1、 常 州 大 学毕 业 设 计题 目 基于磁电传感器的电机转速自动检测系统设计 I基于磁电传感器的电机转速自动检测系统设计摘 要：在工程实践中，经常会遇到测量转速的情况。因此，转速的测量具有一定的工程意义。本文开发了基于单片机的电机转速自动检测系统。选用的磁电传感器将电机的转速信号转换成电压信号，所设计的放大电路将磁电传感器输出的电压信号放大，经过整形电路将正弦信号转换为方波，由单片机进行脉冲计数，并且通过 LCD 显示电机的转速。文中首先阐述了该设计的总体方案、实验的步骤，并讨论合适的测量方法。其次，介绍选用的单片机和 LCD 显示等电子元件，并分析电路图各部分的功能。最终，编写程序调试运行
2、，分析实验结果。本设计主要用单片机作为控制核心，由磁电传感器、LCD 显示组成。其优点是电路简单，软件功能完善，具有测量速度快、精度高、控制可靠、性价比高等特点。关键词：转速测量；磁电传感器；单片机；LCD 显示IIDesign of automatic motor speed detection system based on magnetoelectricity sensor Abstract：In engineering practice, we often encounter the situation of speed measurement, therefore, speed me
3、asurement has a certain engineering significance. This paper has developed motor speed detection system based on single chip microcomputer.The magnetoelectric sensor selected , the speed signal of motor into voltage signal.The designed amplifier circuit,will amplify the voltage signal of magnetoelec
4、tric sensor output, After shaping circuit，sine signal will be converted into square wave, pulse counting by single chip microcomputer,and through the LCD display of the motor speed.This paper first expounds the design of overall scheme, experiment steps, and discuss the appropriate measurement metho
5、d. Secondly, this paper introduces the selection of single chip microcomputer and LCD displays and other electronic components, and analyzes the functions of the parts of the circuit diagram.In the end,write programs debugging and running, analyze the results of experimental.This design mainly used
6、single-chip microcomputer as control core, and consists of magnetoelectric sensor, LCD display.Its advantage is simple circuit, software function is perfect, measuring speed, high precision, reliable control,high cost performance,etc.Key words： Speed measurement；Magnetic sensors;single chip microcom
7、puter; LCD displayIII摘要目次1 绪论11.1 课题研究的目的和意义11.2 磁电传感器的研究现状及发展趋势11.3 电机转速自动检测的研究现状及发展趋势21.4 转速测量主要内容32 转速测量系统的总体方案32.1 电机测速的方案32.2 电机转速测量台装置示意图32.3 软件设计思路43 系统硬件设计53.1 转速测量原理IV53.1.1 测频法“M 法”53.1.2 测周期法“T 法”63.1.3 测频测周法“M/T 法”63.1.4 转速测量系统中应用的方法73.2 磁电传感器的简介73.2.1 磁电感应83.2.2 磁电传感器结构83.2.3 磁电传感器的应用93
8、.2.4 二次电路原件93.3 单片机及其接口的设计113.3.1 STC12C5A60S2 单片机简介113.3.2 复位电路143.3.3 时钟电路143.3.4 显示电路153.3.5 按键电V路173.3.6 报警电路174 硬件调试和软件设计184.1 硬件调试184.1 单片机转速程序设计思路及过程194.2.1 单片机程序设计思路194.3 子程序的设计204.3.1 单片机转速计算程序204.3.2 二-十进制转换程序204.3.3 显示程序215 转速测量系统的转速分析235.1 测速范围235.2 测速误差24VI5.3 测速分析255.4 故障分析与解决方案26参考文献2
9、8致谢29附录A30附录B31附录C32常州大学本科生毕业设计第 1 页 共 36 页1 绪论1.1 课题研究的意义在工业生产和实验过程中，经常会遇到各种转速的测量和控制问题。在这种情况下，我们可以通过磁电的方法，将转速测量转变为频率测量。频率测量的方法很多，不同的方法有各自适用的范围。近年来随着电子技术的迅速发展，工业测控设备的不断更新，频率测量的方法和设备也有新的进展。在实际应用中，选择不同的转速检测设计方案，得到的效果也不尽相同。电机在运行的过程中，需要对其运行的平稳性进行监测，适时对转速进行测量可以有效地反应电机的状况。另一方面，在运动控制系统中，转速检测也是电机速度或位置控制的基础。
10、磁电式传感器主要是通过电磁感应的原理，将输入运动速度变换成感应的电势输出的一种传感器。它不需要外加电源，就能把被测对象的机械能变换成便于测量的电信号，是一种有源的传感器。它广泛的用于建筑工业等领域中振动、速度、加速度，转速、转数等非电量的测量。因此研究基于磁电传感器的电机转速的自动检测系统有一定的实际意义。单片机,也可以称单片微型计算机或单片微电脑。它是一种微型计算机，并集成了中央处理器(CPU)、输入/输出端口(I/0)、只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)等主要计算机功能部件在一块集成电路芯片上。单片机诞生于 20 世纪 70 年代末，经历了三个阶段，即 SCM、MCU、SoC。
11、因为单片机具有低功耗，小体积，大容量，高性能，低价格等特点，所以单片机广泛存在于我们的生活中。在我们的现实生活中，单片机的应用无时无刻不在改变我们的生活，小到手机、水表、遥控，大到导弹导航、飞机控制，单片机的应用都在影响着我们身边的一切。本设计中，运用单片机对磁电传感器测量得到的脉冲进行计数，再通过一定的计算公式，将转速通过 LCD 显示屏显示出来。以此来实现，对电机转速的测量。1.2 磁电传感器的研究现状及发展趋势磁电式传 感 器 有 时 也 称 作 电 动 式 或 感 应 式 传 感 器 ， 它 只 适 合 进 行 动 态 测 量 。 由于 它 有 较 大 的 输 出 功 率 ， 故 配
12、用 电 路 较 简 单 ； 零 位 及 性 能 稳 定 ； 工 作 频 带 一 般 为10 1000Hz。 磁 电 式 传 感 器 具 有 双 向 转 换 特 性 ， 利 用 其 逆 转 换 效 应 可 构 成 力 (矩 )发 生 器 和 电 磁 激 振 器 等 。磁电式传 感 器 直 接 输 出 感 应 电 势 , 且 传 感 器 通 常 具 有 较 高 的 灵 敏 度 , 所 以 一 般不 需 要 高 增 益 放 大 器 。 但 磁 电 式 传 感 器 是 速 度 传 感 器 , 若 要 获 取 被 测 位 移 或 加 速 度信 号 , 则 需 要 配 用 积 分 或 微 分 电 路 。
13、磁电阻传感元件是利用磁性材料的磁电阻效应,采用半导体工艺制成,还可进一步和半导体电路集成在一块芯片上,做成专用性器件。由于它是强磁性合金材料制成,物理化学性能稳定,具有长寿命、高可靠、高灵敏度、温度系数小、范围宽、线性度好等特点 1。现在有一种 81NiFe/Cr 多层膜制作的磁电阻式传感器的新应用 2。一对易磁化轴相互垂直的磁电阻元件构成二维磁场探头，用它检测钢板上人工微裂缝附近的磁场分布。磁电阻元件与永磁块组合构成力矩传感器，用于人体重心摇摆检测。常州大学本科生毕业设计第 2 页 共 36 页动 平衡是中小型电机转子生产和制造过程中必须解决的问题。随着全自动动平衡修正研究技术的发展,全自动
14、平衡机成为高品质电机转子生产的必要设备。磁电式振动速度传感器用于测量转子的振动量,是全自动平衡机的关键部件,而全自动平衡机是全天候长周期的工作设备,因此要求传感器有很好的稳定性和可靠性。传统的动圈型磁电传感器由于其固有的结构缺陷,经常产生断线故障,严重影响了设备的日常使用。针对传统动圈型磁电传感器的缺点,需要研究一种改进的差动动磁铁型磁电传感器。我们的主要工作在于：(1) 差动动磁铁型磁电速度传感器结构设计(2)有限元软件分析(3)传感器结构参数影响分析(4) 实验验证 3。目 前 ,技术先进国家的冶金厂,在自动化程度上的进展很迅速,其中对检测钢管的在线速度所采用的装置大都是压辊接触式的测速仪
15、表,这种装置有丢转现象,造价较高,且寿命较短,现场维护不便。近年我国从日本、意大利引进的几套机组就采用了这种测速装置。考虑到上述因素,我们试验研制一种非接触式(磁电)测速传感器,同时采用了峰峰值电路,在二次仪表上可直观地获得钢管的在线速度,为实现微机自动控制提供可靠依据4。1.3 电机转速自动检测的研究现状及发展趋势电 机 在各行各业中发挥着重要的作用，而电机转速是电机重要的性能指标之一，因而需要测量电机转速，使它满足人们的各种需求。转速是电机运转的一个很重要的状态参数,在运动系统的一般测量中,大多需要测量电机的转速,然而直接影响系统控制情况的因素是转速测量的精度,它是影响测控结果的一个因素。
16、不论是交流调速系统还是直流调速系统,只有高精度转速的检测才能得到高精度的控制系统 5。随 着 微电子技术不断的发展,尤其是出现了高性价比的新型单片机,为测量电机的转速提供了广阔的空间。在一般情况下,基于霍尔传感器、光电传感器的转速测量系统都可以准确的测量电机的转速。但在机床侧面、粉尘环境等恶劣的情况下,光电传感器测量转速的方法存在较大误差。无线电机转速测量方法,给出了各个单元模块。基于加速度计的电机转速测量方法,给出了硬件电路的设计和测试原理。通过对比研究可以看出,本测试方法具有一定的应用价值 6。电 机 转速是判断电机运行状况的重要标志之一。目前,实验室电机转速一般通过转速表来测量,通常采用
17、测周法和测频法。这两种方法的测量精度与记录的脉冲个数有关,随着被测电机的转速变化,在极端的情况下会产生1 个字的误差。针对传统电机转速检测方法的不足,阐明了利用等精度测量方法对实验室电机转速进行测量和监控报警的具体原理。以 FPGA（Field Programmable Gate Array，即现场可编程门阵列）控制芯片为核心,设计了相应的电路系统,并通过 MAX+PLUSH 进行了仿真分析 7。在 异 步 电机矢量控制等电机控制的研制过程中，为了得到电机的运行工况，更好地研究异 步 电机矢量控制方案和记录、分析实际运行效果，需要对异步电机的各种信号进行采集、存储、分析、显示。为了达到上述目的
18、，需要同步、长时间地采集异步电机端部电压信号、电流信号、电机转速等多路信号，并对采得的信号进行实时存储、动态回放和分析处理，采用传统测量仪器已经不能满足这些要求，采用数字存储示波常州大学本科生毕业设计第 3 页 共 36 页器记录数据，存在存储深度不够及数据分析处理的问题。如果采用计算机技术同仪器技术相结合的虚拟仪器技术，可以更好地实现上述功能。针对异步电机控制系统的测试要求，需要研制基于虚拟仪器技术的异步电机运行工况测试系统 8。1.4 转速测量主要内容1.详细分析转速的测量理论，对转速的周期测量法“T”法、频率测量法“M”法以及周期频率“M/T”测量法，三种具体测量方法的转速计算、各自的测
19、量精度和误差进行阐述。定性地比较三种方法所针对的转速特征，分析高、中、低转速情况下各自的适用状况，从而，在保持一定的测量精度情况下，应用“M”法，说明转速测量原理。2.根据单片机硬件系统的设计，构建软件系统，分别估计对硬件系统的配置，使其能够准确的测量转速。同时分析电路中的接口部分，显示转速。3.对单片机的定时器/计数器进行设置，设计、说明定时器 /计数器在“M”法测量中的作用和使用方法，并且讨论测量转速的精度问题。4.根据系统的具体要求设置控制字，用汇编语言或 C 语言编制程序，包括主程序，转速计算程序，中断程序，同时并写出其具体的程序。2 转速测量系统的总体方案2.1 电机测速的方案 电机测速的系统框图如图 1 所示，它由测量台、磁电传感器、二次仪表电路、单片机以及显示屏组成。测量台用于测量电机的转速，把磁电传感器采集到的电机转速信号送入二次电路，因为磁电传感器采集的正弦信号比较小，所以需要放大电路将采集到的正弦信号放大，再经过施密特触发器将正弦信号整形为方波，才可以送入单片机，单片机通过在一定时期内计数脉冲的次数，再通过计算公式转换为转速并显示。单片机上连接有 LCD 数码管和报警器。其中，LCD 数码管用于显示电机的转速，当转速比设定值高时，蜂鸣器报警。图 1 电机转速检测的系统框图2.2 电机转速测量台装置示意图LCD 显示报警器单片机电机转速信号采集电机二次电路
