基于单片机的简易转速测量系统设计Word下载.docx
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Inengineeringpractice,weencounteravarietyofoccasionsfrequently,whichneedtomeasurethespeed.Andthemethodsofmeasuringspeedaremainlyincludinganaloganddigital.Intheanalogmeans,thetachometergeneratorisusedasthedetectingcomponenttogetanalogsignal,whiletheopticalencoderortheHallelementtogetpulsesignalsinthedigitalmeans.
Inthispaper,asimpleDCmotorspeedmeasurementsystemisdesigned,whichismainlymadeupoftheHallsensor,AT89S52SCM,displayer,keyboardcircuitandalarmcircuit.AT89S52SCMisthecoreofthemeasurementsystem.Using"
M"
velocimetryprinciple,weusetheHallsensortomeasurethespeed,4-bitLEDtoshowthespeedandkeyboardtosettheswitchtocontrolthreshold.Andthealarmfunctionisalsorealizedwhenspeedishigherthantheupperlimitorbelowthelowerlimit.Thedesignedsystemissimpleandhasthecharacteristicsoffastmeasuringandhighreliability.
Keywords:
AT89S52SCM;
Speed;
HallSensors
1引言
1.1课题的开发背景和意义
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其功能强大，价格低廉的显著特点，使全数字化测量转速系统得以广泛应用。
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[1]。
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，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[2]。
在测量范围和测量精度方面都有极大的提高。
目前，在数字系统中测速装置主要分为两类。
一类是把测速机的模拟输出信号经A/D变换为数字量，然后输入到计算机中[3]，这是一种比较成熟的测速方法。
其优点是响应速度快，时间延迟小，其缺点是灵敏度低，寿命短，而且必须安装测速机。
此外速度分辨力和量化误差受到A/D转换芯片的位数限制。
例如一个n位的A/D转换芯片，考虑到正负转向，其最大测速比为：
D=2n-1，如果系统要求的最高转速为Vmax，则系统的最高分辨率为Vmax/D=Vmax/2n-1。
另一类方法是直接采用数字测速。
随着数字测速的完善和发展，在速度回路中用它来代替直流测速机，不但可提高测速精度，扩大测速范围，还可大大简化系统体积结构，这对设计高精度、高分辨率、小型化的测速系统显得尤为重要。
数字测速是多种多样的，有脉冲测速机，光栅盘等。
在控制系统中，根据脉冲计数来测量转速的方法有下列几种：
M法、T法以及后来发展的M/T法[4]。
各种方法有其各自的优点及其具体的适用与范围。
本课题主要是针对转速测量系统的硬件和软件系统的设计，运用52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。
同时从实际硬件电路出发，分析电路的工作原理，根据设计具体情况提出修改方案和解决办法。
本课题以单片机为核心，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。
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，因而可以很方便的和工业控制机进行连接，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就能直接作为单独的产品使用。
总之，转速测量系统的研究是一件非常有意义的课题。
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，测量仪表的型式也多种多样，其使用条件和测量精度也各不相同。
根据转速测量的工作方式可分为两大类：
接触式转速测量仪表与非接触式转速测量仪表。
前者在使用时必须与被测转轴直接接触，如离心式转速表、磁性转速表与测速发电机等；
后者在使用时不需要与被测转轴接触,如光电式转速表、电子数字式转速表、闪光测速仪等。
测量发动机转速的传统方法是使用光
电式转速表测量。
用这种方法测量时,既要在发动机转动轴上粘贴光标纸，又要求测量人员把转速表与光标纸的距离控制在很近的范围,测量十分不方便。
随着科学技术的迅速发展,转速测量仪表已步入现代化、电子化的行列。
过去曾经使用过的接触式测量仪表,如离心式转速表、磁性转速表、微型发电机转速表及钟表是定时转速表，均已先后受到冷落；
而利用已知频率的闪光与被测轴转速同步的方法来测速的闪光测速仪，虽属非接触式仪表，目前仍有应用,但也退居次要地位。
代之而起的是非接触式的电子与数字化的测速仪表。
这类转速仪表大多具有体积小、重量轻、读数准确、使用方便等优点，容易实现电脑荧屏显示和打印输出，能够连续的反映转速变化，既能测定发动机稳定情况下的平均转速,也能够用来在足够小的时间间隔这一特定条件下测定发动机的瞬时转速。
目前在国外使用饨机械式转速表的用户也越来越少，并呈现将被电子计数式转速表逐渐取代的趋势，转速测量范围一般为几十转到几万转，测量精确度大多为0.1%以下，极少数产品能达0.05%。
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。
1.3课题任务
将霍尔传感器[5]产生的脉冲信号输出到单片机的外部中断口，单片机工作在内部定时器工作方式0，对周期信号进行内部记数，调用计算公式算出转速，调用显示程序显示在LED上，并设置报警措施。
详细分析转速的测量理论，对转速的周期测量法“T”法、频率测量法“M”法以及周期频率“M/T”测量法，三种具体测量方法的转速计算、各自的测量精度和误差进行阐述。
根据单片机硬件系统[7]的设计，构建软件系统，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。
根据系统要求设置各控制字，用C语言编制程序，包括主程序流程，转速显示程序，中断程序流程，同时并写出其具体程序。
转速测量的方法选择，霍尔传感器的选择是转速测量系统设计的重要部分，是整个系统设计的基础[5]。
2转速测量系统的总体方案
本章介绍了转速测量系统总体方案。
2.1转速测量的一般方法
一般转速测量系统有以下几个部分构成，转速测量框图如图2-1所示。
图2-1一般转速测量系统总体框图
1.直流电机
整个系统包括转速信号的提取，单片机，键盘等都是用来测量直流电机的转速的，并用来显示转速[4]。
2．转速信号提取
转速信号提取是整个系统的前端通道，目的是将外界的非电参量，通过一定方式转换成电量，这一环节可以通过敏感元件、传感器或测量仪表等来实现。
方法如下：
（1）通过敏感元件提取被测信号
敏感元件体积小，可以根据用户及环境要求做成各矛头形状的探头，它能将被测的物理量变换成电流、电压，只要选择合适的元件参数。
如R、L、C设计相应的电路，便能完成这种对应关系。
这种方法设计难度大，信号稳定度差，在模拟处理系统中不宜采用。
（2）通过传感器提取信号
由专业人员将敏感元件和相应的测量电路、传递机构以适当的形式制成不同类型、不同用处的传感器，根据原理输出电量。
该电量可以是模拟量或数字量，现代传感器还可以输出开关量，用于数字逻辑电路。
（3）通过测量仪表提取被测信号
目前有许多测量仪表用于各种测量中，有大信号输出、有BCD码输出等，但价格昂贵，专业性强，一般不适合通用系统。
通用的转速测量系统大都采用一种俗称“码盘”的传感装置，将圆形的码盘固定在转轴上，码盘上有若干规则排列的小孔，用光电偶来输出电信号，以反映转速对应关系，即是将转轴的速度以脉冲形式反映出来，通常有两种形式：
（1）模拟量量化后经A/D转换，由数字量反映角度，供单片机计算处理，得出转速。
（2）直接由脉冲来反应转轴的角度，用每转产生的脉冲经单片机处理得出转速。
3．单片机
单片机是整个测量系统的主要部分，担负对前端脉冲信号的处理、计算、以及信号的同步，计时等任务，其次，将测量的数据经计算后，将得到的转速值传送到显示接口中，用数码管显示数值。
在本系统中考虑到计数的范围、使用的定时，计数器的个数及I/O口线，预选用AT89S52单片机。
具体工作情况在后讨论。
4．显示[7]
由于LED数码管具有亮度高、可靠性好等特点，工业测控系统中常用LED数码管作为显示输出。
本系统也采用数码管作显示。
LED显示器是用发光二极管显示字段的，通常使用七段构成“日”字型和一只发光二极管作为小数点，称八段数码显示器。
其有两种驱动方式，共阴驱动和共阳驱动，共阴驱动是各段发光二极管的阴极连在一起，并将公共端接地，在共阳结构中，将各段发光二极管阳极连在一起，并将公共端接上+5V电源，显示字符对应字型代码发光。
5.键盘
一般通过键盘控制整个转速测量系统的运转情况。
通过控制按键1，控制转速的上下限选择，再通过控制按键2,按键3控制上下限的调整，已达到理想的转速阈值。
2.2硬件设计总体方案
硬件设计的任务是根据总体设计要求，在系统工作原理的基础上，具体确定系统中所要使用的元器件，设计出系统的电路原理图。
转速是工程中应用非常广泛的一个参数，早期模拟量的模拟处理一直是作为转速测量的主要方法，这种测量方法在测量范围和测量精度上，已不能适应现代科技发展的要求。
而随着大规模及超大规模集成电路技术的发展，数字测量系统得到普遍应用，利用单片机对脉冲数字信号的强大处理能力，应用全数字化的结构，使数字测量系统的越来越普及,在测量范围和测量精度方面都有极大的提高。
在本转速测量系统由霍尔传感器、单片机和显示器、键盘电路、报警电路等组成。
传感器部分采用UGN3144霍尔传感器，负责将被测量的转速转化为脉冲信号[5,6]。
因为采用的是集成霍尔开关元件，输出的是数字信号，可以直接把脉冲信号送入单片机进行数据处理。
单片机采用AT89S52，显示器采用4位8段LED数码管动态显示，采用共阳极驱动方式，键盘采用独立式手动按钮，报警器采用蜂鸣器，当转速超过或低于一定值，蜂鸣器发声，报警，阈值可通过键盘按钮控制，其硬件系统框图如2-2所示。
图2-2转速测量硬件系统的框图
2.3软件设计思路
软件设计需根据硬件电路的模块分别进行编写：
速度数据采集，按键函数，初始化函数，主函数。
软件需要解决的是定时器0的记数，外部中断0的设定，数据的计算及显示。
软件工作流程：
霍尔传感器利用磁电效应产生一周期脉冲向单片机的外部中断0（P3.2）口发送一个中断信号，记录中断次数，定时器工作在内部定时，TH0、TL0设定初值，定时器每0.5秒刷新一次，将数据处理后显示在LED上。
3系统硬件设计
本章将详细介绍系统的硬件设计方法：
转速测量的原理，分为三种方法，测频率法，测周期法，测频率周期法；
单片机的选型及系统各个模块的功能及原理：
传感器电路，时钟电路，复位电路，显示电路，报警电路，按键电路。
3.1转速测量原理[4]
3.1.1测频法“M法”
在一定测量时间T内，测量传感器产生的脉冲数m1来测量转速，如图3-1“M”法测量转速脉冲所示，设在时间T内，转轴转过的弧度数为X，则转速n可由下式表示：
n=
（3-1）
转轴转过的弧度数X可用下式所示
X
（3-2）
图3-1“M”法测量转速脉冲
将（3-2）式代入（3-1）式得转速n的表达式为：
n=
（3-3）
P-为转轴转一周脉冲发生器产生的脉冲数；
n-转速单位：
（转/分）；
T-定时时间单位：
（秒）；
m1-测量脉冲数。
在该方法中，测量精度是由于定时时间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，可能产生的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情况预先设置。
设置的时间过长，可以提高精度，但在转速较快的情况下，所计的脉冲数增大，限制了转速测量的量程。
而设置的时间过短，测量精度会受到一定的影响。
转速实际值和测量值之差
n与实际值n之比定义为测速误差率[13]，记作
δ
×
100%（3-4）
测量误差率反映了测速方法的准确性，δ越小，准确度越高。
测速误差率的大小决定于测速元件的制造精度，并与测速方法有关。
因此，M法测速误差率的最大值为
δmax
100%=
100%（3-5）
由（3-5）式可知，δmax与m1成反比，即转速越低，m1值越小，误差率越大，精度越低。
分辨率是用来衡量一种测速方法对被测转速变化的分辨能力的，在数字测速方法中，用改变一个计数字所对应的转速变化量来表示分辨率，用Q表示。
如果当被测转速由n1变成n2时，引起计数值改变了一个字，则该测速方法的分辨率是
Q=n2-n1（3-6）
Q越小，说明该测速方法的分辨能力越强。
在M法中，当计数值由m1变成m1+1时，按（3-3）式，相应的转速由60m1/TP变成60（m1+1）/TP,则M法测速分辨率为
Q=
（3-7）
可见，M法测速的分辨率与实际转速的大小无关。
从（3-7）式还可看出，要提高分辨率（即减小Q），必须增大P或T。
但在实际应用中，两者都受到限制，增大P受到传感器制造工艺的限制，增大T势必使采样周期变长。
3.1.2测周期法“T法”
转速可以用两脉冲产生的间隔宽度TP来决定，TP也可以用时钟脉冲数来表示。
用一已知频率为fc的高频时钟脉冲向一计数器发送脉冲数，此计数器由测速脉冲的两个相邻脉冲控制其起始和终止。
如图3-2“T”法脉宽测量所示。
TP通过定时器测得，定时器对时钟脉冲（频率为fc）进行计数定时，在TP内计数值若为m2，则计算公式为：
TP=
（3-8）
即：
（3-9）
fc-为硬件产生的时钟脉冲频率：
单位（Hz）；
m2-时钟脉冲数。
图3-2“T”法脉宽测量
由“T”法脉宽测量可知“T”法测量精度的误差主要有两个方面，一是两脉冲的上升沿触发时间不一致而产生的；
二是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）陡峭和计数和定时严格同步。
测周期法在低转速时精度较高，但随着转速的增加，精度变差，有一个脉冲的误差存在。
因此T法测速误差率的最大值为
δmax
100%（3-10）
在低速时，传感器与相邻脉冲间隔时间长，测得的高频时钟脉冲个数m2多，所以误差率小，测速精度高，故T法测速适用于低速段。
分辨率：
为了使结果得到正值，T法测速的分辨率定义为时钟脉冲个数由m2变成m2-1时转速的变化量，于是
（3-11）
综合（3-9）式和上式，可得
（3-12）
由（3-12）式可以看出，T法测速的分辨率与转速高低有关，转速越低，Q值越小，分辨能力越强。
这也说明，T法更适用于测量低速。
3.1.3测频测周法“M/T法”
所谓测频率测周期法，即是综合了“T”法和“M”法分别对高、低转速具有的不同精度，利用各自的优点而产生的方法，精度位于两者之间，如图3-3“M/T”法定时/计数测量所示。
“M/T”法采用三个定时/计数器，同时对输入脉冲、高频脉冲（由振荡器产生）、及预设的定时时间进行定时和计数，m1反映转角，m2反映测速的准确时间，通过计算可得转速值n。
该法在高速及低速时都具有相对较高的精度。
测速时间Td由脉冲发生器脉冲来同步，即Td等于m1个脉冲周期。
由图3-3可见，从a点开始，计数器对m1和m2计数，到达b点，预定的测速时间Tc时，用Tc以后的第一个测速脉冲去终止时钟脉冲计数器，到达c点时，脉冲发生器脉冲的上升沿使计数器停止，这样，m2就代表了m1个脉冲周期的时间，即为检测时间Td。
“M/T”法综合了“T”和“M”两种方法，转速计算如下：
设电机在Td（s）时间内转过的角度位移为X（rad），则其实际转速值为
（3-13）
设高频脉冲的频率为fc，脉冲发生器每转发出P个脉冲，在Td时间内，计数值m1，则角位移X为X=2πm1/P。
同时考虑在检测时间内，由高频脉冲来定时，且计数值为m2，则检测时间可表示为Td=m2/fc，可得M/T法转速计算公式为：
（3-14）
n-转速值：
单位：
fc-晶体振荡频率：
m1-输入脉冲数，反映转角；
m2-高频脉冲数，反应时间。
图3-3“M/T”法定时/计数测量
M/T法测速误差率：
低速时M/T法趋向于T法，在高速段M/T法相当于T法的m1次平均，而在m1次中最多产生一个高频时钟脉冲的误差。
因此，M/T法测速可在较宽的转速范围内，具有较高的测速精度。
M/T法测速的分辨率：
M/T法测速在高速段与M法相近，在低速段与T法相近，所以兼有M法和T法的特点，在高速和低速都具有较强的分辨能力。
3.1.4转速测量系统中应用的方法
通过上面的分析可知，M法适合于高速测量，当转速越低，产生的误差会越大。
T法适合于低速测量，转速增高，误差增大。
M/T这种转速测量方法的相对误差与转速n无关，只与晶体振荡产生的脉冲有关，故可适合各种转速下的测量。
保证其测量精度的途径是增大定时时间T或提高时基脉冲的频率fc。
因此，在实际操作时往往采用一种称变M/T的测量方法，即所谓变M/T法，在M/T法的基础上，让测量时间Tc始终等于转速输入脉冲信号的周期之和。
并根据第一次的所测转速及时调整预测时间Tc，兼顾高低转速时的测量精度。
基于M法测量速度，电路和程序均较为简单，且可以在一定的条件下满足精度的要求，所以本设计中采用M法进行测量。
3.2AT89S52单片机的简介
AT89S52为ATMEL所生产的一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flsah存储器[7]。
（一）AT89S52主要功能列举如下：
1、拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash
2、晶片内部具时钟振荡器（传统最高工作频率可至12MHz）
3、内部程序存储器（ROM）为8KB
4、内部数据存储器（RAM）为256字节
5、32个可编程I/O口线
6、8个中断向量源
7、三个16位定时器/计数器
8、三级加密程序存储器
9、全双工UART串行通道
（二）AT89S52各引脚功能
单片机引脚图如图3-4所示：
1、VCC
AT89S52电源正端输入，接+5V。
2、GND
电源地端。
3、XTAL1
系统时钟的反相放大器输入端。
4、XTAL2
系统时钟的反相放大器输出端。
5、RESET
AT89S52的重置引脚，高电平动作。
图3-4单片机引脚图
6、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。
7、/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。
当/EA端保持高电平时，访问内部程序存储器，但在PC（程序计数器）值超过片内程序存储器容量（52系列为8KB）时，将自动转向执行外部程序存储器。
在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。
8、ALE/PROG
ALE是英文"
AddressLatchEnable"
的缩写，表示地址锁存器启用信号。
AT89S52可以利用这支引脚来触发外部的8位锁存器（如74LS373），将端口0的地址总线（A0～A7）锁进锁存器中，因为AT89S52是以多工的方式送出地址及数据。
平时在程序执行时ALE引脚的输出频率约是系统工作频率的1/6，因此可以用来驱动其他周边晶片的时基输入。
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、PORT0（P0.0～P0.7）
端口0是一个双向输出入端口，共有8个位，P0.0表示位0，P0.1表示位1，依此类推。
其他三个I/O端口（P1、P2、P3）则不具有此电路组态，而是内部有一提升电路，P0在当做I/O用时可以推动8个LS的TTL负载。
如果当EA引脚为低电平时（即取用外部程序代码或数据存储器），P0就以多工方式提供地址总线（A0～A7）及数据总线（D0～D7）。
设计者必须外加一锁存器将端口0送出的地址栓锁住成为A0～A7，再配合端口2
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