【文章內容簡介】 在使用模技術制作測速表時，常用測速發(fā)電機的方法，即將測速發(fā)電機的轉軸與待測軸相連，測速發(fā)電機的電壓高低反映了轉速的高低。為了能精確地測量轉速外 ,還要保證測量的實時性 ,要求能測得瞬時轉速方法。因此轉速的測試具有重要的意義。 這次設計內容包含知識全面，對傳感器測量發(fā)電機轉速的 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速的傳感器采樣問題，單片機部分的內容，顯示部分等各個模塊的通信和聯(lián)調。全面了解單片機和信號放大的具體內容。進一步鍛煉我們在信號采集、處理、顯示等方面的實際工作能力。 本課題以單片機為核心，設計的全數(shù)字化測量轉速系統(tǒng)，在工業(yè)控制和民用電器中都有較高使用價值。一方面它可以應用于工業(yè)控制中的某一部分，如數(shù)控車床的電機轉速檢測和控制、水泵流量控制以及需要利用轉速檢測來進行控制的許多場合，如車輛的里程表、車速表等。另一方面由于該轉速測量系統(tǒng)采用全數(shù)字結構，因 而可以很方便的和工業(yè)控制機進行連接，實行遠程管理和控制，進一步提高現(xiàn)代化水平。并且，幾乎不需做很大改變就能直接作為單獨的產(chǎn)品使用?？傊?，轉速測量系統(tǒng)的研究是一件非常有意義的課題。 轉速測量在國內外的研究 轉速是能源設備與動力機械性能測試中的一個重要的特性參量，因為動力機械的許多特性參數(shù)是根據(jù)它們與轉速的函數(shù)關系來確定的，例如壓縮機的排氣量、軸功率、內燃機的輸出功率等等，而且動力機械的振動、管道氣流脈動、各種工作零件的磨損狀態(tài)等都與轉速密切相關。 轉速測量的方法很多，測量儀表的型式也多種多樣，其使用條 件和測量精度也各不相同。根據(jù)轉速測量的工作方式可分為兩大類：接觸式轉速測量儀表與非接觸式轉速測量儀表。前者在使用時必須與被測轉軸直接接觸，如離心式轉速表、 第 4 頁 磁性轉速表與測速發(fā)電機等；后者在使用時不需要與被測轉軸接觸 ,如光電式轉速表、電子數(shù)字式轉速表、閃光測速儀等。測量發(fā)動機轉速的傳統(tǒng)方法是使用光電式轉速表測量。用這種方法測量時 ,既要在發(fā)動機轉動軸上粘貼光標紙，又要求測量人員把轉速表與光標紙的距離控制在很近的范圍 ,測量十分不方便。隨著科學技術的迅速發(fā)展 ,轉速測量儀表已步入現(xiàn)代化、電子化的行列。 過去曾經(jīng)使用過的 接觸式測量儀表 ,如離心式轉速表、磁性轉速表、微型發(fā)電機轉速表及鐘表是定時轉速表，均已先后受到冷落；而利用已知頻率的閃光與被測軸轉速同步的方法來測速的閃光測速儀，雖屬非接觸式儀表，目前仍有應用 ,但也退居次要地位。代之而起的是非接觸式的電子與數(shù)字化的測速儀表。這類轉速儀表大多具有體積小、重量輕、讀數(shù)準確、使用方便等優(yōu)點，容易實現(xiàn)電腦熒屏顯示和打印輸出，能夠連續(xù)的反映轉速變化，既能測定發(fā)動機穩(wěn)定情況下的平均轉速 ,也能夠用來在足夠小的時間間隔這一特定條件下測定發(fā)動機的瞬時轉速。 轉速測量的應用系統(tǒng)在工業(yè)生產(chǎn)、科技教 育、民用電器等各領域的應用極為廣泛，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)在不同的應用中有其側重，但轉速測量系統(tǒng)作為普遍的應用在國民經(jīng)濟發(fā)展中，有重要的意義。 主要內容 ，對轉速的周期測量法“ 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速計算、各自的測量精度和誤差進行闡述。定性地比較三種方法所針對的轉速特征，分析高、中、低轉速情況下各自的適用狀況。 ，構建軟件系統(tǒng)，分別對硬件系統(tǒng)的配置予以估計，使其能夠對 轉速進行測量。同時分析接口電路，顯示轉速。 /計數(shù)器進行設置，設計和說明定時 /計數(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。 ，用匯編語言編制程序，包括主程序流程，轉速計算程序，顯示中斷程序流程，同時并寫出其具體程序。 第 5 頁 第 2 章 系統(tǒng)功能分析 系統(tǒng)功能概述 系統(tǒng)主要實現(xiàn)功能是 AT89C51 單片機接收霍爾傳感器傳來的脈沖信號 ,單片機根據(jù)外部中斷 ,以及內部定時器進行記數(shù)計算出電機轉速送到 LED 顯示，同時數(shù)據(jù)傳給 PC 機 ,并在 PC 機屏幕上顯示出來。記 錄各時段的轉速，畫出 VT 坐標圖。 本系統(tǒng)通信部分是單片機經(jīng)電平轉換電路 HIN232CP 之后，通過串口 RS232發(fā)送數(shù)據(jù)，由 PC 微機接收，微機部分用 Visual Basic 軟件編寫的界面作為 PC機部分與單片機進行串口之間通信。傳感器電路、轉速測量、 LED 顯示、電平轉換電路設計等將在以下章節(jié)作詳細地設計。 圖 系統(tǒng)硬件電路 從實用的角度看，評價一個系統(tǒng)實用價值的重要標準，就是這個系統(tǒng)對社會生活和科技觀念有多大的貢獻。轉速測量系統(tǒng)具有大范圍、高精度 等優(yōu)點、測量速度快，這種系統(tǒng)將會有良好的應用。 系統(tǒng)要求及主要內容 將霍爾傳感器產(chǎn)生的脈沖信號輸出入到單片機的外部中斷 0 口，單片機工作在內部定時器工作方式 0，對周期信號進行內部記數(shù)，調用計算公式算出轉速，調用顯示程序顯示在 LED 上，同時通過串口向上位機發(fā)送轉速數(shù)據(jù)。系統(tǒng)包含主要內容如下： 傳感器 單 片 機 AT89C51 電 平 轉 換 電 路 LED 顯示 驅動電路 送 PC 機界面 第 6 頁 （ 1）單片機部分主要完成電機轉速的測量 （ 2） LED 部分主要是把轉速顯示出來，顯示范圍 6036000r/min （ 3）發(fā)送部分主要是完成電平轉換，送 RS232 向 PC 發(fā)送數(shù)據(jù)。 （ 4） PC 機部分主要完成將數(shù)據(jù)顯示在 界面并描繪出 VT圖 系統(tǒng)技術指標 系統(tǒng)主要完成測量和通信兩部分功能： （ 1）設計并制作單片機的轉速測量的硬件系統(tǒng)； （ 2）用匯編語言完成轉速測量的軟件系統(tǒng)； （ 3）要求把轉速顯示在 5 位 LED 上，精度為 %； （ 4）能向上位機發(fā)送數(shù)據(jù)； （ 5）用 9 針 RS232 即可； （ 6）在微機部分采用 Visual Basic 編制 RS— 232 通信軟件； （ 7）通信軟件具有數(shù)據(jù)接受編輯框； （ 8）通信軟件要適時對數(shù)據(jù)的記錄，用時間曲線表示。 根據(jù)系統(tǒng)要實現(xiàn)的功能以及要求，要實現(xiàn)單片機的轉速測量主要是各個模塊的設 計，定時器記數(shù)功能、以及 LED 驅動、電平轉換及 PC機之間的通信。單片機可通過編程控制外圍部件，能實現(xiàn)較高的自動化程度。以它為系統(tǒng)核心的控制模塊可實現(xiàn)主從控制，完成預定的任務。 第 7 頁 第 3 章 系統(tǒng)總體設計 轉速測量的一般方法 一般轉速測量系統(tǒng)有以下幾個部分構成，轉速測量框圖如圖 所示。 圖 轉速測量框圖 1．轉速信號拾取 轉速信號拾取是整個系統(tǒng)的前端通道，目的是將外界的非電參量，通過一定方式轉換成電量，這一環(huán)節(jié)可以通過敏感元件、傳感器或測量儀 表等來實現(xiàn)。方法如下： （ 1）通過敏感元件拾取被測信號 敏感元件體積小，可以根據(jù)用戶及環(huán)境要求做成各矛頭形狀的探頭，它能將被測的物理量變換成電流、電壓，只要選擇合適的元件參數(shù)。如 R、 L、 C設計相應的電路，便能完成這種對應關系。這種方法設計難度大，信號穩(wěn)定度差，在模擬處理系統(tǒng)中不宜采用。 （ 1）通過傳感器拾取信號 由專業(yè)人員將敏感元件和相應的測量電路、傳遞機構以適當?shù)男问街瞥刹煌愋汀⒉煌锰幍膫鞲衅?，根?jù)原理輸出電量。該電量可以是模擬量或數(shù)字量，現(xiàn)代傳感器還可以輸出開關量，用于數(shù)字邏輯電路。 （ 2）通過測量 儀表拾取被測信號 目前有許多測量儀表用于各種測量中，有大信號輸出、有 BCD 碼輸出等，但價格昂貴，專業(yè)性強，一般不適合通用系統(tǒng)。通用的轉速測量系統(tǒng)大都采用一種轉速 信號拾取 整 型 倍頻 單 片機 顯示 接口 芯片 顯示 鍵盤 驅動電路 第 8 頁 俗稱“碼盤”的傳感裝置，將圓形的碼盤固定在轉軸上，碼盤上有若干規(guī)則排列的小孔，用光電偶來輸出電信號，以反映轉速對應關系，即是將轉軸的速度以脈沖形式反映出來，通常有兩種形式：①模擬量量化后經(jīng) A/D 轉換，由數(shù)字量反映角度，供單片機計算處理，得出轉速。②直接由脈沖來反應轉軸的角度，用每轉產(chǎn)生的脈沖經(jīng)單片機處理得出轉速。 2．整形和倍頻 前向通道中，從傳感器輸出 的信號必須轉換成單片機輸入要求的信號，由于信號調節(jié)電路與傳感器的選擇，現(xiàn)場干擾程度等，都會影響信號的質量。而脈沖信號的上升沿和下降沿對數(shù)字電路的觸發(fā)尤為重要，若要將轉速脈沖信號直接加到計數(shù)器或外部中斷的輸入端，并利用其上升沿來觸發(fā)進行計數(shù)，則必須要求輸入的信號有陡峭的上升沿或下降沿。 處理方法上可以用觸發(fā)器電路來整形；而倍頻電路主要用于解決低轉速時測量精度問題及碼盤的刻度誤差而造成的精度下降問題。方法是在每轉中增加脈沖的個數(shù) (碼盤的線程數(shù) )來提高精度。但在高轉速時，由于脈沖個數(shù)的增加，限制了最高轉速測量量程 ，這個問題可用單片機控制來動態(tài)處理解決，兼顧高低轉速的測量精度。 3．單片機 單片機是整個測量系統(tǒng)的主要部分，擔負對前端脈沖信號的處理、計算、以及信號的同步，計時等任務，其次，將測量的數(shù)據(jù)經(jīng)計算后，將得到的轉速值傳送到顯示接口中，用數(shù)碼管顯示數(shù)值。在本系統(tǒng)中考慮到計數(shù)的范圍、使用的定時，計數(shù)器的個數(shù)及 I/O 口線，預選用 89C51 單片機。具體工作情況在后討論。 4．驅動和顯示 由于 LED 數(shù)碼管具有亮度高、可靠性好等特點，工業(yè)測控系統(tǒng)中常用 LED數(shù)碼管作為顯示輸出。本系統(tǒng)也采用數(shù)碼管作顯示。 LED 顯示器是用發(fā) 光二極管顯示字段的，通常使用七段構成“日”字型和一只發(fā)光二極管作為小數(shù)點，稱八段數(shù)碼顯示器。其有兩種驅動方式，共陰驅動和共陽驅動，共陰驅動是各段發(fā)光二極管的陰極連在一起，并將公共端接地，在共陽結構中，將各段發(fā)光二極管陽極連在一起，并將公共端接上 +5V 電源，顯示字符對應字型代碼發(fā)光。 第 9 頁 硬件電路設計思路 硬件設計的任務是根據(jù)總體設計要求，在選擇的機型的基礎上，具體確定系統(tǒng)中所要使用的元器件，設計出系統(tǒng)的原理框圖、電路原理圖。 轉速是工程中應用非常廣泛的一個參數(shù)，早期模擬量的模擬處理一直是作為轉速測量的主 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)模集成電路技術的發(fā)展，數(shù)字測量系統(tǒng)得到普遍應用，利用單片機對脈沖數(shù)字信號的強大處理能力，應用全數(shù)字化的結構，使數(shù)字測量系統(tǒng)的越來越普及 ,在測量范圍和測量精度方面都有極大的提高。 89C51單片機通過 INT0輸入傳感器的脈沖信號， P0口 P2口接 LED動態(tài)顯示。另由于 PC系列微機串行口為 RS232C標準接口，與輸入、輸出均為 TTL電平的 89C51單片機在接口規(guī)范上不一致，因此 TTL 電平到 RS－ 232接口電平的轉換采用HIN232CP接口芯片，該芯片可以用單電壓 （ +5V） 實現(xiàn) RS232接口邏輯 “1” （ 3V～15V） 和邏輯 “0” （ +3V～ +15V） 的電平轉換。 轉速測量部分的硬件設計思路：本次設計單片機部分的硬件框圖如圖 示。具體詳細的敘述將在下面的章節(jié)中逐一介紹。 圖 單片機部分硬件框圖 軟件設計思路 軟件需要解決的是 定時器 0的記數(shù)和外部中斷 0 的 設定 、由于測量的轉速范圍大，所以低速和高速都要考慮在內，關鍵在于一個四字節(jié)除三字節(jié)程序的實現(xiàn)。顯示 部分、需要有一個二進制到十進制的轉化程序，以及轉換成非壓縮 BCD 的程序后、才能進行調用查表程序送到顯示。 PC 機 串口 和單片機串行口 的工作方復位電路 CPU 執(zhí)行單元 顯示電路 時鐘電路 發(fā)送電路 第 10 頁 式，包括串 行 口的通訊速率、奇偶校驗位、停止位等 均由通信軟件實現(xiàn) 。 軟件工作流程： 霍爾傳感器利用磁電效應產(chǎn)生一周期脈沖向單片機的外部中斷 0（ ） 口 發(fā)送一個 中斷 信號， 定時器工作在內部定時， TH0、 TL0 設定初值為 0，作為除數(shù)的低兩字節(jié)，利用軟件記數(shù)器、定時器 0 中斷的次數(shù)作為除數(shù)高字節(jié)。中斷完畢讀取內部記數(shù)值作為除數(shù)，調用除法程序計算轉速，再對二進制數(shù)進行一系列變換后調用 查表顯示程序，顯示在 LED 上。 轉速部分軟件設計思路： AT89C51單片機的 。主要編寫一個外部中斷服務程序 INT_0，讀取記數(shù)值的三個字節(jié)，并再次清 0記數(shù)初值以便下次的記數(shù)和計算。調用兩字節(jié)二進制 三字節(jié)十進制 （ BCD） 轉換子程序 BCD，再調用十進制轉換成非壓縮 BCD程序 CBCD、 最后調用查表程序送顯示。為了和 PC通信，系統(tǒng)要求單片機晶振 。軟件的具體設計我們將在下面的章節(jié)中作詳細介紹。 第 11 頁 第 4 章 硬件電路設計 硬件的功能由總體設計所規(guī)定，硬件設計的任務是根據(jù)總 體設計要求，在選擇的機型的基礎上，具體確定系統(tǒng)中所要使用的元器件，設計出系統(tǒng)的電路原理圖，必要時做一些部件實驗，以確定電路圖的正確性。 整個單片機測量轉速系統(tǒng)為單片機控制模塊、霍爾傳感器模塊、發(fā)送模塊，各個模塊都承擔著各自的任務。 設計單片機模塊，考慮到 單片機本身 的外圍電路較多，所以在單片機模