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。