电机转速计设计

单片机系统

课程设计

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设计课题：基于89C51的电机转速计设计

单机系统

课程设计

课程设计名称：基于89C51的电机转速计设计专业班级：

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单片机系统课程设计任务书

目录

1、概述 (3)

1.1、应用背景 (3)

1.2、功能要求 (3)

2 方案论证 (4)

2.1、转速测量方法 (4)

2.2、转速测量原理 (5)

2.3、系统方案提出与比较 (6)

3 硬件电路设计 (6)

3.1、系统总体设计方案 (7)

3.2、模块电路设计 (11)

4、软件设计 (12)

4.1主程序设计 (12)

4.2、中断服务程序设计 (13)

5、总结 (14)

参考文献 (15)

附录

附录A（主程序源代码） (16)

附录B（主电路图） (21)

1、概述

1.1、应用背景

随着电子技术，特别是随大规模集成电路的产生而出现的微型计算机技术的飞速发展，人类生活发生了根本性的改变。如果说微型计算机的出现使现代科学研究得到了质的飞跃，那么可以毫不夸张地说，单片机技术的出现则是给现代工业测控领域带来了一次新的技术革命。随着微型计算机可靠性提高和价格的下降，用单片机测量电机转速已经日趋普遍。我们知道，欲提高测量精度，必须先测出准确的转速，而原先在可控硅调速电路中采用的测速发电机方式已不能满足要求，必须采用数字测速的方法。本课题介绍了一种利用单片机技术实现高精度数字式转速测量计的方法。这种电机转速计具有测量准确度高、采样速度快、测量范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。

本设计优点是电路较简单、功能完善、测量速度快、精度高、控制系统可靠，性价比较高等特点。

1.2、功能要求

电机测速计在控制系统中占有非常重要的地位，对电机测速计的要求是分辨能力强、高精度和尽可能短的检测时间。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。这次设计内容包含知识全面，全面了解单片机和信号放大的具体内容。进一步锻炼我们在信号采集，处理，显示发面的实际工作能力。

2 方案论证

2.1、转速测量方法

转速测量方法可以分为两类：1、直接法：直接观测机械或者点击的机械运动，测量特定时间内机械旋转的圈数，从而测出机械运动的转速；2、简介法：测量由机械转动导致其他物理量的变化，从这些物理量的变化与转速的关系来得到转速，同时从测速仪是否与转轴接触又可以分为接触式，非接触式。

目前国内外的测速方法有广电码盘测速法、霍尔元件测速法、离心式转速表测速法、测速发电机测速法、漏磁测速法、闪电测速法和震动测速法。

另外对转速的测量实际上是对转子旋转引起的周期脉冲信号的频率进行测量。在频率的工程测量中,电子式定时计数测量频率的方法一般有三种：（1）测频率法:在一定时间间隔t 内,计数被测信号的重复变化次数N ,则被测信号的频率fx可表示为 fx=N/t （2）测周期法：在被测信号的一个周期内,计数时钟脉冲数m0 ,则被测信号频率fx = fc/ m0 ,其中, fc 为时钟脉冲信号频率。

（3）多周期测频法：在被测信号m1 个周期内, 计数时钟脉冲数m2 ,从而得到被测信号频率fx ,则fx 可以表示为fx =m1 fc/m2, m1 由测量准确度确定。

电子式定时计数法测量频率时,其测量准确度主要由两项误差来决定:一项是时基误差;另一项是量化±1误差。当时基误差小于量化±1 误差一个或两个数量级时,这时测量准确度主要由量化±1 误差来确定。对于测频率法,测量相对误差为： Er1 =测量误差值/实际测量值×100 % =1/N×100 %

由此可见,被测信号频率越高, N 越大, Er1就越小,所以测频率法适用于高频信号(高转速信号) 的测量。对于测周期法,测量相对误差为：

Er2 =测量误差值/实际测量值×100 % =1/m0×100 %

对于给定的时钟脉冲fc , 当被测信号频率越低时,m0 越大, Er2就越小,所以测周期法适用于低频信号(低转速信号) 的测量。对于多周期测频法,测量相对误差为：Er3 =测量误差值/实际测量值100%=1/m2×100 %

从上式可知,被测脉冲信号周期数m1 越大, m2 就越大,则测量精度就越高。它适用于高、低频信号(高、低转速信号) 的测量。但随着精度和频率的提高, 采

样周期将大大延长,并且判断m1 也要延长采样周期,不适合实时测量。

根据以上的讨论,考虑到实际应用中需要测量的转速范围很宽,上述的转速测量方法难以满足要求,因此,研究高精度的转速测量方法,以同时适用于高、低转速信号的测量,不仅具有重要的理论意义,也是实际生产中的需要。

2.2、转速测量原理

一般的转速长期测量系统是预先在轴上安装一个有60 齿的测速齿盘,用变磁阻式或电涡流式传感器获得一转60 倍转速脉冲,再用测频的办法实现转速测量。而临时性转速测量系统,多采用光电传感器,从转轴上预先粘贴的一个标志上获得一转一个转速脉冲,随后利用电子倍频器和测频方法实现转速测量。不论长期或临时转速测量,都可以在微处理器的参与下,通过测量转轴上预留的一转一齿的鉴相信号或光电信号的周期,换算出转轴的频率或转速。即通过速度传感器,将转速信号变为电脉冲,利用微机在单位时间内对脉冲进行计数,再经过软件计算获得转速数据。即：

n=N/ (mT)

n ———转速、单位:转/ 分钟;

N ———采样时间内所计脉冲个数;

T———采样时间、单位:分钟;

m ———每旋转一周所产生的脉冲个数(通常指测速码盘的齿数) 。

如果m=60, 那么1 秒钟内脉冲个数N就是转速n, 即:

n=N/ (mT) =N/60×1/60=N

通常m为60。

在对转速波动较快系统或要求动态特性好而精度高的转速测控系统中,调节周期一般很短,相应的采样周期需取得很小,使得脉冲当量增高,从而导致整个系统测量精度降低,难以满足测控要求。提高采样速率通常就要减小采样时间T, 而T 的减小会使采到的脉冲数值N 下降,导致脉冲当量(每个脉冲所代表的转速) 增高,从而使得测量精度变得粗糙。通过增加测速码盘的齿数可以提高精度,但是码盘齿数的增加会受到加工工艺的限制,同时会使转速测量脉冲的频率增高,频率的提升又会受到传感器中光电器或磁敏器或磁电器件最高工作频率的限制。凡此种种因素限制了常规智能转速测量方法的使用范围。而采用本文所提出的定时