基于单片机的电机转速测量仪表设计.docx

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基于单片机的电机转速测量仪表设计

学号：

常州大学

毕业设计（论文）

（2012届）

题目

学生

学院专业班级

校内指导教师专业技术职务

校外指导老师专业技术职务

二○一二年六月

基于单片机的电机转速测量仪表设计

摘要：

转速测量在实践中是非常常用的，例如在发动机、电动机、机床主轴等旋转设备的试验运转和控制中，常需要分时或连续测量、显示其转速及瞬时速度。

为了能精确地测量转速，还要保证测量的实时性，有时还要求能测得瞬时转速。

可见转速测量在生产生活中具有重要的意义。

本文介绍了单片机、电机测速系统及其原理，设计了系统的硬件电路和软件。

本设计以STC89C52RC单片机为核心，由霍尔传感器、1602显示屏、直流电机组成。

利用霍尔传感器采集脉冲信号，通过调用定时计数算法程序，将计算得到的转速数据实时显示出来。

同时，将测量结果存入存储器，并实现与上位机的数据通信。

运行试验表明，系统结构简单，工作稳定可靠，满足电机的测速要求。

电机转速测量仪表设计的研究成果，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。

关键词：

单片机；霍尔传感器；电机测速系统；数据通信

AMeasuringInstrumentDesignuponRotationalSpeedofMotorsBasedonSCM

Abstract：

Speedmeasurementiswildlyusedinpractice.Forexample,time-sharingorcontinuouslymeasuringanddisplayingthespeedandinstantaneousvelocityisoftenrequiredintheoperationandcontrolingofengines,motors,machinesandotherrotatingequipment..Inordertoaccuratelymeasurerotatingspeedandensurethereal-timefeatureofmeasurement,itisalsoimportanttodoreal-timemeasurement.Wecanseethatspeedmeasurementisofgreatsignificanceinyieldingandliving.

ThisarticledescribesfeaturesofSCM,motorspeedmeasurementsystemanditsprinciples.Designsthesystemhardwareandsoftware.ThisdesignisbasedonSTC89C52RCmicrocontroller,composedbytheHallsensor,the1602display,DCmotor.Hallsensoracquirespulsesignals,bycallingthetimingandcountingprogramsandalgorithmprogram,therotatingspeedcanbecalculated.Andtheresultsarereal-timelydisplay.Atthesametime,themeasurementresultscanbestoredinmemoryanddatacommunicationisdonewiththehostcomputer.Byruningthetests,wecanseethatthesystemissimple,stableandreliabletomeetthemotorrotatingspeedmeasuringrequirements.

Theresearchofmotorspeedmeasurementinstrumentdesigncanbeappliedtoapartoftheindustrialcontrol,suchasCNClathemotorspeeddetectionandcontrol,thepumpflowcontrolandanumberofoccasionswherespeeddetectionisneeded.

Keywords：

SCM;Hallsensor;MotorSpeedSystem;DataCommunication

摘要I

1绪论

1.1课题背景及国内外发展水平

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。

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发展水平。

在目前，用户对单片机的需要越来越多，但是，要求也是越来越高。

下面分别就这四个方面来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。

在国内，随着集成块国产化的成熟和电子技术的飞速发展，转速仪表结构简单化，品种多样化与系列化。

未来要进一步要向人性化发展，在满足使用的同时，为使用者带来方便与舒适。

1.2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。

图1.1单片机典型应用系统

1.3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。

例如直流电机具有良好的起、制动性能，易于在宽广范围内平滑测速，所以长期以来在要求转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，交流测速系统日趋完善，其性能可与直流测速系统相媲美，其测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。

测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，因而测速范围宽；测速系统频带宽，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。

随着技术成熟和飞速发展，转速仪表结构简单化，品种多样化与系列化。

未来要进一步要向人性化发展，在满足使用的同时，为使用者带来方便与舒适。

测速应用的普及，为仪表结构简化提供了技术基础。

且通过智能芯片的运用，将在未来使同一仪表硬件，具有多种可量身定做的功能。

2系统构建方案

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：

1．采用高性价比的单片机。

2．编写数据采集、存储和通信程序。

3．采用结构化程序设计方案。

4．可保存测量数据，可与PC机通信。

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，以及LCD显示及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。

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LCD上，同时通过串口向上位机发送转速数据。

2.2方案原理

基于单片机的电机转速测量仪表设计主要是利用STC89C52RC单片机和传感器来设计电机测速系统。

利用传感器采集脉冲信号，通过定时计数算法程序，将转速结果实时显示出来。

其测速原理框图如图2.1所示：

图2.1电机测速系统原理图

2.3方案介绍

霍尔传感器及磁钢：

将磁钢安装在电机的转轴上，而霍尔传感器则放在转轴的旁边，霍尔传感器连接在电路中，当磁钢随转轴经过霍尔传感器时，由开关型霍尔传感器的工作原理知，此时将输出一个低电平信号；而当磁钢离开霍尔传感器后，又将输出一个高电平。

这样通过高低电平的转换，将其送入单片机后就可以测量它的转速。

这种传感器体积小、无触点、动态特性好，在工作温度区内精度优于1%。

且当原边电流超负荷，模块达到饱和，可自动保护，即使过载电流是额定值的20倍也不会损坏模块，过载能力强。

灵敏度较高，能够区分在“高分量”上的弱信号。

测频方式：

频率是周期性信号在单位时间变化的次数。

电子计数器是严格按照f＝N/T的定义进行测频，从其对应的测频原理方框图和工作时间波形可以看出测量过程：

输入待测信号经过脉冲形成电路形成计数的窄脉冲，时基信号发生器产生计数闸门信号，待测信号通过闸门进入计数器计数，即可得到其频率。

显示器采用LED数码管，是一种能够将电能转化为可见光的固态的半导体器件，它可以直接把电转化为光。

实际上是由七个发光管组成8字形构成的，加上小数点就是8个。

通过这一器件可以将测得的转速显示出来。

单片机STC89C52RC是新一代高速/低功耗/超强抗干扰的单片机，指令代码完全兼容传统8051单片机，12时钟/机器周期和6时钟/机器周期可以任意选择。

用户应用程序空间为8K字节，片上集成512字节RAM，通用I/O口（32个）复位后为：

P1/P2/P3/P4是准双向口/弱上拉，P0口是漏极开路输出，作为总线扩展用时，不用加上拉电阻，作为I/O口用时，需加上拉电阻。

共3个16位定时器/计数器。

即定时器T0、T1、T2。

存储数据所用6264静态RAM，容量为8KB，是28引脚双列直插式芯片，采用CMOS工艺制造。

具备兼容TTL、完全静态的特性，功耗小，存取时间短。

为了实现与上位机通信，本设计选用串口通信方式。

串口是一种非常通用的设备通信的协议，大多数计算机包含两个基于RS232的串口，RS-232是美国电子工业协会EIA制定的一种串行物理接口标准,有25条信号线，包括一个主通道和一个辅助通道。

在多数情况下主要使用主通道，对于一般通信，仅需几条信号线就可实现，如一条发送线、一条接收线及一条地线。

本设计基于RS232方式，实现单片机与上位机的通信。

3硬件电路设计

3.1转速检测模块

3.1.1开关型霍尔电路

霍尔传感器是利用霍尔效应原理制成的一种磁敏传感器。

它是近年来为适应信息采集的需要而迅速发展起来的一种新型传感器，这类传感器具有工作频带宽，响应快、面积小、灵敏度高、无缺点、便于集成化、多功能化等优点，且易与计算机和其它数字仪表接口，因此被广泛用于自动监测、自动测量、自动报警、自动控制、信息传递、生物医学等各个领域。

此处主要介绍开关型霍尔传感器。

开关型霍尔传感器由稳压器A、硅霍尔片B、差分放大器C、施密特触发器D和OC门输出E五部分组成，如图3.11所示．从输入端1输入电压Vcc，经稳压器A稳压后加在硅霍尔片B的两端，以提供恒定不变的工作电流。

在垂直于霍尔片的感应面方向施加磁场，产生霍尔电势差Vw，该n信号经差分放大器c放大后送至施密特触发器D整形．当磁场达到“工作点”（即B）时，触发器D输出高电压（相对于地电位），使三极管E导通，输出端V。

输出低电位，此状态称为“开”。

当施加的磁场达到“释放点”（即B）时，触发器D输出低电压，使三极管E截止，输出端y。

输出高电位，此状态称为“关”。

这样2次高低电位变换，使霍尔传感器完成了1次开关动作。

开关型霍尔传感器构成图如图3.1所示：

图3.1开关型霍尔传感器构成图

开关型霍尔集成传感器（以下简称开关型霍尔传感器）主要被应用于周期和频率的测量、转速的测量、液位控制等方面。

常用的开关型霍尔传感器有美国sPRAG1公司的UGN3000系列如UGN3020、UGN3O3O等。

它们并没有输入端，因为磁场仅仅是由空间输入的。

规定用磁铁的S极接近开关型霍尔传感器正面时形成的B为正值，从图4.2曲线看：

当B=0时，0为高；B=Bop时，0立即变低，这点称为“工作点”。

继续升高B，0不变。

降低B到BRp时，Vo又回升。

这点称为“释放点”。

如图3.2所示，B一B称为磁滞。

在此差值内，输出电位。

保持高电位或低电位不变，因而输出稳定可靠。

图3.2开关型霍尔传感器输出电压与外加磁感应强度关系

3.1.2传感检测电路

速度检测电路其电路图如图3.3所示。

当电机转动时，带动传感器，产生对应频率的脉冲信号，经过电路将信号处理后输出到一个单片机可以识别的信号发送到计数器或其他的脉冲计数装置，进行转速的测量。

在实际的使用中，一般需要一个铁质的测速齿轮，齿厚大于2mm即可，将之固定在待测转速的轴上。

所谓磁钢，就是磁钢就是一种有磁性的钢铁。

在传感检测电路中将磁钢安装在电机的转轴上，而霍尔传感器则放在转轴的旁边，霍尔传感器连接在电路中，当磁钢随转轴经过霍尔传感器时，由开关型霍尔传感器的工作原理知，此时将输出一个低电平信号；而当磁钢离开霍尔传感器后，又将输出一个高电平。

这样通过高低电平的转换，将其送入单片机后就可以测量它的转速。

其电路如图3.3所示。

T0

图3.3检测电路部分电路图

3.2单片机模块

单片机最小系统电路如图3.4所示，由主控器STC89C52、时钟电路和复位电路三部分组成。

单片机STC89C52作为核心控制器控制着整个系统的工作，而时钟电路负责产生单片机工作所必需的时钟信号，复位电路使得单片机能够正常、有序、稳定地工作。

本设计基于这个最小系统，进行单片机模块设计。

图3.4单片机最小系统

3.2.1主控器STC89C52的介绍

本系统采用单片机STC8952RC作为主控制器，使用霍尔传感器测量电机的转速，最终在LED上显示测试结果。

此外，还可以根据需要调整制电机的转速，硬件组成由图3.5所示。

单片机（MicroControllerUnit），又称为微控制器,是指在一块芯片上集成了中央处理器CPU、随机存储器RAM、程序存储器ROM、定时器/计数器、中断控制器以及串行和并行I/0接口等部件，构成一个完整的微型计算机。

目前，新型单片机内还有A/D（D/A）转换器、高速输入输出部件、DMA通道、浮点运算等特殊功能部件。

由于它的结构和指令功能都是按工业控制要求设计的，特别适用于工业控制及其数据处理场合。

STC89C52RC是拥有256字节的RAM，8K的片内ROM，3个16位定时器，6个中断源的微处理器,也就是俗称的单片机。

89系列单片机的内核是8031，所以其指令与Intel8051系列单片机完全兼容并且具有以下优点：

（1）内部含有Flash存储器（STC89C52RC有8k）。

因此在系统的开发过程中可以十分容易进行程序的修改，这就大大缩短了系统的开发周期。

同时，在系统工作过程中，能有效地保存一些数据信息，即使外界电源损坏也不影响到信息的保存。

（2）插座与80C51兼容。

89系列单片机的引脚和80C51是一样的，当用89系列单片机取代80C51时，可以直接进行代换。

（3）静态时钟方式。

89系列单片机采用静态时钟方式，可以节省电能，这对于降低便携式产品的功耗十分有用。

（4）错误编程亦无废品产生。

因为89系列单片机内部采用了Flash存储器，所以，错误编程之后仍可以重新编程，直到正确为止，故不存在废品。

（5）可反复进行系统试验。

用89系列单片机设计的系统，可以反复进行系统试验，每次试验可以编入不同的程序，这样可以保证用户的系统设计达到最优。

而且随着用户的需要和发展，还可以进行修改，使系统不断能追随用户的最新要求。

（6）具有看门狗功能；

STC89C52RC单片机的工作模式：

掉电模式：

典型功耗<0.1μA,可由外部中断唤醒，中断返回后，继续执行原程序

空闲模式：

典型功耗2mA典型功耗

正常工作模式：

典型功耗4Ma～7mA典型功耗

掉电模式可由外部中断唤醒，适用于水表、气表等电池供电系统及便携设备。

图3.5STC89C52RC单片机引脚图

STC89C52RC引脚图如图3.5所示，此芯片共40引脚，每个引脚的功能如下：

1-8脚:

通用I/O接口p1.0~p1.7

9脚:

rst复位键

10.11脚:

RXD串口输入TXD串口输出

12-19:

I/Op3接口（12,13脚INT0中断0；INT1中断1；14,15:

计数脉冲T0T1；

16,17:

WR写控制RD读控制输出端）

18,19:

晶振谐振器

20：

地线   

21-28：

p2接口高8位地址总线

29:

psen片外rom选通端，单片机对片外rom操作时29脚（psen）输出低电平

30:

ALE/PROG地址锁存器

31:

EArom取指令控制器高电平片内取低电平片外取

32-39:

p0.0~p0.7（注意此接口的顺序与其他I/O接口不同与引脚号的排列顺序相反）

40:

电源：

+5V

3.2.2时钟电路

STC89C52单片机芯片内部设有一个由反向放大器所构成的振荡器。

19脚（XTAL1）为振荡器。

反相放大器和内部时钟发生电路的输入端，18脚（XTAL2）为振荡器反相放大器的输出端。

在XTAL1和XTAL2引脚上外接定时元器件，内部振荡电路就会产生自激振荡。

本系统采用的定时元器件为石英晶体（晶振）和电容组成的并联谐振回路。

晶振频率为6MHz，电容大小为15~30pF，电容的大小可以起到频率微调的作用，时钟电路如图3.6所示。

图3.6时钟电路（晶振）

3.2.3复位电路

STC89C52的复位是由外部的复位电路来实现的,复位电路通常采用上电复位和按钮复位两种方式,本设计采用的是最简单的上电自动复位电路,其电路图如图3.7所示。

上电自动复位是通过外部复位电路的电容充电实现的，当电源接通时只要VCC的上升时间不超过1毫秒,就可以实现自动上电复位。

本设计时钟频率选用6MHZ,电容取22微法,电阻取1千欧。

图3.7复位电路

3.3键盘按键模块

本设计使用的单片机按键板，可以与单片机系统核心板进行连接，板子小巧，做工优良，按键齐全，同时带有外扩展插针。

使用6*4的按键键盘，可以对系统输入各种定义好的指令。

其元件图如图3.8所示。

图3.8键盘元件电路图

3.4显示模块

3.4.1LCD1602特征及应用

微功耗、体积小、显示内容丰富、超薄轻巧，常用在袖珍式仪表和低功耗应用系统中。

3.4.2LCD1602的特性

+5V电压，对比度可调；内含复位电路；提供各种控制命令,如：

清屏、字符闪烁、光标闪烁、显示移位等多种功能；有80字节显示数据存储器DDRAM；

内建有192个5X7点阵的字型的字符发生器CGROM；8个可由用户自定义的5X7的字符发生器CGRAM。

3.4.3LCD1602管脚功能

1602采用标准的16脚接口，其中：

第1脚：

VSS为电源地

第2脚：

VDD接5V电源正极

第3脚：

V0为液晶显示