1、 第 1 页 共 43 页基于单片机的转速测量系统设计【摘要】 介绍了一种基于 AT89C51 单片机平台,采用光电传感器实施电机转速测量的方法,硬件系统包括脉冲信号产生、脉冲信号处理和显示模块,并采用 C 语言编程,结果表明该方法具有简单、精度高、稳定性好的优点。介 绍了该测速法的基本原理、实现步骤和软硬件设计【关键词】转速测量; 单片机; 光电传感器；电机；脉冲。第 2 页 共 43 页1.概述1.1 数字式转速测量系统的发展背景目前国内外测量电机转速的方法很多，按照不同的理论方法，先后产生过模拟测速法(如离心式转速表、用电机转矩或者电机电枢电动势计算所得)、同步测速法(如机械式或闪光式频
2、闪测速仪)以及计数测速法。计数测速法又可分为机械式定时计数法和电子式定时计数法。传统的电机转速检测多采用测速发电机或光电数字脉冲编码器，也有采用电磁式(利用电磁感应原理或可变磁阻的霍尔元件等 )、电容式(对高频振荡进行幅值调制或频率调制)等，还有一些特殊的测速器是利用置于旋转体内的放射性材料来发生脉冲信号其中应用最广的是光电式，光电式测系统具有低惯性、低噪声、高分辨率和高精度的优点加之激光光源、光栅、光学码盘、CCD 器件、光导纤维等的相继出现和成功应用，使得光电传感器在检测和控制领域得到了广泛的应用。而采用光电传感器的电机转速测量系统测量准确度高、采样速度快、测量范围宽和测量精度与被测转速无
3、关等优点，具有广阔的应用前景。1.2 本设计课题的目的和意义在工程实践中,经常会遇到各种需要测量转速的场合, 例如在发动机、电动机、卷扬机、机床主轴等旋转设备的试验、运转和控制中,常需要分时或连续测量和显示其转速及瞬时转速。要测速，首先要解决是采样问题。在使用模技术制作测速表时，常用测速发电机的方法，即将测速发电机的转轴与待测轴相连，测速发电机的电压高低反映了转速的高低。为了能精确地测量转速外,还要保证测量的实时性,要求能测得瞬时转速方法。因此转速的测试具有重要的意义。这次设计内容包含知识全面，对传感器测量发电机转速的不同的方法及原理设计有较多介绍，在测量系统中能学到关于测量转速的传感器采样问
4、题，单片机部分的内容，显示部分等各个模块的通信和联调。全面了解单片机和信号放大的具体内容。进一步锻炼我们在信号采集，处理，显示发面的实际工作能力。第 3 页 共 43 页2.转速测量系统的原理2.1 转速测量方法转速是指作圆周运动的物体在单位时间内所转过的圈数,其大小及变化往往意味着机器设备运转的正常与否,因此,转速测量一直是工业领域的一个重要问题。按照不同的理论方法,先后产生过模拟测速法(如离心式转速表) 、同步测速法(如机械式或闪光式频闪测速仪) 以及计数测速法。计数测速法又可分为机械式定时计数法和电子式定时计数法。本文介绍的采用单片机和光电传感器组成的高精度转速测量系统,其转速测量方法采
5、用的就是电子式定时计数法。对转速的测量实际上是对转子旋转引起的周期脉冲信号的频率进行测量。在频率的工程测量中,电子式定时计数测量频率的方法一般有三种：测频率法:在一定时间间隔 t 内,计数被测信号的重复变化次数 N ,则被测信号的频率fx 可表示为f x =Nt(1)测周期法:在被测信号的一个周期内,计数时钟脉冲数 m0 ,则被测信号频率 fx = fc/ m0 ,其中, fc 为时钟脉冲信号频率。多周期测频法:在被测信号 m1 个周期内, 计数时钟脉冲数 m2 ,从而得到被测信号频率 fx ,则 fx 可以表示为 fx =m1 fcm2, m1 由测量准确度确定。电子式定时计数法测量频率时,
6、其测量准确度主要由两项误差来决定:一项是时基误差; 另一项是量化1 误差。当时基误差小于量化1 误差一个或两个数量级时,这时测量准确度主要由量化1 误差来确定。对于测频率法,测量相对误差为：Er1 =测量误差值实际测量值 100 % =1N100 % (2)由此可见,被测信号频率越高, N 越大, Er1 就越小,所以测频率法适用于高频信号(高转速信号 ) 的测量。对于测周期法,测量相对误差为：Er2 =测量误差值实际测量值 100 % =1m0100 % (3)对于给定的时钟脉冲 fc , 当被测信号频率越低时 ,m0 越大, Er2 就越小,所以测周期法适用于低频信号(低转速信号) 的测量
7、。对于多周期测频法,测量相对误差为：第 4 页 共 43 页Er3 =测量误差值实际测量值 100%=1m2100 % (4)从上式可知,被测脉冲信号周期数 m1 越大, m2 就越大,则测量精度就越高。它适用于高、低频信号(高、低转速信号) 的测量。但随着精度和频率的提高 , 采样周期将大大延长,并且判断 m1 也要延长采样周期,不适合实时测量。根据以上的讨论,考虑到实际应用中需要测量的转速范围很宽,上述的转速测量方法难以满足要求,因此,研究高精度的转速测量方法,以同时适用于高、低转速信号的测量,不仅具有重要的理论意义,也是实际生产中的需要。2.2 转速测量原理一般的转速长期测量系统是预先在
8、轴上安装一个有 60 齿的测速齿盘,用变磁阻式或电涡流式传感器获得一转 60 倍转速脉冲,再用测频的办法实现转速测量。而临时性转速测量系统,多采用光电传感器,从转轴上预先粘贴的一个标志上获得一转一个转速脉冲,随后利用电子倍频器和测频方法实现转速测量。不论长期或临时转速测量,都可以在微处理器的参与下,通过测量转轴上预留的一转一齿的鉴相信号或光电信号的周期,换算出转轴的频率或转速。即通过速度传感器,将转速信号变为电脉冲,利用微机在单位时间内对脉冲进行计数,再经过软件计算获得转速数据。即:n=N/ (mT) (1)n 转速、单位:转/ 分钟;N 采样时间内所计脉冲个数;T采样时间、单位:分钟;m 每
9、旋转一周所产生的脉冲个数(通常指测速码盘的齿数 ) 。如果 m=60, 那么 1 秒钟内脉冲个数 N 就是转速 n, 即:n=N/ (mT) =N/60 1/60=N (2)通常 m 为 60。在对转速波动较快系统或要求动态特性好而精度高的转速测控系统中,调节周期一般很短,相应的采样周期需取得很小,使得脉冲当量增高,从而导致整个系统测量精度降低,难以满足测控要求。提高采样速率通常就要减小采样时间 T, 而 T 的减小会使采到的脉冲数值 N 下降,导致脉冲当量(每个脉冲所代表的转速 ) 增高,从而使得测量精度变得粗糙。通过增加测速码盘的齿数可以提高精度,但是码盘齿数的增加会受到加工工艺的限制,同
10、时会使转速测量脉冲的频率增高,频率的提升又会受到传感器中光电器或磁敏器或磁电器件最高工作频率的限制。凡此种种因素限制了常规智能转速测量方法第 5 页 共 43 页的使用范围。而采用本文所提出的定时分时双频率采样法,可在保证采样精度的同时,提高采样速率,充分发挥微机智能测速方法的优越性及灵活性。图 2.1 系统原理图 各部分模块的功能：传感器：用来对信号的采样。放大、整形电路：对传感器送过来的信号进行放大和整形，在送入单片机进行数据的处理转换。单片机：对处理过的信号进行转换成转速的实际值，送入 LEDLED 显示：用来对所测量到的转速进行显示。第 6 页 共 43 页3.系统方案提出和论证转速测
11、量的方案选择,一般要考虑传感器的结构、安装以及测速范围与环境条件等方面的适用性;再就是二次仪表的要求,除了显示以外还有控制、通讯和远传方面的要求。本说明书中给出两种转速测量方案，经过我和伙伴查资料、构思和自己的设计，总体电路我们有两套设计方案，部分重要模块也考虑了其它设计方法，经过分析，从实现难度、熟悉程度、器件用量等方面综合考虑，我们才最终选择了一个方案。下面就看一下我们对两套设计方案的简要说明。方案一： 霍尔传感器测量方案霍尔传感器是利用霍尔效应进行工作的？其核心元件是根据霍尔效应原理制成的霍尔元件。本文介绍一种泵驱动轴的转速采用霍尔转速传感器测量。霍尔转速传感器的结构原理图如图 3.1,
12、 霍尔转速传感器的接线图如图 3.2 。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 B 相连,它们的霍尔电极串联后作为传感器的输出。图3.1 霍尔转速传感器的结构原理图第 7 页 共 43 页图 3.2 方案霍尔转速传感器的接线图缺点：采用霍尔传感器在信号采样的时候，会出现采样不精确，因为它是靠磁性感应才采集脉冲的，使用时间长了会出现磁性变小，影响脉冲的采样精度。方案二： 光电传感器 整个测量系统的组成框图如图 3.3 所示。从图中可见,转子由一直流调速电机驱动,可实现
13、大转速范围内的无级调速。转速信号由光电传感器拾取,使用时应先在转子上做好光电标记,具体办法可以是:将转子表面擦干净后用黑漆(或黑色胶布) 全部涂黑,再将一块反光材料贴在其上作为光电标记,然后将光电传感器(光电头) 固定在正对光电标记的某一适当距离处。光电头采用低功耗高亮度 LED ,光源为高可靠性可见红光,无论黑夜还是白天,或是背景光强有大范围改变都不影响接收效果。光电头包含有前置电路，输出 05V 的脉冲信号。接到单片机 89C51 的相应管脚上，通过 89C51 内部定时/计时器 T0、T1 及相应的程序设计，组成一个数字式转速测量系统。第 8 页 共 43 页图 3.3 测量系统的组成框
14、图优点：这种方案使用光电转速传感器具有采样精确，采样速度快，范围广的特点。综上所述，方案二使用光电传感器来作为本设计的最佳选择方案。第 9 页 共 43 页4.系统硬件设计随着超大规模集成电路技术提高，尤其是单片机应用技术以及功能强大，价格低廉的显著特点，是全数字化测量转度系统得一广泛应用。出于单片机在测量转速方面具有体积小、性能强、成本低的特点，越来越受到企业用户的青睐。对测量转速系统的硬件和编程进行研究，设计出一种以单片机为主的转速测量系统，保证了测量精度。4.1 转速信号采集在设计中采用光电传感器采集信号，这种传感器是把旋转轴的转速变为相应频率的脉冲，然后用测量电路测出频率，由频率值就可
15、知道所侧转素值。这种测量方法具有传感器结构简单、可靠、测量精度高的特点。是目前常用的一种测量转速的方法。从光源发出的光通过测速齿盘上的齿槽照射到光电元件上，使光电元件感光。测速齿盘上有 30 个齿槽，当测速齿槽旋转一周，光敏元件就能感受与开孔数相等次数的光次数。对于被测电机的转速在 901700r/min 的来说,每转一周产生 30 个电脉冲信号,因此,传感器输出波形的频率的大小为： 45Hzf850Hz (1)测速齿盘装在发射光源(红外线发光二极管)与接收光源的装置(红外线接收二极管)之间,红外线发光二极管(规格 IR3401)负责发出光信号,红外线接收三极管(规格 3DU12)负责接收发出
16、的光信号,产生电信号,每转过一个齿,光的明暗变化经历了一个正弦周期,即产生了正弦脉冲电信号。图 4.1 所示为转速传感器电路，由于红外光不可见，无法用肉眼识别发光信号是否在工作，故将红外线的输出回路串接了一个普通光电二极管作为判别光源发生回路是否为通路。所选用的红外二极管 IR3401，在正向工作电流为 20mA 时,其导通电压为 1.21.5V,所选用的发光二极管的正向压降一般为 1.52.0V,电流为 10-20Ma。R的计算公式为： 12CUI计算得：Rmin=425 ；Rmin=465。设定中所选阻值为 430（RminRRmax） 。转速传感器输出电压幅度在 01.6mV 呈正弦波变
17、化,由此可见,红外线接收三极管的光信号转化为电信号的电压 Uo 很微弱(一般为 mV 量级),需要进行信号处理.第 10 页 共 43 页图 4.1 转速传感器电路图（1） 光电传感器是应用非常广泛的一种器件，有各种各样的形式，如透射式、反射式等，基本的原理就是当发射管光照射到接收管时，接收管导通，反之关断。以透射式为例，如图 4.1 所示，当不透光的物体挡住发射与接收之间的间隙时，开关管关断，否则打开。为此，可以制作一个遮光叶片如图 4.2 所示，安装在转轴上，当扇叶经过时，产生脉冲信号。当叶片数较多时，旋转一周可以获得多个脉冲信号。图 4.2 光电传感器的原理图 图 4.3 遮光叶片（2）选用的传感器型号为 SZGB-3（单向）SZGB-3 型传感器特点介绍如下： 1)供单向计数器使用，测量转速和线速度.2)采用密封结构性能稳定.3）光源用红外发光管，功耗小，寿命长.
