基于单片机的转速测量系统

摘要本论文介绍了一种基于AT89C51单片机平台,采用光电传感器进行电机转速测量的方法,介绍了该测速法的基本原理、实现步骤和软硬件设计。

为了设计简单可靠的直流电机测速装置，提出了基于单片机为核心的电机转速测量系统。

整个系统的构架包括转速信号的采集，光电转换及信号处理电路设计，整形驱动电路设计，复位电路设计，晶振电路设计，LED显示电路设计。

整形放大电路主要是将传感器输出的不稳定的电信号转化成脉冲信号; 转速的计算利用单片机AT89C51 的定时器和计数器。

根据系统编写源程序，并通过运行试验证明。

该系统结构简单，测量结果稳定可靠，满足电机的测速要求。

关键词：转速测量；单片机；光电传感器；电机AbstractThis paper introduces a platform based on AT89C51, adopt the method of photoelectric sensor to implement motor speed measurement, introduces the basic principle of the speed measuring method, implementation steps and the hardware and software design. In order to design a simple and reliable device for dc motor speed estimation, motor speed measurement system based on single chip microcomputer as the core is put forward. The architecture of the whole system including the speed signal acquisition, rotation speed signal processing, speed calculation and display. Plastic amplifying circuit is mainly the sensor output with outside noise of the unstable signal into pulse signal; Rotational speed of the calculation of AT89C51 single-chip timer and counter. Write the source program according to the system, and by running the experiment proved that the system has simple structure, stable and reliable measurement results, satisfy the requirement of the motor speed.Keywords：Speed measurement; Single chip microcomputer; Photoelectric sensor; The motor目录1 概述 (1)1.1数字化转速测量系统的发展背景 (1)1.2 本设计课题的目的和意义 (1)2 转速测量系统的原理与方法 (2)2.1转速测量原理 (2)2.2转速测量方法 (2)3 系统方案提出和论证 (4)3.1方案设计 (4)3.2系统原理 (4)4 系统硬件设计 (5)4.1 转速信号采集 (6)4.2光电转换及信号处理电路设计 (7)4.2.1整形驱动电路设计 (8)4.3单片机AT89C51介绍 (8)4.4 最小系统的设计 (10)4.4.1复位电路设计 (10)4.4.2 晶振电路设计 (12)4.5显示部分电路设计 (13)5 系统软件设计 (15)5.1 主程序初始化 (15)5.2主程序流程图子程序流程图 (15)5.3系统总程序 (16)总结 (20)参考文献 (21)致 (22)1 概述1.1数字化转速测量系统的发展背景目前国外测量电机转速的方法很多，按照不同的理论方法，先后产生过模拟测速法(如离心式转速表、用电机转矩或者电机电枢电动势计算所得)、同步测速法(如机械式或闪光式频闪测速仪)以及计数测速法。

计数测速法又可分为机械式定时计数法和电子式定时计数法。

传统的电机转速检测多采用测速发电机或光电数字脉冲编码器，也有采用电磁式(利用电磁感应原理或可变磁阻的霍尔元件等)、电容式(对高频振荡进行幅值调制或频率调制)等，数字化测速法具有测速精度高，分辨能力强，受器件影响小的优点，被广泛应用于调速要求高，调速围大的调速系统。

其中应用最广的是光电式测速系统，它具有低惯性、低噪声、高分辨率和高精度的优点，使得光电传感器在检测和控制领域得到了广泛的应用。

而光电传感器的电机转速测量系统则有准确度高、采样速度快、测量围宽和测量精度与被测转速无关等优点，具有广阔的应用前景。

1.2 本设计课题的目的和意义在工程实践中,经常会遇到各种需要测量转速的场合,例如在发动机、电动机、卷扬机、机床主轴等旋转设备的试验、运转和控制中,常需要分时或连续测量和显示其转速及瞬时转速。

要测速，首先要解决是采样问题。

在使用模技术制作测速表时，常用测速发电机的方法，即将测速发电机的转轴与待测轴相连，测速发电机的电压高低反映了转速的高低。

为了能精确地测量转速外,还要保证测量的实时性,要求能测得瞬时转速方法。

因此转速的测试具有重要的意义【1】。

论文设计以单片机为中心，设计出全数字化测量转速系统，采用单片机构成控制系统，可以节约人力资源和降低系统成本，从而有效的提高工作效率，在工业控制和民用电器中都有较高使用价值。

其可以应用于工业控制中的某一部分，如数控车床的电机转速检测和控制、水泵流量控制以及需要利用转速检测来进行控制的许多场合。

如车辆的里程表、车速表等。

其次该转速测量系统由于采用全数字化结构，因而可以很方便的和工业控制计算机进行连接，实行远程管理和控制，进一步提高现代化水平。

并且，几乎不需做很大改变直接就能作为单独的使用产品。

总之，转速测量系统的研究是一件非常有意义的课题【2】。

这次设计容包含知识全面，对光电传感器测量发电机转速的不同的方法及原理设计有较多介绍，在测量系统中能学到关于测量转速的传感器采样问题，单片机部分的容，显示部分等各个模块的通信和联调。

全面了解单片机和信号放大的知识，进一步锻炼了在信号采集，处理，显示方面的实际工作能力。

2 转速测量系统的原理与方法2.1转速测量原理转速是指作圆周运动的物体在单位时间所转过的圈数,其大小及变化往往意味着机器设备运转的正常与否,因此,转速测量一直是工业领域的一个重要问题。

按照不同的理论方法,先后产生过模拟测速法(如离心式转速表)、同步测速法(如机械式或闪光式频闪测速仪)以及计数测速法【3】。

计数测速法又可分为机械式定时计数法和电子式定时计数法。

本文介绍的采用单片机和光电传感器组成的高精度转速测量系统,其转速测量方法采用的就是电子式定时计数法。

采用数字测速法进行转速测量，其测量原理是：在固定的时间，记录光电传感器发生的脉冲信号数量，从而转换为实际转速。

设固定的测量时间为Tc （min ）,计数记录的脉冲个数为m,假设脉冲发生器每转输出q 个脉冲，对应被测转速为n(r/min),则频率60/*n q f =Hz;在测量时间Tc ，记录光电传感器输出的脉冲个数m=f Tc *.所以，只要我们测得m 值，就可得出实际转速值。

2.2转速测量方法按转速测量原理可分为三类转速测量方法：1.在一定的时间T 测取旋转编码器输出的脉冲个数，用以计算这段时间的转速，称为“M ”法测速，又称为频率法。

M 法测速的分辨率与实际转速的大小无关【4】。

在时间T ，转轴转过的弧度数为X τ，则的转速n 可由下式表示：T X n πτ260= (2-1)转轴转过的弧度数X τ,可用下式所示：p m X 12πτ= （2-2） 将(2-1)式代入(2-2)式，得转速n 的表达式为：pT m n 160= （2-3）n -转速单位；（转/分）T -定时时间单位；（秒）2.“T ”法测速是测出旋转编码器两个输出脉冲之间的间隔时间来计算转速，又被称为周期法测速。

“T ”法一般用于低速测量，速度越低测量精度越高，但在测量高转速时，误差较大。

T 法测速同样也是用计数器实现的。

与M 法测速不同的是，它所计的是计算机发出的高频时钟脉冲的个数，以旋转编码器输出的相邻两个脉冲的同样变化沿作为计数器的其实点和终止点【5】。

T 法测速的分辨率与转速高低有关，转速越低，分辨能力越强。

定时器对时基脉冲(频率为c f )进行计数定时，在T P 计数值若为m 2，则计算公式为：p pT n 60= （2-4） 即：260pm f n c= （2-5）p -为转轴转一周脉冲发生器产生的脉冲数。

c f -为硬件产生的基准时钟脉冲频率单位Hz 。

n -转速单位；（转/分）。

2m -时基脉冲。

3.“M/T ”法，结合上述这两种方法的优点，一方面象“M ”法那样在对光电传感器发出的脉冲计数的同时，也象“T ”法那样计取脉冲的时间，通过计算即可得出转速值。

在实际测量中，还须设定定时时间，兼顾高、低转速时的精度影响，适时调节采样时间，它的关键是计数同步开始和关闭【6】。

实际的检测时间与旋转编码器的输出脉冲一致，能有效减小测速误差。

设高频脉冲的频率为c f ，脉冲发生器每转发出P 个脉冲，由式（2-2）和（2-5）可得“M/T ”法转速计算公式为：2160pm m f n c = （2-6） n -转速值。

单位；（转/分）。

fc -晶体震荡频率。

单位Hz 。

1m -输入脉冲数，反映转角。

2m -时基脉冲数。

3 系统方案提出和论证转速测量的方案选择,一般要考虑传感器的结构、安装以及测速围与环境条件等方面的适用性;再就是二次仪表的要求,除了显示以外还有控制、通讯和远传方面的要求【7】。

由于光电传感器具有频谱宽、不易受电磁干扰的影响、非接触式测量、响应快、可靠性高等优点。

随着激光、光纤、CCD技术的发展，光电式传感器在自动检测、计算机和控制系统中得到了广泛的应用。

经过我查资料、构思和自己的设计，通过分析，从实现难度、熟悉程度、器件用量等方面综合考虑，最终选择了下面方案【8】。

3.1方案设计光电式传感器是将被测量的转速转换成光信号，再通过光电器件把光信号转换成电信号的一种传感器。

图3.1为光电传感器的原理框图，它一般由光源，光学通路，光电器件三部分组成【9】。