1、第 1 页 共 27 页转速测量装置的设计摘要：本文结合目前国内外转速测量装置的应用现状，分析了A/D 转换、数据传输形式,对转速测量单元进行了深入研究，设计了一种基于地磁传感器对信号采集，应用AVR单片机（ATmega8535L）对信号转换、控制，及基于芯片AT49BV162A闪存并传输于一体的测量单元。且对ATmega8535L 芯片在信号处理方面作了初步的研究。当远离工作现场，计算机需要提取信号时，用并行口进行数据传输。关键字：地磁传感器，ATmega8535L，A/D转换，AT49BV 162A，电平转换第 2 页 共 27 页1 绪论1.1 引言21 世纪，是人类全面进入信息电子化的
2、时代。在这个信息技术(包括计算机技术，通信技术及传感器技术)高度发展的时代，如果说计算机是人的大脑，通信相当于人的神经，那么传感器就是人的器官。并且电子技术的飞跃进步，单片机的普及与推广，使得电子化的时代又前进了一步。如果可以把计算机与单片机好好地结合，充分发挥各自的特点，并且配上相应的传感器，可以使人们更好更精确地探索出自然界的秘密，更好地的总结科学规律。转速测量在国民经济的各个领域，都是必不可少的.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
3、。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。在一些特殊的场合 1，有时需要将传感器的信号不断的实时采集和存储起来，并且到一定时间再把数据回放到 PC 机中进行分析和处理。在工作环境恶劣的情况下采用高性能的单片机和大容量的 FLASH 存储器的方案恐怕就是最适当的选择了。1.2 国内外转速测量装置技术现状及发展趋势1.2.1 转速测量装置的技术现状1.电子计数法:这是应用最广泛的精密计量转速的方法。电子式转速表是一个比较笼统的
4、概念：以现代电子技术为基础，设计制造的转速测量工具。它一般有传感器和显示器，有的还有信号输出和控制。因为传感器和显示器件方面的多种多样，还有测量方法的多样性，从传感器和二次仪表分开来分类。如果从安装使用方式上来分，还有就地安装式、台式、柜装式和便携式以及手持式这种方原理是利用转速传感器将机械旋转频率变换成电脉冲信号，送入电子第 3 页 共 27 页计数器，在一定方法来计量单位时间内的脉冲数而获得转速。这种方法一般对高、中转速，可采用频率法。而对于低转速则可采用周期法.2.频闪测速法 :这种方法是基于频闪效应的原理。光电式转速传感器 2：它分为投射式和反射式两类。投射式光电转速传感器的读数盘和测
5、量盘有间隔相同的缝隙。测量盘随被测物体转动，每转过一条缝隙，从光源投射到光敏元件（见光电式传感器）上的光线产生一次明暗变化,光敏元件即输出电流脉冲信号。反射式光电传感器在被测转轴上设有反射记号，由光源发出的光线通过透镜和半透膜入射到被测转轴上。转轴转动时，反射记号对投射光点的反射率发生变化。反射率变大时，反射光线经透镜投射到光敏元件上即发出一个脉冲信号，反射率变小时，光敏元件无信号。在一定时间内对信号计数便可测出转轴的转速值。 变磁阻式转速传感器 3，它属于变磁阻式传感器。变磁阻式传感器的三种基本类型，电感式传感器、变压器式传感器和电涡流式传感器都可制成转速传感器。电感式转速传感器应用较广，它
6、利用磁通变化而产生感应电势，其电势大小取决于磁通变化的速率。这类传感器按结构不同又分为开磁路式和闭磁路式两种，开磁路式转速传感器结构比较简单，输出信号较小，不宜在振动剧烈的场合使用。闭磁路式转速传感器由装在转轴上的外齿轮、内齿轮、线圈和永久磁铁构成，内、外齿轮有相同的齿数。当转轴连接到被测轴上一起转动时，由于内、外齿轮的相对运动，产生磁阻变化，在线圈中产生交流感应电势，测出电势的大小便可测出相应转速值。 3.激光测速法1.3 转速测量装置的研究目的及意义转速测量在国民经济的各个领域，都是必不可少的.转速是工程中应用非常广泛的一个参数，因此，对其进行测量有重要意义。1.4 本设计要研究或解决的问
7、题设计一转速存储记录装置，并通过处理得到转动速度。1.5 论文章节分配第一章 绪论：回顾转速测量发展趋势，其中对转速测量方法做了详细的阐述。第 4 页 共 27 页第二章 转速测量装置的总体方案设计：介绍了总体方案概述及系统的工作原理。第三章 转速测量装置的硬件实现：其中包括了主要元器件的选择和硬件电路整体设计。并对主要元器件作了系统的说明。第四章 单片机的软件设计。第五章 总结与展望：整篇论文的总结。第 5 页 共 27 页2 转速测量装置的总体设计2.1 总体方案概述2.1.1 转速测量原理 就转速测量原理而言 5，大体可分为三大类：一是用单位时间内测得物体的旋转角来计算速度。例如在单位时
8、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得出第三种测量方法，即M/T法，它结合这两种方法的优点
9、，一方面像“M”法那样在对传感器发出的脉冲计数的同时，也像“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 18。 2.2 系统结构方案的选择综上所述，设计了一种应用地磁传感器及单片机的测量转速的方法。系统框图 2.1 如下：第 6 页 共 27 页传感器调理电路单片机存储器电平转换计算机图 2.1 系统框图首先被测信号通过传感器转化为电信号。传感器工作原理如下：薄膜式高灵敏度地磁方位传感器的工作原理为一个 n 匝线圈的闭合电路，切割地磁场产生感生电动势：，tnsB然后，传感器输出模拟信号经过调理电路调理之后进入
10、信号处理传输单元。信号处理单元主要由ATmega8535L内部的A/D转换。完成A/D转换后，发出A/D中断，把信号送到单片机的输出口，存储于闪存芯片AT49BV162A中。最后，当远离工作现场，计算机要读取闪存内的数据时，通过计算机的并行口对数据进行读取。第 7 页 共 27 页3 转速测量装置的硬件实现3.1 基本电路介绍转速测量装置的硬设计主要由地磁传感器与ATmega8535L芯片接口电路，ATmega8535L芯片与AT49BV162A接口电路，AT49BV162A芯片与电平转换芯片接口电路，电平转换芯片与上位机接口电路四个部分组成。地磁传感器与ATmega8535L芯片接口电路主要
11、完成对信号的采集及进行A/D转换传输。ATmega8535L芯片与AT49BV162A接口电路主要完成对信号的传输与存储。AT49BV162A芯片与电平转换芯片接口电路，电平转换芯片与上位机接口电路主要完成对信号实现电压转换并传输。3.2 主要元器件的选择3.2.1 地磁传感器薄膜式地磁方位传感器利用电磁感应原理，采用多层薄膜结构，首先在绝缘薄膜基底聚脂酰胺上溅射金属薄膜，然后蚀刻线圈图案，再覆盖介电保护层。目前国内外利用线圈式磁传感器测量子弹角速度的文献虽有报道，但所用传感器都是在铁磁骨架上缠绕漆包铜丝的结构，由于存在铁磁骨架，其灵敏度比较高，但结构和重量都较大，安装不便。柔性薄膜线圈式磁传
12、感器能够方便地粘贴于测试装置的钢质结构表面，既节省体积便于安装，又能借助减小磁屏蔽效应增大输出灵敏度。第 8 页 共 27 页薄膜式高灵敏度地磁方位传感器的工作原理为一个 n 匝线圈的闭合电路，切割地磁场感生电动势：，tnsB式中，B 为地磁场的磁场强度；S 为薄膜线圈传感器的有效面积。薄膜式地磁方位传感器使用时粘贴在测试装置的钢质外壳表面，由电磁感生定律及右手规则可知：如果将线圈划分为两个对称结构，对应圆柱的弧度为，两部分的绕线方向必须相反才能在转动时使两部分感电动势相加，否则就会相互抵消。地磁场强度大约为 500mG。本薄膜线圈传感器每匝线圈的面积是不相等的，因此采用 ，其中 S 为线圈面
13、积在磁场中的实际变化量。tB薄膜传感器的结构图 3.1 所示：bac逆时针方向 顺时针方向A CB图 3.1 传感器原理结构简图利用先进的薄膜加工工艺，设计制造柔性的多层薄膜线圈，可灵活地粘贴于测试装置的表面，构成地磁方位传感器，极大地提高传感器的灵敏度、可靠性和安装适应性。根据线圈感应地磁的原理可知线圈的匝数决定了其灵敏度。然而，薄膜线圈的层数决定在相同的线密度情况下线圈的总共匝数，也就决定了传感器的灵敏度。3.2.2 AVR 单片机AVR内核具有丰富的指令集和32个通用工作寄存器。所有的寄存器都直接与算逻单元相连接， 6使得一条指令可以在一个时钟周期内同时访问两个独立第 9 页 共 27
14、页的寄存器ATmega8535L具有一整套的编程与系统开发工具，包括：C语言编译器、宏汇编、 程序调试器/ 软件仿真器、仿真器及评估板。3.2.2.1 其主要特点如下：1.高性能、低功耗的 8 位AVR微处理器；2.非易失性程序和数据8K可编程Flash存储器（擦写寿命: 10,000 次）；3.512 字节的EEPROM，擦写寿命: 100,000 次；4.两个具有独立预分频器和比较器功能的8 位定时器/ 计数器；5.一个具有预分频器、比较功能和捕捉功能的16 位定时器/ 计数器；6.具有独立振荡器的实时计数器RTC；7.8路10 位ADC；8.具有可编程增益（1x, 10x, 或200x）
15、的差分通道；9.可工作于主机/ 从机模式的SPI 串行接口；10.具有独立片内振荡器的可编程看门狗定时器；11.片内模拟比较器；12.6种睡眠模式: 空闲模式、ADC 噪声抑制模式、省电模式、掉电模式、Standby ；13.32 个可编程的I/O 口；14. 工作电压ATmega8535L：2.7 - 5.5V；15.40引脚PDIP 封装, 44 引脚TQFP 封装,44 引脚PLCC 封装与44 引脚MLF 封装ATmega8535L有44个引脚，封装形式可使用TQFP。第 10 页 共 27 页图 3.2 ATmega8535L 芯片示意图3.2.2.2 各引脚功能：VCC：电路的电源
16、。GND：地。端口A(PA7.PA0) ：端口A作为A/D转换器的模拟输入端。即使系统时钟还未起振，端口A处于高阻状态。端口B(PB7.PB0) ：端口 B为8位双向I/O口，具有可编程的内部上拉电阻。端口C(PC7.PC0) ：端口 C为8位双向I/O口，具有可编程的内部上拉电阻。端口D(PD7.PD0) ：端口D为8位双向I/O口，具有可编程的内部上拉电阻。RESET ：复位输入引脚。持续时间超过最小门限时间的低电平将引起系统复位。持续时间小于门限时间的脉冲不能保证可靠复位。采用外部复位由外加于RESET引脚的低电平产生。 XTAL1 ：反向振荡放大器与片内时钟操作电路的输入端。XTAL2 ：反向振荡放大器的输出端。采用内部晶振时这个管脚要悬空。
