小功率直流电机的测试系统设计中北大学.docx

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小功率直流电机的测试系统设计中北大学

一、设计内容与要求

在测量电动机的转速中，测量转速的方法分为模拟式和数字式两种。

模拟式采用测速发电机为检测元件，得到的信号是模拟量。

数字式通常采用光电编码器，霍尔元件等为检测元件，得到的信号是脉冲信号。

由于微型计算机迅速发展，特别是高性价比的单片机的出现，转速测量普遍采用以单片机为核心的数字式测量方法。

本次课程设计要求设计一个由计算机控制的直流电机测速系统，可以测量出直流电机的转速。

要求用光电编码器，实时监测电机的转速，监测范围为0~1000转/分，并在屏幕上面显示当前的转速。

本设计的优点是：

硬件电路简单，软件编译简单，测量速度快捷，整体价格低廉，电路功耗低等特点。

但由于在硬件系统中的测量误差与计算中不可避免的舍入误差，使得测量系统含有一定的误差。

二、系统设计方案及原理

1.传感器的选择：

通过查阅相关资料，了解到传感器的选择有两种方案，方案一是使用霍尔传感器等其他传感器；方案二是使用红外耦合器。

由于本次课程已经有明确要求，所以传感器选择光电编码器。

光电式旋转编码器是检测转速或转角的元件，旋转编码器与电动机相连，当电动机转动时，带动编码器旋转，产生转速或转角信号。

旋转编码器分绝对式和增量式两种。

绝对式编码器在码盘上分层刻上表示角度的二进制数码或是循环码，通过接收器把该数码送入计算机。

增量式编码器是在码盘上均匀地克制一定数量的光栅，当电动机旋转时，码盘随之一起转动。

通过光栅的作用。

通过光栅的作用，持续不断地开放或封闭光通路，因此在接受装置的输出端便得到频率与转速成正比的方波脉冲序列，从而可以计算出转速。

光电码盘的光栅数为N，则转速分辨率为1/N，常用的增量式光电码盘光栅数有1024、2048、4096等。

采用倍频电路，可以有效地提高转速分辨率，而不增加旋转码盘的光栅数。

本设计中采用增量式光电编码器，光栅数为1024，不适用倍频电路，即一倍频。

图1增量式光电码盘原理图

2.测速方法的选择：

光电编码器的测速方法有三种，M测速方法，T测速方法，M/T测速方法。

M测速方法：

在一定时间Tc内测取旋转编码器输出的脉冲数M1，用以计算这段时间内的转速。

适用于高速测速。

T测速方法：

测出旋转码盘两个输出脉冲之间的间隔时间来计算转速，又称周期测速法。

适用于低速段测速。

M/T测速方法：

是T测速方法与M测速方法的综合，分辨率高，适用范围大。

由于本次设计要求测速范围为0~1000转/分，所以选择M法测速。

3.最终的设计方案为：

将光电编码盘输出的0—5V方波脉冲序列，通过单片机的T0口引入，将T0设置为计数方式，将T1设置为计时方式，通过T1计数60s，把光电编码器在一分钟之内输出的脉冲数记在T0中，通过M法的公式计算出一分钟之内的转速

（Z为电动机每转一圈所产生的脉冲数，Z=倍频系数×编码光栅数，在本次课程设计中Z=1×1024=1024；M1为T

时间内测取旋转编码器输出的脉冲个数M1），转速将通过单片机计算出，再实时显示在数码管上。

流程图为：

三、系统组成简介

89C51单片机是整个测量系统的主要部分，负责接收光电编码器的脉冲信号，开始记录单片机内部脉冲数M，从而得出时间Tc，进而得出实时转速N。

在输送给数码管，让数码管动态显示实时转速。

单片机原理图如下，

89C51芯片内部有一个高增益反相放大器，用于构成振荡器。

反相放大器的输入端为XTAL1，输出端为XTAL2，两端跨接石英晶体及两个电容，构成稳定自振荡器。

电容C1和C2常取30pF，可稳定频率并对晶振有微调作用，频率为0～24MHz。

本设计使用6MHz的晶振。

原理图如下：

图589C51的片内振荡器

为89C51单片机设置一个上电自动复位的电路，即上电复位是在加电瞬间电容通过充电来实现的。

在测量出现较大偏差时，通过复位电路来恢复初始状态从新测速，校正单片机的测速。

其原理图如下，

89C51芯片内有两个16为定时器/计数器，即定时器0（T0）和定时器1（T1），由工作模式寄存器TMOD和控制寄存器TCON，工作原理如下：

图7工作模式寄存器TMOD

T0用于计数，初始值为零。

T1用于计时，将T1设置为模式1，作为一个16位的定时器，定时时间为60s，由于t=（2

-T0初值）×振荡周期×12，选用6MHZ晶振，让T0产生1s定时，循环60次，就能计时60s。

经过计算得初值为15536。

图8工作模式寄存器TCON

89C51的定时器有四种工作模式，模式表如下：

图9定时器工作模式

光电编码器的选型：

通过查阅网上光电编码器的产品，恒驱公司的产品，最终选定海德ISC3806瑞普ZSP3806旋转编码器2500脉冲光电编码器测速码盘

产品参数为：

四、系统硬件设计

硬件缺陷：

由于proteus软件中并没有光电编码器，电机测速之类的相关硬件也并没有做出实物连接，所以数码管并没有实时显示电机的转速，要是做出实物图连接的话，应该能实时显示。

五、系统软件设计

#defineucharunsignedchar

#defineuintunsignedint

sbitdula=P2^6;

sbitwela=P2^7;

ucharcodetable[]={0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f};

voiddeplayms（uint）

voiddisplay（uchar,uchar）

ucharn,num,num1,num2,ge,shi,bai,qian;

voidmain（）

{

TMOD=0x15;

TH0=TL0=0;

TH1=（65536-15536）/256;

TL1=（65536-15536）%256;

EA=1;

ET1=1;

TR1=1;

while

（1）

{

display（qian,bai,shi,ge）;

}

}

显示程序如下：

vioddispaly（ucharqian,ucharbai,ucharshi,ucharge）

{

dula=1;

P0=table[qian];

dula=0;

P0=0xff;

wela=1;

P0=0xfe;

wela=0;

delayms（5）;

dula=1;

P0=table[bai];

dula=0;

P0=0xff;

wela=1;

P0=0xfd;

wela=0;

delayms（5）;

dula=1;

P0=table[shi];

dula=0;

P0=0xff;

wela=1;

P0=0xfb;

wela=0;

delayms（5）;

dula=1;

P0=table[ge];

dula=0;

P0=0xff;

wela=1;

P0=0xf7;

wela=0;

delayms（5）;

}

延迟程序如下：

voiddelayms（uintxms）

{

uinti,j;

for（i=xms;i>0;i--）

for（j=110;j>0;j--）

}

T1定时器中断程序

voidT1-time（）interrupt

{

TH1=（65536-15536）/256;

TL1=（65536-15536）%236;

num2++;

if（num2==60）

{

n=T0/1024;

qian=n/1000;

bai=（n-1000*qian）/100;

shi=（n-1000*qian-100*bai）/10;

ge=n%10;

}

}

设计心得

经过忙碌而又紧张的课程设计，终于完成了电机转速检测系统设计的设计报告。

几周的设计，不单单加深、巩固了单片机与计算机控制技术所学的知识，特别是与定时器/计数器有关的知识；我更是深刻的的明白了一个道理——那就是理论与实践之间的巨大差距。

也许这就是所谓的“理想很丰满，现实很骨感。

”

在课堂上，我们仅仅是了解了一些单片机的基本知识，对于光电码盘与定时器/计数器，循环计时，也只是通过一些数课本例题而得之，在实际的设计应用应该考虑到很多问题中，特别是在方案的选定中，考虑到很多实际问题。

在proteus软件上做仿真时，常会出现各种错误，如元器件的选择，封装号等，只能不断地上网查资料，这是平时学习时根本没有注重到的地方。

但是从另一个侧面讲，运用自己所学的知识，通过自己上网和去图书馆查资料，设计系统方案，编写程序，与同学讨论，向老师请教来独立完成一个课题，完成一个实验，做好一项任务，对我们的学习，成长是大有裨益的，有利于我们的长于发展。

这种独立自主的实验设计对我们来说是一种锻炼，一种磨砺；一种从课内知识到课外实际应用的转化与迁移；更一种综合运用知识的能力，体会了学以致用，培养我们如何了解、把握一件事情，如何完成、做好一件事情的契机。

课程设计，让我体会到了探索知识的渴望，使我感受到了解决问题的艰辛。

令欣享到了自己劳动成果的喜悦。

但是我更是明白了自己现有知识的局限性，创新、开拓能力的不足。

在接下来的学习与生活中，自己一定要善于总结所学过的知识，活学活用，在毕业设计中将四年所学的内容都展示出来。

参考文献：

《计算机控制技术》张艳兵国防工业出版社

《计算机控制技术》顾德英北京邮电大学出版社有限公司

《单片机原理及应用》杨文龙西安电子科技大学出版社

《C51单片机及应用系统设计》徐煜明电子工业出版社

《单片机C语言程序设计实训100例，基于8051+Proteus仿真》彭伟电子工业出版社

《单片机原理及应用系统设计》卫晓娟机械工业出版社

《单片机系统设计仿真与开发技术》王春阳国防工业出版社

《单片机原理及应用（第2版）》蔡振江索雪松电子工业出版社

《计算机控制技术》胡家华哈尔滨工业大学出版社

《微型计算机控制技术》潘新明王燕芳电子工业出版社

《单片机原理与应用》刘云朋邢文生王浩天津大学出版社

《微型计算机控制技术》徐安电子工业出版社

《计算机控制技术实用教程》袁牧电子工业出版社

《C51单片机及应用系统设计》徐煜明电子工业出版社

《计算机控制技术》温希东西安电子科技大学出版社

来自网络的资料：

《光电编码器基础》

《光电编码器基础工作原理》

《基于单片机的增量式光电编码器接口的设计》

《光电编码器结构与工作原理》