基于单片机直流电机测速仪设计.docx

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基于单片机直流电机测速仪设计

基于C51单片机直流电机测速仪设计

摘要：

电机的转速是各类电机运行过程中的一个重要监测量，测速装置在电机调速系统中占有非常重要的地位，特别是数字式测速仪在工业电机测速方面有独到的优势。

本文介绍了一种基于C51单片机的光电传感器转速测量系统的设计。

系统采用对射式光电传感器产生与齿轮相对应的脉冲信号，使用AT89C51单片机采样脉冲信号并计算每分钟内脉冲信号的数目，即电机对应的转速值，最终系统通过LCD实时显示电机的转速值。

经过软硬件系统的搭建，分别通过Protues软件系统仿真实验和实际电路搭建检查实验。

仿真实验表明本系统满足设计要求，并且结构简单、实用。

整个直流电机测速系统在降低测速仪成本，提高测速稳定性及可靠性等方面有一定的应用价值。

关键词：

转速测量；光电传感器；单片机

BasedOnC51SCMSingleDCMotorSpeedometerDesign

ABSTRACT：

Motorspeedisallkindsofmotoroperationisanimportantprocesstomonitortheamountofspeedmeasuringdeviceinthemotorcontrolsystemoccupiesaveryimportantposition,Especiallythedigitalspeedometerintheindustrialmotorspeedhasuniqueadvantage.Thispaperdescribesaphotoelectricsensor51SCM-basedspeedmeasurementsystemdesign.Systemusesabeamphotoelectricsensorgeneratesapulsesignalcorrespondingtothegear,theuseofasamplingpulsesignalAT89C51SCMandcalculatingthepulseperminute,thenumberofsignalsthatthespeedofthemotorcorrespondingtothevalueofthefinalsystemtimethroughtheLCDdisplaythemotorspeedvalue.Afterahardwareandsoftwaresystemstructures,respectively,throughProtuessoftwaresystemtobuildtheactualcircuitsimulationandexperimentalexamination.Simulationresultsshowthatthesystemmeetsthedesignrequirements,andthestructureissimpleandpractical.DCMotorSpeedentiresysteminreducingspeedometercosts,improvereliability,speedstabilityandacertainapplicationvalue.

Keywords:

Speedmeasurement;Photoelectric;Singlechipmicyoco

1绪论

1.1数字式转速测量系统的发展背景

在现代工业自动化高度发展的时期，几乎所有的工业设备都离不开旋转设备，形形色色的电机在不同领域发挥着很重要的作用。

与之而来的问题是，如何更好地控制旋转设备，对于不同的场合，对电机的控制要求是不同的，但大部分都会涉及到旋转设备的转速测量，从而利用转速来实施对旋转设备的控制。

而数字显示转速测量系统在工业电机转速测量方面有独到的优势。

目前国内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，还有一些特殊的测速器是利用置于旋转体内的放射性材料来发生脉冲信号。

其中应用最广的是光电式，光电式测速系统具有低惯性、低噪声、高分辨率和高精度的优点。

加之激光光源、光栅、光学码盘、CCD器件、光导纤维等的相继出现和成功应用，使得光电传感器在检测和控制领域得到了广泛的应用。

而采用光电传感器的电机转速测量系统测量准确度高、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[1]。

1.2转速测量在国民经济中的应用

转速测量的应用系统在工业生产、科技教育、民用电器等各领域的应用极为广泛，往往成为某一产品或控制系统的核心部分，其各种参数在不同的应用中有其侧重，但转速测量系统作为普遍的应用在国民经济发展中，有重要的意义。

特别在调速系统中的应用。

直流电机具有良好的起、制动性能，易于在宽广范围内平滑调速，所以长期以来在要求调速指标较高的场合获得了广泛应用。

随着电力电子技术和控制技术的发展，交流调速系统日趋完善，其性能可与直流调速系统相媲美，其变频调速的应用范围日益扩大，但它的控制技术相对复杂，整个控制系统造价较高，在某些领域短时间内还难以取直流调速系统，调速系统便应运而生了。

调速系统主电路线路简单，所用的功率元件少；开关频率高，可达到1000～4000

，电流易连续，谐波少，脉动小，电机损耗和发热都较小；低速性能好，稳态精度高，因而调速范围宽；调速系统频带宽，快速响应性能好，动态抗扰能力强；主电路元件工作在开关状态，导通损耗小，装置效率高[2]；直流电源采用三相整流时，电网功率因数高，可广泛用于交通、工矿企业等电力传动系统中。

1.3主要研究内容

（1）详细介绍电机转速的测量方法，对光电码盘直流电机测速法，其具体测量方法的转速计算，测量精度和误差进行阐述。

在保持一定的测量精度情况下，应用光电码盘测速法，说明转速测量原理。

（2）根据单片机系统的设计原则，提出测量方案，构建硬件系统，分别对硬件系统的配置予以估计，使其能够对转速进行测量。

同时分析接口电路，显示转速。

（3）对单片机定时/计数器进行设置，设计和说明定时/计数器在光电码盘法测量中的作用和使用方法，讨论测量精度的问题。

（4）根据系统要求设置各控制字，用C汇编语言编制程序，包括主程序流程，显示中断程序流程。

并用软件的方法对计数和定时进行同步，力求在不增加硬件的条件下，使同步达到满意的效果。

（5）利用Keil软件和Protues集成环境对系统对工作软件进行编译、调试和仿真。

1.4设计的目的和意义

转速是工程中应用非常广泛的一个参数，其测量方法较多，而模拟量的采集和模拟处理一直是转速测量的主要方法，这种测量方法已不能适应现代科技发展的要求，在测量范围和测量精度上，已不能满足大多数系统的使用。

随着大规模及超大规模集成电路技术的发展，数字系统测量得到普遍应用，特别是单片机对脉冲数字信号的强大处理能力，使得全数字测量系统越来越普及，其转速测量系统也可以用全数字化处理。

在测量范围和测量精度方面都有极大的提高。

因此，本设计的目的是：

对各种测量转速的基本方法予以分析，针对不同的应用环境，利用80C51系列单片机设计一种全数字化测速系统，从提高测量精度的角度出发，分析讨论其产生误差的可能原因，为今后的实际使用提供借鉴[3]。

并从实际硬件电路出发，分析电路工作原理和软件流程，根据仿真情况提出修改方案和解决办法。

课题以单片机为中心，设计的全数字化测量转速系统，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转速测量系统的原理

2.1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:

（2-1）

式中，n—转速，转/分钟

N—采样时间内所计脉冲个数

T—采样时间，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:

（2-2）

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分时双频率采样法，可在保证采样精度的同时，提高采样速率，充分发挥微机智能测速方法的优越性及灵活性[4]。

图2-1系统原理图

各部分模块的功能：

（1）传感器：

用来对信号的采样。

（2）放大、整形电路：

对传感器送过来的信号进行放大和整形，在送入单片机进行数据的处理转换。

（3）单片机：

对处理过的信号进行转换成转速的实际值，送入LED。

（4）LED显示：

用来对所测量到的转速进行显示。

2.2转速测量计算方法

转速是指作圆周运动的物体在单位时间内所转过的圈数，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。

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。

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：

（2-3）

②测周期法：

在被测信号的一个周期内，计数时钟脉冲数

，则被测信号频率

，其中，

为时钟脉冲信号频率。

③多周期测频法：

在被测信号

个周期内，计数时钟脉冲数

，从而得到被测信号频率

，则

可以表示为

，

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：

=测量误差值/实际测量值×100%=

（2-4）

由此可见，被测信号频率越高，N越大，

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：

=测量误差值/实际测量值×100%=

（2-5）

对于给定的时钟脉冲

，当被测信号频率越低时，

越大，

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：

=测量误差值/实际测量值×100%=

（2-6）

从上式2-6可知，被测脉冲信号周期数

越大，

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

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。

3转速测量系统设计方案

3.1直流电机转速测量方法

直流电机转速测量的方案选择一般要考虑传感器的结构、安装以及测速范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。

经过查找资料，综合资料分析，从实现难度、熟悉程度、器件用量等方面综合考虑，我们才能最终选择一个最合适的方案。

目前国内外常用的转速测量方法有离心式转速表测速法、测速发电机测速法、闪光测速法、光电码盘测速法和霍尔元件测速法。

（1）离心式转速表测速法

离心式转速表是利用离心原理制成的测速仪表，可以直接读出转速。

测转速时，转速表的端头要插入电机转轴的中心孔内，插入前，应注意清除中心孔中的油污，并使转速表的轴与电机的轴保持同心，不可上下左右偏斜，否则易将表轴扭坏，并影响准确读数，而且转速表要间歇使用，以减少磨损和发热。

如果要改变量程，还要将转速表取出停转后再改变量程。

（2）测速发电机测速法

测速发电机测转速时，测速发电机连接到被测电机的轴端，将被测电机的机械转速变换为电压信号输出

，在输出端接一个刻度以转速为单位的电压表，即可读出转速。

（3）闪光测速法

闪光测速法是利用可调脉冲频率的专用电源施加于闪光灯上，将闪光灯的灯光照到电机转动部分（可在电机端轴上粘贴一张标记纸片），当调整脉冲频率使黑色扇形片静止不动时，此时脉冲的频率是与电机转动的转速是同步的。

若脉冲频率为f，则电机的转速为

。

（4）光电码盘测速法

光电码盘测速法是通过测出转速信号的频率或周期来测量电机转速的一种无接触测速法。

光电码盘安装在转子端轴上，随着电机的转动，光电码盘也跟着一起转动，如果有一个固定光源照射在码盘上，则可利用光敏元件来接收到的光的次数就是码盘的编码数。

若编码数为60，测量时间为t，测量到的脉冲数为N，则n=N/t。

（5）霍尔元件测速法

霍尔元件测速法是利用霍尔开关元件测转速的。

霍尔开关元件内含稳压电路、霍尔电势发生器、放大器、施密特触发器和输出电路。

输出电平与TTL电平兼容，在电机转轴上装一个圆盘，圆盘上装若干对小磁钢，小磁钢越多，分辨率越高，霍尔开关固定在小磁钢附近，当电机转动时，每当一个小磁钢转过霍尔开关，霍尔开关便输出一个脉冲，计算出单位时间的脉冲数，即可确定旋转体的转速。

在这五种测速方法中，离心式转速表测速法和测速发电机测速法所用的都是现成的测速仪表，容易得到。

但转速表或测速机都要与电机同轴连接，一方面增加了电机机组安装难度，另一方面有些微电机功率很小，转速表或测速机消耗的功率占了微电机大部分，更有甚者微电机甚至拖不动这些仪表，所以对微特电机的测速，这二种方法不适用。

霍尔元件测速法和光电码盘测速法的测速方法基本类似，都是在转轴上装一个很轻巧的传感器，将电机的转动信号通过磁（霍尔元件）或光（光电码盘）转换为电脉冲，从而通过计算电脉冲的个数来测速[5]。

闪光测速法目前实际应用不广泛，主要是光源的问题。

所以本课题设计采用光电码盘测速法。

3.2设计任务及方案

本文针对电机的转速进行测量，以单片机为核心对光电开关产生的数字信号进行运算，从而测得电机的转速，然后用LCD把电机的转速显示出来。

即通过光电开关将电机的转数转换成0，1的数字量，只要转轴每旋转一周，产生一个或固定的多个脉冲，并将脉冲送入单片机中进行计数和计算，就可获得转速的信息。

系统主要由AT89C51单片机处理系统、直流电机、光电转换、放大电路和单稳整形电路、显示系统等几个部分组成，如图3-1所示。

图3-1系统组成框图

4直流电机测速系统设计

随着超大规模集成电路技术提高，尤其是单片机应用技术以及功能强大，价格低廉的显著特点，使全数字化测量转速系统得到广泛应用。

出于单片机在测量转速方面具有体积小、性能强、成本低的特点，越来越受到企业用户的青睐。

对测量转速系统的硬件和编程进行研究，设计出一种以单片机为主的转速测量系统，保证了测量精度。

整个直流测速系统由信号采集电路、信号处理电路、单片机及数字显示四部分组成，用一个红外发光二极管和一个接受红外光的二极管组成一套光电管外加一个测速齿盘。

当发射端连续发射红外信号，通过测速齿盘的转动，在接受端收到的红外信号不连续，如开关的通断。

通过比较器和放大电路，从而输出“0”“1”两种高低电平，并把两种信号传给单片机进行统计，然后利用设定算法进行计算，最后通过数码显示管显示计算结果。

其直流电机系统方框图如4-1所示，直流电机系统电路图如图4-2所示。

图4-1直流测速系统方框图

4.1单片机AT89C51介绍

AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM—FalshProgrammableandErasableReadOnlyMemory）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AT89C51是一种高效微控制器，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[6]。

图4-2直流电机测速系统电路图

图4-3是常用的一种单片机，型号为AT89C51，它将计算机的功能都集成到这个芯片内部去了，就这么一个小小的芯片就能构成一台小型的电脑，因此叫做单片机。

图4-3AT89C51芯片

它有40个管脚，分成两排，每一排各有20个脚，其中左下角标有箭头的为第1脚，然后按逆时针方向依次为第2脚、第3脚……第40脚。

在40个管脚中，其中有32个脚可用于各种控制，比如控制小灯的亮与灭、控制电机的正转与反转、控制电梯的升与降等，这32个脚叫做单片机的“端口”，在单片机技术中，每个端口都有一个特定的名字，比如第一脚的那个端口叫做“P1.0”。

AT89C51单片机的功能：

（1）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

◆数据保留时间：

10年

◆全静态工作：

0Hz-24Hz

◆三级程序存储器锁定

◆128*8位内部RAM

◆32位可编程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

◆片内振荡器和时钟电路

（2）管脚说明（图4-4）

图4-4AT89C51管脚分布图

◆VCC：

供电电压，

◆GND：

接地。

◆P0口：

P0口为一个8位漏级开路双向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进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。

◆P1口：

P1口是一个内部提供上拉电阻的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，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。

在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。

◆P2口：

P2口为一个内部上拉电阻的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，其管脚被内部上拉电阻拉高，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。

这是由于内部上拉的缘故。

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行存取时，P2口输出地址的高八位。

在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。

P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。

◆P3口：

P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。

当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，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AT89C51的一些特殊功能口。

P3口管脚备选功能

●P3.0RXD（串行输入口）

●P3.1TXD（串行输出口）

●P3.2/INT0（外部中断0）

●P3.3/INT1（外部中断1）

●P3.4T0（记时器0外部输入）

●P3.5T1（记时器1外部输入）

●P3.6/WR（外部数据存储器写选通）

●P3.7/RD（外部数据存储器读选通）

●P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。

●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。

●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。

如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。

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禁止，置位无效。

●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。

●EA/VPP：

当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。

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

在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。

●XTAL1：

反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。

●XTAL2：

来自反向振荡器的输出。

（3）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内振荡器。

石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。

如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。

有余输入至内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，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。

（4）芯片擦除：

整个PE