1、兰州交通大学毕业设计文献综述题目：基于单片机的电机转速测量系统Title:Motor speed measuring system based on single chip microcomputer姓名：韦宝芸 学号：201203563 班级：机设1202班 摘 要本文首先叙述了单片机测量转速的系统构成及转速测量的几种常用方法，分析了相应方法在测量上的特点、误差和计算。其次，针对特定的应用环境，设计出一种基于 80C51单片机的全数字式测速系统，详细阐述了系统的工作原理，指出产生误差的可能原因，并给出了具体解决的方法；根据系统要求编制了源程序，分析其工作流程。最后，对构建的系统利用仿真机进行
2、调试，对测量指标进行了分析、比较并提出改进方案。关键词：单片机、转速、测量精度AbstractThis paper first discussed some ways for rotary speed measure. It analyzed characters and errors of these ways. Second, it designed full digital measure system based on a Single-Chip Microprocessor(80C51) responding to special application, stated the wo
3、rking theory of the system and the methods to solve the errors, writed the working programmes by A51 assemble language. Finally, this system implementation was confirmed by using of Keil-51 simulator. The characters on the error margin and accuracy was summarized.Keywords : Single-Chip Microprocesso
4、r、rotary speed 、measureprecision Keil-51 引言0、单片机测控系统 单片机可以构成各种工业控制系统、适应控制系统、数据采集系统等。在这个领域中，有不少是采用通用CPU单板机或通用计算机系统。随着单片机技术的发展，大部分都可以用单片机系统或单片机加通用机系统来代替。如气轮机电液调节系统、调速系统等。典型的应用系统是单片机要完成工业测控功能所必须具备的硬件结构系统，它包括系统扩展和系统配置两部分内容。整个系统由基本部分和测控增强部分及外设增强部分构成。基本部分是外围芯片的扩展及功能键盘、显示器配置，通过总线连接而成，测控增强部分主要是传感器接口与伺服驱动控制接
5、口。它们直接与工业现场相连，是干扰进入的主要通道，一般要采取隔离措施。对于数字量（频率、周期、相位、计数）的采集后可通过 I/O 口输入，数字脉冲可直接作为计数输入、测试输入、I/O 口输入或中断源输入进行事件计数定时计数、实现脉冲的频率、相位及计数测量。对于模拟量的采集，则应通过 A/D 变换后送入总线口，I/O 口或扩展 I/O 口，并配以相应的 A/D 转换控制信号及地址线。对于开关量的采集则一般通过 I/O 口或扩展 I/O口线。应用系统可根据任何一种输入条件或内部运行结果进行输出控制。开关量输出控制有时序开关、逻辑开关、信号开关阵列等，通常，这些开关量也是通过 I/O 口或扩展 I/
6、O 口输出。模拟量的输出常为伺服驱动控制，控制输出通过 D/A 变换后送入伺服驱动电路。1、 转速测量在国民经济中的应用转速测量的应用系统在工业生产、科技教育、民用电器等各领域的应用极为广泛，往往成为某一产品或控制系统的核心部分，其各种参数在不同的应用中有其侧重，但转速测量系统作为普遍的应用在国民经济发展中，有重要的意义。下面列举二例加以说明。1.1、 转速测量在调速系统中的应用直流电机具有良好的起、制动性能，易于在宽广范围内平滑调速，所以长期以来在要求调速指标较高的场合获得了广泛应用。随着电力电子技术和控制技术的发展，交流调速系统日趋完善，其性能可与直流调速系统相媲美，其变频调速的应用范围日
7、益扩大，但它的控制技术相对复杂，整个控制系统造价较高，在某些领域短时间内还难以取直流调速系统，调速系统便应运而生了。调速系统主电路线路简单，所用的功率元件少；开关频率高，可达到 10004000Z，电流易连续，谐波少，脉动小，电机损耗和发热都较小；低速性能好，稳态精度高，因而调速范围宽；调速系统频带宽，快速响应性能好，动态抗扰能力强；主电路元件工作在开关状态，导通损耗小，装置效率高；直流电源采用三相整流时，电网功率因数高，可广泛用于交通、工矿企业等电力传动系统中。转速测量部分本测量系统采用 89C51 单片机控制，利用霍尔元件由转速产生的脉冲，对转速进行测量，转速由单片机的 P0 口输出，同时
8、当电机转速超过设定值时，通过单片机的1 口输出信号，驱动响铃报警。性能特点：（1）89C51 配合晶体管的双极式可逆 PWM 变换器构成直流电机驱动系统，可获得高性能的调速性能指标（2）直流电机驱动系统结构简单，省去了复杂的换流装置，因此体积小，成本低，加之采用硬软件结合的微机控制方式，提高了系统的可靠性和抗干扰。（3）转速测量系统采用软件实现，动态显示容易，超限报警方便，提高了系统的灵活性。（4）由变换器构成直流电机驱动系统，可有效克服以往的直流调速中的谐波大、功率因数低的问题，是一种节能的调速方案。1.2、 变M/T法在风力发电机并网控制中的应用发电机叶轮吸收的功率，一部分用来克服叶轮旋转
9、的阻力矩，其余部分转变为电能。叶轮通过硬质齿面增速齿轮箱带动4极200kW异步发电机。主叶轮转速达到 40rpm时：发电机转速达到同步转速，应并入电网发电，发电机转速低于同步转速时应脱离电网。对合闸时具有大电流冲击特性的异步发电机来说，除采用软切入并网技术外，还应满足在同步转速点切入的严格要求。自然界的风速风向变化是难以预测的随机变量，加上叶轮转动时的巨大惯量和强电磁干扰。因此，风力发电机的安全并/脱电网是风机控制的关键技术。自动并/脱电网的主要根据是发电机的实时转速，采用准确、快速的转速测量方法尤为重要。用变M/T法测速以4个转速计数脉冲(m1=4)为一个测算周期。在风力发电机并入电网控制中
10、，变M/T法能够较好地满足并网对发电机转速的精度要求。同时，随着电机转速不断的提高，4个转速脉冲之间的时间总和相应减少，测算周期也相也就是应缩短，这也正好满足发电机并网时对转速测量快速性的要求。有效地防止了在高风速起动时，风机因超过并网而飞车造成的并网失败。2、 转速测量方法概述转速测量的方法有很多，根据工作原理可分为计数式、模拟式、同步式。计数式方法是用某种方式读出一定时间内的总转数；模拟式方法是测出由瞬时转速引起的某种物理量的变化；同步式是利用已知的频率与旋转体的旋转同步来测量转速，根据不同的转换方式，一般的转速测试可用机械式转速表、发电机式转速表以及频闪式测速表，但在有些情况下，其测量精
11、度，瞬时稳定度不能满足更高的要求，因此，在测量方法和传感器的选择上显得尤为重要。常用的传感器种类有光电传感器、电磁式传感器、电容式传感器等，而测量方法上有测量转速周期、转速频率等。就转速测量原理而言，大体可分为三大类，一是用单位时间内测得物体的旋转角度来计算速度，例如在单位时间内，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。
12、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地出第三种测量方法，即M/T法结合这两种方法的优点，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。3、 课题研究目的和意义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
13、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。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。因此，本课题的目的是：对各种测量转速的基本方法予以分析，针对不同的应用环境，利用 80C51 系列单片机设计一种全数字化测速系统，从提高测量精度的角度出发，分析讨论其产生误差的可能原因，为今后的实际使用提供借鉴。并从实际硬件电路出发，分析电路工作原理和软件流程，根据仿真情况提出修改方案和解决办法。课题以单片机
14、为中心，设计的全数字化测量转速系统，在工业控制和民用电器中都有较高使用价值。其可以应用于工业控制中的某一部分，如数控车床的电机转速检测和控制、水泵流量控制以及需要利用转速检测来进行控制的许多场合。如车辆的里程表、车速表等。其次该转速测量系统由于采用全数字化结构，因而可以很方便的和工业控制计算机进行连接，实行远程管理和控制，进一步提高现代化水平。并且，几乎不需做很大改变直接就能作为单独的使用产品。总之，转速测量系统的研究是一件非常有意义的课题。4、主要内容和存在的问题4.1、研究的主要内容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
15、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.根据单片机系统的设计原则，提出测量方案，构建硬件系统，分别对硬件系统的配置予以估计，使其能够对转速进行测量。同时分析接口电路，显示转速。3.对单片机定时计数器进行设置，设计和说明定时/计数器在“M”法测量中的作用和使用方法，讨论测量精度的问题。4.根据系统要求设置各控制字，用A51汇编语言编制程序，包括主程序流程，显示中断程序流程。并用软件的方法对计数和定时进行同步，力求在不增加硬件的条件下，使同
16、步达到满意的效果。5.利用Keil51软件的 u Vision2集成环境对系统对工作软件进行编译、调试和仿真。4.2、需解决的问题1单片机在系统运行过程中，中断设置问题。2系统硬件电路制作，调试。3监控程序及人机界面的设计。正文1、 单片机测量转速的基本方法转速是工程中应用非常广泛的一个参数，早期模拟量的模拟处理一直是作为转速测量的主要方法，这种测量方法在测量范围和测量精度上，已不能适应现代科技发展的要求。而随着大规模及超大规模集成电路技术的发展，数字测量系统得到普遍应用，利用单片机对脉冲数字信号的强大处理能力，应用全数字化的结构，使数字测量系统的越来越普及。在测量范围和测量精度方面都有极大的
17、提高。下面将测量系统作以下探讨。1.1、 测量系统的构成一般转速测量系统由转速信号的拾取、整形倍频、单片机、显示接口芯片（键盘）、驱动电路、显示几部分构成。1转速信号拾取转速信号拾取是整个系统的前端通道，目的是将外界的非电参量，通过一定方式转换成电量，这一环节可以通过敏感元件、传感器或测量仪表等来实现。方法如下：（1） 通过敏感元件拾取被测信号敏感元件体积小，可以根据用户及环境要求做成各种形状的探头，它能将被测的物理量变换成电流、电压，只要选择合适的元件参数。如 R、L、C 设计相应的电路，便能完成这种对应关系。这种方法设计难度大，信号稳定度差，在模拟处理系统中不宜采用。 （2） 通过传感器拾
18、取信号由专业人员将敏感元件和相应的测量电路、传递机构以适当的形式制成不同类型、不同用处的传感器，根据原理输出电量。该电量可以是模拟量或数字量，现代传感器还可以输出开关量，用于数字逻辑电路。（3） 通过测量仪表拾取被测信号目前有许多测量仪表用于各种测量中，有大信号输出、有 BCD 码输出等，但价格昂贵，专业性强，一般不适合通用系统。通用的转速测量系统大都采用一种俗称“码盘”的传感装置，将圆形的码盘固定在转轴上，码盘上有若干规则排列的小孔，用光电偶来输出电信号，以反映转速对应关系，即是将转轴的速度以脉冲形式反映出来，通常有两种形式：1)模拟量量化后经 A/D 转换，由数字量反映角度，供单片机计算处
19、理，得出转速。2)直接由脉冲来反应转轴的角度，用每转产生的脉冲经单片机处理得出转速。 2整形和倍频前向通道中，从传感器输出的信号必须转换成计算机输入要求的信号，由于信号调节电路与传感器的选择，现场干扰程度等，都会影响信号的质量。而脉冲信号的上升沿和下降沿对数字电路的触发尤为重要，若要将转速脉冲信号直接加到计数器或外部中断的输入端，并利用其上升沿来触发进行计数，则必须要求输入的信号有陡峭的上升沿或下降沿。处理方法上可以用触发器电路来整形。而倍频电路主要用于解决低转速时测量精度问题。及码盘的刻度误差而造成的精度下降问题。方法是在每转中增加脉冲的个数（码盘的线程数）来提高精度。但在高转速时，由于脉冲
20、个数的增加，限制了最高转速测量量程，这个问题可用单片机控制来动态处理解决，兼顾高低转速的测量精度。3单片机是整个测量系统的主要部分，担负对前端脉冲信号的处理、计算、以及信号的同步，计时等任务，其次，将测量的数据经计算后，将得到的转速值传送到显示接口中，用数码管显示数值。在本系统中考虑到计数的范围、使用的定时/计数器的个数及 I/O 口线，预选用 89C51 单片机。具体工作情况在后讨论。4驱动和显示 由于 LED 数码管具有亮度高、可靠性好等特点，工业测控系统中常用 LED 数码管作为显示输出。本系统也采用数码管作显示。LED 显示器是用发光二极管显示字段的，通常使用七段构成“日”字型和一只发
21、光二极管作为小数点，称八段数码显示器。其有两种驱动方式，共阴驱动和共阳驱动，共阴驱动是各段发光二极管的阴极连在一起，并将公共端接地，在共阳结构中，将各段发光二极管阳极连在一起，并将公共端接上+5V 电源，显示字符对应字型代码发光。1.2、 转速测量原理测 频 测 周 法 M / T 法 所谓测频测周法，即是综合了“T”法和“M”法分别对高、低转速具有的不同精度，利用各自的优点而产生的方法，精度位于两者之间。“ M/T”法采用三个定时/ 数器，同时输入脉冲脉、高频脉冲(由振荡器产生）、及预设的定时时间 进行定时和计数，m1反映转角，m2反映测速的准确时间，通过计算可得转速值n。该法在高速及低速时
22、都具有相对较高的精度。测速时间Td由脉冲发生器脉冲来同步，即Td等于m1个脉冲周期。从a点开始，计数器对m1和m2计数，到达 b点。预定的测速时间到，计算机发出停止计数的指令，因TC不一定正好等于整数个脉冲发生器脉冲周期，所以，计数器仍对高频脉冲继续数，到达c点时，脉冲发生器脉冲的上升沿使计数器停止，这样，m2就代表了m1个脉冲周期的时 间。 总结本文对单片机用于转速测量的理论、原理进行了系统的分析、比较，并对每种测量方法定性、定量的予以阐述，设计了显示接口电路和应用程序。以下从四个方面进行总结： 1硬件电路单片机用于转速测量种类较多，方法各有不同，在硬件设计上根据使用场合、功能和要求，采用的
23、电路也有差异，单片机有用80C51系列的80C31、80C51等并对其进行扩展，接口采用8155、8255等用于显示。本系统采用89C51单片机充分利用单片机内部自带的两个16位定时/计数器进行设计，较完全的开发了单片机自身的功能，接口利用了89C51的P0口具有较大的电流驱动能力的特点，未扩展驱动芯片，直接由单片机驱动，简化了硬件电路。有一定的实用价值和较高的性价比，可用于工业控制中的转速检测、民用电器及其他应用。2测量方法在测量原理上采用先进的M的测量方法，保证了高转速的测量中获得较高的精度。应用范围广泛，可通过扩展进行二次开发。 3程序调试本系统进行了全面的程序设计，显示程序、中断服务程
24、序和初始化程序，并对这些程序在u Vision2软件上进行编译和调试，可以运行和转换成HEX文件，通过编程器写入芯片中。基本达到了设计的要求。4改进方法和进一步的工作转速的定时时间长、短，其设定值是人为估计的，可以针对具体的应用，根据转速的实际情况来调整定时时间。下步工作能制作完整电路工作板，即硬件电路，用示波器测量其参数。更深入的分析其精度和误差。参考文献1.王军政电液伺服阀控马达速度闭环数字控制系统的应用研究第22卷第2期北京理工大学学报。2.电气传动自动化19卷第4期。3.刘保录基于单片机的电机综合参数测试仪设计第10卷第2期。4.冯夏勇宾鸿赞微机转速测量常用方法与精度分析电子与自动化1995第2期。5.何立民MCS-5系列单片机应用系统设计系统配置与接口技术北京航空航天大学出版社1990 .1。 6.聂小猛Keil Uv2用户手册。7.孙涵芳、徐爱卿单片机原理及应用北京航空航天大学出版社1996.4 。8.A51汇编语言设计。9.何立民单片机应用文集社北京航空航天大学出版1992.1 。10.朱家建单片机与可编程控制器高等教育出版社1998 .2 。11.刘清河硕士论文汽车电子组合仪表的研究哈尔滨工业大学。 平凡单片机。
