电动机转速测量系统的设计(电气工程及其自动化)Word下载.doc

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目录

1绪论 1

1.1课题研究的目的和意义 1

1.2转速测量在国内外的研究 1

1.3主要研究内容 2

2电机转速测量常用方法 3

2.1测频法（“M法”） 3

2.2测周期法（“T法”） 3

2.3本设计系统中采用的方法 4

3系统总体方案设计 5

3.1各模块方案论证与选择 5

3.1.1传感器论证与选择 5

3.1.2单片机模块论证与选择 6

3.1.3显示模块论证与选择 6

3.1.4报警模块论证与选择 7

3.2总体设计方案 7

4硬件电路设计 8

4.1单片机最小系统设计 8

4.1.1时钟电路 8

4.1.2复位电路 8

4.1.2电源电路 10

4.2稳压可调直流电源电路设计 10

4.3霍尔传感器测量电路设计 11

4.3.1霍尔传感器原理 11

4.3.2开关型霍尔传感器 12

4.4信号处理电路设计 13

4.5显示电路设计 15

4.5.1LCD1602简介 15

4.5.2LCD显示电路 16

4.6按键电路设计 16

4.7蜂鸣器报警电路设计 17

5软件设计 20

5.1系统开发环境 20

5.2系统开发语言 20

5.3软件总体设计 21

5.4定时/计数中断程序 23

5.4.1定时/计数器介绍 23

5.4.2中断控制 24

5.4.3定时/计数器初值计算 25

5.4.4定时中断流程图 25

5.5按键扫描程序流程图 26

5.6速度计算及显示程序 28

5.6.1速度计算 28

5.6.2速度值显示处理程序 28

5.7报警程序流程图 28

6系统调试 29

6.1Protues仿真 29

6.2硬件调试 30

6.3系统调试结果 30

6.4故障分析与解决方案 32

结论 33

致谢 34

参考文献 35

附录 36

附录1 36

附录2 46

附录3 47

1绪论

1.1课题研究的目的和意义

转速是工程中应用非常广泛的一个参数，其测量方法较多，传统的测速方法一般以测速发电机为主要检测元件，得到的是模拟量，这种测量技术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。

由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，单片机对脉冲数字信号的强大处理能力，使得全数字化系统越来越普及，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。

以单片机为核心，设计的数字化转速测量系统，使系统能达到更高的性能，具有较强的应用价值。

它的研究结果可以用于我们的实际生活中，一方面它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。

另一方面由于该转速测量系统采用全数字结构，因而可以很方便的实行远程管理和控制，进一步提高现代化水平。

总之，转速测量系统的研究是一件非常有意义的课题。

本课题研究的是电机转速测量系统，对了解电机工作状态，提高电机工作效率有很大的帮助，该课题主要是对电机转速测量系统进行硬件和软件的设计，同时从实际硬件电路出发，分析电路的工作原理，根据设计的具体情况提出修改方案和解决办法。

1.2转速测量在国内外的研究

转速是能源设备与动力机械性能测试中的一个重要的特性参量，因为动力机械的许多特性参数是根据它们与转速的函数关系来确定的，例如压缩机的排气量、轴功率、内燃机的输出功率等等，而且动力机械的振动、管道气流脉动、各种工作零件的磨损状态等都与转速密切相关。

转速测量的方法很多，根据转速测量的工作方式可分为两大类：

接触式转速测量法与非接触式转速测量法。

前者在使用时必须与被测转轴直接接触，如离心式转速表测速法、测速发电机测速法等；

后者在使用时不需要与被测转轴接触,如闪光测速法、光电码盘测速法。

（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E=CeFn，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n=60f（r／min）。

（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，其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。

1.3主要研究内容

该系统要实现的功能有：

1．液晶显示器实时显示所测得的转速值；

2．键盘对设定的高低速值进行相关设置；

3．实现声光报警功能。

为了实现系统功能，主要研究了以下内容：

1．分析转速测量常用的两种方法；

2．根据电机转速测量系统的要求选择合适的传感器；

3．系统各模块的论证和选择，总体方案的设计。

4．系统中各硬件模块设计和软件设计；

5．系统调试。

2电机转速测量常用方法

电机转速测量的主要方法有测周期法（“T”法）和测频法（“M”法）。

2.1测频法（“M法”）

在一定测量时间T内，测量脉冲发生器（替代输入脉冲）产生的脉冲数来测量转速，如图2-1所示，设在时间T内，转轴转过的弧度数为，则转速n由式（2-1）计算得到。

式（2-1）

转轴转过的弧度数的计算见式（2-2）。

式（2-2）

图2-1“M”法测量转速脉冲

将式（2-2）式代入式（2-1），则转速n的表达式见式（2-3）。

式（2-3）

式中n——表示转速单位：

（转/分）；

T——表示定时时间单位：

（秒）；

——表示产生的脉冲个数。

在该方法中，由于定时时间T和脉冲不能保证严格同步，以及在T内能否正好测量外部脉冲的完整的周期不确定，所以可能产生1个脉冲的量化误差。

因此，为了提高测量精度，T要有足够长的时间。

定时时间可根据测量对象预先设置。

设置的时间过长，可以提高精度，而设置的时间过短，测量精度会受到一定的影响。

而且在规定的检测时间内对脉冲个数计数，虽然检测时间一定，但检测的起止时间具有随机性，当被测转速较高时，才有较高的测量精度，并且测量准确度随转速的减小而降低，该方法适合于高速测量。

2.2测周期法（“T法”）

转速可以用两脉冲产生的间隔宽度来决定。

如图2-2所示。

通过定时器测得。

定时器对时基脉冲（频率为）进行计数定时，在内计数值若为，则计算公式见式（2-4）。

式（2-4）

即：

式（2-5）

式中P——表示为转轴转一周脉冲发生器产生的脉冲数；

——表示硬件产生的基准时钟脉冲频率：

单位（Hz）；

n——表示转速单位：

——表示时基脉冲。

图2-2“T”法脉宽测量

由“T”法可知，“T”法测量精度的误差主要有两个方面，一是由两脉冲的上升沿触发时间不一致而产生的；

二是由计数和定时起始和关闭不一致而产生的。

因此要求脉冲的上升沿（或下降沿）陡峭以及计数和定时严格同步。

该方法在被测转速较低（相邻两个转速脉冲信号间隔时间较大）时，才有较高的测量精度，其