数字式转速测量系统设计方案

第 27 页 共页 1 数字式转速测量系统 设计方案 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、 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关等优点，具有广阔的应用前景。 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 27 页 共页 2 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 ,则被测信号的频率表示为 f x =) 测周期法 :在被测信号的一个周期内 ,计数时钟脉冲数 则被测信号频率 其中 , 时钟脉冲信号频率。 多周期测频法 :在被测信号 周期内 , 计数时钟脉冲数 从而得到被测信号频率 则 以表示为 m1 测量准确度确定。 电子式定时计数法测量频率时 ,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： 测量误差值实际测量值 100 % =1N 100 % (2) 由此可见 ,被测信号频率越高 , N 越大 , 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： 测 量误差值实际测量值 100 % =1100 % (3) 对于给定的时钟脉冲 当被测信号频率越低时 ,大 , 越小 ,所以测周期法适用于低频信号 (低转速信号 ) 的测量。对于多周期测频法 ,测量相对误差为： 测量误差值实际测量值 100%=1100 % (4) 从上式可知 ,被测脉冲信号周期数 大 , 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 第 27 页 共页 3 大延长 ,并且判断 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。 转速测量的方案选择 ,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： 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。 关式霍尔传感器使用说明书 产品图片 霍尔传感器的外形图和与磁场的作用关系 如右 第 27 页 共页 4 图所示 当霍尔元件以切割磁力线的方式相对磁钢运动 时 , 在霍尔输出端口就会有电压输出 , 所以霍尔 传感器和磁钢需要配对使用 . 测速原理 霍尔传感器检测转速示意图如下 . 在非磁材 料的圆盘边上粘贴一块磁钢 , 霍尔传感器固定在 圆盘外缘附近 . 圆盘每转动一圈 , 霍尔传感器便 输出一个脉冲 率 ,就可以得出圆盘的转速 . 同样道理 ,根据圆盘 (车轮 )的转速 ,再结合 圆盘的周长就是计算出物体的位移 . 如果要增加 测量位移的精度 ,可以在圆盘 (车轮 )上多增加几 个磁钢 . 备注 :当没有信号产生时 ,可以改变一 下磁钢的方向 ,霍尔对磁钢方向有要 求 有磁钢时 输出低电平 . 应用领域 电机的转速测量 ; 应用案例 1. 2. 电动自行车速度测量 ; 智能小车位移测量等 . 电气参数 输入电压 :工作电流 :20为常开型霍尔元件 . 霍尔转速传感器的结构原理图 如图 霍尔转速传感器的接线图如图 第 27 页 共页 5 图 尔转速传 感器的结构原理图 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。 第 27 页 共页 6 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。 744我们常用的芯片，用来驱动 者其他的设备，它是 8 路同相三态双向总线收发器，可双向传输数据。 74具有双向三态功能，既可以输出，也可以输入数据。 当 809片机 的 总线负载达到或超过 大负载能力时，必须接入74总线驱动器。 当片选端 /电平有效时， 0” ，信号由 B 向 A 传输 ;（接收） 1” ，信号由 A 向 B 传输；（发送）当 高电平时， A、 B 均为高阻态。 由于 始终输出地址的高 8 位，接口时 74三态控制端 1G 和 2G 接地， 与驱动器输入线对应相连。 与 74入端相连 ,E 端接地，保证数据线畅通。 89 / /与后接 得 效时， 741 ），其它时间处于输出（ 1 ）。 H 时， AB 第 27 页 共页 7 74我们常用的芯片，用来驱动 者其他的设备，它是 8 路同相三态双向总线收发器，可双向传输数据。 74具有双向三态功能，既可以输出，也可以输入数据。 当 8051 单片机的 总线负载达到或超过 大负载能力时，必须接入74总线驱动器。 当片选端 /电平有效时， 0” ，信号由 B 向 A 传输 ;（接收） 1” ，信号由 A 向 B 传输；（发送）当 高电平时， A、 B 均为高阻态。 由于 始终输出地址的高 8 位，接口时 74三态控制端 1G 和 2G 接地， 与驱动器输入线对应相连。 与 74入端相连 ,E 端接地，保证数据线畅通。 8051 的 / /与后接 得 效时， 741 ），其它时间处于输出（ 1 ）。 片机 绍 性能相对于 8051 已经算是非常优越的了。 不过在市场化方面， 89 到了 片机阵营的挑战， 89致命的缺陷在于不支持 线更新程序）功能，必须加上 能等新功能才能更好延续 传奇。 89是在这样的背景下取代 89，现在， 89前已经成为了实际应用市场上新的宠儿，作为市场占有率第一的 前公司已经停产 用 替。 对于 899增加很多功能，性能有了较大提升，价格基本不变，甚至比 89低！ 线编程功能，这个功能的优势在于 改写单片机存储器内的程序不需要把芯片从工作环境中剥离。是一个强大易用的功能。 高工作频率为 33家都知道 89极限工作频率是 24M，就是说 有更高工作频率，从而具有了更快的计算速度。 有双工 行通道。 部集成看门狗计时器，不再需要像 89样外接看门狗计时器单元电路。 数据指示器。 源关闭标识。 新的加密算法，这使得对于 89解密变为不可能，程序的保密性大大加强，这样就可以有效的保护 知识产权不被侵犯。 容性方面：向下完全兼容 51 全部字系列产品。比如 8051、 89等早期 容产品。也就是说所有教科书、网络教程上的程序（不论教科书上 第 27 页 共页 8 采用的单片机是 8051 还是 89是 等），在 89一样可以照常运行，这就是所谓的向下兼容。 特性 89工艺上进行了改进， 89用 工艺，成本降低 ,而且将功能提升 ,增 加了竞争力。 89以像下兼容 89 51 系列芯片。市场上见到的 89际都是 期生产的巨量库存而以。如果市场需要， 然也可以再恢复生产 片机是低功耗的、具有 4线课编程 储器的单片机。它与通用 80列单片机的指令系统 和引脚兼容。片内的 允许在线重新编程，也可使用非易失性存储器编程。他将通用 在线可编程 成在一个芯片上，形成了功能强大、使用灵活和具有较高性能性价比的微控制器。 有如下特性： 储器，允许在线编程，檫写周期可达1000 次； 28 字节的 口具有 32 根可编程 I/O 线； 6 位 I/O 线； 个中断源、 5 个终端矢量、 2 个 中断优先级的中断结构； 级程序锁定位； 电源电压为 电源电压为 0 第 27 页 共页 9 节和页编程模式）； 引脚功能 8 位、开漏极、双向 I/O 口。 可作为通用 I/O 口，但必须外接上拉电阻；作为输出口，每个引脚可 吸收 8 个 灌电流。作为输入时，首先应将引脚置 1。 也可用作外部程序存储器和数据存储器是的低八位地址 /数据 总线的复用线。在该模式下， 含有内部上拉电阻。 在程时， 接受代码 数据；在编程校验时， 输出代码字节数据（需要外接上拉电阻）。 8 位、双向 I/O 口、内部含有行拉电阻。 作为普通 I/O 口。输出缓冲器可驱动 4 个 载； 第 27 页 共页 10 用作输入时，先交引脚置 1，有片内上拉电阻将其抬到高电平。 的引脚可由外部负载拉倒低电平，通过上拉电阻提供拉电流。 在 行 编程和校验时， 可输入低字节地址。在串行编程和校验时， 别是串行数据输入、输出和移位脉冲引脚。 I/O 具有内部拉电阻的 8 位双向 I/O。 用作输出口时，可驱动四个 载；用作输入口时，先将引脚置 1，由内部上拉电阻将其提高到高电平。若负载为低电平，则通过内部上拉电阻向外输出电流。 问外部 16 位地址的存储器时， 提供高 8 位的地址。当 8 位地址寻址外部存储器时， 为 殊功能寄存器内容。 在 行编程和校检时， 可输入高字节地址和某些控制信号。 局有内部上拉电阻 8 位双向口。 左 忽出口时，输出缓冲器可吸收 4 个灌电流；用作输入口时，手先将引脚置 1，有内部上拉电阻抬为高电平。若外部负载是低电平，则通过内部上拉电阻向外输出电流。 在与 行编程和校检时， 可输入某些控制信号。 一种带 4K 字节闪烁可编程可擦除只读存储器（ 低电压，高性能 微处理器，俗称单片机。该器件采用 密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的令集和输出管脚相兼容。由于将多功能 8 位 闪烁存储器组合在单个芯片中， 一种高效微控制器，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。 最小系统的设计 位电路（图 ： 片机复位电路 是指 单片机的初始化操作。单片机启运运行时，都需要先复位，其作用是使 系统中其他部件处于一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作。因而，复位是一个很重要的操作方式。但单片机本身是不能自动进行复位的，必须配合相应的外部电路才能实现。 第 27 页 共页 11 图 复位 功能 ： 复位电路的基本功能是：系统上电时提供复位信号，直至系统电源稳定后，撤销复位信号。为可靠起见，电源稳定后还要经一定的延时才撤销复位信号，以防电源开关或电源插头分 单片机的复位是由外部的复位电路来实现的。片内复位电路是复位引脚 过一个斯密特触发器与复位电路相连，斯密特触发器用来抑制噪声，它的输出在每个机器周期的 复位电路采样一次。复位电路通常采用上电自动复位（如图 a)）和按钮复位 (如图 4.9(b)两种方式。 图 第 27 页 共页 12 单片机复位后的状态 : 单片机的复位操作使单片机进入初始化状态，其中包括使程序计数器 0000H，这表明程序从 0000H 地址单元开始执行。单片机冷启动后，片内 随机值，运行中的复位操作不改变片内 中的内容， 21 个特殊功能寄存器复位后的状态为确定值，见表 1。 值得指出的是，记住一些特殊功能寄存器复位后的主要状态，对于了解单片机的初态，减少应用程序中的初始化部分是十分必要的。 说明：表 4符号 *为随机状态 ： 表 4寄存器复位后状态 表 特殊功能寄存器 初始状态 特殊功能寄存器 初始状态 A B 0H 00H 00H 0H 00H 00H 0 P 7H 00H 00H *00000B 0*00000B 0H 00H 00H 不定 00H 0*B 00H，表明选寄存器 0 组为工作寄存器组； 07H，表明堆栈指针指向片内 7H 字节单元，根据堆栈操作的先加后压法则，第一个被压入的内容写入到08H 单元中； 明已向各端口线写入 1，此时，各端口既可用于输入又可用于输出 。 00000B，表明各个中断源处于低优先级； 000000B，表明各个中断均被关断； 系统复位是任何微机系统执行的第一步，使整个控制芯片回到默认的硬件状态下。 51 单片机的复位是由 脚来控制的，此引脚与高电平相接超过 24 个振荡周 第 27 页 共页 13 期后， 51 单片机即进入芯片内部复位状态，而且一直 在此状态下等待，直到 脚转为低电平后，才检查 脚是高电平或低电平，若为高电平则执行芯片内部的程序代码，若为低电平便会执行外部程序。 51 单片机在系统复位时，将其内部的一些重要寄存器设置为特定的值，至于内部 部的数据则不变。 振电路 晶振 （图 是晶体振荡器的简称，在电气上它可以等效成一个电容和一个电阻并联再串联一个电容的二端网络，电工学上这个网络有两个谐振点，以频率的高低分其中较低的频率是串联谐振，较高的频率是并联谐振。 片机内部有一个用于构成 振荡器的高增益反相放大器。引脚 个放大器与作为反馈元件的片外晶体谐振器一起构成一个自激振荡器。外接晶体谐振器以及电容 成并联谐振电路，接在放大器的反馈回路中。对外接电容的值虽然没有严格的要求，但电容的大小会影响震荡器频率的高低、震荡器的稳定性、起振的快速性和温度的稳定性。因此，此系统电路的晶体振荡器的值为 12容应尽可能的选择陶瓷电容，电容值约为 30 F。在焊接刷电路板时，晶体振荡器和电容应尽可能安装得与单片机芯片靠近，以减少寄生电容， 更好地保证震荡器稳定和可靠地工作。晶体振荡电路如图 3 晶振有一个重要的参数，那就是负载电容值，选择与负载电容值相等的并联电容，就可以得到晶振标称的谐振频率。 第 27 页 共页 14 图 最小系统的仿真 最小系统的仿真图 最小系统的仿真 附最小系统仿真程序如下： #10; /定义 / ) /延时函数 / i,j; i=255;i0;j=255;j0; ) ) ; / (); /返回延时函数 / ; /(); /反回延时函数 / 示部分设计 (1)许多电子产品上都有跳动的数码来指示电器的工作状态，其实数码管显示的数码均是由八个发光二极管构成的。每段上加上合适的电压，该段就点亮。 码有共阳和共阴两种，把这些 光二极管的正极接到一块（一般是拼成一个 8 字加一个小数点）而作为一个引脚，就叫共阳的，相反的，就叫共阴的，那么应用时这个脚就分别的接 再把多个这样的 8 字装在一起就成了多位的数码管了。 实物如图 码管 共阳型 （图 就是八个发光管的正极都连在一起 ，作为一条引线 段用于显示数字 ,字符的笔画 ,（ 示小数点），每一段控制 AG亮与来。 内部结构 : 图 阳型 阴型 （图 就是七个发光管的负极都连在一起 ，作为一条引线。 AG 段用 第 27 页 共页 16 于显示数字 ,字符的笔画 ,（ 示小数点），每一段控制 AG亮与来 . 内部结构 : 阴型 码管要正常显示，就要用驱动电路来驱动数码管的各个段码，从而显示出我们要的数字，因此根据数码管的驱动方式的不同，可以分为静态式和动态式两类。 静态显示驱动：静态驱动也称直流驱动。静态驱动是指每个数码管的每一个段码都由一个单片机的 I/O 端口进行驱动，或者使用如 二 态驱动的优点是编程简单，显示亮度高，缺点是占用 I/O 端口多，如驱动 5 个数码管静态显示则需要 58 40 根 I/O 端口来驱动，要知道一个 89片机可用的 I/O 端口才 32 个 呢：），实际应用时必须增加译码驱动器进行驱动，增加了硬件电路的复杂性。 动态显示驱动：数码管动态显示接口是单片机中应用最为广泛的一种显示方式之一，动态驱动是将所有数码管的 8 个显示笔划 a,b,c,d,e,f,g,同名端连在一起，另外为每个数码管的公共极 加位选通控制电路，位选通由各自独立的 I/O 线控制，当单片机输出字形码时，所有数码管都接收到相同的字形码，但究竟是那个数码管会显示出字形，取决于单片机对位选通 电路的控制，所以我们只要将需要显示的数码管的选通控制打开，该位就显示出字形，没有 选通的数码管就不会亮。通过分时轮流控制各个数码管的的 ，就使各个数码管轮流受控显示，这就是动态驱动。在轮流显示过程中，每位数码管的点亮时间为 1 2于人的视觉暂留现象及发光二极管的余辉效应，尽管实际上各位数码管并非同时点亮，但只要扫描的速度足够快，给人的印象就是一组稳定的显示数据，不会有闪烁感，动态显示的效果和静态显示是一样的，能够节省大量的 I/O 端口，而且功耗更低。 (2)段码表 表 4 码表 第 27 页 共页 17 表 4显示字符 共阴极段选码 共阳极段选码 显示字符 共阴极段选码 共阳极段选码 0 1 2 3 4 36H 56H 9H 0H 99H 5 6 7 8 9 67H 72H 82H 0H 90H （ 3）动态显示仿真（图 图 动态显示仿真图 动态显示程序： #第 27 页 共页 18 234; /显示 1234/ =0; m) i,j; i=m;i0;j=110;j0; 000; 000/100; 00/10; ge=0; P0= 0); ; P0= 0); ; P0= 0); ; P0= 0); ; 第 27 页 共页 19 硬件电路完成以后，进行系统软件设计。首先要分析系统对软件的要求，然后进行软件的总体的设计，包括程序的总体设计和对程序的模块化设计。按整体功能分为多个不同的模块，单独设计、编程、调试，然后将各个模块装配联调，组成完整的软件。 根据设计的要求，单片机 的任务是：内部进行计数，在计算出速度后显示。软件编程用 C 语言完成的，需要能掌握 C 语言，还要熟练 片机。从程序流程图、编写程序、编译，到最后的调试，是很复杂的。下面作简单介绍：系统软件主程序的功能是完成系统的初始化、显示程序。 程序初始化 （ 1） 两个定时器 /计数器 个定时器 /计数器均可设置成为 16位，也可以设置成为 13 位进行定时或计数。计数器的功能是对 来脉冲的进行计数，外部输入脉冲负跳变时，计数器进行加 1。 定 时功能是通过计数器的计数来实现的，每个机器周期产生 1 个计数脉冲，即每个机器周期计数器加 1，因此定时时间等于计数个数乘以机器周期。定时器工作时，每接收到 1 个计数脉冲（或机器周期）则在设定的初值基础上自动加 1，当所有位都位 1时，再加 1 就会产生溢出，将向 出定时器溢出中断身请。当定时器采用不同的工作方式和设置不同的初值时，产生溢出中断的定时值和计数值将不同，从而可以适应不同的定时或计数控制。 定时器有 4 种工作方式：方式 0、方式 2、方式 2 和方式 3，在此对工作方式不做具体介绍。 工作方式寄存器 设 定： ： 门控位，用于控制定时 /计数器的启动是否受外部中断请求信号的影响。 C/T：定时或计数方式选择位，当 C/T=1时工作于计数方式；当 C/T=0 时工作于定时方式。 工作方式选择位 ，用于对 四种工作方式， 三种工作方式进行选择，选择情况如下表 50 为方式 0;1 为方式 1； 第 27 页 共页 20 表 5 工作方式选择位 1 工作方式 方式说明 0 0 1 1 0 1 0 1 0 1 2 3 13 位定时 /计数器 16 位定时 /计数器 8 位自动重置定时 /计数器 两个 8 位定时 /计数器（只有 ） （ 2）中断允许控制 片机中没有专门的开中断和关中断指令，对各个中断源的允许和屏蔽是由内部的中断允许寄存器 各位来控制的。中断允许寄存器 字节地址为 以进行位寻址 . 表 5断位寻址表 7 5 3 1 S 断允许总 控位。 ，屏蔽所有的中断请求； ，开放中断。 时器 /计数器 溢出中断允许位 行口中断允许位。 时器 /计数器 溢出中断允许位。 部中断 中断允许位。 时器 /计数器 溢出中断允许位。 部中断 中断允许位。 第 27 页 共页 21 程序流程图