【正文】 第 1 頁 共 51 頁 前 言 1． 課題的目的和意義 隨著科技的飛速發(fā)展，計算機應用技術日益滲透到社會生產(chǎn)生活的各個領域，而單片機的應用則起到了舉足輕重的作用。 單片機又稱單片微控制器，就是把一個計算機系統(tǒng)集成到一個芯片上。它完整地包含了計算機內(nèi)部的 CPU（運算器、控制器）、程序存儲器 （ 相當于計算機的硬盤 ） 、數(shù)據(jù)存儲器（相當于計算機的內(nèi)存）、輸入輸出端口等。雖然它的運算速度無法和計算機相比，但在一些實際的控制應用場合已經(jīng)足夠使用了。對于高等院校電子類和計算機類的學生，學習單片機是很重要的，而進行應用單片機的課程設計更是重中之重， 將所學理論知識應用到實際，使更加全面的了解和掌握單片機的應用。 2. 設計的內(nèi)容和范圍 在工程實踐中，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 [1]、電動機、機床主軸等旋轉(zhuǎn)設備的試驗運轉(zhuǎn)和控制中，常需要分時或連續(xù)測量、顯示其轉(zhuǎn)速及瞬時速度。為了能精確地測量轉(zhuǎn)速，還要保證測量的實時性，要求能測得瞬時轉(zhuǎn)速。 3. 設計擬解決的問題 本設計提出一種基于 AT89C51單片機實施電機轉(zhuǎn)速測量 [2]的方法，利用紅外傳感器采集脈沖信號，通過定時計數(shù)算法程序，將轉(zhuǎn)速結(jié)果實時顯示出來。 第 2 頁 共 51 頁 第 1 章 概述 數(shù)字式轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)的發(fā)展背景 目前國內(nèi)外測量電機 [3]轉(zhuǎn)速的方法很多，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、用電機轉(zhuǎn)矩或者電機電樞電動勢計算所得 ） 、同步測速法 （ 如機械式或閃光式頻閃測速儀 ） 以及計數(shù)測速法。計數(shù)測速法又可分為機械式定時計數(shù)法和電子式定時計數(shù)法。傳統(tǒng)的電機轉(zhuǎn)速檢測多采用測速發(fā)電機或光電數(shù)字脈沖編碼器，也有采用電磁式 （ 利用電磁感應原理或可變磁阻的霍爾元件等 ） 、電容式 （ 對高頻振蕩進行幅值調(diào)制或頻率調(diào)制 ） 等，還 有一些特殊的測速器是利用置于旋轉(zhuǎn)體 內(nèi)的放射性材料來發(fā)生脈沖信號 。 其中應用最廣的是光電式，光電式測系統(tǒng)具有低慣性、低噪聲、高分辨率和高精度的優(yōu)點 。 加之激光光源、光柵、光學碼盤、 CCD 器件、光導纖維等的相繼出現(xiàn)和成功應用，使得光電傳感器在檢測和控制領域得到了廣泛的應用。而采用光電傳感器的電機轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)測量準確度高、采樣速度快、測量范圍寬和測量精度與被測轉(zhuǎn)速無關等優(yōu)點，具有廣闊的應用前景。 本設計課題的目的和意義 工程實踐中，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、電動機、卷揚機、機床主軸等旋轉(zhuǎn)設備的試驗、運轉(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 擬 技術 [4]制作測速表時，常用測速發(fā)電機的方法，即將測速發(fā)電機的轉(zhuǎn)軸與待測軸相連，測速發(fā)電機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。 這次設計內(nèi)容包含知識全面，對傳感器測量發(fā)電機轉(zhuǎn)速的不同的方法及原理設計有較多介紹，在測量系統(tǒng)中能學到關于測量轉(zhuǎn)速的傳感器采樣問題，單片 第 3 頁 共 51 頁 機部分的內(nèi)容，顯示部分等各個模塊的通信和聯(lián)調(diào)。全面了解單片機和信號放 大的具體內(nèi)容。進一步鍛煉我們在信號采集 、 處理 、 顯示發(fā)面的實際工作能力。 第 4 頁 共 51 頁 第 2 章 車輪 轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)的原理 車輪 轉(zhuǎn)速測量方法 轉(zhuǎn)速是指作圓周運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器設備運轉(zhuǎn)的正常與否 ， 因此 ， 轉(zhuǎn)速測量一直是工業(yè)領域的一個重要問題。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)測速法又可分為機械式定時計數(shù)法和電子式定時計數(shù)法。本設計 介紹的采用 單片機和 紅外 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 車輪 轉(zhuǎn)速的測量實際上是對轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)引起的周期脈沖信號的頻率進行測量。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. 頻率法 ： 在一定時間間隔 t 內(nèi) ， 計數(shù)被測信號的重復變化次數(shù) N， 則被測信號的頻率 fx 可表示為 f x =Nt （ 21） 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) m0， 則被測信號頻率 fx = fc/ m0 （ 22） 其中 ， fc 為時鐘脈沖信號頻率。 3. 多周期測 頻法 ： 在被測信號 m1 個周期內(nèi) ， 計數(shù)時鐘脈沖數(shù) m2， 從而得到被測信號頻率 fx ， 則 fx 可以表示為 fx =m1 fc/m2 （ 23） m1 由測量準確度確定。 電子式定時計數(shù)法測量頻率時 ， 其測量準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 ： 第 5 頁 共 51 頁 Er1 =測量誤差值 /實際測量值 100 % =1/N 100 % (24) 由此可見 ， 被測信號頻率越高 ， N 越大 ， Er1 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 ： Er2 =測量誤差值 /實際測量值 100 % =1/m0 100 % (25) 對于給定的時鐘脈沖 fc， 當被測信號頻率越低時 ， m0 越大 ， Er2 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 ， 測量相對誤差為 ： Er3 =測量誤差值 /實際測量值 100%=1/m2 100 % (26) 從上式可知 ， 被測脈沖信號周期數(shù) m1 越大 ， m2 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 m1 也要延長采樣周期 ， 不適合實時測量。 根據(jù)以上的討論 ， 考慮到實際應用中需要測量的轉(zhuǎn)速范圍很寬 ， 上述的轉(zhuǎn)速測量方法難以滿足要求 ， 因此 ， 研究高精度的轉(zhuǎn)速測量方法 ， 以同時適用于高、低轉(zhuǎn)速信號的測量 ， 不僅具有重要的理論意義 ， 也是實際生產(chǎn)中的需要。 車輪 轉(zhuǎn)速測量原理 本設計中主要有三個模塊，分別為 車輪速度測量模塊、單片機最小系統(tǒng)模塊、顯示模塊 。 本設計 的 測車輪 轉(zhuǎn)速長期測量系統(tǒng)是 在已知車輪的周長，在程序中預設周長。 設計中傳感器是由紅外 接發(fā)射管和接收管 構成。測速的過程為：在電機的轉(zhuǎn)軸上安裝一個圓形遮光片，并從圓形遮光片 的 中心向圓盤的周邊 開一個 長方形的小縫隙。 紅外發(fā)射管和 光敏三極管 安裝在遮光片的兩端 ，當電機轉(zhuǎn)動時就可以通過 遮光片 來改變 紅外 接收 管接收的光線，從而產(chǎn)生電 位信號的變化，這樣就構成了一個收發(fā)檢測系統(tǒng)，可以檢測電機的轉(zhuǎn)速。運用的原理和光電耦合器是相同的 。在 信號輸入部分中主要有紅外傳感器和 LM339 比較器組成，紅外發(fā)射和接收 對準時為正常工作，那么當車輪轉(zhuǎn)動的時候，一圈只能有一個時 刻紅外正常工作的，也就是說只有一個時刻 紅外的發(fā)射和接收是對準的。信號的處理部分就是單片 [5]機 根據(jù)程序的運行部分。顯示部分采用的是四位一體的共陽 數(shù)碼管顯示。在單片機程序的編寫中 預設 內(nèi)部 時鐘 中斷 T0 為 250us， T0_num 是記內(nèi)部時鐘中斷 T0 的個數(shù)。 則有測 第 6 頁 共 51 頁 速度公式： V=C/（ T0_num*250us） （ 27） ◆ C ——— 預設的車輪周長（本設計中為 150mm） 。 ◆ T0_num ——— 采樣 內(nèi)部時鐘中斷 脈沖個數(shù) 。 ◆ 250us——— 預設的內(nèi)部 時鐘 中斷 T0 時間 。 ◆ V ——— 車輪的速度； 如果 S=150mm， 那么 ： V=150mm/（ T0_num*250us） （ 28） 轉(zhuǎn)換單位可以得到： V=（ 150mm*106） /（ T0_num*250s） （ 29） 把預設的車輪的周長用 K 表示 則有公式： V=（ K*3600Km） /（ T0_num*250h） 單位為 Km/h （ 210） 在對轉(zhuǎn)速波動較快系統(tǒng)或要求動態(tài)特性好而精度高的轉(zhuǎn)速測控系統(tǒng)中 ， 調(diào)節(jié)周期一般很短 ， 相應的采樣周期需取得很小 ， 使得脈沖當量增高 ， 從而導致整個系 統(tǒng)測量精度降低 ， 難以滿足測控 要求。 所以在定時 時間 的選擇上不能太小也不能太大程序中我們把定時時間定為 250us。 在設計中，預設了內(nèi)部定時器 T0 的最大中斷次數(shù)，防止了車輪不轉(zhuǎn)動時，數(shù)據(jù)的溢出。由公式（ 4）可以得到，當 T0_num 定時器 T0 的最大中斷次數(shù)時（ 65000），那么 V=。近似為 0。 各部分模塊的功能： ① 傳感器 ：用來對信號的采樣。 ② 信號轉(zhuǎn)換電路 ：對傳感器送過來的信號進行放大和整形，在送入單片機進行數(shù)據(jù)的 處理轉(zhuǎn)換。 ③ 單片機：對 處理過的信號進行轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)速的實際值， 送入 LED。 ④ LED 顯示：用來對所測量到的轉(zhuǎn)速進行顯示。 第 7 頁 共 51 頁 第 3 章 系統(tǒng)方案提出和論證 轉(zhuǎn)速測量的方案選擇 ： 一般要考慮傳感器的結(jié)構、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、通訊和遠傳方面的要求。本 設計 書中 給出兩種轉(zhuǎn)速測量方案 ， 經(jīng)過查資料、構思和 結(jié)合本 設計，總體電路 有 兩套設計方案，部分重要模塊也考慮了其它設計方法 ，經(jīng)過分析，從實現(xiàn)難度、熟悉程度、器件用量等方面綜合考慮， 最終選擇了一個方案。下面就看一下我們對兩套設計方案 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進行工作的。其核心元件是根據(jù)霍爾效應原理制成的霍爾元件。本設計 介紹一種泵驅(qū)動軸的轉(zhuǎn)速采用霍爾轉(zhuǎn)速傳感器測量。霍爾轉(zhuǎn)速傳感器的結(jié)構原理圖如圖 31， 霍爾轉(zhuǎn)速傳感器的接線圖如圖 32。 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。 圖 31 霍爾轉(zhuǎn)速傳感器的結(jié)構原理圖 第 8 頁 共 51 頁 圖 32 霍爾轉(zhuǎn)速傳感器的接線圖 缺點： 采用霍爾傳感器在信號采樣的時候，會出現(xiàn)采樣不精確，因為它是靠磁性感應 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 方案二 主要 包括傳感器、處理器和顯示 3個部分。 其 原理 方框圖如圖 33所示。 在該方案中傳感器是由紅外發(fā)光二極管，和紅外 接收管 。測速的過程為：在電機的轉(zhuǎn)軸上安裝一個 圓形遮光片 ，并在 圓形遮光片上鑿開一條從圓心到園變的小細縫，這樣可以讓紅外發(fā)射 管發(fā)出的紅外光剛好可以通過。在 遮光片 的兩端 分別安裝好發(fā)光二極管和 接收管 ，當電機轉(zhuǎn)動時就可以通過 遮光片 來改變光敏三極管接收的 光線，從而產(chǎn)生 電 位信號的變化，這樣就構成了一個收發(fā)檢測系統(tǒng)，可以檢測電機的轉(zhuǎn)速。運用的原理和光電耦合器是相同的 。 圖 33 測量系統(tǒng)的組成框圖 優(yōu)點：這種 方案使用光電 轉(zhuǎn)速 傳感器 具有 采樣精確，采樣速度快，范圍廣的特電機 光敏三極管 信 號轉(zhuǎn)換 L ED 顯 示 單片機處理 紅紅外發(fā)光管 第 9 頁 共 51 頁 點。 綜上所述，方案二使用光電傳感器來作為本設計的最佳選擇方案。 第 10 頁 共 51 頁 第 4 章 系統(tǒng)硬件設計 隨著 超大規(guī)模集成電路技術提高，尤其是單片機應 用技術以及功能強大，價格低廉的顯著特點，是全數(shù)字化測量轉(zhuǎn)度系統(tǒng)得一廣泛應用。出于單片機在測量轉(zhuǎn)速方面具有體積小、性能 強、成本低的特點，越來越受到企業(yè)用戶的青睞。對測量轉(zhuǎn)速系統(tǒng)的硬件和編程進行研究，設計出一種以單片機為主的轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)，保證了測量精度。 電源電路 本次設計電路為輸出電壓 +5V、輸出電流 的穩(wěn)壓電源 ，如圖 41所示