【正文】 、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(lǐng)域得到了廣泛的應用。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。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(guān)等優(yōu)點，具有廣闊的應用前景。 基本要求： （ 1）學習直流電機基本理論和知識，閱讀主要參考文獻，收集有關(guān)資料，復習自動化、計算機控制等相關(guān)知識，了解常規(guī)電機調(diào)速方法； （ 2）根據(jù)畢設任務要求學習數(shù)字測速方法并根據(jù)運行情況進行改進，掌握基本的方案設計思路、軟件流程和相應的實現(xiàn)方式； （ 3）掌握一種編程語言，編寫程序?qū)崿F(xiàn)相應功能，細致調(diào) 試以達到預期效果，并會分析程序結(jié)果； （ 4）進行模擬實驗； （ 5）撰寫論文 15000 字左右，翻譯 3000～ 5000 字外文資料。 數(shù)字測速方法主要有： 由光電脈沖發(fā)生器產(chǎn)生與被測轉(zhuǎn)速成正比的脈沖，測速裝置將輸入脈沖轉(zhuǎn)換為以數(shù)字形式表示的轉(zhuǎn)速值。電動機每轉(zhuǎn) 一圈共產(chǎn)生 Z 個脈沖（ Z＝倍頻系數(shù) *光電脈沖發(fā)生器碼盤孔數(shù)或光柵數(shù)），把 f1 除以 Z 就得到電動機的轉(zhuǎn)速，在習慣上，時間 Tc 以秒為單位，而轉(zhuǎn)速是以每分鐘的轉(zhuǎn)數(shù) r/min 為單位，則電動機的轉(zhuǎn)速為： C1ZTM60?n （ ） 在上式中， Z 和 Tc 均為常數(shù)，因此轉(zhuǎn)速 n 正比于脈沖個數(shù) 1M 。在這里測速時間源于光電脈沖發(fā)生器輸出脈沖的周期，所以又稱周期法。由于 M/T 法的計數(shù)值 1M 和 2M都隨著轉(zhuǎn)速的變化而變化，高 速時，相當于 M 法測速 ； 低速時， 1M ?1，自動進入T 法測速。由于轉(zhuǎn)速脈沖的頻率遠小于高頻脈沖的頻率，因此如果用轉(zhuǎn)速脈沖信號的上升沿 (或下降沿 ) 來同步計數(shù)器的起止，在預定的測速時間內(nèi)，轉(zhuǎn)速脈沖信號的計數(shù)值將為整數(shù) (無誤差 ) ，只有高頻時鐘脈沖會產(chǎn)生 177。 (1) M 法測速的分辨率 沈陽航空 航天大學 北方科技學院畢業(yè)設計（論文） 9 在 M 法測速中，當計數(shù)值由 1M 變?yōu)?1M ＋ 1 時，按式（ ）。 (2) T 法測速的分辨率 為了使結(jié)果得到正值， T 法測速的分辨率定義為時鐘脈沖個數(shù)由 M2 變?yōu)?M2－1 時轉(zhuǎn)速的變化量，于是 ? ? ? ?160 ff601MZ 60 fQ 22 0202 0 －－－ MZMZM ?? （ ） 綜合（ ）和（ ），可得 Znn －0260fZn? （ ） 由上式可以看出， T 法測速的分辨率與轉(zhuǎn)速高低有關(guān)，轉(zhuǎn)速 越低， Q 值越小，分辨能力越強。的大小取決于測速元件的制造精度和測速方法。因此， T 法測速誤差率的最大值為 ? ? 1 0 0 %1M 11 0 0 %ZT6 0 MZMf601MZ6 0 f2C12020m a x ???? －—－? （ ） 低速時，脈沖發(fā)生器相鄰脈沖間隔時間長，測得的高頻時鐘脈沖個數(shù) M2 多，所以誤差率小，測速精度高，故 T 法測速適用于低速段。而低速時分辨率變低；同步 M/T 法結(jié)合了前兩者的優(yōu)點，在整個轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)有較高的分辨率。在許多系統(tǒng)中都采用這種方法。在寬轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，測速誤差逐漸遞增，不均勻。 而且要得到高精度測量，對各個環(huán)節(jié)要求都比較高，這樣就使整個系統(tǒng)的價格昂貴，否則 M/T 法的精度就無法保證。該方法在高速時精度很高，只要能增加低速時的盤脈沖 ， 就能解決在低速時測量精度低的問題。 測速與顯示系統(tǒng)總體方案設計 在電機轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)中，可以利 用光電變換的方法，將電機的轉(zhuǎn)速測量出來。它涉及光電轉(zhuǎn)換、放大、整形、倍頻、計數(shù)、譯碼、顯示及計數(shù)、顯示之間時序關(guān)系的控制。 圖 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖 SPCE061A 單片機作為主控芯片，通過 I/O 端口來控制 SPGT62C19B 電機驅(qū)動芯片，從而實現(xiàn)對直流電機的控制。 M 法測速的工作是利用 4KHz 時基中斷，當光柵轉(zhuǎn)盤的挖空部分經(jīng)過紅外對管時，與之連接的單片機 I/O 口將輸入低電平；而光柵轉(zhuǎn)盤阻隔紅外對管時，該 I/O 口將入高電平。反之，當光柵轉(zhuǎn)盤的通光槽轉(zhuǎn)至紅外對管之間時，紅外接收管處于導通狀態(tài)。編寫 switch case 語句通過按鍵來改變設定值。 試驗由硬件部分與軟件部分組成。直流電機轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)原理框圖如下圖 所示。 凌陽單片機簡介 凌陽十六位單片機 隨著單片機功能集成化的發(fā)展，其應用領(lǐng)域也逐漸地由傳統(tǒng)的控制，擴展為控制處理、數(shù)據(jù)處理以及數(shù)字信號處理（ DSP， Digital Signal Processing）等領(lǐng)域。 SPCE061A 精簡開發(fā)板（簡稱 61 板），是以凌陽 16 位單片機 SPCE061A 為核心的精簡開發(fā)－仿真－實驗板， 61 板除了具備單片機最小系統(tǒng)電路外，還包括電源電路、音頻電路（含 MIC 輸入部分和 DAC 音頻輸出部分）、復位電路等，在掌握軟件設計的同時，熟悉單片機硬件的設計制作，鍛煉動手能力。模組針對 SPCE061A 單片機設計，可以方便地用排線與 SPCE061A 精簡開發(fā)板（即 “61 板 ”）連接。 沈陽航空 航天大學 北方科技學院畢業(yè)設計（論文） 18 外接電源指示燈： SPGT62C19B 電機驅(qū)動芯片的邏 輯控制電源與電機驅(qū)動電源是各自獨立供電的，可以外接 5V12V 的電機驅(qū)動電源。使用時可選擇其中一組插座作為電機驅(qū)動電源輸入端。可以將模組提供的直流電機接在其中一組接口上。如圖 所示，光柵轉(zhuǎn)盤的圓面上開了 4 個通光槽，電機每轉(zhuǎn)動一周，紅外接收管將接收到 4 次紅外光，從而可以實 現(xiàn)電機測速功能。 SPGT62C19B 芯片控制直流電機 SPGT62C19B 是直流電機的驅(qū)動芯片，凌陽 SPCE061A 單片機通過 I/O 端口對SPGT62C19B 引腳進行控制，即由輸入的邏輯電平來決定輸出脈沖的寬度及頻率，所以由這款芯片組 成的電機驅(qū)動系統(tǒng)將脈沖發(fā)生器、脈沖分配器、脈沖放大器合為一體，省去了很多外圍器件。 圖 SPGT62C19B 工作原理 SPGT62C19B的控制腳有如下 6個： 表 SPGT62C19B的控制腳 引腳 名稱 用途 20 I01 通道 1的電流大小控制 17 I11 通道 1的電流大小控制 16 PHASE1 通道 1的電流方向控制 8 I02 通道 2的電流大小控制 9 I12 通道 2的電流大小控制 10 PHASE2 通道 2的電流方向控制 沈陽航空 航天大學 北方科技學院畢業(yè)設計（論文） 20 說明： SPGT62C19B 電機驅(qū)動芯片可以同時驅(qū)動兩臺直流電機，因此有兩組控制腳，在本畢業(yè)設計中，它只控制一臺直流電機，因此用不到通道 2 相關(guān)控制腳。其電路原理如圖 所示。 數(shù)碼管顯示單元 模組提供了 4 位共陰極 LED 數(shù)碼管，數(shù)碼管采用 ULN20xxA 為其提供驅(qū)動電流。 表 硬件部分所包括的模塊及實現(xiàn)功能 硬件模塊 實現(xiàn)功能 電機控制模組 控 制電機轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向 紅外測速模塊 紅外對管實現(xiàn)對電機轉(zhuǎn)速的測量 數(shù)碼管顯示模塊 顯示電機的轉(zhuǎn)速 沈陽航空 航天大學 北方科技學院畢業(yè)設計（論文） 22 本章小結(jié) 本章主要介紹了凌陽 SPCE061A 單片機結(jié)構(gòu)和特點，直流電機轉(zhuǎn)速測量的電路及顯示測量轉(zhuǎn)速的顯示電路。 （ 4）主控程序：主控程序負責控制整個系統(tǒng)的工作流程，判斷按鍵值、控制數(shù)碼管顯示，以及控制電機轉(zhuǎn)動等。電機測速流程如下圖 所示： 主控程序 按鍵掃描 數(shù)碼管顯示 直流電機控 制制 沈陽航空 航天大學 北方科技學院畢業(yè)設計（論文） 24 圖 電機測速流程 數(shù)碼管顯示 LED 數(shù)碼管采用逐位動態(tài)顯示方式，利用 4KHz 時基中斷進行逐位掃描，使每個數(shù)碼管的顯示亮度均勻且感覺不到閃爍。其流程如下圖 所示： 清除所有顯示 位指針指向下一位 N 在當前位上顯示緩沖區(qū)的內(nèi)容 通過位指針獲取當前位的緩沖區(qū)內(nèi)容 Y 位指針指向第一位 開 始 返回 指針處于最后一位 沈陽航空 航天大學 北方科技學院畢業(yè)設計（論文） 26 圖 主程序流程圖 在轉(zhuǎn)速設定子程序中，數(shù)碼管閃爍顯示當前設定轉(zhuǎn)速，并通過 Key1 和 Key2鍵對轉(zhuǎn)速進行增減設置。按Key3 鍵返回 主程序。介紹了軟件測速的原理，測速流程、顯示流程及整個課題研究的主流程。 系統(tǒng)調(diào)試與結(jié)果分析 本畢業(yè)設計的系統(tǒng)調(diào)試是在凌陽科技大學推出的 unSP 工具中實現(xiàn)的。 unSP 軟件調(diào)試界面如下所示： 圖 軟件調(diào)試界面 程序編輯完整后，在上述調(diào)試界面上進行編譯、鏈接、調(diào)試和仿真，確保無誤 沈陽航空 航天大學 北方科技學院畢業(yè)設計（論文） 32 后，連接硬件，下載運行程序。 圖 選擇 Use ICE 按鈕 故障調(diào)試及解決方式 一、接口的 “VDD”已經(jīng)與 61 板的 “+”連接了，模組上電源顯示燈也已經(jīng)亮了，程序、按鍵均沒有問題，但是直流電機沒有轉(zhuǎn)動。 原因分析與解決方法：首先檢查 “輸出選擇跳線 ”是否配置正確，其次應保證 61板的 I/O 口供電電壓在 之間。而 SPCE061A 上電復位時 I/O 狀態(tài)為 “下拉輸入 ”，表現(xiàn)在端口上的電平狀態(tài)是0，因此會使直流電機發(fā)生轉(zhuǎn)動。同時，可以對直流電機初始轉(zhuǎn)速進行設置，還可以對直流電機方向進行設定，在數(shù)碼管上顯示滾動的 ，表示電機轉(zhuǎn)動方向，如圖 所示。由于凌陽單片機與普通系列單片機有許多不同之處，它的編程語言與軟件開發(fā)環(huán)境均是自己獨立開發(fā)的，所以在進行軟件編寫以前，必須對這些基礎(chǔ)知識認真學習。但還是有很多缺陷， 如紅外對管輸出部分的穩(wěn)定問題， 61 板的 I/O 口供電電壓不穩(wěn)定問題，軟件方面優(yōu)化速度調(diào)節(jié)算法問題等，希望以后還能有所改進，使該系統(tǒng)更加完善。直流電機在上述方面都具有獨到的優(yōu)點，使它得到廣泛的應用。同時，在軟件算法上運用了目前應用較廣泛的頻率測速的算法， 改進的頻率測速 因其所具有的算法簡單、 精度高 、易于實現(xiàn)等特點，至今仍然是工業(yè)控制領(lǐng)域應用最廣泛的控制方法之一。在日常生活中，洗衣機、電冰箱、空調(diào)等都離不開電動機。 沈陽航空 航天大學 北方科技學院畢業(yè)設計（論文） 38 參考文獻 [1] 陳伯時 . 電力拖動自動控制系統(tǒng) . 北京 :機械工業(yè)出版社 , 20xx [2] 凌陽科 技 . 凌陽十六位單片機開發(fā)實例 . 北京 :北京航空航天大學出版社 , 20xx [3] 譚浩強 . 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