电气控制综合课程设计-基于单片机的转速测量.doc

西南石油大学 电气控制综合课程设计 电气控制综合课程设计基于单片机的转速测量教学院系电气信息工程学院完成日期2011年1月6日 摘要在工程实践中，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实验、运转、和控制中常需要测量和显示其转速。随着微型计算机的广泛应用。特别是高性能价格比的单片机的出现，转速测量普遍采用以单片机为核心的数字式测量方法，智能化微电脑代替了一般机械式或模拟式结构。 本文介绍了一种基于单片机平台，采用霍尔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;单片机;霍尔元件目录1绪论11.1设计背景11.2 设计目的11.3设计意义12整体方案设计22.1信号采集显示过程22.2单片机模块的设计及功能描述23 硬件设计43.1霍尔传感器43.2转速信号处理电路设计63.3 51单片机结构73.4数码管的连接93.5复位电路连接123.6按键电路连接123.7报警灯和蜂鸣器的连接134 软件设计144.1主流程图144.2利用单片机的片外计数器测量转速的程序流程144.3按键及报警流程图144.4按键流程图165结束语17实习心得17谢词18参考文献181绪论1.1设计背景 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最常用的是霍尔传感式，采用霍尔传感器来采集脉冲信号，通过片外计数器进行脉冲计数，硬件电路具有制作简单、成本低的特点，软件设计程序简单，整个系统稳定性好、测速精度高能较好地满足工业生产中对电机转速测量的要求。1.2 设计目的设计一个转速测量仪，能实时地显示当前点击轴的转速，能设置最高转速和最低转速并显示当前设置的转速，当实际转速高于设定的最高转速和低于最低转速时能产生报警，具有复位按钮。1.3设计意义 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。2整体方案设计2.1信号采集显示过程信号的采集用霍尔传感器，转速信盘由非磁材料制成,磁极数量为六十个,磁极为螺丝状,拧在信号盘上进行固定,每相邻两个磁极的极性相反,这样在转盘转动时,霍尔元件内就可以形成矩形脉冲信号。再对脉冲进行整型形成标准的脉冲信号，将整形后的脉冲信号输入单片机。利用单片机的计数、定时功能对脉冲信号进行分析，得到当前的转速。在4位led灯上显示当前的实时转速，并且显示最高转速或者最低转速，如果电机的实时转速高于设定的最高转速或者低于设定的最低转速，就会报警。报警电机 数码管显示霍尔传感器单片机整形器件 图2.1信号传输显示图2.2单片机模块的设计及功能描述从功能的需求考虑，整个单片机系统需包括以下模块：传感器信号输入、转速设置输入、复位输入、显示驱动、转速显示和报警模块。如图2.2所示。显示驱动转速显示 51单片机传感器转速设 置报警复位图2.2 系统框图 如下图所示：面板共采用8个数码管，分成2排。第一排显示当前的转速，第二排用于显示当前设置的转速极限。一个高速报警灯和一个低速报警灯。一个电源开关，一个复位按钮。4个设置转速的按钮。图2.3 控制面板 下面就按钮功能作详细说明：按下“h”按钮时显示设置的转速上限，此时按下“+”和“”按钮对当前显示数值进行更改。这样依次设置需要的转速上限，最后一位设置完后再按一次“h”按钮恢复全部显示，此时显示值为刚设置好的值。同理用“l”按钮对转速下限值进行设置。当实际转速超过设置的转速上限或者低于设置的最低转速相应的报警灯会闪烁。嗡鸣器会报警。按下复位按钮时，单片机会重新开始检测转速。3 硬件设计3.1霍尔传感器转速测量方法有频率法和周期法两种，这两种测速方法都是对脉冲进行测量，但测速范围都受到一定的限制：(1)频率法：在规定的检测时间内，测量计数脉冲个数。虽然检测时间一定，但检测的起止时间具有随机性，当被测转速较高或电动机转动一圈发出的转速脉冲信号个数较多时，才有较高的测量精度，并且测量准确度随转速的减小而降低，该方法适合于高速测量。(2)周期法：即测量信号发出脉冲个数所需的时间。该方法在被测转速较低(相邻两个转速脉冲信号间隔时间较大)时，才有较高的测量精度，其测量准确度随着转速的增大而降低，适于低速测量。用于电动机转速检测的传感器主要有两种：光电式和磁电式。以磁电式为例，电动机转速测量系统框图如图l所示。测速轮转动，使传感器磁路磁阻发生变化，磁通发生变化这样线圈中产生一个近似正弦状的脉冲信号，经过整形电路以方波信号的形式输入到单片机，处理后显示出来，实现转速的测量。精确地检测转速是提高控制精度的关键。为了满足误差要求测量时问尽可能地短提高测量精度.测量转速的方法又可分为模拟式和数字式两种。模拟式采用测速发电机为检测元件，得到的信号是模拟量。数字式通常采用光电编码器、圆光栅、霍尔元件等为检测元件，得到的信号是脉冲信号。但是采用光电编码盘测转速对环境要求很高,如果粉尘、油污比较严重,将大大降低测量的可靠性。用霍尔元件可以避免上述的不足,同时,霍尔传感器具有无触点、长寿命、高可靠性、无火花、无自激震荡、温度性能好,抗污染能力强、构造简单、坚固、体积小、耐冲击等特点。霍尔集成传感器可以节省硬件的支出,采用霍尔集成传感器的电动机转速测量装置可以同时实现对转速的大小和方向的测量, 霍尔转速传感器的应用优势主要有三个，一是霍尔转速传感器的输出信号不会受到转速值的影响，二是霍尔转速传感器的频率相应高，三是霍尔转速传感器对电磁波的抗干扰能力强，因此霍尔转速传感器多应用在控制系统的转速检测中。同时，霍尔转速传感器的稳定性好，抗外界干扰能力强，如抗错误的干扰信号等，因此不易因环境的因素而产生误差。霍尔转速传感器的测量频率范围宽，远远高于电磁感应式无源传感器。另外，霍尔转速传感器在防护措施有效的情况下，可以不受电子、电气环境影响。霍尔转速传感器的测量结果精确稳定，输出信号可靠，可以放油、防潮，并且能在温度较高的环境中工作，普通霍尔转速传感器的工作温度可以达到100。霍尔转速传感器的安装简单，使用方便，能实现远距离传输。因此,霍尔元件在转速测量领域有很广阔的应用空间。 霍尔传感器是基于霍尔效应的一种磁敏式传感器。用他可以检测磁场及其变化，可在各种与磁场有关的场合中使用。霍尔器件具有许多优点，它们的机构牢固，体积小，重量轻寿命长，安装方便，功耗小，频率高（可达1mhz），耐振动，不怕灰尘、油污、水汽及盐等的污染或腐蚀。 霍尔元件的精度高、线性度好：霍尔开关器件无触点、无磨损、输出波形清晰、无抖动、无回跳、位置重复精度高（可达um级）。取用了各种补偿和保护措施的霍尔器件的工作温度范围宽，可达-55至150。 本设计用霍尔元件作为检测元件,如图3.1.1所示为装有磁极的转速信号盘,转速信盘由非磁材料制成,磁极数量为六十个,磁极为螺丝状,拧在信号盘上进行固定,磁极的半径为1.5mm,信号盘的半径为55mm,磁极中心距盘的边为4.5mm,转轴的半径为12mm,每相邻两个磁极的极性相反,这样在转盘转动时,霍尔元件内就可以形成矩形脉冲信号。图3.1.1 安装磁极的转速盘图3.1.2所示为霍尔元件安装的模型图,图3.1.2 霍尔集成元件安装模型图霍尔集成元件a3421内有两片霍尔传感片其位置如图3.1.3所示。图3.1.3霍尔传感片位置示意图3.2转速信号处理电路设计 设计的转速信号处理电路包括信号放大电路、整形及三极管整形电路等。由于产生的电压信号量很小，所以要进行放大处理，一般要放大至少1000倍（60 db），然后再进行信号处理工作。信号放大装置选用运算放大器tl084作为放大电压放大元件，采用两级放大电路，每一级都采反向比例运算电路。所设计的电压放大倍数为3000倍。其中第一级放大倍数为30，第二级放大倍数为100。放大后的电压变化范围为04.8 v。tl084采用12 v双电源供电，由于电源的供电电压在一定范围内有幅值上波动，形成干扰信号。为起到消除干扰，实现滤波作用，故供电电源两端需接10f的电容接地，电容选择金属化聚丙乙烯膜电容。两级运放放大所采用的供电电源均采用此接法。当电阻取值过大时，一方面由于工艺等原因，电阻的稳定性差且噪声差；另一方面，当阻值与集成运放的输入电阻成等数量级时，所示的比例系数会发生较大变化，其值将不仅决定于反馈网络。使用阻值较小的电阻，达到较大的比例系数，这是实际应用的需要。所以选择的阻值的大小都较小，r5为10 k，r8（第二级放大电路的输入电阻）为5.1 k。整形电路的主要作用是将正弦波信号转化为方波脉冲信号，正弦波信号电压的最大幅值约为4.8v，最小幅值为0 v。整形电路设计的是一种滞回电压比较器，它具有惯性，起到抗干扰的作用。从反向输入端输入的滞回比较器。在整形电路的输入端接一个电容c7（103），起到的作用是阻止其它信号的干扰，并且将放大后的信号进行滤波，解耦。r11和r17(1)是防止电路短路，起到保护电路的作用。一次整形后的信号基本上为5 v的电平脉冲信号，在脉冲计数时，常用的是+5 v的脉冲信号。如果直接采用5 v的脉冲计数，会增加电路的复杂性，故一般不直接使用，而是先进行二次整形。图3.2转速信号处理电路第二次整形用三极管整形电路，当输出为5 v的信号时，三极管vt2（8050）的基射极和电阻r18组成并联电路电流经过r18、r17（2），三极管vt2处于反向偏置状态，所以，vt2的集射极未导通，故处于截止状态。电源回路由r19，三极管vt2的集射极组成，采用单电源+12 v供电，由于集射极截止，处于断路状态，故输出电压u0为12 v。当第一次整形输出为+5 v的信号时，三极管vt2基射极处于正向偏置状态，有电流ibe通过，故此时三极管的集射极处于通路状态。电源电流流经电阻r19，三极管的集射极到地端，由于集-射极导通时的电阻很小，可以忽略不计。电源电压降主要在r19上，其输出电压约为0 v。综上所述，三极管整形的电路的输入输出关系是：信号为5 v时，u0=+12 v；信号为+5 v时，u0=0 v。3.3 51单片机结构 mcs-51单片机是intel公司生产的功能比较强、价格比较低、功耗小的单片机，被广泛使用，因此这里选用8051单片机。mcs-51单片机拥有基于复杂指令集（cisc）的单片机内核，虽然其速度不快，12个振荡周期才执行一个单周期指令，但其端口结构为准双向并行口，可兼有外部并行总线，故使其扩展性能非常强大。51的内部硬件预设，可用特殊功能寄存器对其进行编辑。 8051 内部结构包括： 运算器、控制器、片内存储器、4个并行i/o口、串行口、定时器/计数器、中断系统、振荡器等功能部件。这些部件通过内部总线连接 起来，基本结构仍然是通用cpu 加上外围芯片的结构模式，但功能单元上的控制与先前相比有重大变化，采用了特殊功能寄存器（sfr ）进行集中控制的方法 。图3.3单片机结构示意图 p0口(3932脚)：p0.0p0.7统称为p0口。在不接片外存储器与不扩展i/o口时，可作为准双向输入/输出口。在接有片外存储器或扩展i/o口时，p0口分时复用为低8位地址总线和双向数据总线。 p1口(18脚)：p1.0p1.7统称为p1口，可作为准双向i/o口使用。对于52子系列，p1.0与p1.1还有第二功能：p1.0可用作定时器/计数器2的计数脉冲输入端t2，p1.1可用作定时器/计数器2的外部控制端t2ex。 p2口(2128脚)：p2.0p2.7统称为p2口，一般可作为准双向i/o口使用；在接有片外存储器或扩展i/o口且寻址范围超过256字节时，p2口用作高8位地址总线。 p3口(1017脚)：p3.0p3.7统称为p3口。除作为准双向i/o口使用外，还可以将每一位用于第二功能，而且p3口的每一条引脚均可独立定义为第一功能的输入输出或第二功能。p3口的第二功能如表1-1所示。如表3-1 p3口的第二功能 ale/prog(30脚)：地址锁存有效信号输出端。ale在每个机器周期内输出两个脉冲。在访问片外程序存储器期间，下降沿用于控制锁存p0输出的低8位地址；在不访问片外程序存储器期间，可作为对外输出的时钟脉冲或用于定时目的。但要注意，在访问片外数据存储器期间，ale脉冲会跳空一个，此时作为时钟输出就不妥了。对于片内含有eprom的机型，在编程期间，该引脚用作编程脉冲prog的输入端。 psen(29脚)：片外程序存储器读选通信号输出端，低电平有效。当从外部程序存储器读取指令或常数期间，每个机器周期该信号两次有效，以通过数据总线p0口读回指令或常数。在访问片外数据存储器期间，psen信号将不出现。 rst/vpd(9脚)：rst即为reset，vpd为备用电源。该引脚为单片机的上电复位或掉电保护端。当单片机振荡器工作时，该引脚上出现持续两个机器周期的高电平，就可实现复位操作，使单片机回复到初始状态。上电时，考虑到振荡器有一定的起振时间，该引脚上高电平必须持续10 ms以上才能保证有效复位。 当vcc发生故障，降低到低电平规定值或掉电时，该引脚可接上备用电源vpd(+5 v)为内部ram供电，以保证ram中的数据不丢失。 ea/vpp(31脚)：ea为片外程序存储器选用端。该引脚有效(低电平)时，只选用片外程序存储器，否则单片机上电或复位后选用片内程序存储器。对于片内含有eprom的机型，在编程期间，此引脚用作21 v编程电源vpp的输入端。 综上所述，mcs-51系列单片机的引脚可归纳为以下两点： (1) 单片机功能多，引脚数少，因而许多引脚都具有第二功能。 (2) 单片机对外呈现3总线形式，由p2、p0口组成16位地址总线；由p0口分时复用为数据总线；由ale、psen、rst、ea与p3口中的int0、int1、t0、t1、wr、rd共10个引脚组成控制总线，如图2.2(b)所示。由于是16位地址线，因此，可使片外存储器的寻址范围达到64 kb。3.4数码管的连接 转速设置模块的数码管采用静态显示，为了使用较为简单的应用程序采用硬件译码。硬件译码是采用专门的转换器件芯片来实现字母、数字的二进制数值到段选码的转换。这种转换芯片较多，此处采用mc14495 mc14495是motorola公司生产的cmos bcd-七段十六进制锁存、译码芯片。单片机应用系统中常要求led显示十六进制及十进制带小数点的数，使用mc14495则是非常方便的。图3.4.1是mc14495内部逻辑及引脚图。图3.4.1 mc14495内部逻辑及引脚图。 引脚信号是数据锁存控制端，在=0输入数据，在=1时锁存数据；h+i引脚信号是译码器输入大于等于10的指示端，当输入数据大于等于10时，该引脚输出高电平；是输入为15时的指示端，当输入数据为15时，该引脚输出为低电平。 图3.4.2是使用脉冲mc14495构成的4位led静态显示接口电路，该电路可直接显示多位十六进制数。若要显示带小数点的十进制数，则只要在led的dp端另加驱动控制即可。led显示模块采用共阴极形式。由于mc14495有输出限流电阻，所以led不需要再接限流电阻。 图3.4.2 使用mc14495的4位led静态显示接口 转速实时显示采用动态显示。led动态显示是将所以位的段选线并接在一个i/o口上，共阴极端或共阳极端分别由相应的i/o口线控制。图3.4.3就是一个4位led动态显示电路。图3.4.3 4位led动态显示电路 由于每一位段选线都接在同一个i/o口上，因此每送一个段选码，8位就显示同一个字符，这种显示器是不能用的。解决此问题的方法就是利用人的视觉滞留，从段选线i/o口上按位次分别显示字符的段选码，在位选控制口也按相应的次序分别选通相应的显示位，选通位就显示相应的显示位，选通位就显示相应字符，并保持几毫秒的延时，未选通位不显示字符。这样，对各位显示就是一个循环过程。从计算机工作来看，在一个瞬时就只有一个位显示，而其他都是熄灭的，但因为人的视觉滞留，这种动态变化时察觉不到的。从效果上看各位显示器能连续而稳定地显示不同的字符。达到显示的目的。 单片机应用系统中，多采用软件译码的动态显示。图3.4.4是51单片机通过8155扩展i/o控制的4位led动态显示接口。图中pb口输出段选码，位选码占用的输出口线数取决于显示器位数。bic8718为8为驱动芯片。图3.4.4 通过扩展8155i/o口控制的4位led动态显示接口3.5复位电路连接 与其它计算机一样，mcs-51单片机系统常常有上电复位和按钮复位两种方法。所谓上电复位，是指计算机加电瞬间，要在rst引脚上出现大于10 ms的正脉冲，使单片机进入复位状态。按钮复位是指用户按下复位按钮，使单片机进入复位状态。 复位是靠外部电路实现的。图2.26是上电复位及按钮复位的一种实用电路。 上电自动复位是在单片机接通电源时对电容充电来实现的。上电瞬间， rst 端的电位与vcc 相同。随着充电电流的减小， rst 端的电位逐渐下降，只要在 rst 端有足够长的时间保持阀值电压， 8051 单片机便可自动复位。图3.5复位电路3.6按键电路连接 四个按键接到p2.0p2.3口，接口为输入低电平有效。如图3.6为按键的连接方式。图 3.6按键电路3.7报警灯和蜂鸣器的连接 两个报警灯分别连接在p2.5和p2.6口，输出搞电平时灯亮，设计中为输出2hz的脉冲信号，让灯闪烁。蜂鸣器接p2.4接口，高电平有效，输出高电平时三极管导通蜂鸣器发出声音，达到报警效果。 +5vmcs 51p2.6p2.5 p2.4 蜂鸣器 转速过高报警灯 转速过低报警灯 图3.7报警灯和蜂鸣器的连接4 软件设计4.1主流程图图4.1主流程图4.2利用单片机的片外计数器测量转速的程序流程 信号经过预处理电路加至p3.2（即int0）引脚作为单片机内定时器t0的启动信号int0脚每检测到一个下降沿软件计数sum就加1，t0定时到，sum停止计数，sum除以定时时间就是电机