直流电机的转速测试_自考毕业设计1.doc

郑大自考毕业设计（论文）题目： 直流电机的转速测试 指导教师： - 职称： 副教授 学生姓名： - 学号：- 专 业： 电子信息工程 完成时间： 2013年4月21日 2013年4月21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，测量转速的方法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，霍尔元件等为检测元件，得到的信号是脉冲信号。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。本设计便是运用at89c51单片机控制的智能化转速测量仪。电机在运行过程中，需要对其进行监控，转速是一个必不可少的一个参数。本系统就是对电机转速进行测量，显示电机的转速，并观察电机运行的基本状况。本设计主要用at89c51作为控制核心，由旋转传感器trd-2e360a、字符型lcd1602显示器、光耦合器6n137构成。本设计重点是测量速度并显示在lcd显示器上。其优点硬件是电路简单，软件功能完善，测量速度快、精度高、控制系统可靠，性价比较高等特点。abstractin engineering practice, often will encounter all sorts of need to measure speed occasions, measuring speed method is divided into analog and digital two. analog using speed generator for detecting element, the signal is analog quantity. digital usually adopts photoelectric encoder, hall element as detecting element, the signal is the pulse signal. with the wide application of micro computer, especially the performance and price is the emergence of the single chip microcomputer, speed measurement generally based on single-chip microcomputer as the core of the digital measurement method.this design is to use at89c51 single-chip microcomputer control intelligent speed measuring instrument. motor in the operation process, the need to carry on the monitor, speed is a indispensable a parameter. this system is for the rotor speed measurement, display motor speed, and observe the basic condition of the motor running.this design mainly use at89c51 as the control core, and the rotation sensor trd - 2 e360a, character type lcd1602 display, optical coupler 6 n137 composition.this design is focused on measurement speed and displayed on the lcd display.its advantages are simple hardware circuit, software function is perfect, measuring speed, high accuracy, the control system is reliable, price higher characteristics.i目录摘要iabstractii目录iii一、设计要求1二、系统设计思想2三、硬件电路原理图3四、硬件设计4（一）、单片机at89c51介绍4（二）、最小系统的设计7（三）、光电编码器的原理及选型11（四）、光耦合器的原理及选型13（五）、字符型1062 lcd简介15五、系统软件设计17（一）、软件流程图17（二）、程序代码18总结24致谢25参考文献26ii一、设计要求电动机为风机、泵、压缩机和机床等各种设备提供动力，是工业生产中必不可少的动力驱动设备，在工业自动化系统中发挥着重要作用。由于电动机使用广泛，对电动机性能的检测也十分关键。其中电动机的转速的测量提供一种简单、便捷、准确度较高的方法。根据实际要求，电动机转速测量实验中要实现的目标如下：1） 转速测量：通过对编码器旋转时产生的脉冲波的计数来计算出电动机的转速。2） 输入信号抗干扰：光耦合器使用的目的是，通过光耦合器的引入滤除输入信号中不必要的杂波。3） 电动机转速的显示：字符lcd显示器使用的目的是，将所得到电动机转速的数值输出显示。26二、系统设计思想系统总体结构示意图如下所示：图2-1系统总体结构示意图原理概述：利用单片机的外部中断来计数。每当编码器旋转一周就会产生一个脉冲，由脉冲触发外部中断，累计外部中断的个数即可知道编码器旋转的圈数。利用单片机的定时器及软件定时产生1min的定时时间，在1min定时时间到时所计的外部中断的个数即为电动机的转速（r/min)。将转速参数传输至lcd1602中进行显示。三、硬件电路原理图硬件电路原理图如下：图3-1 硬件电路原理图光电编码器是由光栅盘和光电测装置组成。光栅盘是在一定直径的圆板上等分地开通若干个长方形孔。由于光电码盘与电动机同轴，电动机旋转时，光栅盘与电动机同速旋转，经发光二极管等电子元件组成的检测装置检测输出若干脉冲信号，通过计算每秒光电编码器输出脉冲的个数就能反映当前电动机的转速。此外，为判断旋转方向，码盘还可提供相位相差/2的两路脉冲信号。本设计采用的编码器是trd-2e360a旋转编码器，6n137是光耦合器。四、硬件设计（一）、单片机at89c51介绍at89c51是一种带4k字节闪烁可编程可擦除只读存储器(fperomfalsh programmable and erasable read only memory)的低电压，高性能cmos8位微处理器，俗称单片机。该器件采用atmel高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的mcs-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位cpu和闪烁存储器组合在单个芯片中，atmel的at89c51是一种高效微控制器，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。图4-1是常用的一种单片机，型号为at89c51，它将计算机的功能都集成到这个芯片内部去了，就这么一个小小的芯片就能构成一台小型的电脑，因此叫做单片机。图4-1 at89c51芯片它有40个管脚，分成两排，每一排各有20个脚，其中左下角标有箭头的为第1脚，然后按逆时针方向依次为第2脚、第3脚第40脚。在40个管脚中，其中有32个脚可用于各种控制，比如控制小灯的亮与灭、控制电机的正转与反转、控制电梯的升与降等，这32个脚叫做单片机的“端口”，在单片机技术中，每个端口都有一个特定的名字，比如第一脚的那个端口叫做“p1.0”。at89c51管脚分布如下图所示：图4-2 at89c51管脚分布图1) vcc：供电电压，2) gnd：接地。3) p1口：p1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向i/o口，p1口缓冲器能接收输出4ttl门电流。p1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，p1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在flash编程和校验时，p1口作为第八位地址接收。4) p1口：p1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向i/o口，p1口缓冲器能接收输出4ttl门电流。p1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，p1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在flash编程和校验时，p1口作为第八位地址接收。5) p2口：p2口为一个内部上拉电阻的8位双向i/o口，p2口缓冲器可接收，输出4个ttl门电流，当p2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，p2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。p2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，p2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，p2口输出其特殊功能寄存器的内容。p2口在flash编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。6) p3口：p3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向i/o口，可接收输出4个ttl门电流。当p3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，p3口将输出电流（ill）这是由于上拉的缘故。p3口也可作为at89c51的一些特殊功能口。p3口管脚备选功能：a. p3.0 rxd（串行输入口）b. p3.1 txd（串行输出口）c. p3.2 /int0（外部中断0）d. p3.3 /int1（外部中断1）e. p3.4 t0（记时器0外部输入）f. p3.5 t1（记时器1外部输入）g. p3.6 /wr（外部数据存储器写选通）h. p3.7 /rd（外部数据存储器读选通）i. p3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。7) rst：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持rst脚两个机器周期的高电平时间。8) ale/prog：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在flash编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ale端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ale脉冲。如想禁止ale的输出可在sfr8eh地址上置0。此时， ale只有在执行movx，movc指令是ale才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ale禁止，置位无效。9) /psen：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间每个机器周期两次/psen有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/psen信号将不出现。10) ea/vpp：当/ea保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000h-ffffh），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/ea将内部锁定为reset；当/ea端保持高电平时，此间内部程序存储器。在flash编程期间，此引脚也用于施加12v编程电源（vpp）。11) xtal1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。12) xtal2：来自反向振荡器的输出。（二）、最小系统的设计1、复位电路mcs-51单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cpu和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。图4-3 复位电路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-合过程中引起的抖动而影响复位。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rst通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s5p2，由复位电路采样一次。复位电路通常采用上电自动复位（图4-4(a)）和按钮复位(图4-4(b)两种方式。图4-4 rc复位电路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pc0000h，这表明程序从0000h地址单元开始执行。单片机冷启动后，片内ram为随机值，运行中的复位操作不改变片内ram区中的内容，21个特殊功能寄存器复位后的状态为确定值，见表4.2.1。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4-1中符号*为随机状态：表4-1 寄存器复位后状态表psw00h，表明选寄存器0组为工作寄存器组； sp07h，表明堆栈指针指向片内ram 07h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；po-p3ffh，表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 。ip00000b，表明各个中断源处于低优先级； ie000000b，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reset引脚来控制的，此引脚与高电平相接超过24个振荡周期后，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reset引脚转为低电平后，才检查ea引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ram内部的数据则不变。2、晶振电路晶振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。at89c51单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xtal1和xtal2分别是此放大器的输入端和输出端。这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c1和c2构成并联谐振电路，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12mhz，电容应尽可能的选择陶瓷电容，电容值约为30f。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(图4-5)。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。图4-5 晶振电路3、最小系统的仿真最小系统的仿真如下所示：图4-6 最小系统的仿真（三）、光电编码器的原理及选型光电编码器，是一种通过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器。这是目前应用最多的传感器，光电编码器是由光栅盘和光电检测装置组成。光栅盘是在一定直径的圆板上等分地开通若干个长方形孔。由于光电码盘与电动机同轴，电动机旋转时，光栅盘与电动机同速旋转，经发光二极管等电子元件组成的检测装置检测输出若干脉冲信号，通过计算每秒光电编码器输出脉冲的个数就能反映当前电动机的转速。此外，为判断旋转方向，码盘还可提供相位相差/2的两路脉冲信号。光电编码器是一种角度（角速度）检测装置，他将输入给轴的角度量，利用光电转换原理换成的电脉冲或数字量，具有体积小，精度高，工作可靠，接口数字化等优点，广泛应用于数控机床、回转台、伺服转动、机器人、雷达、军事目标测定等需要检测角度的装置和设备中。图4-7所示为光电编码器原理图4-7 光电编码器原理根据检测原理，编码器可分为光学式、磁式、感应式和电容式。根据其刻度方法及信号输出形式，可分为增量式、绝对式以及混合式三种。1）、增量式编码器增量式编码器如图4-8，是直接利用光电转换原理输出三组方波脉冲a、b和z相；a、b两组脉冲相位差/2，从而可方便地判断出旋转方向，而z相为每转一个脉冲，用于基准点定位。它的优点是原理构造简单，机械平均寿命可在几万小时以上，抗干扰能力强，可靠性高，适合于长距离传输。其缺点是无法输出轴转动的绝对位置信息。图4-8 增量式编码器2）、绝对式编码器绝对编码器是直接输出数字量的传感器，在它的圆形码盘上沿径向有若干同心码道，每条道上由透光和不透光的扇形区相间组成，相邻码道的扇区数目是双倍关系，码盘上的码道数就是它的二进制数码的位数，在码盘的一侧是光源，另一侧对应每一码道有一光敏元件；当码盘处于不同位置时，各光敏元件根据受光照与否转换出相应的电平信号，形成二进制数。这种编码器的特点是不要计数器，在转轴的任意位置都可读出一个固定的与位置相对应的数字码。显然，码道越多，分辨率就越高，对于一个具有 n位二进制分辨率的编码器，其码盘必须有n条码道。目前国内已有16位的绝对编码器产品。绝对式编码器是利用自然二进制或循环二进制（格雷码）方式进行光电转换的。绝对式编码器与增量式编码器不同之处在于圆盘上透光、不透光的线条图形，绝对编码器可有若干编码，根据读出码盘上的编码，检测绝对位置。编码的设计可采用二进制码、循环码、二进制补码等。它的特点是，可以直接读出角度坐标的绝对值；没有累积误差；电源切除后位置信息不会丢失。但是分辨率是由二进制的位数来决定的，也就是说精度取决于位数，目前有10位、14位等多种。3）、混合式绝对值编码器混合式绝对值编码器，它输出两组信息：一组信息用于检测磁极位置，带有绝对信息功能；另一组则完全与同增量式编码器的输出信息相同。4） 、trd-2e360a本次设计使用的是trd-2e360a旋转编码器，图4-9为trd2e360a的实物图，其市场应用广泛，价格低。trd-2e360a的主要性能如下：a. 分辨率：102500脉冲/转。b. 输出信号形式：a、b、z相。c. 最高相应频率：200khz。d. 容许最高转速：5000r/min。e. 电源电压：dc 512v。f. 输出形式：集电极开路输出。g. 启动扭矩：不大于0.001n.m。h. 防护等级：防尘型，ip50。i. 使用环境温度：-10+70。图4-9 trd-2e360a旋转编码器trd-2e360a共有两条电源线，三条输出信号线，一条屏蔽线，其接线方式如下：a. 酱色（brn）：dc 512v。b. 蓝色（blu）：0v。c. 黑色（blk）：outa。d. 白色（ht）：outb。e. 橘黄色（orn）：z。（四）、光耦合器的原理及选型光耦合器的原理：光耦合器件（简称光耦）是把发光器件（如发光二极管）和光敏器件（如光敏晶体管）组装在一起，通过光线实现耦合构成电-光和光-电的转换器件。光耦合器分为很多种类，图4-10所示为常用的晶体管型光耦合器内部结构图。当电信号送入光耦合器的输入端时，发光二极管通过电流而发光，光敏器件受到光照后产生电流而导通；当输入端无信号，发光二极管不亮，光敏晶体管截止。对于数字量，当输入端为低电平0时，光敏晶体管截止；当输入端为高电平1时，光敏晶体管饱和导通。若光敏晶体管基极有引出线则可满足温度补偿、检测调制要求。这种光耦合器性能较好，价格便宜，因而应用广泛。图4-10 常用的晶体管型光耦合器内部结构图光耦合器之所以在传输信号的同时有效地抑制尖脉冲和各种杂波干扰，主要有以下几方面的原因：a. 光耦合器的输入阻抗很小，只有几百欧，而干扰源的阻抗较大，通常为1000 00-1000 000。根据分压原理可知，即使干扰电压的幅度较大，但到达光耦合器输入端的杂波电压会很小，只能形成很微弱的电流，由于没有足够的能量而不能使二极管发光，从而被抑制掉了。b. 光耦合器的输入回路与输出回路之间没有电气联系，也没有共地；之间的分布电容极小，而绝缘电阻又很大，因此回路一边的各种干扰杂波都很难通过光耦合器馈送到另一边去，避免了共阻抗耦合的干扰信号的产生。c. 光耦合器可起到很好的安全保障作用，即使当外部设备出现故障，甚至输入信号线短接时，也不会损坏仪表，这是因为光耦合器件的输入回路和输出回路之间可以承受几千伏的高压。d. 光耦合器的反应速度极快，其反应延迟时间只有10s左右，适用于对反应速度要求很高的场合。本次设计所选用的6n137光耦合器是控制的光耦合器，其提供了一个孤立的光耦8引脚塑料dip封装。6n137光耦合器的内部结构、管脚图和6n137光耦合器的真值表如下所示： 表4-2 真值表 图4-11 6n137的内部结构、管脚图需要注意的是，在6n137光耦合器的电源管脚旁应有个0.1uf的去耦电容。在选择电容类型时，应尽量选择高频特性好的电容器，如陶瓷电容或钽电容，并且尽量靠近6n137光耦合器的电源管脚；另外，输入使能管脚在芯片内部已有上拉电阻，无需再外接上拉电阻。6n137光耦合器的使用需要注意两点：6n137光耦合器的第6脚vo输出电路属于集电极开路电路，必须上拉一个电阻；6n137光耦合器的第2脚和第3脚之间是一个led，必须串接一个限流电阻。（五）、字符型1062 lcd简介lcd1602主要技术参数：显示容量:162个字符芯片工作电压:4.55.5v工作电流:2.0ma(5.0v)模块最佳工作电压:5.0v字符尺寸:2.954.35(wh)mm引脚功能说明：1602lcd采用标准的14脚（无背光）或16脚（带背光）接口，各引脚接口说明表（表4-3）。表4-3 引脚接口说明表第1脚：vss为地电源。第2脚：vdd接5v正电源。第3脚：vl为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地时对比度最高，对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个10k的电位器调整对比度。第4脚：rs为寄存器选择，高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器。第5脚：r/w为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。当rs和r/w共同为低电平时可以写入指令或者显示地址，当rs为低电平r/w为高电平时可以读忙信号，当rs为高电平r/w为低电平时可以写入数据。第6脚：e端为使能端，当e端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令。第714脚：d0d7为8位双向数据线。第15脚：背光源正极。第16脚：背光源负极。五、系统软件设计（一）、软件流程图系统主程序流程图、外部中断流程图、定时器中断程序流程图分别如下所示：图5-1 系统主程序流程图图5-2 外部中断流程图图5-3 定时器中断程序流程图（二）、程序代码/lcd显示子程序接线方式：rsp0.5,rwp0.6,enp0.7,d0d7p2.0p2.7#include /包含头文件typedef unsigned char uchar; /数据类型简洁化声明typedef unsigned int uint;uchar t0_count; /定义定时器中断次数变量uint key_count=0;sbit rs=p05; /1602的数据/指令选择控制线sbit rw=p06; /1602的读写控制线sbit en=p07;sbit int_0=p32;sbit int_1=p33;sbit timer_0=p34;sbit timer_1=p35; /1602的使能控制线uchar code table=speed ok; /要显示的内容1放入数组tablechar table14=; /要显示的内容1放入数组table1uchar code table2=r/sec; /要显示的内容1放入数组table2uchar i=0;void delay(uchar i) /延时函数 uchar j,t; for(j=0;j=i;i+) for(t=0;t=255;t+);void lcd_wcom(uchar com) /1602写命令函数 rs=0; /选择指令寄存器 rw=0; /选择写 p2=com; /把命令字送入p2 delay(5); /短暂延时，让lcd1602准备接受数据 en=1; /使能线电平变化，命令送入1602的8位数据 en=0; void lcd_wdat(uchar dat) /lcd1602写数据函数 rs=1; /选择指令寄存器 rw=0; /选择写 p2=dat; /把命令字送入p2 delay(5); /短暂延时，让lcd1602准备接受数据 en=1;/使能线电平变化，命令送入1602的8位数据口 en=0;void lcd_init() /lcd1602初始化函数 lcd_wcom(0x38); /8位数据，双列，5*7字形 lcd_wcom(0x0c); /开启显示屏，关光标，光标不闪烁 lcd_wcom(0x06); /显示地址递增，即写一个数据后，显示位置右移1位 lcd_wcom(0x01); /清屏void manage_key1(void)/用于将int型转换成char便于lcd显示 int a,b,c,d,e,f; char j,k,m,n; a=key_count%1000; d=key_count/1000; /千位数 b=a%100; e=a/100; /百位 c=b/10; /十位数 f=b%10; /个位数 j=f+48; k=c+48; m=e+48; n=d+48; table13=j; table12=k; table11=m; table10=n;void timer_init(void) et0=1; /允许定时器0中断 tmod=0x11; /定时器工作方式选择 th0=0x3c; /自动重装载值 tl0=0xb0; /定时器赋予初值 tr0=1; /启动定时器 t0_count=0; it0=0; ex0=1; ea=1;void timer0(void) interrupt 1 /中断处理函数 int k; th0=0x3c; /自动重装载值 tl0=0xb0; /定时器赋予初值 t0_count+; /中断次数累加 if(t0_count=20) /共进了20次定时中断，实现阶1s定时 lcd_wcom(0x80+0x44); /重新设定显示地址为0xc4，即下排第5位 manage_key1(); for(k=0;k4;k+) /将table1中的数据依次写入1602显示 lcd_wdat(table1k); delay(10);key_count=0;t0_count=0;void int0_intrupt() interrupt 0 using 1 /外部中断 ea=0;/系统中断禁止 delay(3); if(int_0=0)/判断是否干扰 while