1、 学号： 常 州 大 学 毕业设计 （ 20XX 届） 题 目 基于磁电传感器的电机转速自动检测系统设计 学 生 学 院 怀德学院 专业班级 电气 校内指导教师 专业 技术职务 二 XX 年 月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
2、，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，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 II Design of automatic motor speed detection system based on magnetoelectricity sensor Abstract： In engineering practice, we o
3、ften encounter the situation of speed measurement, therefore, speed measurement 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 des
4、igned amplifier circuit,will amplify the voltage signal of magnetoelectric 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
5、 scheme, experiment steps, and discuss the appropriate measurement method. 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 a
6、nd running, analyze the results of experimental. This design mainly used 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 performan
7、ce,etc. Key words： Speed measurement； Magnetic sensors;single chip microcomputer; LCD display III 摘要 目次 1 绪论 1 1.1 课题研究的目的和意义 1 1.2 磁电传感器的研究现状及发展趋势 1 1.3 电机转速自动检测的研究现状及发展趋势 2 1.4 转速测量主要内容 3 2 转速测量系统的总体方案 3 2.1 电机测速的方案 3 2.2 电机转速测量台装置示意图 3 2.3 软件设计思路 4 3 系统硬件设计 5 3.1 转速测量原理 5 3.1.1 测频法“ M 法” 5 3.1.2
8、测周期法“ T 法” 6 3.1.3 测频测周法“ M/T 法” 6 3.1.4 转速测量系统中应用的方法 7 3.2 磁电传感器的简介 7 3.2.1 磁电感应 8 3.2.2 磁电传感器结构 8 3.2.3 磁电传感器的应用 9 3.2.4 二次电路原件 9 3.3 单片机及其接口的设计 11 3.3.1 STC12C5A60S2 单 片机简介 11 3.3.2 复位电路 14 3.3.3 时钟电路 14 3.3.4 显示电路 15 3.3.5 按键电路 17 3.3.6 报警电路 17 4 硬件调试和软件设计 18 4.1 硬件调试 18 4.1 单片机转速程序设计思路及过程 19 4.
9、2.1 单片机程序设计思路 19 4.3 子程序的设计 20 4.3.1 单片机转速 计算程序 20 4.3.2 二 -十进制转换程序 20 4.3.3 显示程序 21 5 转速测量系统的转速分析 23 5.1 测速范围 23 5.2 测速误差 24 IV 5.3 测速分 析 25 5.4 故障分析与解决方案 26 参考文献 28 致谢 29 附录 A 30 附录 B 31 附录 C 32 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
10、。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。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
11、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。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
12、、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
13、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。 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
14、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
15、)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
16、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。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
17、。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
18、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，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 结常州大学本科生毕业设计 第 3 页 共 36 页 合
19、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。
20、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
21、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 磁电传感器测量电机转速的安装示意图如图 2 所示，被测 电机主轴通过联轴器连接LCD 显示 报警器 单 片 机 电机转速信号采集 电机 二次电路 常州大学本科生毕业设计 第 4 页 共 36 页 一安装 12 只磁钢电机转盘平台，电机转动过程中，电机转盘平台随电机一起转动，电机旋转一周有 12 次磁钢与磁
22、电传感器测头相对，根据磁电传感器的工作原理，电机旋转一周使磁电传感器的输出电压变化 12 次，转速和磁电传感器输出电压变化频率的关系是 n=60*f/12。 图 2 磁电转速传感器安装示意图 电机转盘平台由电机的转动而运转，平台上有 12 个磁钢，如图 3 所示。磁电传感器的测头通过对 12 个磁钢的旋转的测量，产生变化的电压正弦信号。 图 3 电机转盘平台和磁钢 2.3 软件设计思路 软件需要解决 的是定时器 0 的记数和外部中断 0 的设定、由于测量的转速范围大，所以低速和高速都要考虑在内，关键在于一个四字节除三字节程序的实现。显示部分、需要有一个二进制到十进制的转化程序，以及转换成非压缩
23、 BCD 的程序后、才能进行调用查表程序送到显示。 PC 机串口和单片机串行口的工作方式，包括串行口的通讯速率、奇偶校验位、停止位等均由通信部分的软件部分实现。 软件工作流程： 磁电传感器利用磁电效应产生一周期脉冲向单片机的外部中断 0（ P3.2）口发送一个中断信号，定时器工作在内部定时， TH0、 TL0 设定初值为 0，作为除数的低两字 节，利用软件记数器、定时器 0 中断的次数作为除数高字节。中断完毕读取内部记数值作为除数，调用除法程序计算转速，再对二进制数进行一系列变换后调用查表显示程序，显示在 LCD 上。 转速部分软件设计思路： STC12C5A60S2单片机的 P2.0口接收传
24、感器的信号。主要常州大学本科生毕业设计 第 5 页 共 36 页 编写一个外部中断服务程序 INT_0，读取记数值的三个字节，并再次清 0记数初值以便下次的记数和计算。调用两字节二进制 -三字节十进制（ BCD）转换子程序 BCD，再调用十进制转换成非压缩 BCD程序 CBCD、最后调用查表程序送显示。为了和 PC通信，系统要求单片 机晶振 11.0592MHZ。软件的具体设计我们将在下面的章节中作详细介绍。 3 系统硬件设计 3.1 转速测量原理 在实时控制中的应用，数字测速方案必须在很短的检测时间内有高分辨率和高精度的特征。转速的测量有三种方法，三种方法各有各的特点。其中，最常用的数字方法
25、被称为 T 法 , M 法 , 和 M/T 法 9 。 3.1.1 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 4M法测量转速脉冲所示，设在时间 T 内，转轴转过的弧度数为 X，则转速 n 可由下式表示： n= TX260 (3-1) 转轴转过的弧度数 X 可用下式所示 m1 Xpm12(3-2) 图 4 “M”法测量转速脉冲 将（ 3-2）式代入（ 3-1）式得 转速 n 的表达式为： n= TPm160 （ 3-3） 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。
