基于51单片机的电机转速测量与显示系统

目录1 绪论 (2)1.1 题目背景及目的 (2)1.2 题目研究方法 (2)2 系统设计基础知识 (3)2.1 直流电机的基本知识 (3)2.2 51单片机的基础知识 (7)2.3 LED显示管 (10)2.4 传感器 (10)3 系统总体方案设计 (14)3.1 系统分析 (14)3.2 设计思路和方案 (16)3.3 系统构成 (17)4 硬件电路设计 (19)4.1 电源电路 (19)4.2 转速测量电路 (19)4.3 LED显示模块 (21)4.4 系统硬件设计 (21)5 系统软件设计 (23)5.1 计时方案的选择 (23)5.2 软件结构划分 (24)6设计心得与体会 (26)7参考文献 (26)摘要单片机又称单片微控制器（MCU），它把一个计算机系统集成到一个芯片上。

它的体积小、质量轻、价格便宜、为学习、应用和开发提供了便利条件。

随着电子技术的迅猛发展，单片机技术也有了长足的发展，目前单片机渗透到我们生活的各个领域，几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪迹，导弹的导航装置，飞机上各种仪表的控制，计算机的网络通讯与数据传输，工业自动化过程的实时控制和数据处理，广泛使用的各种智能IC卡，民用豪华轿车的安全保障系统，录象机、摄象机、全自动洗衣机的控制，以及程控玩具、电子宠物等等，这些都离不开单片机。

各种电机在工业得到广泛应用，为了能方便的对电机进行控制、监视、调速，有必要对电机的转速进行测量，从而提高自动化程度。

转速是工程上一个常用参数。

转速测量的方法很多，采用光电开关管测量转速是较为常用的测量方法。

在本系统设计中，我们以51单片机为核心控制单元，以红外对管（或称光/电，电/光二极管）为传感器，通过光电传感器实时采集电机转速并进行处理与显示，设计出一个电动机转速测量系统,并研究其测量精度、测量围及响应速度.程序设计部分分为初始化模块、脉冲计数模块、计时模块、参数调整模块和显示模块.最后通过试验测试,得到了相应的技术参数,并对转速测量系统的误差进行了分析.要求设计的系统稳定可靠、抗干扰能力强、成本低，使用方便。

1 绪论1.1 题目背景及目的目前单片机渗透到我们生活的各个领域，几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪迹，导弹的导航装置，飞机上各种仪表的控制，计算机的网络通讯与数据传输，工业自动化过程的实时控制和数据处理，广泛使用的各种智能IC卡，民用豪华轿车的安全保障系统，录象机、摄象机、全自动洗衣机的控制，以及程控玩具、电子宠物等等，这些都离不开单片机。

各种电机在工业得到广泛应用，为了能方便的对电机进行控制、监视、调速，有必要对电机的转速进行测量，从而提高自动化程度。

1.2 题目研究方法测量转子速度的方法很多，但多数比较复杂。

目前，测量转速的方法主要有四种：机械式、电磁式、光电式和激光式。

机械式主要利用离心力原理，通过一个随轴转动的固定质量重锤带动自由轴套上下运动，根据不同转速对应不同轴套位置获得测量结果原理简单直接，不需额外电器设备，适用于精度要求不高、接触式的转速测量场合。

电磁式系统由电磁传感器和安装在轴上的齿盘组成，主轴转动带动齿盘旋转，齿牙通过传感器时引起电路磁阻变化，经过放大整形后形成脉冲，通过脉冲得到转速值。

由于受齿盘加工精度、齿牙最小分辨间隔、电路最大计数频率等限制，测量精度不能保证。

光电式结构类似于电磁式结构，把旋转齿盘换作光电编码盘或黑白相间的反射条纹，把电磁传感器换作光电接收器，通过对反射回来的光脉冲信号计数得到测量结果。

由于受条纹最小分辨间隔、电路最大计数频率等限制，测量精度不能保证，所测转速值和电磁式一样为两个计数脉冲间距的平均值。

激光测速技术(LDV)是一种正在发展中的测速技术，通过激光多普勒效应获得转动体的瞬时角速度，理论上具有很高的瞬时转速测量精度，但目前实际产品精度不够高，并且价格昂贵，在实际使用上受到限制。

通过改进已有的电磁式传感器，设计一种适于瞬时转速测量的新型传感器，在旋转机械瞬时状态分析中具有一定的实际意义。

2 系统设计基础知识2.1 直流电机的基本知识直流电机的工作原理永磁式直流电机是应用很广泛的一种。

只要在它上面加适当电压。

电机就转动。

图2.1是这种电机的符号和简化等效电路[1]。

工作原理图：图2.1 直流电机的符号和等效电路这种电机由定子、转子、换向器(又称整流子)、电刷等组成，定子用作产生磁场。

转于是在定子磁场作用下，得到转矩而旋转起来。

换向器及时改变了电流方向，使转子能连续旋转下去。

也就是说，直流电压加在电刷上，经换向器加到转子线圈，流过电流而产生磁场，这磁场与定子的固定磁场作用，转子被强迫转动起来。

当它转动时，由于磁场的相互作用，也将产生反电动势，它的大小正比于转子的速度，方向和所加的直流电压相反。

图2.1(b)给出了等效电路。

Rw代表转子绕组的总电阻，E代表与速度相关的反电动势。

永磁式换流器电机的特点：当电机负载固定时，电机转速正比于所加的电源电压。

当电机直流电源固定时，电机的工作电流正比于转予负载的大小。

加于电机的有效电压，等于外加直流电压减去反电动势。

因此当用固定电压驱动电机时，电机的速度趋向于自稳定。

因为负载增加时，转子有慢下来的倾向，于是反电动势减少，而使有效电压增加，反过来又将使转子有快起来的倾向，所以总的效果使速度稳定。

当转子静止时，反电动势为零，电机电流最大。

其最大值等于V／Rw(这儿V是电源电压)。

最大·电流出现在刚起动的条件。

转子转动的方向，可由电机上所加电压的极性来控制。

体积小、重量轻、起动转矩大。

由于具备上述的那些特点，所以在医疗器械、小型机床、电子仪器、计算机、气象探空仪、探矿测井、电动工具、家用电器及电子玩具等各个方面，都得到广泛的应用。

对这种永磁式电机的控制，主要有电机的起停控制、方向控制、可变速度控制和速度的稳定控制。

电机的起／停控制电机的起／停控制，最简单最原始的方法是在电机与电源之间，加一机械开关。

或者用继电器的触点控制。

现在比较流行的方法，是用开关晶体管来代替机械开关，无触点、无火花干扰，速度快。

电路如图2.2(a)所示。

当输入端为低电平时，开关晶体管Q1截止，电机无电流而处于停止状态。

如果输入端为高电平时，Q1饱和导通，电机中有电流，因此电机起动运转。

图中二极管D1和D2是保护二极管，防止反电动势损坏晶体管。

电容C1是消除射频干扰而外加的。

R1基极限流电阻，限制Q1的基极电流。

在6V电源时，基极电流不超过52mA。

在这种情况下，Q1提供电机的最大电流为1A左右。

图2.2 用晶体管控制电机启停,(b)增强灵敏度图2.2(a)的电路，因基极电流需外部驱动电路。

如果再增加一级缓冲放大，如图2.2(b)的电路，驱动电流减少到2mA。

R3限制Q1的基极电流到安全值。

其他元件作用与(a)图中相同。

电机的方向控制水磁式换流器电机的转动方向，可以用改变电源极性的方法，使电机反转。

如果用正、负双极性电源，可用一个单刀进行转换，如图2.3(a)所示。

因为电机的电流直接通过开关，容易烧坏开关接点。

所以可以改用功率开关晶体管来代替机械开关，就可以克服上述缺点。

电路如图2.3(b)所示。

图2.3 电机方向控制电路工作原理：当开关SW1置于“正转”位时，Q1和Q3的基极加上偏流；Q2和Q4的偏置电路被断开。

所以Q1和Q3导通，Q2和Q4截止。

电流从V＋→Q3发射极→Q3集电极→电机正端→电机负端→地形成回路，此时电机正转。

同理，如果SW1置于“反转’位置时，Q2和Q4得到偏流而导通；01和Q3截止。

电流从电源地端→电机负端→电机正端→Q4集电极→Q4发射极→电源负端形成回路，故电机电源与上述情况相反，因此电机反转。

而SW1置于断时，电机停止转动。

图2.3(b)电路中SW1要转接正、负电源。

在接口电路的应用中，用电子开关来代替SW1就比较困难。

为了克服这个缺点，可用图2.3(c)的电路加以改进。

图2.3(c)中的SW1就很容易用电子开关来代替。

在这个电路中，SW1置于“正转”位置时，Q1和Q3导通，Q2和Q4截止。

SW1置于“反转”位置时，Q2和Q4导通，Q1和Q3截止。

电机的速度控制直流电机的转速与所加的电压有效值成正比。

图2.4是12V直流电机的可变电压速度控制。

图中Q1和Q2是复合管射极跟随器，电机的直流电压可从0V变到12v。

这种电路的特点是：在中速和高速时，速度的控制和自动调节的性能很好。

但是低速和慢启动特性比较差。

用开关方式或脉宽调制，可以获得非常好的速度控制性能。

电路图如2.5所示：图2.4 12V DC电机速度控制图2.5 12V直流电机开关方式速度控制图中IC1作为50Hz的无稳多谐振荡器，它产生一个矩形波输出，占空比可变从20比1到1比20，由RV1进行调节。

这个波形经过Q1和Q2送到电机，电机上的电压有效值是随RV1的调节而变化的(总的周期是50HZ)。

不过电机上所加上的电压，是具有峰值电压为12V的功率脉冲。

因此在整个调速围；性能都非常好。

即使在很低的速度，转矩也很大。

速度控制的程度，正比于所加电压的有效值。

2.2 51单片机的基础知识随着大规模集成电路的出现和发展，芯片生产厂家把中央处理器CPU（Central Processing Unit），随机存取存RAM（Random Access Memory），只读存储器ROM（Read Only Memory），定时器/计数器以及I/O（Input/Output）接口电路等主要计算机部件，集成在一块集成电路芯片（硅片）上，形成芯片级计算机，称为单片微型计算机（single chip microcomputer），直译为单片机。

虽然单片机只是一个芯片，但从组成和功能上看，它已具有了微机系统的含义，又称微型处理部件MCU（Micro Controller Unit）,单片机商品名称为微控制器单元。

单片机具有优异的性能价格比、体积小、可靠性高、控制功能强，广泛应用在智能仪表、机电一体化、实时过程控制、机器人、家用电器、模糊控制、通信系统等领域。

根据单片机能够一次处理的数据的宽度（二进制位数），单片机分为1位机、4位机、8位机、16位机、32位机。

目前，应用最广的产品是8位单片机，其中又属Intel 公司出品的MCS-51系列单片机应用最广。

MCS-51系列单片机已经成为事实上的工业标准，其部包含如下功能部件：1、一个8位的中央处理器CPU，完成运算和控制功能；2、一个片振荡器及时钟电路，外接石英晶体和微调电容需外接，为单片机产生时钟脉冲序列，系统允许的晶振频率0～33MHz；3、256B RAM数据存储器，前128单元作部数据存储器，可擦写的数据，后128单元为专用寄存器。

4、两个16位定时器/计数器，以实现定时或计数功能，并以其定时或计数结果对计算机进行控制。