【正文】 中北大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 1 頁 共 36 頁 1 緒論 單片機(jī)測控系統(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)由基本部分和測控增強(qiáng)部分及外設(shè)增強(qiáng)部分構(gòu)成。基本部分是外圍芯片的擴(kuò)展及功能鍵盤、顯示器配置，通過總線連接而成，測 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)場相連，是干擾進(jìn)入的主要通道，一般要采取隔離措施 [1]。 圖 單片機(jī)典型應(yīng)用系統(tǒng) 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) 中北大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 2 頁 共 36 頁 動(dòng)電路。 轉(zhuǎn)速測量在國民經(jīng)濟(jì)中的應(yīng)用 轉(zhuǎn)速測量的應(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。下面列舉二例加以說明。 轉(zhuǎn)速測 量在調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用 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)平滑調(diào)速，所以長期以來在要求調(diào)速指標(biāo)較高的場合獲得了廣泛應(yīng)用。隨著電力電子技術(shù)和控制技術(shù)的發(fā)展，交流調(diào)速系統(tǒng)日趨完善，其性能可與直流調(diào)速系統(tǒng)相媲美，其變頻調(diào)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)，調(diào)速系統(tǒng)便應(yīng)運(yùn)而生了。調(diào)速系統(tǒng)主電路線路簡單，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?。坏退傩阅芎?，穩(wěn)態(tài)精度高 ，因而調(diào)速范圍寬；調(diào)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)狀態(tài)，導(dǎo)通損耗小，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。 轉(zhuǎn)速測量部分 本測量系統(tǒng)采用 89C51 單片機(jī)控制，利用霍爾元件由轉(zhuǎn)速產(chǎn)生的脈沖，對(duì)轉(zhuǎn)速進(jìn)行測量，原理框圖如圖 所示。轉(zhuǎn)速由單片機(jī)的 P0口輸出，同時(shí)當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速超過設(shè)定值時(shí)，通過單片機(jī)的Ｐ 1 口輸出信號(hào)，驅(qū)動(dòng)響鈴報(bào)警。 性能特點(diǎn)： （ 1） 89C51 配合晶體管的雙極式可逆 PWM 變換器構(gòu)成直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，可獲得高性 能的調(diào)速性能指標(biāo)； （ 2）直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，省去了復(fù)雜的換流裝置，因此體積小， 成本低，加之采用硬軟件結(jié)合的微機(jī)控制方式，提高了系統(tǒng)的可靠性和抗干擾性。 中北大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 3 頁 共 36 頁 圖 調(diào)速系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)速測量框圖 （ 3）轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)采用軟件實(shí)現(xiàn)，動(dòng)態(tài)顯示容易，超限報(bào)警方便，提高了系統(tǒng)的靈活性。 （ 4）由變換器構(gòu)成直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，可有效克服以往的直流調(diào)速中的諧波大、功率因數(shù)低的問題，是一種節(jié)能的調(diào)速方案。 變 M/T 法在風(fēng)力發(fā)電機(jī)并網(wǎng)控制中的應(yīng)用 發(fā)電機(jī)葉輪吸收的功率，一部分用來克服葉輪旋轉(zhuǎn)的阻力矩，其余 部分轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?。葉輪通過硬質(zhì)齒面增速齒輪箱帶動(dòng) 4 極 200kW 異步發(fā)電機(jī)。主葉輪轉(zhuǎn)速達(dá)到 40rpm 時(shí)，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到同步轉(zhuǎn)速，應(yīng)并入電網(wǎng)發(fā)電，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速低于同步轉(zhuǎn)速時(shí)應(yīng)脫離電網(wǎng)。對(duì)合閘時(shí)具有大電流沖擊特性的異步發(fā)電機(jī)來說，除采用軟切入并網(wǎng)技術(shù)外，還應(yīng)滿足在同步轉(zhuǎn)速點(diǎn)切入的嚴(yán)格要求。自然界的風(fēng)速風(fēng)向變化是難以預(yù)測的隨機(jī)變量，加上葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的巨大慣量和強(qiáng)電磁干擾。因此，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的安全并 /脫電網(wǎng)是風(fēng)機(jī)控制的關(guān)鍵技術(shù)。自動(dòng)并 /脫電網(wǎng)的主要根據(jù)是發(fā)電機(jī)的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速，采用準(zhǔn)確、快速的轉(zhuǎn)速測量方法尤為重要。用變 M/T 法測速 ，以 4 個(gè)轉(zhuǎn)速計(jì)數(shù)脈沖 (m1=4)為一個(gè)測算周期。在風(fēng)力發(fā)電機(jī)并入電網(wǎng)控制中，變 M/T 法能夠較好地滿足并網(wǎng)對(duì)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速的精度要求。同時(shí)，隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速不斷的提高， 4個(gè)轉(zhuǎn)速脈沖之間的時(shí)間總和相應(yīng)減少，測算周期也相也就是應(yīng)縮短，這也正好滿足發(fā)電機(jī)并網(wǎng)時(shí)對(duì)轉(zhuǎn)速測量快速性的要求。有效地防止了在高風(fēng)速起動(dòng)時(shí)，風(fēng)機(jī)因超過并網(wǎng)而飛車造成的并網(wǎng)失敗。 轉(zhuǎn)速測量方法概述 轉(zhuǎn)速測量的方法有很多，根據(jù)工作原理可分為計(jì)數(shù)式、模擬式、同步式 [2]。計(jì)數(shù)式方法是用某種方式讀出一定時(shí)間內(nèi)的總轉(zhuǎn)數(shù)；模擬式方法是測出由瞬時(shí)轉(zhuǎn)速引起的某 種物理量的變化；同步式是用利用已知的頻率與旋轉(zhuǎn)體的旋轉(zhuǎn)同步來 中北大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 4 頁 共 36 頁 測量轉(zhuǎn)速，根據(jù)不同的轉(zhuǎn)換方式，測試方法參看表 。 一般的轉(zhuǎn)速測試可用機(jī)械式轉(zhuǎn)速表、發(fā)電機(jī)式轉(zhuǎn)速表以及頻閃式測速表，但在有些情況下，其測量精度，瞬時(shí)穩(wěn)定度不能滿足更高的要求，因此，在測量方法和傳感器的選擇上顯得尤為重要。常用的傳感器種類有光電傳感器、電磁式傳感器、電容式傳感器等，而測量方法上有測量轉(zhuǎn)速周期、轉(zhuǎn)速頻率等。 如表 表 各種測速方法比較 型式 測量方法 適用范 圍 特點(diǎn) 備注 計(jì) 數(shù)式 機(jī)械式 通過齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)數(shù)字輪 中 、低速 簡單、價(jià)廉 光電式 來自被測旋轉(zhuǎn)體上的光線使光電管生電脈沖 中、高速 數(shù)字式 電磁式 利用磁電轉(zhuǎn)換器將轉(zhuǎn)速變換電脈沖 中、高速 數(shù)字式 模擬式 機(jī)械式 利用離心力與轉(zhuǎn)速成平方成正比的關(guān)系 中、低速 簡單 發(fā)電機(jī)式 利用電機(jī)電流或交流電壓與轉(zhuǎn)速成正比關(guān)系 高速 可遠(yuǎn)距指示 測速發(fā)電機(jī) 電容式 利用 電容充、放電與轉(zhuǎn)速成正比關(guān)系 中、高速 同步式 機(jī)械式 轉(zhuǎn)動(dòng)帶槽的圓盤，觀察旋轉(zhuǎn)體的同步關(guān)系 中速 閃光式 用已知頻率閃光測出旋轉(zhuǎn)體同步的頻率 中、高速 就 轉(zhuǎn)速測量原理而言，大體可分為三大類，一是用單位時(shí)間內(nèi)測得物體的旋轉(zhuǎn)角度來計(jì)算速度，例如在單位時(shí)間內(nèi)，累計(jì)轉(zhuǎn)速傳感器發(fā)出的 N個(gè)脈沖，即為該單位時(shí)間的速度。這種以測量頻率來實(shí)現(xiàn)測量轉(zhuǎn)速的方法，稱測頻法。即“ M”法；另一類是在給定的角位移距離內(nèi)，通過測量這一角位移的時(shí)間來進(jìn)行測速的方法，稱測周法，即“ T”法，如給定的角位移 △ θ，傳感器便發(fā)出一個(gè)電脈沖周期，以晶體震蕩頻率而產(chǎn)生的標(biāo)準(zhǔn)脈沖來度量這一周期時(shí)間，再經(jīng)換算可得轉(zhuǎn)速。這兩種測速方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，“ M”法一般用于高速測量，在轉(zhuǎn)速較低時(shí)，測量誤差較大，而且，檢測裝 置對(duì)轉(zhuǎn)速分辨能力也變差；而“ T”法一般用于低速測量，速度越低測量精度越高，但在測量高轉(zhuǎn)速時(shí)，誤差較大；結(jié)合這兩種測量方法就可以地出第三種測量方法，即‘ M/T’法結(jié)合這兩種方法的優(yōu)點(diǎn)，一方面象“ M”法那樣在對(duì)傳感器發(fā)出的脈沖計(jì)數(shù)的同時(shí)，也象“ T”法那樣計(jì)取脈沖的時(shí)間，通過計(jì)算即可得出轉(zhuǎn)速值。在實(shí)際測量中，還須設(shè)定定時(shí)時(shí)間，兼顧高、 中北大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 5 頁 共 36 頁 低轉(zhuǎn)速時(shí)的精度影響，適時(shí)調(diào)節(jié)采樣時(shí)間。 課題研究目的和意義 轉(zhuǎn)速是工程中應(yīng)用非常廣泛的一個(gè)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 法已不能適應(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(duì)脈沖數(shù)字信號(hào)的強(qiáng)大處理能力，使得全數(shù)字測 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。因此，本課題的目的是：對(duì)各種測量轉(zhuǎn)速的基本方法予以分析，針對(duì)不同的應(yīng)用環(huán)境，利用 80C51 系列單片機(jī)設(shè)計(jì)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，為今后的實(shí)際使用提供借鑒 [3]。 并從實(shí)際硬件電路出發(fā)，分析電路工作原理和軟件流程，根據(jù)仿真情況提出修改方案和解決辦法。 課題以單片機(jī)為中心，設(shè)計(jì)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(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。其次該轉(zhuǎn)速測量系統(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。總之，轉(zhuǎn)速測量 系統(tǒng)的研究是一件非常有意義的課題。 主要內(nèi)容和存在的問題 研究的主要內(nèi)容 ，對(duì)轉(zhuǎn)速的周期測量法“ T”法、頻率測量法“ M”法以及周期頻率“ M/T”測量法，三種具體測量方法的轉(zhuǎn)速計(jì)算、各自的測量精度和誤差進(jìn)行闡述。定性地比較三種方法所針對(duì)的轉(zhuǎn)速特征，分析高、中、低轉(zhuǎn)速情況下各自的適用狀況，從而，在保持一定的測量精度情況下，應(yīng)用“ M”法，說明轉(zhuǎn)速測量原理。 ，提出測量方案，構(gòu)建硬件系統(tǒng)，分別對(duì)硬件系統(tǒng)的配置予以估計(jì)，使其能夠?qū)D(zhuǎn)速進(jìn)行測 量。同時(shí)分析接口電路，顯示轉(zhuǎn)速。 中北大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 6 頁 共 36 頁 /計(jì)數(shù)器進(jìn)行設(shè)置，設(shè)計(jì)和說明定時(shí) /計(jì)數(shù)器在“ M”法測量中的作用和使用方法，討論測量精度的問題。 ，用 A51 匯編語言編制程序，包括主程序流程，顯示中斷程序流程。并用軟件的方法對(duì)計(jì)數(shù)和定時(shí)進(jìn)行同步，力求在不增加硬件的條件下，使同步達(dá)到滿意的效果。 Keil51 軟件的 uVision2 集成環(huán)境對(duì)系統(tǒng)對(duì)工作軟件進(jìn)行編譯、調(diào)試和仿真。 需解決的問題 1．單片機(jī)在系統(tǒng)運(yùn)行過程中，中斷設(shè)置問題 2．系統(tǒng)硬件電路制作，調(diào)試。 3．監(jiān)控程序及人機(jī)界面的設(shè)計(jì)。 中北大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 7 頁 共 36 頁 2 基于單片機(jī)的轉(zhuǎn)速測量原理 單片機(jī)測量轉(zhuǎn)速的基本方 法 轉(zhuǎn)速是工程中應(yīng)用非常廣泛的一個(gè)參數(shù)，早期模擬量的模擬處理一直是作為轉(zhuǎn)速測量的主要方法，這種測量方法在測量范圍和測量精度上，已不能適應(yīng)現(xiàn)代科技發(fā)展的要求。而隨著大規(guī)模及超大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字測量系統(tǒng)得到普遍應(yīng)用，利用單片機(jī)對(duì)脈沖數(shù)字信號(hào)的強(qiáng)大處理能力，應(yīng)用全數(shù)字化的結(jié)構(gòu)，使數(shù)字測量系統(tǒng)的越來越普及 [4]。在測量范圍和測量精度方面都有極大的提高。下面