转速测量系统设计Word下载.docx
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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。
在测量范围和测量精度方面都有极大的提高。
常用的检测方法有机械式，光电式，霍尔式，频闪法，高压油管应变法等，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51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。
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主要内容
1.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。
定性地比较三种方法所针对的转速特征，分析高、中、低转速情况下各自的适用状况，从而，在保持一定的测量精度情况下，应用“M”法，说明转速测量原理。
2.根据单片机硬件系统的设计，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。
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“M”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，用汇编语言编制程序，包括主程序流程，转速计算程序，显示中断程序流程，同时并写出其具体程序。
第2章转速测量系统的总体方案
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转速测量框图
1．转速信号拾取
转速信号拾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）通过敏感元件拾取被测信号
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）通过传感器拾取信号
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）通过测量仪表拾取被测信号
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。
2．整形和倍频
前向通道中，从传感器输出的信号必须转换成单片机输入要求的信号，由于信号调节电路与传感器的选择，现场干扰程度等，都会影响信号的质量。
而脉冲信号的上升沿和下降沿对数字电路的触发尤为重要，若要将转速脉冲信号直接加到计数器或外部中断的输入端，并利用其上升沿来触发进行计数，则必须要求输入的信号有陡峭的上升沿或下降沿。
处理方法上可以用触发器电路来整形；
而倍频电路主要用于解决低转速时测量精度问题及码盘的刻度误差而造成的精度下降问题。
方法是在每转中增加脉冲的个数（码盘的线程数）来提高精度。
但在高转速时，由于脉冲个数的增加，限制了最高转速测量量程，这个问题可用单片机控制来动态处理解决，兼顾高低转速的测量精度。
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89C51单片机。
具体工作情况在后讨论。
4．驱动和显示
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。
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，设计出系统的原理框图、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、键盘电路等组成。
传感器部分采用UGN3144霍尔传感器，负责将被测量量的转速转化为脉冲信号。
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处理。
单片机采用STC89C51，显示器采用4个7段LED数码管动态显示，其系统框图如2-2所示。
其中整个系统的电源采用双电源供电，将继电器驱动电源与单片机及其周边电路电源完全隔离，利用光电耦合器传输信号。
这样做法虽然不如单电源方便灵活，但可将继电器工作所造成的干扰完全消除，进一步提高系统稳定性。
图2-2转速测量系统的总体框图
2.3软件设计思路
软件需要解决的是定时器0的记数和外部中断0的设定、由于测量的转速范围大，所以低速和高速都要考虑在内，关键在于一个四字节除三字节程序的实现。
显示部分、需要有一个二进制到十进制的转化程序，以及转换成非压缩BCD的程序后、才能进行调用查表程序送到显示。
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，定时器工作在内部定时，TH0、TL0设定初值为0，作为除数的低两字节，利用软件记数器、定时器0中断的次数作为除数高字节。
中断完毕读取内部记数值作为除数，调用除法程序计算转速，再对二进制数进行一系列变换后调用查表显示程序，显示在LED上。
转速部分软件设计思路：
STC89C51单片机的P3.2口接收传感器的信号。
主要编写一个外部中断服务程序INT0，读取记数值的三个字节，并再次清0记数初值以便下次的记数和计算。
调用两字节二进制-三字节十进制（BCD）转换子程序BCD，再调用十进制转换成非压缩BCD程序、最后调用查表程序送显示。
软件的具体设计我们将在下面的章节中作详细介绍。
第3章系统硬件设计
3.1转速测量原理
3.1.1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Xτ，则转速n可由下式表示：
n=
（3-1）
转轴转过的弧度数Xτ可用下式所示m1
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）。
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（码盘孔数已定情况下），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。
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。
用以采集数据的码盘，可以是单孔或多孔，对于单孔码盘测量两次脉冲间的时间，就可测出转述数据，TP也可以用时钟脉冲数来表示。
对于多孔码盘，其测量的时间只是每转的1/N，N为码盘孔数。
如图3-2“T”法脉宽测量所示。
TP通过定时器测得。
定时器对时基脉冲（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：
（3-4）
即：
（3-5）
fc-为硬件产生的基准时钟脉冲频率：
单位（Hz）；
m2-时基脉冲。
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。
测周法在低转速时精度较高，但随着转速的增加，精度变差，有小于一个脉冲的误差存在。
3.1.3测频测周法“M/T法”
所谓测频测周法，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，预定的测速时间时，单片机发出停止计数的指令，因为Tc不一定正好等于整数个脉冲发生器脉冲周期，所以，计数器仍对高频脉冲继续计数，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。
“M/T”法综合了“T”和“M”两种方法，转速计算如下：
设高频脉冲的频率为fc，脉冲发生器每转发出P个脉冲，由式（3-2）和（3-5）可得M/T法转速计算公式为：
（3-6）
n-转速值。
单位：
fc-晶体震荡频率：
m1-输入脉冲数，反映转角；
m2-时基脉冲数。
图3-3“M/T”法定时/计数测量
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。
3.2霍尔传感器的简介
3.2.1霍尔效应
1.简介
霍尔效应是磁电效应的一种，这一现象是霍尔（A.H.Hall，1855-1938）于1879年在研究金属的导电机构时发现的。
后来发现半导体、导电流体等也有这种效应，而半导体的霍尔效应比金属强得多，利用这现象制成的各种霍尔元件，广泛地应用于工业自动化技术、检测技术及信息处理等方面。
霍尔效应是研究半导体材料性能的基本方法。
通过霍尔效应实验测定的霍尔系数，能够判断半导体材料的导电类型、载流子浓度及载流子迁移率等重要参数。
流体中的霍尔效应是研究“磁流体发电”的理论基础。
2．霍尔效应
将一块半导体或导体材料，沿Z方向加以磁场B，沿X方向通以工作电流I，
则在Y方向产生出电动势VH，如图3-4所示，这现象称为霍尔效应。
VH称为霍尔电压。
（a）（b）
图3-4霍尔效应原理图
实验表明，在磁场不太强时，电位差VH与电流强度I和磁感应强度B成正比，与板的厚度d成反比，即
（3-7）
或
（3-8）
式（3-7）中RH称为霍尔系数，式（3-8）中KH称为霍尔元件的灵敏度，单位为mv/（mA·
T）。
产生霍尔效应的原因是形成电流的作定向运动的带电粒子即载流子（N型半导体中的载流子是带负电荷的电子，P型半导体中的载流子是带正电荷的空穴）在磁场中所受到的洛仑兹力作用而产生的。
如图3-4（a）所示，一块长为l、宽为b、厚为d的N型单晶薄片，置于沿Z轴方向的磁B中，在X轴方向通以电流I，则其中的载流子——电子所受到的洛仑兹力为
（3-9）
式中
为电子的漂移运动速度，其方向沿X轴的负方向。
e为电子的电荷量。
指向Y轴的负方向。
自由电子受力偏转的结果，向A侧面积聚，同时在B侧面上出现同数量的正电荷，在两侧面间形成一个沿Y轴负方向上的横向电场
（即霍尔电场），使运动电子受到一个沿Y轴正方向的电场力
，A、B面之间的电位差为
（即霍尔电压），则
（3-10）
将阻碍电荷的积聚，最后达稳定状态时有
即
得
（3-11）
此时B端电位高于A端电位。
若N型单晶中的电子浓度为n，则流过样片横截面的电流
I=nebdV
（3-12）
将（3.12）式代入（3.11）式得
（3-13）
式中
称为霍尔系数，它表示材料产生霍尔效应的本领大小；
称为霍尔元件的灵敏度，一般地说，KH愈大愈好，以便获得较大的霍尔电压VH。
因KH和载流子浓度n成反比，而半导体的载流子浓度远比金属的载流子浓度小，所以采用半导体材料作霍尔元件灵敏度较高。
又因KH和样品厚度d成反比，所以霍尔片都切得很薄，一般d≈0.2mm。
上面讨论的是N型半导体样品产生的霍尔效应，B侧面电位比A侧面高；
对于P型半导体样品，由于形成电流的载流子是带正电荷的空穴，与N型半导体的情况相反，A侧面积累正电荷，B侧面积累负电荷，如图3-4（b）所示，此时，A侧面电位比B侧面高。
由此可知，根据A、B两端电位的高低，就可以判断半导体材料的导电类型是P型还是N型。
由（3-13）式可知，如果霍尔元件的灵敏度RH已知，测得了控制电流I和产生的霍尔电压VH，则可测定霍尔元件所在处的磁感应强度为：
高斯计就是利用霍尔效应来测定磁感应强度B值的仪器。
它是选定霍尔元件，即KH已确定，保持控制电流I不变，则霍尔电压VH与被测磁感应强度B成正比。
如按照霍尔电压的大小，预先在仪器面板上标定出高斯刻度，则使用时由指针示值就可直接读出磁感应强度B值。
由（3-13）式知
因此将待测的厚度为d的半导体样品，放在均匀磁场中，通以控制电流I，测出霍尔电压VH，再用高斯计测出磁感应强度B值，就可测定样品的霍尔系数RH。
又因
（或
），故可以通过测定霍尔系数来确定半导体材料的载流子浓度n（或p）（n和p分别为电子浓度和空穴浓度）。
严格地说，在半导体中载流子的漂移运动速度并不完全相同，考虑到载流子速度的统计分布，并认为多数载流子的浓度与迁移率之积远大于少数载流子的浓度与迁移率之积，可得半导体霍尔系数的公式中还应引入一个霍尔因子rH，即
普通物理实验中常用N型Si、N型Ge、InSb和InAs等半导体材料的霍尔元件在室温下测量，霍尔因子
，所以：
式中，
库仑
3.2.2霍尔元件
霍尔元件是一种基于霍尔效应的磁传感器，已发展成一个品种多样的磁传感器产品族，并已得到广泛应用。
霍尔元件是一种磁传感器。
要他们可以检测磁场及其变化，可以在各种与磁场有关的场合中。
霍尔器件以霍尔效应为其工作基础。
霍尔器件具有许多优点，他们的结构牢固，体积小，重量轻，寿命长，安装方便，功耗小，频率高（可达1MHZ），耐震动，不怕灰尘、水汽及烟雾等污染或腐蚀。
霍尔线性器件的精度高、
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