【正文】 .......... 31 調(diào)試結(jié)果 ........................................................................................................................ 31 實(shí)物展示 ........................................................................................................................ 32 6 結(jié)論與展望 ........................................................................................................................... 34 參 考 文 獻(xiàn) ............................................................................................................................ 35 致 謝 ........................................................................................................................................ 36 附 錄 A ................................................................................................................................... 37 附 錄 B ................................................................................................................................... 38 常州大學(xué) 本科 生 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 1 頁 共 42 頁 1 引言 課題研發(fā)的背景和意義 轉(zhuǎn)動(dòng) 物體的速度是 測控系統(tǒng) 中的重要參數(shù)之一，它的應(yīng)用范圍廣，實(shí)用價(jià)強(qiáng)。對某一些問題，轉(zhuǎn)速測量的要求準(zhǔn)度不是太高，而對另一些問題，除了能準(zhǔn)確的測轉(zhuǎn)速外，還要保證測量的實(shí)時(shí)性，要求能測得瞬時(shí)速度，轉(zhuǎn)速更加是電動(dòng)機(jī)極為重要的一個(gè)參數(shù)，其測量精度將直接影響電動(dòng)機(jī)其它有關(guān)參數(shù)和特性的測試，以及故障檢測與診斷的準(zhǔn)確性。 這樣可以有效的監(jiān)控電機(jī)的工作狀態(tài)，避免不必要的損失。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。并且，幾乎不需做很大改變就能直接作為單獨(dú)的產(chǎn)品使用。 總之，轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)的研究是一件非常有意義的課題 數(shù)字測速儀的 國內(nèi)外 研究現(xiàn)狀 及發(fā)展趨勢 目前國內(nèi)外測量電機(jī)轉(zhuǎn)速的方法很多，按照不同的理論方法，先后產(chǎn)生過模擬測速法 (如離心式轉(zhuǎn)速表、用電機(jī)轉(zhuǎn)矩或者電機(jī)電樞電動(dòng)勢計(jì)算所得 )、同步測速法 (如機(jī)械式或閃光式頻閃測速儀 )以及計(jì)數(shù)測速法。傳統(tǒng)的電機(jī)轉(zhuǎn)速檢測多采用測速發(fā)電機(jī)或光電數(shù)字脈沖編碼器，也有采用電磁式 (利用電磁感應(yīng)原理或可變磁阻的霍爾元件 等 )、電容式 (對高頻振蕩進(jìn)行幅值調(diào)制或頻率調(diào)制 )等，還有一些特殊的測速器是利用置于旋轉(zhuǎn)體內(nèi)的放射性材料來發(fā)生脈沖信號．其中應(yīng)用最廣的是光電式，光電式測系統(tǒng)具有低慣性、低噪聲、高分辨率和高精度的優(yōu)點(diǎn)．加之激光光源、光柵、光學(xué)碼盤、 CCD 器件、光導(dǎo)纖維等的相繼出現(xiàn)和成功應(yīng)用，使得光電傳感器在檢測和控制領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。 在 過去的 轉(zhuǎn)速的測量過程中，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。由于單片常州大學(xué) 本科 生 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 2 頁 共 42 頁 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 ，轉(zhuǎn)速涌量普遍采用以單片機(jī)為核心的數(shù)字式測量方法 ,智能化微電腦代替了一般機(jī)械式或模擬式結(jié)構(gòu) ,測量轉(zhuǎn)速時(shí) ,轉(zhuǎn)速直接顯示在 LED 上 ,這樣更加直觀 ,抗干擾性也比傳統(tǒng)的儀表更強(qiáng) ,操作簡易且小巧便攜。同時(shí)采用數(shù)字同步采樣技術(shù)通過測量直流電機(jī)換向器電火花電流，經(jīng)過信號的采集 —處理 —分析 —運(yùn)算，最后準(zhǔn)確計(jì)算出直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速。 FL1300 直流電機(jī)轉(zhuǎn)速測量儀特別針對高轉(zhuǎn)速的電機(jī)，準(zhǔn)確測量直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速、電壓、電流、功率等參數(shù)。 由于集成塊國產(chǎn)化的成熟和電子技術(shù)的飛快發(fā)展，轉(zhuǎn)速儀表結(jié)構(gòu)簡單化，品種多樣化與系列化，進(jìn)一步要向人性化發(fā)展，單片機(jī)技術(shù)和大規(guī)模可編程數(shù)字邏 輯電路的普及，為轉(zhuǎn)速儀表結(jié)構(gòu)簡單化提供了基礎(chǔ)，智能芯片的運(yùn)用，是同一儀表硬件，具有多種不同功能的軟件為多樣化，系列化帶來了便利，智能儀表的軟件，可為不同需求量身定做，是智能儀表又具個(gè)性化的特點(diǎn)。有了科技人員不斷汲取新知識，不斷運(yùn)用新器件， 不斷開拓新思路，才有這些創(chuàng)新的儀表。 課題 的主要內(nèi)容和任務(wù) 數(shù)字轉(zhuǎn)速測試儀系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)兩部分內(nèi)容。 本設(shè)計(jì)的主要任務(wù)是 ： 能夠?qū)崿F(xiàn)對電機(jī)轉(zhuǎn)速的數(shù)字化非接觸式測量，如電機(jī)在電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的過程中能夠測出任意一時(shí)段的轉(zhuǎn)速，并通 過液晶 1602 顯示出來，并且通過 按鍵調(diào)節(jié) L298 電路 對 PWM 脈寬速度調(diào)整來控制電機(jī)轉(zhuǎn)速的大小，實(shí)現(xiàn)對不同速度的電機(jī)的轉(zhuǎn)速的測量。當(dāng)紅外線 照 到黑色部分時(shí)，由于黑色吸光， 紅外發(fā)射管發(fā)出的光照射在上面后反射的部分就較小，接收管接收到的紅外線也就較少，表現(xiàn)為電阻比較大，通 過外接的電路就可以讀出檢測的狀態(tài)，同理當(dāng)照射在白色表面時(shí)發(fā)射的紅外線就比較多，表現(xiàn)為接收管的電阻就比較小。通過單片機(jī)內(nèi)部時(shí)鐘計(jì)時(shí)，并且對得到的脈沖 每個(gè)跳變不斷 計(jì)數(shù) ， 經(jīng)過內(nèi)部計(jì)算之后， 最終 將實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)數(shù)在液晶 1602 上顯示 出來。 當(dāng)轉(zhuǎn)速超過一定速度時(shí)，電路的報(bào)警系統(tǒng)會(huì)立刻進(jìn)行報(bào)警。該系統(tǒng)由 AT89S52 單片機(jī)、 紅外測速模塊 、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、 顯示電路、報(bào)警電路等部分組成。系統(tǒng) 以 一對紅外發(fā)射和接收二極管形成光路 ， 通過 照射到 齒盤 上顏色的變化 對光路形成脈沖 ， 單片機(jī)采用同步 M/T 法對脈沖計(jì) 數(shù)， ， 經(jīng)過內(nèi)部數(shù)據(jù)處理得 出轉(zhuǎn)速 ，并 通過 1602 液晶顯示器顯示出結(jié)果。通過 L298N 電路調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，從而實(shí)現(xiàn)在一個(gè)電機(jī)上對 低轉(zhuǎn)速和高轉(zhuǎn)速的測量 。具體是通過單片機(jī)記單位時(shí)間 S（秒）內(nèi)的脈沖數(shù) N， 則轉(zhuǎn)子 的 每分鐘的轉(zhuǎn)速： M=N/S60。是通過定時(shí)器記錄脈沖的周期 T，這樣每分鐘的轉(zhuǎn)速： M=60/T。 不能代表所測物體的整體平均速度。 由此明顯看出 ,方案二在測量精度及提高系統(tǒng)控制靈敏度等方面優(yōu)于方案一，所以本設(shè)計(jì)采用方案二。這個(gè)方案的優(yōu)點(diǎn)是電路簡單，缺點(diǎn)是 電磁 繼電器的 電路 響應(yīng)時(shí)間慢、 頻繁使用， 機(jī)械結(jié)構(gòu)易損壞、壽命較短、可靠性不高。這個(gè)方案的優(yōu)點(diǎn)是驅(qū)動(dòng)電路簡單 明了 ， 容易上手， 幾乎不 需要加任何 其它外圍元件就可以實(shí)現(xiàn) 對電機(jī) 穩(wěn)定的控制，使得 整個(gè) 驅(qū)動(dòng)電路 的功耗 較小，而且 此類芯片在 市場上種類齊全，價(jià)格也 相對較 便宜。用 AT89S52 單片機(jī) 控制達(dá)林頓管令其 工作在占空比可調(diào)的開關(guān)狀態(tài)， 從而可 以 精確調(diào)整電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。 鍵盤顯示方案論證 方案一：采用 2*2 鍵盤，可直接輸入 速度 設(shè)定值。 方案二：使用 2 個(gè)按鍵，進(jìn)行逐位 電機(jī)調(diào)速 設(shè)置。 為了系統(tǒng) 簡單 容易擴(kuò)展、操作 方便 以及美觀 大方 ，本設(shè)計(jì)完全采用方案二。本設(shè)計(jì)采用了定頻調(diào)寬方式，采用這種方式的優(yōu)點(diǎn)是電動(dòng)機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)比較穩(wěn)定，并且在采用單片機(jī)產(chǎn)生 PWM脈沖的軟件實(shí)現(xiàn)上比較方便。 方案一：采用定時(shí)器做為脈寬控制的定時(shí)方式，這一方式產(chǎn)生的脈沖寬度極其精確，誤差只在幾個(gè) us。但是基于不占 用定時(shí)器資源，且對于直流電機(jī)，采用軟件延時(shí)所產(chǎn)生的定時(shí)誤差在允許范圍。 轉(zhuǎn)速測量原理 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) m1來測量轉(zhuǎn)速，如圖 “ M”法測量轉(zhuǎn)速脈沖所示，設(shè)在時(shí)間 T 內(nèi)，轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)過的弧度數(shù)為 Xτ ，則轉(zhuǎn)速 n 可由下式表示： n= TX??260 (1) 轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)過的 弧度數(shù) Xτ 可用下式所示 m1 Xpm12??? (2) 圖 “ M”法測量轉(zhuǎn)速脈沖 將（ 2）式代入（ 1）式得 轉(zhuǎn)速 n 的表達(dá)式為： n= TPm160 （ 3） P為轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)一周脈沖發(fā)生器產(chǎn)生的脈沖數(shù)； n轉(zhuǎn)速單位：（轉(zhuǎn) /分）； T定時(shí)時(shí)間單位：（秒）。因此，為了提高測量精度， T 要有足夠長的時(shí)間。設(shè)置的時(shí)間過長，可以提高精度，但在轉(zhuǎn)速較快的情況下，所計(jì)的脈沖數(shù)增大（碼盤孔數(shù)已定情況下），限制了轉(zhuǎn)速測量的量程。 測周期法“ T 法” 轉(zhuǎn)速可以用兩脈沖產(chǎn)生的間隔寬度 TP 來決定。對于多孔碼盤，其測量的時(shí)間只是每轉(zhuǎn)的 1/N， N 為碼盤孔數(shù)。 TP 通過定時(shí)器測得。 圖 “ T”法脈寬測量 由 “ T”法脈寬測量可知“ T”法測量精度的誤差主要有兩個(gè)方面，一是兩脈沖的上升沿觸發(fā)時(shí)間不一致而產(chǎn)生的；二是計(jì)數(shù)和定時(shí)起始和關(guān)閉不一致而產(chǎn)生的。測周法在低轉(zhuǎn)速時(shí)精度較高，但隨著轉(zhuǎn)速的增加，精度變差，有小于一個(gè)脈沖 的誤差存在。 “ M/T”法采用三個(gè)定時(shí) /計(jì)數(shù)器，同時(shí)對輸入脈沖、高頻脈沖（由振蕩器產(chǎn)生）、及預(yù)設(shè)的定時(shí)時(shí)間進(jìn)行定時(shí)和計(jì)數(shù)， m1 反映轉(zhuǎn)角， m2 反映測速的準(zhǔn)確時(shí)間，通過計(jì)算可得轉(zhuǎn)速值 n。測速時(shí)間 Td 由脈沖發(fā)生器脈沖來同步，即 Td 等于 m1個(gè)脈沖周期。 常州大學(xué) 本科 生 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 7 頁 共 42 頁 “ M/T”法綜合了“ T”和“ M”兩種方法，轉(zhuǎn)速計(jì)算如下： 設(shè)高頻脈沖的頻率為 fc，脈沖發(fā)生器每轉(zhuǎn)發(fā)出 P 個(gè)脈沖，由式（ 2）和（ 5）可得M/T 法轉(zhuǎn)速計(jì)算公式為： 2160Pmmfn c? (6) n轉(zhuǎn)速值。 圖 “ M/T”法定時(shí) /計(jì)數(shù)測量 通過上面的分析可知， 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。 M/T 這種轉(zhuǎn)速測量方法的相對誤差與轉(zhuǎn)速 n無關(guān)，只與晶體振蕩產(chǎn)生的脈沖有關(guān)，故可適合各種轉(zhuǎn)速下的測量。因此，在實(shí)際操作時(shí)往往采用一種稱變 M/T 的測量方法，即所謂變 M/T 法，在 M/T 法的基礎(chǔ)上，讓測量時(shí)間 Tc始終等于轉(zhuǎn)速輸入脈沖信號的周期之和?；?M 法測量速度，電路和程序均較為簡單，且可以在一定的條件下滿足精度的要求，所以本設(shè)計(jì)中采用 M/T 法進(jìn)行測量。 控制模塊 模塊控制的選擇 AT89S52 是一種低功耗、高性能 CMOS 8 位微控制器，具有 8K 在系統(tǒng)可編程 Flash 存儲(chǔ)器。片上 Flash 允許程序存儲(chǔ)器在系統(tǒng)可編程，亦適于常規(guī)編程器。 由于我們學(xué)習(xí)過 51 單 片機(jī)， 52 和 52 原理幾乎相同，對它比較熟悉，在運(yùn)用的時(shí)候就會(huì)比較熟練，所以選擇了 AT89S52 單片機(jī)。如圖 所示 AT89S52 引腳排列。另外， AT89S52 可降至 0Hz 靜態(tài)邏輯操作，支持 2 種 軟件 可選擇節(jié)電模式。掉電保護(hù)方式下， RAM 內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)， 單片機(jī)一切工作停止，直到下一個(gè)中斷或硬件復(fù)位為止。 （ 1） P0 口 ： P0 口為一個(gè) 8 位漏級開路雙向 I/O 口，每腳可吸收 8TTL 門電流。 P0 能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，它可以被定義為數(shù)據(jù) /地址的第八位。 （ 2） P1 口 ： P1 口是一個(gè)內(nèi)部提供上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， P1 口緩沖器能接收輸出 4TTL 門電流。在 FLASH 編程和校驗(yàn)時(shí)，P1 口作為第八位地址接收。并因此作 為輸入時(shí)， P2 口的管腳被外部拉低，將輸出電流。P2 口當(dāng)用于外部程序存儲(chǔ)器或 16 位地址外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行存取時(shí)， P2 口輸出地址的高八位。 P2 口在 FLASH 編程和校驗(yàn)時(shí)接收高八位地址信號和控制信號 （ 4） AT89S52 的特殊引腳端口： P3 口 ， P3 口管腳是 8 個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的雙向I/O 口 ， 當(dāng) P3 口寫入 ―1‖后，它們被內(nèi)部上 賦予 高電平， P3 口也可作為 AT89S52 的一些特殊功能口， 如表 所示： 表 P3 口的第二功能 引腳 第二功能 說明 RXD 串行數(shù)據(jù)輸入口 TXD 串行數(shù)據(jù)輸出口 /INT0 外部中斷 0 輸入 /INT1 外部中斷 1 輸入 T0 定時(shí) /計(jì)數(shù)器 T0 T1 定時(shí)