基于单片机的电机转速测量仪设计.docx

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基于单片机的电机转速测量仪设计

摘要

本文讨论了以STC89C51单片机为核心的电机转速测量的硬件设计和软件设计，硬件主要由光电传感器、信号整形、LED数码管显示几局部组成。

详细介绍了利用光电传感器技术在电机转速测量中的实现及应用，以及对电机转速进展测量，并由数码管显示转速。

随着汽车及电子技术的开展，转速测量技术也在不断创新，各种转速测量仪在工业得到广泛应用，对电机的转速进展测量极大的提高了自动化程度。

关键字：

单片机，光电传感器，信号整形，LED显示

DesignofMotorSpeedMeasurementInstrumentBasedonMCU

Abstract

ThisarticlediscussedtakeSTC89C51monolithicintegratedcircuitasthecoreelectricalmachinerytachometricsurveyhardwaredesignandthesoftwaredesign,thehardwaremainlybythephotoelectricsensor,thesignalshaping,theLEDnixietubedemonstratedthatseveralpartscompose.Introducedindetailtheusephotoelectricsensortechnologyandappliesinelectricalmachinerytachometricsurvey'srealization,aswellascarriesonthesurveytotheelectricalmachineryrotationalspeed,anddemonstratestherotationalspeedbythenixietube.Alongwiththeautomobileandelectronictechnology'sdevelopment,thetachometricsurveytechnologyunceasinglyisalsoinnovating,eachkindofrotationalspeedmeasuringinstrumentobtainsthewidespreadapplicationintheindustry,carriedonthesurveyenormousenhancementautomaticitytoelectricalmachinery'srotationalspeed.

Keywords:

Monolithicintegratedcircuit,Photoelectricsensor,Signalshaping,LEDdemonstrated

1绪论

1.1设计题目

题目：

转速测量仪

要求完成技术指标：

1.测量电机转速围0——9999转/分；

2．通电就开场测量，按键后复位；

3．八位数码管显示，误差<5%；

1.2课题背景

目前，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、机床转轴等旋转设备的测试、运转和控制中，常需要分时或连续测量和显示其转速或瞬间转速。

对于工业测试、水利、机械等方面，转速是重要的控制参数之一。

尤其在工业测试系统中，大局部旋转仪器无法测定目前的转速，从而无法平安有效地对机械设备进展故障预防，无形中降低了系统的平安性，增加了设备的维护本钱。

因此，如何利用先进数字技术和计算机技术改造传统工业技术，提高监控系统的准确性、平安性、方便性是当前急需解决的难题。

此外，转速测量仪是机械行业必备的仪器之一，在自动化生产设备和旋转运动装置中应用十分广泛。

数字转速测量仪常用于电机、电扇、造纸、塑料、化纤、洗衣机、汽车、飞机、轮船等制造业。

数字转速测量仪还是机械行业必备的仪器之一，用来测定电机的转速、线速度或频率。

大多常用的为手持离心式数字转速表。

转速测量在国民经济的各个领域，都是必不可少的。

目前广泛使用的普通式转速表，其电路构造比拟复杂，稳定性差,本钱高,抗干扰能力差,测量精度与围不能兼顾,而且采样的时间常，难以测得瞬时转速，更不具备如转速值的永久存储、报警值设置、定时打印等功能。

这些都有待改良[1]。

2转速测量系统的设计

2.1转速测量方法及比拟

采用CMOS数字集成电路的转速数字显示仪，其原理可用如下三个框图表示：

2.1.1测频原理

图2-1测频原理框图

图2-1告诉我们，被测信号通过放大整形进入加法计数器；晶体振荡器的频率信号通过分频产生秒〔或分钟〕信号，在计数显示控制器中生成存放脉冲和清零脉冲。

存放脉冲将加法计数器的BCD码送入存放器，通过译码驱动，LED数码管显示一秒〔或分钟〕的计数值，直到下一次存放脉冲的到来；紧接着清零，进展下一轮计数、存放〔译码显示〕；如此，不连续测频。

如果我们考察一下这些信号的时序，不难觉察这种定时计数测量方法的缺陷是：

被计数脉冲有多一或少一的误差。

如果被测频率为10000Hz,多一或少一的误差，相对来讲只不过万分之一；如果被测频率为2Hz,多一或少一的误差，相对来讲就到达了百分之五十，不难看出频率越低，误差越大，而且还有一点，把一秒变成一分钟，误差就变小了。

2.1.2．测周原理

低频时，需延长采样时间，要提高精度就要采用测周的方法，图2-2正是说明这种方法。

图2-2 测周原理框图

将图2-2与图2-1进展比拟，我们不难觉察：

上述二者的差异在于晶体振荡器与被测信号的位置作了互换，象是代数上的分子分母的颠倒，也正是物理上的频率和周期互为倒数。

测周的误差：

与测频相似，是多一个或少一个晶体振荡器脉冲，也就是多一个或少一个时基脉冲，晶体振荡器脉冲频率准确度越高误差越小，晶体振荡器脉冲频率越高误差也越小，被测频率越高误差越大；因此测量高频时，对被测信号进展分频，确实是提高测周精度的好方法。

2.1.3．计数器原理

在周期过长时，还可通过计数器，借助计时器来测量转速。

下面的框图表示了计数器的工作原理。

图2-3计数器原理框图

现在我们可以看出，XJP-10B转速数字显示仪，在CMOS数字集成电路的条件下，已是一款十分完备的转速测量工具，与之同期的类似产品还有XJP-02A转速数字显示仪。

早期的转速数字显示仪，在今天看来有哪些缺乏呢？

周期和频率都不能等同转速，频率与转速存在倍数关系，通过时基频率的分频〔采样时间的倍乘〕，根本满足了大都数用户的需要，测周那么需要用户自己换算成转速。

在今天的电子技术条件下，解决这些问题用单片机或FPGA都比拟方便。

新的转速数字显示仪，采用了单片机技术，和同步计数计时法，使得测频、测速、测周、计数变得准确，而且非常简单；只要轻触仪外表板控制键，就能在4种功能间切换。

由于系数可任意设置，使得仪表与传感器配套，不受输出脉冲数的限制。

能动态显示频率、转速〔速度〕、和计数值[2]。

2.2测量方案设计

本设计采用单片机技术，能动态显示转速。

2.2.1转速测量原理

整个测量系统转子由一直流调速电机驱动，可实现大转速围的无级调速。

转速信号由光电传感器拾取，

使用时应在转子上做好光电标记，具体方法可以是：

将转子外表擦干净后用黑漆〔或者黑色胶布〕全部涂黑，再将一块反光材料贴在其上作为光电标记，然后将光电传感器〔光电头〕固定在正对光电标记的某一适当距离处。

光电投采用低功耗亮度LED，光源为高可靠性可见光，无论黑夜还是白天，或者是背景光强、有大围改变都不影响接收效果。

光电头包含有前置电路，输出0-5V的脉冲信号。

接到单片机89C51的相应管脚上，通过89C51部定时器/计数器T0、T1及相应的程序设计，组成一个数字式转速测量系统。

优点这种方案使用光电传感器具有采用准确，采样速度快、围广的特点。

所以，使用光电传感器来作为本设计的最正确方案[3]。

2.2.2系统原理

为了得到精准的速度，根据测量原理，得到以下原理框图。

图中红外传感器直接将信号输入到单片机STC89C51的计数引脚。

由复位电路、晶振电路、STC89C51组成的单片机最小系统，是系统的控制核心，单片机利用部定时计数器、中断等资源实现信号频率测量，并将最终结果用4段8位LED数码管来显示出来。

电源是系统工作的必须条件，本设计通过开关电路将电压转换，主要给单片机、数码管、电机供电。

开关电路供电

驱动电机

红外传感器

图2-4转速测量仪原理框图

三极管放大信号电路

STC89C51组成的单片机最小系统

LED数码管显示

3硬件电路设计

硬件局部主要由电源模块、单片机模块、显示模块、红外模块几局部组成。

3.1电源模块

这个设计采用的是12V的独立电源。

根据设计要求，单片机模块与显示模块需要的是5V电源供电，而电机需要其能提供不同的转速，所以需要调节电机的电压来到达改变转速的功能。

所以在电源模块采用了LM2596开关电压调节器组成的调压电路为整个测量系统供电。

3.1.1LM2596开关电压调节器

LM2596开关电压调节器是降压型电源管理单片集成电路，能够输出3A的驱动电流，同时具有很好的线性和负载调节特性。

固定输出版本有3.3V、5V、12V，可调版本可以输出小于37V的各种电压。

该器件部集成频率补偿和固定频率发生器，开关频率为150KHz，与低频开关调节器相比拟，可以使用更小规格的滤波元件。

由于该器件只需4个外接元件，可以使用通用的标准电感，这更优化了LM2596的使用，极简化了开关电源电路的设计[4]。

特点

3.3V、5V、12V的固定电压输出和可调电压输出

可调输出电压围1.2V～37V±4%

输出线性好且负载可调节

输出电流可高达3A

输入电压可高达40V

采用150KHz的部振荡频率，属于第二代开关电压调节器，功耗小、效率高

低功耗待机模式，IQ的典型值为80μA

TTL断电能力

具有过热保护和限流保护功能

封装形式：

TO-220〔T〕和TO-263〔S〕

外围电路简单，仅需4个外接元件，且使用容易购置的标准电感应用领域

高效率降压调节器

单片开关电压调节器

正、负电压转换器

3.1.2单片机和显示供电电路

通过此电路，可以将12V的输入电压转换成稳定的5V电压输出，供应单片机和显示数码管工作。

图3-1单片机和显示供电电路

3.1.3电机电源供电电路

此电路是给电机供电的，考虑到电机需要不同的转速，所以采用输出可调的稳压电路。

图3-2电机电源供电电路

3.2单片机模块

根据系统功能要求，对单片机模块进展设计，要使单片机准确的测量电机转速，并且使测出的数据能显示出来，所以整个单片机局部分为复位电路、晶振电路、单片机三个局部。

3.2.1复位电路

单片机在启动运行时都需要复位，使中央处理器CPU和系统中的其它部件都处于一个确定的初始状态，并从这个状态开场工作。

MCS-51单片机有一个复位引脚RST，当振荡器起振后该引脚上出现2个机器周期（即24个时钟周期）以上的高电平，使器件复位，只要RST保持高电平，MCS-51保持复位状态。

此时ALE、PSEN、P0、P1、P2、P3口都输出高电平。

RST变为低电平后，退出复位，CPU从初始状态开场工作。

单片机采用的复位方式是自动复位方式。

对于STC89C51单片机只要接一个电容至VCC即可（见图3-3）。

在加电瞬间，电容通过电阻充电，就在RST端出现一定时间的高电平，只要高电平时间足够长，就可以使MCS-51有效的复位。

RST端在加电时应保持的高电平时间包括VCC的上升时间和振荡器起振的时间，Vss上升时间假设为10ms，振荡器起振的时间和频率有关。

10MHZ时约为1ms，1MHZ时约为10ms，所以一般为了可靠的复位，RST在上电应保持20ms以上的高电平。

RC时间常数越大，上电RST端保持高电平的时间越长。

假设复位电路失效，加电后CPU从一个随机的状态开场工作，系统就不能正常运转。

图3-3复位电路

3.2.2晶振电路

晶振电路是单片机的心脏，它控制着单片机的工作节奏。

MCS-51单片机允许的时钟频率是因型号而异的典型值为12MHZ

MCS-51部都有一个反相放大器，XTAL1、XTAL2分别为反相放大器输入和输出端，外接定时反应元件以后就组成振荡器，产生时钟送至单片机部的各个部件。

STC89C51有一个可控的负反应反相放大器，外接晶振和电容组成振荡器，图3-4为单片机晶振电路框图。

振荡器工作受/PD端控制，由软件置“1〞PD〔即特殊功能存放器PCON.1〕使/PD＝0，振荡器停顿工作，整个单片机也就停顿工作，以到达节电目的。

清“0〞PD，使振荡器工作产生时钟，单片机便正常运行。

图中Y1为晶振或瓷谐振器，振荡器产生的时钟频率主要由晶振上标明的频率确定。

电容C1和C2的作用有两个：

其一是使振荡器起振，其二是对振荡器的频率f起微调作用〔C1、C2大，f变小〕，其典型值为30pF[5]。

图3-4晶振电路

3.2.3单片机系统

单片机我们采用STC89C51（其引脚图如图4.1），相较于INTEL公司的8051它本身带有一定的优点。

STC89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存贮器的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。

该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。

由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的STC89C51是一种高效微控制器，AT89C单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。

主要特性：

·与MCS-51兼容

·4K字节可编程闪烁存储器寿命：

1000写/擦循环

·数据保存时间：

10年

·全静态工作：

0Hz-24Hz

·三级程序存储器锁定

·128*8位部RAM

·32可编程I/O线

·两个16位定时器/计数器

·5个中断源

·可编程串行通道

·低功耗的闲置和掉电模式

·片振荡器和时钟电路

图3-5STC89C51引脚图

管脚说明：

（1）VCC：

供电电压；

（2）GND：

接地；

（3）P0口：

P0口为一个8位漏极开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。

当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。

P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。

在FIASH编程时，P0口作为原码输入口，当FIASH进展校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。

（4）P1口：

P1口是一个部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。

P1口管脚写入1后，被部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于部上拉的缘故。

在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。

〔5〕P2口：

P2口为一个部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1〞时，其管脚被部上拉电阻拉高，且作为输入。

并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。

这是由于部上拉的缘故。

P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进展存取时，P2口输出地址的高八位。

在给出地址“1〞时，它利用部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进展读写时，P2口输出其特殊功能存放器的容。

P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。

〔6〕P3口：

P3口管脚是8个带部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。

当P3口写入“1〞后，它们被部上拉为高电平，并用作输入。

作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流〔ILL〕这是由于上拉的缘故。

P3口也可作为STC89C51的一些特殊功能口，如下表3.1所示：

〔7〕RST：

复位输入。

当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。

〔8〕ALE/PROG：

当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。

在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。

在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。

因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。

然而要注意的是：

每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。

如想制止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。

表3-1P3口的第二功能

引脚

第二功能

信号名称

P3.0

P3.1

P3.2

P3.3

P3.4

P3.5

P3.6

P3.7

RXD

TXD

INT0

INT1

T0

T1

WR

RD

串行数据接收

串行数据发送

外部中断0请求

外部中断1请求

定时器/计数器0计数输入

定时器/计数器1计数输入

外部RAM写选通

外部RAM读选通

P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。

此时，ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。

另外，该引脚被略微拉高。

如果微处理器在外部执行状态ALE制止，置位无效。

〔9〕/PSEN：

外部程序存储器的选通信号。

在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。

但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。

〔10〕/EA/VPP：

当/EA保持低电平时，那么在此期间外部程序存储器〔0000H-FFFFH〕，不管是否有部程序存储器。

注意加密方式1时，/EA将部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间部程序存储器。

在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源〔VPP〕。

（11〕XTAL1：

反向振荡放大器的输入及部时钟工作电路的输入。

（12）XTAL2：

来自反向振荡器的输出。

振荡器特性：

XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。

该反向放大器可以配置为片振荡器。

石英振荡和瓷振荡均可采用。

如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。

有余输入至部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的上下电平要求的宽度。

芯片擦除：

整个PEROM阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合，并保持ALE管脚处于低电平10ms来完成。

在芯片擦操作中，代码阵列全被写“1〞且在任何非空存储字节被重复编程以前，该操作必须被执行。

此外，STC89C51设有稳态逻辑，可以在低到零频率的条件下静态逻辑，支持两种软件可选的掉电模式。

在闲置模式下，CPU停顿工作。

但RAM，定时器，计数器，串口和中断系统仍在工作。

在掉电模式下，保存RAM的容并且冻结振荡器，制止所用其他芯片功能，直到下一个硬件复位为止[7]。

3.3显示模块

如图3-6所示，由于单片机输出的电压信号过低，缺乏以支持数码管显示器工作，所以在每段数码管与单片机之间各加了一个三极管放大电路，放大电压信号，使数码管正常工作。

图3-6三极管放大电路和显示电路

3.4红外模块

红外线光电传感器原理

光电传感器是通过把光强度的变化转换成电信号的变化来实现控制的。

光电传感器在一般情况下，有三局部构成，它们分为：

发送器、接收器和检测电路。

发送器对准目标发射光束，发射的光束一般来源于半导体光源，发光二极管（LED）、激光二极管及红外发射二极管。

光束不连续地发射，或者改变脉冲宽度。

接收器有光电二极管、光电三极管、光电池组成。

在接收器的前面，装有光学元件如透镜和光圈等。

在其后面是检测电路，它能滤出有效信号和应用该信号。

此外，光电开关的构造元件中还有发射板和光导纤维。

三角反射板是构造结实的发射装置。

它由很小的三角锥体反射材料组成，能够使光束准确地从反射板中返回，具有实用意义。

它可以在与光轴0到25的围改变发射角，使光束几乎是从一根发射线，经过反射后，还是从这根反射线返回。

分类和工作方式

⑴槽型光电传感器

把一个光发射器和一个接收器面对面地装在一个槽的两侧的是槽形光电。

发光器能发出红外光或可见光，在无阻情况下光接收器能收到光。

但当被检测物体从槽过时，光被遮挡，光电开关便动作。

输出一个开关控制信号，切断或接通负载电流，从而完成一次控制动作。

槽形开关的检测距离因为受整体构造的限制一般只有几厘米。

⑵对射型光电传感器

假设把发光器和收光器别离开，就可使检测距离加大。

由一个发光器和一个收光器组成的光电开关就称为对射别离式光电开关，简称对射式光电开关。

它的检测距离可达几米乃至几十米。

使用时把发光器和收光器分别装在检测物通过路径的两侧，检测物通过时阻挡光路，收光器就动作输出一个开关控制信号。

⑶反光板型光电开关

把发光器和收光器装入同一个装置，在它的前方装一块反光板，利用反射原理完成光电控制作用的称为反光板反射式（或反射镜反射式）光电开关。

正常情况下，发光器发出的光被反光板反射回来被收光器收到；一旦光路被检测物挡住，收光器收不到光时，光电开关就动作，输出一个开关控制信号。

⑷扩散反射型光电开关

它的检测头里也装有一个发光器和一个收光器，但前方没有反光板。

正常情况下发光器发出的光收光器是找不到的。

当检测物通过时挡住了光，并把光局部反射回来，收光器就收到光信号，输出一个开关信号。

本设计选用的就是第三种红外传感器。

如图3-7所示，红外传感器直接与单片机相连，电容与传感器并联以减少干扰信号对电路造成的干扰。

如图3-8所示，接通电源后，信号灯亮[8]。

图3-7红外电路图3-8信号灯电路

4软件设计

4.1软件设计概述

软件设计是转速测量的核心，经过放大、整形后的方波送入单片机，利用单片机部的定时/计数器实现频率的测量，定时／计数器的工作首先被设置为计数器方式，即用来测量信号频率。

4.2软件设计方案

首先定时／计数器的计数存放器清0，运行控制位TR置1，启动对待测信号的计数。

计数闸门由软件延时程序实现，从计数闸门的最小值〔即测量频率的高量程〕开场测量，计数闸门完毕时TR清0，停顿计数。

计数存放器中的数值经过数制转换程序从十六进制数转换为十进制数。

判断该数的最高位，假设该位不为0，满足测量数据有效位数的要求，测量值和量程信息一起送到显示模块；假设该位为0，将计数闸门的宽度扩大10倍，重新对待测信号的计数，直到满足测量数据有效位数的要求。

脉冲信号通过单片机定时／计数器计数，定时器Tn定时。

定时器Tn完成100次溢出中断的时间t除以测得的脉冲数m，经过单位换算，就可以算得直流电机旋转的速度[9]。

4.3系统主程序

系统复位之后，首先进展IO口配置，定时计数器初始值设置，开定时计数器中断，开总中断等工作；接着，读取定时计数器中的频率数字；最后，将结果用十进制数的形式显示出来。

系统主程序流程图如下列图所示。

图4-1系统主程序流程图

4.4显示子程序

显示子程序将存放在显示缓冲区的频率或周期值送往数码管上显示出来,由于所有4位数码管的8根段选线并联在一起由单片机的P2口控制,因此,在每一瞬间4位数码管会显示一样的字符,要想每位显示不同的字符就必须采用扫描方法轮流点亮各位数码管,即在每一瞬间只点亮某一位显示字符,在此瞬间,段选控制口P0输出相应字符。

由P2.0-P2.3逐位轮流点亮各个数码管,每位保持1mS,在10mS～20mS之再点亮一次,重复不止,利用人的视角暂留,好似4位数码管同时点亮。

数码管显示子程序流程如图4-2所示[10]。

图4-2显示子程序流程图