基于单片机的电机转速测量系统设计Word格式文档下载.docx
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摘要……I
AbstractII
第1章绪论
1.1课题背景
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，本课题的目的是：
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。
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。
1.2国内外发展水平
数字单片机的技术进步反映在内部结构、功率消耗、外部电压等级以及制造工艺上。
在这几方面，较为典型地说明了数字单片机的水平。
在目前，用户对单片机的需要越来越多，但是，要求也越来越高。
下面分别就这四个方面说明单片机的技术进步状况。
单片机在内部已集成了越来越多的部件，这些部件包括一般常用的电路，例如：
定时器，比较器，A/D转换器，D/A转换器，串行通信接口，Watchdog电路，LCD控制器等。
有的单片机为了构成控制网络或形成局部网，内部含有局部网络控制模块CAN。
例如，Infineon公司的C505C，C515C，C167CR，C167CS-32FM，81C90；
Motorola公司的68HC08AZ系列等。
特别是在单片机C167CS-32FM中，内部还含有2个CAN。
因此，这类单片机十分容易构成网络。
特别是在控制，系统较为复杂时，构成一个控制网络十分有用。
为了能在变频控制中方便使用单片机，形成最具经济效益的嵌入式控制系统。
有的单片机内部设置了专门用于变频控制的脉宽调制控制电路，这些单片机有Fujitsu公司的MB89850系列、MB89860系列；
Motorola公司的MC68HC08MR16、MR24等。
在这些单片机中，脉宽调制电路有6个通道输出，可产生三相脉宽调制交流电压，并内部含死区控制等功能。
1.3单片机测控系统
单片机可以构成各种工业控制系统、适应控制系统、数据采集系统等。
在这个领域中，有不少是采用通用CPU单板机或通用计算机系统。
随着单片机技术的发展，大部分都可以用单片机系统或单片机加通用机系统来代替。
如气轮机电液调节系统、调速系统等。
典型的应用系统是单片机要完成工业测控功能所必须具备的硬件结构系统，它包括系统扩展和系统配置两部分内容。
应用系统如图1-1所示，整个系统由基本部分和测控增强部分及外设增强部分构成。
基本部分是外围芯片的扩展及功能键盘、显示器配置，通过总线连接而成，测控增强部分主要是传感器接口与伺服驱动控制接口。
它们直接与工业现场相连，是干扰进入的主要通道，一般要采取隔离措施对于数字量（频率、周期、相位、计数）的采集后可通过I/O口输入，数字脉冲可直接作为计数输入、测试输入、I/O口输入或中断源输入进行事件计数、定时计数、实现脉冲的频率、相位及计数测量。
对于模拟量的采集，则应。
图1-1单片机典型应用系统
通过A/D变换后送入总线口，I/O口或扩展I/O口，并配以相应的A/D转换控制信号及地址线。
对于开关量的采集则一般通过I/O口或扩展I/O口线。
应用系统可根据任何一种输入条件或内部运行结果进行输出控制。
开关量输出控制有时序开关、逻辑开关、信号开关阵列等，通常，这些开关量也是通过I/O口或扩展I/O口输出。
模拟量的输出常为伺服驱动控制，控制输出通过D/A变换后送入伺服驱动电路。
1.4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。
下面列举二例加以说明。
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1000～4000Ｈｚ，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太。
道统损耗小，装置效率高；
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。
转速测量部分
本测量系统采用89C51单片机控制，利用霍尔元件由转速产生的脉冲，对转速进行测量，原理框图如图1-2所示。
转速由单片机的P0口输出，同时当电机转速超过设定值时，通过单片机的Ｐ1口输出信号，驱动响铃报警。
性能特点：
1．89C51配合晶体管的双极式可逆PWM变换器构成直流电机驱动系统，可获得高性能的调速性能指标；
2．直流电机驱动系统结构简单，省去了复杂的换流装置，因此体积小，成本低，加之采用硬软件结合的微机控制方式，提高了系统的可靠性和抗干扰性。
图1-2调速系统中的转速测量框图
3．转速测量系统采用软件实现，动态显示容易，超限报警方便，提高了系统的灵活性。
4．由变换器构成直流电机驱动系统，可有效克服以往的直流调速中的谐波大、功率因数低的问题，是一种节能的调速方案。
1.5几种常见的转速测量方法
转速测量的方法有很多，根据工作原理可分为计数式、模拟式、同步式。
计数式方法是用某种方式读出一定时间内的总转数；
模拟式方法是测出由瞬时转速引起的某种物理量的变化；
同步式是用利用已知的频率与旋转体的旋转同步来测量转速，根据不同的转换方式，测试方法参看表1-1所示。
一般的转速测试可用机械式转速表、发电机式转速表以及频闪式测速表，但在有些情况下，其测量精度，瞬时稳定度不能满足更高的要求，因此，在测量方法和传感器的选择上显得尤为重要。
常用的传感器种类有光电传感器、电磁式传感器、电容式传感器等，而测量方法上有测量转速周期、转速频率等。
如表1-1所示
表1-1各种测速方法比较
就转速测量原理而言，大体可分为三大类，一是用单位时间内测得物体的旋转角度来计算速度，例如在单位时间内，累计转速传感器发出的N个脉冲，即为该单位时间的速度。
这种以测量频率来实现测量转速的方法，称测频法。
即“M”法；
另一类是在给定的角位移距离内，通过测量这一角位移的时间来进行测速的方法，称测周法，即“T”法，如给定的角位移
，传感器便发出一个电脉冲周期，以晶体震荡频率而产生的标准脉冲来度量这一周期时间，再经换算可得转速。
这两种测速方法各有优缺点，“M”法一般用于高速测量在转速较低时，测量误差较大，而且，检测装置对转速分辨能力也变差；
而“T”法一般用于低速测量，速度越低测量精度越高，但在测量高转速时，误差较大；
结合这两种测量方法就可以地出第三种测量方法，即‘M/T’法结合这两种方法的优点，一方面象“M”法那样在对传感器发出的脉冲计数的同时，也象“T”法那样计取脉冲的时间，通过计算即可得出转速值。
在实际测量中，还须设定定时时间，兼顾高、低转速时的精度影响，适时调节采样时间。
1.6主要内容
第2章硬件电路设计
2.1系统总体功能概述
系统主要实现功能是:
AT89C51单片机接收霍尔传感器传来的脉冲信号,单片机根据外部中断,以及内部定时器进行记数计算出电机转速送到LED显示，同时数据传给PC机,并在PC机屏幕上显示出来。
记录各时段的转速，画出V-T坐标图。
系统主要完成以下功能：
测量系统：
1.设计并制作单片机的转速测量的硬件系统；
2.用汇编语言完成转速测量的软件系统；
3.要求把转速显示在5位LED上，精度为0.1%；
4.能向上位机发送数据；
5.用9针RS-232即可；
通信部分：
1.在微机部分采用VisualBasic编制RS—232通信软件；
2.通信软件具有数据接受编辑框；
3.通信软件要适时对数据的记录，用时间曲线表示；
根据系统要实现的功能以及要求，要实现单片机的转速测量主要是各个模块的设计，定时器记数功能、以及LED驱动、电平转换及PC机之间的通信。
单片机可通过编程控制外围部件，能实现较高的自动化程度。
以它为系统核心的控制模块可实现主从控制，完成预定的任务。
系统要求及主要内容：
将霍尔传感器产生的脉冲信号输出入到单片机的外部中断0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，同时通过串口向上位机发送转速数据。
主要内容：
1.单片机部分主要完成电机转速的测量
2.LED部分主要是把转速显示出来，显示范围60-36000r/min
3.发送部分主要是完成电平转换，送RS-232向PC发送数据。
4.PC机部分主要完成将数据显示在界面并描绘出V-T图。
系统组成及框图：
本系统通信部分是单片机经电平转换电路HIN232CP之后，通过串口RS-232发送数据，由PC微机接收，微机部分用VisualBasic软件编写的界面作为PC机部分与单片机进行串口之间通信。
传感器电路、转速测量、LED显示、电平转换电路设计等将在以下章节作详细地设计。
单片机
AT89C51
电平转换
电路
驱动电路
LED显示
送PC机界面
图2-1系统硬件电路
2.2硬件电路设计
硬件设计的任务是根据总体设计要求，在选择的机型的基础上，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。
89C51单片机通过INT0输入传感器的脉冲信号，P0口P2口接LED动态显示。
另由于PC系列微机串行口为RS232C标准接口，与输入、输出均为TTL电平的89C51单片机在接口规范上不一致，因此TTL电平到RS－232接口电平的转换采用HIN232CP接口芯片，该芯片可以用单电压（+5V）实现RS232接口逻辑“1”（-3V～-15V）和逻辑“0”（+3V～+15V）的电平转换。
转速测量部分的硬件设计思路：
本次设计单片机部分的硬件框图如图2-2所示。
显示电路
发送电路
CPU
执行单元
时钟电路
复位电路
图2-2单片机部分硬件框图
2.3单片机模块
根据系统功能要求以及单片机硬件电路设计思路（如图2-2）对单片机模块进行设计，要使单片机准确的测量电机转速，并且使测出的数据能显示出来，所以整个单片机部分分为传感器电路、时钟电路、复位电路、执行元件以及显示电路五个部分。
2.3.1处理执行元件
单片机我们采用AT89C51（其引脚图如图2-3），相较于INTEL公司的8051它本身带有一定的优点。
AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存贮器（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，AT89C单片机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。
图2-3AT89C51引脚图
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
管脚说明：
1.VCC：
供电电压；
2.GND：
接地；
3.P0口：
P0口为一个8位漏极开路双向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；
4.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。
5.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；
6.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，如下表2-1所示：
表2-1P3口的第二功能
引脚
第二功能
信号名称
P3.0
P3.1
P3.2
P3.3
P3.4
P3.5
P3.6
P3.7
RXD
TXD
INT0
INT1
T0
T1
WR
RD
串行数据接收
串行数据发送
外部中断0请求
外部中断1请求
定时器/计数器0计数输入
定时器/计数器1计数输入
外部RAM写选通
外部RAM读选通
7.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。
8.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；
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./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）；
11.XTAL1：
反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。
12.XTAL2：
来自反向振荡器的输出。
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。
石英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。
芯片擦除：
整个PEROM阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合，并保持ALE管脚处于低电平10ms来完成。
在芯片擦操作中，代码阵列全被写“1”且在任何非空存储字节被重复编程以前，该操作必须被执行。
此外，AT89C51设有稳态逻辑，可以在低到零频率的条件下静态逻辑，支持两种软件可选的掉电模式。
在闲置模式下，CPU停止工作。
但RAM，定时器，计数器，串口和中断系统仍在工作。
在掉电模式下，保存RAM的内容并且冻结振荡器，禁止所用其他芯片功能，直到下一个硬件复位为止。
2.3.2时钟电路
时钟电路是计算机的心脏，它控制着计算机的工作节奏。
MCS-51单片机允许的时钟频率是因型号而异的典型值为12MHZ。
MCS-51内部都有一个反相放大器，XTAL1、XTAL2分别为反相放大器输入和输出端，外接定时反馈元件以后就组成振荡器，产生时钟送至单片机内部的各个部件。
AT89C51是属于CMOS8位微处理器，它的时钟电路在结构上有别于NMOS型的单片机。
CMOS型单片机内部（如AT89C51）有一个可控的负反馈反相放大器，外接晶振（或陶瓷谐振器）和电容组成振荡器，图2-4为CMOS型单片机时钟电路框图。
振荡器工作受/PD端控制，由软件置“1”PD（即特殊功能寄存器PCON.1）使/PD＝0，振荡器停止工作，整个单片机也就停止工作，以达到节电目的。
清“0”PD，使振荡器工作产生时钟，单片机便正常运行。
图中SYS为晶振或陶瓷谐振器，振荡器产生的时钟频率主要由SYS参数确定（晶振上标明的频率）。
电容C1和C2的作用有两个：
其一是使振荡器起振，其二是对振荡器的频率f起微调作用（C1、
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