù)，軟件編制方法及熟練地使用 單片機(jī) 的開發(fā)裝置 ，為畢業(yè)后從事 電 子產(chǎn)品的 設(shè)計 、維護(hù)、維修打下一定的基礎(chǔ)。 轉(zhuǎn)速測量方法 轉(zhuǎn)速是指作圓周運(yùn)動的物體在單位時間內(nèi)所轉(zhuǎn)過的圈數(shù) ， 其大小及變化往往意味著機(jī)器設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)的正常 與否 ， 因此 ， 轉(zhuǎn)速測量一直是工業(yè)領(lǐng)域的一個重要問題。按照不同的理論方法 ， 先后產(chǎn)生過模擬測速法 (如離心式轉(zhuǎn)速表 ) 、同步測速法 (如機(jī)械式或閃光式頻閃測速儀 ) 以及計數(shù)測速法。計數(shù)測速法又可分為機(jī)械式定時計數(shù)法和電子式定時計數(shù)法。本文介紹的采用單片機(jī)和光電傳感器組成的高精度轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng) ， 其轉(zhuǎn)速測量方法采用的就是電子式定時計數(shù)法。 對轉(zhuǎn)速的測量實(shí)際上是對轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)引起的周期脈沖信號的頻率進(jìn)行測量。在頻率的工程測量中 ， 電子式定時計數(shù)測量頻率的方法一般有三種 ： （ 1）測頻率法 :在一定時間間隔 t 內(nèi) ， 計數(shù)被測信號的重復(fù)變化 次數(shù) N ， 則被測信號的頻率 fx 可表示為 f x =N/t （ 2）測周期法 :在被測信號的一個周期內(nèi) ， 計數(shù)時鐘脈沖數(shù) 0m ， 則被測信號頻率 fx = fc/ 0m ， 其中 ， fc 為時鐘脈沖信號頻率。 （ 3）多周期測頻法 :在被測信號 1m 個周期內(nèi) ， 計數(shù)時鐘脈沖數(shù) 2m ， 從而得到被測信號頻率 fx ， 則 fx 可以 表示為 fx = 1m fc/ 2m ， 1m 由測量準(zhǔn)確度確定。 電子式定時計數(shù)法測量頻率時 ， 其測量準(zhǔn)確度主要由兩項誤差來決定 :一項是時基誤差 ； 另一項是量化177。 1 誤差。當(dāng)時基誤差小于量化177。 1 誤差一個或兩個數(shù)量級時 ， 這時測量準(zhǔn)確度主要由量化177。 1 誤差來確定。對于測頻率法 ， 測量相對誤差為： 1Er =測量誤差值 /實(shí)際測量值 100 % =1/N 100 % 由此可見 ， 被測信號頻率越高 ， N 越大 ，1Er就越小 ， 所以測頻率法適用于高頻信號 (高轉(zhuǎn)速信號 ) 的測量。對于測周期法 ， 測量相對誤差為： 2Er =測量誤差值 /實(shí)際測量值 100 % =1/ 0m 100 % 對于給定的時鐘脈沖 fc ， 當(dāng)被測信號頻率越低時 ， 0m 越大 ， 2Er 就越小 ， 所以測周期法適用于低頻信號 (低轉(zhuǎn)速信號 ) 的測量。對于多周期測頻法 ， 測量基于單片機(jī)的轉(zhuǎn)速檢測系統(tǒng)設(shè)計 第 4 頁 共 36 頁 相對誤差為 ： 3Er =測量誤差值 /實(shí)際測量值 100%=1/ 2m 100 % 從上式可知 ， 被測脈沖信號周期數(shù) 1m 越 大 ， 2m 就越大 ， 則測量精度就越高。它適用于高、低頻信號 (高、低轉(zhuǎn)速信號 ) 的測量。但隨著精度和頻率的提高 ， 采樣周期將大大延長 ， 并且判 斷 1m 也要延長采樣周期 ， 不適合實(shí)時測量。 轉(zhuǎn)速測量原理 在此采用頻率測量法，其測量原理為，在固定的測量時間內(nèi)，計取轉(zhuǎn)速傳感器產(chǎn)生的脈沖個數(shù)，從而算出實(shí)際轉(zhuǎn)速 ，然后顯示出轉(zhuǎn)速。如圖 所示 圖 系統(tǒng)原理圖 各部分模塊的功能： 傳感器 ：用來對信號的采樣。 放大、整形電路：對傳感器送過來的信號進(jìn)行放大和整形，在送入單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理轉(zhuǎn)換。 單片機(jī)：對處理過的信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)速的實(shí)際值，送入 LED。 LED 顯示：用來對所測量到的轉(zhuǎn)速進(jìn)行顯示。 鍵盤：用來開啟和關(guān)閉數(shù)碼管。 基于單片機(jī)的轉(zhuǎn)速檢測系統(tǒng)設(shè)計 第 5 頁 共 36 頁 第三章 系統(tǒng) 方案 的選擇 轉(zhuǎn)速測量的方案選擇 ， 一般要考慮傳感器的結(jié)構(gòu)、安裝以及測速 范圍與環(huán)境條件等方面的適用性 ； 再就是二次儀表的要求 ， 除了顯示以外還有控制、通訊和遠(yuǎn)傳方面的要求。本 文中 給出兩種轉(zhuǎn)速測量方案 ， 經(jīng)過 查資料、構(gòu)思和自己的設(shè)計，總體電路我們有兩套設(shè)計方案，部分重要模塊也考慮了其它設(shè)計方法，經(jīng)過分析，從實(shí)現(xiàn)難度、熟悉程度、器件用量等方面綜合考慮，我 才最終選擇了一 個方案。下面就看一下我 對兩套設(shè)計方案 的簡要說明。 方案一： 霍爾傳感器測量方案 霍爾傳感器是利用 霍爾效應(yīng)進(jìn)行工作的。其核心元件是根據(jù)霍爾效應(yīng)原理制成的霍爾元件 。 霍爾轉(zhuǎn)速傳感器的 測速 原理圖如圖 所示 在非磁性材料的圓盤 邊上粘一塊磁鋼，霍爾傳感器放在靠近圓盤邊緣處，圓盤旋轉(zhuǎn)一周，霍爾傳感器就輸出一個脈沖，從而可測出轉(zhuǎn)數(shù)（計數(shù)器），若接入頻率計，便可測出轉(zhuǎn)速。 圖 霍爾轉(zhuǎn)速傳感器的測速原理圖 傳感器的定子上有 2 個互相垂直的 繞組 A 和 B， 在繞組的中心線上粘有霍爾片 HA 和 HB ， 轉(zhuǎn)子為永久磁鋼 ， 霍爾元件 HA 和 HB 的激勵電機(jī)分別與繞組 A 和 B 相連 ， 它們的霍爾電極串聯(lián)后作為傳感器的輸出。 基于單片機(jī)的轉(zhuǎn)速檢測系統(tǒng)設(shè)計 第 6 頁 共 36 頁 圖 缺點(diǎn)：采用霍爾傳感器在信號采樣的時候，會出現(xiàn)采樣不精確，因?yàn)樗强看判愿袘?yīng)才采集脈沖的，使用時間長了會出現(xiàn)磁性變小，影響脈沖的采樣精度。 方案二： 光電傳感器 方案 光電傳感器是采用光 電元件作為檢測元件的傳感器。它首先把被測量的變化轉(zhuǎn)換成光信號的變化，然后借助光電元件進(jìn)一步將光信號轉(zhuǎn)換成電信號。光電傳感器一般由光源、光學(xué)通路和光電元件三部分組成。光電檢測方法具有精度高、反應(yīng)快、非接觸等優(yōu)點(diǎn)，而且可測參數(shù)多，傳感器的結(jié)構(gòu)簡單，形式靈活多樣。 光電傳感器是應(yīng)用非常廣泛的一種器件，有各種各樣的形式，如透射式、反射式等，基本的原理就是當(dāng)發(fā)射管光照射到接收管時，接收管導(dǎo)通，反之關(guān)斷。 脈沖發(fā)生源的硬件結(jié)構(gòu)圖如圖 。 圖 脈沖發(fā)生源硬件結(jié)構(gòu)圖（左為正視圖，右為側(cè)視圖） 設(shè)計采用了紅外光電傳感器，進(jìn)行非接觸式檢測。系統(tǒng)在光電傳感器收發(fā)端間加入電動機(jī)，并在電動機(jī)的轉(zhuǎn)軸上安裝一轉(zhuǎn)盤。在這個轉(zhuǎn)盤的邊沿處挖出若干基于單片機(jī)的轉(zhuǎn)速檢測系統(tǒng)設(shè)計 第 7 頁 共 36 頁 個圓形過孔，把傳感器的檢測部分放在圓孔的圓心位置。當(dāng)有物體擋在紅外光電發(fā)光二極管和高靈敏度的光電晶體管之間時，傳感器將會輸出一個低電平，而當(dāng)沒有物體擋在中間時則輸出為高電平，從而形成一個脈沖。光源發(fā)出的光通過測速齒盤上的齒槽照射到光電元件上，使光電元件感光，從而發(fā)出脈沖。每當(dāng)轉(zhuǎn)盤隨著后輪旋轉(zhuǎn)的時候，傳感器將向外輸出若干個脈沖。 將轉(zhuǎn)速信號變?yōu)殡娒}沖 ，利用微機(jī)在單位時間內(nèi)對脈沖進(jìn)行計數(shù) ， 再經(jīng)過軟件計算獲得轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)。 圖 光電傳感器的原理圖 圖 遮光葉片 一般的轉(zhuǎn)速長期測量系統(tǒng)是預(yù)