基于C51单片机直流电机测速仪设计Word文档格式.docx

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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。

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