基于51单片机的电机转速测量及显示系统.docx

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基于51单片机的电机转速测量及显示系统

目录

1绪论2

1.1题目背景及目的2

1.2题目研究方法2

2系统设计基础知识3

2.1直流电机的基本知识3

2.251单片机的基础知识7

2.3LED显示管10

2.4传感器10

3系统总体方案设计14

3.1系统分析14

3.2设计思路和方案16

3.3系统构成17

4硬件电路设计19

4.1电源电路19

4.2转速测量电路19

4.3LED显示模块21

4.4系统硬件设计21

5系统软件设计23

5.1计时方案的选择23

5.2软件结构划分24

6设计心得与体会26

7参考文献26

摘要

单片机又称单片微控制器（MCU），它把一个计算机系统集成到一个芯片上。

它的体积小、质量轻、价格便宜、为学习、应用和开发提供了便利条件。

随着电子技术的迅猛发展，单片机技术也有了长足的发展，目前单片机渗透到我们生活的各个领域，几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪迹，导弹的导航装置，飞机上各种仪表的控制，计算机的网络通讯与数据传输，工业自动化过程的实时控制和数据处理，广泛使用的各种智能IC卡，民用豪华轿车的安全保障系统，录象机、摄象机、全自动洗衣机的控制，以及程控玩具、电子宠物等等，这些都离不开单片机。

各种电机在工业得到广泛应用，为了能方便的对电机进行控制、监视、调速，有必要对电机的转速进行测量，从而提高自动化程度。

转速是工程上一个常用参数。

转速测量的方法很多，采用光电开关管测量转速是较为常用的测量方法。

在本系统设计中，我们以51单片机为核心控制单元，以红外对管（或称光/电，电/光二极管 ）为传感器，通过光电传感器实时采集电机转速并进行处理与显示，设计出一个电动机转速测量系统,并研究其测量精度、测量范围及响应速度.程序设计部分分为初始化模块、脉冲计数模块、计时模块、参数调整模块和显示模块.最后通过试验测试,得到了相应的技术参数,并对转速测量系统的误差进行了分析.要求设计的系统稳定可靠、抗干扰能力强、成本低，使用方便。

1绪论

1.1题目背景及目的

目前单片机渗透到我们生活的各个领域，几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪迹，导弹的导航装置，飞机上各种仪表的控制，计算机的网络通讯与数据传输，工业自动化过程的实时控制和数据处理，广泛使用的各种智能IC卡，民用豪华轿车的安全保障系统，录象机、摄象机、全自动洗衣机的控制，以及程控玩具、电子宠物等等，这些都离不开单片机。

各种电机在工业得到广泛应用，为了能方便的对电机进行控制、监视、调速，有必要对电机的转速进行测量，从而提高自动化程度。

1.2题目研究方法

测量转子速度的方法很多，但多数比较复杂。

目前，测量转速的方法主要有四种：

机械式、电磁式、光电式和激光式。

机械式主要利用离心力原理，通过一个随轴转动的固定质量重锤带动自由轴套上下运动，根据不同转速对应不同轴套位置获得测量结果原理简单直接，不需额外电器设备，适用于精度要求不高、接触式的转速测量场合。

电磁式系统由电磁传感器和安装在轴上的齿盘组成，主轴转动带动齿盘旋转，齿牙通过传感器时引起电路磁阻变化，经过放大整形后形成脉冲，通过脉冲得到转速值。

由于受齿盘加工精度、齿牙最小分辨间隔、电路最大计数频率等限制，测量精度不能保证。

光电式结构类似于电磁式结构，把旋转齿盘换作光电编码盘或黑白相间的反射条纹，把电磁传感器换作光电接收器，通过对反射回来的光脉冲信号计数得到测量结果。

由于受条纹最小分辨间隔、电路最大计数频率等限制，测量精度不能保证，所测转速值和电磁式一样为两个计数脉冲间距的平均值。

激光测速技术（LDV）是一种正在发展中的测速技术，通过激光多普勒效应获得转动体的瞬时角速度，理论上具有很高的瞬时转速测量精度，但目前实际产品精度不够高，并且价格昂贵，在实际使用上受到限制。

通过改进已有的电磁式传感器，设计一种适于瞬时转速测量的新型传感器，在旋转机械瞬时状态分析中具有一定的实际意义。

2系统设计基础知识

2.1直流电机的基本知识

直流电机的工作原理

永磁式直流电机是应用很广泛的一种。

只要在它上面加适当电压。

电机就转动。

图2.1是这种电机的符号和简化等效电路[1]。

工作原理图：

图2.1直流电机的符号和等效电路

这种电机由定子、转子、换向器（又称整流子）、电刷等组成，定子用作产生磁场。

转于是在定子磁场作用下，得到转矩而旋转起来。

换向器及时改变了电流方向，使转子能连续旋转下去。

也就是说，直流电压加在电刷上，经换向器加到转子线圈，流过电流而产生磁场，这磁场与定子的固定磁场作用，转子被强迫转动起来。

当它转动时，由于磁场的相互作用，也将产生反电动势，它的大小正比于转子的速度，方向和所加的直流电压相反。

图2.1（b）给出了等效电路。

Rw代表转子绕组的总电阻，E代表与速度相关的反电动势。

永磁式换流器电机的特点：

当电机负载固定时，电机转速正比于所加的电源电压。

当电机直流电源固定时，电机的工作电流正比于转予负载的大小。

加于电机的有效电压，等于外加直流电压减去反电动势。

因此当用固定电压驱动电机时，电机的速度趋向于自稳定。

因为负载增加时，转子有慢下来的倾向，于是反电动势减少，而使有效电压增加，反过来又将使转子有快起来的倾向，所以总的效果使速度稳定。

当转子静止时，反电动势为零，电机电流最大。

其最大值等于V／Rw（这儿V是电源电压）。

最大·电流出现在刚起动的条件。

转子转动的方向，可由电机上所加电压的极性来控制。

体积小、重量轻、起动转矩大。

由于具备上述的那些特点，所以在医疗器械、小型机床、电子仪器、计算机、气象探空仪、探矿测井、电动工具、家用电器及电子玩具等各个方面，都得到广泛的应用。

对这种永磁式电机的控制，主要有电机的起停控制、方向控制、可变速度控制和速度的稳定控制。

电机的起／停控制

电机的起／停控制，最简单最原始的方法是在电机与电源之间，加一机械开关。

或者用继电器的触点控制。

现在比较流行的方法，是用开关晶体管来代替机械开关，无触点、无火花干扰，速度快。

电路如图2.2（a）所示。

当输入端为低电平时，开关晶体管Q1截止，电机无电流而处于停止状态。

如果输入端为高电平时，Q1饱和导通，电机中有电流，因此电机起动运转。

图中二极管D1和D2是保护二极管，防止反电动势损坏晶体管。

电容C1是消除射频干扰而外加的。

R1基极限流电阻，限制Q1的基极电流。

在6V电源时，基极电流不超过52mA。

在这种情况下，Q1提供电机的最大电流为1A左右。

图2.2用晶体管控制电机启停,（b）增强灵敏度

图2.2（a）的电路，因基极电流需外部驱动电路。

如果再增加一级缓冲放大，如图2.2（b）的电路，驱动电流减少到2mA。

R3限制Q1的基极电流到安全值。

其他元件作用与（a）图中相同。

电机的方向控制

水磁式换流器电机的转动方向，可以用改变电源极性的方法，使电机反转。

如果用正、负双极性电源，可用一个单刀进行转换，如图2.3（a）所示。

因为电机的电流直接通过开关，容易烧坏开关接点。

所以可以改用功率开关晶体管来代替机械开关，就可以克服上述缺点。

电路如图2.3（b）所示。

图2.3电机方向控制

电路工作原理：

当开关SW1置于“正转”位时，Q1和Q3的基极加上偏流；Q2和Q4的偏置电路被断开。

所以Q1和Q3导通，Q2和Q4截止。

电流从V＋→Q3发射极→Q3集电极→电机正端→电机负端→地形成回路，此时电机正转。

同理，如果SW1置于“反转’位置时，Q2和Q4得到偏流而导通；01和Q3截止。

电流从电源地端→电机负端→电机正端→Q4集电极→Q4发射极→电源负端形成回路，故电机电源与上述情况相反，因此电机反转。

而SW1置于断时，电机停止转动。

图2.3（b）电路中SW1要转接正、负电源。

在接口电路的应用中，用电子开关来代替SW1就比较困难。

为了克服这个缺点，可用图2.3（c）的电路加以改进。

图2.3（c）中的SW1就很容易用电子开关来代替。

在这个电路中，SW1置于“正转”位置时，Q1和Q3导通，Q2和Q4截止。

SW1置于“反转”位置时，Q2和Q4导通，Q1和Q3截止。

电机的速度控制

直流电机的转速与所加的电压有效值成正比。

图2.4是12V直流电机的可变电压速度控制。

图中Q1和Q2是复合管射极跟随器，电机的直流电压可从0V变到12v。

这种电路的特点是：

在中速和高速时，速度的控制和自动调节的性能很好。

但是低速和慢启动特性比较差。

用开关方式或脉宽调制，可以获得非常好的速度控制性能。

电路图如2.5所示：

图2.412VDC电机速度控制

图2.512V直流电机开关方式速度控制

图中IC1作为50Hz的无稳多谐振荡器，它产生一个矩形波输出，占空比可变从20比1到1比20，由RV1进行调节。

这个波形经过Q1和Q2送到电机，电机上的电压有效值是随RV1的调节而变化的（总的周期是50HZ）。

不过电机上所加上的电压，是具有峰值电压为12V的功率脉冲。

因此在整个调速范围内；性能都非常好。

即使在很低的速度，转矩也很大。

速度控制的程度，正比于所加电压的有效值。

2.251单片机的基础知识

随着大规模集成电路的出现和发展，芯片生产厂家把中央处理器CPU（CentralProcessingUnit），随机存取内存RAM（RandomAccessMemory），只读存储器ROM（ReadOnlyMemory），定时器/计数器以及I/O（Input/Output）接口电路等主要计算机部件，集成在一块集成电路芯片（硅片）上，形成芯片级计算机，称为单片微型计算机（singlechipmicrocomputer），直译为单片机。

虽然单片机只是一个芯片，但从组成和功能上看，它已具有了微机系统的含义，又称微型处理部件MCU（MicroControllerUnit）,单片机商品名称为微控制器单元。

单片机具有优异的性能价格比、体积小、可靠性高、控制功能强，广泛应用在智能仪表、机电一体化、实时过程控制、机器人、家用电器、模糊控制、通信系统等领域。

根据单片机能够一次处理的数据的宽度（二进制位数），单片机分为1位机、4位机、8位机、16位机、32位机。

目前，应用最广的产品是8位单片机，其中又属Intel公司出品的MCS-51系列单片机应用最广。

MCS-51系列单片机已经成为事实上的工业标准，其内部包含如下功能部件：

1、一个8位的中央处理器CPU，完成运算和控制功能；

2、一个片内振荡器及时钟电路，外接石英晶体和微调电容需外接，为单片机产生时钟脉冲序列，系统允许的晶振频率0～33MHz；

3、256BRAM数据存储器，前128单元作内部数据存储器，可擦写的数据，后128单元为专用寄存器。

4、两个16位定时器/计数器，以实现定时或计数功能，并以其定时或计数结果对计算机进行控制。

5、可寻址的64KB外部数据存储器以及控制电路。

6、可寻址的64KB外部程序存储器以及控制电路。

7、21个特殊功能寄存器

8、32条可编程的I/O线（四个8位I/O并行端口）

9、一个可编程全双工串行口，可作全双工异步通信收发器使用,实现单片机和其它设备之的串行资料传送；也可作为同步移位器使用

10、五个中断源,外中断2个,定时/计数中断2个,串行中断1个；两个优先级，全部中断分为高级和低级共两个优先级。

11、根据内部程序存储器ROM多少，MCS-51系列主要芯片与差异

8031片内无ROM；

8051片内4K掩膜ROM；

8751片内4K紫外线可擦除可编程程序存储器，EPROM；

89C51片内4K电可擦除可编程程序存储器，FLASHEEPROM；

89S51片内4K电可擦除可编程程序存储器，FLASHEEPROM，支持ISP；

89S52片内