基于接近传感器的转速测量系统设计.docx
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基于接近传感器的转速测量系统设计
课程设计说明书
成绩
题目基于接近传感器的转速测量系统设计
课程名称检测技术与系统课程设计
院系名称
专业电气工程及其自动化
班级1
学生姓名
学号240102225
同组学生
设计时间2013.6.3~2013.6.14
设计地点工程实践中心8—315
指导教师
课程设计任务书
课程名称检测技术与系统课程设计
院（系、部、中心）
专业电气工程及其自动化
班级
起止日期13.6.3~13.6.14
指导教师
1．课程设计应达到的目的
通过对本课程的设计，使学生掌握常见被测量的检测原理、方法和技术，了解国内外对这些工程量进行测控的系统组建原理，通过对检测系统的设计与分析，增强学生理解和运用所学知识来解决实际问题的能力,逐步掌握根据具体测控要求、性能指标设计出先进测控系统的方法和技术。
2．课程设计题目及要求
题目：
基于接近传感器的转速测量系统设计
要求：
（1）性能指标：
测速范围：
0~3000RPM，测量精度：
±0.5RPM；
（2）根据题意，明确测速系统性能指标及系统能完成的功能；
（3）根据系统要求，选择合适的传感器（尽量选择实验室中已有的传感器）；
（4）设计传感器测量电路；
（5）选择单片机的品种、型号，设计单片机的外围测量电路；
（6）计算有关的电路参数，有条件的情况下，根据实验室现有设备进行实验数据的测取，明确测量电路输出与被测非电量的关系；
（7）画出系统原理框图（此部分放在说明书的开始）；
（8）画出系统电路图，最好用PROTEL画；
（9）在说明书中详细说明本系统工作原理。
3．课程设计任务及工作量的要求〔包括课程设计计算说明书、图纸、实物样品等要求〕
（1）给出设计说明书一份；
（2）有条件的情况下尽量给出必要的实验数据；
（3）在说明书中附上完整的系统电路原理图（手画或用PROTEL画）。
4．主要参考文献
1、李现明，吴皓编著.自动检测技术.北京：
机械工业出版社，2009
2、徐仁贵.单片微型计算机应用技术.北京：
机械工业出版社.2001
3、陈爱弟.Protel99实用培训教程.北京：
人民邮电出版社.2000
5．课程设计进度安排
起止日期
工作内容
13年6月3日
布置设计任务，熟悉课题，查找资料；
13年6月4日
结合测控对象，选择合适的传感器，理解传感器性能；
13年6月5日
设计传感器测量电路，选择合适的单片机，设计其外围电路；
13年6月6日
设计电路参数，有条件情况下，在实验室进行实验，进一步理解测量电路输入输出关系；
13年6月7日
继续设计论证电路参数，完善系统设计方案；
13年6月10日
查找资料，理解系统各部分工作原理；
13年6月11日
理清系统说明要点，着手设计说明书的书写；
13年6月12日
书写设计说明书，充分理解系统每一部分作用；
13年6月13日
完善设计说明书，准备设计答辩。
13年6月14日
设计答辩。
6．成绩考核办法
平时表现30%，设计成果40%，答辩表现30%.
教研室审查意见：
教研室主任签字：
年月日
院（系、部、中心）意见：
主管领导签字：
年月日
目录
1.转速测量的原理及方案分析
1.1转速测量原理………………………………………………1
1.2方案分析……………………………………………………4
2.系统硬件电路的设计
2.1脉冲电路的设计……………………………………………4
2.2接近传感器简介及信号调理电路设计……………………4
2.2.1接近传感器的简介………………………………………4
2.2.2信号调理电路的设计……………………………………5
3.系统主电路的设计
3.1单片机AT89C52的介绍……………………………………6
3.2显示电路的设计……………………………………………7
4.心得体会……………………………………………………7
5.参考文献……………………………………………………8
6.附录
6.1电路图………………………………………………………8
6.2程序…………………………………………………………10
1.转速测量原理及方案分析
1.1转速测量原理
1.1.1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=
（1-1）
转轴转过的弧度数Xτ可用下式所示m1
X
（1-2）
图1-1“M”法测量转速脉冲
将（1-2）式代入（1-1）式得
转速n的表达式为：
n=
（1-3）
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。
1.1.2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：
n=
（1-4）
即：
（1-5）
fc-为硬件产生的基准时钟脉冲频率：
单位（Hz）；
n-转速单位：
（转/分）；
m2-时基脉冲。
图1-2“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。
1.1.3测频测周法“M/T法”
所谓测频测周法，即综合了“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1-3“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（1-2）和（1-5）可得M/T法转速计算公式为：
（1-6）
n-转速值。
单位：
（转/分）；
-晶体震荡频率：
单位（Hz）；
m1-输入脉冲数，反映转角；
m2-时基脉冲数。
图1-3“M/T”法定时/计数测量
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。
1.2方案分析
电机的转速通过接近传感器采集脉冲信号，经过放大处理后输送给单片机，电机的转速通过LED显示出来。
这个电路设计可以分为三部分：
第一个部分为测速电路，第二部分为单片机处理部分，第三部分为LED显示部分。
数码显示
单片机处理
波形整定，放大电路
传感测量
图1-4大概框图
2.系统硬件电路的设计
2.1脉冲产生电路的设计
可以将一块钢铁固定在电动机转轴上转盘的边沿，转盘随被测轴旋转，钢也跟着同步旋转，在转盘附近安装一个接近传感器，转盘随转轴旋转时，接近传感器受到钢产生感应，会产生脉冲信号，其频率和转速成正比关系，测出脉冲的周期或频率即可计算出转速。
脉冲信号的周期与电机转速的关系为
n=
其中：
n为电机转速；
P为电机转一圈的脉冲数；
T为输出方波信号的周期。
2.2接近传感器及信号调理电路设计
2.2.1接近传感器的简介
接近传感器，是代替限位开关等接触式检测方式，以无需接触检测对象进行检测为目的的传感器的总称。
能检测对象的移动信息和存在信息转换为电气信号。
在换为电气信号的检测方式中，包括利用电磁感应引起的检测对象的金属体中产生的涡电流的方式、捕测体的接近引起的电气信号的容量变化的方式、利石和引导开关的方式。
传感器中也能以非接触方式检测到物体的接近和附近检测对象有无的产品总称为“接近开关”，由感应型、静电容量型、超声波型、光电型、磁力型等构成。
其特长为
①由于能以非接触方式进行检测，所以不会磨损和损伤检测对象物。
②由于采用无接点输出方式，因此寿命延长（磁力式除外）采用半导体输出，对接点的寿命无影响。
③与光检测方式不同，适合在水和油等环境下使用检测时几乎不受检测对象的污渍和油、水等的影响。
此外，还包括特氟龙外壳型及耐药品良好的产品。
④与接触式开关相比，可实现高速响应。
⑤能对应广泛的温度范围。
⑥不受检测物体颜色的影响对检测对象的物理性质变化进行检测，所以几乎不受表面颜色等的影响。
⑦与接触式不同，会受周围温度的影响、周围物体、同类传感器的影响包括感应型、静电容量型在内，传感器之间相互影响。
因此，对于传感器的设置，需要考虑相互干扰。
此外，在感应型中，需要考虑周围金属的影响，而在静电容量型中则需考虑周围物体的影响。
下面我们以电容式接近传感器为例进行转速测量设计。
2.2.2信号调理电路的设计
将一块金属块连接在电动机转轴上，每当转轴转一圈，金属块就在接近传感器前过一下，接近传感器就会接受到一个脉冲，经过处理后，这个脉冲就被记下，每转一次，经过放大整形后，记一个脉冲，这样就能测速了。
图2-1信号调理电路
3.主电路的设计
3.1单片机AT89C52介绍
AT89C52是51系列单片机的一个型号，它是ATMEL公司生产的。
AT89C52是一个低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含8kbytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，功能强大的AT89C52单片机可为您提供许多较复杂系统控制应用场合。
AT89C52有40个引脚，32个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时内含2个外中断口，3个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，2个读写口线，AT89C52可以按照常规方法进行编程,但不可以在线编程（S系列的才支持在线编程）。
其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起，特别是可反复擦写的Flash存储器可有效地降低开发成本。
主要性能参数
•8K字节可重擦写Flash闪速存储器
•1000次可擦写周期
•全静态操作：
0Hz-24MHz
•三级加密程序存储器
•256×8字节内部RAM
•32个可编程I/O口线
•3个16位定时/计数器
•8个中断源
•可编程串行UART通道
•低功耗空闲和掉电模式
AT89C52P为40脚双列直插封装的8位通用微处理器，采用工业标准的C51内核，在内部功能及管脚排布上与通用的8xc52相同，其主要用于会聚调整时的功能控制。
功能包括对会聚主IC内部寄存器、数据RAM及外部接口等功能部件的初始化，会聚调整控制，会聚测试图控制，红外遥控信号IR的接收解码及与主板CPU通信等。
主要管脚有：
XTAL1（19脚）和XTAL2（18脚）为振荡器输入输出端口，外接12MHz晶振。
RST/Vpd（9脚）为复位输入端口，外接电阻电容组成的复位电路。
VCC（40脚）和VSS（20脚）为供电端口，分别接+5V电源的正负端。
P0~P3为可编程通用I/O脚，其功能用途由软件定义，在本设计中，P0端口（32~39脚）被定义为N1功能控制端口，分别与N1的相应功能管脚相连接，13脚定义为IR输入端，10脚和11脚定义为I2C总线控制端口，分别连接N1的SDAS（18脚）和SCLS（19脚）端口，12脚、27脚及28脚定义为握手信号功能端口，连接主板CPU的相应功能端，用于当前制式的检测及会聚调整状态进入的控制功能。
图3-1AT89C52外部引脚图
3.2显示电路的设计
模拟接近开关给予调理电路一个时钟脉冲信号，频率为3KHz
显示电路图见附录。
4.心得体会
两周的课程设计结束了，在这次的课程设计中不仅检验了我所学习的知识，也培养了我如何去把握一件事情，如何去做一件事情，又如何完成一件事情。
在设计过程中，与同学分工设计，和同学们相互探讨，相互学习，相互监督。
学会了合作，学会了运筹帷幄，学会了宽容，学会了理解，也学会了做人与处世。
通过这次的课程设计，综合的运用了所学的理论和知识，实际训练，从而提高了工作能力，在这次设计过程中，体现出自己单独设计的能力以及综合运用知识的能力，体会了学以致用、突出自己劳动成果的喜悦心情，从中发现自己平时学习的不足和薄弱环节，从而加以弥补。
更给以后进入工作岗位后的工作能力打下了坚实的基础。
5.参考文献
1.李现明，吴皓编著.自动检测技术.北京：
机械工业出版社，2009
2.徐仁贵.单片微型计算机应用技术.北京：
机械工业出版社.2001
3.陈爱弟.Protel99实用培训教程.北京：
人民邮电出版社.2000
6.附录
6.1电路图
图6-1连接脉冲的信号调理电路
图6-2脉冲调理电路波形图
图6-3显示电路图
6.2单片机程序
#include
#defineucharunsignedchar
#defineuintunsignedint
uintmm=1234;
ucharcodetable[]={0x3F,0x06,0x5B,0x4F,0x66,0x6D,0x7D,0x07,0x7F,0x6F};
delay（uintm）
{
uinti,j;
for（i=m;i>0;i--）
for（j=60;j>0;j--）;
}
xian_shi（）
{
ucharqian,bei,shi,ge;
uintjj;
jj=mm;
jj*=20;
//jj+=1;
qian=jj/1000;
bei=jj%1000/100;
shi=jj%100/10;
ge=jj%10;
P2=0x10;
P0=~table[qian];
delay
（1）;
//P2=0;
P2=0x20;
P0=~table[bei];
delay
（1）;
//P2=0;
P2=0x40;
P0=~table[shi];
delay
（1）;
//P2=0;
P2=0x80;
P0=~table[ge];
delay
（1）;
//P2=0;
}
timer_init（）//定时器计数器初始化函数
{EA=1;
ET0=1;
ET1=1;
TMOD=0X51;
TH0=（65535-50000）/256;
TL0=（65535-50000）%256;
TH1=0;
TL1=0;
TR0=1;
TR1=1;
}
main（）
{
timer_init（）;
P0=0;//开始数码管不显示
while
（1）
{
xian_shi（）;
delay
（2）;//数码管刷新时间单位毫秒
}
}
voidtimer0（）interrupt1
{TR0=0;
TR1=0;
TH0=（65535-50000）/256;
TL0=（65535-50000）%256;
mm=0;
mm|=TH1;
mm=（mm<<8）|TL1;
//mm-=55536;
TH1=0;
TL1=0;
TR0=1;
TR1=1;
}
voidtimer1（）interrupt3//显示0000说明出错
{
TR1=0;
TR0=0;
mm=0;
//TH1=0;
//TL1=0;
//TR1=1;
}
升级会员 