1、 测控系统原理与设计 课程设计 姓名： 学号： 课程设计题： 电机转速测量系统设计 指导老师： 华东交通大学课程设计 目 录 1 设计任务书 .1 2 设计题目 .2 3 系统介绍 .2 4 系统设计方案 .2 4.1 方案论证与选择 .3 4.1.1 转速测量的方法 .3 4.1.2 整体控制方式 .3 4.1.3 传感器模块 .3 4.1.4 显示模块 .4 4.2 方 案描述 .5 5 系统理论分析与计算 .5 5.1 信号采集电路的分析 .5 5.2 电机转速的计算 .6 6 硬件电路设计 .7 6.1 单片机模块 .7 6.1.1 STC89C52 单片机简介 .错误 !未定义书签。
2、 6.1.2 时钟电路 .8 6.1.3 复位电路 .9 6.2 显示电路 .9 7 软件设计 . 10 7.1 系统总体设计 . 10 7.2 中断子程序设计 . 11 7.3 定时子程序设计 . 11 7.4 显示子程序设计 . 12 8 测试方案 . 12 8.1 电路调试 . 12 电机转速测量系统设计 8.1 软件调试 . 12 9 心得体会 . 13 10 参考文献 . 15 11 附录 . 16 附录一 电路仿真图 . 16 附录二 程序清单 . 16 附录三 电路图 . 22 附录四 实物图 . 23 电机转速测量系统设计 1 1 设计任务 一、 总要求 能够独立进行系统方案的
3、设计及论证，设计合理的接口 电路 、控制 电路 、主机电路等 ，以及合理选择 有关 元器件 及正确使用相关工具与仪器设备 ，设计接口程序 、 控制算法程序 以及主程序等 ，并且 能结合实际调试与实验 进行有关精度分析与讨论 。 二、 总任务 针对总要求进行原理及方案论证、系统设计、接口电路设计 、焊接或插接与 调试、控制与系统 程序设计、精度分析 以及撰写报告 等工作。 三、 设计题目 电机转速测量系统设计 四、设计内容 (1)用光电发射接受元件设计电机转速测量系统 (2)设计发射电路与接受电路，与微机接口电路 (3)将整个检测系统进行相关实验室调试，并进行分析与相关计算等 五、 设 计进度
4、或计划 1、准备及查阅资料 （一天） 2、方案设计及论证（总体方案、硬件及软件方案） （二天） （ 14 周三要查看各人设计方案或论文提纲） 3、硬件电路设计、画图（ PROTEL）及实验室调试 （四天） （ 15 周五要查看各人实物或论文初稿） 4、软件设计、编程及调试（三天） 5、系统联调及结果分析 （二天） 6、整体准备答辩（二天） （ 16 周五全天答辩） 六 、 设计说明书包括的主要内容 1、 目录 2、 设计任务 书 3、 设计题目 4、 序言（可包括系统 工作原理 的介绍等） 5、 方案设计及论证 （可先进行总体方案设计与论证；再分模块进行方案设计与论证；各模块设计中应包括适当的
5、精度分析及选型等） 华东交通大学课程设计 26、实验或 系统调试 （可包括实验调试工具仪器、实验结果及适当的 分析 等） 7、 心得体会 8、 主要参考文献 另：撰写格式应符合一定的要求，请参照华东交通大学本科生毕业论文撰写规范进行。 七、考核方法 考核根据学生平时学习态度（含出勤率） 20%、设计完成情况（ 样机） 50%、图纸及 说明书质量 （含答辩） 30%等 确定。 八、装定要求 装入统一的资料袋中，报告装定好，顺序：封面，目录，设计任务书，正文，参考文献，附录等。 2 设计题目 电机转速测量系统设计 3 系统介绍 转速的测量原理有两种：对于较高的转速，记录单位时间内的转速或角度，即频
6、率测量法；对于较低的转速，记录每转所用的时间或没特定角度多用的时间，即周期测量法。因为本系统测量对象为直流电动机，转速较高，所以选择频率测量法，即在固定的测量时间内，对传感器产生的脉冲进行计数，从而算出实际转速。假设测量时间为 Tc（ min），脉冲个数为 P，光码盘的小孔个数为 m，则可算出实际 转速 N（ r/min）为： Tc)n/(PN= 60 当采样周期为 1s，光码盘开孔数为 4 个时，其实际转速 N 为： 460 P/N= 本设计中采用光电传感器采集信号，方便了信号的采集，也提高了测量的精度，但容易受外界光线和环境的干扰，编码盘与电机转轴的固定连接，都是本设计的难点。用 1602
7、LCD 的数码管以动态扫描清晰的显示了实时的转速，程序的编写成了本设计的重点。 4 系 统设计方案 本系统主要由单片机模块、传感器模块以及显示模块组成，下面分别论述这几个模块的选择。 电机转速测量系统设计 3 4.1 方案论证与选择 4.1.1 转速测量的方法 方案一：测周期法 (T 法 ) 它是测量光电脉冲发生器所产生的相邻两个转速脉冲信号的时间来确定转速。相邻两个转速脉冲信号时间的测量是采用对已知高频脉冲信号进行计数来实现的。在极端情况下 ， 时间的测量会产生 1 个高频脉冲周期 ， 因此 T 法在被测转速较低 (相邻两个转速脉冲信号时间较大 )时 ， 才有较高的测量精度 ， 所以 T 法
8、适合于低速测量 。 方案二：测频法 (M 法 ) 在规定的检测时间内 ， 检测光电脉冲发生器所产生的脉冲信号的个数来确定转速。虽然检测时间一定 ,但检测的起止时间具有随机性 ， 因此 M 法测量转速在极端情况下会产生 1 个转速脉冲的误差。当被测转速较高或电机转动一圈发出的转速脉冲信号的个数较大时 ， 才有较高的测量精度 ， 因此 M 法适合于高速测量。 方案三：频率 /周期法 (M/T 法 ) 它是同时 测量检测时间和在此检测时间内光电脉冲发生器所产生的转速脉冲信号的个数来确定转速。由于同时对两种脉冲信号进行计数 ， 因此只要 “同时性 ”处理得当 ,M/T 法在高速和低速时都具有较高的测速
9、精度。由于 M/T 法可在整个速度范围内获得高分辨率 ， 可在不损失精度和分辨率的前提下获得快速响应 。 本次设计采用 测频 法 。 4.1.2 整体控制方式 方案一：采用集成电路控制方式 光电传感器感受到光信号并转换成电信号，此时的电信号为模拟信号，经信号处理电路滤除干扰，并转换成能被计数器接受的方波信号或脉冲信号，再经过计数、译码、显示 电路，由数码管显示转速。可实现功能，但电路较复杂，系统调试也较繁杂。 方案二：采用单片机模块控制方式 单片机模块接收脉冲信号，进行计数、处理，把数据传送 给 LCD 显 示模块，达到实时检测和反馈的功能。基于单片机的转速测量系统，具有硬件电路简单，程序简单
10、和运算速度快，测速范围广，抗干扰性能好的特点。 综合以上两种方案，选择方案二。 4.1.3 传感器模块 方案一：采用红外传感器 华东交通大学课程设计 4红外传感器是利用红外线的物理性质来进行测量的传感器，为反射式。红外线传感器测量时不与被测物体直接接触，因而不存在 摩擦，并且有灵敏度高，反应快等优点。但红外线的发射、接收不好控制，而且容易受到外界光线和环境的干扰。 方案二：采用霍尔传感器 霍尔传感器是根据霍尔效应原理制成的霍尔元件。传感器的定子上有 2个互相垂直的绕组 A 和 B，在绕组的中心线上粘有霍尔片 HA 和 HB，转子为永久磁钢，霍尔元件 HA 和 HB 的激励电机分别与绕组 A 和
11、 B 相连，它们的霍尔电极串联后作为传感器的输出。 采用霍尔传感器在信号采样的时 图 1 霍尔转速传感器结构图 候，会出现采样不精确，因为它是靠磁性感应才采集脉冲 的，使用时间久了会出现磁性变小，影响脉冲的采样精度。 方案三：采用光电传感器 光电传感器是通过把光强度的变化转换成电信号的变化来实现控制的。光电传感器在一般情况下，有三部分构成，它们分为：发送器、接收器和检测电路。发送器对准目标发射光束，发射的光束一般来源于半导体光源，发光二极管(LED)、激光二极管及红外发射二极管。光束不间断地发射，或者改变脉冲宽度。接收器有光电二极管、光电三极管、光电池组成。在接收器的前面，装有光学元件如透镜和
12、光圈等。在其后面是检测电路，它能滤出有效信号和应用该信号。 此外，光电开关的结构元件中还有发射板和光导纤维。三角反射板是结构牢固的发射装置。它由很小的三角锥体反射材料组成，能够使光束准确地从反射板中返回，具有实用意义。 图 2 光电传感器原理示意图 综合以上 3 种方案，选择方案三。 4.1.4 显示模块 方案一：用数码管动态显示，可以显示数字，但显示的内容有限，接线繁 多，且不能连续显示字符，有一定局限性。 方案二：采用 LED 点阵显示，能动态扫描，变换颜色，但体积比较大，需电机转速测量系统设计 5 要很多点阵组合使用，显示较为繁琐，但需要的 I/O 资源较多，影响总体布局。 方案三：采用
13、 LCD 液晶显示，显示内容最丰富，不仅编程灵活，显示可靠，而且电路简单，易与单片机连接，明亮对比度可调，显示非常清晰，是一种非常好的方案。 综合以上，选择方案三。 4.2 方案描述 本设计主要用 STC89C52 单片机作为控制核心，由光电传感器、 LCD 动态显示屏构成。 STC89C52 单片机接收光 电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 LCD 显示，使能实时读出电机的转速。 图 3 系统总体方框图 5 系统理论分析与计算 5.1 信号采集电路的分析 采集光信号的电路原理图如图 4 所示： 图 4 采集光信号的电路原理图 在图中， U3
14、为槽型光耦，它的左端是发光二极管，因为发光二极管的驱动光电传感器 信号调理 显示电路 STC89C52 单片机 华东交通大学课程设计 6电流为 520mA，所以设置 R2 的值为 500 ，同理设置，光电接收晶体管的下拉电阻即 R3 为 10K 。光耦的输出端用三极管进行电压放大，为使 T1 输出的电平为 TTL 电平，将 R5 和 R4 的阻值设定为 1K 。 该部分设计采用了红外光电传感器，进行非接触式检测。当有物体挡在红外光电发光二极管和高灵敏度的光电晶体管之间时，传感器将会输出一个低电平，而当没有物体挡在中间时，则输出高电平，从而形成一个脉冲。系统在光电传感器收发端之间加上电动机，并在
15、电动机转轴上安装一转盘。在这个转盘的边沿处挖若干个圆形通光孔，把传感器的检测部分放在圆孔的圆心位置。每当转盘旋转时，传感器将输出若干个脉冲。把这些脉冲通过放大整形成单片机可以识别的TTL 电平，即可计算出轮子的转速。 转盘的圆孔的个数决定了测量的精度，个数越多，精度越高。这样就可以再单位时间里尽可能多地得到脉冲数。从而避免了因为两个过孔之间距离过大，而正好在过孔之前或者是在下一个过孔之前就停止了，造成较大的误差。设计中转盘的圆孔的实际个数受到技术限制。为了达到预定的效果设计，在转盘过孔的设计上采用 4 个过孔，再通过软件对采集的数据进行计算。 图 5 光码盘 5.2 电机转速的计算 在编程时让
16、单片机每隔一秒记录一次接收到的脉冲总数，然后根据如下计算电机的转速 T ) N /(Pn= 60 (1) n：电机转速 T：采样周期 N：采样周期 T 内光脉冲个数 P：光码盘开孔的总数 当采样周期为 1 秒时，转速 f/P n= 60 （ 2） f： 1 秒内采集到的光脉冲个数 电机转速测量系统设计 7 6 硬件电路设计 6.1 单片机模块 单片微型计算机简称单片机，它把组成微型计算机的各个功能部件：中央处理器 CPU、随机存取存储器 RAM、只读存储器 ROM、可编程存储器 EPROM、并行及串行输入输出 I/O 接口电路、定时器 /计数器、中断控制器等部件集成在一块半导体芯片上，构成一个
17、完整的微型计算机。 6.1.1 STC89C52 单片机简介 STC89C52 是 STC 公司生产的一种低功耗、高性能 CMOS8 位微控制器，具有 8K 在系统可编程 Flash 存储器。 STC89C52 使用经典的 MCS-51 内核，但做了很多的改进使得芯片具有传 统 51 单片机不具备的功能。在单芯片上，拥有灵巧的 8 位 CPU 和在系统可编程 Flash，使得 STC89C52 为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。 具有以下标准功能： 8k 字节 Flash， 512 字节 RAM， 32 位 I/O 口线， 看门狗定时器 ，内置 4KB EEPROM， MAX810 复位电路， 3 个 16 位 定时器 /计数器，4 个外部中断，一个 7 向量 4 级中断结构（兼容传统 51 的 5 向量 2 级中断结构），全双工 串行口 。另外 STC89C52 可降至 0Hz 静态逻辑操作，支持 2 种软件可选择 节电模式。空闲模式下， CPU 停止工作，允许 RAM、定时器 /计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下， RAM 内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。最高运作频率 35MHz， 6T/12T可选。 图 6 单片机管脚图 VCC：供电电压 GND：接地
