微机原理大作业-测量电风扇转速的方案

测量电风扇转速的方案0 引言电风扇是每家每户都会有的一个电器，在空调尚未普及之前，炎炎夏日人们能在风扇面前吹着风就已经是很好的享受了。

但是不知道大家有没有想过，我们常见常用的风扇叶片的转速究竟是多少呢。

接下来我们便来探讨测量电风扇转速的一种方法。

1 可行性研究1.1 背景风扇转速是指风扇扇叶每分钟旋转的次数，单位是rpm。

风扇转速由电机内线圈的匝数、工作电压、风扇扇叶的数量、倾角、高度、直径和轴承系统共同决定。

在风扇结构固定的情况下，直流风扇(即使用直流电的风扇)的转速随工作电压的变化而同步变化。

风扇的转速可以通过内部的转速信号进行测量，也可以通过外部进行测量（外部测量是用其他仪器看风扇转的有多快，内部测量则直接可以到BIOS里看，也可以通过软件看。

内部测量相对来说误差大一些）。

风扇转速与散热能力并没有直接的关系，风量是决定散热能力的根本条件，更高的风扇转速会带来更高的噪声，选购散热器产品时如果风量差不多，可以选择转速低的风扇，在使用时会安静一些。

1.2 应用现状/对比案例查阅资料可知，在其他的转速测量方法中，有一些采用了内部测量转速的方法需要采集的电子参数过多，电路逻辑分析也过于复杂（如图1、图2），故在电风扇转速的测量中，我们应尽量选用外部测量的方法，这样可以简化操作并有效减小误差。

图1其他方案转速采集电路仿真图2其他方案控制系统示意图1.3 效益分析本方案中所选取的单片机、传感器均为常见且易得的器件，在花费上可以有效节省费用。

2 总体方案/初步设计2.1 方案总述针对在工程实践中很多场合都需要对转速这一参数进行精准测量的目的，采用以STC89C51芯片为核心，结合转动系统、光电传感器、显示模块等构成光电传感器转速测量系统，实现对电风扇转速的测量。

通过测试表明该系统具有结构简单、所耗成本低，测量精度高、稳定可靠等优点，具有广阔的应用前景。

2.2 总体方案系统总体结构如图3所示，主要包含以单片机为核心的主控电路、以传感器为主的信息采集处理单元、转动系统、显示模块等。

图3系统总体结构2.3 测量原理单片机转速测量系统采用的主要原理一般情况下，大多数的单片机转速测量系统都会被视线安装在相应的设备上，同时还要通过对一些不同类型的传感器的使用来实现脉冲的产生，后才可以实行测评的方法对扇叶的转速进行有效的测量。

但是对于那些临时性的转速测量系统来说，他们在进行转速测量过程中所选取的传感器主要是光电传感器，这就需要相关的技术工作人员提前在电机的转轴上安装一个能够产生脉冲的装置，从而实现对电机转速的频率测量。

但是综合来看，不论是长期使用的单片机转速测量系统还是短期的测量系统，都可以通过微系统来对转轴上的光电信号进行有效的收集与处理，再通过转速测量系统自身数据的换来对转轴的频率和转速进行有效的测量与分析。

通俗来说，它也就是通过利用光电传感器将设备正常运行过程中所产生的光电信号转换成一种电脉冲，从而再利用转速测量系统之中的其他技术对单位时时间内设备运转所产生的脉冲进行有效的统计，从而真正地实现对扇叶运行过程中的转轴转速数据的收集。

用数字表示来说主要是以下几种：2.4 测量方法2.4.1 对高、中转速的测量方法从测量方法讲对高中转速通常是采用测量电信号频率的方法，即测频法。

测频法的原理为：石英晶体振荡器提供稳定的频率信号经整形后成为规则的矩形时钟脉冲，再经分频器分频后获得各种时基标准或称为时标信号，并用它来控制计数闸门，而被测转速经传感器变成脉冲信号并经放大整形，通过计数闸门控制的计数器计数，并在面板上显示出来。

实际使用中，为了提高测量的准确度，可以增加转速传感器每转输出的电脉冲讯号数字或延长采样时间。

在应用这种方法期间的首要要求主要是要有一个固定化的时间t，然后对它在这个单位时间之内的固定频数信号次数进行记录（N），最终被测信号的频率就可以通过这两大要素表现出：其中最主要的公式就是fx=NT。

通过对被测信号的记录，可以有效地对电机转动过程中的频率来进行测量，从而实现转速测量的准确性。

2.4.2 对低转速的测量方法对低转速一般是采用测量转轴旋转某一角度的时间间隔测量转速，即测周法。

测周法的原理是：将转速传感器的信号作为闸门，以晶振信号作为时钟，二次仪表显示的是转速传感器两信号间的时间。

显然，转速越低，闸门开启的时间越长，所记录的脉冲个数就越多。

而在转速较高时，由于闸门开启时间随着转速的升高而降低，它所记录的时钟脉冲数就不如低速的多。

因此，在高转速时，采样多记周期的方法，可以增加时钟脉冲的数量而提高测量的准确度。

在使用这种方法时要有一个规律性的周期，来对这个周期之内所产生的脉冲数进行有效的记录，而这个脉冲数可以用m0来表示，然后电机的被测信号就可以通过以下公式来表现出来：Fx=fc/m0。

采用这种周期的方法对电机的转速进行有效的测量，可以实现在一个周期内对电机的整体性转速进行测量，从而提高电机在正常运转过程中的规律性。

3 系统设计3.1 转动系统在该系统中，用光电传感器来测量扇叶转动速度，当光发射端与光接收端之间被被测物体遮挡住时，输出高电平的数字信号，反之，输出低电平。

用光电传感器对转速进行测量，其可测范围为1～104r/s，且具有输出信号幅值与被测物转速无关、测量精准等特点3.2 信息采集及处理电路信息采集及其处理电路用于采集对被测物体测量时所产生的有关电参数的值，并对采集的信号进行放大，波形整形和变换处理。

3.3 单片机处理电路将光电传感器测速模块产生的脉冲信号输入到单片机，通过单片机的外部中断程序对脉冲信号进行处理，计算出被测物体的转速，并用数码管进行显示更新。

3.4 显示电路系统采用8位数码管显示模块对被测转速进行显示。

4 系统硬件设计硬件电路系统主要由单片机、电机、电机驱动模块、光电传感器、数码管显示模块等构成，如图4所示。

图4硬件电路系统4.1 信号采集与处理模块采用槽式光电传感器对电机转速信息进行采集，当非透光被测物遮挡在传感器的光发射端与光接收端之间时，传感器将会产生高电平，反之则产生低电平，这样就形成了一系列的周期性脉冲信号。

将码盘固定在叶片上，当扇叶转动时，传感器将产生若干个周期性脉冲，通过波形整形处理电路后就可将这些脉冲转换成单片机能识别的数字信号，输送给单片机进行计时和计数，再通过计算就能算出其转速。

4.2主控器模块主控器模块如图5所示，由单片机、时钟电路和复位电路组成，将脉冲信号从P32引脚输入到单片机内，通过外部中断程序对脉冲信号进行计数，用定时计数器T进行定时，每0.5s（即2000个机器周期）进行一次转速计算处理，对数码管的显示进行刷新，显示出此时电机的转速。

图5单片机处理电路图6时钟电路4.3 时钟电路模块时钟对于单片机系统各功能的实现尤为重要，因为单片机对数据的处理速度会受到时钟频率大小的制约，其系统稳定性也受时钟电路影响。

本系统采用内部振荡模式的时钟电路，其结构如图6所示。

X1是频率为12MHz的晶振，C2、C4两个片电容的作用分别是快速起振和稳定频率，在XTAL1（19）和XTAL2（18）引脚上外接位于片内的高增益反相放大器，构成振荡器，该模式下产生的控制信号较为稳定。

4.4 复位电路模块主控器模块中的复位电路如图7所示，采用按键手动复位电平方式，通过电阻将复位端与电源端相连，其中9引脚RST为复位端，高电平有效，当引脚上的高电平维持两个以上机器周期时，复位有效。

正常状态时，该引脚为低电平，按下按键后，RST端就变为高电平，系统可在超过两个机器周期高电平后回到初始状态，完成复位。

图7复位电路图8程序流程图5 软件设计脉冲计数：当高电平触发时，初始外部中断a值为0，每当光电传感器产生的脉冲为高电平时，中断值加1，a值即为传感器产生的脉冲数。

当定时器定时工作时，初始T值为0，自加1，直到值为2000（2000个机器周期，即t=0.5s）时按转速转换公式n=60a/（孔数*t）计算出转速后，输送到数码管进行显示。

程序流程如图8所示。

6 关于单片机转速测量系统的具体设计方案6.1 利用霍尔传感器对转速进行有效的测量利用霍尔传感器对转速进行测量的最核心部分，即为采用霍尔效应原理所制作出来的那些转速测量元件，霍尔转速测量的传感系统设计主要表现在了图9中：图9霍尔转速传感器图10的结构原理图根据这个图我们可以知道，霍尔转速传感器上面具有两个相互垂直的定子绕阻，而这其中的霍尔片被粘贴在了绕组之间的中心线上，而这种转速传感器所采用的转子主要是以永久磁钢为主。

而在其运转的过程中，霍尔元件主要通过对电机进行激励使两个垂直的绕组相互连接，从而实现真正的转速传感信号的产生。

虽然霍尔转速传感器可以有效地对转速进行测量，但是在使用霍尔转速传感器进行信号收集的时候往往会出现一种信号收集不准确的现象。

这主要是由于霍尔转速传感器在进行脉冲的采集时主要利用了磁性感应这一种方法进行收集的，而在长时间的使用之后霍尔转速传感器的磁性感应会在很大的程度上让磁力减小，从而无法对设备正常运行过程中所产生的脉冲信号进行即时准确的收集。

6.2 利用光电传感器对转速进行有效的测量利用光电传感器对扇叶的转速进行测量是当前较为常用的一种方法，而这种设计方法的具体内容主要表现见图10。

根据这个图我们可以知道，一直流调速扇叶可以对转子实现有效的驱动，而且它还可以产生较大范围的无极调速模式。

图中显示了光电传感器可以有效地对转速的信号进行收集，但是，在具体的使用过程中需要对转子做好相应的标记。

做好这种标记的方法主要是用黑色胶布将干净的扇叶表面进行覆盖，然后再采用一些反光材料对各种类型的光电进行有效的标记。

同时，还要格外的注意光电头和光电标记的适当距离，要让这二者保持在合理的距离之内。

在对光电头进行选取时应该主要选取那些节能的LED亮度的光电头，还要想起那些具有较高保障性的红外光作为光源，以此更好的保证光电传感器进行转速数据收集的时候能够在很大的程度上不受外界的环境所影响，保证背景光强及时变动十分大也不会影响光电传感器相应信号接收的效果。

除此之外，在对光电头进行选确定时候还应该选取一些数字化的光电头系统。

运用光电传感器转速测量系统对相应的电机转速进行测量，可以在很大的程度上保证对转速数据收集的准确性，同时它还能够有效地节约数据收集的时间，并且它的数据收集范围还是相对霍尔转速测量系统来说要大一些。

通过相比较来看，在对转速测量系统进行设计的时候，还是要尽可能地使用光电传感器对转速进行有效的测量。

7 测量不确定度分析7.1 测量模型δ=—n −n0式中：δ——表示转速示值误差；—n ——表示电子计数式转速表的转速示值，r/min ；n0——表示标准转速源的转速示值，r/min 。

7.2不确定度分析评估 标准不确定度分量的评定：（1）输入量n 的标准不确定度的)(u —n 评定：其不确定度主要来源于转速表的重复性，可采用A 类方法进行评定)(u 2—n 。