【正文】 圖書分類號(hào)：密 級(jí)：摘要電機(jī)是生產(chǎn)過程中應(yīng)用十分廣泛的裝置，對其轉(zhuǎn)速進(jìn)行準(zhǔn)確測量就顯得十分必要。本文介紹了電機(jī)轉(zhuǎn)速測量常用的方法，給出了基于單片機(jī)STC89C52的直流電機(jī)轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，完成了電機(jī)轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)的硬件和軟件的設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)以A44E開關(guān)型霍爾傳感器作為產(chǎn)生脈沖信號(hào)的主要元件，并利用所設(shè)計(jì)的信號(hào)調(diào)理電路對霍爾傳感器輸出的脈沖信號(hào)進(jìn)行放大整形，將得到的方波信號(hào)送給單片機(jī)進(jìn)行處理，把所得到的計(jì)數(shù)脈沖轉(zhuǎn)化為電機(jī)的轉(zhuǎn)速值，并在LCD液晶顯示器上直觀的顯示電機(jī)的轉(zhuǎn)速值。同時(shí)利用矩陣鍵盤對預(yù)先設(shè)定的高速值和低速值進(jìn)行相關(guān)設(shè)置，超過高速或低于低速值時(shí)，實(shí)現(xiàn)聲光報(bào)警功能。關(guān)鍵詞 電動(dòng)機(jī)；轉(zhuǎn)速測量；STC89C52；霍爾傳感器AbstractMotor is very important in manufacturing, measuring its rotational speed bees very essential and necessary.This article describes the mon method of motor speed measurement ,it gives the DC motor speed measurement system design scheme,which based on STC89C52 singlechip microputer .The motor speed measurement system pletes the hardware and software design. The system uses A44E Hall Switch Sensor as a main ponent of the pulse signal acquisition and uses the design of the signal conditioning circuit to amplify the output Hall sensor pulse , the squarewave signal is sent to single chip microputer . the count the pulses gets into the motor speed value, and the LCD display motor speed value intuitively. At the same time,the system uses the matrix keyboard to set preset high and low value ,when the measured value over highspeed or lower than the low value, realize the acoustooptic alarm function.Keywords Motor Speed Measurement STC89C52 Hall Sensor目 錄1 緒論 1 課題研究的目的和意義 1 轉(zhuǎn)速測量在國內(nèi)外的研究 1 主要研究內(nèi)容 22 電機(jī)轉(zhuǎn)速測量常用方法 3 測頻法（“M法”） 3 測周期法（“T法”） 3 本設(shè)計(jì)系統(tǒng)中采用的方法 43 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì) 5 各模塊方案論證與選擇 5 傳感器論證與選擇 5 單片機(jī)模塊論證與選擇 6 顯示模塊論證與選擇 6 報(bào)警模塊論證與選擇 7 總體設(shè)計(jì)方案 74 硬件電路設(shè)計(jì) 8 單片機(jī)最小系統(tǒng)設(shè)計(jì) 8 時(shí)鐘電路 8 復(fù)位電路 8 電源電路 10 穩(wěn)壓可調(diào)直流電源電路設(shè)計(jì) 10 霍爾傳感器測量電路設(shè)計(jì) 11 霍爾傳感器原理 11 開關(guān)型霍爾傳感器 12 信號(hào)處理電路設(shè)計(jì) 13 顯示電路設(shè)計(jì) 15 LCD1602簡介 15 LCD顯示電路 16 按鍵電路設(shè)計(jì) 16 蜂鳴器報(bào)警電路設(shè)計(jì) 175 軟件設(shè)計(jì) 20 系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境 20 系統(tǒng)開發(fā)語言 20 軟件總體設(shè)計(jì) 21 定時(shí)/計(jì)數(shù)中斷程序 23 定時(shí)/計(jì)數(shù)器介紹 23 中斷控制 24 定時(shí)/計(jì)數(shù)器初值計(jì)算 25 定時(shí)中斷流程圖 25 按鍵掃描程序流程圖 26 速度計(jì)算及顯示程序 28 速度計(jì)算 28 速度值顯示處理程序 28 報(bào)警程序流程圖 286 系統(tǒng)調(diào)試 29 Protues仿真 29 硬件調(diào)試 30 系統(tǒng)調(diào)試結(jié)果 30 故障分析與解決方案 32結(jié)論 33致謝 34參考文獻(xiàn) 35附錄 36附錄1 36附錄2 46附錄3 471 緒論 課題研究的目的和意義轉(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，傳統(tǒng)的測速方法一般以測速發(fā)電機(jī)為主要檢測元件，得到的是模擬量，這種測量技術(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。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，單片機(jī)對脈沖數(shù)字信號(hào)的強(qiáng)大處理能力，使得全數(shù)字化系統(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。以單片機(jī)為核心，設(shè)計(jì)的數(shù)字化轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)，使系統(tǒng)能達(dá)到更高的性能，具有較強(qiáng)的應(yīng)用價(jià)值。它的研究結(jié)果可以用于我們的實(shí)際生活中，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)，因而可以很方便的實(shí)行遠(yuǎn)程管理和控制，進(jìn)一步提高現(xiàn)代化水平?？傊D(zhuǎn)速測量系統(tǒng)的研究是一件非常有意義的課題。本課題研究的是電機(jī)轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)，對了解電機(jī)工作狀態(tài)，提高電機(jī)工作效率有很大的幫助，該課題主要是對電機(jī)轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)進(jìn)行硬件和軟件的設(shè)計(jì)，同時(shí)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(jì)的具體情況提出修改方案和解決辦法。 轉(zhuǎn)速測量在國內(nèi)外的研究轉(zhuǎn)速是能源設(shè)備與動(dòng)力機(jī)械性能測試中的一個(gè)重要的特性參量，因?yàn)閯?dòng)力機(jī)械的許多特性參數(shù)是根據(jù)它們與轉(zhuǎn)速的函數(shù)關(guān)系來確定的，例如壓縮機(jī)的排氣量、軸功率、內(nèi)燃機(jī)的輸出功率等等，而且動(dòng)力機(jī)械的振動(dòng)、管道氣流脈動(dòng)、各種工作零件的磨損狀態(tài)等都與轉(zhuǎn)速密切相關(guān)。轉(zhuǎn)速測量的方法很多，根據(jù)轉(zhuǎn)速測量的工作方式可分為兩大類：接觸式轉(zhuǎn)速測量法與非接觸式轉(zhuǎn)速測量法。前者在使用時(shí)必須與被測轉(zhuǎn)軸直接接觸，如離心式轉(zhuǎn)速表測速法、測速發(fā)電機(jī)測速法等；后者在使用時(shí)不需要與被測轉(zhuǎn)軸接觸,如閃光測速法、光電碼盤測速法。(1)離心式轉(zhuǎn)速表測速法離心式轉(zhuǎn)速表是利用離心原理制成的測速儀表，可以直接讀出轉(zhuǎn)速。測轉(zhuǎn)速時(shí)，轉(zhuǎn)速表的端頭要插入電機(jī)轉(zhuǎn)軸的中心孔內(nèi)，插入前，應(yīng)注意清除中心孔中的油污，并使轉(zhuǎn)速表的軸與電機(jī)的軸保持同心，不可上下左右偏斜，否則易將表軸扭壞，并影響準(zhǔn)確讀數(shù)，而且轉(zhuǎn)速表要間歇使用，以減少磨損和發(fā)熱。如果要改變量程，還要將轉(zhuǎn)速表取出停轉(zhuǎn)后再改變量程。(2) 測速發(fā)電機(jī)測速法測速發(fā)電機(jī)測轉(zhuǎn)速時(shí)，測速發(fā)電機(jī)連接到被測電機(jī)的軸端，將被測電機(jī)的機(jī)械轉(zhuǎn)速變換為電壓信號(hào)輸出E=CeFn，在輸出端接一個(gè)刻度以轉(zhuǎn)速為單位的電壓表，即可讀出轉(zhuǎn)速。(3) 閃光測速法閃光測速法是利用可調(diào)脈沖頻率的專用電源施加于閃光燈上，將閃光燈的燈光照到電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)部分(可在電機(jī)端軸上粘貼一張標(biāo)記紙片)，當(dāng)調(diào)整脈沖頻率使黑色扇形片靜止不動(dòng)時(shí)，此時(shí)脈沖的頻率與電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的轉(zhuǎn)速是同步的。若脈沖頻率為f，則電機(jī)的轉(zhuǎn)速為n=60f(r／min) 。(4) 光電碼盤測速法光電碼盤測速法是通過測出轉(zhuǎn)速信號(hào)的頻率或周期來測量電機(jī)轉(zhuǎn)速的一種無接觸測速法。光電碼盤安裝在轉(zhuǎn)子端軸上，隨著電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，光電碼盤也跟著一起轉(zhuǎn)動(dòng)，如果有一個(gè)固定光源照射在碼盤上，則可利用光敏元件，其接收到的光的次數(shù)就是碼盤的編碼數(shù)。若編碼數(shù)為60，測量時(shí)間為t，測量到的脈沖數(shù)為N，則n=N/t。 主要研究內(nèi)容該系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)的功能有：1．液晶顯示器實(shí)時(shí)顯示所測得的轉(zhuǎn)速值；2．鍵盤對設(shè)定的高低速值進(jìn)行相關(guān)設(shè)置；3．實(shí)現(xiàn)聲光報(bào)警功能。為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能，主要研究了以下內(nèi)容：1．分析轉(zhuǎn)速測量常用的兩種方法；2．根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)的要求選擇合適的傳感器；3．系統(tǒng)各模塊的論證和選擇，總體方案的設(shè)計(jì)。4．系統(tǒng)中各硬件模塊設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)；5．系統(tǒng)調(diào)試。2 電機(jī)轉(zhuǎn)速測量常用方法電機(jī)轉(zhuǎn)速測量的主要方法有測周期法（“T”法）和測頻法（“M”法）。 測頻法（“M法”）在一定測量時(shí)間T內(nèi)，測量脈沖發(fā)生器（替代輸入脈沖）產(chǎn)生的脈沖數(shù)來測量轉(zhuǎn)速，如圖21所示，設(shè)在時(shí)間T內(nèi)，轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)過的弧度數(shù)為，則轉(zhuǎn)速n由式（21）計(jì)算得到。 式(21)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)過的弧度數(shù)的計(jì)算見式（22）。 式(22)圖21 “M”法測量轉(zhuǎn)速脈沖將式（22）式代入式（21），則轉(zhuǎn)速n的表達(dá)式見式（23）。 式（23）式中n——表示轉(zhuǎn)速單位：（轉(zhuǎn)/分）；T——表示定時(shí)時(shí)間單位：（秒）；——表示產(chǎn)生的脈沖個(gè)數(shù)。在該方法中，由于定時(shí)時(shí)間T和脈沖不能保證嚴(yán)格同步，以及在T內(nèi)能否正好測量外部脈沖的完整的周期不確定，所以可能產(chǎn)生1個(gè)脈沖的量化誤差。因此，為了提高測量精度，T要有足夠長的時(shí)間。定時(shí)時(shí)間可根據(jù)測量對象預(yù)先設(shè)置。設(shè)置的時(shí)間過長，可以提高精度，而設(shè)置的時(shí)間過短，測量精度會(huì)受到一定的影響。而且在規(guī)定的檢測時(shí)間內(nèi)對脈沖個(gè)數(shù)計(jì)數(shù)，雖然檢測時(shí)間一定，但檢測的起止時(shí)間具有隨機(jī)性，當(dāng)被測轉(zhuǎn)速較高時(shí)，才有較高的測量精度，并且測量準(zhǔn)確度隨轉(zhuǎn)速的減小而降低，該方法適合于高速測量。 測周期法（“T法”）轉(zhuǎn)速可以用兩脈沖產(chǎn)生的間隔寬度來決定。如圖22所示。通過定時(shí)器測得。定時(shí)器對時(shí)基脈沖(頻率為)進(jìn)行計(jì)數(shù)定時(shí)，在內(nèi)計(jì)數(shù)值若為，則計(jì)算公式見式（24）。 式（24）即： 式（25）式中P——表示為轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)一周脈沖發(fā)生器產(chǎn)生的脈沖數(shù)；——表示硬件產(chǎn)生的基準(zhǔn)時(shí)鐘脈沖頻率：單位（Hz）；n ——表示轉(zhuǎn)速單位：（轉(zhuǎn)/分）；——表示時(shí)基脈沖。 圖22 “T”法脈寬測量由“T”法可知，“T”法測量精度的誤差主要有兩個(gè)方面，一是由兩脈沖的上升沿觸發(fā)時(shí)間不一致而產(chǎn)生的；二是由計(jì)數(shù)和定時(shí)起始和關(guān)閉不一致而產(chǎn)生的。因此要求脈沖的上升沿（或下降沿）陡峭以及計(jì)數(shù)和定時(shí)嚴(yán)格同步。該方法在被測轉(zhuǎn)速較低（相鄰兩個(gè)轉(zhuǎn)速脈沖信號(hào)間隔時(shí)間較大）時(shí)，才有較高的測量精度，其測量準(zhǔn)確度隨著轉(zhuǎn)速的增大而降低，適于低速測量。 本設(shè)計(jì)系統(tǒng)中采用的方法通過分析可知，M法適合于高速測量，當(dāng)轉(zhuǎn)速越低，產(chǎn)生的誤差會(huì)越大。T法適合于低速測量，轉(zhuǎn)速增高，誤差增大。由于本系統(tǒng)中所測的電機(jī)轉(zhuǎn)速較高，且基于M法的測量，其電路和程序均較為簡單，所以本設(shè)計(jì)中采用M法進(jìn)行測量。3 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì) 各模塊方案論證與選擇 傳感器論證與選擇方案一：光電傳感器光電傳感器是應(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，光電轉(zhuǎn)速傳感器是根據(jù)光敏二極管工作原理制造的一種感應(yīng)接收光強(qiáng)度變化的電子器件，當(dāng)它發(fā)出的光被目標(biāo)反射或阻斷時(shí)，則接收器感應(yīng)出相應(yīng)的電信號(hào)。它包含調(diào)制光源，由光敏元件等組成的光學(xué)系統(tǒng)、放大器、開關(guān)或模擬量輸出裝置。光電式傳感器由獨(dú)立且相對放置的光發(fā)射器和收光器組成。以透射式為例，如圖31所示，當(dāng)不透光的物體擋住發(fā)射與接收之間的間隙時(shí)，開關(guān)管關(guān)斷，否則打開。為此可以制作一個(gè)遮光葉片如圖32所示，安裝在轉(zhuǎn)軸上，當(dāng)扇葉經(jīng)過時(shí)，產(chǎn)生脈沖信號(hào)。當(dāng)葉片數(shù)較多時(shí)，旋轉(zhuǎn)一周可以獲得多個(gè)脈沖信號(hào)。圖31 光電傳感器的原理圖圖32 遮光葉片方案二：光電編碼器光電編碼器的工作原理與光電傳感器一樣，不過它已將光電傳感器、電子電路、碼盤等做成一個(gè)整體，只要用連軸器將光電傳感器的軸與轉(zhuǎn)軸相連，就能獲得多種輸出信號(hào)。它廣泛應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床、回轉(zhuǎn)臺(tái)、伺服傳動(dòng)、機(jī)器人、雷達(dá)、軍事目標(biāo)測定等需要檢測角度的裝置和設(shè)備中。將旋轉(zhuǎn)編碼器安裝在電機(jī)軸上，這樣每當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)過一圈編碼器就會(huì)發(fā)出一個(gè)脈沖，利用脈沖數(shù)對轉(zhuǎn)速進(jìn)行測量。如圖33所示，是某光電編碼器的外形。圖33 成品光電編碼器方案三：霍爾傳感器霍爾傳感器是對磁敏感的傳感元件，常用于開關(guān)信號(hào)采集的有CS30CS30A04E、A44E等，這種傳感器是一個(gè)3端器件，外形與三極管相似，只要接上電源、地，即可工作，輸出通常是集電極開路（OC）門輸出，工作電壓范圍寬，使用非常方便。圖34 霍爾元件和磁鋼實(shí)際圖使用霍爾傳感器獲得脈沖信號(hào)，其機(jī)械結(jié)構(gòu)也可以做得較為簡單，只要在轉(zhuǎn)軸的圓周上粘上一粒磁鋼，讓霍爾開關(guān)靠近磁鋼，就有信號(hào)輸出，轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，就會(huì)不斷地產(chǎn)生脈沖