单片机课程设计,电动机转速测量

一、设计题目与要求电动机转速测量1 . 4位数码管显示转速2. 用按键切换显示设计任务：利用光电接近传感器和单片机技术设计、制作一个显示电动机转速的速度测定系统。

测量范围约为750～3000r/s，尽可能地提高测量误差，用4位LED数码管显示速度。

二、方案选定1 、选择实现转速测量的方法（1）根据测量方法分类转速是电动机极为重要的一个状态参数，在很多运动系统的测控中，都需要对电机的转速进行测量，速度测量的精度直接影响系统的控制情况，它是关系测控效果的一个重要因素。

不论是直流调速系统还是交流调速系统，只有转速的高精度检测才能得到高精度的控制系统。

在电机的转速测量中，影响测量精度的主要因素有两个：一是采样点的多少，采样点越多，速度测量结果越精确，尤其是对于低转速的测量。

二是采样频率，采样频率越高，采样的数据就越准确。

常用的数字测量方法电机转动速度的数字检测基本方法是利用与电动机同轴连接的光电脉冲发生器的输出脉冲频率与转速成正比的原理。

根据脉冲发生器发出的脉冲速度和序列，测量转速和判别其转动方向。

根据脉冲计数来实现转速测量的方法主要有:M 法（测频法）、T法（测周期法）和M/T法（频率/周期法）。

M法（测频法）在规定的检测时间内，检测光电脉冲发生器所产生的脉冲信号的个数来确定转速。

虽然检测时间一定，但检测的起止时间具有随机性，因此M法测量转速在极端情况下会产生士1个转速脉冲的误差。

当被测转速较高或电机转动一圈发出的转速脉冲信号的个数较大时，才有较高的测量精度，因此M法适合于高速测量。

T法（测周期法）是测量光电脉冲发生器所产生的相邻两个转速脉冲信号的时间来确定转速。

相邻两个转速脉冲信号时间的测量是采用对已知高频脉冲信号进行计数来实现的。

在极端情况下,时间的测量会产生士1个高频脉冲周期，因此T法在被测转速较低（相邻两个转速脉冲信号时间较大）时，才有较高的测量精度，所以T法适合于低速测量。

M/T法（频率/周期法）是同时测量检测时间和在此检测时间内光电脉冲发生器所产生的转速脉冲信号的个数来确定转速。

由于同时对两种脉冲信号进行计数，因此只要“同时性”处理得当，MPT法在高速和低速时都具有较高的测速精度。

结论：M/T法可以在整个速度范围内获得高分辨率，M法在高速段分辨率较低，T法在低速段分辨率较低，而采用M/T法和T法相结合，可在全速范围内获得高分辨率。

可在不损失精度和分辨率的前提下获得快速响应。

（2）根据工作原理分类分为计数式、模拟式、同步式。

每一种又细分为几类。

计数式方法是用某种方式读出一定时间内的总转数。

机械式，通过齿轮转动数字轮，适用于中、低速，简单、价廉。

光电式，来自被测旋转体上的光线使光电管产生电脉冲，适用于中、高速。

电磁式，利用磁电转换器将转速变换成电脉冲，适用于中、高速。

模拟式方法是测出由瞬时转速引起的某种物理量的变化。

机械式，利用离心力与转速成平方成正比的关系，适用于中、低速。

发电机式，利用电机电流或交流电压与转速成正比关系，适用于高速，可远距指示。

电容式，利用电容充、放电与转速成正比的关系，适用于中、高速。

同步式是用利用已知的频率与旋转体的旋转同步来测量转速。

机械式，转动带槽的圆盘，观察旋转体的同步关系，适用于中速。

闪光式，用已知频率闪光测出旋转体同步的频率，适用于中、高速。

（3）几种具体的测量方法①基于霍尔传感器的直流电机转速测量霍尔转速传感器的主要工作原理是霍尔效应，也就是当转动的金属部件通过霍尔传感器的磁场时会引起电势的变化，通过对电势的测量就可以得到被测量对象的转速值。

霍尔转速传感器的主要组成部分是传感头和齿圈，而传感头又是由霍尔元件、永磁体和电子电路组成的。

霍尔转速传感器在测量机械设备的转速时，被测量机械的金属齿轮、齿条等运动部件会经过传感器的前端，引起磁场的相应变化，当运动部件穿过霍尔元件产生磁力线较为分散的区域时，磁场相对较弱，而穿过产生磁力线较为几种的区域时，磁场就相对较强。

霍尔转速传感器就是通过磁力线密度的变化，在磁力线穿过传感器上的感应元件时，产生霍尔电势。

霍尔转速传感器的霍尔元件在产生霍尔电势后，会将其转换为交变电信号，最后传感器的内置电路会将信号调整和放大，输出矩形脉冲信号。

②基于光电传感器的电机转速测量光电转速传感器是根据光敏二极管工作原理制造的一种感应接收光强度变化的电子器件，当它发出的光被目标反射或阻断时，则接收器感应出相应的电信号。

它包含调制光源，由光敏元件等组成的光学系统、放大器、开关或模拟量输出装置。

光电式传感器由独立且相对放置的光发射器和收光器组成。

当目标通过光发射器和收光器之间并阻断光线时，传感器输出信号。

它是效率最高、最可靠的检测装置。

槽形（u形）光电开关是对射式的变形，其优点是无须调整光轴。

光电传感器还具有线性度好、分辨率高、噪音小和精度高等优点③以上两种是常用的转速测量装置。

此外还有傅立叶变换用于电机转速的测量、基于单片机无线电机转速测量系统、基于光电码盘的的高精度电机转速测量等方法。

综合以上所述，本次课程设计选用计数式，光电传感器，M/T法（频率/周期法）测量电动机转速，适用于中、高速测量。

2 、测量系统的构成图1 转速测量框图（1）转速信号拾取前面通过对各种测速方法的比较，最终选用计数式，光电传感器，M/T法（频率/周期法）测量电动机转速。

转速信号拾取是整个系统的前端通道，目的是将外界的非电参量，通过一定方式转换成电量，通用的转速测量系统大都采用一种俗称“码盘”的传感装置，将圆形的码盘固定在转轴上，码盘上有若干规则排列的小孔，用光电偶来输出电信号，以反映转速对应关系，即是将转轴的速度以脉冲形式反映出来，通常有两种形式：①模拟量量化后经A/D转换，由数字量反映角度，供单片机计算处理，得出转速。

②直接由脉冲来反应转轴的角度，用每转产生的脉冲经单片机处理得出转速。

（2）整形和倍频前向通道中，从传感器输出的信号必须转换成计算机输入要求的信号，由于信号调节电路与传感器的选择，现场干扰程度等，都会影响信号的质量。

而脉冲信号的上升沿和下降沿对数字电路的触发尤为重要，若要将转速脉冲信号直接加到计数器或外部中断的输入端，并利用其上升沿来触发进行计数，则必须要求输入的信号有陡峭的上升沿或下降沿。

处理方法上可以用触发器电路来整形。

而倍频电路主要用于解决低转速时测量精度问题。

及码盘的刻度误差而造成的精度下降问题。

方法是在每转中增加脉冲的个数（码盘的线程数）来提高精度。

但在高转速时，由于脉冲个数的增加，限制了最高转速测量量程，这个问题可用单片机控制来动态处理解决，兼顾高低转速的测量精度。

（3）单片机单片机是整个测量系统的主要部分，担负对前端脉冲信号的处理、计算、以及信号的同步，计时等任务，其次，将测量的数据经计算后，将得到的转速值传送到显示接口中，用数码管显示数值。

在本系统中考虑到计数的范围、使用的定时，计数器的个数及I，O口线，预选用89C51单片机。

（4）驱动和显示由于LED数码管具有亮度高、可靠性好等特点，工业测控系统中常用LED数码管作为显示输出。

本系统也采用数码管作显示。

LED显示器是用发光二极管显示字段的，通常使用七段构成“日”字型和一只发光二极管作为小数点，称八段数码显示器。

其有两种驱动方式，共阴驱动和共阳驱动，共阴驱动是各段发光二极管的阴极连在一起，并将公共端接地，在共阳结构中，将各段发光二极管阳极连在一起，并将公共端接上+5V电源，显示字符对应字型代码发光。

三、硬件电路设计1 .原理分析图2 单片机系统测量转速原理图本系统单片机采用Atmel公司生产的89C51作为主控制器，用4位LED数码管作为显示。

（1）显示部分89C51单片机的I/0口输出特性是有较大的灌入电流能力，其中P0口的灌电流能力可达20mA，完全可以用于数码管的驱动，但只有很弱的“吐”电流的能力，因此本系统中选用共阳型数码管，将P0口作为数码管的段驱动，P2口的4位接4只PNP型三极管构成位驱动，用以驱动四位数码管。

（2）上电复位89C51的RST端通过电阻和电容直接和电源端相连，实现上电复位，理论上只要复位管脚出现2个机器周期以上的高电平即可完成复位，阻容元件的时间常数可以很小，但考虑到开机时，电源有个上升过程，以及振荡电路尚未完全起振等因素，这里选用的电阻为lK，电容为10u。

上电瞬间，RESET端的电位与Vcc相同，随着充电电流减小，RESET端的电位逐渐下降，按电路参数可选择电阻为1 kΩ，电容为10uF。

则时间常数T=RC=10ms，这个时间常数，足以完成复位操作。

（3）信号光电传感器接受到的信号。

①传感器测量范围的分析这里用的是直流传感器，传感器响应时间为2.5ms，则每秒可以测出的脉冲数最多1/(2.5*10-3)=400。

如果转一周有4个脉冲，则可测出的最大转速为100r/s。

折算为6000r/min。

一般电动机转速为3000、1500、750 r/min等，该传感器的反应速度是可以测量这些范围的。

②测量传感器的脉冲信号方法的分析显然，该系统的速度信号已经经传感器转换为脉冲信号了，电动机每转1圈，传感器就输出4个脉冲（我们在电动机的转轴上安装带有4个缺口的圆板）。

所以，需要用单片机对这些脉冲信号进行技术采样、计算处理，得出电动机的转速值。

这里采用通用89C51单片机进行脉冲计数采样的方法来测量转速。

89C51单片机系列有2个16位定时器/计数器，通过编程可以实现所需工作模式。

所谓计数是对外部事件进行计数。

外部事件的发生以输入脉冲表示，因此，计数功能的本质就是对外来脉冲进行计数。

T0(P3.4)和T1(P3.5)两个信号引脚，分别是这两个计数器计数输入端，外部输入的脉冲在负跳变时有效，进行计数器加一（加法计数）操作。

前一个机器周期S5P2拍节对外部计数脉冲进行采样，如果采样为高电平，则后一个机器周期采样为低电平，即为一个有效的计数脉冲。

在下一个机器周期S3P1进行计数。

可见，采样计数脉冲是在两个机器周期内进行的。

因此，计数脉冲的频率不能高于振荡脉冲频率的1/24。

当然，传感器的信号变化的频率400Hz远远小于这个值。

因此，测量方法可以这样：用T0做测量脉冲数的计数器；用T1定一段时间，在这段时间内测量的脉冲数为N，则转速为N*60/(4*T1)。

因为N个脉冲在(N-1)~(N+1)个周期里出现，所以最大误差为±60/(4*T1)，最大相对误差为±1/N*100%。

显然，N越大相对误差越小，即转速越快，这种方式测量相对误差就越小。

图3 光电传感器原理（4）单片机时钟单片机的18、19脚接晶体和两个27PF的电容，这里选用振荡频率为12MHz的晶体。

2 .面板布置图图3 面板布置图四、系统程序设置与调试硬件电路设计完毕，即进行程序设计，在程序设计之前，首先要确定定时器的工作方式，方式控制字，确定串行口的工作模式等，下面分别讨论。