【文章內(nèi)容簡介】 在使用模技術(shù)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(shè)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(shè)計有較多介紹，在測量系統(tǒng)中能學(xué)到關(guān)于測量轉(zhuǎn)速的傳感器采樣問題，單片機部分的內(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、顯示等方面的實際工作能力。 本課題以單片機為核心，設(shè)計的全數(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值。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 而可以很方便的和工業(yè)控制機進行連接，實行遠(yuǎn)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(zhuǎn)速測量系統(tǒng)的研究是一件非常有意義的課題。 轉(zhuǎn)速測量在國內(nèi)外的研究 轉(zhuǎn)速是能源設(shè)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(zhuǎn)速的函數(shù)關(guān)系來確定的，例如壓縮機的排氣量、軸功率、內(nèi)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(zhuǎn)速密切相關(guān)。 轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速測量的工作方式可分為兩大類：接觸式轉(zhuǎn)速測量儀表與非接觸式轉(zhuǎn)速測量儀表。前者在使用時必須與被測轉(zhuǎn)軸直接接觸，如離心式轉(zhuǎn)速表、 第 4 頁 磁性轉(zhuǎn)速表與測速發(fā)電機等；后者在使用時不需要與被測轉(zhuǎn)軸接觸 ,如光電式轉(zhuǎn)速表、電子數(shù)字式轉(zhuǎn)速表、閃光測速儀等。測量發(fā)動機轉(zhuǎn)速的傳統(tǒng)方法是使用光電式轉(zhuǎn)速表測量。用這種方法測量時 ,既要在發(fā)動機轉(zhuǎn)動軸上粘貼光標(biāo)紙，又要求測量人員把轉(zhuǎn)速表與光標(biāo)紙的距離控制在很近的范圍 ,測量十分不方便。隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展 ,轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速表、磁性轉(zhuǎn)速表、微型發(fā)電機轉(zhuǎn)速表及鐘表是定時轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(yīng)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(zhuǎn)速儀表大多具有體積小、重量輕、讀數(shù)準(zhǔn)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(zhuǎn)速變化，既能測定發(fā)動機穩(wěn)定情況下的平均轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速。 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)濟發(fā)展中，有重要的意義。 主要內(nèi)容 ，對轉(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(zhuǎn)速特征，分析高、中、低轉(zhuǎn)速情況下各自的適用狀況。 ，構(gòu)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?qū)?轉(zhuǎn)速進行測量。同時分析接口電路，顯示轉(zhuǎn)速。 /計數(shù)器進行設(shè)置，設(shè)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(zhuǎn)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(nèi)部定時器進行記數(shù)計算出電機轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速，畫出 VT 坐標(biāo)圖。 本系統(tǒng)通信部分是單片機經(jīng)電平轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速測量、 LED 顯示、電平轉(zhuǎn)換電路設(shè)計等將在以下章節(jié)作詳細(xì)地設(shè)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(biāo)準(zhǔn)，就是這個系統(tǒng)對社會生活和科技觀念有多大的貢獻(xiàn)。轉(zhuǎn)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(yīng)用。 系統(tǒng)要求及主要內(nèi)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(nèi)部定時器工作方式 0，對周期信號進行內(nèi)部記數(shù)，調(diào)用計算公式算出轉(zhuǎn)速，調(diào)用顯示程序顯示在 LED 上，同時通過串口向上位機發(fā)送轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)。系統(tǒng)包含主要內(nèi)容如下： 傳感器 單 片 機 AT89C51 電 平 轉(zhuǎn) 換 電 路 LED 顯示 驅(qū)動電路 送 PC 機界面 第 6 頁 （ 1）單片機部分主要完成電機轉(zhuǎn)速的測量 （ 2） LED 部分主要是把轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(shù)指標(biāo) 系統(tǒng)主要完成測量和通信兩部分功能： （ 1）設(shè)計并制作單片機的轉(zhuǎn)速測量的硬件系統(tǒng)； （ 2）用匯編語言完成轉(zhuǎn)速測量的軟件系統(tǒng)； （ 3）要求把轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速測量主要是各個模塊的設(shè) 計，定時器記數(shù)功能、以及 LED 驅(qū)動、電平轉(zhuǎn)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(yù)定的任務(wù)。 第 7 頁 第 3 章 系統(tǒng)總體設(shè)計 轉(zhuǎn)速測量的一般方法 一般轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)有以下幾個部分構(gòu)成，轉(zhuǎn)速測量框圖如圖 所示。 圖 轉(zhuǎn)速測量框圖 1．轉(zhuǎn)速信號拾取 轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(shè)計相應(yīng)的電路，便能完成這種對應(yīng)關(guān)系。這種方法設(shè)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(yīng)的測量電路、傳遞機構(gòu)以適當(dāng)?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(guān)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(zhuǎn)速測量系統(tǒng)大都采用一種轉(zhuǎn)速 信號拾取 整 型 倍頻 單 片機 顯示 接口 芯片 顯示 鍵盤 驅(qū)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(zhuǎn)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(zhuǎn)速對應(yīng)關(guān)系，即是將轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換，由數(shù)字量反映角度，供單片機計算處理，得出轉(zhuǎn)速。②直接由脈沖來反應(yīng)轉(zhuǎn)軸的角度，用每轉(zhuǎn)產(chǎn)生的脈沖經(jīng)單片機處理得出轉(zhuǎn)速。 2．整形和倍頻 前向通道中，從傳感器輸出 的信號必須轉(zhuǎn)換成單片機輸入要求的信號，由于信號調(diào)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(zhì)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)速時，由于脈沖個數(shù)的增加，限制了最高轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(dān)負(fù)對前端脈沖信號的處理、計算、以及信號的同步，計時等任務(wù)，其次，將測量的數(shù)據(jù)經(jīng)計算后，將得到的轉(zhuǎn)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(yù)選用 89C51 單片機。具體工作情況在后討論。 4．驅(qū)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(gòu)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(qū)動方式，共陰驅(qū)動和共陽驅(qū)動，共陰驅(qū)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(jié)構(gòu)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(yīng)字型代碼發(fā)光。 第 9 頁 硬件電路設(shè)計思路 硬件設(shè)計的任務(wù)是根據(jù)總體設(shè)計要求，在選擇的機型的基礎(chǔ)上，具體確定系統(tǒng)中所要使用的元器件，設(shè)計出系統(tǒng)的原理框圖、電路原理圖。 轉(zhuǎn)速是工程中應(yīng)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(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，利用單片機對脈沖數(shù)字信號的強大處理能力，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 ,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(biāo)準(zhǔn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)換。 轉(zhuǎn)速測量部分的硬件設(shè)計思路：本次設(shè)計單片機部分的硬件框圖如圖 示。具體詳細(xì)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(shè)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(shè)定 、由于測量的轉(zhuǎn)速范圍大，所以低速和高速都要考慮在內(nèi)，關(guān)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(zhuǎn)化程序，以及轉(zhuǎn)換成非壓縮 BCD 的程序后、才能進行調(diào)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(fù)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(yīng)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(nèi)部定時， TH0、 TL0 設(shè)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(nèi)部記數(shù)值作為除數(shù)，調(diào)用除法程序計算轉(zhuǎn)速，再對二進制數(shù)進行一系列變換后調(diào)用 查表顯示程序，顯示在 LED 上。 轉(zhuǎn)速部分軟件設(shè)計思路： AT89C51單片機的 。主要編寫一個外部中斷服務(wù)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(diào)用兩字節(jié)二進制 三字節(jié)十進制 （ BCD） 轉(zhuǎn)換子程序 BCD，再調(diào)用十進制轉(zhuǎn)換成非壓縮 BCD程序 CBCD、 最后調(diào)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(shè)計我們將在下面的章節(jié)中作詳細(xì)介紹。 第 11 頁 第 4 章 硬件電路設(shè)計 硬件的功能由總體設(shè)計所規(guī)定，硬件設(shè)計的任務(wù)是根據(jù)總 體設(shè)計要求，在選擇的機型的基礎(chǔ)上，具體確定系統(tǒng)中所要使用的元器件，設(shè)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(zhuǎn)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(dān)著各自的任務(wù)。 設(shè)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